西北地区马铃薯品质与土壤养分间的耦合关系

张 帆，李 源，陈梦茹，邢英英，党菲菲，王秀康

（1.延安大学生命科学学院，陕西延安 716000；2.延安市农业科学研究院，陕西延安 716000）

0 引言

马铃薯(Solanum tuberosum L.)是世界第4 大粮食作物，在保障粮食安全方面发挥着不可替代的作用[1]。水和肥是影响马铃薯生长和产量的2大重要因素，合理的水肥供应对于马铃薯提质稳产极其重要[2]。马铃薯作为西北地区的主要农业作物，在当地的经济发展、民生保障等方面发挥着不可取代的作用。但由于当地气候干旱、自然环境恶劣等问题，利用过度灌溉和过量施肥来追求高产高质成为当地农业生产实践的主要方式[3]。过量的水肥利用不仅导致自然资源的浪费，带来无畏的经济损失，而且还会引发一系列的环境问题，如氮素淋溶、地下水污染等，严重影响农业生产的可持续发展[4]。因此，探明水肥供应与马铃薯品质及产量间的耦合关系是推动农业生产活动健康、绿色发展的前提条件。

马铃薯在整个生育期对水、肥极其敏感，亏缺灌溉和过量灌溉均会影响马铃薯的产量和品质[5]。马铃薯作为浅根系植物，其在整个生育期对水分的需求高于其他植物，当水分亏缺时，马铃薯叶片表面温度升高，保卫细胞构成的气孔关闭，阻断了CO2向叶片扩散的通道，影响植株光合作用的进行，导致作物严重减产降质[6]。水分亏缺对马铃薯产量和品质有重要影响，特别是在块茎萌发期和块茎膨大期[7]。相关研究发现，马铃薯的产量随着灌溉量的增加而增加，但块茎的品质随着灌溉量的增加而下降[8]。在马铃薯的整个生育期中，有规律及充足的灌溉是保证其高产高质的基础[9]。因此，探明土壤水分与马铃薯产量和品质间的耦合关系，是提高马铃薯产量和品质的关键。肥是影响马铃薯产量和品质高低的另外一个重要因素。合理肥料的施用可以提高马铃薯的品质和产量[10]，但过量的施肥可能会造成氮淋失的风险。肥料的施用并不是与作物的产量成正比的，氮磷钾肥施用量超过一定范围时，马铃薯产量和经济效益均下降[11]。控制和协调氮、磷、钾肥料的施用和比例是保证马铃薯高产的基础[12]，过量的施肥不仅会使得马铃薯块茎硝酸盐含量积累超标，给人类健康造成威胁[13]，而且会导致产量和品质的下降，污染环境，造成严重的经济损失[14]。因此，探究土壤养分与马铃薯产量与品质的关系，寻找一个合适的施肥量，减少肥料的过量施用对于现代农业绿色可持续发展特别重要。

国内外学者在水肥互作对马铃薯产量和品质影响方面也有众多研究，有研究指出，在灌溉和施肥的相互作用下可以对马铃薯的产量和品质产生显著影响[15]。在60%ET0和80%ET0的亏缺灌溉水平下，当施用相同的肥料时，产量随着灌溉频率的增加而增加[16]。然而，先前的研究主要集中于通过水肥管理对马铃薯产量和品质进行调控，很少有学者对土壤养分与马铃薯品质之间的关系进行探究，特别是对西北干旱、半干旱地区的土壤养分与马铃薯品质的关系尚无明确结论。由于农业生产中施用的肥料转化为土壤养分受多种因素影响，因此探明土壤养分与马铃薯品质的关系，可以为当地水肥施用提供精确指导。

本试验通过收集西北地区常种植的多个不同品种马铃薯的块茎和根区土壤样品，采用相关性分析和偏最小二乘法等分析马铃薯品质与土壤养分之间的耦合关系，明确了该地区马铃薯块茎品质与根区土壤养分间的相关关系，并筛选出了影响西北地区马铃薯品质的主要土壤养分指标，同时建立回归方程模型，定量化地解析限制该地区马铃薯品质的主要土壤养分因子。

1 材料与方法

1.1 试验地描述

本试验于2018 年、2019 年和2020 年在陕西省榆林市现代农业科技示范园（109°43'E、38°23'N）进行。试验地气候类型为干旱或半干旱季风性气候，海拔高度为1 050 m，全年降水量集中于6-8 这3 个月份，年降水量371 mm，年蒸发量1 900 mm，总日照时数2 900 h，年平均温度8.6 ℃，无霜期168 d。试验地土壤类型为砂壤土，在试验开始前，耕作土壤容重为1.32 g∕cm3，田间持水量为15.84%，pH 值为8.1，铵态氮的含量为5.79 mg∕kg，速效钾含量为55.52 mg∕kg，有效磷含量为6.77 mg∕kg，硝态氮含量为1.03 mg∕kg，有机质含量为7.85 g∕kg。

1.2 试验设计

选取了西北地区常种植的57 种马铃薯品种为供试材料。在本试验中，每一小区宽1.8 m，长20 m，小区面积为36 m2。试验在2018 年、2019 年和2020 年进行，3 a 中马铃薯播种日期为5 月15 日，收获日期为10 月3 日。马铃薯种植方式均采用机械起垄和人工行栽的方式，单行布局，行距为90 cm，株距为25 cm，每个小区种植2行马铃薯，种植密度为50 505 株∕hm2。

灌水采用管径为16 mm 的聚乙烯树脂内镶式薄壁迷宫滴灌带，滴头间距为30 cm，每一小区装有一个水表，用以控制灌溉量。根据当地推荐的肥料类型和施肥水平，氮肥用尿素(含46%氮)，磷肥用过磷酸钙(含12%磷)，钾肥用硫酸钾(含50%钾)，所有处理施肥量相同，施用氮肥（纯氮）为200 kg∕hm2，磷肥（纯磷）为80 kg∕hm2，钾肥（纯钾）300 kg∕hm2。肥料在马铃薯整个生育期分4 次施入，4 次施肥比例分别为苗期15%，块茎形成期20%，块茎膨大期40%和淀粉积累期25%。采用容量压差式施肥罐，每个罐容积为15 L，一个小区一个罐，以控制每个小区施肥量相同。

作物灌水量的计算方式如下：

采用适用于风沙区参考作物需水量（ET0）的Penman-Monteith 公式[17]。马铃薯生育期130 d，其生长可以分为5 个阶段，5 个阶段Kc的取值均不同，分别为幼苗期0.5，块茎形成期0.65，块茎膨大期1.15，淀粉积累期1.15和成熟期0.75。

在本次试验中，按照当地管理方式对马铃薯整个生育期的害虫和杂草等进行有序的管理。试验结束后，滴灌带和塑料薄膜收集并回收，所有地块上种植苜蓿，以平衡所有地块中的养分残留。

1.3 样品采集

（1）马铃薯样品采集。在马铃薯成熟期，每个品种随机选取3 株，装入塑封袋中，利用液氮速冻后迅速置于-70 ℃低温进行保存，等待马铃薯块茎的各品质指标测定。

（2）土壤样品采集。在马铃薯成熟期，每个品种马铃薯试验区中，随机选取3 个样点作为重复，沿垂直滴灌方向10、20、30、40、50、60、70、80 cm 取8 个土层深度的土壤，随后迅速装入塑封袋中，带回实验室，测定土壤中的水分和养分。

1.4 指标测定与方法

（1）品质。在马铃薯成熟期，每一小区随机选取3株马铃薯，取其块茎，烘箱杀青，烘干至恒重进行碎化成粉后测量各品种的淀粉含量（SC）、还原糖含量（RSC）、可溶性总糖含量（TSS）、粗蛋白含量（CPC）、维生素C 含量（VC）和多酚氧化酶活性（POA），每一处理测量3 次，取均值作为最终测量结果。淀粉采用碘比色法测定，维生素C采用钼蓝比色法测定，可溶性糖采用蔥酮法测定，还原糖采用3,5-二硝基水杨酸比色法测定，粗蛋白质采用考马斯亮蓝G250 染色法测定，多酚氧化酶活性采用分光光度法测定[18,19]。

（2）土壤理化指标测定。在马铃薯成熟期，采集各品种的马铃薯块茎根际土壤，分别测定土壤pH、电导率（SEC）、土壤含水量（SWC）、土壤碱解氮（SAHC）、土壤硝态氮（SNNC）、土壤速效钾（AK）、土壤速效磷（AP）和土壤有机质（SOM），每一处理测量3 次，取均值作为最终测量结果。土壤pH 用雷磁便携式pH 计测定，土壤电导率用雷磁便携式电导率仪测定，土壤硝态氮含量采用2 mol∕L KCl 浸提后用紫外分光光度计法测定，土壤碱解氮含量采用碱解扩散法测定，土壤速效钾含量采用火焰光度法测定，土壤速效磷含量采用紫外分光光度法测定，土壤有机质含量采用重铬酸钾—硫酸消化法测定[20]。

1.5 数据分析

利用Microsoft Excel 2010 进行数据统计及结果计算；分别利用SPSS 16.0和Sigma Plot 14.0进行统计分析和图表绘制；利用SPSS 16.0 中双变量相关性分析计算马铃薯品质与土壤养分之间的关系；利用SIMCA 14.1中变量重要性投影法（VIP）对影响马铃薯品质的主要土壤养分因子进行筛选并建立回归方程模型。

2 结果与分析

2.1 马铃薯品质

供试马铃薯品质如表1 所示。淀粉含量最高为22.98%，最低为2.92%，平均含量为12.48%，变异系数为48.88%。还原糖含量的变化较大，变异系数为148.08%，最高含量为3.14%，平均含量为0.52%。可溶性总糖含量最高为5.78%，最低为0.07%，平均含量为1.79%，变异系数为84.36%。粗蛋白含量的差异较大，变异系数为75.00%，最高含量为0.35 mg∕g，平均含量为0.12 mg∕g。维生素C 含量最高为25.08 mg∕(100 g)，平均含量为11.62 mg∕(100 g)，变异系数为35.37%。多酚氧化酶活性的差异较大，变异系数为56.99%，最高活性为100.00 U∕(g·min)，平均活性为46.76 U∕(g·min)。

表1 供试材料品质统计Tab.1 Statistics of quality of tested materials

2.2 根区土壤水分和养分

供试马铃薯根区土壤水分和养分如表2所示。根区土壤含水量的变化范围为3.84%～7.62%，变化幅度较小，变异系数为16.58%，平均含水量为5.55%。根区土壤pH 的变化较小，均呈弱碱性，最高值为9.03，最低值为7.61。电导率的最高值为186.50 μS∕cm，最低值为43.27 μS∕cm，变异系数为33.59%。碱解氮含量的变化范围为6.45～25.35 mg∕kg，平均含量为13.57 mg∕kg，变异系数为27.63%。硝态氮含量的变化幅度较大，变异系数为86.84%，最高含量为13.81 mg∕kg，平均含量为3.04 mg∕kg。速效钾的含量普遍较高，变化幅度也较大，变异系数为50.14%，最高含量为75.50 mg∕kg，平均含量为35.94 mg∕kg。土壤速效磷的变化范围为1.04～18.93 mg∕kg，变异系数为44.77%，平均含量为8.42 mg∕kg。根区土壤有机质的平均含量为3.59 g∕kg，最高含量为9.19 g∕kg，变异系数为34.26%。

表2 供试材料根区土壤水分和养分统计Tab.2 Statistics of soil water and nutrient in root zone of tested materials

2.3 土壤养分和水分与马铃薯品质的相关性分析

土壤养分和水分与马铃薯品质的相关性分析结果如表3所示。pH 与SC、RSC 和CPC 呈负相关关系；SEC 与SC 和TSS 呈显著正相关关系，相关系数分别为0.321 和0.264，与POA 呈极显著正相关关系，相关系数为0.376；SWC 与SC、TSS、CPC、VC 和POA 呈负相关关系，其中与SC 的关系达到显著水平，相关系数为-0.331；SAHC 与SC、TSS、CPC、VC 和POA呈正相关关系，其中与CPC 的关系达到显著水平，相关系数为0.287；SNNC 与所有品质指标均呈负相关关系，其中与TSS和POA 关系达到显著水平，相关系数分别为-0.280 和-0.264，与SC关系达到极显著水平，相关系数为-0.416；AK与POA 呈极显著正相关关系，相关系数为0.465，与其余品质指标呈负相关关系，其中与TSS 和VC 的关系达到显著水平，相关系数分别为-0.302和-0.324，与RSC的关系达到极显著水平，相关系数为-0.496；AP 与CPC 和POA 均呈正相关关系，与其余指标呈负相关关系；除POA 外，SOM 与其余指标均呈负相关关系。

表3 品质与根区土壤养分和水分的相关性分析Tab.3 Correlation Analysis between quality and soil nutrients and water in root zone

2.4 影响马铃薯品质的重要土壤因子筛选

利用VIP筛选出影响马铃薯品质的重要土壤养分因子，选取VIP 值大于1 的作为影响马铃薯各品质特征的主要养分因子，筛选结果如图1所示。马铃薯的淀粉含量受根区土壤硝态氮、电导率、含水量和碱解氮含量的影响较大，其中与硝态氮含量和含水量的呈负相关关系，与电导率和碱解氮含量呈正相关关系。马铃薯的蛋白质含量受根区土壤碱解氮、电导率和硝态氮含量的影响较大，其中与碱解氮含量和电导率呈正相关关系，与硝态氮含量呈负相关关系。马铃薯的还原糖含量与根区土壤所有养分指标均呈负相关关系，其中与速效钾含量的负相关关系最强。马铃薯的可溶性总糖含量受根区土壤速效钾和含水量的影响较大，2者均与可溶性糖含量呈负相关关系。马铃薯维生素C含量受根区土壤速效钾和硝态氮含量的影响较大，且均呈负相关关系。马铃薯多酚氧化酶活性受根区土壤速效钾、电导率、碱解氮和硝态氮含量的影响较大，其中与硝态氮含量呈负相关关系，与速效钾、电导率和碱解氮含量呈正相关关系。

图1 影响马铃薯品质的土壤养分因子VIP值Fig.1 VIP value of soil nutrient factors affecting potato quality

2.5 影响马铃薯品质的重要土壤因子偏最小二乘回归分析

参考VIP 所筛选出的各品质指标重要养分影响因子，应用偏最小二乘回归分析建立西北干旱地区马铃薯品质与根区土壤养分因子的回归方程模型，如表4 所示。以根区土壤pH（X1）、SEC （X2）、SWC （X3）、SAHC （X4）、SNNC （X5）、AK（X6）、AP（X7）和SOM（X8）为自变量，以马铃薯SC（Y1）、CPC（Y2）、RSC（Y3）、TSS（Y4）、VC（Y5）和POA（Y6）为因变量。在所建立的回归方程模型中，各自变量的系数大小代表根区土壤养分对马铃薯各品质指标影响的强弱，系数正负代表根区土壤养分对马铃薯各品质指标影响的方向。

表4 马铃薯品质与根区土壤养分的回归方程模型Tab.4 Regression equation model between potato quality and soil nutrients in root zone

3 讨 论

选择合理的田间管理技术对马铃薯品质和根区土壤环境有重要的影响，近年来，随着人类生活标准的提高，马铃薯品质已经成为评估田间管理技术的必要指标[21]。马铃薯品质受多种因素的影响，如土壤环境、品种、气候条件等。淀粉是马铃薯的重要营养指标，高的淀粉含量对于马铃薯生产加工特别重要，特别是在大规模性的马铃薯生产链中[22]。在本研究中，淀粉含量与电导率呈显著正相关关系，与含水量和硝态氮呈负相关关系且均达显著水平，即说明马铃薯在生长期对水分和硝态氮的吸收利用量较多，在成熟期土壤中残留的较少。土壤含水量对马铃薯淀粉的合成极其重要，有研究表明马铃薯淀粉合成时对水分不敏感[23]，另有学者发现随着灌水的增加，马铃薯的淀粉含量将随之减少[24]，而本研究表明马铃薯吸收水分越多，淀粉含量越高，这与前人的研究结果完全相反，产生这一差异的原因可能是由于气候、土壤条件、灌水频率和周期不同等所导致。通过相关性分析，同时结合VIP筛选出影响淀粉含量的主要土壤养分因子，构建回归方程后发现，淀粉含量对根区土壤硝态氮含量极为敏感，Zhang 等[25]研究发现，随着施氮量的增加，淀粉含量也随之增加，Yang[26]等发现，随着施氮量的增加，淀粉含量呈现先增加后下降的趋势，研究结果出现这些差异的原因可能与不同地区土壤质地和土壤基底养分含量不同有关。

蛋白质是组成生物体的4大有机物之一，在维持生物体正常生理代谢过程方面发挥着重要作用[27]。相关性研究结果表明，蛋白质含量与土壤碱解氮残留量呈显著正相关关系，通过VIP 筛选主要土壤养分因子，构建回归方程后发现，碱解氮、硝态氮和电导率对马铃薯蛋白质的形成有重要影响。马铃薯蛋白质的合成过程受多种因素的影响，其中栽培环境和田间管理占主导地位[28]。Zhang 等[29]研究表明，施用生物肥和有机肥显著增加了马铃薯块茎中的酪氨酸、蛋氨酸等氨基酸的含量，提高了块茎中的粗蛋白质含量。廖佳丽等[30]研究表明施肥处理下可以显著提高块茎中的蛋白质含量。因此，注重马铃薯根区土壤环境的调控，是提高块茎品质的关键。

众所周知，马铃薯是人类饮食中获得VC 的重要来源，先前有研究表明[31]，马铃薯的VC 含量介于6.5～36.9 mg∕(100 g)，在本研究中所有供试马铃薯材料VC 含量的均值为11.62 mg∕(100 g)。相关性分析结果发现，VC 含量与土壤中所残留的速效钾呈显著负相关关系，通过构建VC 含量与土壤养分因子的回归方程模型得到VC 含量受速效钾和硝态氮影响较大且均呈负相关效应，说明土壤速效钾和硝态氮在整个生育期对马铃薯块茎中VC 含量的合成极其重要。有数据表明[32]，钾肥施用提高了植株的光合作用效率，增加了干物质在块茎中的积累量，提高了块茎中的维生素C的含量。另外，马铃薯块茎中的VC 含量还与马铃薯本身的遗传特性密切相关[33]，马铃薯品种的遗传基因对VC 的含量的影响程度远超于环境[34]，因此，在后期要提高马铃薯块茎中VC 含量时，不仅要创造良好的根区土壤环境，也必须考虑选择优质的马铃薯种质。

块茎中还原糖含量与马铃薯储存的时间密切相关，其含量越低，越利于储存[35]。在本研究中，还原糖受土壤速效钾含量影响最大，呈极显著负相关水平，相关系数为-0.496，说明适量的钾肥（纯钾含量为300 kg∕hm2）投入可降低马铃薯块茎中的还原糖含量，以达到增加马铃薯储存时间的目的。本研究所建立的回归方程模型可以看出，可溶性总糖含量受根区土壤硝态氮和含水量的影响最大，且与2者均呈显著负相关关系，说明在马铃薯整个生育期水氮供应对块茎中可溶性糖积累极其重要。相关研究发现，适度的亏缺灌溉（80%ET0）可以显著影响块茎中的可溶性总糖含量[36]，但过量的施肥将影响马铃薯块茎的成熟度，影响块茎中可溶性总糖含量，降低马铃薯品质[37]。多酚氧化酶广泛存在于水果和蔬菜当中，是诱导酶促褐变的主要原因[38]。本研究发现，多酚氧化酶活性受多种因素的影响，其中与土壤电导率、速效钾和碱解氮含量呈正效应，与硝态氮含量呈负效应。土壤养分对马铃薯块茎品质的影响较为复杂，应该通过大量的田间试验和模型预测来探究影响块茎品质的主要养分因子，以明确马铃薯块茎中各品质对土壤养分响应的内在机理，针对性地采取合理的田间管理措施。

4 结 论

在西北干旱地区，土壤电导率是影响马铃薯淀粉、粗蛋白和多酚氧化酶活性的首要土壤养分因子。淀粉主要受土壤硝态氮、碱解氮、含水量和电导率的影响，粗蛋白主要受土壤电导率、硝态氮和碱解氮的影响，可溶性总糖受土壤含水量和速效钾的影响，维生素C 受土壤硝态氮和速效钾的影响，还原糖受土壤速效钾含量影响最大，多酚氧化酶活性受土壤电导率、硝态氮、碱解氮和速效钾的影响。因此，调控土壤电导率，适量增施钾肥和氮肥是提高西北地区马铃薯品质的有效途径。