菌剂与钾肥配施对连作魔芋生长、生理代谢和发病率的影响

何 斐，崔 鸣，李 川，鲁小东

(安康学院 现代农业与生物科技学院，陕西安康 725000)

天南星科磨芋属魔芋(Amorphophalluskonjac)是目前已知唯一能大量提供葡甘聚糖的特种经济作物[1]。魔芋葡甘聚糖是一种高分子水溶性膳食纤维，广泛应用于农业、食品、医药、保健、化工、纺织等许多领域，具有极大的商业价值[2]。作为重要的经济作物之一，魔芋已成为陕南、四川、云南等山区农民脱贫致富的支柱产业[3]。但随着现代种植业向集约化农业模式的发展，因长期连作造成的魔芋生长不良、病害加重、产量降低等连作障碍问题日趋严重。尤其是伴随着连作发生的软腐病，更是魔芋生长过程中发生最普遍、危害最严重的一种种传和土传细菌性病害，其大面积爆发甚至导致绝收，农民损失惨重[4]。通过轮作倒茬可缓解连作障碍，但由于魔芋生长对环境条件要求高，适生区土地面积有限，轮作难以实施。采用农艺措施和化学药剂等在连作障碍土壤修复和魔芋软腐病防治方面取得了一定的效果，但也面临着防效差、治标不治本、农药残留等难以解决的问题[5-6]。因此，寻找新的途径缓解魔芋连作障碍迫在眉睫。

魔芋属于喜钾作物，吸收氮磷钾的比例为6∶1∶8，对钾素有较强的需求和吸收能力[7]。由于当地魔芋种植区商品钾肥施用不够普遍，导致耕地缺钾现象较严重，加之土壤中钾素极易随雨水流失[8-9]，从而加剧了魔芋喜钾与土壤供钾不足之间的矛盾。已有研究证明，施用适量钾肥可增强魔芋植株抗衰老等抗逆能力[7]。生防微生物对增强魔芋抗病能力也有较好的效果[10-11]。亦有研究表明，微生物制剂在作物连作障碍修复方面发挥着重要作用[12-13]。利用微生物制剂可预防番茄青枯病[14]、修复三七根际土壤和提高产量[15]、缓解作物连作障碍[12]。本研究使用的微生物制剂娄彻氏链霉菌(Streptomycesrochei)D74对魔芋软腐病[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。同时，该放线菌固态发酵活菌制剂可修复魔芋根区土壤微生态[20]，减轻病害带来的经济损失。目前，关于放线菌剂与肥料配施对作物连作障碍修复的报道较少。本研究通过放线菌剂与钾肥配施的盆栽试验，探索二者联合施用提高魔芋产量并降低发病率，缓解连作障碍的可行性，旨在为魔芋连作障碍的微生物-化学双重修复研究提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

菌剂：娄彻氏链霉菌(Streptomycesrochei)D74粉剂具有良好的抑菌抗病及促生功能[16](有效活菌数为1.8×109CFU/g)，杨凌玉鲲生物技术有限公司生产。

钾肥：硫酸钾(K2O≥50%)，茫崖兴元钾肥有限公司生产。

有机肥：N-P2O5-K2O复混肥，NPK含量≥5%，m(N)∶m(P)∶m(K)=2∶1∶2，有机肥含量≥15%，陕西杨凌康照农业科技有限公司生产。

魔芋品种及盆栽土壤：安康市当地花魔芋，由陕西省岚皋县魔芋产业发展局惠赠。盆栽土取自安康学院试验田种植1 a魔芋的土壤，样地病害较轻，第一茬魔芋软腐病平均发病率为4.8%，平均病情指数10.0。土壤基本理化性质：pH 7.12、有机质13.05 g/kg、速效氮75.2 mg/kg、速效磷68.4 mg/kg、速效钾82.7 mg/kg、全氮2.24 g/kg、全磷0.83 g/kg和全钾15.15 g/kg。

1.2 试验设计

盆栽试验设4个处理：不施肥空白对照(CK)、单施菌剂(D74)、单施钾肥(K)、菌剂与钾肥配施(D74+K)。每处理重复10盆，每盆1株魔芋。试验于2018-04-05在安康学院农学大棚进行。取已种植1 a魔芋的大田土壤过筛去杂，各处理均添加50 g/kg有机肥作为底肥。单施处理每盆添加5.5 g菌剂、13.75 g钾肥分别拌入盆栽土中，配施处理为每盆添加5.5 g菌剂和13.75 g钾肥充分混匀。每盆装土5.5 kg(盆尺寸为口径×高度= 27 cm× 20 cm)。挑选质量为(80±3) g，顶芽健康露白的球茎作为供试种芋，播种前球茎用φ=72%农用链霉素均匀喷雾浸种10 min以消除种芋带菌。播种后盆栽魔芋置于透光率为50%的遮阳网下生长，定期给盆栽魔芋浇水，保证适宜的湿度，直到植株倒苗为止。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 生长状况调查 于魔芋展叶后，株高恒定的情况下分别测定每处理所有植株的叶幅、地径和株高。

1.3.3 病害防效 2018年7-9月，调查魔芋软腐病的感病情况。软腐病病害严重程度划分为4个等级：0级，无明显的发病症状；1级，<25%植株出现软腐病症状；2级，25%～75%植株出现软腐病症状；3级，>75%植株受侵染[16,22]。软腐病发病率、病情指数和相对防效分别按下式计算。

发病率=发病株数/调查总株数×100%

病情指数=[∑(各级病株数×各病级软腐病害严重程度代表值)/(3×调查总株数)] ×100

相对防效=(对照病情指数-处理病情指数)/对照病情指数×100%

1.3.4 产量 2018-10-20收获时，将魔芋块茎完整挖出，去掉泥土，称量统计块茎鲜质量。参照费甫华等[22]的方法，用下式计算块茎生长系数。

生长系数=魔芋块茎收获量/魔芋播种量

1.4 数据分析

与不施肥对照CK相比较，单施菌剂效应、单施钾肥效应及菌剂与钾肥配施效应采用下式计算。

ΔCK=(单施菌剂、单施钾肥、菌剂与钾肥配施处理—不施肥CK)/不施肥CK×100%

菌剂与钾肥配施处理各指标较单施菌剂、单施钾肥处理各指标的增率分别用配施的钾肥效应ΔD74、配施的菌剂效应ΔK表示，分别按照下式计算。

ΔD74=(菌剂与钾肥配施—单施菌剂)/单施菌剂×100%

ΔK=(菌剂与钾肥配施—单施钾肥)/单施钾肥×100%

采用SPSS 17.0进行数据方差分析，数据用“平均值±标准偏差”表示，以Duncan’s法进行差异显著性检验(P<0.05)。采用Pearson法进行相关分析。采用主成分分析法(PCA)进行各因子的综合分析评价。使用SigmaPlot10.0软件进行绘图。

2 结果与分析

2.1 菌剂与钾肥配施对魔芋生长的影响

由表1可看出，单施菌剂、单施钾肥及菌剂与钾肥配施对魔芋生物学性状影响不明显，其株高、叶幅及地径与对照相比，差异均未达到显著水平。

配施处理中，配施的钾肥效应ΔD74对促进魔芋叶幅增加效果最好，其叶幅较单施菌剂增加6.6%，其次地径增加2.7%，但株高降低2.3%。配施的菌剂效应ΔK与配施的钾肥效应ΔD74在对魔芋生物学性状影响方面表现出相同的趋势。与单施钾肥相比，菌剂与钾肥配施处理的魔芋叶幅和地径分别增加3.7%和2.7%，但株高降低1.6%。

由图1可知，单施菌剂对魔芋单株块茎鲜质量无显著影响，但单施钾肥、菌剂与钾肥配施处理的魔芋单株块茎鲜质量较CK分别显著增加 65.2%、86.7%。生长系数反映魔芋块茎的膨大体积倍数。其中，菌剂与钾肥配施处理的魔芋生长系数最大，达3.70，较CK显著增加85.9%；其次是单施钾肥处理，为3.28；而单施菌剂处理的魔芋生长系数与CK差异不显著。

配施处理中，配施的钾肥效应占主导地位，其对魔芋单株块茎鲜质量和生长系数的影响效应分别达72.6%和72.9%。结果表明，与菌剂相比，钾肥对促进魔芋块茎的膨大发挥更重要的作用。

表1 不同施肥处理魔芋生物学性状Table 1 Biological characters of A.konjac plants under different fertilization treatments

不同小写字母表示差异显著(P<0.05)，下同

2.2 菌剂与钾肥配施对魔芋叶绿素含量的影响

叶绿素含量在一定程度上反映植物光合同化能力。单施菌剂显著提高魔芋叶片叶绿素a含量(52.9%)、叶绿素(a+b)含量(37.0%)及叶绿素a/b比值(38.8%)。与CK相比，单施钾肥处理的魔芋叶片叶绿素a、b、叶绿素(a+b)及类胡萝卜素含量分别显著增加54.9%、50.0%、53.1%及75.0%。菌剂与钾肥配施处理的魔芋叶片叶绿素a、叶绿素(a+b)含量、叶绿素a/b及叶绿素(a+b)/类胡萝卜素比值的变化趋势与单施菌剂处理类似，其均较CK显著增加。表明单施菌剂、钾肥或二者配施能够提高叶片光合色素浓度，促进魔芋植株积累更多的光合产物(表2)。

配施处理中，配施的菌剂效应与配施的钾肥效应对魔芋叶绿素含量相关指标的影响趋势相同。但是，配施的菌剂效应占主导地位，其对叶绿素a/b及叶绿素(a+b)/类胡萝卜素比值表现为正效应，分别为36.9%和39.8%，而对叶绿素a、b、叶绿素(a+b)及类胡萝卜素含量的影响表现为负效应。

表2 不同施肥处理魔芋叶片叶绿素含量Table 2 Chlorophyll(Chl) content in leaves of A.konjac plants under different fertilization treatments

2.3 菌剂与钾肥配施对魔芋生理代谢的影响

表3 不同施肥处理魔芋叶片活性氧代谢Table 3 Reactive oxygen metabolism in leaves of A.konjac plants under different fertilization treatments

可溶性蛋白、可溶性糖及游离脯氨酸等物质积累是植物体平衡渗透势保护细胞的重要措施[23]。由图2可看出，单施菌剂、菌剂与钾肥配施处理的魔芋叶片可溶性蛋白和可溶性糖含量分别较对照显著增加60.0%和74.5%、180.0%和109.1%。单施钾肥处理也提高了魔芋叶片可溶性糖和游离脯氨酸含量，其分别较CK显著增加136.4%和41.2%。

配施处理中，钾肥对渗透调节物质的影响表现为正效应，其对可溶性蛋白、可溶性糖及游离脯氨酸配施的钾肥效应分别为75.0%、21.1%及 8.2%。配施的菌剂效应对可溶性蛋白含量的影响也为正效应(162.5%)，但对可溶性糖和游离脯氨酸含量的影响趋势与之相反，其配施的菌剂效应分别为-11.5%和-23.3%。

图2 不同施肥处理魔芋叶片渗透调节物质含量Fig.2 Content of osmotic adjustment substances in A.konjac leaves under different fertilization treatments

2.4 菌剂与钾肥配施对魔芋软腐病害的影响

由图3可知，单施菌剂处理的魔芋植株无软腐病害发生，但单施钾肥与对照的发病率均为10%，菌剂与钾肥配施的发病率是对照的2倍。与对照相比，单施钾肥、菌剂与钾肥配施处理的魔芋软腐病病情指数分别降低67.0%和33.0%。单施菌剂、单施钾肥、菌剂与钾肥配施均对魔芋软腐病有一定的防效，其相对防效分别为100.0%、67.0%、33.0%，其中单施菌剂的防效最佳。

图3 不同施肥处理魔芋软腐病发病率(A)、病情指数(B)与相对防效(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 不同施肥处理对魔芋生理生化指标的综合影响

表4 魔芋生物学性状、生理生化指标、软腐病发病率及产量间相关系数矩阵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别为9.932、6.216和 5.852，3个主成分累积贡献率达100%，说明它们涵盖了原始变量的所有信息(表5)。因此，以3个主成分代替原来的19个指标评价不同施肥处理对魔芋生长的综合影响，达到降维的目的。

由主成分因子载荷矩阵(表6)可看出，在第一主成分中，叶绿素b具有最大的载荷权数 (0.950)；第二、第三主成分中，叶幅、相对防效分别具有最大正系数(0.947、0.837)，以上3个指标代表了主成分中产生最大的正向影响。根据PCA分析结果，提取3个主成分对4种施肥处理进行综合评价，以各方差贡献率作为加权系数，与第一、第二和第三得分值(表7)结合建立评价函数并计算获得综合评价分数。结果表明，不同施肥处理对魔芋生长的综合作用效果顺序为：菌剂与钾肥配施>单施钾肥>单施菌剂>不施肥 对照。

表5 主成分分析结果Table 5 Results of principal component analysis

3 讨论与结论

3.1 菌剂、钾肥对魔芋叶片叶绿素含量的影响

施肥水平对植物叶色有一定的影响[24]。胡静静等[25]研究认为，叶片色素含量和比例直接影响黄连木的叶色。本研究中，单施菌剂条件下魔芋叶片叶绿素a、a+b含量及叶绿素a/b比值均显著增加。菌剂施入连作土壤后，菌剂中有益微生物娄彻氏链霉菌的代谢活动改善了土壤微生态环境[17]，创造了适宜魔芋根系健康生长的环境条件，使其根系活力提高，产生更多的营养物质进而促进连作条件下魔芋植株光合性能的提高。

钾素营养亦能促进植物叶绿素的合成[26]。本研究表明，单施钾肥显著增加连作魔芋叶片叶绿素a、b、a+b及类胡萝卜素含量，该结果与前人在甘薯[27]和桂花[28]上的相关研究一致。施用适量钾肥有助于提高魔芋叶片叶绿素合成能力，促进光能的吸收、传递和光合产物的合成、转运与积累，钾素可能通过提高硝酸还原酶活性来促进氨的同化[29]，但该推论有待于进一步验证。

3.2 菌剂与钾肥配施对魔芋生理代谢的影响

SOD和POD等保护酶是衡量植物体内防卫反应的重要指标[30]；MDA是细胞膜脂过氧化的终产物，其含量反映植物遭受逆境胁迫的程度[31]。本研究发现，单施菌剂、菌剂与钾肥配施提高了魔芋叶片POD活性，减少了膜脂过氧化产物MDA的生成，反映出菌剂对魔芋叶片诱导抗性产生积极影响，在一定程度上提高魔芋植株的抗逆性及健康程度。在配施处理中，配施的菌剂效应对魔芋叶片活性氧代谢的影响占主导地位，表明配施条件下菌剂效应比钾肥效应表现出更明显的清除活性氧自由基的作用。

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

碳水化合物是植物生理代谢活动的基本能量物质，其含量变化反映环境对植物生长发育的影响[32-33]。3种施肥处理显著提高了魔芋叶片中碳水化合物可溶性糖含量，说明娄彻氏链霉菌和钾素的存在对魔芋的碳代谢活性及抗性生理发挥着至关重要的作用。可溶性蛋白含量是反映植物体总代谢的一个重要指标[33]，对魔芋的生长发育具有重要意义。从本研究可知，单施菌剂、菌剂与钾肥配施有利于魔芋叶片可溶性蛋白的积累，这与申光辉等[34]在连作草莓中的研究结果相类似。配施的钾肥效应主导并促进碳水化合物的运转，配施的菌剂效应主导并提高植物体内的化合氮，碳水化合物与化合氮结合形成蛋白质，从而提高了可溶性蛋白含量，最终表现出魔芋的抗逆能力增强，产量提高。

3.3 菌剂与钾肥配施对魔芋抗病性和产量的 影响

魔芋作为地下形成产品器官的单子叶植物，在其生长过程中易出现地上徒长、地下块茎膨大缓慢、光合产物分配率降低等问题，导致块茎产量和经济系数下降[35]。已有研究表明，光合产物在作物块茎中的分配率受土壤水分及养分状况等多种因素影响[36-38]。其中，钾素是影响植物光合产物转运与分配的重要因素之一。研究表明，施用适量钾肥对魔芋块茎的膨大有显著促进作用[7,31,39]。本研究结果与之相似，单施钾肥或与菌剂配施的连作魔芋单株块茎鲜质量显著增加，主导因子钾肥通过促进魔芋源端与库端光合产物的装载与卸载，提高光合产物由叶片向块茎的转运效率及功能叶片光合产物在块茎中的分配率，从而发挥提高块茎产量的钾肥效应。

配施的菌剂效应对魔芋产量的贡献明显小于配施的钾肥效应，但专门以软腐病菌为靶标菌筛选制备的娄彻氏链霉菌活菌制剂在降低魔芋软腐病害发生率和发病指数[13]方面发挥至关重要的作用，该菌的代谢产物在细菌性角斑病、辣椒疫霉病、番茄灰霉病等植物病害防治方面也有应用[40-41]。

3.4 菌剂与钾肥配施对魔芋生长的综合影响

本研究发现，菌剂与钾肥配施对连作魔芋生长影响的协同程度和方向不同。如魔芋叶片可溶性蛋白含量和单株块茎鲜质量均表现为配施优于单施菌剂或钾肥，二者配施的协同效果表现为正效应。而配施对魔芋叶绿素含量和活性氧代谢相关部分指标的协同效果与之相反，表现出单施处理优于配施，其中单施钾肥效果更明显，而配施的协同效果表现出负效应，其机理有待深入研究。

通过相关性分析可知，各参数间存在一定的关联，仅采用单一指标很难全面准确地评价施肥对魔芋植株生长的综合影响，通过分析多个指标可以全面评价不同施肥处理对魔芋连作障碍的修复效果。本研究采用PCA分析找出所测指标间的内在联系，既有效减少了评价指标的数量[42]，又保留了原始变量的所有信息。经PCA分析，根据得分模型计算的综合得分进行排序，菌剂与钾肥配施对连作魔芋具有抗病促生效果，可将其作为新技术，进一步进行营养吸收转运、配施协同作用机制及调控因素等方面的深入探究，有助于推进连作障碍修复和抗土传病害机制的研究。