春季黑茎病和蚜虫复合发生对紫花苜蓿产量和饲用价值的影响

Effect of co-attack of spring black stem and leaf spot disease and aphids on the yield and forage value of alfalfa

摘要

病虫害是限制紫花苜蓿生产的重要因素，春季黑茎病和豌豆蚜是我国苜蓿种植区广泛发生的病虫害，二者复合发生对产量和品质的影响如何尚不得知。本试验在兰州大学景泰草地农业观测研究站设置紫花苜蓿春季黑茎病、豌豆蚜、春季黑茎病+豌豆蚜复合发生、喷施高效氯氟氰菊酯溶液等处理，以田间自然生长为对照。研究发现病原菌处理和病虫复合发生处理的春季黑茎病发病率和病情指数分别为54.67%~82.67%和20.93%~40.93%，显著高于对照和药剂处理；相较于对照和药剂处理，病原菌和病虫复合发生下，紫花苜蓿产量降低20.87%和22.17%（P<0.05）。病虫害对苜蓿叶片营养元素、饲喂价值的影响大于其对茎秆、地上部全株相应指标的影响，尤其以病虫复合发生情况下影响更为显著。与对照相比，病原菌处理显著降低了苜蓿叶片钙和硫含量，显著增加了叶片钾含量（P<0.05）；与药剂处理相比，病原菌、蚜虫及病虫复合发生苜蓿叶片蛋白含量均显著降低；病虫复合发生较对照具有更高的单糖含量，较病原菌处理，苜蓿叶片乙酸和乳酸的含量降低（P<0.05）。本研究为紫花苜蓿春季黑茎病和豌豆蚜损失评定提供了理论依据，为后续病虫害防治提供了理论指导。

Abstract

Pests and diseases significantly constrain Medicago sativa （alfalfa） production. Spring black stem disease， caused by the fungal pathogen Phoma medicagonis and pea aphid （Acyrthosiphon pisum）， is widespread in alfalfa-growing regions of China. However， the impact of the combined occurrence of this pathogen and the aphid on alfalfa yield and quality remains unclear. To address this knowledge gap， we conducted a field experiment at the Jingtai Field Scientific Observation and Research Station of Grassland Agro-Ecosystems， Lanzhou University. The treatments included spring black stem inoculation， pea aphid disease infestation， combined spring black stem disease inoculation and pea aphid infestation， and spraying with β-cyfluthrin solution. Naturally grown alfalfa served as the control. The results show that the incidence and disease index of spring black stem disease in the pathogen treatment and pathogen+aphid treatment groups reached 54.67%-82.67% and 20.93%-40.93%， respectively， significantly higher than those in the control and insecticide-protected groups. Compared with the control and insecticide groups， the pathogen treatment group and pathogen+aphid treatment group showed decreases in alfalfa yield （decreases of 20.87%-22.17%）. Pests and diseases had a greater impact on the nutrient contents and feeding value of alfalfa leaves than on stems or the entire aboveground part， especially in the pathogen+aphid treatment group. Compared with the control， the pathogen treatment group showed significantly reduced calcium and sulfur contents in the leaves and significantly increased potassium content （P<0.05）. The protein content in alfalfa leaves was significantly lower in the pathogen treatment group， aphid treatment group， and pathogen+aphid treatment group than in the insecticide group. The monosaccaride content in leaves was higher in the pathogen+aphid treatment group than in the control （P<0.05）， and the acetic acid and lactic acid contents in alfalfa leaves were lower in the pathogen+aphid treatment group than in the pathogen-only treatment group （P<0.05）. The results of this study provide a theoretical basis for assessing alfalfa crop losses caused by spring black stem disease and pea aphid， and offer theoretical guidance for the development and refinement of pest and disease control strategies.

Graphical abstract

关键词

损失评价 / 病虫害 / 饲喂价值 / 病虫害管理

Key words

loss evaluation / disease and insect pests / feeding value / disease and insect pests management

紫花苜蓿（Medicago sativa）是全球种植面积最大的豆科牧草，全年为家畜提供干草和青贮饲料。据估计，2014年全球紫花苜蓿种植面积超过2380万hm²，其中美国、中国和加拿大是三大生产国^［1］。由苜蓿茎点霉（Phoma medicaginis）引起的春季黑茎病和叶斑病是紫花苜蓿最常见的病害之一，发生在美国^［2-3］、加拿大^［4-5］、中国^［6］、意大利^［7］、印度^［8］和突尼斯^［9］等国家。该病害可导致19%~40%的产量损失^［10-11］，并使受感染的紫花苜蓿叶片的粗蛋白含量降低22%^［11］。该病原菌可侵染美国、加拿大、中国和澳大利亚种植的40多个紫花苜蓿品种^{［6，12-13］}。

蚜虫是主要的农业害虫，通常以孤雌生殖或胎生方式繁殖，从而快速扩大种群^［14］。豌豆蚜（Acyrthosiphon pisum）通过直接吸食韧皮部汁液、破坏韧皮部，以及作为多种有害病毒的传播媒介，对全球的豆类作物造成严重的经济损失^［15-17］。豌豆蚜侵染多个属的豆科作物，如蚕豆（Vicia faba）、羽扇豆（Lupinus albus）、紫花苜蓿和豌豆（Pisum sativum）^［18-19］等。

蚜虫和春季黑茎病及叶斑病通常同时为害紫花苜蓿，造成严重损害^［20］。但很少有研究关注豌豆蚜侵染和春季黑茎病联合发生对苜蓿产量和品质的影响。在有害生物-牧草-经济系统中，了解有害生物的危害特性和牧草的受害反应，厘清有害生物对牧草产量构成因素的影响，是进行经济损失估计的基础。病虫害暴发不仅破坏生态，也造成经济损失，有效防治对保障苜蓿草地健康至关重要。若不能准确评估损失并权衡防治成本，可能导致资源错配甚至产生负面影响。因此，在苜蓿病虫害防治中，如何精准评估损失，并以此为基础制定合理策略，实现防治效益最大化，是当前的重要挑战。

目前，国际上对于作物（包括牧草）病虫害损失评定的研究多见于同一有害生物^［21］；少数学者研究了同一类型有害生物，如苜蓿锈病（Uromyces striatus）和白粉病（Leveillulla leguminosarum ＆ Erysiphe pisi）对苜蓿产量的影响^［22］，而有关病虫害危害牧草的研究，目前尚未见报道。本研究在田间设置了紫花苜蓿春季黑茎病和豌豆蚜单独及复合发生，同时建立药剂处理，旨在研究明确春季黑茎病和豌豆蚜危害对紫花苜蓿产量和品质的影响，评估其引致损失，为紫花苜蓿病虫害防治提供指导。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 植物材料

本试验供试植物为陇东紫花苜蓿（M. sativa cv. Longdong），种子购买于甘肃创绿草业种子有限公司。

1.1.2 供试病原菌和蚜虫

供试病原菌为苜蓿茎点霉，由兰州大学草种创新与草地农业生态系统全国重点实验室草地保护研究所分离鉴定所得。供试蚜虫为豌豆蚜，从兰州大学榆中校区苜蓿地捕捉，经形态学和分子生物学鉴定，在培养箱中饲养备用。

1.2 试验设计

1.2.1 小区设置

2024年4月，在兰州大学景泰草地农业观测研究站种植紫花苜蓿，品种为陇东苜蓿，建立不同病虫处理试验小区，小区长5.0 m、宽4.0 m，间距1.0 m。设病原菌处理（pathogen， P）、蚜虫处理（aphid， A）、病虫复合发生处理（pathogen+aphid， PA），药剂处理（fungicide， DZ），设无处理为对照（CK），每个处理设5个重复，共计25个小区，采用随机区组分布。种子播种方式为条播，行距30 cm，播种深度为1.0~1.5 cm，播种量为25.5 kg·hm^-2，按常规进行浇水处理管理。

1.2.2 试验处理

病原菌处理：先制备病原菌的分生孢子菌悬液，调节分生孢子数至1×10⁸ CFU·mL^-1。采用喷雾法进行病原菌接种，将病原菌分生孢子菌悬液均匀喷于植物叶表面；对照则喷等量无菌水代替^［23］。蚜虫处理：将含有已知蚜量的蚕豆叶片放置在已标记紫花苜蓿植株的最上部生长点上，人工接虫均在1 d内完成，每个小区选择5个点进行接虫，每个点选择5个枝条，每个枝条接种10头蚜虫。通过人工控制的方法调整初期蚜量，无蚜处理小区使用药剂控制蚜虫密度为接近于0的水平。药剂处理：使用5%高效氯氟氰菊酯和25%丙环唑，施用量为375 mL·hm^-2［24］。病虫复合发生：病原菌处理1 d后进行蚜虫处理。

1.2.3 病害监测

各样地内采用“Z”型五点取样法确定调查样点，选取长势较一致的紫花苜蓿30株，在“上、中、下”3个空间上进行春季黑茎病发生情况调查。调查时间为植物生长季。按照如下公式计算发病率和病情指数：

\mathrm{发病}\mathrm{率}(\mathrm{\%})=(\mathrm{发病}\mathrm{叶片}\mathrm{数}÷\mathrm{总叶}\mathrm{片数})\times \mathrm{100}

\mathrm{病情}\mathrm{指数}=\mathrm{100}\times (\mathrm{各级}\mathrm{病叶}\mathrm{数}\times \mathrm{各级}\mathrm{代表}\mathrm{值})÷(\mathrm{调查}\mathrm{总叶}\mathrm{片数}\times \mathrm{最高}\mathrm{级代}\mathrm{表值})

1.2.4 产量及品质指标测定

选取长势均匀的1 m×1 m样方的紫花苜蓿进行刈割，刈割后将鲜草烘干并计算紫花苜蓿干草产量。

每个小区随机选取3个点收集地上苜蓿样品，每个点收集30个枝条，其中20个枝条将茎秆和叶片分离，将样品放至在65 ℃的烘箱中烘48 h，后用多功能粉碎机磨成粉末用于品质指标测定。利用可见/近红外光谱仪（XDS-RCA， Foss NIRSystems Inc.， 丹麦）测定紫花苜蓿干草品质指标，分为全株、茎秆和叶片三部分，测定指标包括粗蛋白（crude protein，CP）、粗脂肪（ether extract，EE）、粗灰分（crude ash，CA）、中性洗涤纤维（neutral detergent fiber，NDF）、酸性洗涤纤维（acid detergent fiber，ADF）、木质素（lignin）、乳酸（lactic acid）含量等 ^［25］。

1.3 数据分析

采用Microsoft Excel 2019进行数据整理和计算。每个处理均采用5个重复的平均值及其标准误，利用JMP Pro 16（SAS Institute Inc.， 美国）student t test（P<0.05）进行统计分析。采用GraphPad Prism 8（Dotmatics Ltd，英国）作图。

2 结果与分析

2.1 田间病虫害发生情况

田间调查发现，接种病原菌后，病害发生较为严重，病原菌处理和病虫复合发生处理的春季黑茎病发病率和病情指数分别达到54.67%~82.67%和20.93%~40.93%（图1）。相较于对照，病原菌和病虫复合发生处理下，春季黑茎病发病率和病情指数显著增加（P<0.05）。相较于对照，蚜虫处理春季黑茎病发病率和病情指数无显著差异。药剂处理下，春季黑茎病发病率显著低于对照，蚜虫处理下发病率显著高于药剂处理（P<0.05），但病情指数无显著差异（图1）。

2.2 不同处理对紫花苜蓿草产量的影响

相较于对照和药剂处理，病原菌和病虫复合发生下，紫花苜蓿地上生物量降低20.87%~22.61%（P<0.05），蚜虫处理降低了7.83%和13.04%（P>0.05，图2）。与对照相比，蚜虫造成损失可达2397.60 kg·hm^-2，病原菌造成损失4155.84 kg·hm^-2，病虫复合发生造成损失4075.92 kg·hm^-2；药剂处理与对照接近，未表现出产量优势。

2.3 不同处理对紫花苜蓿营养元素含量的影响

除钠元素外，病虫害及药剂处理均不同程度影响了紫花苜蓿叶片营养元素的含量。尤其是病原菌处理，对苜蓿叶片各营养元素含量影响最为显著，与对照相比，病原菌处理显著降低了苜蓿叶片钙和硫含量，显著增加了叶片钾含量（P<0.05，表1）；虫害、病虫复合发生对苜蓿叶片营养元素含量无显著影响。药剂处理提高了叶片磷含量（P<0.05，表1）。

病虫害和药剂处理对苜蓿茎秆营养元素含量影响小于其对苜蓿叶片营养元素含量影响，所测定的7种营养元素中，仅药剂处理较对照、蚜虫、病虫复合发生提高了茎秆磷含量（P<0.05）；病虫复合发生较病原菌发生降低了茎秆氯含量（P<0.05，表2）。其他营养元素含量在各处理间无显著差异。

病虫害处理未显著影响紫花茎叶营养元素含量（表3）。所有处理中，仅药剂处理下，茎叶氯含量低于病原菌、蚜虫分别为害（P<0.05，表3）。

2.4 不同处理对紫花苜蓿饲用价值的影响

病虫害处理对紫花苜蓿叶片饲用价值存在不同程度的影响。与药剂处理相比，病原菌、蚜虫及其复合发生均显著降低了苜蓿叶片蛋白含量。几种蛋白质中，病虫复合发生较对照降低了过瘤胃蛋白、中性洗涤不溶蛋白含量（P<0.05，表4），不可溶和酸性洗涤不溶蛋白含量在病虫害不同处理下与对照无显著差异（表4）。

病虫害及药剂处理未显著影响紫花苜蓿叶片酸性洗涤纤维、中性洗涤纤维、木质素含量，所有处理中，仅药剂处理下中性洗涤纤维含量低于病原菌及病虫复合发生处理（P<0.05，表4）。与对照相比，各处理未显著影响苜蓿叶片水溶性碳水化合物、灰分、脂肪及乳酸和乙酸含量，但病虫复合发生较药剂和病原菌侵染处理具有更高的水溶性碳水化合物含量，病虫复合发生较对照具有更高的单糖含量，药剂处理较对照灰分含量更高；病虫复合发生较病原菌处理，降低了苜蓿叶片乙酸和乳酸的含量（P<0.05，表4）。

与对照相比，病虫害及药剂处理未显著影响紫花苜蓿总可消化养分、24 h-体外干物质消化率、30 h-体外干物质消化率、48 h-体外干物质消化率，但病、虫单独侵染显著降低了24 h-中性洗涤纤维消化率，病原菌处理显著增加了48 h-中性洗涤纤维消化率。病原菌处理较药剂处理降低了苜蓿叶片24 h-体外干物质消化率，但增加了30 h-体外干物质消化率（P<0.05，表4）。

病虫害处理对苜蓿茎秆饲用价值的影响小于其对苜蓿叶片影响。与对照相比，所有处理未显著影响紫花苜蓿蛋白质、过瘤胃蛋白、酸性洗涤不溶蛋白、中性洗涤不溶蛋白含量，但病虫复合发生较病原菌处理降低了不可溶蛋白、中性洗涤不溶蛋白含量（P<0.05，表5）。

与对照相比，各处理亦未显著影响苜蓿茎秆中性洗涤纤维、酸性洗涤纤维、木质素含量。病虫复合发生较对照和病原菌处理提高了苜蓿茎秆水溶性碳水化合物含量（P<0.05，表5）；与对照相比，各处理均未显著影响苜蓿茎秆单糖、脂肪、灰分、乳酸和乙酸含量，仅蚜虫、病虫复合发生较药剂处理具有更高的乙酸含量（P<0.05，表5）。与对照相比，病虫害及药剂处理等未显著影响苜蓿茎秆总可消化养分、不同时间段体外干物质消化率和中性洗涤纤维消化率，仅蚜虫和病虫复合发生较药剂处理降低了24 h、30 h-中性洗涤纤维消化率（P<0.05，表5）。

病虫害处理对苜蓿地上部（茎叶）饲用价值的影响与其对苜蓿茎秆的影响相似。与对照相比，各处理未显著影响苜蓿地上部分蛋白质（包括不可溶蛋白、过瘤胃蛋白、酸性洗涤不溶蛋白、中性洗涤不溶蛋白）含量，仅蚜虫及病虫复合发生处理较药剂处理降低了酸性洗涤不溶蛋白（P<0.05）含量；病虫害亦未显著影响苜蓿地上部纤维（中性洗涤纤维、酸性洗涤纤维）、木质素、水溶性碳水化合物、脂肪及灰分含量，但病原菌处理显著增加了苜蓿地上部分乳酸含量（P<0.05），另外，蚜虫及病虫复合侵染较药剂处理均显著增加了苜蓿地上部水溶性碳水化合物含量（P<0.05）。各处理均未显著影响紫花苜蓿地上部总可消化养分、不同时间段体外干物质消化率及中性洗涤纤维消化率（P>0.05，表6）。

3 讨论

评定病虫害等有害生物对作物造成的产量、品质和经济效益损失，进而制定精准的防治措施是有害生物防控的前提和基础。国内外有害生物致损评定的研究始于20世纪30-40年代，牧草病虫害损失的研究日益引起研究者的关注，国内外学者陆续开展了紫花苜蓿蚜（Acyrthosiphon kondoi）、苜蓿豌豆蚜、马铃薯叶蝉（Empoasca fabae）、苜蓿潜叶蝇（Agromyza frontella）、苜蓿象鼻虫（Hypera postica）等害虫，及蚜虫传播的苜蓿花叶病毒病对苜蓿产量造成的危害及致损评定等相关研究^［26-31］，为害虫防控工作提供了理论参考。但这些研究无一例外，都是针对单一病害或虫害引致的作物损失开展的研究，针对病虫两种不同类型有害生物致损的研究较少。本研究建立了田间小区试验，通过人工接种，构建了不同病虫害处理，探讨了春季黑茎病和豌豆蚜单独及复合发生对紫花苜蓿产量和品质的影响，并与药剂处理进行比较，研究发现，病原菌处理和病虫复合发生处理显著提高了春季黑茎病的发病率和病情指数，显著降低了紫花苜蓿产量，并对苜蓿叶片的营养元素和饲喂价值产生了影响。

病虫害是制约牧草产量与品质的关键因素。其影响不仅体现于生物量直接损失，更在于多途径干扰牧草营养价值与适口性^［32-33］。病原侵染和害虫取食破坏牧草细胞结构，抑制光合作用，降低干物质积累速率，直接导致产量损失^［34］。病害引发的生理代谢紊乱，如病原毒素抑制关键酶活性、干扰养分吸收转运等，亦限制牧草生长^［23］。同时，害虫的刺吸式口器或咀嚼式口器造成的机械损伤，为病原菌入侵创造条件，加剧病害的发生，形成复合胁迫^［35］。例如，研究表明，春季黑茎病能够显著降低紫花苜蓿的产量和品质^［23］。另有研究表明，豌豆蚜的危害会导致紫花苜蓿生长受阻，产量下降，品质降低^［10-11］。本研究进一步揭示了春季黑茎病和豌豆蚜复合发生对紫花苜蓿的危害程度高于单一病、虫害，这与一些研究认为病虫复合发生会加剧作物损失的结果一致^［1］。

病虫害对牧草品质的影响主要表现在蛋白含量下降，纤维素、半纤维素含量上升^［32］，这是因为病害破坏营养器官，致使营养向非营养器官转移。此外，病害易导致有毒有害物质（如真菌毒素）积累，降低牧草适口性与安全性^［36-37］。害虫取食活动导致牧草粗蛋白含量降低，纤维素含量升高，亦可显著降低牧草品质^［38］，这可能源于植物启动防御反应，将更多碳水化合物用于合成防御物质，而非蛋白质。此外，部分害虫（如蚜虫）分泌的蜜露易引发霉变，降低牧草适口性与卫生质量^［38-39］。本研究发现，与对照相比，病原菌处理显著降低了苜蓿叶片钙和硫含量，显著增加了叶片钾含量。这可能是因为病原菌的侵染会破坏叶片细胞的结构，导致钙和硫等元素的流失。同时，为了抵抗病原菌的侵染，紫花苜蓿可能会吸收更多的钾元素，以增强自身的抗病能力。本研究还发现，与药剂处理相比，病原菌、蚜虫及其复合发生均显著降低了苜蓿叶片蛋白含量。这可能是因为病虫害的发生会影响紫花苜蓿的氮代谢，导致蛋白质合成受阻^［1］。此外，病虫害还可能导致叶片中蛋白质的分解，从而降低叶片中的蛋白质含量^［1］。

本研究中，病虫复合发生较对照具有更高的单糖含量，较病原菌处理，降低了苜蓿叶片乙酸和乳酸的含量。这可能是因为蚜虫的取食刺激紫花苜蓿产生更多的单糖，以满足自身的能量需求^［38-39］。同时，病虫复合发生可能改变紫花苜蓿的代谢途径，导致乙酸和乳酸含量降低^［38-39］。药剂处理能够有效减轻春季黑茎病和豌豆蚜的发生，提高紫花苜蓿的产量和品质。然而，长期依赖化学药剂可能导致病虫害产生抗药性，破坏生态平衡，因此，需要探索更加环保和可持续的病虫害综合防控策略。本研究中，病虫害对苜蓿叶片营养元素、饲喂价值的影响大于其对茎秆、地上部全株相应指标的影响，尤其以病虫复合发生情况下影响更为显著。这可能是因为叶片是紫花苜蓿进行光合作用的主要器官，也是病虫害侵染和为害的主要部位。病虫害的发生会导致叶片组织受损，光合效率降低，从而影响叶片中营养物质的合成和积累^［1］。此外，病虫害还可能改变叶片中的酶活性，影响营养物质的转化和代谢^［36-37］。

另外，本研究表明，病虫复合发生对苜蓿产量和品质的影响相比病虫单独为害有增强或降低的趋势，因指标而异，这可能与病虫在为害过程中存在复杂的互作关系有关^［35］。研究发现，植物病原体通过诱导寄主体内挥发性化合物、可溶性糖、淀粉、游离氨基酸、次生代谢产物以及抗氧化酶的积累，进而影响害虫的取食偏好、产卵行为、生长发育、扩散以及种群动态^［35］。另一方面，昆虫、害虫作为病原体的传播媒介，能够传播病原体；亦可通过直接取食真菌孢子、菌丝体或有毒真菌化合物来降低病害的发生率；或者通过消耗植物组织，为病原体入侵提供便利通道（伤口侵染），从而增加植物对病原体的易感性^［35］。此外，害虫和病原体均可激活植物的防御系统，该过程主要由茉莉酸和水杨酸等防御相关化学物质介导，进而调控防御相关基因的表达^［1］。

有害生物致损评定，是粮食作物、经济作物、果树、林木等的有害生物防治的重要基础^［40-41］，国内外对病虫草害致损评定的研究逐渐由以单独病、虫、草为对象转向以多种为害方式及混合种群为对象，朝着多元化的方向发展，这为未来农业的持续健康发展提供了有力的指导。其次，使用现代科技手段进行害虫为害致损评定势在必行，如Jacobs等^［40］利用地面激光扫描评估舞毒蛾（Lymantria dispar）引起的落叶和后续的生长损失^［40］。

本研究虽然取得了一些有意义的结果，如从病虫害防治的角度，本研究发现病虫害显著降低了牧草产量，与对照相比，蚜虫、病原菌及二者互作造成产量损失为2397.60~4155.84 kg·hm^-2，病虫复合发生造成产量损失4075.92 kg·hm^-2；药剂处理与对照产量接近，未表现出产量优势，说明在病虫害发生比较轻的情况下，不需要采取防治。本研究仅探讨了春季黑茎病和豌豆蚜对紫花苜蓿的影响，田间有零星的白粉病、霜霉病的发生，但本研究未考虑其他病虫害的因素。未来的研究需要考虑在不同地区和不同环境下开展试验，考虑不同生长阶段、不同病虫危害及不同防治措施对苜蓿产量、品质的影响，探讨更多病虫复合发生对紫花苜蓿的影响，以全面评估病虫害对紫花苜蓿生产的危害，构建病虫害防控技术体系。

4 结论

本研究通过田间试验发现，春季黑茎病与豌豆蚜显著降低了紫花苜蓿产量及品质，且病虫复合发生加剧了此效应。病虫害主要影响叶片光合与营养积累，降低钙硫含量，增加钾含量，并显著降低蛋白含量，从而降低饲用价值。蚜虫、病原菌及病虫复合发生分别导致减产2397.60、4155.84和4075.92 kg·hm^-2。轻度发生时，药剂防治未见明显增产，提示需审慎评估防治必要性。

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基金资助

2024年高校教师创新基金(2024A-223)