苜蓿土壤浸提液对连作马铃薯植株生长及产量的影响

陈喜鹏，石铭福，张卫娜，王 勇，康益晨，张茹艳，周春涛，袁文雅，余慧芳，杨昕宇，刘玉汇，张俊莲,，秦舒浩

(甘肃农业大学 a园艺学院，b作物遗传改良与种质创新重点实验室,甘肃 兰州730070)

马铃薯(SolanumtuberosumL.)是世界第四大粮食作物[1]，在全球范围内普遍种植，在我国粮食构成中占据重要位置[2]。近年来，马铃薯在陇中半干旱区栽植面积不断扩大，可耕种面积随之减少，因而马铃薯连作现象普遍发生[3]。连作障碍是由植物、土壤根际环境等多种因素共同作用的结果[4]。连作会造成植株养分吸收困难、光合作用降低、地上部生长发育不良、病虫害加重、产量和品质下降等一系列问题[5]。因此，发掘缓解马铃薯连作障碍的改性方法势在必行。

合理轮作可有效缓解连作障碍，对调节土壤养分、土壤肥力及改善土壤理化性状具有重要作用[6]。草田轮作模式在改善土壤的结构、保水能力等方面具有重要功效，一定程度上可以缓解连作障碍[7-8]。研究发现，小麦与苜蓿、红豆草和豌豆轮作后，促进小麦对营养元素的吸收，小麦产量增加[9]。豆科植物与马铃薯轮作对后茬马铃薯的增产效果显著，同时可以提高连作田土壤的速效养分，对土壤酶活性有促进作用[10-11]。苜蓿是一种适应性很强的豆科牧草，对苜蓿-作物轮作的研究表明，苜蓿通过固氮作用可为轮作作物提供充足的土壤氮供应，并提高土壤中有效氮水平，促进作物生长[12-14]。齐荣等[15]研究发现，不同质量浓度的苜蓿与连作马铃薯土壤浸提液可提高马铃薯的抗氧化酶活性、叶绿素含量、光合参数，进而影响马铃薯生长发育。豆科植物土壤浸提液显著提高连作马铃薯的土壤养分和细菌数量，对马铃薯增产有明显效果[16]。本试验以青薯9号马铃薯为材料，以5年马铃薯连作田土壤为盆栽用土，研究苜蓿土壤浸提液对连作马铃薯的生理性状、干物质积累、根系及产量的影响，旨在筛选出适宜的苜蓿土壤浸提液质量浓度，为缓解马铃薯连作障碍提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

马铃薯品种为青薯9号，脱毒种薯由甘肃省定西市农业科学院提供。该品种属于中晚熟品种，具有抗性强、产量高等特点[17]。盆栽用土取自甘肃省定西市农业科学院试验站马铃薯5年连作田0～20 cm土层土壤，剔除杂质后装袋，自然风干备用；清水苜蓿土壤取自甘肃省定西市农业科学院试验站清水苜蓿3年连作田0～20 cm根区土壤，剔除杂质后装袋，带回实验室冷藏。

1.2 试验设计

试验于2019年4-9月在甘肃省定西市农业科学院试验站进行。共设置6个处理：将0，20，40，60，80和100 g清水苜蓿土壤与1 L蒸馏水混合，反复振荡并过滤，获得不同质量浓度苜蓿土壤浸提液，依次记为CK、T1、T2、T3、T4和T5。采用盆栽种植方式，试验用盆规格为直径20 cm，高35 cm，每盆种植1粒种薯，每处理10盆，3次重复，共180盆。基肥为尿素(N 46%)6.1 g/盆、过磷酸钙(P2O512%)8.7 g/盆和硫酸钾(K2O 52%) 5.4 g/盆, 于马铃薯播种前施入。2019年4月28日播种,25 d后出苗，齐苗后均匀浇灌不同处理苜蓿土壤浸提液，每处理每次1 000 mL/盆，每7 d浇灌1次，共浇灌5次，9月26日收获，同常规田间管理。

1.3 测定指标及方法

株高和茎粗：分别在马铃薯苗期、块茎形成期、淀粉积累期和成熟期测定株高及茎粗。株高采用卷尺测量地上茎基部到生长点的距离；茎粗采用游标卡尺测量近基部最粗处茎的纵横直径，取平均值。

全株干物质量：分别在马铃薯苗期、块茎形成期、淀粉积累期和成熟期，将马铃薯植株整株挖出，去除泥土等杂质后放入烘箱，105 ℃杀青30 min后降至80 ℃烘干，称质量。

根系形态和根系活力：在淀粉积累期，将马铃薯植株挖出，用剪刀将根系剪下，先用自来水冲洗2～3次, 再用蒸馏水冲洗2次，滤纸吸干表面水分。使用扫描仪Espon scanner和Win RHIZOTM2009根系图像分析软件对根系进行扫描，并测定形态指标(总根长、根表面积、根体积、根直径、根尖数)[18]，根系活力测定采用氯化三苯基四氮(TTC)法[19]。

酶活性和渗透调节物质含量：在淀粉积累期，将马铃薯植株主茎的倒3和倒4叶迅速摘下擦净放入冰盒中，用于酶活性和渗透调节物质含量测定。超氧化物歧化酶(SOD)活性测定采用NBT光化学还原法[20]；脯氨酸(Pro)含量测定采用酸性茚三酮法[21]；丙二醛(MDA)含量测定采用硫代巴比妥酸(TBA)法[21]。

块茎产量：收获时随机选取5株马铃薯，测定单株块茎产量。

1.4 数据分析

采用Microsoft Excel 2016进行试验数据统计，通过SPSS 22.0软件用Duncan新复极差法(P<0.05)对试验数据进行方差分析，利用Adobe Illustrator CC 2021、OmicShare Tools及Origin 2018进行绘图。

2 结果与分析

2.1 苜蓿土壤浸提液对连作马铃薯株高和茎粗的影响

由图1可知，在苗期，不同质量浓度苜蓿土壤浸提液对马铃薯株高的影响较小，各处理无显著差异；在块茎形成期，与CK相比，T1、T2、T3、T4、T5处理马铃薯株高分别提高了5.5%，7.6%，12.8%，6.9%和6.2%，其中T3处理与CK间差异显著(P<0.05)；在淀粉积累期，与CK相比，T1、T2、T3、T4、T5处理马铃薯株高分别提高了5.6%，5.8%，14.0%，8.1%和5.9%，其中T3处理与CK间差异显著(P<0.05)；在成熟期，与CK相比，T1、T2、T3、T4、T5处理马铃薯株高分别提高了5.5%，3.9%，14.0%，8.1%和6.1%，其中T3处理与CK差异显著(P<0.05)。

图柱上标不同小写字母表示不同处理间差异显著(P<0.05)。图2～5同

由图2可知，在苗期、块茎形成期、淀粉积累期和成熟期,马铃薯茎粗均为T3处理最大。在苗期，T3处理马铃薯茎粗较CK提高18.8%；在块茎形成期，马铃薯茎粗表现为T3>T2>T5>T4>CK>T1，其中T3处理较CK提高28.8%；在淀粉积累期，各处理马铃薯茎粗较CK分别提高了3.5%，13.55%，33.3%，23.9%和11.5%，其中T3、T4处理与CK差异显著(P<0.05)；在成熟期， T3处理马铃薯茎粗显著高于CK、T1和T5处理(P<0.05)。

图2 苜蓿土壤浸提液对马铃薯茎粗的影响

2.2 苜蓿土壤浸提液对连作马铃薯全株干物质量的影响

由图3可知，在苗期，T3处理马铃薯全株干物质量显著高于T1、T2和T4处理，而与CK、T5处理差异不显著；在块茎形成期，随苜蓿土壤浸提液质量浓度增加，马铃薯全株干物质量呈先增加后下降趋势，其中T3处理马铃薯全株干物质量显著高于CK及其他处理(P<0.05)；在淀粉积累期，T2、T3、T4处理马铃薯全株干物质量显著高于CK；在成熟期， T3处理马铃薯全株干物质量显著高于CK、T1处理(P<0.05)。

图3 苜蓿土壤浸提液对马铃薯全株干物质量的影响

2.3 苜蓿土壤浸提液对连作马铃薯根系形态及根系活力的影响

由表1可以看出，苜蓿土壤浸提液处理均可提高马铃薯的总根长、根表面积、根体积、根尖数和根系活力。与CK相比，T3处理马铃薯的总根长、根体积分别增加了36.8% 和50.9%，差异显著，且显著高于其他苜蓿土壤浸提液处理；T2和T3处理马铃薯根表面积较CK分别提高35.1%和43.4%，差异显著(P<0.05)； T3处理马铃薯的根直径除与T5处理差异不显著外，均显著高于CK和其他苜蓿土壤浸提液处理； T3处理马铃薯的根尖数显著高于CK和除T1处理外的其他苜蓿土壤浸提液处理(P<0.05)；T3处理马铃薯的根系活力最高，较CK提高66.7%，但各处理间无显著差异。

表1 苜蓿土壤浸提液对马铃薯根系形态及根系活力的影响

2.4 苜蓿土壤浸提液对连作马铃薯叶片酶活性和渗透调节物质含量的影响

苜蓿土壤浸提液对马铃薯叶片酶活性和渗透调节物质含量的影响见图4。由图4可以看出，随着苜蓿土壤浸提液质量浓度的升高，马铃薯叶片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变化趋势。T3、T4、T5处理马铃薯叶片SOD活性分别较CK增加121.3%，64.4%和40.1%，均差异显著(P<0.05)；马铃薯叶片MDA含量表现为CK>T1>T2>T5>T4>T3，其中T3处理MDA含量最低，比CK下降29.5%，且与CK、T1、T2显著差异；T3、T4、T5处理马铃薯叶片脯氨酸含量较低，较CK分别降低 42.1%，41.1%和37.8%，均差异显著，且显著低于CK和T1、T2处理(P<0.05)。

图4 苜蓿土壤浸提液对马铃薯叶片酶活性和渗透调节物质含量的影响

2.5 苜蓿土壤浸提液对连作马铃薯单株产量的影响

图5表明，T3处理马铃薯的单株产量最高，达到751.6 g，比CK增产39.4%，且显著高于CK和其他苜蓿土壤浸提液处理(P<0.05)；T1、T2、T4、T5处理马铃薯单株产量分别比CK增产11.4%，20.3%，21.2%和11.1%，其中T2、T4与CK差异显著(P<0.05)。说明不同质量浓度苜蓿土壤浸提液均能提高连作土壤马铃薯单株产量，且随土壤浸提液质量浓度的不同有所差异。

图5 苜蓿土壤浸提液对马铃薯产量的影响

2.6 马铃薯生长生理指标及产量的相关性分析

从图6可以看出，马铃薯单株产量与全株干物质量呈极显著正相关，与株高、茎粗、总根长、根表面积、根系活力和SOD活性呈显著正相关，与MDA含量呈显著负相关。

3 讨 论

株高和茎粗是反映植物生长的重要地上部指标。本研究发现，苜蓿土壤浸提液处理后连作马铃薯的株高和茎粗不同程度增加，其中T3处理显著高于其他处理。株高的增加会使叶片有效光合面积增大，光能利用率提高，进而影响马铃薯产量[22]。马铃薯干物质积累是产量形成的物质基础，干物质在各器官的不同发育阶段分配比率不同[23]。本研究结果表明，不同质量浓度苜蓿土壤浸提液促进了马铃薯全株干物质量的积累，从而促进了马铃薯产量的形成，各时期T3处理马铃薯全株干物质量均表现最好，这可能与豆科植物缓解马铃薯连作障碍有关[10-11]。

根系是马铃薯地下部吸收、合成和储存养分的代谢中心[24]。植物的根系形态是反映根系随环境变化的重要指标，影响植物生长发育[25]。本研究中，T3处理马铃薯的根系形态指标均高于其他处理，这是因为苜蓿土壤浸提液通过改变土壤微生物活性，影响根系生长[16]。根系活力能反映根系吸收、合成及代谢能力的大小[26]。长期连作会显著降低马铃薯根系活力，导致产量下降[27]。秦舒浩等[10]发现，豆科植物与马铃薯轮作可在一定程度上改善马铃薯的连作效应。Götze等[28]发现，甜菜田轮作苜蓿促进了甜菜的根系形态发育。本研究中，T3处理马铃薯的根系活力显著高于其他处理。

丙二醛(MDA)含量可以反映植物遭受逆境伤害的程度[29]。植物体内存在ROS生成与清除机制的平衡状态，植物在遭受外界环境胁迫时，积累过多的ROS会引起植物的氧化伤害[30]。抗氧化酶(SOD)是维持细胞内ROS动态平衡的重要酶。脯氨酸是植物受到逆境胁迫时产生的渗透调节物质[31]。徐雪风等[32]研究表明，连作马铃薯幼苗叶片MDA和Pro含量增加，SOD活性下降, 使得膜脂过氧化作用加快, 马铃薯遭受胁迫明显，喷施氯化钙溶液后缓解了连作对马铃薯的伤害。本试验中，随苜蓿土壤浸提液质量浓度的增加，马铃薯叶片MDA含量先降低后升高，但均低于连作环境下马铃薯叶片MDA含量，说明苜蓿土壤浸提液缓解了连作对马铃薯造成的胁迫。马铃薯叶片Pro含量降低，表明苜蓿土壤浸提液提高了马铃薯的渗透调节能力。本研究中，苜蓿土壤浸提液处理马铃薯叶片SOD活性先增加后降低，总体上均高于对照，说明浇灌苜蓿土壤浸提液对缓解连作马铃薯活性氧水平具有显著影响。禄兴丽等[33]研究表明，马铃薯产量与株高、根系活力和干物质积累呈正相关，与丙二醛含量存在负相关，这与本研究结果一致。

4 结 论

本研究试验期内，苜蓿土壤浸提液有效降低马铃薯叶片的脯氨酸和MDA含量，而提高SOD活性，使植株延缓衰老并增强马铃薯的抗逆性，生长指标(株高、茎粗)、植株根系活力、全株干物质量及单株产量均显著提高。说明苜蓿土壤浸提液有效促进马铃薯植株更快完成植株形态建成，同时调控马铃薯抗氧化系统相关酶活性，增强马铃薯根系活力。综合考量各项指标，60 g/L苜蓿土壤浸提液(T3处理)下效果较好。

志谢：甘肃省定西市农业科学院试验基地提供了试验田支持，甘肃农业大学园艺学院蔬菜栽培及逆境生物学实验室提供试验材料和仪器设备，在此表示衷心感谢。