海拔对魔芋根际微生物区系和软腐病发生的影响

徐佳欣 刘芳 吴三林 龚明福 张娅 罗燕梅

摘要：【目的】研究不同海拔对魔芋土壤微生物区系的影响及其与魔芋软腐病发生的关系，为利用土壤微生态控制魔芋病害提供理论依据。【方法】通过田间小区试验，研究魔芋在4个海拔高度（610、913、1205和1518m）和4个生长时期（幼苗期、换头期、块茎膨大期和块茎成熟期）软腐病发病率及其根际的真菌、细菌和放线菌数量、微生物总量和微生物多样性，应用DPS 7.05对試验数据进行分析。【结果】同一海拔的不同时期，随着魔芋的生长，魔芋软腐病发病率呈先上升后下降的变化趋势，以块茎膨大期软腐病发病率最高；同一时期不同海拔高度，总体趋势为随着种植海拔的增加，软腐病发病率呈下降趋势。随着魔芋的生长和发育，4个生育时期的细菌、真菌、放线菌和微生物总量均呈先下降后上升的变化趋势，即幼苗期>换头期>块茎成熟期>块茎膨大期；随着海拔高度的增加，魔芋根际微生物细菌、真菌、放线菌和微生物总量均相应增加；海拔对魔芋根际土壤微生物的多样性无显著影响（P>0.05）。【结论】适当增加种植区海拔能有效调节魔芋根际微生物区系，是控制魔芋软腐病发生的有效措施。

关键词：魔芋；软腐病；海拔；土壤微生物区系

0引言

【研究意义】魔芋别名磨芋，为天南星科磨芋属多年生草本植物，其块茎含有丰富的果胶、淀粉和葡苷聚糖等营养物质，具有极高的食用和药用价值，且魔芋制品还是多种行业的重要原料（罗炎华等，2008）。自20世纪80年代以来，随着对魔芋用途和作用的不断认识与开发，其产业发展迅速，现已成为我国重要的特色经济作物之一。在栽培过程中，多种病害制约着魔芋产量的提高，其中魔芋软腐病因其病害发生因素多、存在范围广、适应性强、传播途径多样、病害难以根治等特点（冯小俊，2008），对魔芋种植业造成严重影响（马勇，2015），但迄今为止尚无针对魔芋软腐病的特效防治办法，国内外也无成功根治魔芋软腐病的报道。生物多样性是阻碍植物病害盛行的自然屏障，利用生物多样性有效控制植物病害是当前农业可持续发展的根本途径（赵玉华等，2013）。田问土壤微生物是田间生态系统物质和能量转化、循环和利用的基础，是维持生态系统稳定的保障，作物病害的发生，特别是土传病害的发生与根际微生物数量、区系构成和群落结构有着密切联系（Perez et al，2008），因此，有必要对不同海拔高度与魔芋软腐病的发生及根际土壤微生物区系的关系进行研究。【前人研究进展】在软腐病与海拔高度关系方面前人已开展了相关研究。崔鸣和李川（2009）在研究魔芋软腐病发病规律时发现，随着海拔的上升，软腐病发病率呈下降趋势；秦建彬等（2012）研究了大花蕙兰软腐病的发生规律，结果发现高海拔地点的发病率低于低海拔地点；王志宏等（2016）研究发现，在高海拔地区高温维持时间短、昼夜温差大，且年降雨量和日照百分率等均适合作物正常生长发育的要求，软腐病发病程度相对较轻，易于控制。土壤微生物是形成土壤和整个生态系统的重要部分，是促进土壤养分和有机质转化与循环的主要因素（罗艺霖等，2013）。许汝冰等（2012）研究了不同海拔高度与烟田土壤微生物的关系，结果表明，土壤微生物量与海拔的高度呈正相关，即土壤微生物随着海拔高度的高度而增加；董艳等（2013）研究发现，土壤根际微生物区系丰富，对土传病害软腐病的发生有一定的抑制作用；蔡霜等（2016）研究峨眉山土壤微生物生物量对海拔梯度的响应，结果发现微生物量在高海拔时高于低海拔。【本研究切入点】目前，针对海拔高度与魔芋软腐病发生规律及根际微生物区系影响相关性的研究报道较少。【拟解决的关键问题】以四川省普遍种植的花魔芋为对象，研究不同海拔对土壤微生物种类、数量及土壤微生物多样性的影响，分析其与魔芋软腐病发生的关系，以期为利用土壤微生态控制魔芋病害的发生提供理论依据。

1材料与方法

1.1试验材料

供试魔芋品种为四川当地高产主栽品种花魔芋。选择成熟度好、种脐小、无损伤、外观无病害特征、大小适宜的健康种芋，晒种后，用1500倍农用硫酸链霉素和800倍甲基托布津溶液浸种。播种密度依种芋球茎的4倍为株距、6倍为行距，播种前施用适量氮磷钾基肥，田间管理参考优质魔芋栽培技术进行。

1.2试验方法

1.2.1试验设计试验于2016年在四川省乐山市金口河区永胜乡和吉星乡进行。试验采用海拔因素（H）随机区组设计，设4个水平，即H₁（610 m）、H₂（913m）、H₃（1205m）和H₄（1518m），每处理重复3次，共12个小区，小区面积66.7 m2。试验土壤为沙壤土，土壤肥力中等。魔芋于2016年3月24日播种，2016年10月27日收获。

1.2.2调查项目及方法

1.2.2.1发病率统计分别于魔芋幼苗期、换头期、块茎膨大期和块茎成熟期在4个魔芋生长不同海拔种植区对其软腐病发病率进行统计。软腐病病株在苗期表现为苗尖弯曲，叶柄、种芋腐烂；生长期病株的叶片呈暗绿色小斑，扩大后叶片组织腐烂；叶柄基部溃烂，叶片干枯呈黄褐色；球茎表面出现水溃状暗褐色病斑，病菌向球茎内侵入，呈灰褐色黏液状腐烂，并散发恶臭；随着球茎及根的腐烂，叶片枯萎，直至全株枯死。软腐病田间调查以株为单位统计发病率，每一时期统计完成后将发病植株拔除，因此，每次统计的数据为该时期的净发病率。

发病率（%）=（发病株数/调查总株数）x100

1.2.2.2样品采集分别于4个魔芋生长时期在4个不同海拔种植区进行采样，在每块样方随机选取3个小样方中具有代表性的魔芋发病植株作为3个重复，先将魔芋植株根系从土壤中整体挖出，轻轻抖掉与根系松散结合的土壤，然后刷下与根系紧密相连的土壤，挑除其中的石块、根系等杂物作为待分析根际土壤样品。得到的根际土壤样品立即放入冰盒保存，将冷藏保存的土样带回实验室过2 mm筛后放入冰箱，并尽快进行微生物区系分析。

1.2.2.3土壤微生物区系测定微生物分析采用稀释涂布平板法，采用牛肉膏蛋白胨培养基培养细菌、马丁氏培养基培养真菌、高氏一号培养基培养放线菌。土壤悬浮液及浓度梯度制备采用无菌水稀释方法。测定浓度：培养细菌用10^-5、10^-6和10^-7浓度；培养真菌用10^-3、10^-4和10^-5濃度；培养放线菌用10^-4、10^-5和10^-6浓度。将培养基灭菌后分别倒入培养皿备用，提取1.0 mL各浓度稀释液于培养基表面，用L形无菌玻璃棒推均匀，写标签后置于培养箱中培养。调查计数以细菌30～300个/皿，真菌、放线菌10-100个/皿为准。1.2.2.4微生物多样性统计微生物多样性指数（H）采用Shannon-Wiener指数法计算，计算公式为：

1.3统计分析

使用Excel 2010对试验数据进行整理，采用DPS 7.05对数据进行分析，采用Duncan's行多重比较分析。

2结果与分析

2.1不同海拔对魔芋软腐病发生的影响

从图1可看出，同一海拔不同时期，随着魔芋的生长，魔芋软腐病发病率呈先上升后下降的变化趋势，以块茎膨大期软腐病发病率最高；同一时期不同海拔高度，总体趋势为随着种植海拔的增加，软腐病发病率呈下降趋势，在H₁水平软腐病发病率最高，且H₁水平的发病率与H₃和H₄水平的发病率差异显著（P<0.05，下同）。与H₁水平下的发病率相比，H₂、H₃和H₄水平下的魔芋幼苗期软腐病发病率分别降低一2.9%、42.1%和60.0%；换头期H₂、H₃和H₄水平下分别降低13.2%、22.2%和41.7%；块茎膨大期H₂、H₃和H₄水平下分别降低13.8%、11.7%和30.0%；块茎成熟期H₂、H₃和H₄水平下分别降低2.1%、28.3%和37.4%。

2.2不同海拔对魔芋根际微生物区系及多样性的影响

2.2.1不同海拔对根际微生物区系的影响从图2可看出，随着魔芋的生长和发育，同一海拔下4个生育时期的微生物总量、细菌、真菌和放线菌数量均呈先下降后上升的变化趋向，即幼苗期>换头期>块茎成熟期>块茎膨大期；随着种植海拔的升高，细菌和真菌数量及微生物总量总体表现为上升趋势，且H₁与H₃、H₄水平差异显著；放线菌数量变化无一致规律，但表现为在H₄水平下的数量最高，H₁水平下最低，且H₁与H₄水平差异显著。以上分析结果表明，在H₄的海拔条件下具有较高的细菌、真菌、放线菌和微生物总量的优势，而在H₄的海拔条件下微生物数量最低。与H₁水平下的细菌数量相比，H₂、H₃和H₄水平下魔芋幼苗期的根际细菌数量分别增加37.8%、35.1%和67.6%；H₂、H₃和H₄水平下换头期分别增加23.1%、35.9%和43.6%；H₂、H₃和H₄水平下块茎膨大期分别增加11.1%、36.1%和22.2%；H₂、H₃和H₄水平下块茎成熟期分别增加31.3%、53.1%和56.3%。与H₁水平下的真菌数量相比，H₂、H₃和H₄水平下魔芋幼苗期的根际真菌数量分别增加1.9%、20.7%和30.2%；H₂、H₃和H₄水平下换头期分别增加6.3%、20.8%和41.7%；H₂、H₃和H₄水平下芋块茎膨大期的根际真菌数量分别增加-4.9%、14.6%和34.1%；H₂、H₃和H₄水平下块茎成熟期分别增加7.5%、30.0%和60.0%。与H₁水平下的放线菌数量相比，H₂、H₃和H₄水平下魔芋幼苗期分别增加8.1%、5.4%和13.5%；H₂、H₃和H₄水平下换头期的放线菌数量分别增加34.5%、27.6%和37.9%；H₂、H₃和H₄水平下芋块茎膨大期分别增加16.7%、12.5%和50%；H₂、H₃和H₄水平下块茎成熟期分别增加22.7%、50.0%和72.2%。与H₁水平下的微生物总量相比，H₂、H₃和H₄水平下魔芋幼苗期的微生物总量分别增加34.7%、32.3%和62.2%；H₂、H₃和H₄水平下换头期分别增加23.4%、35.2%和43.2%；H₂、H₃和H₄水平下芋块茎膨大期分别增加11.3%、34.4%和24.1%；H₂、H₃和H₄水平下块茎成熟期分别增加30.4%、52.6%和57.3%。

2.2.2不同海拔对根际微生物多样性的影响生物多样性是衡量生态系统健康和稳定的一个重要因素（李晶等，2013；李自刚等，2016）。从图3可看出，同一海拔下不同时期微生物多样性变化无一致规律；而同一时期不同海拔下，虽微生物多样性指数会随着种植海拔的升高有一定波动，但也无一致规律，其中均以H₁水平下的微生物多样性指数最低，但各处理问差异均不显著（P>0.05）。表明种植海拔对魔芋根际土壤微生物多样性无显著影响。

3讨论

3.1种植海拔对魔芋软腐病发生的影响

魔芋的生长和发育要求较苛刻的环境条件，在低海拔地区昼夜温差小，高温延续时间较长，导致魔芋植株抗病性降低，是软腐病盛行的重要原因之一。王志宏等（2016）研究认为，在海拔700-1100 m的地区，高温维持时间短，昼夜温差大，且年降雨量和日照百分率均适合魔芋的正常生长发育，软腐病发病程度相对较轻，易控制。本研究结果显示，随着种植海拔的增加，同一时期魔芋软腐病发病率呈下降趋势，在H₁低海拔水平下软腐病发病率最高，与崔鸣和李川（2009）报道的研究结果一致，即隨着海拔上升，软腐病发病率下降。

3.2魔芋生育期对根际微生物的影响及与软腐病发生的关系

根际微生物数量与根际养分丰富情况呈正相关，即根际养分亏缺，根区系微生物数量也会下降（章家恩等，2002）。本研究中，魔芋幼苗时期的根际微生物数量最多，随着魔芋进人生长发育的旺盛期，根际养分会出现亏缺，因此微生物数量也会降低，其中在块茎膨大期微生物数量最低，是由于块茎膨大期为魔芋生长发育最旺盛时期，此期魔芋光合作用强，需要充足的养分，因而根际区系的养分可能会出现短暂缺乏，微生物数量也会较换头期有所降低。

魔芋具有喜阴怕晒、喜湿怕旱等特性，而夏秋季节气温高、雨水多，且相对湿度在80%以上的时间长（涂华建，2015；粟周群和龙翔，2017）；田问遮阳、排水不畅等条件使魔芋软腐病菌易于侵入与传播，同时使与之有拮抗关系的有益菌减少，降低了魔芋植株的抗病性，导致魔芋病害发生与流行（周皴等，2004），因此在魔芋生长发育过程中软腐病的高发期在块茎膨大期和块茎成熟期。本研究中，随着魔芋的生长发育，同一海拔不同时期的魔芋软腐病净发病率先上升后下降，在块茎膨大期时软腐病发病率最高，其次是换头期。

3.3种植海拔对根际微生物区系的影响及其与抗软腐病的关系

土壤微生物的生物量对环境的变化具有敏感性，因而被认为是比土壤总有机质更可信的环境变化指示因子。影响土壤微生物的环境因素较多，主要有土壤温度、土壤养分水平、土壤水分条件及其他气候条件等，因此海拔梯度通常是用来研究生态过程如何受温度及其他相关气候因子影响的良好系统（张地等，2012）。许汝冰等（2012）研究表明，土壤微生物量与海拔高度的升高呈正相关，即土壤微生物随着海拔高度的升高而增加。本研究中，随着种植海拔的增加，土壤养分、温度、湿度等条件更有利于微生物繁殖，因此土壤微生物量也逐渐增加，与上述研究结果一致。

本研究中，土壤中的细菌、真菌和放线菌数量与魔芋软腐病的发生趋于负相关，即土壤细菌、真菌和放线菌数量越多，发病率越低，与董艳等（2010）认为蚕豆根际微生物数量的增加与降低蚕豆枯萎病的发生具有一致性。根际土壤区系中细菌数量的增加能有效抑制病原菌生长（Whipps，2001），其原理主要是细菌能有效存在于植物根际区域，对病原菌赖以生存的养分具有竞争作用，并能产生抗生素和胞外酶（Brimecombe et al，2001）；放线菌多数能产生抗菌素，抑制病菌生长，对病害的发生具有一定的阻碍作用（Ren et al，2008）；土壤中真菌数量的增加有利于土壤生态系统维持相对的稳定，有利于提高土壤抵御土传病害的能力（谢慧等，2007）。因此，认为土壤中微生物数量的增加对魔芋软腐病具有一定的控制作用。

3.4种植海拔对土壤微生物多样性的影响及其与抗软腐病的关系

土壤微生物多样性是土壤生物化学性质的重要组成部分，植物对土传病害的抗病性与根际土壤微生物多样性有着密不可分的关系（董艳等，2013）。本研究结果表明，不同海拔下魔芋限际土壤微生物多样性变化无一致规律，在高海拔地区土壤微生物多样性指数大于低海拔地区，但差异不显著；本研究中，随着种植海拔的升高，土壤微生物总量也显著增加，表现出土壤微生物总量变化与微生物多样性变化并不相同，与章家恩等（2002）报道土壤微生物总量与微生物多样性指数的变化趋势无一致性，及习金根等（2005）研究认为微生物总数高的土壤，其多样性指数并不一定高的结论一致。

4结论

随着种植海拔的增加，魔芋根际微生物总量也随之增加，但对魔芋根际微生物多样性无显著影响；根际微生物数量变化与软腐病的发生存在负相关关系，魔芋软腐病发病率随着种植海拔的增加而下降。因此，适当增加种植区海拔能有效调节魔芋根际微生物区系，是控制魔芋软腐病发生的有效措施。