土壤礦質元素對馬鈴薯晚疫病發生的影響

劉 沛，劉天忠，王 丹，胡先奇

（云南農業大學 云南生物資源保護與利用國家重點實驗室，云南 昆明 605201）

晚疫病是全球范圍內馬鈴薯生產上的第一大病害［1］。該病在我國常年發生面積205萬hm2，造成產量減少10%~30%，嚴重流行時可達減產50%甚至絕收［2］。礦質元素是馬鈴薯正常生長所必需的營養元素，同時對馬鈴薯晚疫病的發生具有直接或間接的影響［3］。探究土壤理化指標變化與馬鈴薯晚疫病發生的規律，研究土壤礦質元素缺乏對馬鈴薯生長及晚疫病發生的影響，有助于通過合理施肥措施達到增強植物抗病能力，減少晚疫病發生的效果，對于化肥、農藥減施增效目標的達成具有重要意義。

按植物對礦質元素的需求量和植物體內礦質元素的含量，可以將礦質元素分為大量元素（氮N、磷P、鉀K）、中量元素（鈣Ca、鎂Mg等）和微量元素（鋅Zn、錳Mn等）［4］。氮元素是植物生長需求量最大的礦質元素，氮元素缺乏會使植物生長嚴重受限［5］。在缺氮培養條件下，番茄（Lycopersicon esculentum）對尖孢鐮刀菌（Fusarium oxysporum）的侵染表現出敏感性［6］；葡萄（Vitis vinifera）對灰霉病菌（Botrytis cinerea）侵染的敏感性上升2.5倍［7］。磷元素是細胞的重要組成元素，同時對大多數植物病害的發生具有選擇性抑制作用［8］。缺磷培養會增加全蝕病菌（Gaeumannomyces graminis）對小麥（Triticum aestivum）的侵染能力［9］。鉀元素參與調節細胞滲透壓，增厚細胞壁，刺激產生木質素、纖維素等多種生理過程，一般具有提高植物抗病性的功能［10］。增施鉀肥可以減輕棉花（Gossypium spp.）葉斑病的發生［11］，對棉花黃枯萎病有明顯防效［12］。與鉀元素相似，鈣元素也是植物抵抗病原侵染，減輕病害發生的重要元素［13］。鈣元素可以提高櫟樹（Quercus ilex）對疫霉菌（Phytophthora spp.）病害的耐受性［14］。鎂元素在植物與病害相互關系中的作用呈現搖擺性，有研究顯示，增施鎂元素提高了花椰菜（Brassica oleracea）頭腐病的發病率［15］；而吸收和利用鎂是稻瘟菌（Magnaporthe oryzae）在水稻（Oryza sativa）上生長、發育和侵染的基礎［16］；另有研究卻證明，鎂元素可以抑制枯萎病和軟腐病的病原菌［17］。鋅可直接毒害病原體，也可影響植物體內氧化酶和酚酶的活性，從而影響植物的抗病性［18］。噴施硫酸鋅溶液可以有效防治玉米（Zea mays）莖基腐病［19］。

目前，針對礦質元素與馬鈴薯生長和晚疫病發生的相關研究還較為缺乏，關于馬鈴薯對單個礦質元素缺乏的相關反應不夠明確。本研究擬通過連續調查馬鈴薯種植田塊的土壤理化性質的變化規律，并采用單因子礦質元素缺失盆栽實驗分析土壤礦質元素對馬鈴薯的生長及晚疫病發生的影響，初步明確各礦質元素的影響程度及規律。本研究結果將為深入研究礦質元素、馬鈴薯及晚疫病菌的相互作用提供基礎，同時指導化學肥料在馬鈴薯生產中的科學合理施用。

1 材料與方法

1.1 田間試驗時間、地點及采樣方法

田間試驗于2019年6月8日~9月6日在云南省昆明市尋甸縣大河橋云南農業大學試驗基地進行。馬鈴薯種植田塊大小約為20 m×10 m。馬鈴薯種植品種為合作88。分別在6月8日、6月23日、7月8日、7月23日、8月7日和9月6日采用5點取樣法對種植田塊的土壤進行取樣，每個樣點采集5份土壤樣本用于土壤理化性質測定。在每個取樣點附近對15株馬鈴薯進行晚疫病發生程度調查，統計病情指數。

1.2 土壤理化性質測定

土壤樣本的pH值、有機質、堿解氮、速效磷、速效鉀含量由云南農業大學國家農科專業基礎實驗教學示范中心測定。

1.3 溫室盆栽實驗方案

1.3.1 礦質元素缺失處理 盆栽實驗在云南農業大學日光溫室中進行。實驗采用底直徑20 cm、高30 cm的塑料花盆，每盆裝入滅菌的椰糠∶珍珠巖（3∶1，v/v）營養培養基質，之后種植1個合作88原薯。實驗設計6個處理：磷元素缺失處理組（P-）、鉀元素缺失處理組（K-）、鈣元素缺失處理組（Ca-）、鎂元素缺失處理組（Mg-）、鋅元素缺失處理組（Zn-）及施用完全營養的處理組（對照組，CK）。每個處理種植15株馬鈴薯。處理方式為配制相應營養液，分別在馬鈴薯定植時、出苗后及現蕾期按每盆0.3 L進行澆灌。

營養液配制主要依據MS培養基配方［20］，并參考了馬鈴薯測土配方的結果［21］，成分如表1所示。

1.3.2 晚疫病孢子懸浮液制備及人工接種 取實驗室保存的晚疫病菌接種于黑麥-番茄固體培養基［22］上，經三區劃線法活化。挑取單菌落懸浮于無菌水中，充分混勻后均勻涂布于黑麥-番茄固體培養基上，10~15 d后菌絲長滿培養基表面。以無菌水將晚疫病菌孢子囊洗下，用300目篩網過濾除去菌絲體，定容至50 mL，用血球計數板測定并稀釋孢子囊數目至2000~4000個/mL［23］，于4 ℃冰箱放置30 min使孢子釋放。將懸浮液稀釋5倍至終體積為250 mL，即可進行人工接種［24］在馬鈴薯現蕾前期直接將上述孢子懸浮液均勻地噴灑于各個處理的植株正反兩面的葉片上，進行人工接種。

1.4 馬鈴薯生理指標的測定方法

1.4.1 葉綠素的測定 用直徑6 mm打孔器在葉片樣品上打孔取樣，每個樣品打3個孔并記錄質量（g）。將樣品置于10 mL塑料離心管中，加入6 mL 95%乙醇提取葉綠素，靜置提取2 d后通過比色法測定葉綠素含量。以95%乙醇為空白對照，分別測定649 nm和665 nm波長下各浸提液的吸光值，按如下公式分別計算葉綠素a和b的值：葉綠素a（Ca）=13.95OD665-6.88OD649；葉綠素b（Cb）=24.96OD649-7.32OD665；總葉綠素（Ct）=Ca+Cb。葉片鮮重葉綠素含量（mg/g）=（Ct×6）/葉片鮮重質量［25］。

1.4.2 平均株高的測定 定植90 d時用卷尺測量各處理植株地面莖基部至葉尖第1片新葉葉叉處長度，記為株高（cm）。以各處理組內的重復數計算平均株高。

1.4.3 平均薯重的測定 定植90 d后收獲馬鈴薯，洗凈晾干后統計各處理的結薯數、單個薯塊的薯重（g），計算平均薯重。

1.5 馬鈴薯植株及薯塊晚疫病發生調查統計方法

對馬鈴薯植株晚疫病整體發病和葉片病斑進行調查，依照植株發病程度和葉片病斑面積進行分級。分級標準為：無明顯病斑為0級；病斑較少，每株病斑數少于10個為1級；病斑較多，葉片病斑面積小于25%為2級；植株中度發病，葉片病斑面積超過50%為3級；植株嚴重落葉但未干枯為4級；植株整體枯死為5級。之后計算病情指數：病情指數=Σ（各病級株數×病級級數）/［（調查總株數×5）×100］［26］。

調查馬鈴薯薯塊晚疫病的薯塊病斑面積占比，然后進行分級。分級標準為：薯塊無病斑為0級；薯塊病斑占比小于5%為1級；病斑占比5%~10%為2級；占比10%~25%為3級；占比25%~50%為4級；占比超過50%為5級。之后按如下公式計算病情指數：病情指數=Σ（各病級薯塊數×病級級數）/［（調查總薯數×5）×100］［26］。

2 結果與分析

2.1 土壤理化性質與馬鈴薯晚疫病發生動態變化

從定植開始，連續在馬鈴薯不同生長期對種植田塊的土壤進行取樣調查，分別測定土壤中有機質、堿解氮、速效磷、速效鉀的含量，以及pH值，分析它們的動態變化規律。分析結果顯示（圖1）：取樣點田塊為堿性土壤，在馬鈴薯整個生長期間土壤pH動態變化不明顯（8.366±0.10~8.44±0.07）。與定植時（0 d，28.56±2.8 g/kg）調查數據相比，有機質含量在苗期（15 d，30.68±3.2 g/kg）略有上升，從現蕾期（30 d，28.16±3.0 g/kg）至初花期（45 d，25.24±2.8 g/kg）持續下降，在盛花期（60 d，30.18±1.4 g/kg）時又再次上升，至衰老期（90 d，27.06±2.4 g/kg）時又再次下降。堿解氮含量在馬鈴薯苗期（15 d，45.02±4.22 mg/kg）、現蕾期（30 d，46.15±3.88 mg/kg）、初花期（45 d，46.57±2.36 mg/kg）均低于定植時（0 d，51.92±3.27 mg/kg），至盛花期（60 d，56.98±5.69 mg/kg）時上升，衰老期（90 d，44.18±3.86 mg/kg）時又下降。速效磷含量從定植（0 d，17.27±1.13 mg/kg）至苗期（15 d，17.29±1.20 mg/kg）保持穩定，在現蕾期（30 d，14.67±1.8 mg/kg）時呈下降趨勢，至初花期（45 d，15.93±1.62 mg/kg）又略有回升，至盛花期（60 d，16.34±1.84 mg/kg）和衰老期（90 d，16.25±1.72 mg/kg）保持穩定。速效鉀含量在定植時（0 d）為156.68±11.96 mg/kg，在苗期（15 d，168.21±10.42 mg/kg）及現蕾期（30 d，164.37±19.99 mg/kg）基本穩定，初花期（45 d，149.95±11.06 mg/kg）下降，在盛花期（60 d，153.79±11.96 mg/kg）及衰老期（90 d，151.87±4.02 mg/kg）略有上升。

對調查樣點所種植的馬鈴薯各生長期地上部分晚疫病發生情況進行統計分析發現（圖1）：在苗期（15 d）即可在馬鈴薯葉片上觀察到零星病斑，病情指數為0.44±0.22；之后晚疫病發生逐漸加重，病情指數不斷升高：在現蕾期（30 d）為9.56±4.02，在初花期（45 d）為46.52±9.85，至盛花期（60 d）時病情指數達到極值87.78±11.46，在衰老期（90 d）為81.98±5.36，之后植株持續發病直至死亡。

圖1 土壤理化性質及馬鈴薯晚疫病發生動態

對照分析土壤理化指標變化動態與馬鈴薯地上部分晚疫病發生動態可以看出，有機質與堿解氮含量在馬鈴薯生長的早期至中期（15~45 d）有下降趨勢，表明有機質和氮元素作為馬鈴薯生長的重要營養物質和元素，在馬鈴薯迅速生長和生物量積累階段的需求量增加。馬鈴薯晚疫病在苗期（15 d）至盛花期（60 d）為快速發生階段；在這個過程中，速效磷含量在現蕾期（30 d），速效鉀含量在初花期（45 d）均有下降趨勢，表明磷元素和鉀元素可能參與了馬鈴薯對晚疫病菌的防御過程。

2.2 礦質元素缺失培養對馬鈴薯生長的影響

結合田間調查得出的初步規律，設置不同礦質元素缺失的盆栽實驗處理，以施用完全營養處理為對照（CK），分析不同礦質元素對馬鈴薯生長的影響。首先以馬鈴薯葉片葉綠素含量為評價指標，分析不同處理在馬鈴薯各生長期對葉綠素合成的影響，結果顯示（圖2）：在現蕾期（30 d），與CK（2.74±0.29 mg/g）相比，磷元素缺失處理組的馬鈴薯葉片葉綠素含量（P-，1.89±0.20 mg/g）與鉀元素缺失處理組（K-，2.0±0.17 mg/g）的比較明顯降低，呈顯著差異（P＜0.05）；鈣元素缺失處理組（Ca-，2.41±0.08 mg/g）、鎂元素缺失處理組（Mg-，2.38±0.22 mg/g）和鋅元素缺失處理組的葉綠素含量（Zn-，2.45±0.13 mg/g）與CK相比差異不顯著。初花期（45 d）時，P-（1.96±0.22 mg/g）、K-（1.81±0.15 mg/g）和Ca-（2.18±0.13 mg/g）3個處理組的葉綠素含量與CK（2.65±0.28 mg/g）相比顯著降低（P＜0.05），Mg-（2.47±0.15 mg/g）和Zn-（2.12±0.19 mg/g）處理組與CK相比差異不顯著。在盛花期（60 d）至衰老期（90 d），P-（0.65±0.12 mg/g，0.39±0.06 mg/g）和K-（0.65±0.07 mg/g，0.35±0.07 mg/g）處理組與CK（1.39±0.21 mg/g，0.73±0.15 mg/g）相比葉綠素含量顯著降低（P＜0.05），Ca-（1.04±0.16 mg/g，0.62±0.16 mg/g）、Mg-（0.97±0.18 mg/g，0.63±0.09 mg/g）和Zn-（0.96±0.22 mg/g，0.66±0.13 mg/g）3個處理組的葉綠素含量與CK相比差異不顯著。

圖2 礦質元素缺失處理對馬鈴薯不同生長期葉片葉綠素含量的影響

在衰老期（90 d）對馬鈴薯的株高進行統計分析，結果顯示：CK的平均株高為89.88±7.06 cm，P-和K-處理組的平均株高分別為70.38±6.18 cm和71.25±8.51 cm，均顯著低于CK（P＜0.05）；Ca-、Mg-和Zn-處理組的平均株高分別為87.38±7.62、98.81±10.06和85.44±5.69 cm，與CK相比差異不顯著（圖3）。

圖3 礦質元素缺失處理對馬鈴薯株高的影響

在衰老期（90 d）對馬鈴薯的結薯情況進行統計分析，結果表明（圖4）：CK的平均薯重為11.35±1.06 g，K-、Ca-、Mg-和Zn-處理組的平均薯重分別為8.12±1.01、5.77±1.39、8.95±1.42和7.34±0.97 g，均顯著低于CK的平均薯重（P＜0.05）。P-處理組的平均薯重為5.71±1.29 g，與CK相比差異極顯著（P＜0.01）。

圖4 礦質元素缺失處理對馬鈴薯平均薯重的影響

通過礦質元素缺失盆栽實驗分析可以看出，磷元素和鉀元素對馬鈴薯葉綠素合成的影響作用明顯：從現蕾期（30 d）開始，P-和K-處理組馬鈴薯葉片的葉綠素含量顯著（P＜0.05）低于CK對照，影響效果一直持續至馬鈴薯衰老期（90 d）。Ca-處理組馬鈴薯葉片葉綠素含量僅在初花期（45 d）顯著（P＜0.05）低于CK，在其他時期差異不顯著。Mg-和Zn-處理組的葉綠素含量在全過程中與CK無顯著差異。對株高的統計分析也顯示出磷元素和鉀元素對馬鈴薯株高影響明顯：P-和K-處理組的平均株高顯著（P＜0.05）低于CK，而Ca-、Mg-和Zn-處理組與CK無顯著差異。對馬鈴薯平均薯重的統計分析顯示，與CK相比各礦質元素缺失處理均顯著（P＜0.05）影響了馬鈴薯的平均薯重；其中P-處理組影響最突出，平均薯重與CK相比差異極顯著（P＜0.01）。綜合上述分析可以發現，在各礦質元素中，磷元素與鉀元素對馬鈴薯的生長影響最為明顯，這兩種元素同時影響了馬鈴薯地上部的生長、營養物質積累和地下部薯塊的生物質積累。

2.3 礦質元素缺失培養對馬鈴薯晚疫病發生的影響

通過礦質元素缺失培養盆栽實驗，調查統計各礦質元素缺失條件下馬鈴薯不同生長期地上部晚疫病發生的病情指數，分析各礦質元素對馬鈴薯晚疫病發生的影響，結果顯示（圖5）：在現蕾期（30 d），P-（24.14±5.33）、K-（27.78±5.01）、Ca-（20.59±4.28）和Zn-（18.92±3.60）處理組與CK（8.14±2.15）相比病情指數差異顯著（P＜0.05）；Mg-（9.38±1.91）處理組與CK相比差異不顯著。在初花期（45 d），K-（20.83±4.94）、Ca-（29.41±6.22）、Mg-（21.88±3.59）和Zn-（21.62±4.28）處理組與CK（9.30±3.02）相比病情指數差異顯著（P＜0.05）；P-（65.51±6.87）處理組與CK相比差異極顯著（P＜0.01）。在盛花期（60 d）及衰老期（90 d），K-（31.48±4.88、34.72±4.28）、Ca-（23.23±5.43、25.11±4.99）和Zn-（32.35±3.76、31.37±4.12）處理組與CK（24.03±5.11、25.58±5.08）相 比 病 情 指 數 差 異 不 顯 著；Mg-（40.01±4.21、43.33±6.02）處理組與CK相比病情指數差異顯著（P＜0.05）；P-（82.75±6.02、94.83±4.28）處理組與CK相比病情指數差異極顯著（P＜0.01）。

圖5 礦質元素缺失處理對馬鈴薯地上部晚疫病發生的影響

在衰老期（90 d）對馬鈴薯薯塊晚疫病發生情 況 統 計 分 析 顯 示（圖6）：K-（1.43±0.32）、Ca-（0.89±0.29）和Zn-（1.94±0.66）處理組與CK（1.13±0.44）相比，薯塊病情指數差異不顯著；Mg-（3.31±0.53）處理組與CK相比病情指數差異顯著（P＜0.05）；P-（5.10±0.72）處理組與CK相比病情指數差異極顯著（P＜0.01）。

圖6 礦質元素缺失處理對馬鈴薯薯塊晚疫病發生的影響

對植株病情指數的統計分析顯示，K-、Ca-和Zn-處理組與CK相比，病情指數在現蕾期（30 d）至初花期（45 d）差異顯著（P＜0.05），在盛花期（60 d）至衰老期（90 d）差異不顯著，說明鉀元素、鈣元素和鋅元素可能參與了馬鈴薯早期防御晚疫病的過程。Mg-處理組與CK相比，病情指數在初花期（45 d）至衰老期（90 d）差異顯著（P＜0.05），說明鎂元素影響馬鈴薯防御晚疫病的作用可能滯后于前述3種礦質元素。P-處理組與CK相比，病情指數在現蕾期（30 d）差異顯著（P＜0.05），在初花期（45 d）至衰老期（90 d）時差異極顯著（P＜0.01），說明磷元素在馬鈴薯防御晚疫病的早期即發揮作用，同時其可能的抗病作用持續了馬鈴薯整個生長期，表明磷元素在馬鈴薯晚疫病發生的過程中可能具有更加重要的作用。

對薯塊晚疫病發生的統計分析同樣顯示，P-處理組與CK相比，病情指數差異極顯著（P＜0.01），而Mg-處理組與CK相比差異顯著（P＜0.05），K-、Ca-和Zn-處理組與CK相比差異不顯著，該結果進一步說明磷元素在馬鈴薯地上和地下部分防御晚疫病的過程中，均發揮重要作用。

3 結論與討論

研究發現，大量元素磷與鉀對馬鈴薯地上、地下部分的生長均有明顯影響：在磷、鉀元素缺失培養條件下，馬鈴薯葉片葉綠素含量、植株株高及薯塊重量等指標均顯著小于完全營養處理的對照組，而中、微量元素鈣、鎂、鋅僅對馬鈴薯的薯重有顯著影響。本研究結果與已有對大量元素和中、微量元素生理功能的相關研究結果一致［27］。同時我們也注意到，鎂作為構成植物葉綠素的結構性元素［28］，應當對葉綠素的合成起到較為關鍵的作用。但本研究數據顯示，在鎂元素缺失培養條件下，各生長期馬鈴薯葉片中葉綠素含量與完全營養對照處理相比較沒有顯著差異（圖2）。該結果表明鎂元素對葉綠素合成的影響可能是一個潛在的復雜機制，相關機理還需要進一步深入研究。

各礦質元素缺失培養對馬鈴薯地上部分晚疫病的發生均有顯著影響，而僅磷和鎂元素缺失對馬鈴薯薯塊晚疫病發生的影響顯著（圖5、圖6），其中以磷元素的影響最為明顯。在磷元素缺失培養條件下，馬鈴薯地上部分晚疫病發生時間早，病情指數顯著高于其他處理；磷元素缺失也顯著增加了薯塊晚疫病的病情指數。而同為大量元素的鉀，在馬鈴薯與晚疫病互作的過程中發揮的作用則明顯弱于磷元素，與中、微量元素作用相當。由此可見，在馬鈴薯種植過程中，應當尤其重視磷元素的補充。在馬鈴薯生長早期適時、適量補充磷肥，對于馬鈴薯抵抗晚疫病菌侵染，減輕晚疫病發生，提高馬鈴薯產量及商品質量具有關鍵作用。

在本研究開展前期，我們進行了氮元素缺失培養的預實驗。馬鈴薯植株在苗期（15 d）即表現出明顯的葉片褪綠、植株矮小、生長緩慢等典型營養缺乏癥狀［29］，之后植株黃化加重，持續生長不良，至定植30 d（現蕾期）時基本上已經干枯死亡，無法再開展后續人工接種晚疫病菌孢子及測定工作。因此，在本研究實驗設計下，沒有獲得氮元素完全缺失培養對馬鈴薯生長及晚疫病發生的相關研究數據。鑒于氮元素在植物正常生長中的決定性作用，后續對氮元素缺失影響的相關研究，應當補充基本含量的氮元素以保證植物生長的需求和后續實驗的進行，同時設計不同的氮元素含量梯度實驗，細化分析相關影響。

本研究重點分析了單因子礦質元素缺失培養條件對馬鈴薯生長和晚疫病發生的影響。但土壤是一個復雜的生態環境系統［30］。礦質元素在土壤中除以單因子發揮作用外，還存在復雜的相互作用關系。例如，土壤中鉀氮元素比例（K/N）影響了檸檬流膠病的發生，當K/N提高至0.455時，檸檬流膠病感染率大幅下降［31］。在石灰性土壤中，陽離子間拮抗作用明顯，鈣、鎂離子會影響煙草對鉀的吸收，降低煙草品質［32］。關于礦質元素之間相互作用關系及對植物生長、抗病等的影響，有待進一步研究揭示。

致謝：特此感謝云南農業大學國家農科專業基礎實驗教學示范中心李少明教授在土壤理化性質測定實驗中提供的幫助。