菌劑與鉀肥配施對連作魔芋生長、生理代謝和發(fā)病率的影響

何 斐，崔 鳴，李 川，魯小東

(安康學(xué)院 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)與生物科技學(xué)院，陜西安康 725000)

天南星科磨芋屬魔芋(Amorphophalluskonjac)是目前已知唯一能大量提供葡甘聚糖的特種經(jīng)濟作物[1]。魔芋葡甘聚糖是一種高分子水溶性膳食纖維，廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、食品、醫(yī)藥、保健、化工、紡織等許多領(lǐng)域，具有極大的商業(yè)價值[2]。作為重要的經(jīng)濟作物之一，魔芋已成為陜南、四川、云南等山區(qū)農(nóng)民脫貧致富的支柱產(chǎn)業(yè)[3]。但隨著現(xiàn)代種植業(yè)向集約化農(nóng)業(yè)模式的發(fā)展，因長期連作造成的魔芋生長不良、病害加重、產(chǎn)量降低等連作障礙問題日趨嚴(yán)重。尤其是伴隨著連作發(fā)生的軟腐病，更是魔芋生長過程中發(fā)生最普遍、危害最嚴(yán)重的一種種傳和土傳細(xì)菌性病害，其大面積爆發(fā)甚至導(dǎo)致絕收，農(nóng)民損失慘重[4]。通過輪作倒茬可緩解連作障礙，但由于魔芋生長對環(huán)境條件要求高，適生區(qū)土地面積有限，輪作難以實施。采用農(nóng)藝措施和化學(xué)藥劑等在連作障礙土壤修復(fù)和魔芋軟腐病防治方面取得了一定的效果，但也面臨著防效差、治標(biāo)不治本、農(nóng)藥殘留等難以解決的問題[5-6]。因此，尋找新的途徑緩解魔芋連作障礙迫在眉睫。

魔芋屬于喜鉀作物，吸收氮磷鉀的比例為6∶1∶8，對鉀素有較強的需求和吸收能力[7]。由于當(dāng)?shù)啬в蠓N植區(qū)商品鉀肥施用不夠普遍，導(dǎo)致耕地缺鉀現(xiàn)象較嚴(yán)重，加之土壤中鉀素極易隨雨水流失[8-9]，從而加劇了魔芋喜鉀與土壤供鉀不足之間的矛盾。已有研究證明，施用適量鉀肥可增強魔芋植株抗衰老等抗逆能力[7]。生防微生物對增強魔芋抗病能力也有較好的效果[10-11]。亦有研究表明，微生物制劑在作物連作障礙修復(fù)方面發(fā)揮著重要作用[12-13]。利用微生物制劑可預(yù)防番茄青枯病[14]、修復(fù)三七根際土壤和提高產(chǎn)量[15]、緩解作物連作障礙[12]。本研究使用的微生物制劑婁徹氏鏈霉菌(Streptomycesrochei)D74對魔芋軟腐病[16-17]、稻瘟病[18]及茄青枯病[19]等作物病害具有良好的抑菌防病作用。同時，該放線菌固態(tài)發(fā)酵活菌制劑可修復(fù)魔芋根區(qū)土壤微生態(tài)[20]，減輕病害帶來的經(jīng)濟損失。目前，關(guān)于放線菌劑與肥料配施對作物連作障礙修復(fù)的報道較少。本研究通過放線菌劑與鉀肥配施的盆栽試驗，探索二者聯(lián)合施用提高魔芋產(chǎn)量并降低發(fā)病率，緩解連作障礙的可行性，旨在為魔芋連作障礙的微生物-化學(xué)雙重修復(fù)研究提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材 料

菌劑：婁徹氏鏈霉菌(Streptomycesrochei)D74粉劑具有良好的抑菌抗病及促生功能[16](有效活菌數(shù)為1.8×109CFU/g)，楊凌玉鯤生物技術(shù)有限公司生產(chǎn)。

鉀肥：硫酸鉀(K2O≥50%)，茫崖興元鉀肥有限公司生產(chǎn)。

有機肥：N-P2O5-K2O復(fù)混肥，NPK含量≥5%，m(N)∶m(P)∶m(K)=2∶1∶2，有機肥含量≥15%，陜西楊凌康照農(nóng)業(yè)科技有限公司生產(chǎn)。

魔芋品種及盆栽土壤：安康市當(dāng)?shù)鼗в螅申兾魇垢蘅h魔芋產(chǎn)業(yè)發(fā)展局惠贈。盆栽土取自安康學(xué)院試驗田種植1 a魔芋的土壤，樣地病害較輕，第一茬魔芋軟腐病平均發(fā)病率為4.8%，平均病情指數(shù)10.0。土壤基本理化性質(zhì)：pH 7.12、有機質(zhì)13.05 g/kg、速效氮75.2 mg/kg、速效磷68.4 mg/kg、速效鉀82.7 mg/kg、全氮2.24 g/kg、全磷0.83 g/kg和全鉀15.15 g/kg。

1.2 試驗設(shè)計

盆栽試驗設(shè)4個處理：不施肥空白對照(CK)、單施菌劑(D74)、單施鉀肥(K)、菌劑與鉀肥配施(D74+K)。每處理重復(fù)10盆，每盆1株魔芋。試驗于2018-04-05在安康學(xué)院農(nóng)學(xué)大棚進行。取已種植1 a魔芋的大田土壤過篩去雜，各處理均添加50 g/kg有機肥作為底肥。單施處理每盆添加5.5 g菌劑、13.75 g鉀肥分別拌入盆栽土中，配施處理為每盆添加5.5 g菌劑和13.75 g鉀肥充分混勻。每盆裝土5.5 kg(盆尺寸為口徑×高度= 27 cm× 20 cm)。挑選質(zhì)量為(80±3) g，頂芽健康露白的球莖作為供試種芋，播種前球莖用φ=72%農(nóng)用鏈霉素均勻噴霧浸種10 min以消除種芋帶菌。播種后盆栽魔芋置于透光率為50%的遮陽網(wǎng)下生長，定期給盆栽魔芋澆水，保證適宜的濕度，直到植株倒苗為止。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 生長狀況調(diào)查 于魔芋展葉后，株高恒定的情況下分別測定每處理所有植株的葉幅、地徑和株高。

1.3.3 病害防效 2018年7-9月，調(diào)查魔芋軟腐病的感病情況。軟腐病病害嚴(yán)重程度劃分為4個等級：0級，無明顯的發(fā)病癥狀；1級，<25%植株出現(xiàn)軟腐病癥狀；2級，25%～75%植株出現(xiàn)軟腐病癥狀；3級，>75%植株受侵染[16,22]。軟腐病發(fā)病率、病情指數(shù)和相對防效分別按下式計算。

發(fā)病率=發(fā)病株數(shù)/調(diào)查總株數(shù)×100%

病情指數(shù)=[∑(各級病株數(shù)×各病級軟腐病害嚴(yán)重程度代表值)/(3×調(diào)查總株數(shù))] ×100

相對防效=(對照病情指數(shù)-處理病情指數(shù))/對照病情指數(shù)×100%

1.3.4 產(chǎn)量 2018-10-20收獲時，將魔芋塊莖完整挖出，去掉泥土，稱量統(tǒng)計塊莖鮮質(zhì)量。參照費甫華等[22]的方法，用下式計算塊莖生長系數(shù)。

生長系數(shù)=魔芋塊莖收獲量/魔芋播種量

1.4 數(shù)據(jù)分析

與不施肥對照CK相比較，單施菌劑效應(yīng)、單施鉀肥效應(yīng)及菌劑與鉀肥配施效應(yīng)采用下式計算。

ΔCK=(單施菌劑、單施鉀肥、菌劑與鉀肥配施處理—不施肥CK)/不施肥CK×100%

菌劑與鉀肥配施處理各指標(biāo)較單施菌劑、單施鉀肥處理各指標(biāo)的增率分別用配施的鉀肥效應(yīng)ΔD74、配施的菌劑效應(yīng)ΔK表示，分別按照下式計算。

ΔD74=(菌劑與鉀肥配施—單施菌劑)/單施菌劑×100%

ΔK=(菌劑與鉀肥配施—單施鉀肥)/單施鉀肥×100%

采用SPSS 17.0進行數(shù)據(jù)方差分析，數(shù)據(jù)用“平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差”表示，以Duncan’s法進行差異顯著性檢驗(P<0.05)。采用Pearson法進行相關(guān)分析。采用主成分分析法(PCA)進行各因子的綜合分析評價。使用SigmaPlot10.0軟件進行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 菌劑與鉀肥配施對魔芋生長的影響

由表1可看出，單施菌劑、單施鉀肥及菌劑與鉀肥配施對魔芋生物學(xué)性狀影響不明顯，其株高、葉幅及地徑與對照相比，差異均未達(dá)到顯著水平。

配施處理中，配施的鉀肥效應(yīng)ΔD74對促進魔芋葉幅增加效果最好，其葉幅較單施菌劑增加6.6%，其次地徑增加2.7%，但株高降低2.3%。配施的菌劑效應(yīng)ΔK與配施的鉀肥效應(yīng)ΔD74在對魔芋生物學(xué)性狀影響方面表現(xiàn)出相同的趨勢。與單施鉀肥相比，菌劑與鉀肥配施處理的魔芋葉幅和地徑分別增加3.7%和2.7%，但株高降低1.6%。

由圖1可知，單施菌劑對魔芋單株塊莖鮮質(zhì)量無顯著影響，但單施鉀肥、菌劑與鉀肥配施處理的魔芋單株塊莖鮮質(zhì)量較CK分別顯著增加 65.2%、86.7%。生長系數(shù)反映魔芋塊莖的膨大體積倍數(shù)。其中，菌劑與鉀肥配施處理的魔芋生長系數(shù)最大，達(dá)3.70，較CK顯著增加85.9%；其次是單施鉀肥處理，為3.28；而單施菌劑處理的魔芋生長系數(shù)與CK差異不顯著。

配施處理中，配施的鉀肥效應(yīng)占主導(dǎo)地位，其對魔芋單株塊莖鮮質(zhì)量和生長系數(shù)的影響效應(yīng)分別達(dá)72.6%和72.9%。結(jié)果表明，與菌劑相比，鉀肥對促進魔芋塊莖的膨大發(fā)揮更重要的作用。

表1 不同施肥處理魔芋生物學(xué)性狀Table 1 Biological characters of A.konjac plants under different fertilization treatments

不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)，下同

2.2 菌劑與鉀肥配施對魔芋葉綠素含量的影響

葉綠素含量在一定程度上反映植物光合同化能力。單施菌劑顯著提高魔芋葉片葉綠素a含量(52.9%)、葉綠素(a+b)含量(37.0%)及葉綠素a/b比值(38.8%)。與CK相比，單施鉀肥處理的魔芋葉片葉綠素a、b、葉綠素(a+b)及類胡蘿卜素含量分別顯著增加54.9%、50.0%、53.1%及75.0%。菌劑與鉀肥配施處理的魔芋葉片葉綠素a、葉綠素(a+b)含量、葉綠素a/b及葉綠素(a+b)/類胡蘿卜素比值的變化趨勢與單施菌劑處理類似，其均較CK顯著增加。表明單施菌劑、鉀肥或二者配施能夠提高葉片光合色素濃度，促進魔芋植株積累更多的光合產(chǎn)物(表2)。

配施處理中，配施的菌劑效應(yīng)與配施的鉀肥效應(yīng)對魔芋葉綠素含量相關(guān)指標(biāo)的影響趨勢相同。但是，配施的菌劑效應(yīng)占主導(dǎo)地位，其對葉綠素a/b及葉綠素(a+b)/類胡蘿卜素比值表現(xiàn)為正效應(yīng)，分別為36.9%和39.8%，而對葉綠素a、b、葉綠素(a+b)及類胡蘿卜素含量的影響表現(xiàn)為負(fù)效應(yīng)。

表2 不同施肥處理魔芋葉片葉綠素含量Table 2 Chlorophyll(Chl) content in leaves of A.konjac plants under different fertilization treatments

2.3 菌劑與鉀肥配施對魔芋生理代謝的影響

表3 不同施肥處理魔芋葉片活性氧代謝Table 3 Reactive oxygen metabolism in leaves of A.konjac plants under different fertilization treatments

可溶性蛋白、可溶性糖及游離脯氨酸等物質(zhì)積累是植物體平衡滲透勢保護細(xì)胞的重要措施[23]。由圖2可看出，單施菌劑、菌劑與鉀肥配施處理的魔芋葉片可溶性蛋白和可溶性糖含量分別較對照顯著增加60.0%和74.5%、180.0%和109.1%。單施鉀肥處理也提高了魔芋葉片可溶性糖和游離脯氨酸含量，其分別較CK顯著增加136.4%和41.2%。

配施處理中，鉀肥對滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的影響表現(xiàn)為正效應(yīng)，其對可溶性蛋白、可溶性糖及游離脯氨酸配施的鉀肥效應(yīng)分別為75.0%、21.1%及 8.2%。配施的菌劑效應(yīng)對可溶性蛋白含量的影響也為正效應(yīng)(162.5%)，但對可溶性糖和游離脯氨酸含量的影響趨勢與之相反，其配施的菌劑效應(yīng)分別為-11.5%和-23.3%。

圖2 不同施肥處理魔芋葉片滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量Fig.2 Content of osmotic adjustment substances in A.konjac leaves under different fertilization treatments

2.4 菌劑與鉀肥配施對魔芋軟腐病害的影響

由圖3可知，單施菌劑處理的魔芋植株無軟腐病害發(fā)生，但單施鉀肥與對照的發(fā)病率均為10%，菌劑與鉀肥配施的發(fā)病率是對照的2倍。與對照相比，單施鉀肥、菌劑與鉀肥配施處理的魔芋軟腐病病情指數(shù)分別降低67.0%和33.0%。單施菌劑、單施鉀肥、菌劑與鉀肥配施均對魔芋軟腐病有一定的防效，其相對防效分別為100.0%、67.0%、33.0%，其中單施菌劑的防效最佳。

圖3 不同施肥處理魔芋軟腐病發(fā)病率(A)、病情指數(shù)(B)與相對防效(C)Fig.3 Disease incidence(A),disease index(B),and relative control efficacy(C) of soft rot in A.konjac plants under different fertilization treatments

2.5 不同施肥處理對魔芋生理生化指標(biāo)的綜合影響

表4 魔芋生物學(xué)性狀、生理生化指標(biāo)、軟腐病發(fā)病率及產(chǎn)量間相關(guān)系數(shù)矩陣Table 4 Correlation matrix between biological characters,physiochemical indices,soft rot disease incidence,and yield of A.konjac

利用主成分分析(PCA)得出第一、第二和第三主成分的特征值分別為9.932、6.216和 5.852，3個主成分累積貢獻率達(dá)100%，說明它們涵蓋了原始變量的所有信息(表5)。因此，以3個主成分代替原來的19個指標(biāo)評價不同施肥處理對魔芋生長的綜合影響，達(dá)到降維的目的。

由主成分因子載荷矩陣(表6)可看出，在第一主成分中，葉綠素b具有最大的載荷權(quán)數(shù) (0.950)；第二、第三主成分中，葉幅、相對防效分別具有最大正系數(shù)(0.947、0.837)，以上3個指標(biāo)代表了主成分中產(chǎn)生最大的正向影響。根據(jù)PCA分析結(jié)果，提取3個主成分對4種施肥處理進行綜合評價，以各方差貢獻率作為加權(quán)系數(shù)，與第一、第二和第三得分值(表7)結(jié)合建立評價函數(shù)并計算獲得綜合評價分?jǐn)?shù)。結(jié)果表明，不同施肥處理對魔芋生長的綜合作用效果順序為：菌劑與鉀肥配施>單施鉀肥>單施菌劑>不施肥 對照。

表5 主成分分析結(jié)果Table 5 Results of principal component analysis

3 討論與結(jié)論

3.1 菌劑、鉀肥對魔芋葉片葉綠素含量的影響

施肥水平對植物葉色有一定的影響[24]。胡靜靜等[25]研究認(rèn)為，葉片色素含量和比例直接影響黃連木的葉色。本研究中，單施菌劑條件下魔芋葉片葉綠素a、a+b含量及葉綠素a/b比值均顯著增加。菌劑施入連作土壤后，菌劑中有益微生物婁徹氏鏈霉菌的代謝活動改善了土壤微生態(tài)環(huán)境[17]，創(chuàng)造了適宜魔芋根系健康生長的環(huán)境條件，使其根系活力提高，產(chǎn)生更多的營養(yǎng)物質(zhì)進而促進連作條件下魔芋植株光合性能的提高。

鉀素營養(yǎng)亦能促進植物葉綠素的合成[26]。本研究表明，單施鉀肥顯著增加連作魔芋葉片葉綠素a、b、a+b及類胡蘿卜素含量，該結(jié)果與前人在甘薯[27]和桂花[28]上的相關(guān)研究一致。施用適量鉀肥有助于提高魔芋葉片葉綠素合成能力，促進光能的吸收、傳遞和光合產(chǎn)物的合成、轉(zhuǎn)運與積累，鉀素可能通過提高硝酸還原酶活性來促進氨的同化[29]，但該推論有待于進一步驗證。

3.2 菌劑與鉀肥配施對魔芋生理代謝的影響

SOD和POD等保護酶是衡量植物體內(nèi)防衛(wèi)反應(yīng)的重要指標(biāo)[30]；MDA是細(xì)胞膜脂過氧化的終產(chǎn)物，其含量反映植物遭受逆境脅迫的程度[31]。本研究發(fā)現(xiàn)，單施菌劑、菌劑與鉀肥配施提高了魔芋葉片POD活性，減少了膜脂過氧化產(chǎn)物MDA的生成，反映出菌劑對魔芋葉片誘導(dǎo)抗性產(chǎn)生積極影響，在一定程度上提高魔芋植株的抗逆性及健康程度。在配施處理中，配施的菌劑效應(yīng)對魔芋葉片活性氧代謝的影響占主導(dǎo)地位，表明配施條件下菌劑效應(yīng)比鉀肥效應(yīng)表現(xiàn)出更明顯的清除活性氧自由基的作用。

表7 主成分因子得分和綜合得分Table 7 Score and comprehensive score of principal components

碳水化合物是植物生理代謝活動的基本能量物質(zhì)，其含量變化反映環(huán)境對植物生長發(fā)育的影響[32-33]。3種施肥處理顯著提高了魔芋葉片中碳水化合物可溶性糖含量，說明婁徹氏鏈霉菌和鉀素的存在對魔芋的碳代謝活性及抗性生理發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。可溶性蛋白含量是反映植物體總代謝的一個重要指標(biāo)[33]，對魔芋的生長發(fā)育具有重要意義。從本研究可知，單施菌劑、菌劑與鉀肥配施有利于魔芋葉片可溶性蛋白的積累，這與申光輝等[34]在連作草莓中的研究結(jié)果相類似。配施的鉀肥效應(yīng)主導(dǎo)并促進碳水化合物的運轉(zhuǎn)，配施的菌劑效應(yīng)主導(dǎo)并提高植物體內(nèi)的化合氮，碳水化合物與化合氮結(jié)合形成蛋白質(zhì)，從而提高了可溶性蛋白含量，最終表現(xiàn)出魔芋的抗逆能力增強，產(chǎn)量提高。

3.3 菌劑與鉀肥配施對魔芋抗病性和產(chǎn)量的 影響

魔芋作為地下形成產(chǎn)品器官的單子葉植物，在其生長過程中易出現(xiàn)地上徒長、地下塊莖膨大緩慢、光合產(chǎn)物分配率降低等問題，導(dǎo)致塊莖產(chǎn)量和經(jīng)濟系數(shù)下降[35]。已有研究表明，光合產(chǎn)物在作物塊莖中的分配率受土壤水分及養(yǎng)分狀況等多種因素影響[36-38]。其中，鉀素是影響植物光合產(chǎn)物轉(zhuǎn)運與分配的重要因素之一。研究表明，施用適量鉀肥對魔芋塊莖的膨大有顯著促進作用[7,31,39]。本研究結(jié)果與之相似，單施鉀肥或與菌劑配施的連作魔芋單株塊莖鮮質(zhì)量顯著增加，主導(dǎo)因子鉀肥通過促進魔芋源端與庫端光合產(chǎn)物的裝載與卸載，提高光合產(chǎn)物由葉片向塊莖的轉(zhuǎn)運效率及功能葉片光合產(chǎn)物在塊莖中的分配率，從而發(fā)揮提高塊莖產(chǎn)量的鉀肥效應(yīng)。

配施的菌劑效應(yīng)對魔芋產(chǎn)量的貢獻明顯小于配施的鉀肥效應(yīng)，但專門以軟腐病菌為靶標(biāo)菌篩選制備的婁徹氏鏈霉菌活菌制劑在降低魔芋軟腐病害發(fā)生率和發(fā)病指數(shù)[13]方面發(fā)揮至關(guān)重要的作用，該菌的代謝產(chǎn)物在細(xì)菌性角斑病、辣椒疫霉病、番茄灰霉病等植物病害防治方面也有應(yīng)用[40-41]。

3.4 菌劑與鉀肥配施對魔芋生長的綜合影響

本研究發(fā)現(xiàn)，菌劑與鉀肥配施對連作魔芋生長影響的協(xié)同程度和方向不同。如魔芋葉片可溶性蛋白含量和單株塊莖鮮質(zhì)量均表現(xiàn)為配施優(yōu)于單施菌劑或鉀肥，二者配施的協(xié)同效果表現(xiàn)為正效應(yīng)。而配施對魔芋葉綠素含量和活性氧代謝相關(guān)部分指標(biāo)的協(xié)同效果與之相反，表現(xiàn)出單施處理優(yōu)于配施，其中單施鉀肥效果更明顯，而配施的協(xié)同效果表現(xiàn)出負(fù)效應(yīng)，其機理有待深入研究。

通過相關(guān)性分析可知，各參數(shù)間存在一定的關(guān)聯(lián)，僅采用單一指標(biāo)很難全面準(zhǔn)確地評價施肥對魔芋植株生長的綜合影響，通過分析多個指標(biāo)可以全面評價不同施肥處理對魔芋連作障礙的修復(fù)效果。本研究采用PCA分析找出所測指標(biāo)間的內(nèi)在聯(lián)系，既有效減少了評價指標(biāo)的數(shù)量[42]，又保留了原始變量的所有信息。經(jīng)PCA分析，根據(jù)得分模型計算的綜合得分進行排序，菌劑與鉀肥配施對連作魔芋具有抗病促生效果，可將其作為新技術(shù)，進一步進行營養(yǎng)吸收轉(zhuǎn)運、配施協(xié)同作用機制及調(diào)控因素等方面的深入探究，有助于推進連作障礙修復(fù)和抗土傳病害機制的研究。