施锌肥对旱作马铃薯植株锌含量及块茎品质的影响
2017-12-12马振勇杜虎林刘荣国牛金帅
马振勇，杜虎林，刘荣国，牛金帅，刘 超
(1.中国科学院 西北生态环境资源研究院，甘肃 兰州 730000；2.中国科学院大学，北京 100049； 3.宁夏中卫沙坡头国家级自然保护区管理局，宁夏 中卫 755000)
马铃薯(SolanumtuberosumL.) 是除了小麦、稻谷、玉米之外，最主要的粮食作物，马铃薯营养丰富，产量高，其块茎中含有丰富的维生素、淀粉、蛋白质、糖类等营养成分。甘肃地处西北黄土高原半干旱气候区，土壤、气候条件非常适合马铃薯的生长，也是马铃薯主要产区之一[1]，马铃薯块茎品质的形成和生长发育过程要求全营养元素的供给[2]。1926年Sommer和Lipman[3]首次证实锌是高等植物生长发育所必需的微量营养元素之一。Tsui[4]首次成功地证明了锌在生长素合成中的作用。联合国粮农组织的报告指出，世界范围内土壤缺锌非常严重，在欧洲国家中，将近三分之二的土壤锌含量都很低，特别是有效性锌的含量极低[5]，虽然我国土壤平均锌含量要比世界水平高出一倍，但是由于土壤锌含量分布不均匀，我国植物缺锌较严重，特别是生长在北方石灰性土壤和南方酸性土壤上的植物，这种现象更加严重[6]。
锌元素是人体所必需的微量元素，人体中锌素缺乏会引起肝硬化、侏儒症、白内障等疾病[7]，目前我国土壤缺锌现状日趋严重，约占耕地面积的40%[8]，石灰质土壤普遍存在微量元素缺乏症[9]，在某些地区已成为作物产量和品质提高的重要限制因子之一。对植物体而言，锌对其体内多种酶起到稳定、催化和调节的作用[10]，锌素不仅作为高等植物体内酶的金属组分，还可以作为酶在调节机制及结构功能方面的辅助因子，参与到作物体内激素代谢、呼吸作用、光合作用等生理过程，以及蛋白质、核酸等物质的合成[11]。在生产中，合理的施用锌肥，可显著提高农产品中的锌含量，对食物链中锌素营养平衡的调节，防治地方疾病的发生，以及促进人体健康具有重要作用[12]。
甘万祥等[13]的研究表明，施用适量的锌肥可以增加夏玉米不同生育时期叶片中可溶性糖含量、籽粒淀粉含量和籽粒产量。买文选等[14]在高碳酸钙条件下供锌对不同基因型小麦生长和养分吸收的影响试验表明，施用锌肥后，显著增加了小麦根的P、Fe、Zn等含量，其中与对照相比施锌肥的小麦根中P吸收量增加25.6%。郝明德等[15]在陕西省长武县连续17年的微量元素肥料定位试验表明，施用锌肥后小麦平均增产110.44 kg/( hm2·年)，锌素吸收明显增加，常态年施锌肥可使小麦增产4.3%。施用硫酸锌和糖醇锌2种形态肥料马铃薯叶片比对照处理锌浓度提高了47.88，72.24 mg/kg，到块茎增长期末，马铃薯块茎中锌积累量比对照处理分别增加了37.5%和49.4%[16]。孙小龙等[16-17]在甘肃定西的大田试验表明，施用锌肥能一定程度上增加了马铃薯维生素C、蛋白质含量、淀粉含量和可溶性糖含量，降低了还原糖的含量，对于马铃薯品质的提升具有显著的作用，施用锌肥后马铃薯块茎中可溶性蛋白增加16.1%～44.9%、游离氨基酸增加49.5%～73.9%，马振勇等[18]研究表明，施用锌肥后对马铃薯的干物质量、根系活力、叶绿素含量等具有显著影响。本研究以新大坪马铃薯作为试验品种，作为马铃薯施锌肥大田试验的补充，通过盆栽试验，探究施锌肥对马铃薯植株锌素吸收与分配，及块茎主要营养品质的影响，为培育高锌含量、高品质马铃薯，提供一定的养分管理理论指导。
1 材料和方法
1.1 试验区概况
盆栽试验，于2012年5-9月在甘肃农业大学网棚中进行(网棚只有防雨、防人为干扰功能)，该地平均海拔1 500 m，属温带季风性气候，气候干燥，降水少，日照多，光能潜力大，气候干燥，年平均气温10.3 ℃。年平均日照时数2 446 h，无霜期180 d，年平均降水量327 mm，降雨主要集中在6-9月。
1.2 供试材料及试验设计
试验马铃薯品种为新大坪，由甘肃省定西市旱作农业科研推广中心提供，以蛭石作为播种基质，共设2个处理，即不施锌肥处理(CK)和施锌肥处理(Zn)，每处理重复35次，一盆为一次重复。试验采用霍格兰不完全营养液+蛭石培养，每盆装基质3.6 kg，盆上沿留2 cm距离，每盆播种2个种薯，播种深度10 cm，按处理浇灌营养液。施锌肥方式为，生育期浇灌及块茎形成期、块茎膨大期喷施2次。播种后浇透水分(同时每盆浇营养液1 000 mL)，出苗前称重法补充水分，出苗后每7 d浇灌1次霍格兰不完全营养液，每盆浇1 000 mL，收获前10 d停止浇灌营养液，其余时间视具体蒸发情况补充水分。施锌处理营养液中加入ZnSO4·7H2O，使其浓度为0.45 mg/kg，并在块茎形成期、块茎膨大期喷施2次ZnSO4·7H2O(0.02% Zn)用量为30 mL/盆，CK喷施等量清水。在全生育期进行相关指标测定。
1.3 测定项目和方法
5月6日播种，5月28日出苗，试验分别在出苗后18 d(苗期)、出苗后32 d(块茎形成期)、出苗后44，54 d(块茎膨大期)、出苗后66，96，118 d(淀粉积累期和成熟期)共7次采样，每次2种处理各采集4株马铃薯，除去黏附泥土后用蒸馏水清洗干净，按茎、叶、块茎、地下部分分开，先在 105 ℃下杀青30 min，之后在 80 ℃下烘至恒重，冷却后称重，用以测定马铃薯不同生育时期植株锌含量、全株积累量以及块茎维生素C含量(VC)，游离氨基酸、淀粉、还原糖等主要营养品质指标的含量。其中植株锌含量：测定采用 HON3-H2O2微波消解方法[19]；维生素C：2，6二氯靛酚滴定法；还原糖：乙醇提取-3，5二硝基水杨酸比色法；淀粉：HCL水解-3，5二硝基水杨酸比色法；CK处理9月2日叶片枯萎死亡，直接收获，Zn处理9月24日收获，收获后测定块茎产量及相应品质指标。
1.4 数据处理方法
用Excel 2007对试验数据进行处理作图。用SPSS 19.0统计软件对2种处理的数据进行独立样本T检验，在P<0.01和P<0.05显著水平上对数据均值进行差异显著性统计分析。
2 结果与分析
2.1 施锌肥对马铃薯各器官中锌含量、锌积累与分配的影响
2.1.1 施锌肥对马铃薯不同生育时期各器官锌含量的影响 通过对2种处理的锌含量数据进行独立样本T检验，可以看出，出苗后44 d 时，2种处理马铃薯根、叶中的锌浓度就出现显著差异(表1)，说明将ZnSO4·7H2O加入营养液中后，马铃薯吸收了肥料中的锌。在块茎形成期、块茎膨大期喷施2次锌肥更是极显著提高对马铃薯叶片的锌浓度，在出苗后32，54 d，2次每盆喷施30 mL的ZnSO4·7H2O(0.02% Zn)后，(出苗后66，96 d)测定叶片锌浓度， Zn处理比CK处理分别高出27.94，43.89 mg/kg，2种处理差异达到显著水平。在块茎形成期(出苗后32 d)和成熟期(出苗后118 d)2种处理块茎中的锌浓度差异达到显著水平，特别是收获后马铃薯块茎中的锌浓度Zn处理比CK处理高出28.70%。说明施用锌肥能够增加马铃薯不同器官的锌浓度。
表1 锌处理对马铃薯不同生育时期各器官中锌浓度的影响Tab.1 Effects of zinc treatment on zinc concentration in different organs of potato during different growing stages mg/kg
注：同一列小写字母表示不同处理间差异达5%显著水平；大写字母表示不同处理间差异达1%显著水平。
Note：The different lowercase letters in the same columns mean significant difference at 5% level； The different capital letters in the same columns mean significant difference at 1% level.
2.1.2 施锌肥对马铃薯各生育期不同器官锌素积累量的影响 在各生育期采样后，测定全株马铃薯不同器官锌素积累量，结果表明(图1)，施用锌肥能增加不同器官的锌素积累量。从图1可以看出，全生育期浇灌含ZnSO4·7H2O的营养液的马铃薯，各器官锌素积累量均比CK处理高，且两处理块茎中锌素积累量差异随生育期推进逐渐增大。在出苗后32，54 d 2次叶面喷施锌肥明显增加了叶片中的锌素积累量，在出苗后66 d时达到了最大值，此时Zn处理叶片锌素积累量为1.469 mg/株，CK处理只有0.328 mg/株，Zn处理比CK处增加3倍多。叶片是植物光合作用的载体，施锌肥增加了马铃薯叶片的锌含量，锌素决定植物叶绿素含量、光合速率以及还原酶的活性，锌素也可促进植物体内蛋白质的合成[20]，从而间接地促进了其他器官的生长发育，提高了马铃薯产量和块茎的营养品质。
对马铃薯块茎和全株锌素积累量随生育期推进的变化进行多项式拟合，可得到如下拟合方程，经F检验均达显著水平，如表2所示。通过回归方程，可计算锌素最大积累量和最大积累速率，马铃薯全株锌素积累量Zn处理在出苗后69 d达到最大值为4.889 mg/株，CK处理在出苗后72 d时达到最大值为2.988 mg/株，最大积累速率分别出现在出苗后58，55 d，分别为0.095，0.064 mg/(d·株)。马铃薯块茎锌素积累量，随生育期的推进呈逐渐增加趋势，在最后采样时，即出苗后118 d达到最大值，Zn处理为2.733 mg/株，CK处理为1.803 mg/株，最大积累速率Zn处理出现在出苗后111 d为0.059 mg/(d· 株)，CK处理出现在出苗后113 d为0.038 mg/(d·株)。可见，施锌肥可以提高马铃薯全株和可食部分-块茎的锌素最大积累量和最大积累速率，其中全株和块茎锌素积累量和最大积累速率Zn处理比CK处理分别高63.62%，48.43%和51.58%，55.26%。
图1 马铃薯各器官中锌素积累量随出苗后天数的变化Fig.1 Changes of zinc accumulations in various organs of potato with the number of days after emergence
表2 马铃薯块茎和全株锌素积累随出苗后天数变化的拟合方程Tab.2 The fitting equation of zinc accumulation in potato tuber and whole plant with the change of days after seedling
2.1.3 施锌肥对马铃薯不同生育时期各器官锌素分配的影响 从锌素分配比例可以看出(图2)，随生育期推进马铃薯叶片中锌素积累比例逐渐降低，茎和根中从块茎膨大中期到成熟期分配比例逐渐降低，而块茎中锌素积累比例逐渐增加，到成熟期Zn处理和CK处理分别为58.25%和70.58%。在整个生育期Zn处理茎和根的锌素积累比例均高于CK处理，所以到生育期后期降低了Zn处理块茎中锌素积累的比例，施锌肥增加了锌素在茎和根中的分配比例，降低了在块茎中的分配比例。
2.2 施锌对马铃薯各生育期块茎主要品质指标的影响
2.2.1 施锌肥对马铃薯块茎生长过程中维生素C含量的影响 在马铃薯块茎生长过程及时测定了块茎中维生素C(VC)、淀粉、还原糖及游离氨基酸含量(图3)。结果表明，在马铃薯块茎生长过程中，随出苗后天数的变化，马铃薯块茎VC含量出现先升后降的变化规律，最大值在出苗后66 d出现，此时Zn处理比CK处理高6.7%。成熟期末期最后一次测定，Zn处理比CK处理高16.19%。出苗后32～44 d，VC含量增加缓慢；出苗后 44～60 d VC含量增加很快，CK处理平均增加速率达4.65 mg/(d·株)，Zn处理达8.36 mg/(d·株)，出苗后 66～96 d(淀粉积累期-成熟期)VC 下降速率很快，CK处理达2.43 mg/(d·株)，Zn处理达3.07 mg/(d·株)，但两处理间差异不显著。锌肥处理对马铃薯块茎中VC含量有很大影响，除在块茎形成期块茎中的VC含量，Zn处理
图2 马铃薯同一器官中锌素分配随出苗后天数的变化 Fig.2 Changes of Zinc distributions in the same organs of potato with the number of days after emergence
2.2.2 施锌对马铃薯块茎形成过程游离氨基酸含量变化的影响 随着马铃薯块茎的生长，块茎中游离氨基酸含量出现波动变化规律。最大值在出苗后66 d左右(淀粉积累期)，其含量达 0.10%。出苗后 44～66 d，块茎中游离氨基酸含量快速增加，平均增加速率为0.02%/d，在块茎膨大期，块茎中锌含量增加很快，此阶段Zn处理游离氨基酸平均增加率比CK处理快0.002%/d；马铃薯生育期后期(淀粉积累期和成熟初期)，块茎中游离氨基酸含量略有下降，但下降速率，CK处理比Zn处理快8.17%/d，成熟期末期最后一次测定结果表明，马铃薯块茎中游离氨基酸含量为22.11%。试验结果说明，施锌肥对马铃薯块茎游离氨基酸含量的影响在生育期后期最为明显，主要是在这一阶段，Zn处理减缓了马铃薯块茎中游离氨基酸含量的下降速率。
2.2.3 施锌肥对马铃薯不同生育时期块茎淀粉含量的影响 淀粉是植物通过光合作用合成的一种多糖高分子化合物，广泛存在于植物的果实、根、茎中，禾谷类植物和豆类植物种子、薯类的块茎中淀粉的贮藏量较大，可以提取和利用。玉米、面粉、木薯是我国主要的淀粉原料[19]，近年来，中国马铃薯产业在甘肃、宁夏、内蒙古等省区已经形成产业化的生产基地，使中国马铃薯淀粉产量位居世界前列[21]。图3显示，在马铃薯块茎生长过程中，块茎中的淀粉含量呈抛物线变化规律，在整个生长时期块茎淀粉含量Zn处理>CK处理，在淀粉积累期达到最大值，CK处理为81.62 mg/kg，Zn处理高达93.57 mg/kg，Zn处理比CK处理高14.64%。之后在淀粉积累末期开始下降，下降幅度Zn处理 图3 马铃薯块茎形成期块茎主要品质指标含量的变化Fig.3 Changes of main quality index of potato tuber during tuber initiation stage 2.2.4 施锌肥对马铃薯不同生育时期块茎还原糖含量的影响 还原糖含量是影响马铃薯淀粉加工产品品质的重点要素之一，当马铃薯块茎中还原糖质量分数超过0.25%时，在加工炸薯条、薯片时，还原糖在高温下与α-氨基酸发生Maillard反应，导致马铃薯加工产品色泽变褐、变黑，味变苦，影响了马铃薯加工产品的品质[22]。所以，块茎中还原糖含量是影响马铃薯品质的重要指标，降低马铃薯块茎中的还原糖含量可显著提升加工品质。从图3可以看出，在马铃薯块茎形成过程中，随出苗后天数的增加，马铃薯块茎还原糖含量呈下降的趋势，从块茎形成期到块茎膨大初期，还原糖含量下降的幅度Zn处理高于CK处理，从淀粉积累期开始2种处理下降速率逐渐降低，至淀粉积累期Zn处理更加降低了马铃薯块茎中还原糖含量，此时块茎中的还原糖含量CK处理为0.27%，而Zn处理为0.21%，已经降到0.25%以下。在成熟期(出苗后96 d)最后一次测定显示，Zn处理块茎中还原糖含量为0.17%，而CK处理为0.22%，Zn处理比CK处理低22.72%，说明施锌肥降低了马铃薯块茎中还原糖的含量，对提高马铃薯块茎品质十分有利。 本试验通过生育期浇灌添加了浓度为0.45 mg/kg的ZnSO4·7H2O溶液，并在生育期喷施已配制成含锌浓度为0.02%的ZnSO4·7H2O溶液，达到施锌肥的目的，在施肥方式上区别于锌肥拌种和施用有机肥，并采用可控制的盆栽方法是本试验最主要的特点，在现有基础上为马铃薯品质指标的提升提供一定的理论支持，具有一定的意义。锌是必需的微量元素之一，人体中锌含量来源植物锌约占76%，动物锌占18.5%，其他锌占4.5%，可见人体所需的锌主要来源于植物锌，锌与人体的免疫机能、能量代谢等息息相关[23]。可见作物中锌含量的提高，锌素积累对提高作物的品质及人体健康具有重要作用。本试验采用的施锌肥方法明显提高了马铃薯全株和块茎中锌素的积累量和最大积累速率，特别是在马铃薯生育期后期，全株锌素积累量和最大积累速率Zn处理比CK处理分别高63.62%，48.43%，块茎锌素积累量和最大积累速率Zn处理比CK处理分别高51.58%，55.26%。这与孙小龙等[16]在大田通过锌肥拌种+生育期喷施马铃薯的研究结果一致，也与习敏[24]的研究结果一致。本试验在块茎形成期和块茎膨大期2次喷施锌为显著的提高Zn处理马铃薯叶片中锌素积累量，在出苗后66 d时达到了最大值，此时Zn处理叶片锌素积累量为1.469 mg/株，CK处理只有0.328 mg/株，Zn处理比CK处理增加3倍多。这为马铃薯生育期后期锌素向其他器官的转运，特别是向块茎中的转运提供了良好的基础，使生育期后期马铃薯块茎锌素积累量Zn处理明显高于CK处理。 施肥对作物的两大作用为增产和提高品质，施用适量锌肥可提高玉米、马铃薯产量[7]，提高小麦籽粒的锌含量已经得到足够的证实[25]。而在缺锌的土壤上适量施用硫酸锌或浸种处理可使马铃薯块茎淀粉、VC和可溶性蛋白含量不同程度提高[26]。本试验对旱作马铃薯施用锌肥的条件下，在整个块茎生长期进行5次采样，测定马铃薯块茎中VC、游离氨基酸、淀粉和还原糖等主要营养品质指标，分析施锌肥对旱作马铃薯块茎生长期主要营养品质指标变化规律的影响。结果表明，随块茎生长期的推进马铃薯块茎的VC、游离氨基酸及淀粉含量均呈先升高后降低的抛物线型，基本在块茎膨大后期或淀粉积累期达到最大值；而还原糖含量则出现持续下降的趋势。成熟期末期测定结果表明，Zn处理块茎中VC、游离氨基酸、淀粉含量分别比CK处理高16.19%，22.11%，16.28%，而Zn处理块茎中还原糖含量比CK处理低22.72%，这对成熟期末期收获后的马铃薯提升块茎品质指标十分有利。 施用锌肥能够增加马铃薯不同器官的锌浓度，出苗后44 d 时，2种处理马铃薯叶、茎、根的锌浓度即表现出显著差异，在生育期进行2次喷施锌肥，之后的2次测定结果表明，叶片中锌浓度Zn处理比CK处理分别高出27.94，43.89 mg/kg。收获后块茎中的锌浓度Zn处理比CK处理高出28.70%。 在全生育期各器官锌素积累量Zn处理均高于CK处理，且随生育期推进，马铃薯块茎中锌积累量，两处理间的差异逐渐增大；在整个生育期Zn处理茎和根的锌素积累比例均高于CK处理，生育期后期降低了Zn处理块茎中锌素积累的比例，所以施锌肥增加了锌素在茎和根中的分配比例，降低了在块茎中的分配比例。通过对成熟期马铃薯块茎的测定，表明施用锌肥能够增加马铃薯块茎中VC、游离氨基酸及淀粉含量，降低马铃薯块茎中还原糖的含量。
3 讨论与结论
