不同土壤水分条件下施氮对甘薯干物质积累及块根品质的影响

朱绿丹， 张珮琪， 陈 杰， 张 辉， 张永春， 邵孝侯， 许建平

(1.江苏省农业科学院资源与环境研究所，农业部江苏耕地保育科学观测实验站，江苏 南京 210014;2.河海大学水利水电学院，江苏 南京 210098;3.中国农业大学农学与生物技术学院，北京 100193)

甘薯具有丰富全面的营养价值，富含维生素、蛋白质、食物纤维以及矿物质等［1-5］，其中维生素C能有效抗癌，具有优良的保健性能。甘薯基本营养成分主要是各类碳水化合物如糖、淀粉等［6］，其碳水化合物组成对甘薯块根品质有重要影响［7］，而氮素和土壤水分均能影响作物品质［8］。淀粉是甘薯块根主要成分，淀粉率与干物质含量显著正相关［9］。前人对氮素影响甘薯块根淀粉存在不同的结论，陈晓光等［10］认为增施氮肥降低甘薯块根淀粉积累速率和淀粉产量，而谢一芝等［11］认为施氮量对淀粉率影响较小，唐忠厚等［12］研究得出施氮不利于淀粉合成，但对其他物质合成有利，适当施氮可改良甘薯品质。土壤水分对作物品质影响研究主要集中于小麦［13］、水稻［14］以及一些果蔬类作物，而对甘薯块根品质研究较少。目前，综合土壤水分和氮素对甘薯品质的影响研究鲜见报道。因此，本试验拟探讨不同水分处理条件下，施加氮素对甘薯块根品质的影响，以期为甘薯产量和品质的水肥耦合效应提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

苏薯14号，来自江苏省农业科学院粮食作物研究所，系优质食用及食品加工型甘薯新品种。供试土壤为姜堰高砂土，基本理化性状为:田间持水量23.7%，pH 7.05，水解氮 44.14 mg/kg，有效磷6.71 mg/kg，速效钾 52 mg/kg，有机质 6.36 g/kg。

1.2 试验设计

设3个土壤含水量(田间持水量40%、80%、120%)和2个施氮水平，即1 kg风干土中施150 mg氮素，以不施氮为对照，共6个处理3个重复，各处理磷钾施用量均相同，分别为1 kg风干土中施80 mg P2O5、150 mg K2O。肥料品种为硫酸钾(分析纯，含K2O 51%)、尿素(含N 46%)、磷酸钙(分析纯，含P2O512%)。

盆栽试验于2012年在江苏省农业科学院试验大棚内进行，大棚顶覆塑料薄膜，两边门框通风。盆钵大小28.5 cm×28.0 cm，每盆装土12 kg，分别与肥料混匀后灌水至饱和，静置3 d，并保持土壤含水量为田持75%左右。5月14日松土插入两根PVC管(直径1 cm，长30 cm，管底距盆底6 cm)，每盆移栽薯苗1株，缓苗20 d，期间土壤水分维持在田持80%±5%，6月7日开始按试验设计进行水分处理，土壤水分控制采用称重法，每隔2 d进行称重并从PVC管中补充水分。9月23日取样，将甘薯地下部分挖出洗净，称鲜重，然后取大中小典型薯块切块混匀，一部分留样测维生素C含量，一部分烘干称干重磨粉过60目筛，用于测定淀粉和可溶性糖含量。

1.3 测定指标和方法

块根干物质量和干率的测定:块根洗净称鲜重，然后切块混匀，105℃烘30 min，然后75℃烘干，称干重，并以块根干重与鲜重之比计为干率;块根维生素 C 含量采用 2，6-二氯定酚法［15］测定;块根葡萄糖、果糖及蔗糖含量采用蒽酮比色法［16］测定;块根直链、支链淀粉含量采用双波长法［16］测定。

测定所用直链、支链淀粉纯品均为Sigma公司生产。26 μg/ml的直链淀粉和 100 μg/ml的支链淀粉标准溶液分别在紫外-可见光分光光度计上进行400～1 000 nm波段光谱扫描(图1)，用作图法测得直链淀粉测定波长为λ2(595 nm)，参比波长为λ1(475 nm)，支链淀粉测定波长为λ4(535 nm)，参比波长为λ3(695 nm)。

图1 直链淀粉和支链淀粉光谱扫描图Fig.1 Spectral scaning of amylose and amylopectin

1.4 数据处理与分析

数据分析在Excel 2010下进行，统计分析和多重比较在SPSS 16.0中进行，画图使用Origin 8.0 软件。

2 结果

2.1 不同土壤含水量下施氮对甘薯干物质积累和分配的影响

由表1可知，甘薯干物质积累量随土壤含水量增大而提高。在不施氮处理中，土壤含水量80%和120%的甘薯干物质积累量极显著高于含水量40%的处理(P＜0.01)。在土壤含水量40%中，施氮处理的甘薯干物质总积累量显著低于不施氮对照(P＜0.05)，而在土壤含水量80%和120%中，施氮处理均显著高于不施氮对照(P＜0.05)。在所有处理中，土壤含水量120%+施氮处理的干物质积累量最高。在不施氮处理下，甘薯蔓薯比随土壤含水量增大而提高，比值变化幅度为0.18～0.23。施氮处理后，土壤含水量80%中蔓薯比值显著高于含水量40%和120%的。甘薯块根干物质量占总积累量的70%～80%，它对土壤含水量和氮素的响应与总干物质积累量基本一致，而藤蔓干物质积累量随土壤含水量提高极显著增大，施氮处理显著提高了3个土壤含水量下甘薯藤蔓的干物质积累量，增幅分别为19.4%、93.6%、90.1%。

表1 不同土壤含水量下施氮对甘薯干物质积累和分配的影响Table 1 Effects of nitrogen fertilization on dry matter accumulation of sweet potato in soils of three moistures

以上结果说明在盆栽条件下，适当提高土壤含水量可促进甘薯块根和地上藤蔓干物质积累;土壤含水量低时施用氮肥可促进地上藤蔓生长，但蔓薯比值增大，块根干物质分配量减少;土壤含水量中等时，施氮促进地上藤蔓生长作用加强，光合能力相应加强，而块根干物质分配率降低，故块根干物质量变化不大;土壤含水量较高时，施氮促进藤蔓生长，同时蔓薯比相对降低，干物质在块根中分配量得以提高，并获得最大块根产量。因此认为，虽然甘薯为耐旱作物，但也需要给予适宜的土壤水分条件以发挥其高产潜能;而氮肥对甘薯的影响依赖于土壤水分条件，只有在土壤水分供应充足时，养分才能较好地发挥其增产效应，在土壤水分不足时施氮不适宜反而对甘薯增产不利，因此在生产实践中应注意养分和水分的互作效应。

2.2 不同土壤含水量下施氮对甘薯块根干率的影响

试验结果(图2)表明，在不施氮处理下，土壤含水量为40%时甘薯块根干率显著高于土壤含水量80%和120%的处理。在土壤含水量为40%时，施氮处理的块根干率显著低于不施氮处理。而在土壤含水量80%和120%时，施氮处理与不施氮处理差异不显著。由此可见，施用氮肥仅在土壤含水量较低时显著降低甘薯块根干率，在土壤水分含量中等和较高时作用不明显，维持在18%左右。

图2 不同土壤含水量下施氮对甘薯块根干率的影响Fig.2 Effects of nitrogen fertilization on dry matter percentage of sweet potato tuberous roots in soils of three moistures

2.3 不同土壤含水量下施氮对甘薯块根维生素C含量的影响

甘薯富含各种维生素，其维生素C含量是苹果、葡萄、梨的10～30倍。由图3可知，不施氮处理下，块根维生素C含量随土壤水分升高而降低，且在土壤含水量为40%与120%间差异显著(P＜0.05);施用氮肥后，维生素C含量由不施氮处理的194.6 mg/kg，FW(3个土壤含水量下均值)降至170.8 mg/kg，FW，但降幅程度不同，土壤含水量40%时显著下降20.3%(P＜0.01)，土壤含水量80%时显著下降13.1%(P＜0.05)，土壤含水量120%时下降未达显著水平。可见，提高土壤含水量不利于维生素C含量的提高。增施氮肥后，土壤含水量较低(40%)和中等水平(80%)时，甘薯块根收获期维生素C含量较不施氮处理显著降低。土壤水分较高(120%)时，增施氮肥后维生素C含量与不施氮处理差异不大。维生素C含量下降幅度随着土壤含水量提高得以缓解。

图3 不同土壤含水量下施氮对甘薯块根维生素C含量的影响Fig.3 Effects of nitrogen fertilization on vitamine C content in sweet potato tuberous roots in soils of three moistures

2.4 不同土壤含水量下施氮对甘薯块根可溶性糖含量的影响

试验结果测得苏薯14块根中可溶性总糖含量变幅为9.94% ～25.28%(均值为17.43%)，其中果糖、蔗糖、葡萄糖占比分别为:1.33∶1.00∶0.49。

由图4所示，甘薯块根的可溶性总糖、蔗糖、果糖、葡萄糖含量均随土壤含水量增大而升高，施氮后，各水分条件下甘薯可溶性糖总量及各组分(果糖、蔗糖、葡萄糖)含量均显著低于不施氮处理，降幅 分 别 为 32.3% ～ 47.8%、17.7% ～ 46.5%、38.6% ～45.2%、36.0% ～56.2%。在不施肥处理中，可溶性总糖和蔗糖含量在土壤含水量120%与80%之间差异极显著，土壤含水量80%与40%之间不显著;果糖含量在土壤含水量120%与40%之间差异显著，而在120%与80%之间、80%与40%之间差异不显著;葡萄糖含量在3个土壤含水量下差异均不显著。在施氮处理中，可溶性总糖和蔗糖含量在土壤含水量120%条件下极显著高于土壤含水量80%和40%，土壤含水量80%与40%间无显著差异;果糖含量在土壤含水量120%与40%间差异极显著，土壤含水量80%与120%和40%间均无显著差异;葡萄糖含量在土壤含水量40%时显著低于80%和120%的。由此可见增加土壤含水量可提高可溶性糖各组分含量，而施氮不利于各土壤含水量下甘薯块根可溶性糖的积累，其主要组分(蔗糖、果糖和葡萄糖)含量均极显著降低，降幅在32% ～56%。

图4 不同土壤含水量下施氮对甘薯块根可溶性总糖(A)以及蔗糖(B)、果糖(C)、葡萄糖(D)含量的影响Fig.4 Effects of nitrogen fertilization on contents of total sugar(A)，sucrose(B)，fructose(C)and glucose(D)in sweet potato tuberous roots in soils of three moistures

2.5 不同土壤含水量下施氮对甘薯块根支链淀粉、直链淀粉和总淀粉含量的影响

甘薯主要成分为淀粉，淀粉组分包括支链淀粉和直链淀粉，其含量和比率影响甘薯的加工品质。由图5可知，不施氮时，土壤含水量40%的处理甘薯块根直链淀粉含量显著高于土壤含水量80%和120%的。土壤含水量40%时，施氮处理的直链淀粉含量较不施氮极显著降低;土壤含水量80%时，施氮处理与不施氮对照差异不显著;土壤含水量 120%时，施氮处理较不施氮对照显著提高。

图5 不同土壤含水量下施氮对甘薯块根总淀粉(A)、直链淀粉(B)、支链淀粉(C)含量以及直/支比率(D)的影响Fig.5 Effects of nitrogen fertilization on total starch(A)，amylose(B)and amylopectin(C)contents and ratio of amylose to amylopectin(D)in sweet potato tuberous roots in soils of three moistures

在不施氮处理下，土壤水分含量对支链淀粉含量影响不显著。在土壤含水量40%、80%时，施氮与不施氮差异不显著，在120%时施氮处理的支链淀粉含量较不施氮显著提高。

因此，总淀粉含量在土壤含水量40%和80%条件下，施氮处理与不施氮处理间没有显著差异，而土壤含水量120%条件下，施氮处理的总淀粉量极显著高于不施氮处理;对于直/支比率，施氮处理仅在土壤含水量40%条件下显著低于不施氮处理，在土壤含水量80%和土壤含水量120%时，施氮与不施氮处理无显著差异。这说明施氮有利于各土壤含水量下甘薯块根总淀粉尤其是支链淀粉积累，而对直链淀粉合成仅在土壤含水量较高时有促进作用，并提高直/支比率。

3 讨论

甘薯品质主要受其组成成分的影响，其中对食味影响最大的是干物质，淀粉次之，维生素C和可溶性糖分别居第3位和第4位［17］。本试验结果表明，提高土壤含水量明显促进甘薯地上藤蔓和块根干物质积累，施氮也能显著提高甘薯地上藤蔓干物质积累量，而氮素对块根干物质积累的影响则因土壤含水量不同而存在差异。这主要是由于土壤水分亏缺抑制作物叶片生长发育，不利于光合产物生产和积累［18］，提高土壤含水量则可促进甘薯藤蔓生长，有利于光合产物的积累以及向块根的分配，即促进块根干物质积累。氮素是叶片生长发育的必需元素之一，能促进叶片的光合作用［19］和碳氮代谢，但高氮可能导致块根中物质分配比例降低［12］。史春余等［20］也认为施氮在促进光合作用的同时提高甘薯块根中氮含量，降低醇溶性碳水化合物，延缓块根膨大。本试验中，当土壤含水量较低时，施氮显著提高甘薯块根中氮素含量，增幅高达188.1%，导致块根干物质积累和干率降低。随着土壤含水量增大至较高水平时，施氮在促进光合作用的同时，由于较高土壤含水量引起的稀释作用，块根中氮素增幅降低至141.1%，使得块根得以顺利膨大并促进碳水化合物积累，而块根干率维持在中等水平，既提高产量又不影响贮藏品质［9］。

本试验结果显示，甘薯在增施氮肥处理且土壤含水量为120%时获得最大块根干物质积累量，与大田试验中土壤水分不宜过高(一般在田持75%为宜)有所不同，可能原因有:第一，大田中甘薯茎叶匍匐生长，位于茎上的侧根发育良好，能吸收大量水分和养分而促使茎叶生长过盛，反而降低了干物质在块根中的分配，大田试验条件下甘薯蔓薯比约为0.41［21］;而在盆栽中，土壤面积有限，甘薯藤蔓不能贴地生长，缺乏侧根发育所需条件，故而有效缓解了藤蔓的过盛生长，促进干物质向块根中分配，本试验中的蔓薯比仅为0.3左右。第二，本试验开展时间为5～9月，棚内较高的温度直接影响甘薯蒸腾作用和耗水量，因而即使在土壤含水量120%时也未造成藤蔓的过度旺长及对薯块的生长形成抑制作用。

维生素C是人体必需而又不能自主合成的营养物质之一，能阻断亚硝胺在体内的形成以及消除体内过剩自由基，具有一定的抗癌抗氧化功能，也是农产品的重要品质指标之一。前人测得马铃薯中维生素C含量仅为70 mg/kg，芋头为160 mg/kg，而甘薯鲜薯维生素 C 含量为 150 ～ 300 mg/kg［1，22］。本试验测得鲜薯维生素 C含量为164.1～205.9 mg/kg，随着土壤含水量增大而降低，与前人对葡萄［23］、番茄［24］等维生素 C 含量在水分亏缺时增大的研究结果一致。施氮肥后，3个土壤水分处理的块根维生素C含量均值由194.6 mg/kg鲜薯降至170.8 mg/kg鲜薯，与 Xu 等［25］对花椰菜研究结果基本一致。导致维生素C含量降低的一部分原因可能是土壤含水量提高促进了甘薯块根膨大而引起稀释作用;也可能是由于施氮促进地上藤蔓生长引起遮阳降低直接光辐射。

史春余等［26］认为，可溶性糖含量高、淀粉含量低的甘薯块根蒸煮食味较好，王庆美等［27］认为直链淀粉含量增加，支链淀粉降低，直/支比率升高，则甘薯加工品质较好而鲜食品质下降。本试验结果表明，提高土壤含水量可促进块根中可溶性糖各组分含量提高，而总淀粉、直链淀粉、支链淀粉含量以及直/支比率均降低，有利于提高甘薯块根鲜食品质;增施氮肥后，各土壤含水量下甘薯块根可溶性糖含量及其各组分(蔗糖、果糖、葡萄糖)含量均极显著降低，而总淀粉、支链淀粉、直链淀粉含量以及直/支比率在土壤含水量较高时均显著提高，导致块根鲜食品质降低，而提高了甘薯的加工品质。

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