不同降水年型下秸秆带状覆盖对西北旱地马铃薯品质和产量的影响

张森昱,冯雨露,马建涛,杨成存,韩凡香,柴守玺,黄彩霞,常 磊

(1.甘肃省干旱生境作物学重点实验室/甘肃农业大学农学院,甘肃 兰州 730070; 2. 兰州城市学院地理与环境工程学院,甘肃 兰州 730070; 3. 甘肃农业大学水利水电工程学院,甘肃 兰州 730070)

马铃薯是中国重要的粮菜兼用作物,具有适应性强、产量高、营养丰富等特点[1],其块茎中约含有20%的干物质,大部分由淀粉组成,除此之外,还有蛋白质、膳食纤维、矿物质以及多种维生素等[2-3]。马铃薯块茎中的淀粉及糖类物质的产生与合成依赖于植物体内进行的光合作用[4],而植物体通过叶绿素利用光能来合成有机物,这个过程需要消耗大量水分;有研究表明,土壤含水量与马铃薯块茎产量呈正相关关系,水分不足严重影响马铃薯淀粉的积累[5]和品质的提升[6-7]。西北半干旱区是我国马铃薯的主要种植地区之一,但该区常年干旱频发,降雨稀少且土壤水分蒸发强烈,水资源短缺和水土流失成为限制该区马铃薯生产的关键因素[5,8]。因此,如何合理利用有限降水,以提高马铃薯主产区产量及品质是西北旱作区马铃薯产业亟待解决的问题。

近年来,随着旱作区地膜和秸秆覆盖栽培的广泛应用,马铃薯生育期内水分亏缺的问题已得到一定程度缓解[9]。研究发现,在马铃薯种植中,地膜覆盖能有效减少土壤水分蒸发,增温保墒,抗旱保苗,改善土壤生态环境[10-11]。张雷等[12]研究发现,全膜覆盖较露地种植能够减少水土流失,并使马铃薯显著增产。覆盖栽培在显著提高其块茎产量的同时,还能明显改善马铃薯品质[13]。纪晓玲等[14]发现,在黄土丘陵干旱半干旱区,地膜覆盖能明显提高马铃薯块茎产量,且块茎中淀粉及维生素C的含量也有不同程度的增加;许国春等[15]研究发现,黑膜和稻秸覆盖下,马铃薯块茎维生素C含量较不覆盖处理增加10.1%～39.6%。但也有研究发现,长时间全垄地膜覆盖,会导致植株侧根量减少、根层变浅,植株难以吸收充足养分,中后期土壤温度偏高,植株易早衰[16],品质会降低。同时,长期的地膜覆盖也对农田生态环境造成了较大的污染[17-18]。秸秆覆盖具有较好的蓄水保墒作用[19-20],其降温效应能促进马铃薯等喜凉作物的生长,有利于块茎中干物质的积累,显著增加块茎产量[21]。马建涛等[22]、李辉等[23]均发现,秸秆带状覆盖能够有效改善土壤水热环境,进而使马铃薯显著增产。

现有马铃薯覆盖栽培措施研究多集中于不同覆盖材料对土壤水、热环境及马铃薯产量的影响,本团队在前期研究中也证实,秸秆带状覆盖能够有效控温保墒,有助于马铃薯增产[5,22-24],而对不同降水年型下秸秆带状覆盖对马铃薯块茎品质与产量的研究尚不多见。因此,本试验在西北半干旱区以‘陇薯7号’为材料,设置秸秆带状覆盖和地膜覆盖2种不同的覆盖措施,以露地无覆盖为对照,通过测定不同覆盖条件下马铃薯块茎维生素C、淀粉、直链淀粉、还原糖、粗蛋白含量以及块茎产量,研究不同降水年型下各覆盖措施对马铃薯产量及品质的影响,以期为西北半干旱雨养农业区马铃薯高产优质栽培提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2019—2021年在甘肃省通渭县甘肃农业大学试验基地(35°11′ N,105°19′ E,海拔1 750 m)进行,该地区年均气温7.2℃,年日照时数2 096 h,无霜期120～170 d,作物一年一熟,为典型旱地雨养农业区。多年平均年降水量为390.7 mm,其中约65%降雨集中在7—9月。试验区土壤为黄绵土,0～20 cm耕作层土壤含有机质11.72 g·kg-1、全氮0.79 g·kg-1、速效磷11.63 mg·kg-1、速效钾122.7 mg·kg-1,pH值为8.5,0～20 cm土层土壤容重平均为1.25 g·cm-3。图1为马铃薯3个生长季生育期的有效降水量和日均气温。为便于研究,将2019—2021年3个生长季根据生育期降雨总量计算干旱系数,判断降水年型,公式如下[25]:

图1 2019—2021年马铃薯全生育期降水和气温分布Fig.1 Precipitation and temperature distribution during the growth period of potato in 2019-2021

DC=(P-A)/σ

式中,DC为干旱系数(DC<-0.35为干旱年;DC>0.35为丰水年;-0.35≤DC≤0.35为平水年);P为当年降雨量(mm);A为多年平均降雨量(mm);σ为多年平均降雨均方差。2019年生育期降雨量423.9 mm,DC为1.57,属于丰水年;2020年生育期降雨量352.6 mm,DC为0.63,属于丰水年;2021年生育期降雨量284.5 mm,DC为-0.27,属于平水年。

1.2 试验设计

采用随机区组设计,设置秸秆带状覆盖(SM)、地膜覆盖(PM)、无覆盖露地(CK)3个栽培处理,小区面积90 m2(18 m×5 m),3次重复。各试验处理具体设置如图2所示。

图2 马铃薯田间种植示意图Fig.2 Schematic diagram of potato planting cultivation practices

SM:马铃薯播种前在小区内将覆盖带与种植带交替布置,覆盖带∶种植带=60 cm∶60 cm,秋季覆盖,将玉米整杆人工铺设于覆盖带上,秸秆覆盖量风干质量约9 000 kg·hm-2,每个种植带呈正三角形穴播2行马铃薯,总带宽120 cm,株距32 cm,行距60 cm。

PM:马铃薯播种前使用聚乙烯黑色塑料地膜(幅宽1.2 m,厚度0.01 mm)地面起大垄覆膜。大垄宽约100 cm,垄高10 cm,垄沟宽约20 cm,在大垄两侧呈正三角形穴播2行马铃薯,株距32 cm,行距60 cm,秋季覆盖。

CK:传统不覆盖平作,播种时等行距呈三角形穴播,株距32 cm,行距60 cm。

以当地主栽品种‘陇薯7号’为试验材料,试验地前茬为冬小麦,试验地覆膜覆秆前进行1次深翻、2次旋耕。播种前将全部肥料(纯N 120 kg·hm-2,P2O590 kg·hm-2)做基肥一次性施入土壤,生育期内不追肥。各处理每穴播种50 g左右小整薯1粒,用穴播器打孔播种,密度均为5.25×104株·hm-2。生育期内化学防晚疫病2～3次。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 品质测定 马铃薯成熟期,在每个小区随机取3个块茎,清洗晾干后备测马铃薯品质。

维生素C含量:使用酶标法[26-27]测定,称取约0.1 g组织用于配制样本,在EP管中加入配好的溶液,混匀后于30℃水浴锅中反应1 h,吸取200 μL加入96孔板中,534 nm下测定各管吸光值,通过标准曲线求维生素C含量。

淀粉含量:采用酶标法[26-27]测定,称取约0.1 g新鲜样本于研钵中研碎,制作组织样本,利用80%乙醇将样品中可溶性糖与淀粉分开,采用酸水解法分解淀粉为葡萄糖,采用蒽酮比色法测定葡萄糖含量,计算淀粉含量。

直链淀粉含量:采用酶标法[26-27]测定,称取约0.01 g样本于研钵中研碎,制作组织样本,利用80%乙醇将组织样品中可溶性糖与淀粉分开,直链淀粉与碘形成的络合物在620 nm下有吸收峰。使用酶标仪,调节波长至620 nm,测算直链淀粉含量。

还原糖含量:采用酶标法[26-27]测定,称取约0.1 g组织用于配制样本,通过加热促进碱性溶液中3,5-二硝基水杨酸溶液与还原糖生成棕红色氨基化合物,在540 nm有特征吸收峰;一定的浓度范围内,还原糖含量与540 nm吸光度呈线性关系,根据标准曲线,求出样品中还原糖的含量。

粗蛋白含量:用凯氏定氮法测定块茎样本中的含氮量,结果乘以换算系数6.25,计算粗蛋白含量[28]。

1.3.2 产量测定 在马铃薯成熟期,各处理每重复选取15穴进行考种,分别调查每穴大、中、小薯的个数并称重(小薯质量<75 g,75 g≤中薯质量≤150 g,大薯质量>150 g),据此计算商品薯率[22];同时按照小区计产,用3次重复的平均值换算单位面积产量。

商品薯率(%)=(单薯质量75 g及以上的马铃薯产量/马铃薯总产量)×100%

1.4 数据分析

1.4.1 统计分析 采用Microsoft Excel 2010和SPSS 22.0软件进行数据分析和处理,采用LSD法进行显著性差异检验(α=0.05),使用Sigmaplot 14.0绘图。

1.4.2 主成分分析 对马铃薯块茎主成分进行分析,因各指标具有不同的量纲,故对各指标进行标准化处理,消除各变量间的量纲关系,使之具备可比性,数据标准化公式为:

2 结果与分析

2.1 不同覆盖方式对马铃薯块茎品质的影响

如表1所示,覆盖措施能够有效改善马铃薯块茎的品质,与CK相比,SM和PM提高了块茎维生素C、淀粉、直链淀粉、还原糖、粗蛋白的含量,SM处理3个生长季平均增幅分别为10.8%、10.9%、19.7%、5.7%、10.7%,PM处理平均增幅分别为16.9%、3.6%、9.9%、5.7%、20.5%。降水年型显著影响马铃薯品质,因降雨量不同,马铃薯块茎品质存在年际间差异。在丰水年(2019年和2020年),与CK相比,SM处理块茎维生素C、淀粉、直链淀粉、还原糖、粗蛋白含量分别平均提高2.7%、15.2%、31.9%、5.8%、7.1%,PM处理各指标分别平均提高1.5%、3.7%、12.6%、5.3%、26.6%。在平水年(2021年),SM处理块茎维生素C、淀粉、直链淀粉、还原糖、粗蛋白含量分别提高20.4%、0.4%、1.2%、5.1%、14.3%,PM处理各指标分别提高35.2%、3.3%、5.9%、8.3%、14.6%,PM处理下各品质指标增幅相较SM更高。可见,秸秆带状覆盖和地膜覆盖均可以有效改善马铃薯的品质,且整体而言丰水年SM改善效果更好,平水年PM改善效果更好。

表1 不同覆盖方式对马铃薯块茎品质的影响Table 1 Effects of different mulching methods on tuber quality of potato

2.2 不同覆盖方式对马铃薯产量的影响

覆盖处理能够显著增加马铃薯鲜薯产量,增幅表现为平水年>丰水年,地膜覆盖>秸秆带状覆盖;降水年型、覆盖措施以及二者互作均极显著影响马铃薯商品薯率(表2)。与CK相比,丰水年SM处理鲜薯产量显著增加13.7%～19.5%,PM处理显著增加26.4%～27.1%;平水年SM鲜薯产量显著增加16.4%,PM处理显著增加37.2%。SM和PM处理商品薯率丰水年年均分别较CK显著提高9.4%和14.1%,平水年略有增加,但处理间差异不显著。

表2 不同覆盖方式对马铃薯产量的影响Table 2 Effects of different mulching methods on potato yield

从产量构成因素来看,降水年型极显著影响马铃薯单薯质量,覆盖可提高单薯质量和单株结薯数。与CK相比,SM和PM处理单株结薯数在丰水年分别平均增加7.1%和4.5%,平水年分别增加14.8%和32.8%;SM和PM处理单薯质量在丰水年分别平均增加8.6%和20.6%,平水年分别增加9.2%和11.9%。可见,平水年和丰水年下,覆盖栽培均可使马铃薯显著增产,且PM增产效果更好。

2.3 主成分分析

为进一步探究不同覆盖方式下马铃薯块茎品质的差异,通过将复杂指标简化为综合指标,对马铃薯块茎品质进行主成分分析。因各指标具有不同的量纲,故对各指标进行标准化处理(表3),消除各变量间的量纲关系,使之具备可比性。

表3 马铃薯块茎品质数据标准化处理结果Table 3 Results of potato quality data standardization

通过对各成分的特征值及方差贡献率进行分析可知(表4),2019年X1(维生素C含量)和X2(淀粉含量)的特征值分别为3.023和1.195,方差贡献率分别为60.451%和23.906%;2020年X1和X2的特征值分别为2.436和1.304,方差贡献率分别为48.722%和26.070%;2021年X1和X2的特征值分别为3.324和1.101,方差贡献率分别为66.488%和22.014%。3个生长季第1、2成分的特征值均大于1,且累计方差贡献率分别为84.357%、74.792%、88.501%,较全面反映了马铃薯块茎品质特征,可作为马铃薯品质的综合评价指标。

表4 各成分特征值及方差贡献率Table 4 Eigenvalues and variance contribution rate of each component

由表5可知,2019年,主成分1在淀粉、直链淀粉、还原糖、粗蛋白含量上有较高的正载荷(主成分载荷系数为正),主成分2在维生素C和还原糖含量上有较高的正载荷;2020年,主成分1在维生素C、淀粉、直链淀粉、还原糖含量上有较高的正载荷,主成分2在还原糖和粗蛋白含量上有较高的正载荷,在淀粉含量上有较高的负载荷(主成分载荷系数为负);2021年,主成分1在5项品质指标上均有较高的正载荷,主成分2在粗蛋白含量上有较高的正载荷,在淀粉含量上有较高的负载荷。

表5 主成分载荷系数及特征向量Table 5 Principal component load factor and eigenvector

将特征向量与标准化的数据相乘,可得出对应的主成分因子表达式。

2019年综合评价模型为:

F1=0.24X1+0.507X2+0.526X3+0.391X4+0.506X5

F2=0.741X1-0.277X2-0.349X3+0.494X4-0.093X5

2020年综合评价模型为:

F1=0.581X1+0.406X2+0.539X3+0.328X4+0.316X5

F2=0.126X1-0.61X2-0.289X3+0.56X4+0.462X5

2021年综合评价模型为:

F1=0.526X1+0.406X2+0.447X3+0.48X4-0.358X5

F2=0.203X1-0.540X2-0.457X3+0.173X4+0.654X5

通过3年综合评价模型,得出品质综合得分:

2019年:F=0.717F1+0.283F2

2020年:F=0.651F1+0.349F2

2021年:F=0.751F1+0.249F2

根据公式计算出2019年、2020年、2021年各处理综合得分,进行排名。结合3个生长季品质综合得分(表6)可知,3个生长季各覆盖处理的马铃薯品质综合得分均高于CK,可见,秸秆带状覆盖和地膜覆盖能够有效改善马铃薯的品质。

表6 主成分分析综合得分Table 6 Aggregate score for principal component analysis

2.4 不同覆盖方式下马铃薯品质与产量的灰色关联度分析

通过对马铃薯产量及品质指标进行灰色关联度分析,探究不同覆盖方式下块茎各品质指标与产量的关联度差异。利用初值法进行无量纲化处理,计算各品质指标的灰色关联度,依据关联度大小进行排序(表7)。整体而言,产量与各品质指标间存在较高的关联度,且覆盖方式之间存在差异。SM处理下,维生素C、淀粉、直链淀粉、还原糖、粗蛋白含量关联度分别为0.7532、0.8260、0.9024、0.7041、0.6467,产量与直链淀粉、淀粉、维生素C含量关联度大,还原糖、粗蛋白含量次之;PM处理下,各品质关联度分别为0.7783、0.8914、0.7743、0.7130、0.6125,产量与淀粉、维生素C、直链淀粉、还原糖、粗蛋白含量关联度依次降低;CK处理下关联度变化趋势与PM处理相同。不同处理间品质指标综合关联度表现为SM(0.7665)>PM(0.7539)>CK(0.7191),即SM处理下产量与品质关联度最高,PM次之,CK最低,秸秆带状覆盖模式下种植马铃薯更符合高质高产的生产要求。

表7 不同覆盖方式下马铃薯品质与产量的关联度Table 7 Correlation between potato quality and yield under different mulching conditions

3 讨论

3.1 不同覆盖方式对马铃薯品质的影响

在西北半干旱区降雨稀少,田间水分蒸发量大,易出现干旱胁迫,影响马铃薯块茎的生长和品质的提高。张佳莹等[30]研究发现,生殖生长阶段的气象因子能决定马铃薯主要品质指标(维生素C、淀粉、可溶性糖、粗蛋白)的形成。本研究表明,降雨年型对马铃薯品质具有显著影响,这与前人的研究结果一致。还有研究发现,生育期进行覆盖能够有效改善土壤墒情,改善马铃薯的产量和品质[31]。秸秆带状覆盖一定程度上会降低马铃薯生育期土壤温度,低温环境有利于块茎蔗糖合成酶Susy4的表达,进而增加淀粉合成[32];黑膜覆盖则可以通过提高淀粉合成关键酶,特别是AGPase的活性来提高马铃薯块茎淀粉含量[33]。本研究发现,丰水年秸秆带状覆盖相较于地膜覆盖对马铃薯重要加工品质指标淀粉含量的改善效果更佳。这可能是因为水分充足的年份,地膜覆盖在马铃薯生育中后期产生了高温高湿的膜下内环境,造成淀粉合成关键酶活性降低[34],使其块茎淀粉含量的增幅低于秸秆带状覆盖处理。本研究还发现,秸秆带状覆盖在丰水年(2019年)和平水年(2021年)都显著增加了马铃薯块茎中还原糖的含量;而地膜覆盖则仅在平水年显著增加了还原糖的含量,丰水年(2019年和2020年)和露地对照相比差异不显著。出现这一现象的原因,则是因为平水年7、8月当地持续高温,降雨偏少,秸秆带状覆盖能够有效降低土壤温度,而在低温条件下,淀粉通过磷酸降解路线生成磷酸己糖,转运到细胞质后转化为蔗糖,进一步分解为还原糖[35-36]。为避免马铃薯出现“块茎糖化”的现象,当农田使用秸秆带状覆盖时,宜种植耐糖化马铃薯品种。

3.2 不同覆盖方式对马铃薯产量的影响

降雨时空分布不均、田间水分蒸发量大是制约西北黄土高原半干旱区马铃薯增产的重要因素[24,37]。不少研究表明,秸秆带状覆盖可以增墒调温、抑蒸保水,且具有明显的增产效应[22-24]。杨志楠等[38]通过马铃薯覆盖栽培试验发现,秸秆带状覆盖具有“双抑制效应”,在低温时抑制土壤热量散失,高温时抑制地表对太阳辐射热量的吸收,其块茎产量较露地种植模式显著提高;李辉等[39]通过2年田间试验发现,秸秆带状覆盖无论是在平水年还是偏旱年都能够增加0～200 cm土层土壤含水量,并显著提高马铃薯产量。许国春等[15]的2年定位试验结果表明,与不覆盖措施相比,地膜覆盖能够使马铃薯增产3.2%～18.1%。本研究表明,无论丰水年还是平水年,秸秆带状覆盖和地膜覆盖都显著提高了马铃薯产量,增幅为13.7%～37.2%,与前人研究结果相似。在3个生长季,平水年覆盖栽培模式增产幅度大于丰水年,可能是因为在丰水年水分亏缺非产量提升主要限制因素,且土壤水分过多不利于块茎的膨大及淀粉的积累,因而覆盖措施较露地种植的增产优势有所降低。但是,丰水年覆盖栽培模式相较于平水年更能提高马铃薯商品薯率,这是因为平水年7—8月出现了持续高温,而该阶段高温会使马铃薯块茎次生生长,小薯率上升,进而影响马铃薯单薯质量、商品薯率的提高[40]。秸秆带状覆盖能够有效改善马铃薯块茎品质,显著增加马铃薯产量,且其在丰水年对块茎品质的改善效果优于地膜覆盖,但增产幅度在3个生长季均低于地膜覆盖。马铃薯生产上秸秆带状覆盖的投入成本和人工成本均低于地膜覆盖,可显著增加产投比[22]。故丰水年使用秸秆带状覆盖模式,综合效益更高。

3.3 不同覆盖方式对马铃薯品质与产量关联度的影响

有研究表明,环境因素对马铃薯成熟期块茎淀粉等指标和产量有着相同的调控趋势,如鄢铮等[41]对淀粉型甘薯新品种的研究发现,淀粉产量与鲜薯产量高度关联,其关联度为0.9229。本研究结合灰色关联度分析发现,不同覆盖方式下淀粉、直链淀粉含量均与产量高度关联,与前人研究结果一致。地膜覆盖措施下马铃薯块茎产量和品质的关联度表现为淀粉>维生素C>直链淀粉>还原糖>粗蛋白,而秸秆带状覆盖下马铃薯块茎产量和品质的关联度则表现为直链淀粉>淀粉>维生素C>还原糖>粗蛋白。秸秆带状覆盖下马铃薯块茎中直链淀粉与产量有着更高的关联度,即马铃薯产量增加的同时,可能伴随着直链淀粉含量及其占淀粉比重的提高,而不少研究发现[42-43],增加马铃薯淀粉中直链淀粉的比重,可使马铃薯具有更高的糊化温度和更好的成膜性能,具备更好的加工潜力。秸秆带状覆盖处理下马铃薯产量与块茎品质高度关联,符合马铃薯生产中对马铃薯高产优质的要求。

4 结 论

1)不同降水年型下,与露地栽培模式相比,秸秆带状覆盖和地膜覆盖均可以显著改善马铃薯块茎品质,整体表现为丰水年的提升效果优于平水年,丰水年SM改善效果更好,平水年PM改善效果更好。

2)不同降水年型下,与露地栽培模式相比,秸秆带状覆盖和地膜覆盖可显著提高马铃薯产量,平水年增产幅度大于丰水年,地膜覆盖增产幅度高于秸秆带状覆盖。

3)灰色关联度分析表明,秸秆带状覆盖处理下产量与各品质指标高度关联,其中直链淀粉含量和淀粉含量与产量关联度最高。

综上所述,覆盖栽培措施在不同降水年型下可以显著改善马铃薯品质和提高马铃薯产量。秸秆带状覆盖具有良好的增产提质效果,丰水年对马铃薯品质的改善效果更优,同时秸秆带状覆盖具有绿色、节本、高效的特性,在西北半干旱雨养农业区马铃薯生产中有较好的应用推广价值。