張佳瑩,李 揚,王 靖,胡 琦,黃明霞,劉霞霞

(中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)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(jù)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(zhì)的好壞對其產(chǎn)業(yè)發(fā)展十分重要,選育品質(zhì)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(cè)種植結(jié)構(gòu)的調(diào)整和居民膳食結(jié)構(gòu)的調(diào)整與升級。隨著生產(chǎn)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(zhì)的提升愈顯重要。

馬鈴薯是中國北方傳統(tǒng)的農(nóng)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(chǎn)量水平和品質(zhì)。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(nèi)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(zhì)指標(biāo)的主要因子。探究馬鈴薯品質(zhì)指標(biāo)和氣象因子的關(guān)系有利于提升馬鈴薯的綜合品質(zhì),但目前關(guān)于馬鈴薯品質(zhì)與氣象因子的關(guān)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(zhì)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(zhì),生育期內(nèi)充足的水分補給有利于馬鈴薯品質(zhì)的提升。

選擇適宜的品種是馬鈴薯生產(chǎn)應(yīng)對氣候變化、保證品質(zhì)質(zhì)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(zhì)指標(biāo)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(chǔ)的不同,塊莖維生素C 的含量差異十分明顯,干物質(zhì)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(guān)關(guān)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(zhì)表現(xiàn),鮮有研究不同水熱條件下多個品種的品質(zhì)指標(biāo)及其與不同生育階段氣象因子間的關(guān)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(zhì)之間的關(guān)系,本文選擇2018?2020 連續(xù)3年的馬鈴薯品質(zhì)試驗數(shù)據(jù),結(jié)合不同生育期內(nèi)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(zhì)指標(biāo)的影響,揭示馬鈴薯品質(zhì)形成機理,為馬鈴薯品種品質(zhì)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(jié)構(gòu)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(nèi)蒙古呼和浩特市農(nóng)業(yè)部武川農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)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(fēng)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(nóng)作物種植面積約為1.3×10hm,受積溫限制,當(dāng)?shù)剞r(nóng)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(biāo)測定

試驗選取當(dāng)?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(shè)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(shè)置3 個重復(fù)。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(zhì)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(zhì)指標(biāo)和氣象因子之間的線性相關(guān)密切程度,利用方差分析進行各播期和品種間品質(zhì)指標(biāo)的差異顯著性檢驗。

馬鈴薯塊莖包含多種評價品質(zhì)的營養(yǎng)指標(biāo),采用模糊數(shù)學(xué)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(biāo)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(biāo),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(zhì)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(biāo)的隸屬函數(shù)值,然后再根據(jù)單個指標(biāo)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(biāo)的平均隸屬值,為某一營養(yǎng)指標(biāo)測得的值,為某一營養(yǎng)指標(biāo)序列中的最小值,為某一營養(yǎng)指標(biāo)序列中的最大值,、、X分別為某一處理各指標(biāo)的平均隸屬函數(shù)值,為指標(biāo)個數(shù),C為處理的綜合隸屬函數(shù)值。

1.4 品質(zhì)指標(biāo)-氣象因子關(guān)系構(gòu)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(zhì)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(zhì)分配的轉(zhuǎn)折點,此階段的干物質(zhì)主要分配給地下部分。

因此參考前人研究,本文結(jié)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(guān)鍵期設(shè)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(guān)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(zhì)指標(biāo)的關(guān)系來定量不同生育階段氣象因子對馬鈴薯主要品質(zhì)形成的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 播期與品種耦合處理下馬鈴薯的主要品質(zhì)指標(biāo)

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(zhì)指標(biāo)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(zhì)指標(biāo)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(zhì)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(zhì)指標(biāo)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(zhì)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(zhì)指標(biāo)的互作效應(yīng)。方差分析結(jié)果表明,2018年不同播期和品種間主要品質(zhì)指標(biāo)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(dá)極顯著水平(<0.01),淀粉和粗蛋白含量在品種間差異達(dá)顯著水平(<0.05),2020年淀粉含量在品種間差異達(dá)極顯著水平(<0.01),維生素C 含量在品種間差異達(dá)顯著水平(<0.05)。播期和品種互作效應(yīng)分析表明,二者耦合調(diào)控2019年對4 個品質(zhì)指標(biāo)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(zhì)指標(biāo)的互作效應(yīng)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(zhì)與各生長階段氣象因子的關(guān)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(zhì)指標(biāo)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(guān)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(zhì)指標(biāo)與各生長階段氣象因子線性關(guān)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(guān)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(zhì)指標(biāo)與各生長階段氣象因子線性關(guān)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(zhì)指標(biāo)與各生長階段氣象因子線性關(guān)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(zhì)與各生育階段氣象因子關(guān)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(guān)。

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(zhì),對改變消費結(jié)構(gòu)和形成綠色健康的消費習(xí)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(zhì)最好,這與李揚研究結(jié)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(zhì)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(zhì)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(zhì)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(zhì)的提升。以上的研究結(jié)果也反映了播期和品種對馬鈴薯品質(zhì)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(zhì)指標(biāo)的互作效應(yīng)分析發(fā)現(xiàn),品種和播期耦合對品質(zhì)的影響主要表現(xiàn)在2019年和2020年,結(jié)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(zhì)性狀在年際間會產(chǎn)生較大差異相一致。因此,年際間氣象因子的差異對品質(zhì)的影響高于播期間氣象因子變化對品質(zhì)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(zhì)含量和塊莖質(zhì)地結(jié)構(gòu)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(guān),如葉片的氣孔導(dǎo)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(zhì)指標(biāo)的影響是不同的,相同氣象因子在品種間對塊莖品質(zhì)的影響程度也不盡相同。本研究結(jié)合馬鈴薯的實際生長情況,按其生理學(xué)特性將馬鈴薯生長過程劃分為6 個階段,結(jié)果表明對品質(zhì)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(zhì)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(zhì)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(zhì)指標(biāo)影響較大,日均溫次之,溫度日較差和日照時數(shù)對品質(zhì)影響相對較小,這與肖國舉等和潘小番等的研究結(jié)果相同。前人研究表明,內(nèi)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(dāng)?shù)叵拗岂R鈴薯品質(zhì)提升的最主要因素。同時,馬鈴薯品質(zhì)指標(biāo)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(jié)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(dǎo)致光合作用所需的還原性輔酶減少,引起光反應(yīng)受到抑制,從而引起馬鈴薯品質(zhì)降低。

本研究基于單點試驗探究了馬鈴薯主要品種的品質(zhì)和氣象因子的關(guān)系,但馬鈴薯的品質(zhì)和氣象因子的關(guān)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(yīng)結(jié)合多點田間試驗和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)模型,探究不同種植區(qū)馬鈴薯品質(zhì)和生育期氣象因子的關(guān)系,提出不同品種栽培的適宜氣象指標(biāo)。此外,前人研究結(jié)果還表明馬鈴薯品質(zhì)指標(biāo)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(zhì)指標(biāo)的影響。

4 結(jié)論

本研究基于內(nèi)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(zhì)指標(biāo)的影響。結(jié)果表明不同播期和品種耦合方式下馬鈴薯主要品質(zhì)指標(biāo)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(zhì)最高。播期和品種變化均顯著影響馬鈴薯品質(zhì),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(zhì)指標(biāo)的形成,限制當(dāng)?shù)伛R鈴薯品質(zhì)提升的主要氣象因子為生育期平均溫度和降水量。研究結(jié)果可為提升馬鈴薯品質(zhì)和改善飲食結(jié)構(gòu)提供重要的理論參考。