七叶一枝花 (Paris polyphylla Smith var. chinensis (Franch.) Hara)属百合科重楼属植物,是《中国药典》收载的两种重楼药材基原植物之一,主要分布于云南、贵州、四川、浙江、江西以及福建等地[1],以干燥根茎入药,用于治疗疔疮痈肿、蛇虫咬伤、跌扑伤痛以及惊风抽搐等[2]。根据《中国药典》要求,七叶一枝花的重楼皂苷Ⅰ、重楼皂苷Ⅱ和重楼皂苷Ⅶ含量不得少于0.60%。近年来,由于过度采挖,七叶一枝花及其同属植物的野生资源已近枯竭[3],人工栽培是保护药材野生资源、满足市场需求的唯一途径。人工栽培过程中,药材的产量和品质不仅依赖于优质的种苗,还受到施肥管理的影响。
在中药材的人工种植中,利用氮、磷、钾肥提高中药材产量和有效成分含量的研究已在人参[4]、三七[5]以及党参[6]等大宗药材上取得了显著成效。在重楼属药用植物的研究方面,王印等[7]发现土壤全钾、速效钾含量与滇重楼根茎总皂甙、多糖含量达到显著正相关;李金龙等[8]指出适量的氮、磷、钾作为基肥施用可显著提高滇重楼的产量及品质。然而,目前七叶一枝花的研究主要集中在种质资源[9−11]、栽培措施[12−14]及病虫害防治[15−16]等方面,关于肥料对其生长和品质的影响研究较少。不同植物的营养需求存在差异,目前人们关于七叶一枝花对氮、磷、钾等养分的需求规律还知之甚少,仅刘哲等 [17]报道了氮磷钾配施对大田种植七叶一枝花的产量和有效成分含量的影响。上述肥料施用对药用植物产量和品质的影响研究多为一年的试验结果,且为大田种植。然而,七叶一枝花作为多年生林下药材,有必要进行长期林下栽培施肥试验。
本研究采用“3414”肥料试验方法,通过田间试验,分析林下栽培模式下不同氮、磷、钾肥施用量对七叶一枝花产量和4种主要重楼皂苷含量的影响,明确当地生产高品质七叶一枝花的适宜施肥配比和用量,为以特定药效成分为目标的定向栽培模式开发提供参考。本研究以实现增产同时提高活性成分含量的定向栽培为目标,确定七叶一枝花人工栽培最优施肥方案,对指导实际栽培生产具有重要意义。
试验于2018—2022年在福建承天农林科技发展有限公司的七叶一枝花栽培基地进行。基地位于福建省南平市光泽县杉竹混交林下,武夷山脉北段,27°18′N,117°0′E,海拔298 m,全年积温6336℃,年日照1615 h,年降雨量1864 mm,全年无霜期271天。供试土壤为砂质壤土,<0.001 mm、0.01~0.001 mm、>0.01 mm粒径占比分别为10.2%、25.4%、64.4%,土壤容重为1.48 g/cm3。土壤化学性质为:pH 5.1,有机质28.2 g/kg,碱解氮 21.0 mg/kg,有效磷9.20 mg/kg,速效钾90.0 mg/kg。
1.2 试验材料供试种苗为光泽县福建承天农林科技发展有限公司的4年生重楼属七叶一枝花[Paris polyphylla Smith var. chinensis (Franch.) Hara]。氮、磷、钾肥分别为尿素(总氮≥46.4%)、过磷酸钙(P2O5≥16%)、硫酸钾(K2O≥50%)。
1.3 试验设计“3414”完全试验,即:氮、磷、钾 3 因素,每个因素4个水平,共14个处理的肥料试验设计方案。4 个水平的含义:0 水平指不施肥,2 水平指当地最佳施肥量的近似值,1 水平=2 水平×0.5,3 水平=2 水平×1.5 (该水平为过量施肥水平),各因素施肥量见表1。
表 1 “3414”试验设计方案
Table 1. “3414”experiment design
编号2018年10月10日,选用4年生的七叶一枝花种苗,种苗重约为10 g/株,各处理试验小区长6 m、宽1.2 m,随机区组排列,共14 个处理,3 次重复。每试验小区种植100株。底肥和追肥施用比例为N (5∶5)、P (8∶2)、K (5∶2∶3),追肥时间2019年4月(苗生长期)、2019年7月(果期,地上部生长旺盛期)和2019年11月(地上部倒伏期);2020、2021和2022年按照上述方式重复施肥,施肥方式为撒施;2年共6次的施肥总量见表1。其他田间管理与当地生产管理相同。
1.4 根茎生长指标测定2022年11月20日,在七叶一枝花地上部倒伏时,每个处理随机采挖30株。清洗并晾干表面水分后,用电子数显游标卡尺(精度0.01 mm)和直尺(精度0.10 cm)对各处理5个重复植株逐株测量农艺性状,包括株高、茎粗、叶长和叶宽。再分离根茎、去杂,称其鲜重,按采收30000株/hm2计算每个处理根茎的单位面积产量(林下生产密度约45000株/hm2,种植4~5年后,成品率约为67%,即产量按采收30000株/hm2计算)。为衡量供试土壤中氮、磷、钾等养分含量的丰缺程度,计算土壤肥力贡献率[18]。
土壤肥力对七叶一枝花产量的贡献率=不施肥区产量/平衡施肥区产量×100%;
氮、磷、钾肥增产率=(平衡施肥区产量−缺素区产量)/平衡施肥区产量×100%。
1.5 重楼皂苷含量测定测定生长指标后,将根茎60℃烘干至恒重,粉碎后过0.282 mm筛,用于重楼皂苷Ⅰ、重楼皂苷Ⅱ、重楼皂苷Ⅵ和重楼皂苷Ⅶ含量分析。参照《中国药典》(2020年版),利用高效液相色谱法(通则0512)测定,色谱柱为Kromasil 100-5-C18色谱柱(Dim:4.6 mm × 250 mm,Part/Serial: M05CLA25/e124315);检测波长为203 nm;柱温为20℃;流速为1.0 mL/min;进样量为10 μL;流动相为水(A)-乙腈(B)的梯度洗脱(0~40 min,70%~40%A;40~50 min,40%~60%A)[2]
1.6 数据处理采用DPS 18.10软件对数据进行显著性检验(P=0.05)和多重比较分析。
相比于对照无肥区处理(N0P0K0),不同氮磷钾配施总体上提高了七叶一枝花的株高、茎粗、叶长、叶宽和产量(表2)。其中,N2P2K2、N2P2K3 处理的七叶一枝花茎粗和根茎产量均显著高于其他处理,分别达到对照处理的1.54~1.55、2.54~2.69倍。
表 2 不同施肥组合下七叶一枝花农艺性状和产量
Table 2. Agronomic traits and yields of Paris polyphylla under different fertilizer treatments
处理试验基地无肥区的七叶一枝花根茎产量为1042 kg/hm2,平衡施肥区产量为2648 kg/hm2 (表2),试验基地土壤肥力对七叶一枝花产量的贡献率仅为39.38% (表3)。从表3可见,施用氮磷钾肥对七叶一枝花根茎有明显的增产效果,氮、磷、钾肥的增产率分别为59.75%、27.54%和63.15%。试验表明,钾肥对七叶一枝花的增产幅度最大,而磷肥对七叶一枝花的增产幅度最小。
表 3 土壤肥力及氮磷钾肥对七叶一枝花产量的影响
Table 3. Effects of soil fertility and N, P, K fertilizers on the yield of Paris polyphylla
指标 Index 对产量的贡献率或增产率 (%)由表4可知,在当地供试土壤条件下,各施肥处理的七叶一枝花根茎总重楼皂苷含量显著高于对照无肥区(N0P0K0),表明施肥有利于七叶一枝花根茎总重楼皂苷积累。N2P2K3处理下的根茎重楼皂苷Ⅱ和总重楼皂苷含量显著高于其他处理;同时,N2P2K2处理下的根茎重楼皂苷Ⅵ的含量也显著高于其他处理。平衡施肥的同时,适当增加钾肥施用量,有利于七叶一枝花根茎重楼皂苷成分含量积累。
表 4 不同施肥组合下七叶一枝花根茎重楼皂苷含量(%)
Table 4. Saponin contents of Paris polyphylla under different fertilizer combinations
处理当磷肥、钾肥用量处于中等水平时(P2K2),随氮肥用量增加,七叶一枝花根茎产量先增加,并在N2P2K2处理下达到2647.95 kg/hm2,显著高于低氮和无氮处理,但继续增加氮肥用量会显著降低根茎产量(图1)。与氮肥效应类似,当中等水平施用氮肥、钾肥时(N2K2),随磷肥用量增加,七叶一枝花根茎产量先增加,并在N2P2K2处理下达到最大,继续增加磷肥用量也会显著降低根茎产量。因此,在当地供试土壤条件下,种植七叶一枝花时应保持中等水平的氮肥和磷肥用量。
图 1 肥料单因素效应
注:N0、N1、N2、N3分别代表施氮0、135、270、405 kg/hm2;P0、P1、P2、P3分别代表施磷0、187.5、375.0、562.5 kg/hm2;K0、K1、K2、K3分别代表施钾0、100、300、450 kg/hm2。柱上不同小写字母代表处理间差异显著(P<0.05)。
Figure 1. Single fertilizer effect
Note: N0, N1, N2, N3 represent N application rates are 0, 135, 270, 405 kg/hm2, respectively; P0, P1, P2, P3 represent P2O5 application rates are 0, 187.5, 375.0, 562.5 kg/hm2, respectively; K0, K1, K2, K3 represent K2O fertilizer application rates are 0, 100, 300, 450 kg/hm2, respectively. Different small letters above the bars indicate significant difference among treatments (P<0.05).
不同的是,当氮肥、磷肥施用量处于中等水平时(N2P2),七叶一枝花根茎产量在施用钾肥后显著增加,其中N2P2K2、N2P2K3处理下的根茎产量显著高于其他处理(图1A)。供试土壤速效钾含量仅90.0 mg/kg,而土壤速效钾含量一般在100~300 mg/kg[19],由于当地供试土壤钾含量较低,即使不足量的钾肥投入亦可显著提高七叶一枝花的根茎产量。
2.4.2 肥料单因素效应对七叶一枝花重楼皂苷含量的影响肥料投入不仅显著影响七叶一枝花根茎产量,也是根茎重楼皂苷成分积累的重要影响因素。由图1B可知,当磷肥、钾肥用量处于中等水平时(P2K2),随氮肥用量增加,七叶一枝花根茎总重楼皂苷含量先降低后增加,并在N3P2K2处理下达到最大值1.37%,且显著高于其他处理,说明在当地供试土壤条件下,增加氮肥用量有利于总重楼皂苷积累。而当氮肥、钾肥用量处于中等水平时(N2K2),随磷肥用量增加,根茎总重楼皂苷含量波动较大,在N2P0K2和N2P2K2处理下分别达到1.12%、1.14%,显著高于其他处理。类似的,当氮肥、磷肥施用量处于中等水平时(N2P2)时,七叶一枝花根茎总重楼皂苷含量随钾肥用量变化而变化显著,在N2P2K3处理下达到最大(1.62%)。
2.5 氮、磷、钾肥的交互效应 2.5.1 磷钾肥施用对氮肥效果的影响氮、磷、钾不仅在七叶一枝花生长发育过程中分别起到重要作用,其肥效发挥还受到了彼此之间交互作用的影响。当钾肥用量处于中等水平(K2),七叶一枝花根茎产量在低氮(N1)和中氮(N2)处理下均随磷肥用量显著增加(图2A)。中氮(N2)水平下提高磷肥用量同样显著增加了七叶一枝花根茎总重楼皂苷含量(图2B)。上述结果表明,中磷水平有利于氮素肥效的发挥。
图 2 肥料交互效应分析
注:N1、N2分别代表施氮135、270 kg/hm2;P1、P2分别代表施磷187.5、375.0 kg/hm2;K1、K2分别代表施钾100、300 kg/hm2。柱上不同小写字母代表处理间差异显著(P<0.05)。
Figure 2. Interaction effect of fertilizers
Note: N1, N2 represent N application rates are 135, 270 kg/hm2, respectively; P1, P2 represent P2O5 application rates are 187.5, 375.0 kg/hm2, respectively; K1, K2 represent K2O application rates are 100, 300 kg/hm2, respectively. Different small letters above the bars indicate significant difference among treatments (P<0.05).
当磷肥用量处于中等水平(P2),低氮(N1)水平下增加钾肥用量显著降低七叶一枝花根茎产量,表现为拮抗效应,相反的是,增加钾肥用量却显著增加根茎总重楼皂苷含量。中氮(N2)处理水平下,增加钾肥用量显著增加了根茎产量,表现为协同效应(图2A),但增加钾肥用量却显著降低了根茎总重楼皂苷含量。钾肥与氮肥的交互效应复杂,其对七叶一枝花根茎产量和总重楼皂苷含量的影响呈相反趋势。
2.5.2 氮钾肥施用对磷肥效果的影响当钾用量处于中等水平(K2),七叶一枝花根茎产量在低磷(P1)和中磷(P2)处理下均随氮肥用量显著增加,根茎总重楼皂苷含量在中磷(P2)处理下也呈相同变化趋势(图2C、D)。当氮肥用量处于中等水平(N2),在低磷(P1)处理下,根茎产量和总重楼皂苷含量均随钾肥用量增加显著增加;而在中磷(P2)处理下,根茎产量随钾肥用量增加显著增加,但根茎总重楼皂苷含量则随钾肥用量增加显著降低(图2C、D)。上述结果表明,中氮水平有利于磷素肥效的发挥。此外,当土壤处于低磷水平时,中钾水平有利于磷素肥效的发挥,但当土壤处于中磷水平时,钾肥与磷肥的交互效应对根茎产量的影响表现为协同效应,而对根茎总重楼皂苷含量的影响则表现为拮抗效应。
2.5.3 氮磷肥施用对钾肥效果的影响当磷用量处于中等水平(P2),七叶一枝花根茎产量和总重楼皂苷含量在低钾(K1)和中钾(K2)处理下均随氮肥用量显著增加(图2E、F),均表现为协同效应。相似的,当氮肥用量处于中等水平(N2),根茎产量和总重楼皂苷含量也随着磷肥用量增加显著增加(图2E、F)。因此,中氮中磷水平有利于钾素肥效的发挥。
2.6 氮磷钾肥的施肥效益以市场平均价格N 7.10元/kg、P2O5 6.88元/kg、K2O 12.4元/kg、七叶一枝花根茎干品500元/kg为依据,各产值减去肥料成本后,与不施肥对照相比,计算氮磷钾施肥效益(表5)。结果表明,施氮磷钾肥单位面积净增收以N2P2K3处理最大,其次是N2P2K2处理。
表 5 不同施肥处理下七叶一枝花的生产效益 (yuan/hm2)
Table 5. Production efficiencies of Paris polyphylla under different fertilizer combinations
处理合理补充肥料是提高药用植物产量的重要措施[19]。本研究表明,氮、磷、钾肥不同比例配施显著影响七叶一枝花根茎产量,土壤肥力贡献率依次为磷>氮>钾,表明当地供试土壤条件下,七叶一枝花对肥料的需求水平依次为钾>氮>磷,根茎产量在N2P2K2和N2P2K3处理下显著高于其他处理,分别为2648、2804 kg/hm2,净增收分别为794280、871170元/hm2。已有的研究表明,药用植物生长对不同肥料的依赖度存在差异。李金龙等[8]的研究表明,增施氮肥、磷肥可提高滇重楼的产量,施用钾肥反而会降低滇重楼产量。陈翠等[20]的研究结果则表明,增施氮肥、磷肥可大幅提高滇重楼产量,但钾肥的增产效果不显著。上述关于重楼属药材的研究结果不一致,这可能与滇重楼和七叶一枝花品种不同、供试土壤类型、肥力以及施肥试验年限存在差异有关。因此,在不同地力条件下开展更多研究非常必要。
3.2 氮磷钾配施对七叶一枝花重楼皂苷含量的影响植物的养分供应还会影响药用植物有效成分的组成和含量,配方施肥已成为实现中药现代化定向栽培的必要手段[6]。目前,关于氮、磷、钾配施对重楼属药用植物活性成分影响的研究仍主要以滇重楼为主,且研究结论尚不一致。李金龙等 [8]认为不施用钾肥时滇重楼新根茎总重楼皂苷含量最高。王印等[7]和杨永红等[21]的研究则表明,在一定范围内土壤速效磷和速效钾含量越高,滇重楼皂苷含量越高。滇重楼主要含有薯蓣类皂苷,而七叶一枝花主要含偏诺类皂苷[22],本研究也证明了这一点,七叶一枝花根茎中以重楼皂苷Ⅵ、Ⅶ为主,占总重楼皂苷80%~95%,其中又以重楼皂苷Ⅶ含量最高,占总重楼皂苷70%左右。因此,由于滇重楼和七叶一枝花这两种药材的目标活性成分存在差异,在人工栽培七叶一枝花时,并不能够参照滇重楼的施肥方案。本研究中,N2P2K3处理下的七叶一枝花根茎总重楼皂苷含量达到1.62%,显著高于其他处理。中等水平氮、磷肥配合适当增加钾肥量,有利于根茎重楼皂苷成分含量积累。周日宝等[23]对百合总皂苷元含量的研究结果也类似。Ou等[24]研究发现,在三七栽培过程中,通过降低施氮量和增加施钾量来降低三七植株N/K值,可提高其净光合速率,加速碳水化合物的积累,上调皂苷生物合成相关基因的表达,促进三七皂苷的积累。这可能也是七叶一枝花栽培中适当提高钾肥用量可提升重楼皂苷含量的原因。
3.3 氮磷钾肥的互作效应氮磷钾肥料的最佳配施范围不仅与元素本身在植物生长发育过程中的作用密切相关,还受到不同元素之间互作效应的影响。综合分析不同肥料配施方案对七叶一枝花根茎产量和总重楼皂苷含量的影响,发现氮钾与磷钾交互效应表现复杂,不仅受到土壤本身肥力水平的影响,还与肥料施用水平相关。王伟妮等[25]在水稻研究中发现,当肥料用量处于低中水平时,氮、磷、钾肥两两互作效应表现为协同促进,肥料用量超过一定水平后则表现为拮抗作用。因此,适宜的肥料量是影响肥料间互作效应的重要因素,应根据当地的经济条件、目标产量和品质来确定氮磷钾肥的最佳配施方案。
在当地供试土壤条件下,钾肥对七叶一枝花的增产效果最好,其次是氮肥,磷肥最低。当氮、磷、钾肥用量分别为270、375、450 kg/hm2时,七叶一枝花根茎产量达到最大值2803.80 kg/hm2,根茎总重楼皂苷含量也达到最大值1.62%。氮、磷、钾肥料之间存在互作效应,中磷水平有利于氮肥肥效发挥,中氮水平有利于磷肥肥效发挥,而中氮、中磷水平有利于钾肥肥效发挥,但氮钾与磷钾交互效应复杂,受到土壤肥力水平的影响。
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