苜蓿土壤浸提液對連作馬鈴薯植株生長及產(chǎn)量的影響

陳喜鵬，石銘福，張衛(wèi)娜，王 勇，康益晨，張茹艷，周春濤，袁文雅，余慧芳，楊昕宇，劉玉匯，張俊蓮,，秦舒浩

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) a園藝學(xué)院，b作物遺傳改良與種質(zhì)創(chuàng)新重點(diǎn)實驗室,甘肅 蘭州730070)

馬鈴薯(SolanumtuberosumL.)是世界第四大糧食作物[1]，在全球范圍內(nèi)普遍種植，在我國糧食構(gòu)成中占據(jù)重要位置[2]。近年來，馬鈴薯在隴中半干旱區(qū)栽植面積不斷擴(kuò)大，可耕種面積隨之減少，因而馬鈴薯連作現(xiàn)象普遍發(fā)生[3]。連作障礙是由植物、土壤根際環(huán)境等多種因素共同作用的結(jié)果[4]。連作會造成植株養(yǎng)分吸收困難、光合作用降低、地上部生長發(fā)育不良、病蟲害加重、產(chǎn)量和品質(zhì)下降等一系列問題[5]。因此，發(fā)掘緩解馬鈴薯連作障礙的改性方法勢在必行。

合理輪作可有效緩解連作障礙，對調(diào)節(jié)土壤養(yǎng)分、土壤肥力及改善土壤理化性狀具有重要作用[6]。草田輪作模式在改善土壤的結(jié)構(gòu)、保水能力等方面具有重要功效，一定程度上可以緩解連作障礙[7-8]。研究發(fā)現(xiàn)，小麥與苜蓿、紅豆草和豌豆輪作后，促進(jìn)小麥對營養(yǎng)元素的吸收，小麥產(chǎn)量增加[9]。豆科植物與馬鈴薯輪作對后茬馬鈴薯的增產(chǎn)效果顯著，同時可以提高連作田土壤的速效養(yǎng)分，對土壤酶活性有促進(jìn)作用[10-11]。苜蓿是一種適應(yīng)性很強(qiáng)的豆科牧草，對苜蓿-作物輪作的研究表明，苜蓿通過固氮作用可為輪作作物提供充足的土壤氮供應(yīng)，并提高土壤中有效氮水平，促進(jìn)作物生長[12-14]。齊榮等[15]研究發(fā)現(xiàn)，不同質(zhì)量濃度的苜蓿與連作馬鈴薯土壤浸提液可提高馬鈴薯的抗氧化酶活性、葉綠素含量、光合參數(shù)，進(jìn)而影響馬鈴薯生長發(fā)育。豆科植物土壤浸提液顯著提高連作馬鈴薯的土壤養(yǎng)分和細(xì)菌數(shù)量，對馬鈴薯增產(chǎn)有明顯效果[16]。本試驗以青薯9號馬鈴薯為材料，以5年馬鈴薯連作田土壤為盆栽用土，研究苜蓿土壤浸提液對連作馬鈴薯的生理性狀、干物質(zhì)積累、根系及產(chǎn)量的影響，旨在篩選出適宜的苜蓿土壤浸提液質(zhì)量濃度，為緩解馬鈴薯連作障礙提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

馬鈴薯品種為青薯9號，脫毒種薯由甘肅省定西市農(nóng)業(yè)科學(xué)院提供。該品種屬于中晚熟品種，具有抗性強(qiáng)、產(chǎn)量高等特點(diǎn)[17]。盆栽用土取自甘肅省定西市農(nóng)業(yè)科學(xué)院試驗站馬鈴薯5年連作田0～20 cm土層土壤，剔除雜質(zhì)后裝袋，自然風(fēng)干備用；清水苜蓿土壤取自甘肅省定西市農(nóng)業(yè)科學(xué)院試驗站清水苜蓿3年連作田0～20 cm根區(qū)土壤，剔除雜質(zhì)后裝袋，帶回實驗室冷藏。

1.2 試驗設(shè)計

試驗于2019年4-9月在甘肅省定西市農(nóng)業(yè)科學(xué)院試驗站進(jìn)行。共設(shè)置6個處理：將0，20，40，60，80和100 g清水苜蓿土壤與1 L蒸餾水混合，反復(fù)振蕩并過濾，獲得不同質(zhì)量濃度苜蓿土壤浸提液，依次記為CK、T1、T2、T3、T4和T5。采用盆栽種植方式，試驗用盆規(guī)格為直徑20 cm，高35 cm，每盆種植1粒種薯，每處理10盆，3次重復(fù)，共180盆?；蕿槟蛩?N 46%)6.1 g/盆、過磷酸鈣(P2O512%)8.7 g/盆和硫酸鉀(K2O 52%) 5.4 g/盆, 于馬鈴薯播種前施入。2019年4月28日播種,25 d后出苗，齊苗后均勻澆灌不同處理苜蓿土壤浸提液，每處理每次1 000 mL/盆，每7 d澆灌1次，共澆灌5次，9月26日收獲，同常規(guī)田間管理。

1.3 測定指標(biāo)及方法

株高和莖粗：分別在馬鈴薯苗期、塊莖形成期、淀粉積累期和成熟期測定株高及莖粗。株高采用卷尺測量地上莖基部到生長點(diǎn)的距離；莖粗采用游標(biāo)卡尺測量近基部最粗處莖的縱橫直徑，取平均值。

全株干物質(zhì)量：分別在馬鈴薯苗期、塊莖形成期、淀粉積累期和成熟期，將馬鈴薯植株整株挖出，去除泥土等雜質(zhì)后放入烘箱，105 ℃殺青30 min后降至80 ℃烘干，稱質(zhì)量。

根系形態(tài)和根系活力：在淀粉積累期，將馬鈴薯植株挖出，用剪刀將根系剪下，先用自來水沖洗2～3次, 再用蒸餾水沖洗2次，濾紙吸干表面水分。使用掃描儀Espon scanner和Win RHIZOTM2009根系圖像分析軟件對根系進(jìn)行掃描，并測定形態(tài)指標(biāo)(總根長、根表面積、根體積、根直徑、根尖數(shù))[18]，根系活力測定采用氯化三苯基四氮(TTC)法[19]。

酶活性和滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量：在淀粉積累期，將馬鈴薯植株主莖的倒3和倒4葉迅速摘下擦凈放入冰盒中，用于酶活性和滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量測定。超氧化物歧化酶(SOD)活性測定采用NBT光化學(xué)還原法[20]；脯氨酸(Pro)含量測定采用酸性茚三酮法[21]；丙二醛(MDA)含量測定采用硫代巴比妥酸(TBA)法[21]。

塊莖產(chǎn)量：收獲時隨機(jī)選取5株馬鈴薯，測定單株塊莖產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2016進(jìn)行試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計，通過SPSS 22.0軟件用Duncan新復(fù)極差法(P<0.05)對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，利用Adobe Illustrator CC 2021、OmicShare Tools及Origin 2018進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 苜蓿土壤浸提液對連作馬鈴薯株高和莖粗的影響

由圖1可知，在苗期，不同質(zhì)量濃度苜蓿土壤浸提液對馬鈴薯株高的影響較小，各處理無顯著差異；在塊莖形成期，與CK相比，T1、T2、T3、T4、T5處理馬鈴薯株高分別提高了5.5%，7.6%，12.8%，6.9%和6.2%，其中T3處理與CK間差異顯著(P<0.05)；在淀粉積累期，與CK相比，T1、T2、T3、T4、T5處理馬鈴薯株高分別提高了5.6%，5.8%，14.0%，8.1%和5.9%，其中T3處理與CK間差異顯著(P<0.05)；在成熟期，與CK相比，T1、T2、T3、T4、T5處理馬鈴薯株高分別提高了5.5%，3.9%，14.0%，8.1%和6.1%，其中T3處理與CK差異顯著(P<0.05)。

圖柱上標(biāo)不同小寫字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05)。圖2～5同

由圖2可知，在苗期、塊莖形成期、淀粉積累期和成熟期,馬鈴薯莖粗均為T3處理最大。在苗期，T3處理馬鈴薯莖粗較CK提高18.8%；在塊莖形成期，馬鈴薯莖粗表現(xiàn)為T3>T2>T5>T4>CK>T1，其中T3處理較CK提高28.8%；在淀粉積累期，各處理馬鈴薯莖粗較CK分別提高了3.5%，13.55%，33.3%，23.9%和11.5%，其中T3、T4處理與CK差異顯著(P<0.05)；在成熟期， T3處理馬鈴薯莖粗顯著高于CK、T1和T5處理(P<0.05)。

圖2 苜蓿土壤浸提液對馬鈴薯莖粗的影響

2.2 苜蓿土壤浸提液對連作馬鈴薯全株干物質(zhì)量的影響

由圖3可知，在苗期，T3處理馬鈴薯全株干物質(zhì)量顯著高于T1、T2和T4處理，而與CK、T5處理差異不顯著；在塊莖形成期，隨苜蓿土壤浸提液質(zhì)量濃度增加，馬鈴薯全株干物質(zhì)量呈先增加后下降趨勢，其中T3處理馬鈴薯全株干物質(zhì)量顯著高于CK及其他處理(P<0.05)；在淀粉積累期，T2、T3、T4處理馬鈴薯全株干物質(zhì)量顯著高于CK；在成熟期， T3處理馬鈴薯全株干物質(zhì)量顯著高于CK、T1處理(P<0.05)。

圖3 苜蓿土壤浸提液對馬鈴薯全株干物質(zhì)量的影響

2.3 苜蓿土壤浸提液對連作馬鈴薯根系形態(tài)及根系活力的影響

由表1可以看出，苜蓿土壤浸提液處理均可提高馬鈴薯的總根長、根表面積、根體積、根尖數(shù)和根系活力。與CK相比，T3處理馬鈴薯的總根長、根體積分別增加了36.8% 和50.9%，差異顯著，且顯著高于其他苜蓿土壤浸提液處理；T2和T3處理馬鈴薯根表面積較CK分別提高35.1%和43.4%，差異顯著(P<0.05)； T3處理馬鈴薯的根直徑除與T5處理差異不顯著外，均顯著高于CK和其他苜蓿土壤浸提液處理； T3處理馬鈴薯的根尖數(shù)顯著高于CK和除T1處理外的其他苜蓿土壤浸提液處理(P<0.05)；T3處理馬鈴薯的根系活力最高，較CK提高66.7%，但各處理間無顯著差異。

表1 苜蓿土壤浸提液對馬鈴薯根系形態(tài)及根系活力的影響

2.4 苜蓿土壤浸提液對連作馬鈴薯葉片酶活性和滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量的影響

苜蓿土壤浸提液對馬鈴薯葉片酶活性和滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量的影響見圖4。由圖4可以看出，隨著苜蓿土壤浸提液質(zhì)量濃度的升高，馬鈴薯葉片SOD活性先升高后降低，而MDA含量和脯氨酸含量呈先降低后升高的變化趨勢。T3、T4、T5處理馬鈴薯葉片SOD活性分別較CK增加121.3%，64.4%和40.1%，均差異顯著(P<0.05)；馬鈴薯葉片MDA含量表現(xiàn)為CK>T1>T2>T5>T4>T3，其中T3處理MDA含量最低，比CK下降29.5%，且與CK、T1、T2顯著差異；T3、T4、T5處理馬鈴薯葉片脯氨酸含量較低，較CK分別降低 42.1%，41.1%和37.8%，均差異顯著，且顯著低于CK和T1、T2處理(P<0.05)。

圖4 苜蓿土壤浸提液對馬鈴薯葉片酶活性和滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量的影響

2.5 苜蓿土壤浸提液對連作馬鈴薯單株產(chǎn)量的影響

圖5表明，T3處理馬鈴薯的單株產(chǎn)量最高，達(dá)到751.6 g，比CK增產(chǎn)39.4%，且顯著高于CK和其他苜蓿土壤浸提液處理(P<0.05)；T1、T2、T4、T5處理馬鈴薯單株產(chǎn)量分別比CK增產(chǎn)11.4%，20.3%，21.2%和11.1%，其中T2、T4與CK差異顯著(P<0.05)。說明不同質(zhì)量濃度苜蓿土壤浸提液均能提高連作土壤馬鈴薯單株產(chǎn)量，且隨土壤浸提液質(zhì)量濃度的不同有所差異。

圖5 苜蓿土壤浸提液對馬鈴薯產(chǎn)量的影響

2.6 馬鈴薯生長生理指標(biāo)及產(chǎn)量的相關(guān)性分析

從圖6可以看出，馬鈴薯單株產(chǎn)量與全株干物質(zhì)量呈極顯著正相關(guān)，與株高、莖粗、總根長、根表面積、根系活力和SOD活性呈顯著正相關(guān)，與MDA含量呈顯著負(fù)相關(guān)。

3 討 論

株高和莖粗是反映植物生長的重要地上部指標(biāo)。本研究發(fā)現(xiàn)，苜蓿土壤浸提液處理后連作馬鈴薯的株高和莖粗不同程度增加，其中T3處理顯著高于其他處理。株高的增加會使葉片有效光合面積增大，光能利用率提高，進(jìn)而影響馬鈴薯產(chǎn)量[22]。馬鈴薯干物質(zhì)積累是產(chǎn)量形成的物質(zhì)基礎(chǔ)，干物質(zhì)在各器官的不同發(fā)育階段分配比率不同[23]。本研究結(jié)果表明，不同質(zhì)量濃度苜蓿土壤浸提液促進(jìn)了馬鈴薯全株干物質(zhì)量的積累，從而促進(jìn)了馬鈴薯產(chǎn)量的形成，各時期T3處理馬鈴薯全株干物質(zhì)量均表現(xiàn)最好，這可能與豆科植物緩解馬鈴薯連作障礙有關(guān)[10-11]。

根系是馬鈴薯地下部吸收、合成和儲存養(yǎng)分的代謝中心[24]。植物的根系形態(tài)是反映根系隨環(huán)境變化的重要指標(biāo)，影響植物生長發(fā)育[25]。本研究中，T3處理馬鈴薯的根系形態(tài)指標(biāo)均高于其他處理，這是因為苜蓿土壤浸提液通過改變土壤微生物活性，影響根系生長[16]。根系活力能反映根系吸收、合成及代謝能力的大小[26]。長期連作會顯著降低馬鈴薯根系活力，導(dǎo)致產(chǎn)量下降[27]。秦舒浩等[10]發(fā)現(xiàn)，豆科植物與馬鈴薯輪作可在一定程度上改善馬鈴薯的連作效應(yīng)。G?tze等[28]發(fā)現(xiàn)，甜菜田輪作苜蓿促進(jìn)了甜菜的根系形態(tài)發(fā)育。本研究中，T3處理馬鈴薯的根系活力顯著高于其他處理。

丙二醛(MDA)含量可以反映植物遭受逆境傷害的程度[29]。植物體內(nèi)存在ROS生成與清除機(jī)制的平衡狀態(tài)，植物在遭受外界環(huán)境脅迫時，積累過多的ROS會引起植物的氧化傷害[30]?？寡趸?SOD)是維持細(xì)胞內(nèi)ROS動態(tài)平衡的重要酶。脯氨酸是植物受到逆境脅迫時產(chǎn)生的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)[31]。徐雪風(fēng)等[32]研究表明，連作馬鈴薯幼苗葉片MDA和Pro含量增加，SOD活性下降, 使得膜脂過氧化作用加快, 馬鈴薯遭受脅迫明顯，噴施氯化鈣溶液后緩解了連作對馬鈴薯的傷害。本試驗中，隨苜蓿土壤浸提液質(zhì)量濃度的增加，馬鈴薯葉片MDA含量先降低后升高，但均低于連作環(huán)境下馬鈴薯葉片MDA含量，說明苜蓿土壤浸提液緩解了連作對馬鈴薯造成的脅迫。馬鈴薯葉片Pro含量降低，表明苜蓿土壤浸提液提高了馬鈴薯的滲透調(diào)節(jié)能力。本研究中，苜蓿土壤浸提液處理馬鈴薯葉片SOD活性先增加后降低，總體上均高于對照，說明澆灌苜蓿土壤浸提液對緩解連作馬鈴薯活性氧水平具有顯著影響。祿興麗等[33]研究表明，馬鈴薯產(chǎn)量與株高、根系活力和干物質(zhì)積累呈正相關(guān)，與丙二醛含量存在負(fù)相關(guān)，這與本研究結(jié)果一致。

4 結(jié) 論

本研究試驗期內(nèi)，苜蓿土壤浸提液有效降低馬鈴薯葉片的脯氨酸和MDA含量，而提高SOD活性，使植株延緩衰老并增強(qiáng)馬鈴薯的抗逆性，生長指標(biāo)(株高、莖粗)、植株根系活力、全株干物質(zhì)量及單株產(chǎn)量均顯著提高。說明苜蓿土壤浸提液有效促進(jìn)馬鈴薯植株更快完成植株形態(tài)建成，同時調(diào)控馬鈴薯抗氧化系統(tǒng)相關(guān)酶活性，增強(qiáng)馬鈴薯根系活力。綜合考量各項指標(biāo)，60 g/L苜蓿土壤浸提液(T3處理)下效果較好。

志謝：甘肅省定西市農(nóng)業(yè)科學(xué)院試驗基地提供了試驗田支持，甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院蔬菜栽培及逆境生物學(xué)實驗室提供試驗材料和儀器設(shè)備，在此表示衷心感謝。