不同连作方式马铃薯土壤中3种酚酸测定方法研究

熊 湖1,郑顺林1,2,黄 强1,龚 静1,梁衍铃 2,袁继超 1

(1.四川农业大学农学院/农业农村部西南作物生理生态与耕作重点实验室,四川 成都 611130;2.农业农村部薯类作物遗传育种重点实验室/成都久森农业科技有限公司,四川 成都 610500)

摘 要:【目的】为建立快速、准确测定马铃薯土壤中3种酚酸类化合物(香草酸、对羟基苯甲酸、阿魏酸)含量的方法,研究不同连作方式(普通连作、玉/薯轮作、强化连作)对马铃薯土壤中以上3种酚酸的影响。【方法】采用高效液相色谱法(HPLC),对色谱条件中测定波长、流动相体系、柱温等参数进行优化,并利用优化后色谱条件对不同连作方式马铃薯土壤中酚酸进行测定。【结果】在用安捷伦XDB-C18柱(250 mm×4.6 mm,5 μm)、检测波长为λ=280 nm、柱温为35℃、进样量为20 μL、流动相为75%A液(以冰醋酸调节pH=2.60)∶25%B液(乙腈)等度洗脱、双泵体积流量SI=0.8 mL/min的色谱条件下测定,3种酚酸在相应的浓度范围内与峰面积有良好的线性关系,相关系数均大于0.99,加样回收率在94.37%~100.46%,重现性实验的相对标准偏差在均0.18以下。检测不同连作方式马铃薯土壤中3种酚酸含量,空白对照3种酚酸含量整个生育期前后差异不显著,而3种连作方式下3种酚酸含量均为成熟期低于前期,其中玉/薯轮作土壤中酚酸含量在成熟期均低于其他连作方式,且与对照差异显著。【结论】优化高效液相色谱法简便、准确、可靠,可以有效测定马铃薯土壤中这3种酚酸含量;玉/薯轮作可以减少土壤中这3种酚酸含量,缓解酚酸产生的连作障碍。

关键词:马铃薯;连作方式;酚酸;高效液相色谱法

【研究意义】随着2015年马铃薯主食化战略的提出,马铃薯在我国的种植面积不断增长[1],与其他粮食作物相比,马铃薯更加耐寒、耐旱、耐瘠薄、适应性广[2]。然而,受限于现代农业具有复种指数高、作物种类单一的特点,马铃薯连作现象普遍,长期连作导致其即使在正常栽培管理下也会出现品性退化、品质下降、产量降低等情况,即连作障碍[3]。连作障碍的形成是由植物-土壤系统多种因素综合作用的结果[4],其中由于化感物质引起的化感现象是引起连作障碍的重要原因,酚酸类物质是已经被证实的众多化感物质之一[5]。酚酸常用的测定方法有酶法、分光光度法、气相色谱法、离子色谱法、高效液相色谱法及毛细管电泳法,其中高效液相色谱法是目前较精确、较常用的仪器分析法,而色谱条件直接影响了高效液相色谱法的测定效果,测定不同有机酸其条件也有很大差异[6]。【前人研究进展】江和源等[7]建立了利用高效液相色谱法同时测定茶叶中5种酚酸类化合物的方法,并认为使用不同提取液制备样品,测定结果差异较大;运用反相高效液相色谱法可以同时测定马铃薯块茎中的4种酚酸,但流动相对测定效果有很大影响[8];吴丹等[9]利用高效液相色谱法测定了太子参根际土壤中的酚酸,发现种植太子参后土壤中的酚酸类自毒物质含量升高。香草酸、对羟基苯甲酸、阿魏酸是与马铃薯连作障碍的关系密切的酚酸类化合物[10-11],分别浇灌这3种酚酸的溶液及其混合液,对马铃薯植株的株高、茎粗、地上分茎数、匍匐茎数、根长和生物量均有显著抑制作用[12],因此如何快速修复连作障碍的最根本条件是降低土壤中自毒物质的数量和活性。目前,轮作换茬是当前防治连作障碍最经济、最有效、应用最广的方法,而在不同栽培方法下土壤理化性质会发生相应改变,酚酸类物质的含量与种类也会有所不同,多年连作的西洋参轮作后发现总酚含量显著下降,与未种植过西洋参的土地接近,并且病害减少[13];杨树人工轮作与连作土壤中酚酸有很大差异,轮作中酚酸降解菌总丰度都有增加[14]。【本研究切入点】对色谱条件中测定波长、流动相体系、柱温等参数进行了优化,考察以上条件对分离测定效果的影响,并对马铃薯进行3种方式连作(普通连作、玉薯轮作、强化连作)试验,采用优化后的色谱条件,通过高效液相色谱法测定土壤的酚酸含量。【拟解决的关键问题】建立一种快速、准确利用高效液相色谱法测定土壤中3种酚酸的方法,并分析不同连作方式对马铃薯土壤中3种酚酸的影响。

1 材料与方法

1.1 试验材料

仪器:安捷伦-1200高效液相色谱仪、高纯水制备仪、台式pH计、超声波震荡仪、高速离心机。

试剂:酚酸标准品为Sigma公司生产的香草酸、对羟基苯甲酸、阿魏酸。乙腈、甲醇、冰醋酸为色谱级,液相色谱采用的水为超纯水,盐酸、氢氧化钠为分析纯。

1.2 试验方法

1.2.1 试验设计 试验于2014—2017年在四川农业大学试验田进行,设马铃薯连作、马铃薯/玉米轮作、马铃薯强化连作3个处理,以保持土壤未栽培状态作对照(CK),供试马铃薯品种为川芋117(表1)。

表1 试验处理
Table 1 Experimental treatment

处理Treatment 2014 2015 2016 2017对照(CK) 闲置 闲置 闲置 闲置普通连作Common continuous cropping马铃薯 马铃薯 马铃薯 马铃薯玉-薯轮作Cornpotato rotation玉米 马铃薯 玉米 马铃薯强化连作Intensified continuous cropping春薯-秋薯 春薯-秋薯 春薯-秋薯 春薯-秋薯

1.2.2 土样采集 于马铃薯连续种植第4年(2017年)春季的前期、花期、块茎膨大期、成熟期共4个时期分别采集土样,采用抖土法收集各处理马铃薯根际土壤,室内风干后过0.425 mm筛,用塑封袋装后于4℃保存待用。

1.2.3 土壤酚酸提取 土壤酚酸的提取参考田给林等[15]的方法并有所改动。分别称取各处理土样10 g置于离心管中,加入1 mol/L NaOH溶液各20 mL,超声震30 min后静置24 h,于210 r/min摇床上震荡30 min,8 000 g离心力下离心20 min,分离上清液后用12 mol/L盐酸调整溶液pH至2.5沉淀出胡敏酸,超声震荡10 min后静置2 h,8 000 g离心力下离心10 min,分离上清液4℃保存待分析。

1.3 测定方法

1.3.1 标准溶液配制 准确称取香草酸、对羟基苯甲酸、阿魏酸各20.0 mg分别置于3个100 mL容量瓶中,并准确称取香草酸、对羟基苯甲酸、阿魏酸各20.0 mg置于同一容量瓶中,滴加几滴甲醇溶解后用超纯水定容至刻度线,作为单一标样以及混合标样的母液,于4℃中保存,使用时稀释100倍作为工作液。所有样品进样前经0.22 μm滤膜过滤。

1.3.2 色谱条件 分离柱采用安捷伦XDB-C18柱(250 mm×4.6 mm,5 μm),检测波长为λ=280 nm,柱温为35℃,进样量为20 μL,采用A、B双泵系统,其中流动相组分A为乙腈,B为用色谱纯的冰醋酸调节pH 2.60的高纯水,体积比为A∶B=25∶75,双泵体积流量SI=0.8 mL/min,调整两泵的流速来分离3种酚酸。

试验数据使用Excel、Origin数据处理软件进行处理和分析。

2 结果与分析

2.1 色谱条件的选择

2.1.1 测定波长 在确定色谱柱的前提下,液相色谱的条件主要有流速和柱温、紫外检测波长、流动相的选择,测定酚酸的最佳波长有260、280、320 nm[8],结合测定目标,为保证测定的灵敏度,将280 nm设为本试验紫外检测波长。

2.1.2 流动相 甲醇-醋酸与乙腈-醋酸都是常用的流动相体系,而乙腈吸光度小、柱压低,测试后选择乙腈-醋酸水溶液作流动相。酚酸为酸性物质,因此,醋酸水溶液pH对峰型和保留时间影响较大。经测试,当醋酸水溶液pH=2.60时,峰型较好、无拖尾现象;而随着乙腈在流动相中所占体积比的增大,各酚酸的保留时间缩短、分离度随之下降,经测试乙腈∶醋酸水溶液=20∶80、25∶75、30∶70、35∶75、40∶60的效果,同时综合分离效果与分离时间,选择乙腈∶醋酸水溶液=25∶75。

2.1.3 柱温 色谱柱温度能影响其柱效、分离选择性、检测灵敏度和稳定性。一般来说,提高柱温可以缩短各酚酸的保留时间,因此分离度也会下降,但柱温过高会影响色谱柱本身。由图1可知,当其他色谱条件确定时,柱温分别为25、30、35℃的测定效果表明,柱温为35℃时测定时间短且保证了分离度。

图1 3种酚酸混合标准样品的色谱图
Fig. 1 Chromatograms of standard sample of mixture of 3 phenolic acids

1:对羟基苯甲酸;2:香草酸;3:阿魏酸
1:ρ-hydrobenzoic acid; 2: Vanllic acid; 3: Frulic acid

2.2 色谱条件的分析考察

2.2.1 线性关系 将制备的不同浓度标准样品按照2.1条件依次进样,计算回归方程与相关系数,并以3倍信噪比确定检出限,结果(表2)表明在该条件下,各酚酸的紫外吸收值与浓度间的线性关系良好。

2.2.2 重现性 将3种酚酸的混合样品按照上述建立的液相色谱条件进行重复进样6次,比较色谱峰相对保留时间,结果见表3,表3表明在该条件下5次平行试验中各酚酸保留时间变化较小,具有良好的稳定性,其RSD值在0.05%~0.18%。

表2 3种酚酸组分的回归方程、相关系数、线性范围和检出限
Table 2 Regression equations, correlation coefficients, linear ranges and detection limits of 3 phenolic acids

检出限Detection limit(mg/L)对羟基苯甲酸ρ-hydrobenzoic acid y = 17.65x+ 0.62 0.9983 0.4~10.0 0.0018香草酸Vanllic acid y = 29.70x- 0.16 0.9991 0.8~5.0 0.0011阿魏酸Frulic acid y = 19.10x- 1.78 0.9977 0.4~5.0 0.0023酚酸Phenolic acid回归方程Regression equation相关系数Correlation coefficient线性范围Linear range(mg/L)

表3 3种酚酸的保留时间和相对标准偏差
Table 3 Retention time and relative standard deviation of 3 phenolic acids

相对标准偏差RSD对羟基苯甲酸ρ-hydrobenzoic acid酚酸Phenolic acid保留时间Retention time(min)4.461±0.081 0.18香草酸Vanllic acid 4.714±0.029 0.06阿魏酸Frulic acid 6.525±0.030 0.05

2.2.3 回收率 将混合标准样品稀释10倍后,与待测土壤提取液等体积混合,按照上述条件进样,重复6次,测定回收率,结果见表4,在本试验条件下各酚酸回收率较高,相对标准偏差均低于2%,能达到定量分析要求。

表4 3种酚酸的回收率和相对标准偏差
Table 4 Recovery rate and relative standard deviation of 3 phenolic acids

相对标准偏差RSD对羟基苯甲酸ρ-hydrobenzoic acid酚酸Phenolic acid回收率Recovery rate (%)100.46±8.29 1.86香草酸Vanllic acid 95.03±7.48 1.04阿魏酸Frulic acid 94.37±5.22 0.59

2.3 不同连作方式对土壤酚酸含量的影响

不同连作方式条件下成熟期马铃薯土壤酚酸含量的色谱图见图2,对不同连作方式中同类酚酸进行多重比较分析结果见表5。结果表明,3种酚酸均能在不同连作方式和对照土壤中检测出,但是含量与变化都有所差异。在马铃薯整个生育期,未栽培(CK)、轮作、普通连作土壤中3种酚酸含量整体上均表现为先增后减,而强化连作土壤3种酚酸含量一直呈下降趋势,但均在花期达到最大值;成熟期与前期相较,未栽培(CK)土壤中对羟基苯甲酸、香草酸、阿魏酸变化分别为3.28%、-7.83%、-6.27%,3种酚酸前后变化较小且差异不显著,轮作土壤分别下降19.65%、17.98%、39.88%,普通连作土壤分别下降5.36%、16.85%、16.31%,强化连作土壤分别下降45.13%、59.52%、49.15%。3种种植方法中的3种酚酸整体均呈下降且达到显著差异,说明马铃薯在整个生育期中对土壤酚酸含量产生了影响,且不同栽培方式对不同种类的酚酸影响不同。在前期,强化连作土壤3种酚酸均高于其他处理且差异显著,这3种酚酸含量分别比其他连作方式高出48.26%~56.17%、71.26%~149.60%、29.64%~58.90%,其中玉薯轮作均为最低;至成熟期时,玉薯轮作土壤中3种酚酸含量均为最低,未栽培(CK)土壤的3种酚酸含量均为最高。

3 讨论

3.1 HPLC同时测定马铃薯土壤中3种酚酸的方法

图2 成熟期不同连作方式与对照土壤提取液中酚酸色谱图
Fig. 2 Chromatogram of phenolic acids in soil extracts from different continuous cropping patterns and CK at mature stage

A:对照;B:玉薯轮作;C:普通连作;D:强化连作
A: CK; B:: Corn and potato rotation C: Continuous Cropping D: Intensified continuous cropping 1:对羟基苯甲酸;2:香草酸;3:阿魏酸1:ρ-hydrobenzoic acid;2:Vanllic acid;3:Frulic acid

表5 不同连作方式下各生育期土壤酚酸含量(μg/g)
Table 5 Content of soil phenolic acids in different growth stages under different continuous cropping patterns

注:同类酚酸同列数据后小写英文字母不同者表示差异显著。
Note: The same phenolic acids marked with different lowercase letters represent significant differences.

生育时期 Growth period前期Earlier stage 花期 Flowering 块茎膨大期Tuber swelling 成熟期 Maturation stage对羟基苯甲酸ρ-hydrobenzoic acid酚酸Phenolic acid连作方式Continuous cropping pattern CK 10.67±0.40ef 13.15±0.52bc 13.81±0.35b 11.02±0.87def玉薯轮作 10.33±0.27fg 12.74±0.14bcd 11.57±0.32def 8.34±0.08h普通连作 10.83±0.51ef 12.68±0.33bcd 11.62±0.52def 10.25±0.22ef强化连作 15.82±0.43a 13.96±0.58bc 12.29±0.31cde 8.68±0.09gh香草酸Vanllic acid CK 16.72±0.12f 24.95±0.75b 25.28±0.21b 15.41±0.57fg玉薯轮作 12.07±0.58i 26.17±0.21b 19.05±0.11de 9.92±0.23i普通连作 17.57±0.48ef 21.65±0.38c 20.41±0.29cd 14.61±0.25gh强化连作 30.09±0.78a 24.64±0.34b 13.61±0.41h 12.18±0.21i阿魏酸Frulic acid CK 10.68±0.16fg 16.51±0.33b 16.15±0.21ab 10.01±0.32gh玉薯轮作 10.09±0.22c 12.63±0.28ef 9.92±0.49h 7.87±0.22i普通连作 11.71±0.11de 12.76±0.22cd 11.33±0.25ef 9.80±0.40h强化连作 16.97±0.13a 13.09±0.21c 10.41±0.50ef 8.63±0.28i

利用高效液相色谱法测定酚酸类自毒化感物质是目前运用最广泛、最便捷的方法之一[16]。在使用高效液相色谱法测定时,色谱条件直接影响测定结果,测定不同化合物所需的溶剂各不相同,主要与目标化合物的溶解性与解离度相关,测定酚酸常用的有机溶剂有甲醇、乙腈、石油醚等[17],流动体系对分离度的影响较大,通过调整有机相与水相的比例可以有效分离多种酚酸,改变柱温可以影响出峰时间,对分离度也有一定影响。本研究在前人基础上,同时对色谱溶剂、流动体系、柱温和波长进行了试验,筛选出能够快速分离测定马铃薯土壤中3种酚酸(对羟基苯甲酸、香草酸、阿魏酸)含量的方法,且该方法重复性高、精确度较好、检出限低,各酚酸均有显著的线性关系。

3.2 不同种植方式对马铃薯土壤中3种酚酸含量的影响

改变种植制度、合理更换栽培方式被认为是有效克服连作障碍的方法之一。符建国等[18]通过分离与鉴定烟田根际土壤酸性有机组分,发现轮作与连作土壤中的酸性成分发生了种类与数量上的变化,说明更改种植制度可以有效影响土壤中酚酸成分的组成。本试验中,各个时期的土壤中均能检测出对羟基苯甲酸、香草酸、阿魏酸。马铃薯属于块茎类作物,在前期主要为地上部分生长发育,而后期则相反,这可能是土壤酚酸出现先增后减的原因,整体来看,各种植方式中3种酚酸含量均逐渐下降,且随着生育期推进与未栽培土壤(CK)差异逐渐不显著,这与叶发茂等[19]研究结果相似。植株残体会产生自毒物质[20],作物残体的腐解与降解[21]会导致土壤中酚酸积累,强化连作距离上一茬较近,导致在前期强化连作3种酚酸含量均为最高;而玉薯轮作丰富了作物与土壤交换模式,改善了土壤理化环境,使得马铃薯不需要分泌自毒物质来抑制其他植物生长发育[22],并且马铃薯与玉米对土壤养分需求有一定差异[23],这可能导致玉薯轮作中前期与成熟期3种酚酸含量均为最低,证明玉薯轮作可以减少土壤中3种酚酸含量,但土壤中的酚酸并不是单一作用的,不同酚酸之间存在协同作用和拮抗作用,对作物的影响程度也有一定差异[24],不能仅以含量来评估其对连作障碍的影响,因此酚酸对连作障碍的作用机理还有待进一步探究。

4 结论

在安捷伦XDB-C18柱(250 mm×4.6 mm,5 μm),检测波长为λ=280 nm,柱温为35℃,进样量20 μL,采用等度洗脱,流动相为75%A液(以冰醋酸调节pH=2.60)∶25%B液(乙腈),双泵体积流量SI=0.8 mL/min的色谱条件下,能够准确、快速地同时测定土壤中香草酸、对羟基苯甲酸、阿魏酸等3种酚酸。测定结果显示,空白对照土壤中3种酚酸在前后差异较小,3种酚酸在不同连作方式下成熟期均低于前期,其中玉薯轮作土壤中3种酚酸均为最低,表明通过玉薯轮作可以降低土壤中酚酸含量,缓解连作障碍。

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Study on the Determination Method of Three Kinds of Phenolic Acids in Potato Soil Under Different Continuous Cropping Patterns

XIONG Hu1, ZHENG Shunlin1,2, HUANG Qiang1, GONG Jing1,LIANG Yanling2, YUAN Jichao1
(1. College of Agronomy, Sichuan Agricultural University/Southwest Key Laboratory of Crop physiology, Ecology and Cultivation,Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Chengdu 611130, China; 2. Key Laboratory of Tuber Crop Genetics and Breeding,Ministry of Agriculture and Rural Affairs/ Chengdu Joyson Agricultural Technology Company, Chengdu 610500, China)

Abstract:【Objective】 To establish a method for the determination of three phenolic acid compounds (vanillic acid,p-hydroxybenzoic acid and ferulic acid) in potato soil in a rapid and accurate manner,a study on the influence of different continuous cropping patterns (common continuous cropping, corn/potato rotation and intensified continuous cropping) on three phenolic acid compounds in potato soil was conducted. 【Method】 The wavelength, mobile phase system, column temperature and other parameters were optimized in chromatographic condition by means of high performance liquid chromatography (HPLC),and the phenolic acids in potato soil under different continuous cropping patterns were determined in the optimized chromatographic condition. 【Result】 In certain chromatographic condition (Agilent XDB-C18 column: 250×4.6 mm, 5 μm; detection wavelength: λ=280 nm; column temperature:35℃ ; injection volume: 20μL; mobile phase: 75%A liquid(glacial acetic acid regulation, pH=2.60); 25% B solution (acetonitrile) isocratic elution; dual-pump volume flow rate: SI=0.8 mL/min). there was a good linear relationship between the three phenolic acids (within a reasonable concentration range) and peak area with the correlation coefficients greater than 0.99, the recovery rates between 94.37% and 100.46%, and the relative standard deviations of reproducibility experiments below 0.18. The content of the three phenolic acids in potato soil was detected under different continuous cropping patterns. There was no significant difference among the content of the three phenolic acids under the blank control before and after the growth period. The content of the three phenolic acids under the three continuous cropping patterns in the mature stage was lower than that in the early stage. The content of phenolic acid in corn-potato rotation soil in the mature stage was lower than that in the other two continuous cropping patterns, with significant difference from the blank control. 【Conclusion】 With the features of simple, accurate and reliable, optimized HPLC can determine the content of the three phenolic acids in potato soil effectively. The rotation of corn-potato can reduce the content of these three phenolic acids in soil and alleviate the continuous cropping disorder caused by phenolic acids.

Key words:potato; continuous cropping pattern; phenolic acid; high performance liquid chromatography

中图分类号:S532

文献标志码:A

文章编号:1004-874X(2019)04-0001-07

熊湖,郑顺林,黄强,龚静 ,梁衍铃,袁继超.不同连作方式马铃薯土壤中3种酚酸测定方法研究[J].广东农业科学,2019,46(4):1-7.

收稿日期:2019-01-02

基金项目:四川省育种攻关及配套项目(2016NYZ0051-5,2016NYZ0032);国家现代农业产业技术体系四川马铃薯创新团队建设项目

作者简介:熊湖(1992—),男,在读硕士生,研究方向为马铃薯高产栽培技术,E-mail:475832961@qq.com

通信作者:郑顺林(1974—),男,博士,教授,研究方向为薯类作物高产栽培技术,E-mail:248977311@qq.com

(责任编辑 邹移光)