不同土壤水分條件下施氮對甘薯干物質(zhì)積累及塊根品質(zhì)的影響

朱綠丹， 張珮琪， 陳 杰， 張 輝， 張永春， 邵孝侯， 許建平

(1.江蘇省農(nóng)業(yè)科學院資源與環(huán)境研究所，農(nóng)業(yè)部江蘇耕地保育科學觀測實驗站，江蘇 南京 210014;2.河海大學水利水電學院，江蘇 南京 210098;3.中國農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學與生物技術(shù)學院，北京 100193)

甘薯具有豐富全面的營養(yǎng)價值，富含維生素、蛋白質(zhì)、食物纖維以及礦物質(zhì)等［1-5］，其中維生素C能有效抗癌，具有優(yōu)良的保健性能。甘薯基本營養(yǎng)成分主要是各類碳水化合物如糖、淀粉等［6］，其碳水化合物組成對甘薯塊根品質(zhì)有重要影響［7］，而氮素和土壤水分均能影響作物品質(zhì)［8］。淀粉是甘薯塊根主要成分，淀粉率與干物質(zhì)含量顯著正相關(guān)［9］。前人對氮素影響甘薯塊根淀粉存在不同的結(jié)論，陳曉光等［10］認為增施氮肥降低甘薯塊根淀粉積累速率和淀粉產(chǎn)量，而謝一芝等［11］認為施氮量對淀粉率影響較小，唐忠厚等［12］研究得出施氮不利于淀粉合成，但對其他物質(zhì)合成有利，適當施氮可改良甘薯品質(zhì)。土壤水分對作物品質(zhì)影響研究主要集中于小麥［13］、水稻［14］以及一些果蔬類作物，而對甘薯塊根品質(zhì)研究較少。目前，綜合土壤水分和氮素對甘薯品質(zhì)的影響研究鮮見報道。因此，本試驗擬探討不同水分處理條件下，施加氮素對甘薯塊根品質(zhì)的影響，以期為甘薯產(chǎn)量和品質(zhì)的水肥耦合效應提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

蘇薯14號，來自江蘇省農(nóng)業(yè)科學院糧食作物研究所，系優(yōu)質(zhì)食用及食品加工型甘薯新品種。供試土壤為姜堰高砂土，基本理化性狀為:田間持水量23.7%，pH 7.05，水解氮 44.14 mg/kg，有效磷6.71 mg/kg，速效鉀 52 mg/kg，有機質(zhì) 6.36 g/kg。

1.2 試驗設(shè)計

設(shè)3個土壤含水量(田間持水量40%、80%、120%)和2個施氮水平，即1 kg風干土中施150 mg氮素，以不施氮為對照，共6個處理3個重復，各處理磷鉀施用量均相同，分別為1 kg風干土中施80 mg P2O5、150 mg K2O。肥料品種為硫酸鉀(分析純，含K2O 51%)、尿素(含N 46%)、磷酸鈣(分析純，含P2O512%)。

盆栽試驗于2012年在江蘇省農(nóng)業(yè)科學院試驗大棚內(nèi)進行，大棚頂覆塑料薄膜，兩邊門框通風。盆缽大小28.5 cm×28.0 cm，每盆裝土12 kg，分別與肥料混勻后灌水至飽和，靜置3 d，并保持土壤含水量為田持75%左右。5月14日松土插入兩根PVC管(直徑1 cm，長30 cm，管底距盆底6 cm)，每盆移栽薯苗1株，緩苗20 d，期間土壤水分維持在田持80%±5%，6月7日開始按試驗設(shè)計進行水分處理，土壤水分控制采用稱重法，每隔2 d進行稱重并從PVC管中補充水分。9月23日取樣，將甘薯地下部分挖出洗凈，稱鮮重，然后取大中小典型薯塊切塊混勻，一部分留樣測維生素C含量，一部分烘干稱干重磨粉過60目篩，用于測定淀粉和可溶性糖含量。

1.3 測定指標和方法

塊根干物質(zhì)量和干率的測定:塊根洗凈稱鮮重，然后切塊混勻，105℃烘30 min，然后75℃烘干，稱干重，并以塊根干重與鮮重之比計為干率;塊根維生素 C 含量采用 2，6-二氯定酚法［15］測定;塊根葡萄糖、果糖及蔗糖含量采用蒽酮比色法［16］測定;塊根直鏈、支鏈淀粉含量采用雙波長法［16］測定。

測定所用直鏈、支鏈淀粉純品均為Sigma公司生產(chǎn)。26 μg/ml的直鏈淀粉和 100 μg/ml的支鏈淀粉標準溶液分別在紫外-可見光分光光度計上進行400～1 000 nm波段光譜掃描(圖1)，用作圖法測得直鏈淀粉測定波長為λ2(595 nm)，參比波長為λ1(475 nm)，支鏈淀粉測定波長為λ4(535 nm)，參比波長為λ3(695 nm)。

圖1 直鏈淀粉和支鏈淀粉光譜掃描圖Fig.1 Spectral scaning of amylose and amylopectin

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

數(shù)據(jù)分析在Excel 2010下進行，統(tǒng)計分析和多重比較在SPSS 16.0中進行，畫圖使用Origin 8.0 軟件。

2 結(jié)果

2.1 不同土壤含水量下施氮對甘薯干物質(zhì)積累和分配的影響

由表1可知，甘薯干物質(zhì)積累量隨土壤含水量增大而提高。在不施氮處理中，土壤含水量80%和120%的甘薯干物質(zhì)積累量極顯著高于含水量40%的處理(P＜0.01)。在土壤含水量40%中，施氮處理的甘薯干物質(zhì)總積累量顯著低于不施氮對照(P＜0.05)，而在土壤含水量80%和120%中，施氮處理均顯著高于不施氮對照(P＜0.05)。在所有處理中，土壤含水量120%+施氮處理的干物質(zhì)積累量最高。在不施氮處理下，甘薯蔓薯比隨土壤含水量增大而提高，比值變化幅度為0.18～0.23。施氮處理后，土壤含水量80%中蔓薯比值顯著高于含水量40%和120%的。甘薯塊根干物質(zhì)量占總積累量的70%～80%，它對土壤含水量和氮素的響應與總干物質(zhì)積累量基本一致，而藤蔓干物質(zhì)積累量隨土壤含水量提高極顯著增大，施氮處理顯著提高了3個土壤含水量下甘薯藤蔓的干物質(zhì)積累量，增幅分別為19.4%、93.6%、90.1%。

表1 不同土壤含水量下施氮對甘薯干物質(zhì)積累和分配的影響Table 1 Effects of nitrogen fertilization on dry matter accumulation of sweet potato in soils of three moistures

以上結(jié)果說明在盆栽條件下，適當提高土壤含水量可促進甘薯塊根和地上藤蔓干物質(zhì)積累;土壤含水量低時施用氮肥可促進地上藤蔓生長，但蔓薯比值增大，塊根干物質(zhì)分配量減少;土壤含水量中等時，施氮促進地上藤蔓生長作用加強，光合能力相應加強，而塊根干物質(zhì)分配率降低，故塊根干物質(zhì)量變化不大;土壤含水量較高時，施氮促進藤蔓生長，同時蔓薯比相對降低，干物質(zhì)在塊根中分配量得以提高，并獲得最大塊根產(chǎn)量。因此認為，雖然甘薯為耐旱作物，但也需要給予適宜的土壤水分條件以發(fā)揮其高產(chǎn)潛能;而氮肥對甘薯的影響依賴于土壤水分條件，只有在土壤水分供應充足時，養(yǎng)分才能較好地發(fā)揮其增產(chǎn)效應，在土壤水分不足時施氮不適宜反而對甘薯增產(chǎn)不利，因此在生產(chǎn)實踐中應注意養(yǎng)分和水分的互作效應。

2.2 不同土壤含水量下施氮對甘薯塊根干率的影響

試驗結(jié)果(圖2)表明，在不施氮處理下，土壤含水量為40%時甘薯塊根干率顯著高于土壤含水量80%和120%的處理。在土壤含水量為40%時，施氮處理的塊根干率顯著低于不施氮處理。而在土壤含水量80%和120%時，施氮處理與不施氮處理差異不顯著。由此可見，施用氮肥僅在土壤含水量較低時顯著降低甘薯塊根干率，在土壤水分含量中等和較高時作用不明顯，維持在18%左右。

圖2 不同土壤含水量下施氮對甘薯塊根干率的影響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對甘薯塊根維生素C含量的影響

甘薯富含各種維生素，其維生素C含量是蘋果、葡萄、梨的10～30倍。由圖3可知，不施氮處理下，塊根維生素C含量隨土壤水分升高而降低，且在土壤含水量為40%與120%間差異顯著(P＜0.05);施用氮肥后，維生素C含量由不施氮處理的194.6 mg/kg，F(xiàn)W(3個土壤含水量下均值)降至170.8 mg/kg，F(xiàn)W，但降幅程度不同，土壤含水量40%時顯著下降20.3%(P＜0.01)，土壤含水量80%時顯著下降13.1%(P＜0.05)，土壤含水量120%時下降未達顯著水平?？梢?，提高土壤含水量不利于維生素C含量的提高。增施氮肥后，土壤含水量較低(40%)和中等水平(80%)時，甘薯塊根收獲期維生素C含量較不施氮處理顯著降低。土壤水分較高(120%)時，增施氮肥后維生素C含量與不施氮處理差異不大。維生素C含量下降幅度隨著土壤含水量提高得以緩解。

圖3 不同土壤含水量下施氮對甘薯塊根維生素C含量的影響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對甘薯塊根可溶性糖含量的影響

試驗結(jié)果測得蘇薯14塊根中可溶性總糖含量變幅為9.94% ～25.28%(均值為17.43%)，其中果糖、蔗糖、葡萄糖占比分別為:1.33∶1.00∶0.49。

由圖4所示，甘薯塊根的可溶性總糖、蔗糖、果糖、葡萄糖含量均隨土壤含水量增大而升高，施氮后，各水分條件下甘薯可溶性糖總量及各組分(果糖、蔗糖、葡萄糖)含量均顯著低于不施氮處理，降幅 分 別 為 32.3% ～ 47.8%、17.7% ～ 46.5%、38.6% ～45.2%、36.0% ～56.2%。在不施肥處理中，可溶性總糖和蔗糖含量在土壤含水量120%與80%之間差異極顯著，土壤含水量80%與40%之間不顯著;果糖含量在土壤含水量120%與40%之間差異顯著，而在120%與80%之間、80%與40%之間差異不顯著;葡萄糖含量在3個土壤含水量下差異均不顯著。在施氮處理中，可溶性總糖和蔗糖含量在土壤含水量120%條件下極顯著高于土壤含水量80%和40%，土壤含水量80%與40%間無顯著差異;果糖含量在土壤含水量120%與40%間差異極顯著，土壤含水量80%與120%和40%間均無顯著差異;葡萄糖含量在土壤含水量40%時顯著低于80%和120%的。由此可見增加土壤含水量可提高可溶性糖各組分含量，而施氮不利于各土壤含水量下甘薯塊根可溶性糖的積累，其主要組分(蔗糖、果糖和葡萄糖)含量均極顯著降低，降幅在32% ～56%。

圖4 不同土壤含水量下施氮對甘薯塊根可溶性總糖(A)以及蔗糖(B)、果糖(C)、葡萄糖(D)含量的影響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對甘薯塊根支鏈淀粉、直鏈淀粉和總淀粉含量的影響

甘薯主要成分為淀粉，淀粉組分包括支鏈淀粉和直鏈淀粉，其含量和比率影響甘薯的加工品質(zhì)。由圖5可知，不施氮時，土壤含水量40%的處理甘薯塊根直鏈淀粉含量顯著高于土壤含水量80%和120%的。土壤含水量40%時，施氮處理的直鏈淀粉含量較不施氮極顯著降低;土壤含水量80%時，施氮處理與不施氮對照差異不顯著;土壤含水量 120%時，施氮處理較不施氮對照顯著提高。

圖5 不同土壤含水量下施氮對甘薯塊根總淀粉(A)、直鏈淀粉(B)、支鏈淀粉(C)含量以及直/支比率(D)的影響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

在不施氮處理下，土壤水分含量對支鏈淀粉含量影響不顯著。在土壤含水量40%、80%時，施氮與不施氮差異不顯著，在120%時施氮處理的支鏈淀粉含量較不施氮顯著提高。

因此，總淀粉含量在土壤含水量40%和80%條件下，施氮處理與不施氮處理間沒有顯著差異，而土壤含水量120%條件下，施氮處理的總淀粉量極顯著高于不施氮處理;對于直/支比率，施氮處理僅在土壤含水量40%條件下顯著低于不施氮處理，在土壤含水量80%和土壤含水量120%時，施氮與不施氮處理無顯著差異。這說明施氮有利于各土壤含水量下甘薯塊根總淀粉尤其是支鏈淀粉積累，而對直鏈淀粉合成僅在土壤含水量較高時有促進作用，并提高直/支比率。

3 討論

甘薯品質(zhì)主要受其組成成分的影響，其中對食味影響最大的是干物質(zhì)，淀粉次之，維生素C和可溶性糖分別居第3位和第4位［17］。本試驗結(jié)果表明，提高土壤含水量明顯促進甘薯地上藤蔓和塊根干物質(zhì)積累，施氮也能顯著提高甘薯地上藤蔓干物質(zhì)積累量，而氮素對塊根干物質(zhì)積累的影響則因土壤含水量不同而存在差異。這主要是由于土壤水分虧缺抑制作物葉片生長發(fā)育，不利于光合產(chǎn)物生產(chǎn)和積累［18］，提高土壤含水量則可促進甘薯藤蔓生長，有利于光合產(chǎn)物的積累以及向塊根的分配，即促進塊根干物質(zhì)積累。氮素是葉片生長發(fā)育的必需元素之一，能促進葉片的光合作用［19］和碳氮代謝，但高氮可能導致塊根中物質(zhì)分配比例降低［12］。史春余等［20］也認為施氮在促進光合作用的同時提高甘薯塊根中氮含量，降低醇溶性碳水化合物，延緩塊根膨大。本試驗中，當土壤含水量較低時，施氮顯著提高甘薯塊根中氮素含量，增幅高達188.1%，導致塊根干物質(zhì)積累和干率降低。隨著土壤含水量增大至較高水平時，施氮在促進光合作用的同時，由于較高土壤含水量引起的稀釋作用，塊根中氮素增幅降低至141.1%，使得塊根得以順利膨大并促進碳水化合物積累，而塊根干率維持在中等水平，既提高產(chǎn)量又不影響貯藏品質(zhì)［9］。

本試驗結(jié)果顯示，甘薯在增施氮肥處理且土壤含水量為120%時獲得最大塊根干物質(zhì)積累量，與大田試驗中土壤水分不宜過高(一般在田持75%為宜)有所不同，可能原因有:第一，大田中甘薯莖葉匍匐生長，位于莖上的側(cè)根發(fā)育良好，能吸收大量水分和養(yǎng)分而促使莖葉生長過盛，反而降低了干物質(zhì)在塊根中的分配，大田試驗條件下甘薯蔓薯比約為0.41［21］;而在盆栽中，土壤面積有限，甘薯藤蔓不能貼地生長，缺乏側(cè)根發(fā)育所需條件，故而有效緩解了藤蔓的過盛生長，促進干物質(zhì)向塊根中分配，本試驗中的蔓薯比僅為0.3左右。第二，本試驗開展時間為5～9月，棚內(nèi)較高的溫度直接影響甘薯蒸騰作用和耗水量，因而即使在土壤含水量120%時也未造成藤蔓的過度旺長及對薯塊的生長形成抑制作用。

維生素C是人體必需而又不能自主合成的營養(yǎng)物質(zhì)之一，能阻斷亞硝胺在體內(nèi)的形成以及消除體內(nèi)過剩自由基，具有一定的抗癌抗氧化功能，也是農(nóng)產(chǎn)品的重要品質(zhì)指標之一。前人測得馬鈴薯中維生素C含量僅為70 mg/kg，芋頭為160 mg/kg，而甘薯鮮薯維生素 C 含量為 150 ～ 300 mg/kg［1，22］。本試驗測得鮮薯維生素 C含量為164.1～205.9 mg/kg，隨著土壤含水量增大而降低，與前人對葡萄［23］、番茄［24］等維生素 C 含量在水分虧缺時增大的研究結(jié)果一致。施氮肥后，3個土壤水分處理的塊根維生素C含量均值由194.6 mg/kg鮮薯降至170.8 mg/kg鮮薯，與 Xu 等［25］對花椰菜研究結(jié)果基本一致。導致維生素C含量降低的一部分原因可能是土壤含水量提高促進了甘薯塊根膨大而引起稀釋作用;也可能是由于施氮促進地上藤蔓生長引起遮陽降低直接光輻射。

史春余等［26］認為，可溶性糖含量高、淀粉含量低的甘薯塊根蒸煮食味較好，王慶美等［27］認為直鏈淀粉含量增加，支鏈淀粉降低，直/支比率升高，則甘薯加工品質(zhì)較好而鮮食品質(zhì)下降。本試驗結(jié)果表明，提高土壤含水量可促進塊根中可溶性糖各組分含量提高，而總淀粉、直鏈淀粉、支鏈淀粉含量以及直/支比率均降低，有利于提高甘薯塊根鮮食品質(zhì);增施氮肥后，各土壤含水量下甘薯塊根可溶性糖含量及其各組分(蔗糖、果糖、葡萄糖)含量均極顯著降低，而總淀粉、支鏈淀粉、直鏈淀粉含量以及直/支比率在土壤含水量較高時均顯著提高，導致塊根鮮食品質(zhì)降低，而提高了甘薯的加工品質(zhì)。

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