張佳瑩,李 揚,王 靖,胡 琦,黃明霞,劉霞霞

(中國農業(yè)大學資源與環(huán)境學院 北京 100193)

馬鈴薯(L.)是繼小麥(L.)、水稻(L.)和玉米(L.)之后的世界第四大糧食作物,其營養(yǎng)價值高,素有“地下蘋果”和“第二面包”之稱,且低脂肪、低熱量的特點成為理想的食物來源。據測算,一個148 g 的馬鈴薯可提供人體每天所需維生素C 的45%、鉀的21%。馬鈴薯品質的好壞對其產業(yè)發(fā)展十分重要,選育品質優(yōu)良的特用品種有利于馬鈴薯加工行業(yè)的發(fā)展和居民日常膳食營養(yǎng)的豐富,也有利于供給側種植結構的調整和居民膳食結構的調整與升級。隨著生產力水平的提高,品種選擇及適宜的氣象條件對于馬鈴薯品質的提升愈顯重要。

馬鈴薯是中國北方傳統(tǒng)的農作物之一,生長季(4?9月)降水和溫度等氣象條件的適宜程度決定了塊莖的產量水平和品質。然而北方馬鈴薯生長季的水熱條件變異較大,在品種和管理水平相對穩(wěn)定的情況下,馬鈴薯生育期內的溫度、日照時數(shù)和降水量等氣象因子成為影響馬鈴薯品質指標的主要因子。探究馬鈴薯品質指標和氣象因子的關系有利于提升馬鈴薯的綜合品質,但目前關于馬鈴薯品質與氣象因子的關系研究較少。肖國舉等研究表明,馬鈴薯塊莖的維生素C、淀粉和干物質含量隨溫度升高呈現(xiàn)一定程度的增加,但塊莖的粗蛋白和還原糖含量隨溫度升高呈降低趨勢; 此外,馬鈴薯對水分十分敏感,水分虧缺會影響馬鈴薯的品質,生育期內充足的水分補給有利于馬鈴薯品質的提升。

選擇適宜的品種是馬鈴薯生產應對氣候變化、保證品質質量的主要措施之一。楊炳南等研究指出,不同品種馬鈴薯的多個品質指標差異明顯。王穎等指出品種是決定馬鈴薯淀粉差異的最主要因素。張鳳軍等指出,因品種遺傳基礎的不同,塊莖維生素C 的含量差異十分明顯,干物質含量在品種間的差異最小,還原糖和粗蛋白含量在品種間差異較大,并且馬鈴薯塊莖粗蛋白和淀粉含量具有顯著的正相關關系。但前人的研究多集中于對單一馬鈴薯品種在特定氣象條件下的品質表現(xiàn),鮮有研究不同水熱條件下多個品種的品質指標及其與不同生育階段氣象因子間的關系。

為探究不同品種在不同播期下馬鈴薯生育階段氣象因子和主要品質之間的關系,本文選擇2018?2020 連續(xù)3年的馬鈴薯品質試驗數(shù)據,結合不同生育期內氣象因子,定量解析各生育階段氣象因子對馬鈴薯主要品質指標的影響,揭示馬鈴薯品質形成機理,為馬鈴薯品種品質的進一步提升提供理論參考,對于保障我國糧食安全、豐富居民飲食結構具有十分重要的意義。

1 材料與方法

1.1 研究站點概況

馬鈴薯播期和品種耦合試驗區(qū)位于內蒙古呼和浩特市農業(yè)部武川農業(yè)環(huán)境科學觀測試驗站(41°06N,111°28E,海拔1756 m,簡稱武川試驗站)。屬中溫帶大陸性季風氣候,年平均氣溫3 ℃,年平均降水約354 mm,≥10 ℃活動積溫為1800～2600 ℃·d。武川縣農作物種植面積約為1.3×10hm,受積溫限制,當?shù)剞r作物熟制為一年一熟,馬鈴薯生長季為4?9月,主栽的馬鈴薯品種有‘費烏瑞它’ ‘康尼貝克’和‘克新一號’等。

1.2 試驗方案和指標測定

試驗選取當?shù)? 個馬鈴薯主栽品種,分別為早熟品種‘費烏瑞它’、中熟品種‘康尼貝克’和晚熟品種 ‘克新一號’。每年設置的3 個播期均相同,分別為早播(4月27日)、中 播(5月15日)、晚 播(6月2日),不同處理均設置3 個重復。播種密度均為5 株?m,行距50 cm,株距40 cm。試驗均在播種時一次性施入尿素37.5 kg?hm、磷酸二銨75 kg?hm和氯化鉀37.5 kg?hm,由于播種期土壤較干旱,為了保證正常出苗,在播前進行30 mm 的補水,之后均處于雨養(yǎng)條件。

馬鈴薯生育期主要記錄出苗、現(xiàn)蕾、開花和成熟時期。待馬鈴薯地上部95%以上枯萎后記為成熟期并進行收獲,收獲時每個處理取中間兩行有代表性的3 株馬鈴薯的塊莖,并迅速運送到實驗室進行品質檢測。使用3,5-二硝基水揚酸比色定糖法、碘比色法、2,6-二氯靛酚滴定法和凱氏定氮法,分別測定新鮮馬鈴薯塊莖的可溶性糖、淀粉、維生素C 和粗蛋白含量。

1.3 統(tǒng)計分析和隸屬函數(shù)值

本研究采用來衡量各品質指標和氣象因子之間的線性相關密切程度,利用方差分析進行各播期和品種間品質指標的差異顯著性檢驗。

馬鈴薯塊莖包含多種評價品質的營養(yǎng)指標,采用模糊數(shù)學隸屬函數(shù)法評價不同處理下馬鈴薯塊莖中主要營養(yǎng)指標的差異。將馬鈴薯塊莖粗蛋白、可溶性糖、淀粉和維生素C 含量作為評價指標,通過隸屬函數(shù)方法求得平均值,數(shù)值越大則表明該處理下的綜合品質越好,相反則越差。首先計算不同處理下馬鈴薯塊莖中單個營養(yǎng)指標的隸屬函數(shù)值,然后再根據單個指標的隸屬函數(shù)值求出各品種的平均隸屬函數(shù)值:

式中:X為某一處理單個指標的平均隸屬值,為某一營養(yǎng)指標測得的值,為某一營養(yǎng)指標序列中的最小值,為某一營養(yǎng)指標序列中的最大值,、、X分別為某一處理各指標的平均隸屬函數(shù)值,為指標個數(shù),C為處理的綜合隸屬函數(shù)值。

1.4 品質指標-氣象因子關系構建

在馬鈴薯生長過程中,前期葉片通過光合作用形成的干物質主要分配于地上部分用于株高增加和莖葉生長等,而薯塊形成是干物質分配的轉折點,此階段的干物質主要分配給地下部分。

因此參考前人研究,本文結合馬鈴薯實際生長情況,按馬鈴薯的生長發(fā)育進程將播種?現(xiàn)蕾劃分為營養(yǎng)生長期,現(xiàn)蕾?成熟劃分為生殖生長期,再將生殖生長期劃分為現(xiàn)蕾?開花期和開花?成熟期。同時,馬鈴薯水分關鍵期設為現(xiàn)蕾前10 d 至后15 d,共對6 個生長階段進行研究,分別為全生育期、營養(yǎng)生長期、生殖生長期、現(xiàn)蕾?開花期、開花?成熟期和水分關鍵期。氣象因子選取有效積溫(EAT)、日均溫()、溫度日較差(DTR)、日照時數(shù)()和降水量()。通過各生育階段氣象因子和馬鈴薯品質指標的關系來定量不同生育階段氣象因子對馬鈴薯主要品質形成的影響。

2 結果與分析

2.1 播期與品種耦合處理下馬鈴薯的主要品質指標

圖1 為不同播期和品種耦合處理下馬鈴薯塊莖粗蛋白、維生素C、可溶性糖和淀粉含量。粗蛋白含量平均值為100.1 g?kg,維生素C 含量平均值為19.64 mg?(100g),可溶性糖含平均值為18.58 g?(100g),淀粉含量平均值為31.48 g?(100g)。馬鈴薯塊莖主要品質指標變異系數(shù)的排序為可溶性糖(44.71%)>淀粉(20.02%)>維生素C(16.45%)>粗蛋白(15.03%)。

圖1 2018?2020年不同播期下不同馬鈴薯品種的主要品質指標Fig.1 Main quality indices of different potato cultivars planted in different dates during 2018?2020

隨播期推遲,早熟品種‘費烏瑞它’平均隸屬函數(shù)值下降,早播(4月27日)平均隸屬函數(shù)值最高,綜合品質最好; 中熟品種‘康尼貝克’晚播(6月2日)平均隸屬函數(shù)值最高,中播(5月15日)處理下平均隸屬函數(shù)值最低,僅為0.2; 晚熟品種‘克新一號’中播(5月15日)平均隸屬函數(shù)值最高,明顯高于早播和晚播處理(表1)。

表1 不同播期下不同馬鈴薯品種主要品質指標的平均隸屬函數(shù)值Table 1 Mean membership function values of different quality indices of different potato cultivars planted in different dates

2.2 播期和品種耦合對馬鈴薯品質的影響

表2 分析了不同播期和品種耦合對馬鈴薯主要品質指標的互作效應。方差分析結果表明,2018年不同播期和品種間主要品質指標無顯著差異,2019年可溶性糖與維生素C 含量在品種間差異達極顯著水平(<0.01),淀粉和粗蛋白含量在品種間差異達顯著水平(<0.05),2020年淀粉含量在品種間差異達極顯著水平(<0.01),維生素C 含量在品種間差異達顯著水平(<0.05)。播期和品種互作效應分析表明,二者耦合調控2019年對4 個品質指標均有極顯著影響(<0.01),2020年對粗蛋白含量有顯著影響(<0.05),對淀粉含量有極顯著影響(<0.01)。

表2 2018—2020年播期和品種對馬鈴薯主要品質指標的互作效應Table 2 Interactive effects of planting date and cultivar on main quality indices of potato during 2018?2020

2.3 馬鈴薯品質與各生長階段氣象因子的關系

馬鈴薯不同生長階段的有效積溫、日均溫、溫度日較差、降水量和日照時數(shù)對其主要品質指標的影響存在明顯差異(表3?5)。品種‘費烏瑞它’ 塊莖淀粉含量隨水分關鍵期的有效積溫和全生育期日均溫增加表現(xiàn)出極顯著增加趨勢(<0.01),隨現(xiàn)蕾?開花期降水量增加表現(xiàn)出顯著增加趨勢(<0.05),隨生殖生長階段溫度日較差增加表現(xiàn)出極顯著下降趨勢(<0.01); 維生素C 含量隨生殖生長階段有效積溫、降水量和開花?成熟期日均溫增加表現(xiàn)出極顯著上升趨勢(<0.01),隨生殖生長階段日照時數(shù)增加表現(xiàn)出顯著上升趨勢(<0.05),隨生殖生長階段溫度日較差增加表現(xiàn)出顯著減少趨勢(<0.05); 可溶性糖含量隨生殖生長階段的有效積溫、降水量和開花?成熟期日均溫增加表現(xiàn)出極顯著增加趨勢(<0.01),隨生殖生長階段日照時數(shù)增加表現(xiàn)出顯著增加趨勢(<0.05),隨生殖生長階段的溫度日較差增加表現(xiàn)出顯著減少趨勢(<0.05); 粗蛋白含量隨開花?成熟期的有效積溫、日均溫增加表現(xiàn)出顯著減少趨勢(<0.05) (表3)。

表3 馬鈴薯品種‘費烏瑞它’品質指標與各生長階段氣象因子線性關系的決定系數(shù)(R2)Table 3 Coefficients of determination (R2) of linear relationships between tuber quality indices and meteorological factors at different growth stages for potato cultivar ‘Favorita’

馬鈴薯品種‘康尼貝克’ 塊莖淀粉含量隨全生育期日均溫增加表現(xiàn)出極顯著增加趨勢(<0.01),隨水分關鍵期有效積溫和現(xiàn)蕾?開花期降水量增加呈顯著增加趨勢(<0.05),隨生殖生長階段的溫度日較差增加呈極顯著減少趨勢(<0.01); 維生素C 含量隨開花?成熟期有效積溫、日均溫和生殖生長期降水量增加呈極顯著增加趨勢(<0.01),隨生殖生長階段溫度日較差增加呈極顯著減少趨勢(<0.01); 可溶性糖含量隨生殖生長階段有效積溫、日均溫和現(xiàn)蕾?開花期降水量增加呈極顯著增加趨勢(<0.01),隨生殖生長階段日照時數(shù)增加呈顯著增加趨勢(<0.05),但隨生殖生長階段的溫度日較差增加呈極顯著下降趨勢(<0.01) (表4)。

表4 馬鈴薯品種‘康尼貝克’品質指標與各生長階段氣象因子線性關系的決定系數(shù)(R2)Table 4 Coefficients of determination (R2) of linear relationships between tuber quality indices and meteorological factors at different growth stages for potato cultivar ‘Connibeck’

馬鈴薯品種‘克新一號’塊莖淀粉含量隨開花?成熟期有效積溫、日均溫增加表現(xiàn)出極顯著增加趨勢(<0.01),隨全生育期日照時數(shù)增加表現(xiàn)出顯著增加趨勢(<0.05),隨開花?成熟期溫度日較差增加表現(xiàn)出極顯著減少趨勢(<0.01); 維生素C 含量隨生殖生長期有效積溫、日均溫、降水量和開花?成熟期日照時數(shù)增加表現(xiàn)出極顯著增加趨勢(<0.01),但隨生殖生長期溫度日較差增加表現(xiàn)出極顯著減少趨勢(<0.01); 可溶性糖含量隨生殖生長期日均溫、降水量和開花?成熟期日照時數(shù)增加表現(xiàn)出極顯著增加趨勢(<0.01),隨生殖生長期有效積溫增加表現(xiàn)出顯著增加趨勢(<0.05),但隨生殖生長期溫度日較差增加表現(xiàn)出極顯著減少趨勢(<0.01) (表5)。

表5 馬鈴薯品種‘克新一號’品質指標與各生長階段氣象因子線性關系的決定系數(shù)(R2)Table 5 Coefficients of determination (R2) of linear relationships between tuber quality indices and meteorological factors at different growth stages for potato cultivar ‘Kexin_1’

綜合馬鈴薯品質與各生育階段氣象因子關系發(fā)現(xiàn),品種‘費烏瑞它’和‘康尼貝克’塊莖淀粉含量隨全生育期日均溫增加表現(xiàn)出極顯著上升趨勢(<0.01),隨生殖生長階段有效積溫和現(xiàn)蕾?開花期降水量增加表現(xiàn)出顯著上升趨勢(<0.05); 品種‘克新一號’淀粉含量隨開花?成熟期有效積溫、日均溫增加表現(xiàn)

出極顯著上升趨勢(<0.01),隨全生育期日照時數(shù)增加表現(xiàn)出顯著上升趨勢(<0.05),3 個品種淀粉含量均隨生殖生長階段的溫度日較差增加表現(xiàn)出極顯著下降趨勢(<0.01); 各品種的維生素C 含量均隨生殖生長階段的有效積溫、降水量和開花?成熟期日均溫增加表現(xiàn)出極顯著上升趨勢(<0.01),隨生殖生長階段溫度日較差增加表現(xiàn)出極顯著下降趨勢(<0.01); 各品種可溶性糖含量均隨生殖生長階段的有效積溫、降水量和全生育期日均溫增加表現(xiàn)出極顯著上升趨勢(<0.01),隨生殖生長階段的日照時數(shù)增加表現(xiàn)出顯著上升趨勢(<0.05),隨生殖生長階段的溫度日較差增加表現(xiàn)出極顯著下降趨勢(<0.01);品種‘費烏瑞它’粗蛋白含量隨開花?成熟期的有效積溫、日均溫增加表現(xiàn)出顯著下降趨勢(<0.05),品種‘克新一號’粗蛋白含量隨全生育期降水量增加表現(xiàn)出極顯著下降趨勢(<0.01),品種‘康尼貝克’粗蛋白含量和生育期氣象因子均無顯著相關。

3 討論

選擇適宜的馬鈴薯播期和品種耦合可有效提升塊莖的品質,對改變消費結構和形成綠色健康的消費習慣有重要意義。本研究表明早熟馬鈴薯品種早播的綜合品質最好,這與李揚研究結果相一致,原因是早熟品種早播在生殖生長階段的有效積溫、日照時數(shù)和降水量在3 個播期中均最高,更有利于馬鈴薯的生長。中熟品種晚播的綜合品質比早播和中播更高,主要原因為晚播生殖生長階段的日照時數(shù)更長,更有利于淀粉和可溶性糖的積累,張榮華等研究也表明中熟品種晚播對馬鈴薯淀粉含量積累更有利。晚熟品種中播綜合品質最好,這與李琪等研究發(fā)現(xiàn)晚熟品種在5月中下旬播種有利于寧夏粉用馬鈴薯品質提升一致,原因是晚熟品種中播下生殖生長期的平均溫度和日照時數(shù)均更高,有利于品質的提升。以上的研究結果也反映了播期和品種對馬鈴薯品質影響存在顯著的交互作用。

通過2018?2020年播期和品種對馬鈴薯品質指標的互作效應分析發(fā)現(xiàn),品種和播期耦合對品質的影響主要表現(xiàn)在2019年和2020年,結合3年不同播期氣象因子比較發(fā)現(xiàn),氣象因子的年際差異顯著大于播期間差異,如生育期平均溫度年際差異為1.4 ℃,而播期間最大差異為1.1 ℃,生育期降水量年際最大差異為124 mm,而播期間差異僅為11.4 mm。這與劉凱等研究發(fā)現(xiàn)品質性狀在年際間會產生較大差異相一致。因此,年際間氣象因子的差異對品質的影響高于播期間氣象因子變化對品質的影響。姚玉壁等的研究同樣表明,生育期溫度的變異是決定馬鈴薯粗蛋白、淀粉和維生素C 含量變異的主要原因。此外,不同品種馬鈴薯在味道、淀粉含量、蛋白質含量和塊莖質地結構等方面均具有很大的差異性,這可能與不同品種馬鈴薯的基因特性有關,如葉片的氣孔導度、葉綠素含量和磷素營養(yǎng)狀況等。

不同馬鈴薯生育階段的氣象因子對其主要品質指標的影響是不同的,相同氣象因子在品種間對塊莖品質的影響程度也不盡相同。本研究結合馬鈴薯的實際生長情況,按其生理學特性將馬鈴薯生長過程劃分為6 個階段,結果表明對品質影響的氣象因子主要作用于生殖生長階段,尤其表現(xiàn)在開花?成熟期,這與王立春研究發(fā)現(xiàn)6?9月氣象因子對馬鈴薯品質形成有顯著影響相一致,也與羅愛花等發(fā)現(xiàn)馬鈴薯營養(yǎng)物質積累發(fā)生在塊莖形成后期相同。此外,在氣象因子中,有效積溫和降水量對品質指標影響較大,日均溫次之,溫度日較差和日照時數(shù)對品質影響相對較小,這與肖國舉等和潘小番等的研究結果相同。前人研究表明,內蒙古地區(qū)馬鈴薯生長所需的有效積溫約為1513～1667 ℃·d,馬鈴薯從休眠期到成熟期的適宜溫度為11.1～24.3 ℃,全生育期需水量約450 mm,而武川地區(qū)3 個播期的生育期有效積溫為1127.2～1533°C·d,日均溫度為16.3～19.1 ℃,全生育期降水量為137～304 mm,因此,溫度和降水量是當?shù)叵拗岂R鈴薯品質提升的最主要因素。同時,馬鈴薯品質指標隨溫度日較差增大而顯著減小,與代海林在甘肅定西覆膜條件下馬鈴薯研究結果相反,這可能是由于溫度日較差增大引起光合作用增強,作物需水量增多,而武川地區(qū)降水又不能完全滿足作物生長發(fā)育的需要,導致光合作用所需的還原性輔酶減少,引起光反應受到抑制,從而引起馬鈴薯品質降低。

本研究基于單點試驗探究了馬鈴薯主要品種的品質和氣象因子的關系,但馬鈴薯的品質和氣象因子的關系可能會隨種植區(qū)的氣候、品種、土壤和栽培管理方式的變化而變化。因此今后應結合多點田間試驗和農業(yè)生產系統(tǒng)模型,探究不同種植區(qū)馬鈴薯品質和生育期氣象因子的關系,提出不同品種栽培的適宜氣象指標。此外,前人研究結果還表明馬鈴薯品質指標還受施肥種類、灌溉、耕作方式(如壟作、平作)等影響,在本研究中暫未考慮上述因素,進一步研究將分析不同種植和耕作方式對馬鈴薯品質指標的影響。

4 結論

本研究基于內蒙古武川試驗站2018?2020年馬鈴薯播期和品種耦合試驗,分析了不同播期和品種耦合下氣象因子對馬鈴薯主要品質指標的影響。結果表明不同播期和品種耦合方式下馬鈴薯主要品質指標存在顯著差異,早熟品種早播(4月27日)、中熟品種晚播(6月2日)和晚熟品種中播(5月15日)的綜合品質最高。播期和品種變化均顯著影響馬鈴薯品質,而生殖生長階段尤其是開花?成熟階段的氣象因子決定了主要品質指標的形成,限制當?shù)伛R鈴薯品質提升的主要氣象因子為生育期平均溫度和降水量。研究結果可為提升馬鈴薯品質和改善飲食結構提供重要的理論參考。