施鋅肥對旱作馬鈴薯植株鋅含量及塊莖品質(zhì)的影響

馬振勇，杜虎林，劉榮國，牛金帥，劉 超

(1.中國科學院 西北生態(tài)環(huán)境資源研究院，甘肅 蘭州 730000；2.中國科學院大學，北京 100049； 3.寧夏中衛(wèi)沙坡頭國家級自然保護區(qū)管理局，寧夏 中衛(wèi) 755000)

馬鈴薯(SolanumtuberosumL.) 是除了小麥、稻谷、玉米之外，最主要的糧食作物，馬鈴薯營養(yǎng)豐富，產(chǎn)量高，其塊莖中含有豐富的維生素、淀粉、蛋白質(zhì)、糖類等營養(yǎng)成分。甘肅地處西北黃土高原半干旱氣候區(qū)，土壤、氣候條件非常適合馬鈴薯的生長，也是馬鈴薯主要產(chǎn)區(qū)之一[1]，馬鈴薯塊莖品質(zhì)的形成和生長發(fā)育過程要求全營養(yǎng)元素的供給[2]。1926年Sommer和Lipman[3]首次證實鋅是高等植物生長發(fā)育所必需的微量營養(yǎng)元素之一。Tsui[4]首次成功地證明了鋅在生長素合成中的作用。聯(lián)合國糧農(nóng)組織的報告指出，世界范圍內(nèi)土壤缺鋅非常嚴重，在歐洲國家中，將近三分之二的土壤鋅含量都很低，特別是有效性鋅的含量極低[5]，雖然我國土壤平均鋅含量要比世界水平高出一倍，但是由于土壤鋅含量分布不均勻，我國植物缺鋅較嚴重，特別是生長在北方石灰性土壤和南方酸性土壤上的植物，這種現(xiàn)象更加嚴重[6]。

鋅元素是人體所必需的微量元素，人體中鋅素缺乏會引起肝硬化、侏儒癥、白內(nèi)障等疾病[7]，目前我國土壤缺鋅現(xiàn)狀日趨嚴重，約占耕地面積的40%[8]，石灰質(zhì)土壤普遍存在微量元素缺乏癥[9]，在某些地區(qū)已成為作物產(chǎn)量和品質(zhì)提高的重要限制因子之一。對植物體而言，鋅對其體內(nèi)多種酶起到穩(wěn)定、催化和調(diào)節(jié)的作用[10]，鋅素不僅作為高等植物體內(nèi)酶的金屬組分，還可以作為酶在調(diào)節(jié)機制及結(jié)構(gòu)功能方面的輔助因子，參與到作物體內(nèi)激素代謝、呼吸作用、光合作用等生理過程，以及蛋白質(zhì)、核酸等物質(zhì)的合成[11]。在生產(chǎn)中，合理的施用鋅肥，可顯著提高農(nóng)產(chǎn)品中的鋅含量，對食物鏈中鋅素營養(yǎng)平衡的調(diào)節(jié)，防治地方疾病的發(fā)生，以及促進人體健康具有重要作用[12]。

甘萬祥等[13]的研究表明，施用適量的鋅肥可以增加夏玉米不同生育時期葉片中可溶性糖含量、籽粒淀粉含量和籽粒產(chǎn)量。買文選等[14]在高碳酸鈣條件下供鋅對不同基因型小麥生長和養(yǎng)分吸收的影響試驗表明，施用鋅肥后，顯著增加了小麥根的P、Fe、Zn等含量，其中與對照相比施鋅肥的小麥根中P吸收量增加25.6%。郝明德等[15]在陜西省長武縣連續(xù)17年的微量元素肥料定位試驗表明，施用鋅肥后小麥平均增產(chǎn)110.44 kg/( hm2·年)，鋅素吸收明顯增加，常態(tài)年施鋅肥可使小麥增產(chǎn)4.3%。施用硫酸鋅和糖醇鋅2種形態(tài)肥料馬鈴薯葉片比對照處理鋅濃度提高了47.88，72.24 mg/kg，到塊莖增長期末，馬鈴薯塊莖中鋅積累量比對照處理分別增加了37.5%和49.4%[16]。孫小龍等[16-17]在甘肅定西的大田試驗表明，施用鋅肥能一定程度上增加了馬鈴薯維生素C、蛋白質(zhì)含量、淀粉含量和可溶性糖含量，降低了還原糖的含量，對于馬鈴薯品質(zhì)的提升具有顯著的作用，施用鋅肥后馬鈴薯塊莖中可溶性蛋白增加16.1%～44.9%、游離氨基酸增加49.5%～73.9%，馬振勇等[18]研究表明，施用鋅肥后對馬鈴薯的干物質(zhì)量、根系活力、葉綠素含量等具有顯著影響。本研究以新大坪馬鈴薯作為試驗品種，作為馬鈴薯施鋅肥大田試驗的補充，通過盆栽試驗，探究施鋅肥對馬鈴薯植株鋅素吸收與分配，及塊莖主要營養(yǎng)品質(zhì)的影響，為培育高鋅含量、高品質(zhì)馬鈴薯，提供一定的養(yǎng)分管理理論指導。

1 材料和方法

1.1 試驗區(qū)概況

盆栽試驗，于2012年5-9月在甘肅農(nóng)業(yè)大學網(wǎng)棚中進行(網(wǎng)棚只有防雨、防人為干擾功能)，該地平均海拔1 500 m，屬溫帶季風性氣候，氣候干燥，降水少，日照多，光能潛力大，氣候干燥，年平均氣溫10.3 ℃。年平均日照時數(shù)2 446 h，無霜期180 d，年平均降水量327 mm，降雨主要集中在6-9月。

1.2 供試材料及試驗設計

試驗馬鈴薯品種為新大坪，由甘肅省定西市旱作農(nóng)業(yè)科研推廣中心提供，以蛭石作為播種基質(zhì)，共設2個處理，即不施鋅肥處理(CK)和施鋅肥處理(Zn)，每處理重復35次，一盆為一次重復。試驗采用霍格蘭不完全營養(yǎng)液+蛭石培養(yǎng)，每盆裝基質(zhì)3.6 kg，盆上沿留2 cm距離，每盆播種2個種薯，播種深度10 cm，按處理澆灌營養(yǎng)液。施鋅肥方式為，生育期澆灌及塊莖形成期、塊莖膨大期噴施2次。播種后澆透水分(同時每盆澆營養(yǎng)液1 000 mL)，出苗前稱重法補充水分，出苗后每7 d澆灌1次霍格蘭不完全營養(yǎng)液，每盆澆1 000 mL，收獲前10 d停止?jié)补酄I養(yǎng)液，其余時間視具體蒸發(fā)情況補充水分。施鋅處理營養(yǎng)液中加入ZnSO4·7H2O，使其濃度為0.45 mg/kg，并在塊莖形成期、塊莖膨大期噴施2次ZnSO4·7H2O(0.02% Zn)用量為30 mL/盆，CK噴施等量清水。在全生育期進行相關指標測定。

1.3 測定項目和方法

5月6日播種，5月28日出苗，試驗分別在出苗后18 d(苗期)、出苗后32 d(塊莖形成期)、出苗后44，54 d(塊莖膨大期)、出苗后66，96，118 d(淀粉積累期和成熟期)共7次采樣，每次2種處理各采集4株馬鈴薯，除去黏附泥土后用蒸餾水清洗干凈，按莖、葉、塊莖、地下部分分開，先在 105 ℃下殺青30 min，之后在 80 ℃下烘至恒重，冷卻后稱重，用以測定馬鈴薯不同生育時期植株鋅含量、全株積累量以及塊莖維生素C含量(VC)，游離氨基酸、淀粉、還原糖等主要營養(yǎng)品質(zhì)指標的含量。其中植株鋅含量：測定采用 HON3-H2O2微波消解方法[19]；維生素C：2，6二氯靛酚滴定法；還原糖：乙醇提取-3，5二硝基水楊酸比色法；淀粉：HCL水解-3，5二硝基水楊酸比色法；CK處理9月2日葉片枯萎死亡，直接收獲，Zn處理9月24日收獲，收獲后測定塊莖產(chǎn)量及相應品質(zhì)指標。

1.4 數(shù)據(jù)處理方法

用Excel 2007對試驗數(shù)據(jù)進行處理作圖。用SPSS 19.0統(tǒng)計軟件對2種處理的數(shù)據(jù)進行獨立樣本T檢驗，在P<0.01和P<0.05顯著水平上對數(shù)據(jù)均值進行差異顯著性統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 施鋅肥對馬鈴薯各器官中鋅含量、鋅積累與分配的影響

2.1.1 施鋅肥對馬鈴薯不同生育時期各器官鋅含量的影響 通過對2種處理的鋅含量數(shù)據(jù)進行獨立樣本T檢驗，可以看出，出苗后44 d 時，2種處理馬鈴薯根、葉中的鋅濃度就出現(xiàn)顯著差異(表1)，說明將ZnSO4·7H2O加入營養(yǎng)液中后，馬鈴薯吸收了肥料中的鋅。在塊莖形成期、塊莖膨大期噴施2次鋅肥更是極顯著提高對馬鈴薯葉片的鋅濃度，在出苗后32，54 d，2次每盆噴施30 mL的ZnSO4·7H2O(0.02% Zn)后，(出苗后66，96 d)測定葉片鋅濃度， Zn處理比CK處理分別高出27.94，43.89 mg/kg，2種處理差異達到顯著水平。在塊莖形成期(出苗后32 d)和成熟期(出苗后118 d)2種處理塊莖中的鋅濃度差異達到顯著水平，特別是收獲后馬鈴薯塊莖中的鋅濃度Zn處理比CK處理高出28.70%。說明施用鋅肥能夠增加馬鈴薯不同器官的鋅濃度。

表1 鋅處理對馬鈴薯不同生育時期各器官中鋅濃度的影響Tab.1 Effects of zinc treatment on zinc concentration in different organs of potato during different growing stages mg/kg

注：同一列小寫字母表示不同處理間差異達5%顯著水平；大寫字母表示不同處理間差異達1%顯著水平。

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 施鋅肥對馬鈴薯各生育期不同器官鋅素積累量的影響 在各生育期采樣后，測定全株馬鈴薯不同器官鋅素積累量，結(jié)果表明(圖1)，施用鋅肥能增加不同器官的鋅素積累量。從圖1可以看出，全生育期澆灌含ZnSO4·7H2O的營養(yǎng)液的馬鈴薯，各器官鋅素積累量均比CK處理高，且兩處理塊莖中鋅素積累量差異隨生育期推進逐漸增大。在出苗后32，54 d 2次葉面噴施鋅肥明顯增加了葉片中的鋅素積累量，在出苗后66 d時達到了最大值，此時Zn處理葉片鋅素積累量為1.469 mg/株，CK處理只有0.328 mg/株，Zn處理比CK處增加3倍多。葉片是植物光合作用的載體，施鋅肥增加了馬鈴薯葉片的鋅含量，鋅素決定植物葉綠素含量、光合速率以及還原酶的活性，鋅素也可促進植物體內(nèi)蛋白質(zhì)的合成[20]，從而間接地促進了其他器官的生長發(fā)育，提高了馬鈴薯產(chǎn)量和塊莖的營養(yǎng)品質(zhì)。

對馬鈴薯塊莖和全株鋅素積累量隨生育期推進的變化進行多項式擬合，可得到如下擬合方程，經(jīng)F檢驗均達顯著水平，如表2所示。通過回歸方程，可計算鋅素最大積累量和最大積累速率，馬鈴薯全株鋅素積累量Zn處理在出苗后69 d達到最大值為4.889 mg/株，CK處理在出苗后72 d時達到最大值為2.988 mg/株，最大積累速率分別出現(xiàn)在出苗后58，55 d，分別為0.095，0.064 mg/(d·株)。馬鈴薯塊莖鋅素積累量，隨生育期的推進呈逐漸增加趨勢，在最后采樣時，即出苗后118 d達到最大值，Zn處理為2.733 mg/株，CK處理為1.803 mg/株，最大積累速率Zn處理出現(xiàn)在出苗后111 d為0.059 mg/(d· 株)，CK處理出現(xiàn)在出苗后113 d為0.038 mg/(d·株)?？梢?，施鋅肥可以提高馬鈴薯全株和可食部分-塊莖的鋅素最大積累量和最大積累速率，其中全株和塊莖鋅素積累量和最大積累速率Zn處理比CK處理分別高63.62%，48.43%和51.58%，55.26%。

圖1 馬鈴薯各器官中鋅素積累量隨出苗后天數(shù)的變化Fig.1 Changes of zinc accumulations in various organs of potato with the number of days after emergence

表2 馬鈴薯塊莖和全株鋅素積累隨出苗后天數(shù)變化的擬合方程Tab.2 The fitting equation of zinc accumulation in potato tuber and whole plant with the change of days after seedling

2.1.3 施鋅肥對馬鈴薯不同生育時期各器官鋅素分配的影響 從鋅素分配比例可以看出(圖2)，隨生育期推進馬鈴薯葉片中鋅素積累比例逐漸降低，莖和根中從塊莖膨大中期到成熟期分配比例逐漸降低，而塊莖中鋅素積累比例逐漸增加，到成熟期Zn處理和CK處理分別為58.25%和70.58%。在整個生育期Zn處理莖和根的鋅素積累比例均高于CK處理，所以到生育期后期降低了Zn處理塊莖中鋅素積累的比例，施鋅肥增加了鋅素在莖和根中的分配比例，降低了在塊莖中的分配比例。

2.2 施鋅對馬鈴薯各生育期塊莖主要品質(zhì)指標的影響

2.2.1 施鋅肥對馬鈴薯塊莖生長過程中維生素C含量的影響 在馬鈴薯塊莖生長過程及時測定了塊莖中維生素C(VC)、淀粉、還原糖及游離氨基酸含量(圖3)。結(jié)果表明，在馬鈴薯塊莖生長過程中，隨出苗后天數(shù)的變化，馬鈴薯塊莖VC含量出現(xiàn)先升后降的變化規(guī)律，最大值在出苗后66 d出現(xiàn)，此時Zn處理比CK處理高6.7%。成熟期末期最后一次測定，Zn處理比CK處理高16.19%。出苗后32～44 d，VC含量增加緩慢；出苗后 44～60 d VC含量增加很快，CK處理平均增加速率達4.65 mg/(d·株)，Zn處理達8.36 mg/(d·株)，出苗后 66～96 d(淀粉積累期-成熟期)VC 下降速率很快，CK處理達2.43 mg/(d·株)，Zn處理達3.07 mg/(d·株)，但兩處理間差異不顯著。鋅肥處理對馬鈴薯塊莖中VC含量有很大影響，除在塊莖形成期塊莖中的VC含量，Zn處理CK處理。試驗結(jié)果表明，施鋅肥能提高馬鈴薯塊莖中維生素C含量，特別是在出苗后44～60 d(塊莖膨大期)，施鋅肥可以增加塊莖中VC含量，這有利于提升馬鈴薯塊莖的營養(yǎng)品質(zhì)。

圖2 馬鈴薯同一器官中鋅素分配隨出苗后天數(shù)的變化 Fig.2 Changes of Zinc distributions in the same organs of potato with the number of days after emergence

2.2.2 施鋅對馬鈴薯塊莖形成過程游離氨基酸含量變化的影響 隨著馬鈴薯塊莖的生長，塊莖中游離氨基酸含量出現(xiàn)波動變化規(guī)律。最大值在出苗后66 d左右(淀粉積累期)，其含量達 0.10%。出苗后 44～66 d，塊莖中游離氨基酸含量快速增加，平均增加速率為0.02%/d，在塊莖膨大期，塊莖中鋅含量增加很快，此階段Zn處理游離氨基酸平均增加率比CK處理快0.002%/d；馬鈴薯生育期后期(淀粉積累期和成熟初期)，塊莖中游離氨基酸含量略有下降，但下降速率，CK處理比Zn處理快8.17%/d，成熟期末期最后一次測定結(jié)果表明，馬鈴薯塊莖中游離氨基酸含量為22.11%。試驗結(jié)果說明，施鋅肥對馬鈴薯塊莖游離氨基酸含量的影響在生育期后期最為明顯，主要是在這一階段，Zn處理減緩了馬鈴薯塊莖中游離氨基酸含量的下降速率。

2.2.3 施鋅肥對馬鈴薯不同生育時期塊莖淀粉含量的影響 淀粉是植物通過光合作用合成的一種多糖高分子化合物，廣泛存在于植物的果實、根、莖中，禾谷類植物和豆類植物種子、薯類的塊莖中淀粉的貯藏量較大，可以提取和利用。玉米、面粉、木薯是我國主要的淀粉原料[19]，近年來，中國馬鈴薯產(chǎn)業(yè)在甘肅、寧夏、內(nèi)蒙古等省區(qū)已經(jīng)形成產(chǎn)業(yè)化的生產(chǎn)基地，使中國馬鈴薯淀粉產(chǎn)量位居世界前列[21]。圖3顯示，在馬鈴薯塊莖生長過程中，塊莖中的淀粉含量呈拋物線變化規(guī)律，在整個生長時期塊莖淀粉含量Zn處理>CK處理，在淀粉積累期達到最大值，CK處理為81.62 mg/kg，Zn處理高達93.57 mg/kg，Zn處理比CK處理高14.64%。之后在淀粉積累末期開始下降，下降幅度Zn處理

圖3 馬鈴薯塊莖形成期塊莖主要品質(zhì)指標含量的變化Fig.3 Changes of main quality index of potato tuber during tuber initiation stage

2.2.4 施鋅肥對馬鈴薯不同生育時期塊莖還原糖含量的影響 還原糖含量是影響馬鈴薯淀粉加工產(chǎn)品品質(zhì)的重點要素之一，當馬鈴薯塊莖中還原糖質(zhì)量分數(shù)超過0.25%時，在加工炸薯條、薯片時，還原糖在高溫下與α-氨基酸發(fā)生Maillard反應，導致馬鈴薯加工產(chǎn)品色澤變褐、變黑，味變苦，影響了馬鈴薯加工產(chǎn)品的品質(zhì)[22]。所以，塊莖中還原糖含量是影響馬鈴薯品質(zhì)的重要指標，降低馬鈴薯塊莖中的還原糖含量可顯著提升加工品質(zhì)。從圖3可以看出，在馬鈴薯塊莖形成過程中，隨出苗后天數(shù)的增加，馬鈴薯塊莖還原糖含量呈下降的趨勢，從塊莖形成期到塊莖膨大初期，還原糖含量下降的幅度Zn處理高于CK處理，從淀粉積累期開始2種處理下降速率逐漸降低，至淀粉積累期Zn處理更加降低了馬鈴薯塊莖中還原糖含量，此時塊莖中的還原糖含量CK處理為0.27%，而Zn處理為0.21%，已經(jīng)降到0.25%以下。在成熟期(出苗后96 d)最后一次測定顯示，Zn處理塊莖中還原糖含量為0.17%，而CK處理為0.22%，Zn處理比CK處理低22.72%，說明施鋅肥降低了馬鈴薯塊莖中還原糖的含量，對提高馬鈴薯塊莖品質(zhì)十分有利。

3 討論與結(jié)論

本試驗通過生育期澆灌添加了濃度為0.45 mg/kg的ZnSO4·7H2O溶液，并在生育期噴施已配制成含鋅濃度為0.02%的ZnSO4·7H2O溶液，達到施鋅肥的目的，在施肥方式上區(qū)別于鋅肥拌種和施用有機肥，并采用可控制的盆栽方法是本試驗最主要的特點，在現(xiàn)有基礎上為馬鈴薯品質(zhì)指標的提升提供一定的理論支持，具有一定的意義。鋅是必需的微量元素之一，人體中鋅含量來源植物鋅約占76%，動物鋅占18.5%，其他鋅占4.5%，可見人體所需的鋅主要來源于植物鋅，鋅與人體的免疫機能、能量代謝等息息相關[23]?？梢娮魑镏袖\含量的提高，鋅素積累對提高作物的品質(zhì)及人體健康具有重要作用。本試驗采用的施鋅肥方法明顯提高了馬鈴薯全株和塊莖中鋅素的積累量和最大積累速率，特別是在馬鈴薯生育期后期，全株鋅素積累量和最大積累速率Zn處理比CK處理分別高63.62%，48.43%，塊莖鋅素積累量和最大積累速率Zn處理比CK處理分別高51.58%，55.26%。這與孫小龍等[16]在大田通過鋅肥拌種+生育期噴施馬鈴薯的研究結(jié)果一致，也與習敏[24]的研究結(jié)果一致。本試驗在塊莖形成期和塊莖膨大期2次噴施鋅為顯著的提高Zn處理馬鈴薯葉片中鋅素積累量，在出苗后66 d時達到了最大值，此時Zn處理葉片鋅素積累量為1.469 mg/株，CK處理只有0.328 mg/株，Zn處理比CK處理增加3倍多。這為馬鈴薯生育期后期鋅素向其他器官的轉(zhuǎn)運，特別是向塊莖中的轉(zhuǎn)運提供了良好的基礎，使生育期后期馬鈴薯塊莖鋅素積累量Zn處理明顯高于CK處理。

施肥對作物的兩大作用為增產(chǎn)和提高品質(zhì)，施用適量鋅肥可提高玉米、馬鈴薯產(chǎn)量[7]，提高小麥籽粒的鋅含量已經(jīng)得到足夠的證實[25]。而在缺鋅的土壤上適量施用硫酸鋅或浸種處理可使馬鈴薯塊莖淀粉、VC和可溶性蛋白含量不同程度提高[26]。本試驗對旱作馬鈴薯施用鋅肥的條件下，在整個塊莖生長期進行5次采樣，測定馬鈴薯塊莖中VC、游離氨基酸、淀粉和還原糖等主要營養(yǎng)品質(zhì)指標，分析施鋅肥對旱作馬鈴薯塊莖生長期主要營養(yǎng)品質(zhì)指標變化規(guī)律的影響。結(jié)果表明，隨塊莖生長期的推進馬鈴薯塊莖的VC、游離氨基酸及淀粉含量均呈先升高后降低的拋物線型，基本在塊莖膨大后期或淀粉積累期達到最大值；而還原糖含量則出現(xiàn)持續(xù)下降的趨勢。成熟期末期測定結(jié)果表明，Zn處理塊莖中VC、游離氨基酸、淀粉含量分別比CK處理高16.19%，22.11%，16.28%，而Zn處理塊莖中還原糖含量比CK處理低22.72%，這對成熟期末期收獲后的馬鈴薯提升塊莖品質(zhì)指標十分有利。

施用鋅肥能夠增加馬鈴薯不同器官的鋅濃度，出苗后44 d 時，2種處理馬鈴薯葉、莖、根的鋅濃度即表現(xiàn)出顯著差異，在生育期進行2次噴施鋅肥，之后的2次測定結(jié)果表明，葉片中鋅濃度Zn處理比CK處理分別高出27.94，43.89 mg/kg。收獲后塊莖中的鋅濃度Zn處理比CK處理高出28.70%。

在全生育期各器官鋅素積累量Zn處理均高于CK處理，且隨生育期推進，馬鈴薯塊莖中鋅積累量，兩處理間的差異逐漸增大；在整個生育期Zn處理莖和根的鋅素積累比例均高于CK處理，生育期后期降低了Zn處理塊莖中鋅素積累的比例，所以施鋅肥增加了鋅素在莖和根中的分配比例，降低了在塊莖中的分配比例。通過對成熟期馬鈴薯塊莖的測定，表明施用鋅肥能夠增加馬鈴薯塊莖中VC、游離氨基酸及淀粉含量，降低馬鈴薯塊莖中還原糖的含量。