土壤矿质元素对马铃薯晚疫病发生的影响

刘 沛，刘天忠，王 丹，胡先奇

（云南农业大学 云南生物资源保护与利用国家重点实验室，云南 昆明 605201）

晚疫病是全球范围内马铃薯生产上的第一大病害［1］。该病在我国常年发生面积205万hm2，造成产量减少10%~30%，严重流行时可达减产50%甚至绝收［2］。矿质元素是马铃薯正常生长所必需的营养元素，同时对马铃薯晚疫病的发生具有直接或间接的影响［3］。探究土壤理化指标变化与马铃薯晚疫病发生的规律，研究土壤矿质元素缺乏对马铃薯生长及晚疫病发生的影响，有助于通过合理施肥措施达到增强植物抗病能力，减少晚疫病发生的效果，对于化肥、农药减施增效目标的达成具有重要意义。

按植物对矿质元素的需求量和植物体内矿质元素的含量，可以将矿质元素分为大量元素（氮N、磷P、钾K）、中量元素（钙Ca、镁Mg等）和微量元素（锌Zn、锰Mn等）［4］。氮元素是植物生长需求量最大的矿质元素，氮元素缺乏会使植物生长严重受限［5］。在缺氮培养条件下，番茄（Lycopersicon esculentum）对尖孢镰刀菌（Fusarium oxysporum）的侵染表现出敏感性［6］；葡萄（Vitis vinifera）对灰霉病菌（Botrytis cinerea）侵染的敏感性上升2.5倍［7］。磷元素是细胞的重要组成元素，同时对大多数植物病害的发生具有选择性抑制作用［8］。缺磷培养会增加全蚀病菌（Gaeumannomyces graminis）对小麦（Triticum aestivum）的侵染能力［9］。钾元素参与调节细胞渗透压，增厚细胞壁，刺激产生木质素、纤维素等多种生理过程，一般具有提高植物抗病性的功能［10］。增施钾肥可以减轻棉花（Gossypium spp.）叶斑病的发生［11］，对棉花黄枯萎病有明显防效［12］。与钾元素相似，钙元素也是植物抵抗病原侵染，减轻病害发生的重要元素［13］。钙元素可以提高栎树（Quercus ilex）对疫霉菌（Phytophthora spp.）病害的耐受性［14］。镁元素在植物与病害相互关系中的作用呈现摇摆性，有研究显示，增施镁元素提高了花椰菜（Brassica oleracea）头腐病的发病率［15］；而吸收和利用镁是稻瘟菌（Magnaporthe oryzae）在水稻（Oryza sativa）上生长、发育和侵染的基础［16］；另有研究却证明，镁元素可以抑制枯萎病和软腐病的病原菌［17］。锌可直接毒害病原体，也可影响植物体内氧化酶和酚酶的活性，从而影响植物的抗病性［18］。喷施硫酸锌溶液可以有效防治玉米（Zea mays）茎基腐病［19］。

目前，针对矿质元素与马铃薯生长和晚疫病发生的相关研究还较为缺乏，关于马铃薯对单个矿质元素缺乏的相关反应不够明确。本研究拟通过连续调查马铃薯种植田块的土壤理化性质的变化规律，并采用单因子矿质元素缺失盆栽实验分析土壤矿质元素对马铃薯的生长及晚疫病发生的影响，初步明确各矿质元素的影响程度及规律。本研究结果将为深入研究矿质元素、马铃薯及晚疫病菌的相互作用提供基础，同时指导化学肥料在马铃薯生产中的科学合理施用。

1 材料与方法

1.1 田间试验时间、地点及采样方法

田间试验于2019年6月8日~9月6日在云南省昆明市寻甸县大河桥云南农业大学试验基地进行。马铃薯种植田块大小约为20 m×10 m。马铃薯种植品种为合作88。分别在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点取样法对种植田块的土壤进行取样，每个样点采集5份土壤样本用于土壤理化性质测定。在每个取样点附近对15株马铃薯进行晚疫病发生程度调查，统计病情指数。

1.2 土壤理化性质测定

土壤样本的pH值、有机质、碱解氮、速效磷、速效钾含量由云南农业大学国家农科专业基础实验教学示范中心测定。

1.3 温室盆栽实验方案

1.3.1 矿质元素缺失处理 盆栽实验在云南农业大学日光温室中进行。实验采用底直径20 cm、高30 cm的塑料花盆，每盆装入灭菌的椰糠∶珍珠岩（3∶1，v/v）营养培养基质，之后种植1个合作88原薯。实验设计6个处理：磷元素缺失处理组（P-）、钾元素缺失处理组（K-）、钙元素缺失处理组（Ca-）、镁元素缺失处理组（Mg-）、锌元素缺失处理组（Zn-）及施用完全营养的处理组（对照组，CK）。每个处理种植15株马铃薯。处理方式为配制相应营养液，分别在马铃薯定植时、出苗后及现蕾期按每盆0.3 L进行浇灌。

营养液配制主要依据MS培养基配方［20］，并参考了马铃薯测土配方的结果［21］，成分如表1所示。

1.3.2 晚疫病孢子悬浮液制备及人工接种 取实验室保存的晚疫病菌接种于黑麦-番茄固体培养基［22］上，经三区划线法活化。挑取单菌落悬浮于无菌水中，充分混匀后均匀涂布于黑麦-番茄固体培养基上，10~15 d后菌丝长满培养基表面。以无菌水将晚疫病菌孢子囊洗下，用300目筛网过滤除去菌丝体，定容至50 mL，用血球计数板测定并稀释孢子囊数目至2000~4000个/mL［23］，于4 ℃冰箱放置30 min使孢子释放。将悬浮液稀释5倍至终体积为250 mL，即可进行人工接种［24］在马铃薯现蕾前期直接将上述孢子悬浮液均匀地喷洒于各个处理的植株正反两面的叶片上，进行人工接种。

1.4 马铃薯生理指标的测定方法

1.4.1 叶绿素的测定 用直径6 mm打孔器在叶片样品上打孔取样，每个样品打3个孔并记录质量（g）。将样品置于10 mL塑料离心管中，加入6 mL 95%乙醇提取叶绿素，静置提取2 d后通过比色法测定叶绿素含量。以95%乙醇为空白对照，分别测定649 nm和665 nm波长下各浸提液的吸光值，按如下公式分别计算叶绿素a和b的值：叶绿素a（Ca）=13.95OD665-6.88OD649；叶绿素b（Cb）=24.96OD649-7.32OD665；总叶绿素（Ct）=Ca+Cb。叶片鲜重叶绿素含量（mg/g）=（Ct×6）/叶片鲜重质量［25］。

1.4.2 平均株高的测定 定植90 d时用卷尺测量各处理植株地面茎基部至叶尖第1片新叶叶叉处长度，记为株高（cm）。以各处理组内的重复数计算平均株高。

1.4.3 平均薯重的测定 定植90 d后收获马铃薯，洗净晾干后统计各处理的结薯数、单个薯块的薯重（g），计算平均薯重。

1.5 马铃薯植株及薯块晚疫病发生调查统计方法

对马铃薯植株晚疫病整体发病和叶片病斑进行调查，依照植株发病程度和叶片病斑面积进行分级。分级标准为：无明显病斑为0级；病斑较少，每株病斑数少于10个为1级；病斑较多，叶片病斑面积小于25%为2级；植株中度发病，叶片病斑面积超过50%为3级；植株严重落叶但未干枯为4级；植株整体枯死为5级。之后计算病情指数：病情指数=Σ（各病级株数×病级级数）/［（调查总株数×5）×100］［26］。

调查马铃薯薯块晚疫病的薯块病斑面积占比，然后进行分级。分级标准为：薯块无病斑为0级；薯块病斑占比小于5%为1级；病斑占比5%~10%为2级；占比10%~25%为3级；占比25%~50%为4级；占比超过50%为5级。之后按如下公式计算病情指数：病情指数=Σ（各病级薯块数×病级级数）/［（调查总薯数×5）×100］［26］。

2 结果与分析

2.1 土壤理化性质与马铃薯晚疫病发生动态变化

从定植开始，连续在马铃薯不同生长期对种植田块的土壤进行取样调查，分别测定土壤中有机质、碱解氮、速效磷、速效钾的含量，以及pH值，分析它们的动态变化规律。分析结果显示（图1）：取样点田块为碱性土壤，在马铃薯整个生长期间土壤pH动态变化不明显（8.366±0.10~8.44±0.07）。与定植时（0 d，28.56±2.8 g/kg）调查数据相比，有机质含量在苗期（15 d，30.68±3.2 g/kg）略有上升，从现蕾期（30 d，28.16±3.0 g/kg）至初花期（45 d，25.24±2.8 g/kg）持续下降，在盛花期（60 d，30.18±1.4 g/kg）时又再次上升，至衰老期（90 d，27.06±2.4 g/kg）时又再次下降。碱解氮含量在马铃薯苗期（15 d，45.02±4.22 mg/kg）、现蕾期（30 d，46.15±3.88 mg/kg）、初花期（45 d，46.57±2.36 mg/kg）均低于定植时（0 d，51.92±3.27 mg/kg），至盛花期（60 d，56.98±5.69 mg/kg）时上升，衰老期（90 d，44.18±3.86 mg/kg）时又下降。速效磷含量从定植（0 d，17.27±1.13 mg/kg）至苗期（15 d，17.29±1.20 mg/kg）保持稳定，在现蕾期（30 d，14.67±1.8 mg/kg）时呈下降趋势，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）保持稳定。速效钾含量在定植时（0 d）为156.68±11.96 mg/kg，在苗期（15 d，168.21±10.42 mg/kg）及现蕾期（30 d，164.37±19.99 mg/kg）基本稳定，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。

对调查样点所种植的马铃薯各生长期地上部分晚疫病发生情况进行统计分析发现（图1）：在苗期（15 d）即可在马铃薯叶片上观察到零星病斑，病情指数为0.44±0.22；之后晚疫病发生逐渐加重，病情指数不断升高：在现蕾期（30 d）为9.56±4.02，在初花期（45 d）为46.52±9.85，至盛花期（60 d）时病情指数达到极值87.78±11.46，在衰老期（90 d）为81.98±5.36，之后植株持续发病直至死亡。

图1 土壤理化性质及马铃薯晚疫病发生动态

对照分析土壤理化指标变化动态与马铃薯地上部分晚疫病发生动态可以看出，有机质与碱解氮含量在马铃薯生长的早期至中期（15~45 d）有下降趋势，表明有机质和氮元素作为马铃薯生长的重要营养物质和元素，在马铃薯迅速生长和生物量积累阶段的需求量增加。马铃薯晚疫病在苗期（15 d）至盛花期（60 d）为快速发生阶段；在这个过程中，速效磷含量在现蕾期（30 d），速效钾含量在初花期（45 d）均有下降趋势，表明磷元素和钾元素可能参与了马铃薯对晚疫病菌的防御过程。

2.2 矿质元素缺失培养对马铃薯生长的影响

结合田间调查得出的初步规律，设置不同矿质元素缺失的盆栽实验处理，以施用完全营养处理为对照（CK），分析不同矿质元素对马铃薯生长的影响。首先以马铃薯叶片叶绿素含量为评价指标，分析不同处理在马铃薯各生长期对叶绿素合成的影响，结果显示（图2）：在现蕾期（30 d），与CK（2.74±0.29 mg/g）相比，磷元素缺失处理组的马铃薯叶片叶绿素含量（P-，1.89±0.20 mg/g）与钾元素缺失处理组（K-，2.0±0.17 mg/g）的比较明显降低，呈显著差异（P＜0.05）；钙元素缺失处理组（Ca-，2.41±0.08 mg/g）、镁元素缺失处理组（Mg-，2.38±0.22 mg/g）和锌元素缺失处理组的叶绿素含量（Zn-，2.45±0.13 mg/g）与CK相比差异不显著。初花期（45 d）时，P-（1.96±0.22 mg/g）、K-（1.81±0.15 mg/g）和Ca-（2.18±0.13 mg/g）3个处理组的叶绿素含量与CK（2.65±0.28 mg/g）相比显著降低（P＜0.05），Mg-（2.47±0.15 mg/g）和Zn-（2.12±0.19 mg/g）处理组与CK相比差异不显著。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）处理组与CK（1.39±0.21 mg/g，0.73±0.15 mg/g）相比叶绿素含量显著降低（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个处理组的叶绿素含量与CK相比差异不显著。

图2 矿质元素缺失处理对马铃薯不同生长期叶片叶绿素含量的影响

在衰老期（90 d）对马铃薯的株高进行统计分析，结果显示：CK的平均株高为89.88±7.06 cm，P-和K-处理组的平均株高分别为70.38±6.18 cm和71.25±8.51 cm，均显著低于CK（P＜0.05）；Ca-、Mg-和Zn-处理组的平均株高分别为87.38±7.62、98.81±10.06和85.44±5.69 cm，与CK相比差异不显著（图3）。

图3 矿质元素缺失处理对马铃薯株高的影响

在衰老期（90 d）对马铃薯的结薯情况进行统计分析，结果表明（图4）：CK的平均薯重为11.35±1.06 g，K-、Ca-、Mg-和Zn-处理组的平均薯重分别为8.12±1.01、5.77±1.39、8.95±1.42和7.34±0.97 g，均显著低于CK的平均薯重（P＜0.05）。P-处理组的平均薯重为5.71±1.29 g，与CK相比差异极显著（P＜0.01）。

图4 矿质元素缺失处理对马铃薯平均薯重的影响

通过矿质元素缺失盆栽实验分析可以看出，磷元素和钾元素对马铃薯叶绿素合成的影响作用明显：从现蕾期（30 d）开始，P-和K-处理组马铃薯叶片的叶绿素含量显著（P＜0.05）低于CK对照，影响效果一直持续至马铃薯衰老期（90 d）。Ca-处理组马铃薯叶片叶绿素含量仅在初花期（45 d）显著（P＜0.05）低于CK，在其他时期差异不显著。Mg-和Zn-处理组的叶绿素含量在全过程中与CK无显著差异。对株高的统计分析也显示出磷元素和钾元素对马铃薯株高影响明显：P-和K-处理组的平均株高显著（P＜0.05）低于CK，而Ca-、Mg-和Zn-处理组与CK无显著差异。对马铃薯平均薯重的统计分析显示，与CK相比各矿质元素缺失处理均显著（P＜0.05）影响了马铃薯的平均薯重；其中P-处理组影响最突出，平均薯重与CK相比差异极显著（P＜0.01）。综合上述分析可以发现，在各矿质元素中，磷元素与钾元素对马铃薯的生长影响最为明显，这两种元素同时影响了马铃薯地上部的生长、营养物质积累和地下部薯块的生物质积累。

2.3 矿质元素缺失培养对马铃薯晚疫病发生的影响

通过矿质元素缺失培养盆栽实验，调查统计各矿质元素缺失条件下马铃薯不同生长期地上部晚疫病发生的病情指数，分析各矿质元素对马铃薯晚疫病发生的影响，结果显示（图5）：在现蕾期（30 d），P-（24.14±5.33）、K-（27.78±5.01）、Ca-（20.59±4.28）和Zn-（18.92±3.60）处理组与CK（8.14±2.15）相比病情指数差异显著（P＜0.05）；Mg-（9.38±1.91）处理组与CK相比差异不显著。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）处理组与CK（9.30±3.02）相比病情指数差异显著（P＜0.05）；P-（65.51±6.87）处理组与CK相比差异极显著（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）处理组与CK（24.03±5.11、25.58±5.08）相 比 病 情 指 数 差 异 不 显 著；Mg-（40.01±4.21、43.33±6.02）处理组与CK相比病情指数差异显著（P＜0.05）；P-（82.75±6.02、94.83±4.28）处理组与CK相比病情指数差异极显著（P＜0.01）。

图5 矿质元素缺失处理对马铃薯地上部晚疫病发生的影响

在衰老期（90 d）对马铃薯薯块晚疫病发生情 况 统 计 分 析 显 示（图6）：K-（1.43±0.32）、Ca-（0.89±0.29）和Zn-（1.94±0.66）处理组与CK（1.13±0.44）相比，薯块病情指数差异不显著；Mg-（3.31±0.53）处理组与CK相比病情指数差异显著（P＜0.05）；P-（5.10±0.72）处理组与CK相比病情指数差异极显著（P＜0.01）。

图6 矿质元素缺失处理对马铃薯薯块晚疫病发生的影响

对植株病情指数的统计分析显示，K-、Ca-和Zn-处理组与CK相比，病情指数在现蕾期（30 d）至初花期（45 d）差异显著（P＜0.05），在盛花期（60 d）至衰老期（90 d）差异不显著，说明钾元素、钙元素和锌元素可能参与了马铃薯早期防御晚疫病的过程。Mg-处理组与CK相比，病情指数在初花期（45 d）至衰老期（90 d）差异显著（P＜0.05），说明镁元素影响马铃薯防御晚疫病的作用可能滞后于前述3种矿质元素。P-处理组与CK相比，病情指数在现蕾期（30 d）差异显著（P＜0.05），在初花期（45 d）至衰老期（90 d）时差异极显著（P＜0.01），说明磷元素在马铃薯防御晚疫病的早期即发挥作用，同时其可能的抗病作用持续了马铃薯整个生长期，表明磷元素在马铃薯晚疫病发生的过程中可能具有更加重要的作用。

对薯块晚疫病发生的统计分析同样显示，P-处理组与CK相比，病情指数差异极显著（P＜0.01），而Mg-处理组与CK相比差异显著（P＜0.05），K-、Ca-和Zn-处理组与CK相比差异不显著，该结果进一步说明磷元素在马铃薯地上和地下部分防御晚疫病的过程中，均发挥重要作用。

3 结论与讨论

研究发现，大量元素磷与钾对马铃薯地上、地下部分的生长均有明显影响：在磷、钾元素缺失培养条件下，马铃薯叶片叶绿素含量、植株株高及薯块重量等指标均显著小于完全营养处理的对照组，而中、微量元素钙、镁、锌仅对马铃薯的薯重有显著影响。本研究结果与已有对大量元素和中、微量元素生理功能的相关研究结果一致［27］。同时我们也注意到，镁作为构成植物叶绿素的结构性元素［28］，应当对叶绿素的合成起到较为关键的作用。但本研究数据显示，在镁元素缺失培养条件下，各生长期马铃薯叶片中叶绿素含量与完全营养对照处理相比较没有显著差异（图2）。该结果表明镁元素对叶绿素合成的影响可能是一个潜在的复杂机制，相关机理还需要进一步深入研究。

各矿质元素缺失培养对马铃薯地上部分晚疫病的发生均有显著影响，而仅磷和镁元素缺失对马铃薯薯块晚疫病发生的影响显著（图5、图6），其中以磷元素的影响最为明显。在磷元素缺失培养条件下，马铃薯地上部分晚疫病发生时间早，病情指数显著高于其他处理；磷元素缺失也显著增加了薯块晚疫病的病情指数。而同为大量元素的钾，在马铃薯与晚疫病互作的过程中发挥的作用则明显弱于磷元素，与中、微量元素作用相当。由此可见，在马铃薯种植过程中，应当尤其重视磷元素的补充。在马铃薯生长早期适时、适量补充磷肥，对于马铃薯抵抗晚疫病菌侵染，减轻晚疫病发生，提高马铃薯产量及商品质量具有关键作用。

在本研究开展前期，我们进行了氮元素缺失培养的预实验。马铃薯植株在苗期（15 d）即表现出明显的叶片褪绿、植株矮小、生长缓慢等典型营养缺乏症状［29］，之后植株黄化加重，持续生长不良，至定植30 d（现蕾期）时基本上已经干枯死亡，无法再开展后续人工接种晚疫病菌孢子及测定工作。因此，在本研究实验设计下，没有获得氮元素完全缺失培养对马铃薯生长及晚疫病发生的相关研究数据。鉴于氮元素在植物正常生长中的决定性作用，后续对氮元素缺失影响的相关研究，应当补充基本含量的氮元素以保证植物生长的需求和后续实验的进行，同时设计不同的氮元素含量梯度实验，细化分析相关影响。

本研究重点分析了单因子矿质元素缺失培养条件对马铃薯生长和晚疫病发生的影响。但土壤是一个复杂的生态环境系统［30］。矿质元素在土壤中除以单因子发挥作用外，还存在复杂的相互作用关系。例如，土壤中钾氮元素比例（K/N）影响了柠檬流胶病的发生，当K/N提高至0.455时，柠檬流胶病感染率大幅下降［31］。在石灰性土壤中，阳离子间拮抗作用明显，钙、镁离子会影响烟草对钾的吸收，降低烟草品质［32］。关于矿质元素之间相互作用关系及对植物生长、抗病等的影响，有待进一步研究揭示。

致谢：特此感谢云南农业大学国家农科专业基础实验教学示范中心李少明教授在土壤理化性质测定实验中提供的帮助。