糖醇螯合鈣肥對馬鈴薯產(chǎn)量、品質(zhì)及養(yǎng)分吸收的影響①

李玉鵬，楊 光，李 飛，白利勇，黃明麗，劉可忠，顏冬云

(青島大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山東青島 266071)

鈣(Ca)是細(xì)胞壁、細(xì)胞膜和多種酶的組分，還具有促進(jìn)光合產(chǎn)物運轉(zhuǎn)、延緩植株衰老等作用，是植株生長必需的營養(yǎng)元素[1-2]。鈣素營養(yǎng)的失衡會導(dǎo)致植物生理活動的紊亂和病害的發(fā)生，降低農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)。土壤一般不缺鈣，作物卻常常發(fā)生缺鈣現(xiàn)象，這是由于鈣在植株內(nèi)難以移動，長距離的運輸只能依賴蒸騰水流，加上鈣元素?zé)o法由成熟器官再分配給新嫩組織，一旦外界條件(如干旱)引起蒸騰流變?nèi)?，鈣就會出現(xiàn)供應(yīng)不足的現(xiàn)象[3-5]。施用鈣肥可以改善作物缺鈣癥，但普通鈣鹽(如硝酸鈣)在植株體內(nèi)遷移性弱，利用率低。螯合態(tài)鈣可改變這種困境，目前EDTA、DTPA 等螯合劑應(yīng)用較廣[6-7]，但存在環(huán)境風(fēng)險[8-10]。氨基酸螯合肥技術(shù)成熟[11]，但多來源于畜禽毛發(fā)、蹄甲等的水解，導(dǎo)致肥料品質(zhì)不高。糖醇是植物光合作用的初產(chǎn)物，作為高品質(zhì)螯合劑具有明顯的優(yōu)勢，山梨醇作為一種來自植物韌皮部的小分子糖醇，分子量低，容易被葉片吸收，同時其具有良好的滲透、濕潤、降低表面張力及與中微量元素螯合的能力[12-13]，研究證實山梨醇具有攜帶營養(yǎng)元素在植株內(nèi)移動的能力[14-16]，但目前還未發(fā)現(xiàn)其他科研人員以單一山梨醇為配體進(jìn)行的螯合鈣肥的研究工作。基于糖醇為螯合劑的生產(chǎn)及檢測行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)與國家標(biāo)準(zhǔn)目前仍未推出，因此國內(nèi)該類肥料市場混亂，國外品牌(美國布蘭特公司生產(chǎn)的糖醇螯合鈣)也僅標(biāo)注了鈣濃度，并沒有標(biāo)注螯合態(tài)鈣所占比例，因此糖醇螯合鈣對作物的作用機理也是模糊的。

馬鈴薯是世界范圍內(nèi)除水稻、小麥、玉米以外第四大糧食作物，在我國廣為種植，且對鈣需求量大，在生產(chǎn)中易表現(xiàn)為塊莖缺鈣[17-18]。本文以山梨醇為螯合劑[19-21]，采用恒溫水浴加熱的方法合成了山梨醇螯合鈣(簡稱自制鈣肥)，與布蘭特公司生產(chǎn)的糖醇螯合鈣(簡稱市售鈣肥)分別進(jìn)行了馬鈴薯大田肥效試驗，并運用本課題組發(fā)明的檢測方法[22]確定了兩種肥料的螯合率，通過馬鈴薯不同生育時期地上部分與地下部分鈣素含量變化及產(chǎn)量等指標(biāo)參數(shù)探究山梨醇螯合鈣的施用效果和對馬鈴薯產(chǎn)量、品質(zhì)及鈣素吸收、遷移的影響，為提高鈣肥利用率，促進(jìn)土壤生態(tài)環(huán)境的改善提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2017年1—5月在山東省滕州市馬鈴薯試驗基地進(jìn)行(35°3′1′′N、117°3′44′′E)。供試土壤質(zhì)地均勻，貯水性能良好，其理化性質(zhì)見表1。

表1 供試土壤的基本理化性質(zhì)Table 1 Basic physiochemical properties of tested soil

1.2 試驗材料

供試馬鈴薯品種及來源：馬鈴薯‘費烏瑞它’(荷蘭十五)一級脫毒種薯。生產(chǎn)商：內(nèi)蒙古格瑞得馬鈴薯種業(yè)有限公司。

供試鈣肥：市售糖醇鈣肥為豐利惠果蔬鈣肥，美國布蘭特股份有限公司生產(chǎn)(Ca2+≥140 g/L，本試驗室檢測到銅、鋅、鐵等金屬離子，螯合率為16.2%)，自制糖醇螯合鈣(山梨醇和硝酸鈣經(jīng)特殊工藝螯合，Ca2+≥160 g/L，螯合率為65.2%)。

1.3 試驗設(shè)計

自制鈣肥采用恒溫水浴加熱的方法，在試驗前制備，裝瓶待用。

田間試驗于2017 年1 月20 日進(jìn)行播種，5 月1日收獲，株距25 cm，密度約為82 620 株/hm2。設(shè)置3 個處理，每個處理設(shè)置3 個重復(fù)。每個小區(qū)的面積為80 m2(16 m × 5 m)，共9 個小區(qū)，每個處理間留有2 m 寬的保護行。T1：不施鈣肥；T2：市售鈣肥；T3：自制鈣肥?；?(N︰P2O5︰K2O=15︰15︰15)在種植前一次性施入，鈣肥分別在出苗后35、54、69 d 進(jìn)行葉面噴施。鈣的噴施濃度為4 500 g/hm2。

1.4 樣品采集與測定指標(biāo)及方法

田間試驗共取樣4 次，分別在馬鈴薯出苗后34 d(苗期)、53 d(塊莖形成末期)、68 d(塊莖增長末期)和80 d(采收期)，從每個小區(qū)選擇代表性的植株3 ～ 5株進(jìn)行相應(yīng)指標(biāo)的測定。

馬鈴薯整株從土壤中取出后，洗凈黏附的泥土，用紙擦干，然后按照各器官分開剪切處理后置于牛皮信封中，放入烘箱，105 ℃殺青30 min，然后于70 ℃條件下烘干至恒重，干樣磨碎過60 目篩，置于密封袋中備用。

產(chǎn)量的測定：收獲時測產(chǎn)，并進(jìn)行品質(zhì)參數(shù)的測定。

測定指標(biāo)及方法：植株鈣含量用濃HNO3-HClO4消解，采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀測定；塊莖可溶性蛋白質(zhì)采用考馬斯亮藍(lán)G-250 法測定，可溶性糖采用蒽酮比色法測定，硝態(tài)氮采用5% 水楊酸-硫酸法測定[23]。

鈣素累積量(mg)=鈣含量(mg/g)×干物質(zhì)重(g)

土壤樣品的測定：pH、有機質(zhì)測定采用常規(guī)測定方法[24]；土壤可交換鈣采用乙酸銨溶液提取，電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀測定[25]。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用DPS7.05 軟件Duncan 新復(fù)極差法(P≤0.05)對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，采用Origin7.5 對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行作圖處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對馬鈴薯塊莖產(chǎn)量和經(jīng)濟性狀的影響

試驗結(jié)果表明(表2)，鈣肥處理的馬鈴薯塊莖產(chǎn)量均高于不施鈣肥處理。與不施鈣肥相比，自制鈣肥和市售鈣肥處理分別增產(chǎn)10.9% 和12.1%，單株結(jié)薯數(shù)分別增加12.5% 和15.1%，單薯鮮重分別增加4.7%和4.2%。施用鈣肥提高了馬鈴薯的大薯率，與不施鈣肥相比，自制鈣肥和市售鈣肥處理分別提高5.4% 和3.7%；商品薯率分別達(dá)到74.0% 和72.8%。以上結(jié)果表明，在馬鈴薯生育期噴施糖醇鈣肥能有效增加馬鈴薯產(chǎn)量，提高商品薯率。兩種鈣肥相比，自制鈣肥對馬鈴薯塊莖單薯重量、大薯率和商品薯率的效果優(yōu)于市售鈣肥。

表2 不同處理對馬鈴薯產(chǎn)量和經(jīng)濟性狀的影響Table 2 Yields and agronomic traits of potatoes under different treatments

2.2 不同處理對馬鈴薯塊莖品質(zhì)及氮磷鉀養(yǎng)分積累量的影響

施用鈣肥能有效改善馬鈴薯塊莖品質(zhì)。與不施鈣肥相比，自制鈣肥與市售鈣肥處理均能顯著降低硝態(tài)氮含量，分別降低28.8% 和31.6%；可溶性糖含量變化不顯著；自制鈣肥處理可溶性蛋白質(zhì)含量增加了7.2%，市售鈣肥處理降低3.2%，推測原因可能是市售鈣肥中銅、鋅等元素的交互作用所致，該分析還有待進(jìn)一步驗證。

施用鈣肥可促進(jìn)馬鈴薯塊莖對氮、磷、鉀的養(yǎng)分吸收。與不施鈣肥相比，自制鈣肥處理馬鈴薯塊莖全氮積累量增加20.9%，市售鈣肥處理馬鈴薯塊莖全氮積累量降低3.2%，自制鈣肥處理效果優(yōu)于市售鈣肥；與不施鈣肥相比，自制鈣肥和市售鈣肥處理馬鈴薯塊莖磷素積累量分別提高39.4%、38.1%，鉀素積累量分別提高31.6%、28.6%。

表3 不同處理對馬鈴薯塊莖品質(zhì)及氮磷鉀積累量的影響Table 3 Tuber qualities and N, P, K accumulation of potatoes under different treatments

2.3 不同處理對馬鈴薯干物質(zhì)積累的影響

增施鈣肥均能不同程度地提升馬鈴薯各器官的干物質(zhì)積累量。收獲后，與不施鈣肥相比，自制鈣肥與市售鈣肥干物質(zhì)的積累量分別增加 29.6% 和25.4%，其中自制鈣肥處理馬鈴薯根、莖、葉、塊莖干物質(zhì)積累量分別提高18.2%、83.0%、50.7% 和22.9%，兩種鈣肥處理相比，自制鈣肥對馬鈴薯各器官干物質(zhì)的積累效果更優(yōu)。

表4 馬鈴薯各器官干物質(zhì)的積累量(g)Table 4 Dry matter accumulation of potatoes under different treatments

2.4 不同處理對馬鈴薯各器官鈣含量的影響

通過分析不同器官在整個采樣期鈣素含量的變化，發(fā)現(xiàn)馬鈴薯各器官中含鈣量隨著生育期的推進(jìn)呈現(xiàn)動態(tài)變化，且不同處理對鈣素吸收有不同程度的影響。表現(xiàn)為：葉片鈣素含量呈上升趨勢，莖中鈣含量呈先下降后波動變化趨勢，而塊莖中鈣含量在馬鈴薯塊莖形成期后，隨著生育進(jìn)程的推進(jìn)鈣素含量逐漸降低(圖1)。

馬鈴薯根系鈣素含量隨著生育期的推進(jìn)呈現(xiàn)先上升后下降的倒“V 型”曲線變化，塊莖增長期，自制鈣肥和市售鈣肥處理根中鈣素含量分別降低1.9% 和3.2%，比不施鈣肥低19.1% 和17.8%；至塊莖增長末期，自制鈣肥和市售鈣肥處理根系鈣素含量分別為14.07 g/kg 和13.05 g/kg，比不施鈣處理提高27.2% 和18.0%，采收期，自制鈣肥和市售鈣肥處理的根部鈣含量分別比空白處理高 8.0%和9.0%。

施鈣處理與不施鈣處理馬鈴薯莖中鈣素含量差異顯著。不施鈣處理在苗后68 d 鈣素含量降至最低值，施鈣處理在出苗后53 d 鈣素含量最低。出苗后53 d，不施鈣、自制鈣肥和市售鈣肥處理的鈣素含量分別為11.35、8.25 和9.49 g/kg；出苗后68 d，市售鈣肥和自制鈣肥處理的鈣素含量分別比不施鈣肥高23.1% 和24.6%，達(dá)到顯著性差異水平。

施鈣處理促進(jìn)葉片鈣素含量的提升，具體表現(xiàn)為市售鈣肥＞自制鈣肥。苗后68 d，自制鈣肥和市售鈣肥處理的鈣素含量比不施鈣肥處理分別提高21.4%和32.0%；苗后80 d，自制鈣肥和市售鈣肥分別比不施鈣肥處理高1.8% 和6.8%。

不同處理間馬鈴薯塊莖中鈣素含量差異顯著。苗后53 d，自制鈣肥和市售鈣肥處理的塊莖鈣素含量比不施鈣肥處理分別高75.0% 和55.0%；采收期，自制鈣肥和市售鈣肥處理比不施鈣肥鈣素含量高26.7% 和20.0%，自制鈣肥處理塊莖中鈣的含量高于市售鈣肥。

2.5 不同處理對馬鈴薯鈣積累量的影響

馬鈴薯在不同生育期對鈣素的積累量有不同程度的差異，施鈣處理促進(jìn)了馬鈴薯植株鈣素積累。3個處理根、莖、塊莖的鈣素積累量均表現(xiàn)出明顯的單峰曲線的變化趨勢，葉及全株的鈣素積累量變化趨勢相近，均隨著生育期的推進(jìn)而逐漸遞增(圖2)。整個生長期內(nèi)馬鈴薯根、莖、塊莖鈣素積累量自制鈣肥處理的效果優(yōu)于市售鈣肥。

圖1 不同處理馬鈴薯各器官鈣素含量的動態(tài)變化Fig. 1 Dynamic changes of calcium contents in different organs of potatoes under different treatments

鈣肥處理下根的鈣素累積量在出苗后68 d 達(dá)到峰值，空白處理在出苗后53 d 達(dá)到峰值，苗后80 d，自制鈣肥和市售鈣肥處理的馬鈴薯植株根部鈣素累積量均比空白處理高20.3%；鈣肥處理的莖部鈣素累積量在苗后68 d 達(dá)到峰值，之后鈣素累積量逐漸降低，至苗后80 d，自制鈣肥和市售鈣肥處理的馬鈴薯莖部鈣素累積量分別比空白處理高97.4% 和55.7%；3 個處理的葉片鈣素累積量均呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢，在出苗后80 d 達(dá)到峰值，自制鈣肥和市售鈣肥處理的馬鈴薯植株葉片鈣素累積量分別為543.72、506.63 mg/株，比不施肥提高了56.5% 和45.8%。

塊莖鈣素累積量在采樣期表現(xiàn)為先增加后降低的變化趨勢，在收獲期，自制鈣肥處理分別比市售鈣肥和空白處理提高4.2% 和56.3%，增加效果明顯。全株的鈣累積量意味著吸收外源鈣的多少，本試驗中施鈣處理馬鈴薯全株鈣素累積量均高于空白處理，且整個生長期內(nèi)自制鈣肥的優(yōu)勢明顯，其中不施鈣肥、市售糖醇鈣和自制糖醇螯合鈣處理在塊莖增長期后全株鈣素積累量分別增加11.3%、8.3%、17.9%，到采收期，自制鈣肥和市售鈣肥處理的鈣素積累量分別比不施鈣肥處理的提高62.1% 和47.0%。

2.6 馬鈴薯塊莖影響?zhàn)B分吸收的因素間相關(guān)性分析

表5 表明，馬鈴薯塊莖干物質(zhì)積累量與塊莖產(chǎn)量，鈣、磷、鉀積累量均呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P＜0.05)，相關(guān)系數(shù)分別為0.816、0.740、0.874 和0.843；鈣積累量與磷積累量和鉀積累量呈顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.842 和0.823；磷積累量和鉀積累量呈極顯著正相關(guān)(P＜0.01)，相關(guān)系數(shù)為0.980。而氮積累量與干物質(zhì)積累量以及鈣磷鉀養(yǎng)分積累沒有表現(xiàn)出明顯的相關(guān)關(guān)系。

3 討論

施用鈣肥有效促進(jìn)了馬鈴薯的生長發(fā)育，提升了塊莖產(chǎn)量與品質(zhì)。Ozgen 和Palta[26]研究結(jié)果表明，增加鈣可以影響馬鈴薯產(chǎn)量構(gòu)成要素。與對照相比，施用糖醇鈣肥處理的馬鈴薯單株結(jié)薯數(shù)、單薯重量、單株產(chǎn)量均有不同程度的增加，鈣離子能夠促進(jìn)匍匐莖中細(xì)胞分裂和提升赤霉素的水平[27]。本試驗中，葉面噴施鈣肥提高了馬鈴薯塊莖的大薯率和商品薯產(chǎn)量。作物產(chǎn)量的基礎(chǔ)是光合作用，研究表明，提高外源鈣水平可提高葉綠素含量，提高光合電子傳遞效率，對維持葉片較高的光合速率有一定的促進(jìn)作用，進(jìn)而生產(chǎn)更多的光合產(chǎn)物，最終為產(chǎn)量的提高、品質(zhì)的改善奠定了生理基礎(chǔ)[28-29]。兩種鈣肥相比，自制鈣肥處理效果優(yōu)于市售鈣肥。

圖2 馬鈴薯各器官和全株鈣累積量Fig. 2 Calcium accumulation in various organs and whole plants of potatoes under different treatments

表5 塊莖產(chǎn)量、干物質(zhì)積累量及營養(yǎng)元素間相關(guān)性分析Table 5 Correlation of tuber yield, dry matter accumulation and nutrient elements

施用鈣肥可提升塊莖品質(zhì)。自制鈣肥處理塊莖品質(zhì)表現(xiàn)最好，可溶性蛋白質(zhì)含量、氮磷鉀積累量均有不同程度的增加，硝態(tài)氮含量明顯低于空白對照，可溶性糖含量與空白對照相近。塊莖糖含量影響馬鈴薯口感與加工，高溫加工時還原糖與其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)導(dǎo)致薯質(zhì)變黑。鈣離子可影響卡爾文循環(huán)、磷酸戊糖途徑和糖酵解代謝關(guān)鍵酶的活性，從而導(dǎo)致糖代謝緩慢，糖分積累減少[30]。蛋白質(zhì)的增加主要是鈣可以激發(fā)植株磷酸戊糖途徑、糖酵解和三羧酸循環(huán)的進(jìn)行，從而促進(jìn)氨基酸的合成[31]。

3 個處理馬鈴薯全株干物質(zhì)積累均呈現(xiàn)先慢后快的變化趨勢，塊莖形成期干物質(zhì)積累速率比較慢，塊莖增長期后干物質(zhì)積累速率加快。施用外源鈣肥后干物質(zhì)積累量增多，表現(xiàn)為鈣肥對馬鈴薯植株干物質(zhì)積累的促進(jìn)作用，自制鈣肥的效果優(yōu)于市售鈣肥。

不同處理馬鈴薯同一器官中鈣素含量存在差異，外源補鈣可以提高馬鈴薯各器官的鈣含量。施鈣處理的馬鈴薯各器官中，根、莖、塊莖器官中鈣素含量出現(xiàn)峰值的時間均先于葉片，推測其主要原因是鈣肥的施用能夠延緩葉片衰老，延長葉片鈣素吸收時間。結(jié)合馬鈴薯干物質(zhì)的積累變化規(guī)律我們發(fā)現(xiàn)，鈣肥能促進(jìn)塊莖干物質(zhì)的積累，但塊莖中鈣素含量較低，隨著生育進(jìn)程的推進(jìn)，鈣素含量逐漸降低。由此推測，鈣促進(jìn)干物質(zhì)的增加可能是鈣提高了葉片光合作用效率，并參與植株體內(nèi)的信息傳遞，從而使更多的無機和有機物質(zhì)轉(zhuǎn)運到塊莖中[17]。馬鈴薯的根部鈣含量充足，有利于組織的構(gòu)建與成長，進(jìn)一步促進(jìn)馬鈴薯對養(yǎng)分的吸收利用，而莖葉鈣含量的提高可促進(jìn)莖葉生長，增加光合面積，促進(jìn)光合產(chǎn)物的產(chǎn)生和運輸[32]，兩種鈣肥施用后，馬鈴薯根、莖、葉和塊莖的鈣含量均明顯提升，這表明由葉面噴施的鈣肥遷移到了其他部位。對比收獲時兩種鈣肥處理下的馬鈴薯鈣含量和鈣素累積量，自制鈣肥處理下莖和塊莖的鈣含量和鈣素累積量顯著高于市售鈣肥，這表明葉面噴施后，自制鈣肥更有利于鈣素由葉片到莖再到塊莖的遷移，究其原因，自制鈣肥的鈣以螯合態(tài)為主，不易固定因此本次試驗首次證明了以山梨醇為配體合成的螯合鈣更有利于在馬鈴薯植株中的吸收和遷移，為鈣素的有效利用提供了數(shù)據(jù)支持。

干物質(zhì)的積累是作物產(chǎn)量形成的基礎(chǔ)，噴施鈣肥顯著提高了塊莖干物質(zhì)的積累量，統(tǒng)計分析結(jié)果亦證明塊莖干物質(zhì)的積累與產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)。塊莖中鈣與磷、鈣與鉀、磷與鉀素積累量均顯著或極顯著正相關(guān)，表明鈣、磷與鉀3 種營養(yǎng)元素在塊莖中的積累是互相影響的，當(dāng)然也是土壤環(huán)境、馬鈴薯細(xì)胞結(jié)構(gòu)與功能共同作用的結(jié)果[33]，增施鈣肥有效提高了塊莖中鈣、磷、鉀營養(yǎng)元素的積累量，其機理分析后續(xù)有待加強。

馬鈴薯全株鈣累積量越高，其吸收外源鈣就越多，鈣肥的利用率也越高。出苗后80 d，施用自制鈣肥的馬鈴薯全株鈣累積量最高，比市售鈣肥高出10.30%，山梨醇作為一種來自植株韌皮部的天然小分子物質(zhì)，與鈣形成電中性的螯合鈣后，穿過葉片角質(zhì)層的速度比無機離子快，因此吸收效果好[34]。

糖醇螯合鈣肥的吸收遷移特性除了與中心離子鈣有關(guān)外，還與配體山梨醇的性質(zhì)和鈣離子的螯合強度(穩(wěn)定常數(shù))有關(guān)。目前還沒有關(guān)于螯合肥料螯合強度的統(tǒng)一界定標(biāo)準(zhǔn)，螯合強度與肥效的關(guān)系只能通過作物肥效試驗間接論證，因此研發(fā)糖醇專用肥并開展相應(yīng)的肥效試驗對促進(jìn)我國高端肥料的推廣應(yīng)用，實施“減肥增效”，提升農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)，促進(jìn)土壤生態(tài)系統(tǒng)良性發(fā)展具有重要意義。

4 結(jié)論

本試驗條件下，糖醇鈣肥對馬鈴薯產(chǎn)量的提高和品質(zhì)的改善有明顯的促進(jìn)作用，自制鈣肥處理的各項指標(biāo)基本優(yōu)于市售鈣肥，更為重要的是自制鈣肥鈣的運移能力顯著高于市售鈣肥，同時促進(jìn)馬鈴薯對土壤中氮磷鉀等養(yǎng)分的吸收利用，增加塊莖等器官干物質(zhì)的積累。本研究可為高品質(zhì)糖醇螯合鈣肥在重要大田作物馬鈴薯種植中的大規(guī)模應(yīng)用提供理論依據(jù)和經(jīng)驗參考。