亏缺灌溉对四个早熟马铃薯基因型块茎矿质元素组成的影响

《Potato Research》：Deficit Irrigation Affects Tuber Mineral Composition of Four Potato Genotypes

　　

亏缺灌溉（DI）是一种可持续的方法，旨在优化水分利用，同时保持马铃薯块茎的产量和品质，特别是在地中海等干旱和半干旱地区。本研究评估了DI对意大利南部两个生长季（S）中四个早熟马铃薯基因型（G）的宏量元素（Ca、K、P、N、Mg）和微量元素（Cu、Fe、Mn、Na、Zn）组成的影响。试验设置了三种灌溉水平：不灌溉（I₀）、作物蒸发蒸腾量（ET_c）的50%（I₅₀）和ET_c的100%（I₁₀₀）。结果凸显了DI、G和S及其交互作用（'DI×G'和'G×S'）对块茎矿质元素含量的显著影响。DI是影响Fe、P和Na含量及Na/K比值的主要因素，而G主要影响N含量。S对大多数其他矿物质有强烈影响。然而，马铃薯基因型对DI的响应不同，表明'DI×G'是影响矿质元素积累的关键因素。例如，与I₁₀₀相比，I₀处理使'Arizona'的Ca（+33.7%）和P（+51%）含量升高。相反，I₁₀₀增加了'Arizona'、'Paradiso'和'Vogue'中Na的水平，这与Na/K比值的变化趋势一致。主成分分析也为G与DI处理之间的关系提供了有价值的见解。这些发现表明，将DI与G选择相结合可以在减少用水的同时改善马铃薯的矿质元素组成，为地中海气候下的可持续栽培提供了一种有前景的策略。

**研究背景与现存问题**

马铃薯（*Solanum tuberosum* L.）是全球产量第四的粮食作物，也是淀粉和多种必需矿质营养的重要膳食来源。地中海地区是马铃薯的重要产区，以冬季-春季周期生产'早熟'块茎为主，产品大量出口至北欧，经济地位突出。在该地区，灌溉是保障产量和品质的关键措施，但灌溉水资源日益稀缺、成本上升，气候变化进一步加剧了供需矛盾。亏缺灌溉（deficit irrigation，DI）通过限制非关键生育期的供水量来提高水分利用效率，已被认为是一种可持续的节水策略。已有研究发现水分亏缺可改变马铃薯块茎的淀粉、糖和酚类物质含量，然而关于DI对'早熟'马铃薯块茎矿质元素组成影响的研究鲜有报道，而矿质元素在人体营养和健康中具有不可替代的作用。因此，阐明DI下不同基因型块茎矿质元素含量的变化规律，对于在地中海气候条件下兼顾节水和薯块营养品质至关重要。

**研究概况与核心发现**

研究人员在意大利南部埃特纳火山山麓的Giarre试验田，连续两个生长季（2021和2022年）开展田间试验，以四个'早熟'马铃薯基因型（'Arizona'、'Levante'、'Vogue'、'Paradiso'）为材料，设置三种灌溉水平：不灌溉（I₀）、50%作物蒸发蒸腾量（ET_c）灌溉（I₅₀）和100% ET_c灌溉（I₁₀₀），系统测定了块茎宏量元素（钙、钾、磷、氮、镁）和微量元素（铜、铁、锰、钠、锌）含量。结果表明：DI、基因型和生长季及其交互作用对多数矿质元素具有显著影响；DI是铁、磷、钠和钠钾比的主要决定因子，基因型主要影响氮含量，生长季对大多数矿质元素起主导作用。尤其重要的是，不同基因型对DI的响应模式差异显著，'DI×G'互作是调控矿质元素积累的关键因素。主成分分析进一步将不同基因型与灌溉处理的组合区分为若干具有特征性矿质元素谱的聚类。研究首次系统揭示了DI对'早熟'马铃薯块茎矿质元素组成的影响，提出了将DI与基因型选择相结合，以减少用水并优化薯块营养品质的可持续栽培策略。

**关键技术方法**

试验于2021和2022年在意大利Giarre（81 m a.s.l.）进行，供试土壤为砂质Xerochrepts。采用裂区设计，主区为灌溉水平（I₀、I₅₀、I₁₀₀），副区为基因型，三次重复。I₀仅在出苗期供水；I₅₀和I₁₀₀分别供应50%和100% ET_c。四个早熟基因型种薯由Romagnoli Spa（Bologna，意大利）提供。块茎总氮用凯氏定氮法测定，磷用钼钒酸比色法，钾、镁、钙、钠、铁、锰、锌、铜用原子吸收光谱法测定，并计算Na/K比。数据经三因素方差分析和主成分分析处理。

**主要研究结果**

**ET_{c adj}的时间动态**

研究人员利用FAO-56方法计算逐月调整作物蒸发蒸腾量（ET_{c adj}）。1至2月各处理ET_{c adj}几乎一致；3月起处理间出现分化；4月达到峰值时，I₁₀₀处理为88 mm（2021）和95 mm（2022），而I₀仅为36 mm和22 mm，I₅₀居中。该结果表明，亏缺处理在块茎膨大盛期诱发了明显的水分亏缺，且2022年因降水少、蒸发需求高而胁迫更重。

**亏缺灌溉、基因型和生长季对矿质元素的影响**

三因素方差分析显示，DI主要影响铁、磷、钠含量和钠钾比，对锰无显著效应；基因型对氮影响最大，对铁和钾无显著影响；生长季对6/10的矿质元素具有最大均方。钾含量从I₀至I₁₀₀下降18%，铁含量上升31%；锌含量在I₅₀比I₀增加16%后保持稳定。

**交互作用对宏量和微量元素的影响**

'DI×G'互作对除铁、锌、钾外的所有矿质元素均有显著影响。'Arizona'和'Levante'在I₀下钙含量分别比I₅₀增加42.5%和38.3%；'Vogue'的磷和氮在I₀至I₅₀间变化最大，氮含量随灌溉增加呈线性下降。'Arizona'和'Levante'在I₁₀₀下镁含量比I₀分别高70%和30%，'Paradiso'则相反。除'Levante'外，各基因型钠钾比均从I₀到I₁₀₀递增，'Vogue'和'Arizona'最高。'Arizona'在I₁₀₀下锰和铜含量最高（锰比I₅₀高32.1%）；'Vogue'钠含量随灌溉量增加而递增；'Arizona'和'Paradiso'在I₁₀₀下的钠含量分别比I₀高41.9%和52.4%。'G×S'互作对钙和氮有显著影响，'Arizona'和'Paradiso'的钙在2021年最高，'Vogue'在两个生长季氮含量均最高。

**矿质含量的主成分分析与变异系数**

前两个主成分解释了总变异的65.86%。PC1与铁、钠、镁、铜、锌、锰正相关，与磷、钾、氮、钙负相关；I₁₀₀处理的'Arizona'、'Paradiso'和'Levante'位于PC1正侧，而I₀处理的'Levante'、'Vogue'和'Paradiso'位于负侧。PC2与钙、锰正相关，与钠、镁、磷负相关。PCA双标图清晰区分了各基因型与灌溉处理的矿质元素积累模式，如I₁₀₀的'Vogue'和'Levante'与钠、镁、铁正相关，I₀的'Arizona'与钙高度关联。

**讨论与结论**

讨论部分指出，ET_{c adj}的动态变化精确刻画了不同灌溉制度下马铃薯遭受的水分胁迫时程。I₀下钙、钾、磷、氮含量升高，可能源于水分亏缺的浓缩效应和钾在渗透调节中的关键作用；钠含量下降和钾含量上升共同改善了钠钾比，而钠钾比与心血管健康密切相关，I₀使'Levante'和'Vogue'的钠钾比分别降低23%和54%。相比之下，充分灌溉有利于镁、锌、铜和铁的积累。基因型和生长季的互作表明矿质积累受品种特异性和季节气候共同影响。研究还指出，节水与营养改善的结合有助于实现联合国可持续发展目标中的零饥饿、清洁饮水和良好健康目标。

研究结论可翻译为：本研究首次揭示了DI、基因型和生长季及其互作显著影响'早熟'马铃薯块茎的矿质元素组成；ET_{c adj}的模拟量化了各灌溉制度所施加的水分胁迫的严重程度和时程。亏缺灌溉可作为优化马铃薯块茎矿质元素含量（特别是钙、钾、磷、氮）的可持续策略，但维持镁、锌、铜和铁的适宜水平仍需充足灌溉。不同基因型对DI的响应差异显著，进而影响其吸收积累部分宏量和微量元素。基于元素比（如钠钾比）的变化，可为农业生物强化策略提供参考。将DI与基因型选择相结合，可在节约用水的同时改善薯块矿质元素含量，为地中海地区的可持续马铃薯栽培提供了新路径；PCA则展现出作为农艺管理诊断工具的潜力。未来仍需进一步生理和分子研究，以解析矿质元素吸收分配对环境和管理因子的响应机制。