不同降水年型下秸稈帶狀覆蓋對西北旱地馬鈴薯品質和產量的影響

張森昱,馮雨露,馬建濤,楊成存,韓凡香,柴守璽,黃彩霞,常 磊

(1.甘肅省干旱生境作物學重點實驗室/甘肅農業大學農學院,甘肅 蘭州 730070; 2. 蘭州城市學院地理與環境工程學院,甘肅 蘭州 730070; 3. 甘肅農業大學水利水電工程學院,甘肅 蘭州 730070)

馬鈴薯是中國重要的糧菜兼用作物,具有適應性強、產量高、營養豐富等特點[1],其塊莖中約含有20%的干物質,大部分由淀粉組成,除此之外,還有蛋白質、膳食纖維、礦物質以及多種維生素等[2-3]。馬鈴薯塊莖中的淀粉及糖類物質的產生與合成依賴于植物體內進行的光合作用[4],而植物體通過葉綠素利用光能來合成有機物,這個過程需要消耗大量水分;有研究表明,土壤含水量與馬鈴薯塊莖產量呈正相關關系,水分不足嚴重影響馬鈴薯淀粉的積累[5]和品質的提升[6-7]。西北半干旱區是我國馬鈴薯的主要種植地區之一,但該區常年干旱頻發,降雨稀少且土壤水分蒸發強烈,水資源短缺和水土流失成為限制該區馬鈴薯生產的關鍵因素[5,8]。因此,如何合理利用有限降水,以提高馬鈴薯主產區產量及品質是西北旱作區馬鈴薯產業亟待解決的問題。

近年來,隨著旱作區地膜和秸稈覆蓋栽培的廣泛應用,馬鈴薯生育期內水分虧缺的問題已得到一定程度緩解[9]。研究發現,在馬鈴薯種植中,地膜覆蓋能有效減少土壤水分蒸發,增溫保墑,抗旱保苗,改善土壤生態環境[10-11]。張雷等[12]研究發現,全膜覆蓋較露地種植能夠減少水土流失,并使馬鈴薯顯著增產。覆蓋栽培在顯著提高其塊莖產量的同時,還能明顯改善馬鈴薯品質[13]。紀曉玲等[14]發現,在黃土丘陵干旱半干旱區,地膜覆蓋能明顯提高馬鈴薯塊莖產量,且塊莖中淀粉及維生素C的含量也有不同程度的增加;許國春等[15]研究發現,黑膜和稻秸覆蓋下,馬鈴薯塊莖維生素C含量較不覆蓋處理增加10.1%～39.6%。但也有研究發現,長時間全壟地膜覆蓋,會導致植株側根量減少、根層變淺,植株難以吸收充足養分,中后期土壤溫度偏高,植株易早衰[16],品質會降低。同時,長期的地膜覆蓋也對農田生態環境造成了較大的污染[17-18]。秸稈覆蓋具有較好的蓄水保墑作用[19-20],其降溫效應能促進馬鈴薯等喜涼作物的生長,有利于塊莖中干物質的積累,顯著增加塊莖產量[21]。馬建濤等[22]、李輝等[23]均發現,秸稈帶狀覆蓋能夠有效改善土壤水熱環境,進而使馬鈴薯顯著增產。

現有馬鈴薯覆蓋栽培措施研究多集中于不同覆蓋材料對土壤水、熱環境及馬鈴薯產量的影響,本團隊在前期研究中也證實,秸稈帶狀覆蓋能夠有效控溫保墑,有助于馬鈴薯增產[5,22-24],而對不同降水年型下秸稈帶狀覆蓋對馬鈴薯塊莖品質與產量的研究尚不多見。因此,本試驗在西北半干旱區以‘隴薯7號’為材料,設置秸稈帶狀覆蓋和地膜覆蓋2種不同的覆蓋措施,以露地無覆蓋為對照,通過測定不同覆蓋條件下馬鈴薯塊莖維生素C、淀粉、直鏈淀粉、還原糖、粗蛋白含量以及塊莖產量,研究不同降水年型下各覆蓋措施對馬鈴薯產量及品質的影響,以期為西北半干旱雨養農業區馬鈴薯高產優質栽培提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2019—2021年在甘肅省通渭縣甘肅農業大學試驗基地(35°11′ N,105°19′ E,海拔1 750 m)進行,該地區年均氣溫7.2℃,年日照時數2 096 h,無霜期120～170 d,作物一年一熟,為典型旱地雨養農業區。多年平均年降水量為390.7 mm,其中約65%降雨集中在7—9月。試驗區土壤為黃綿土,0～20 cm耕作層土壤含有機質11.72 g·kg-1、全氮0.79 g·kg-1、速效磷11.63 mg·kg-1、速效鉀122.7 mg·kg-1,pH值為8.5,0～20 cm土層土壤容重平均為1.25 g·cm-3。圖1為馬鈴薯3個生長季生育期的有效降水量和日均氣溫。為便于研究,將2019—2021年3個生長季根據生育期降雨總量計算干旱系數,判斷降水年型,公式如下[25]:

圖1 2019—2021年馬鈴薯全生育期降水和氣溫分布Fig.1 Precipitation and temperature distribution during the growth period of potato in 2019-2021

DC=(P-A)/σ

式中,DC為干旱系數(DC<-0.35為干旱年;DC>0.35為豐水年;-0.35≤DC≤0.35為平水年);P為當年降雨量(mm);A為多年平均降雨量(mm);σ為多年平均降雨均方差。2019年生育期降雨量423.9 mm,DC為1.57,屬于豐水年;2020年生育期降雨量352.6 mm,DC為0.63,屬于豐水年;2021年生育期降雨量284.5 mm,DC為-0.27,屬于平水年。

1.2 試驗設計

采用隨機區組設計,設置秸稈帶狀覆蓋(SM)、地膜覆蓋(PM)、無覆蓋露地(CK)3個栽培處理,小區面積90 m2(18 m×5 m),3次重復。各試驗處理具體設置如圖2所示。

圖2 馬鈴薯田間種植示意圖Fig.2 Schematic diagram of potato planting cultivation practices

SM:馬鈴薯播種前在小區內將覆蓋帶與種植帶交替布置,覆蓋帶∶種植帶=60 cm∶60 cm,秋季覆蓋,將玉米整桿人工鋪設于覆蓋帶上,秸稈覆蓋量風干質量約9 000 kg·hm-2,每個種植帶呈正三角形穴播2行馬鈴薯,總帶寬120 cm,株距32 cm,行距60 cm。

PM:馬鈴薯播種前使用聚乙烯黑色塑料地膜(幅寬1.2 m,厚度0.01 mm)地面起大壟覆膜。大壟寬約100 cm,壟高10 cm,壟溝寬約20 cm,在大壟兩側呈正三角形穴播2行馬鈴薯,株距32 cm,行距60 cm,秋季覆蓋。

CK:傳統不覆蓋平作,播種時等行距呈三角形穴播,株距32 cm,行距60 cm。

以當地主栽品種‘隴薯7號’為試驗材料,試驗地前茬為冬小麥,試驗地覆膜覆稈前進行1次深翻、2次旋耕。播種前將全部肥料(純N 120 kg·hm-2,P2O590 kg·hm-2)做基肥一次性施入土壤,生育期內不追肥。各處理每穴播種50 g左右小整薯1粒,用穴播器打孔播種,密度均為5.25×104株·hm-2。生育期內化學防晚疫病2～3次。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 品質測定 馬鈴薯成熟期,在每個小區隨機取3個塊莖,清洗晾干后備測馬鈴薯品質。

維生素C含量:使用酶標法[26-27]測定,稱取約0.1 g組織用于配制樣本,在EP管中加入配好的溶液,混勻后于30℃水浴鍋中反應1 h,吸取200 μL加入96孔板中,534 nm下測定各管吸光值,通過標準曲線求維生素C含量。

淀粉含量:采用酶標法[26-27]測定,稱取約0.1 g新鮮樣本于研缽中研碎,制作組織樣本,利用80%乙醇將樣品中可溶性糖與淀粉分開,采用酸水解法分解淀粉為葡萄糖,采用蒽酮比色法測定葡萄糖含量,計算淀粉含量。

直鏈淀粉含量:采用酶標法[26-27]測定,稱取約0.01 g樣本于研缽中研碎,制作組織樣本,利用80%乙醇將組織樣品中可溶性糖與淀粉分開,直鏈淀粉與碘形成的絡合物在620 nm下有吸收峰。使用酶標儀,調節波長至620 nm,測算直鏈淀粉含量。

還原糖含量:采用酶標法[26-27]測定,稱取約0.1 g組織用于配制樣本,通過加熱促進堿性溶液中3,5-二硝基水楊酸溶液與還原糖生成棕紅色氨基化合物,在540 nm有特征吸收峰;一定的濃度范圍內,還原糖含量與540 nm吸光度呈線性關系,根據標準曲線,求出樣品中還原糖的含量。

粗蛋白含量:用凱氏定氮法測定塊莖樣本中的含氮量,結果乘以換算系數6.25,計算粗蛋白含量[28]。

1.3.2 產量測定 在馬鈴薯成熟期,各處理每重復選取15穴進行考種,分別調查每穴大、中、小薯的個數并稱重(小薯質量<75 g,75 g≤中薯質量≤150 g,大薯質量>150 g),據此計算商品薯率[22];同時按照小區計產,用3次重復的平均值換算單位面積產量。

商品薯率(%)=(單薯質量75 g及以上的馬鈴薯產量/馬鈴薯總產量)×100%

1.4 數據分析

1.4.1 統計分析 采用Microsoft Excel 2010和SPSS 22.0軟件進行數據分析和處理,采用LSD法進行顯著性差異檢驗(α=0.05),使用Sigmaplot 14.0繪圖。

1.4.2 主成分分析 對馬鈴薯塊莖主成分進行分析,因各指標具有不同的量綱,故對各指標進行標準化處理,消除各變量間的量綱關系,使之具備可比性,數據標準化公式為:

2 結果與分析

2.1 不同覆蓋方式對馬鈴薯塊莖品質的影響

如表1所示,覆蓋措施能夠有效改善馬鈴薯塊莖的品質,與CK相比,SM和PM提高了塊莖維生素C、淀粉、直鏈淀粉、還原糖、粗蛋白的含量,SM處理3個生長季平均增幅分別為10.8%、10.9%、19.7%、5.7%、10.7%,PM處理平均增幅分別為16.9%、3.6%、9.9%、5.7%、20.5%。降水年型顯著影響馬鈴薯品質,因降雨量不同,馬鈴薯塊莖品質存在年際間差異。在豐水年(2019年和2020年),與CK相比,SM處理塊莖維生素C、淀粉、直鏈淀粉、還原糖、粗蛋白含量分別平均提高2.7%、15.2%、31.9%、5.8%、7.1%,PM處理各指標分別平均提高1.5%、3.7%、12.6%、5.3%、26.6%。在平水年(2021年),SM處理塊莖維生素C、淀粉、直鏈淀粉、還原糖、粗蛋白含量分別提高20.4%、0.4%、1.2%、5.1%、14.3%,PM處理各指標分別提高35.2%、3.3%、5.9%、8.3%、14.6%,PM處理下各品質指標增幅相較SM更高?？梢?秸稈帶狀覆蓋和地膜覆蓋均可以有效改善馬鈴薯的品質,且整體而言豐水年SM改善效果更好,平水年PM改善效果更好。

表1 不同覆蓋方式對馬鈴薯塊莖品質的影響Table 1 Effects of different mulching methods on tuber quality of potato

2.2 不同覆蓋方式對馬鈴薯產量的影響

覆蓋處理能夠顯著增加馬鈴薯鮮薯產量,增幅表現為平水年>豐水年,地膜覆蓋>秸稈帶狀覆蓋;降水年型、覆蓋措施以及二者互作均極顯著影響馬鈴薯商品薯率(表2)。與CK相比,豐水年SM處理鮮薯產量顯著增加13.7%～19.5%,PM處理顯著增加26.4%～27.1%;平水年SM鮮薯產量顯著增加16.4%,PM處理顯著增加37.2%。SM和PM處理商品薯率豐水年年均分別較CK顯著提高9.4%和14.1%,平水年略有增加,但處理間差異不顯著。

表2 不同覆蓋方式對馬鈴薯產量的影響Table 2 Effects of different mulching methods on potato yield

從產量構成因素來看,降水年型極顯著影響馬鈴薯單薯質量,覆蓋可提高單薯質量和單株結薯數。與CK相比,SM和PM處理單株結薯數在豐水年分別平均增加7.1%和4.5%,平水年分別增加14.8%和32.8%;SM和PM處理單薯質量在豐水年分別平均增加8.6%和20.6%,平水年分別增加9.2%和11.9%?？梢?平水年和豐水年下,覆蓋栽培均可使馬鈴薯顯著增產,且PM增產效果更好。

2.3 主成分分析

為進一步探究不同覆蓋方式下馬鈴薯塊莖品質的差異,通過將復雜指標簡化為綜合指標,對馬鈴薯塊莖品質進行主成分分析。因各指標具有不同的量綱,故對各指標進行標準化處理(表3),消除各變量間的量綱關系,使之具備可比性。

表3 馬鈴薯塊莖品質數據標準化處理結果Table 3 Results of potato quality data standardization

通過對各成分的特征值及方差貢獻率進行分析可知(表4),2019年X1(維生素C含量)和X2(淀粉含量)的特征值分別為3.023和1.195,方差貢獻率分別為60.451%和23.906%;2020年X1和X2的特征值分別為2.436和1.304,方差貢獻率分別為48.722%和26.070%;2021年X1和X2的特征值分別為3.324和1.101,方差貢獻率分別為66.488%和22.014%。3個生長季第1、2成分的特征值均大于1,且累計方差貢獻率分別為84.357%、74.792%、88.501%,較全面反映了馬鈴薯塊莖品質特征,可作為馬鈴薯品質的綜合評價指標。

表4 各成分特征值及方差貢獻率Table 4 Eigenvalues and variance contribution rate of each component

由表5可知,2019年,主成分1在淀粉、直鏈淀粉、還原糖、粗蛋白含量上有較高的正載荷(主成分載荷系數為正),主成分2在維生素C和還原糖含量上有較高的正載荷;2020年,主成分1在維生素C、淀粉、直鏈淀粉、還原糖含量上有較高的正載荷,主成分2在還原糖和粗蛋白含量上有較高的正載荷,在淀粉含量上有較高的負載荷(主成分載荷系數為負);2021年,主成分1在5項品質指標上均有較高的正載荷,主成分2在粗蛋白含量上有較高的正載荷,在淀粉含量上有較高的負載荷。

表5 主成分載荷系數及特征向量Table 5 Principal component load factor and eigenvector

將特征向量與標準化的數據相乘,可得出對應的主成分因子表達式。

2019年綜合評價模型為:

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

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

2020年綜合評價模型為:

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

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

2021年綜合評價模型為:

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

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

通過3年綜合評價模型,得出品質綜合得分:

2019年:F=0.717F1+0.283F2

2020年:F=0.651F1+0.349F2

2021年:F=0.751F1+0.249F2

根據公式計算出2019年、2020年、2021年各處理綜合得分,進行排名。結合3個生長季品質綜合得分(表6)可知,3個生長季各覆蓋處理的馬鈴薯品質綜合得分均高于CK,可見,秸稈帶狀覆蓋和地膜覆蓋能夠有效改善馬鈴薯的品質。

表6 主成分分析綜合得分Table 6 Aggregate score for principal component analysis

2.4 不同覆蓋方式下馬鈴薯品質與產量的灰色關聯度分析

通過對馬鈴薯產量及品質指標進行灰色關聯度分析,探究不同覆蓋方式下塊莖各品質指標與產量的關聯度差異。利用初值法進行無量綱化處理,計算各品質指標的灰色關聯度,依據關聯度大小進行排序(表7)。整體而言,產量與各品質指標間存在較高的關聯度,且覆蓋方式之間存在差異。SM處理下,維生素C、淀粉、直鏈淀粉、還原糖、粗蛋白含量關聯度分別為0.7532、0.8260、0.9024、0.7041、0.6467,產量與直鏈淀粉、淀粉、維生素C含量關聯度大,還原糖、粗蛋白含量次之;PM處理下,各品質關聯度分別為0.7783、0.8914、0.7743、0.7130、0.6125,產量與淀粉、維生素C、直鏈淀粉、還原糖、粗蛋白含量關聯度依次降低;CK處理下關聯度變化趨勢與PM處理相同。不同處理間品質指標綜合關聯度表現為SM(0.7665)>PM(0.7539)>CK(0.7191),即SM處理下產量與品質關聯度最高,PM次之,CK最低,秸稈帶狀覆蓋模式下種植馬鈴薯更符合高質高產的生產要求。

表7 不同覆蓋方式下馬鈴薯品質與產量的關聯度Table 7 Correlation between potato quality and yield under different mulching conditions

3 討論

3.1 不同覆蓋方式對馬鈴薯品質的影響

在西北半干旱區降雨稀少,田間水分蒸發量大,易出現干旱脅迫,影響馬鈴薯塊莖的生長和品質的提高。張佳瑩等[30]研究發現,生殖生長階段的氣象因子能決定馬鈴薯主要品質指標(維生素C、淀粉、可溶性糖、粗蛋白)的形成。本研究表明,降雨年型對馬鈴薯品質具有顯著影響,這與前人的研究結果一致。還有研究發現,生育期進行覆蓋能夠有效改善土壤墑情,改善馬鈴薯的產量和品質[31]。秸稈帶狀覆蓋一定程度上會降低馬鈴薯生育期土壤溫度,低溫環境有利于塊莖蔗糖合成酶Susy4的表達,進而增加淀粉合成[32];黑膜覆蓋則可以通過提高淀粉合成關鍵酶,特別是AGPase的活性來提高馬鈴薯塊莖淀粉含量[33]。本研究發現,豐水年秸稈帶狀覆蓋相較于地膜覆蓋對馬鈴薯重要加工品質指標淀粉含量的改善效果更佳。這可能是因為水分充足的年份,地膜覆蓋在馬鈴薯生育中后期產生了高溫高濕的膜下內環境,造成淀粉合成關鍵酶活性降低[34],使其塊莖淀粉含量的增幅低于秸稈帶狀覆蓋處理。本研究還發現,秸稈帶狀覆蓋在豐水年(2019年)和平水年(2021年)都顯著增加了馬鈴薯塊莖中還原糖的含量;而地膜覆蓋則僅在平水年顯著增加了還原糖的含量,豐水年(2019年和2020年)和露地對照相比差異不顯著。出現這一現象的原因,則是因為平水年7、8月當地持續高溫,降雨偏少,秸稈帶狀覆蓋能夠有效降低土壤溫度,而在低溫條件下,淀粉通過磷酸降解路線生成磷酸己糖,轉運到細胞質后轉化為蔗糖,進一步分解為還原糖[35-36]。為避免馬鈴薯出現“塊莖糖化”的現象,當農田使用秸稈帶狀覆蓋時,宜種植耐糖化馬鈴薯品種。

3.2 不同覆蓋方式對馬鈴薯產量的影響

降雨時空分布不均、田間水分蒸發量大是制約西北黃土高原半干旱區馬鈴薯增產的重要因素[24,37]。不少研究表明,秸稈帶狀覆蓋可以增墑調溫、抑蒸保水,且具有明顯的增產效應[22-24]。楊志楠等[38]通過馬鈴薯覆蓋栽培試驗發現,秸稈帶狀覆蓋具有“雙抑制效應”,在低溫時抑制土壤熱量散失,高溫時抑制地表對太陽輻射熱量的吸收,其塊莖產量較露地種植模式顯著提高;李輝等[39]通過2年田間試驗發現,秸稈帶狀覆蓋無論是在平水年還是偏旱年都能夠增加0～200 cm土層土壤含水量,并顯著提高馬鈴薯產量。許國春等[15]的2年定位試驗結果表明,與不覆蓋措施相比,地膜覆蓋能夠使馬鈴薯增產3.2%～18.1%。本研究表明,無論豐水年還是平水年,秸稈帶狀覆蓋和地膜覆蓋都顯著提高了馬鈴薯產量,增幅為13.7%～37.2%,與前人研究結果相似。在3個生長季,平水年覆蓋栽培模式增產幅度大于豐水年,可能是因為在豐水年水分虧缺非產量提升主要限制因素,且土壤水分過多不利于塊莖的膨大及淀粉的積累,因而覆蓋措施較露地種植的增產優勢有所降低。但是,豐水年覆蓋栽培模式相較于平水年更能提高馬鈴薯商品薯率,這是因為平水年7—8月出現了持續高溫,而該階段高溫會使馬鈴薯塊莖次生生長,小薯率上升,進而影響馬鈴薯單薯質量、商品薯率的提高[40]。秸稈帶狀覆蓋能夠有效改善馬鈴薯塊莖品質,顯著增加馬鈴薯產量,且其在豐水年對塊莖品質的改善效果優于地膜覆蓋,但增產幅度在3個生長季均低于地膜覆蓋。馬鈴薯生產上秸稈帶狀覆蓋的投入成本和人工成本均低于地膜覆蓋,可顯著增加產投比[22]。故豐水年使用秸稈帶狀覆蓋模式,綜合效益更高。

3.3 不同覆蓋方式對馬鈴薯品質與產量關聯度的影響

有研究表明,環境因素對馬鈴薯成熟期塊莖淀粉等指標和產量有著相同的調控趨勢,如鄢錚等[41]對淀粉型甘薯新品種的研究發現,淀粉產量與鮮薯產量高度關聯,其關聯度為0.9229。本研究結合灰色關聯度分析發現,不同覆蓋方式下淀粉、直鏈淀粉含量均與產量高度關聯,與前人研究結果一致。地膜覆蓋措施下馬鈴薯塊莖產量和品質的關聯度表現為淀粉>維生素C>直鏈淀粉>還原糖>粗蛋白,而秸稈帶狀覆蓋下馬鈴薯塊莖產量和品質的關聯度則表現為直鏈淀粉>淀粉>維生素C>還原糖>粗蛋白。秸稈帶狀覆蓋下馬鈴薯塊莖中直鏈淀粉與產量有著更高的關聯度,即馬鈴薯產量增加的同時,可能伴隨著直鏈淀粉含量及其占淀粉比重的提高,而不少研究發現[42-43],增加馬鈴薯淀粉中直鏈淀粉的比重,可使馬鈴薯具有更高的糊化溫度和更好的成膜性能,具備更好的加工潛力。秸稈帶狀覆蓋處理下馬鈴薯產量與塊莖品質高度關聯,符合馬鈴薯生產中對馬鈴薯高產優質的要求。

4 結 論

1)不同降水年型下,與露地栽培模式相比,秸稈帶狀覆蓋和地膜覆蓋均可以顯著改善馬鈴薯塊莖品質,整體表現為豐水年的提升效果優于平水年,豐水年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,與露地栽培模式相比,秸稈帶狀覆蓋和地膜覆蓋可顯著提高馬鈴薯產量,平水年增產幅度大于豐水年,地膜覆蓋增產幅度高于秸稈帶狀覆蓋。

3)灰色關聯度分析表明,秸稈帶狀覆蓋處理下產量與各品質指標高度關聯,其中直鏈淀粉含量和淀粉含量與產量關聯度最高。

綜上所述,覆蓋栽培措施在不同降水年型下可以顯著改善馬鈴薯品質和提高馬鈴薯產量。秸稈帶狀覆蓋具有良好的增產提質效果,豐水年對馬鈴薯品質的改善效果更優,同時秸稈帶狀覆蓋具有綠色、節本、高效的特性,在西北半干旱雨養農業區馬鈴薯生產中有較好的應用推廣價值。