基施鋅肥對長期連作馬鈴薯抗病性相關酶活性、土傳病害和產量的影響

謝奎忠 孫小花 羅愛花 柳永強 唐德晶 朱永永 胡新元

（1甘肅省農業(yè)科學院馬鈴薯研究所，730070，甘肅蘭州；2西北師范大學地理與環(huán)境科學學院，730070，甘肅蘭州；3甘肅省農業(yè)技術推廣總站，730020，甘肅蘭州）

馬鈴薯是甘肅省地理標志產品，品質好，產量高，享譽國內外[1]。馬鈴薯種植的高效益促進當地種植面積不斷擴大，集約化種植程度不斷提高，使得當地馬鈴薯連作現象越來越普遍，甚至連作年限長達7～8年[2]。連作使得土壤營養(yǎng)元素逐漸缺失且得不到及時補充，出現缺素癥，土壤養(yǎng)分比例逐漸失調。卜東升等[3]研究表明，新疆棉田土壤有效鋅在連作超過5年后呈下降趨勢。多年連作使作物根系有選擇地吸收利于自身抵御逆境的物質，造成土壤單一養(yǎng)分過度消耗，導致植株缺乏某些必需營養(yǎng)元素，使作物抗逆能力下降、病蟲害加重，直接影響正常生長和發(fā)育，產量和品質會隨之下降[4-6]。

鋅是動植物體內必需微量元素之一，一旦缺鋅，作物的細胞膜結構會受到破壞[7]，導致細胞內小分子有機物向外界大量滲漏[8]，根系滲漏小分子有機物質是土壤中病原菌的誘餌[9]。需要適量鋅保護根細胞膜結構的完整性和通透性來調控根系分泌物變化，阻止土壤中病原菌入侵根系[10]，減少土傳病害發(fā)生。鋅肥的施入可以促進植物根系的養(yǎng)分吸收，還可以促進生長素的合成，鋅也是調節(jié)酶活性的活化劑，能提高作物生長過程中抗病和抗蟲害能力[11-16]。

甘肅馬鈴薯生產中大多施用氮肥和磷肥，鋅肥施用較少，加上長期連作使得馬鈴薯的品質和產量停滯不前，甚至可能倒退。為探明增施鋅肥對連作馬鈴薯抗病性及產量的影響，對長期連作馬鈴薯增施不同量的鋅肥，研究其對馬鈴薯抗病性相關酶活性、土傳病害發(fā)生和經濟產量的影響，為甘肅馬鈴薯產業(yè)發(fā)展提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗在甘肅省定西市安定區(qū)寧遠鎮(zhèn)紅土村甘肅省農業(yè)科學院馬鈴薯研究所試驗基地進行，耕作層土壤有機質13.89g/kg、全氮1.02g/kg、全磷0.83g/kg、全鉀23.72g/kg、堿解氮58mg/kg、速效磷30.07mg/kg、速效鉀393mg/kg、pH 8.31。

1.2 試驗設計

試驗在連續(xù)5年種植馬鈴薯的大田進行，共設5個處理，基肥中分別加入0（CK）、15、30、45、60kg/hm2ZnSO4·7H2O，各處理重復3次，隨機區(qū)組排列，小區(qū)面積21.0m2（5.0m×4.2m）。

試驗于2020和2021年4月下旬播種，品種為隴薯14號，行距60.00cm，株距33.00cm，密度為50 500株/hm2，施肥參照當地標準，施純N 150kg/hm2、P2O5120kg/hm2、K2O75kg/hm2、農家肥37500kg/hm2，各處理ZnSO4·7H2O和基肥混勻一起施入。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 馬鈴薯根系相關酶活性 在馬鈴薯薯塊膨大期，每個小區(qū)挖出5株馬鈴薯，抖動根系土壤，收集所有挖出的毛根，剪取距根尖10cm處部分毛根作為樣品，用蘇州科銘生物技術有限公司提供的試劑盒測定根系中超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）和過氧化氫酶（CAT）活性及丙二醛（MDA）含量。

1.3.2 土傳病害的調查和統計 參照曲延軍等[17]和朱亞萍等[18]對馬鈴薯枯萎病和黑痣病病情分級標準（表1），調查和統計馬鈴薯枯萎病和黑痣病發(fā)病率和病情指數。

表1 馬鈴薯枯萎病和黑痣病病情指數標準Table 1 Classification criteria for potato Fusarium Wilt and Rhizoctonia solani

發(fā)病率和病情指數的計算：

發(fā)病率（%）=發(fā)病株數/調查總株數×100；病情指數=∑（病級株數×代表值）/（調查總株數×最高級代表值）。

1.3.3 產量 參照文獻[2]的方法進行馬鈴薯考種和測產。收獲前分小區(qū)選擇正常的植株20株，挖出薯塊稱重，求其平均值，并且記錄腐爛薯塊的數量和重量，記錄≥75g及＜75g薯塊的重量和數量，計算病薯率。分小區(qū)收獲記產，并且折算成公頃產量。

1.4 數據處理

采用SPSS軟件對數據進行方差分析，用新復極差法進行顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 不同鋅肥基施量對長期連作馬鈴薯根系抗病性相關酶活性的影響

圖1表明，2020和2021年馬鈴薯根系內POD活性隨鋅肥基施量變化的曲線基本一致，當鋅肥基施量為0kg/hm2時，馬鈴薯根系POD活性最低，約為800U/g FW。隨著鋅肥基施量的增加，POD活性呈上升趨勢，當鋅肥基施量為30kg/hm2時，根系POD活性最強，2020年達到1123U/g FW，2021年達到1075U/g FW，分別比對照顯著增加了33.67%和36.94%。繼續(xù)增加鋅肥基施量時，發(fā)現POD活性不再增強，反而呈下降趨勢，當鋅肥基施量增加到60kg/hm2時，根系POD活性下降到約900U/g FW，高于對照，但是差異不顯著。

圖1 鋅肥基施量對馬鈴薯根系POD活性的影響Fig.1 Effects of zinc fertilizer base application rate on POD activity of potato roots

由圖2可知，當鋅肥基施量為0kg/hm2時，根系SOD活性為2.25U/g FW左右，開始增施鋅肥后SOD活性逐漸增加。當鋅肥基施量達到30kg/hm2時，2020年馬鈴薯根系SOD活性達到最大值，為2.62U/g FW，比對照顯著增加18.08%；當鋅肥基施量達到45kg/hm2時，2021年馬鈴薯根系SOD活性增加到最大值，為2.60U/g FW，比對照顯著增加14.69%；之后隨著鋅肥基施量的增加，根系SOD活性開始顯著下降。當鋅肥基施量為60kg/hm2時，SOD活性顯著下降到2.35～2.38U/g FW之間，比對照略高，且差異不顯著。

圖2 鋅肥基施量對馬鈴薯根系SOD活性的影響Fig.2 Effects of zinc fertilizer base application rate on SOD activity of potato roots

由圖3可知，當鋅肥基施量為0kg/hm2時，根系CAT活性為42.85～44.47 U/g FW，開始增施鋅肥后，CAT活性顯著增加。當鋅肥基施量達到30kg/hm2時，2020年馬鈴薯根系CAT活性達到最大值，為50.32U/g FW，比對照顯著增加17.44%；當鋅肥基施量達到45kg/hm2時，2021年馬鈴薯根系CAT活性增加到最大值，為49.85U/g FW，比對照顯著增加12.10%；之后隨著鋅肥基施量的增加，根系CAT活性開始顯著下降。當鋅肥基施量為60kg/hm2時，2020年下降到47.72U/g FW，比對照顯著提高11.37%，2021年下降到47.84U/g FW，比對照顯著提高7.59%。

圖3 鋅肥基施量對馬鈴薯根系CAT活性的影響Fig.3 Effects of zinc fertilizer base application rate on CAT activity of potato roots

由圖4可知，當鋅肥基施量為0kg/hm2時，馬鈴薯根系的MDA含量為0.63nmol/g FW。施用鋅肥后，馬鈴薯根系內MDA含量開始顯著下降，當鋅肥基施量達到45kg/hm2時，根系中MDA含量最低，2020年為0.58nmol/g FW，2021年為0.59nmol/g FW，分別比對照顯著降低7.45%和7.16%；之后隨鋅肥基施量的增加，根系內MDA含量增加。當鋅肥基施量達到60kg/hm2時，2年根系內MDA含量均為0.62nmol/g FW，比對照低，且差異不顯著。

圖4 鋅肥基施量對馬鈴薯根系中MDA含量的影響Fig.4 Effects of zinc fertilizer base application rate on MDA content of potato roots

2.2 不同鋅肥基施量對長期連作馬鈴薯土傳病害的影響

表2顯示，與對照相比，施用鋅肥能顯著減輕連作馬鈴薯的土傳病害。隨著鋅肥基施量的增加，土傳枯萎病、黑痣病的發(fā)病率和病情指數顯著降低，當鋅肥基施量達到30kg/hm2時，2種土傳病害的發(fā)病率和病情指數均達到最低值，與對照相比，2020年枯萎病發(fā)病率為4.00%，顯著降低8.67個百分點，病情指數為2.00，顯著降低70.46%，黑痣病發(fā)病率為1.24%，顯著降低7.90個百分點，病情指數為2.06，顯著降低79.34%；2021年與對照相比，枯萎病發(fā)病率為12.00%，降低17.33個百分點，病情指數為3.67，顯著降低64.47%，黑痣病發(fā)病率為12.00%，顯著降低4.00個百分點，病情指數為3.07，顯著降低39.45%。此時土傳病害最輕，馬鈴薯田間長勢最好。當鋅肥基施量由30kg/hm2增加到60kg/hm2，馬鈴薯土傳枯萎病和黑痣病的發(fā)病率和病情指數均有升高的趨勢，但差異不顯著。

表2 鋅肥施用量對長期連作馬鈴薯土傳病害的影響Table 2 Effects of zinc fertilizer application rate on soil borne diseases of long-term continuous cropping potato

2.3 不同鋅肥基施量對長期連作馬鈴薯產量及其構成因素的影響

2.3.1 對連作馬鈴薯產量及其構成因素的影響 由表3可知，與對照相比，基施鋅肥能顯著降低長期連作馬鈴薯收獲后的病薯率，當開始施加鋅肥，發(fā)現馬鈴薯的病薯率逐漸減低，病薯的重量也逐漸降低，當鋅肥基施量增加到30kg/hm2時，病薯個數和重量占比都達到最低值，馬鈴薯病薯個數占比在1.24%～2.87%，病薯重量占比在0.80%～2.06%。當鋅肥基施量由30kg/hm2增加到60kg/hm2時，馬鈴薯病薯個數和重量占比反而有顯著增高。與對照相比，基施鋅肥能顯著提高長期連作馬鈴薯商品薯率，當開始施加鋅肥，發(fā)現馬鈴薯的商品薯個數和重量占比顯著增高，當鋅施用量增加到30kg/hm2時，商品薯個數和重量占比基本達到最高值。當鋅肥基施量由30kg/hm2增加到60kg/hm2時，商品薯個數和重量占比反而呈降低趨勢。

表3 鋅肥施用量對長期連作馬鈴薯產量及其構成因素影響Tabel 3 Effects of zinc fertilizer application rate on yield and its components of long-term continuous cropping potato

2.3.2 對連作馬鈴薯經濟產量的影響 表3顯示，與對照相比，施加鋅肥能夠顯著提高長期連作馬鈴薯的經濟產量，當施加鋅肥量為30kg/hm2時，馬鈴薯的經濟產量最高，2020年為51 178.03kg/hm2，2021年為 30 206.50kg/hm2。當鋅肥基施量由30kg/hm2增加到60kg/hm2時，長期連作的馬鈴薯經濟產量有降低的趨勢，但差異不顯著。

3 討論

目前，鋅元素的缺乏問題在世界范圍內普遍存在，并且引起了廣泛的關注[19-20]，作物缺鋅問題與人體缺鋅問題存在著直接聯系[21-22]。施加鋅肥是提高農作物可食部位鋅含量的有效措施，對馬鈴薯施用鋅肥的研究已取得了一系列的重要成果[22]，主要集中在鋅對馬鈴薯生長發(fā)育、產量和品質影響等方面。本研究從施用鋅肥對馬鈴薯抗病性入手，研究鋅肥基施量對長期連作馬鈴薯根系抗病性酶POD、SOD、CAT活性以及MDA含量的影響，進一步研究施用鋅肥對長期連作馬鈴薯抗病性、土傳病害和生長的影響。POD是植物體內常見的氧化還原酶，具有較強的抗氧化活性，可以使體內的毒性物質失活，催化有毒物質氧化分解[23-24]。SOD是超氧自由基清除劑，是植物體內清除自由基最關鍵的保護酶之一，SOD活性增加能提高植物的適應能力，被認為是衡量植物抗逆性狀的一種重要指標蛋白[24-26]。CAT又稱觸酶，存在于植物體內的末端氧化酶，能催化細胞內H2O2分解，清除作物體內的活性氧[27]。POD、SOD和CAT通常共同清除細胞內的自由基，組成了一個完整的防氧化鏈條，構成植物體內活性氧防御系統[28]。楊文英等[23]研究表明，鋅可以提高辣椒POD活性，鋅濃度達到一定值時，POD活性最大，此后活力隨鋅濃度的增加而減小。孫天國等[24]研究表明，甜瓜幼苗的POD、SOD和CAT活性均隨著鋅濃度升高呈先升高后下降的趨勢。這與本試驗在馬鈴薯根系的研究結果一致，當增加鋅肥基施量后，能夠有效提高長期連作馬鈴薯根系抗病性酶活性，馬鈴薯根系中POD、SOD和CAT活性隨著鋅肥施用量的增大呈先升高后降低的趨勢，呈拋物線狀。

MDA是生物體內自由基作用于脂質發(fā)生過氧化反應的產物，可同植物體內的蛋白質、核酸和不飽和脂肪酸等發(fā)生反應，會加劇膜脂的損傷，故可以通過MDA了解膜脂過氧化的程度，以間接測定膜系統受損程度以及植物的抗逆性[29-30]。高質等[31]研究發(fā)現，缺鋅土壤施鋅肥有利于降低玉米體內MDA含量，從而降低氧自由基的傷害，這與本試驗在馬鈴薯根系上的研究結果基本一致。本研究中馬鈴薯根系MDA含量隨著鋅肥基施量的增大表現出先降低后升高的趨勢。在適宜的濃度范圍內，經過ZnSO4浸種處理可有效地促進馬鈴薯的種薯萌發(fā)與幼芽伸長和增粗，從而增強芽勢，保證苗齊和苗壯，同時也能有效地提高根系活力和壯苗指數，進而改善幼苗質量[32-33]。施用適量鋅肥可以改善其結薯量和薯塊質量，能降低病薯率，提高商品薯率，從而提高馬鈴薯的產量和種植的經濟效益[34-35]。這與本研究部分結果相一致，施用適量鋅肥能降低馬鈴薯病薯率，有效提高商品薯率和經濟產量，直接提升種植的經濟效益；然而，當鋅肥施用量超過45kg/hm2后，反而會影響馬鈴薯生長和產量提高。

4 結論

當鋅肥施用量為30kg/hm2時，長期連作馬鈴薯根系抗病性相關酶POD、SOD和CAT活性最高，土傳枯萎病和黑痣病的發(fā)病率和病情指數達到最低，病薯率最低，商品薯率最高，經濟產量也最高。