桔梗氮、磷、鉀施肥效應(yīng)與施肥模式研究

王 靜，王渭玲*，徐福利，曹鮮艷，石福高，張曉虎

(1西北農(nóng)林科技大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，陜西楊凌712100;2西北農(nóng)林科技大學(xué)，中國科學(xué)院水利部水土保持研究所，陜西楊凌712100;3商洛學(xué)院生物醫(yī)藥工程系，中國中醫(yī)科學(xué)院商洛中藥材GAP科研工程中心，陜西商洛726000)

桔梗Platycodon grandiflorum(Jacq．)A．DC 是桔梗科桔梗屬植物，別名鈴鐺花、包袱花、道拉基等，是我國傳統(tǒng)大宗中藥材之一，具有宣肺、利咽祛痰、排膿等功效［1］。現(xiàn)代藥理學(xué)研究表明桔梗有免疫調(diào)節(jié)、抗炎、保肝等作用［2］，并且是一種藥、食及觀賞兼用的經(jīng)濟(jì)植物。由于桔梗越來越多的藥用價值與經(jīng)濟(jì)價值被發(fā)現(xiàn)，使其用量大增，由于野生資源不能滿足市場的需求，因此大面積栽培桔梗逐步代替野生桔梗藥材而入藥［3］。目前對桔梗的研究主要集中在化學(xué)成分、藥理和臨床研究［4］及營養(yǎng)特性［5］等方面。由于桔梗植株對肥料較為敏感，施肥是桔梗栽培技術(shù)中的重要環(huán)節(jié)之一［6］。王玲等［7］報(bào)道指出氮肥和磷肥對一年生桔梗的產(chǎn)量和品質(zhì)影響較大，而鉀肥作用較小。張紅燕等［8］研究表明，有機(jī)肥、氮磷鉀配施對桔梗產(chǎn)量有增產(chǎn)作用。但前人的研究僅探討了若干不同肥料用量對桔梗產(chǎn)量的影響，沒有針對各自的土壤肥力給出具體的施肥量化標(biāo)準(zhǔn)，而生產(chǎn)中往往因?yàn)橥寥赖⒘?、鉀三種礦質(zhì)營養(yǎng)失衡而限制了產(chǎn)量和品質(zhì)的提高。為此，本文通過田間試驗(yàn)，采用氮、磷、鉀3因素2次D-飽和最優(yōu)設(shè)計(jì)，研究了氮、磷、鉀不同施肥用量對桔梗生長以及總皂苷的影響，并借助數(shù)學(xué)分析的方法建立了桔梗氮、磷、鉀優(yōu)化施肥模式，定量研究了氮、磷、鉀各因子的效應(yīng)，提出了桔梗高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)高效栽培最優(yōu)施肥量和最優(yōu)施用量配比，以期為桔梗生產(chǎn)的精準(zhǔn)施肥提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2010年在陜西商洛香菊藥源基地進(jìn)行?；氐貏萜教?，海拔580 m，屬于半濕潤溫暖氣候區(qū)，具有四季分明、光照充足、降水充沛的特點(diǎn)。年降水量722.9～899 mm，年平均日照2346.8 h，年平均氣溫15.8°C，無霜期248 d，是桔梗適宜生長地之一。

供試土壤類型為壤質(zhì)粘土。土壤養(yǎng)分狀況為：0—20 cm土壤有機(jī)質(zhì)21.94 g/kg，全氮 (N)0.68 g/kg，全磷 (P2O5)0.75 g/kg，全鉀 (K2O)13.80 g/kg，堿解氮 86.62 mg/kg，速效磷 71.63 mg/kg，速效鉀 134.10 mg/kg，有效銅 0.28 mg/kg，有效鋅0.32 mg/kg，有效鐵 2.41 mg/kg，有效錳 1.53 mg/kg，pH 值 7.47，CEC 值 23.58 cmol/kg，土壤含水量3.55%;20—40 cm土層有機(jī)質(zhì)13.89 g/kg，全氮 (N)0.47 g/kg，全磷 (P2O5)0.63 g/kg，全鉀(K2O)14.13 g/kg，堿解氮 60.38 mg/kg，速效磷49.94 mg/kg，速效鉀 111.83 mg/kg，有效銅 0.62 mg/kg，有效鋅 0.19 mg/kg，有效鐵 2.75 mg/kg，有效錳 0.89 mg/kg，pH 值 7.79，CEC 值 23.94 cmol/kg，土壤含水量3.76%。

1.2 材料與試驗(yàn)方法

田間試驗(yàn)采用3因素2次D-飽和最優(yōu)設(shè)計(jì)方案(310)［9］，試驗(yàn)設(shè)10 個處理，3 次重復(fù)，共 30 個小區(qū)，小區(qū)按照隨機(jī)區(qū)組排列，小區(qū)面積4 m×6 m=24 m2。試驗(yàn)設(shè)計(jì)編碼值及施肥量見表1。

試驗(yàn)用肥料為尿素(含 N 46%)、過磷酸鈣(P2O5≥12%)、硫酸鉀(K2O≥51%)，磷肥、鉀肥整地時作基肥一次施入，氮肥1/3作基肥施入，剩余2/3于定苗后作為追肥施入。

供試材料為商山桔梗Platycodon grandiflorum(Jacq．)A．DC。田間試驗(yàn)于2010年4月15日直播，按照行距25 cm，溝深1～2 cm，每一個小區(qū)16行條播，出苗前澆一次透水，并用麥草覆蓋地表以保持土壤松軟濕潤，5月1日出苗，桔梗生長期間不定期除草，6月1日定苗，10月25日收獲。其它采用常規(guī)田間管理措施進(jìn)行栽培管理。

1.3 測定項(xiàng)目和方法

2010年10月25 日收獲，每小區(qū)收獲4 m2，將植株連根挖出，所取樣品分成根、莖葉兩部分，用直尺測量植株高度和根長度，游標(biāo)卡尺測量根粗(主根最粗部位直徑)。采挖后，將根部分離，洗凈，除去須根，趁鮮剝?nèi)ネ馄ぃ?］，烘干測干重并折算至公頃產(chǎn)量。

采用超聲法提取總皂苷，香草醛–硫酸比色法測定總皂苷含量［10］(桔梗皂苷D對照品購于天津一方科技有限公司，含量 ≥98%);采用苯酚–硫酸比色法測定桔梗多糖含量［11］。

1.4 統(tǒng)計(jì)方法

試驗(yàn)數(shù)據(jù)用DPSv7.05軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，用Origin 8.0作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 桔梗產(chǎn)量氮、磷、鉀肥效反應(yīng)模式的建立與檢驗(yàn)

氮、磷、鉀肥對桔梗生長、產(chǎn)量和品質(zhì)指標(biāo)的影響見表2。各處理下桔梗產(chǎn)量和總皂苷含量重復(fù)的數(shù)據(jù)見表3。依據(jù)表3桔梗產(chǎn)量與總皂苷數(shù)據(jù)，采用二次多項(xiàng)式建立肥效反應(yīng)模式：

表1 氮、磷、鉀3因素2次D-飽和最優(yōu)設(shè)計(jì)方案Table 1 D-saturation optimal design with three factors of nitrogen，phosphorus and potassium

表2 氮、磷、鉀肥對桔梗生長、產(chǎn)量和品質(zhì)指標(biāo)的影響Table 2 The effects of N，P and K fertilization on growth，yield and quality of Platycodon grandiflorum

式中：x1代表N的用量編碼值或?qū)嶋H施用量，x2代表P2O5的用量編碼值或施用量，x3代表K2O的用量編碼值或施用量，bi(i=0，1，2……9)為回歸系數(shù)，Y代表桔梗的產(chǎn)量或者桔梗總皂苷含量。

根據(jù)本試驗(yàn)結(jié)果，擬合得在陜西商洛香菊藥源基地桔梗的根產(chǎn)量Y1與N(x1)、P(x2)、K(x3)的碼值效應(yīng)函數(shù)如下：

根產(chǎn)量的施肥量效應(yīng)函數(shù)如下：

表3 各處理桔梗產(chǎn)量和總皂苷含量Table 3 The detailed yield and total saponin data of Platycodon grandiflorum in each treatment

由于實(shí)際施肥量與編碼值之間存在簡單的線性代換關(guān)系，因此以上兩效應(yīng)函數(shù)經(jīng)線性回歸擬合及方差分析后各參數(shù)一致，即：F=124.68＞F0.01(9，20)=3.46，線性決定系數(shù)R2=0.9825，達(dá)到極顯著水平，擬合較好，能指導(dǎo)生產(chǎn)。由于設(shè)計(jì)所得數(shù)學(xué)模式是經(jīng)無量綱線性代換后所得，各一次項(xiàng)偏回歸系數(shù)絕對值的大小可直接反映氮、磷、鉀肥對桔梗產(chǎn)量的影響程度［12］。由回歸模型(1)和(2)知，|b1|＞|b3|＞|b2|，說明氮肥對產(chǎn)量影響最大，其次為鉀肥、磷肥。對回歸模型(1)求解效應(yīng)函數(shù)赫森矩陣各階順序主子行列式|A1|=– 1166.376，|A2|=1324185.577，|A3|=–743591856.578。計(jì)算出的施肥量有負(fù)外推值，屬非典型效應(yīng)函數(shù)，宜用頻率分析法尋優(yōu)［13］。

2.2 桔?？傇碥盏?、磷、鉀肥效反應(yīng)模式的建立與檢驗(yàn)

根據(jù)表3試驗(yàn)數(shù)據(jù)，求得在陜西商洛香菊藥源基地桔梗的總皂苷含量Y3與N(x1)、P(x2)、K(x3)的碼值效應(yīng)函數(shù)如下：

總皂苷的施肥量效應(yīng)函數(shù)如下：

經(jīng)方差分析，以上兩函數(shù)F=87.23＞F0.01(9，20)=3.46，決定系數(shù)R2=0.9752，達(dá)到極顯著水平。由回歸模型(3)和 (4)知，|b1|＞|b2|＞|b3|，說明氮肥對產(chǎn)量影響最大，其次為磷肥、鉀肥。對回歸模型(3)求解效應(yīng)函數(shù)赫森矩陣各階順序主子行列式|A1|=0.306，|A2|=– 0.118，|A3|=0.095，矩陣為非負(fù)定矩陣，對應(yīng)函數(shù)為非典型效應(yīng)函數(shù)［14］。

2.3 桔梗產(chǎn)量和總皂苷效應(yīng)函數(shù)的解析

對方程(1)和(3)采用降維法［15］，將模型中三個自變量中的任意兩個固定在零水平，得到兩組單因子效應(yīng)方程，即氮、磷、鉀肥與桔梗產(chǎn)量及總皂苷關(guān)系的單因子效應(yīng)方程，將各單因子效應(yīng)方程繪成圖1。

圖1 單因素效應(yīng)曲線圖Fig．1 Curves of single factor response to yield and total saponin

由圖1(a)看出氮、磷、鉀對桔梗產(chǎn)量的影響均呈開口向下的拋物線，桔梗產(chǎn)量隨著氮、磷、鉀施用量的增加而增加，但超過一定施肥水平后產(chǎn)量開始下降，符合米采利希(E．Mitscherlich)提出的肥料效應(yīng)報(bào)酬遞減定律［16］，在施肥量較小的情況下施用氮肥對產(chǎn)量的促進(jìn)作用最為明顯，其次是施用鉀肥，要提高桔梗產(chǎn)量，首先必須重視氮肥的施用。在本試驗(yàn)約束范圍(－1≤x≤1)內(nèi)，桔梗產(chǎn)量存在極大值，通過對以上單因素效應(yīng)函數(shù)求一階導(dǎo)數(shù)的零值可得出最高產(chǎn)量對應(yīng)的N(x1)、P(x2)、K(x3)的施肥水平：x1=0.486(即施N 111.52 kg/hm2)時，Y11max=5018.15 kg/hm2;x2=－0.0284(即施 P2O5109.30 kg/hm2)時，Y12max=4880.33 kg/hm2;x3=0.4229(即施 K2O 160.08 kg/hm2)時，Y13max=4930.41 kg/hm2。

從圖1(b)中看出：磷、鉀對桔?？傇碥盏挠绊懢书_口向下的拋物線，在施用量較低的情況下，總皂苷含量隨著磷、鉀用量的增加而增加，當(dāng)磷、鉀的施用過量時，造成總皂苷含量降低。在本試驗(yàn)約束范圍(－1≤x≤1)內(nèi)存在極大值：x2=0.2760(即施P2O5143.55 kg/hm2)，Y32max=5.691;x3=0.0757(即施 K2O 121.02 kg/hm2)，Y33max=5.678;超過此水平后，隨著施肥量的增加，總皂苷含量下降，說明桔梗總皂苷的累積需要一個適宜磷、鉀營養(yǎng)環(huán)境，施肥過多或過少都會影響總皂苷的積累。氮肥對桔?？傇碥盏挠绊懯情_口向上的拋物線，在本試驗(yàn)約束范圍(－1≤x≤1)內(nèi)呈現(xiàn)出單調(diào)增加趨勢，這是因?yàn)楸驹囼?yàn)方案中氮肥最大用量相對較小，再者依據(jù)C/N平衡假說［17］，增加施氮量可以促進(jìn)植物體內(nèi)碳水化合物含量，進(jìn)而為萜類化合物皂苷的合成提供充足的底物。

2.4 施肥模式尋求

采用頻率分析的方法對試驗(yàn)所得的數(shù)學(xué)模型(1)和(3)尋優(yōu)，將編碼值在試驗(yàn)范圍內(nèi)劃分出( －1、－0.2912、0.1925、1)四個水平，構(gòu)成 43=64個處理組合［18］，選定目標(biāo)產(chǎn)量4200～4800 kg/hm2(K=22)，皂苷含量高于5.5%(K=24)進(jìn)行頻率分析。

從表4可以看出，當(dāng)目標(biāo)產(chǎn)量在4200～4800 kg/hm2范圍內(nèi)，95%的置信區(qū)間的優(yōu)化施肥組合為x1取 0.1163～0.5921，x2取 －0.4302～0.1946，x3?。?.2978～0.3084，對應(yīng)的優(yōu)化施肥量為N 83.72～ 119.41 kg/hm2、P2O564.10 ～134.39 kg/hm2、K2O 78.80 ～147.20 kg/hm2。

同理，桔梗皂苷總含量高于5.5%，95%置信區(qū)間的優(yōu)化施肥組合為量為x1取0.5116～0.8683，x2取 －0.2359～0.3639，x3取 －0.3168～0.2123，對應(yīng)施肥量為N 113.37～140.12 kg/hm2、P2O585.96～153.44 kg/hm2、K2O 76.86 ～ 136.38 kg/hm2;為了實(shí)現(xiàn)桔梗高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)，將以上兩個優(yōu)化的施肥量取交集，得到桔梗高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)高效栽培最優(yōu)施肥量為N 113.37～119.41 kg/hm2、P2O585.96 ～134.39 kg/hm2、K2O 78.80 ～ 136.38 kg/hm2，N、P2O5、K2O的最優(yōu)施用量配比為1∶0.72～1.18∶0.66～1.20。

表4 桔梗目標(biāo)產(chǎn)量在4200～4800 kg/hm2的N、P、K編碼值頻率分布Table 4 Frequency distribution of N，P and K for yield between 4200 and 4800 kg/hm2

3 討論與小結(jié)

施肥是提高栽培藥用植物產(chǎn)量和改善品質(zhì)的重要措施，合理施肥既能夠促進(jìn)藥用植物生長發(fā)育，提高藥材產(chǎn)量，又能改善藥材品質(zhì)［19］。本試驗(yàn)結(jié)果表明，施用氮、磷、鉀能明顯促進(jìn)桔梗生長，提高產(chǎn)量和總皂苷含量等有效成分的累積。施用氮、磷、鉀肥對桔梗產(chǎn)量的影響大小依次為氮 ＞鉀 ＞磷，對總皂苷含量的影響為氮 ＞磷 ＞鉀。氮、磷、鉀的邊際產(chǎn)量效應(yīng)均隨施肥量增加而不斷減小，當(dāng)?shù)?、磷、鉀肥用量分別為 111.52、109.30和 160.08 kg/hm2時，邊際產(chǎn)量效應(yīng)值降至0，磷和鉀肥對總皂苷的邊際效應(yīng)呈現(xiàn)出類似規(guī)律，當(dāng)磷、鉀用量分別為143.55和121.02 kg/hm2時，邊際效應(yīng)值為0，表明桔梗在栽培中需要尋求產(chǎn)量和品質(zhì)均較好的平衡施肥組合。由于本試驗(yàn)土壤肥力較低，尤其是速效氮含量偏低，因此氮肥成為本試驗(yàn)中影響產(chǎn)量和品質(zhì)的最主要因素;為了達(dá)到桔梗高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)，磷和鉀的協(xié)同配施對桔梗產(chǎn)量和品質(zhì)的形成也至關(guān)重要，因?yàn)榱?、鉀具有調(diào)節(jié)氮代謝，促進(jìn)碳水化合物同化、運(yùn)輸和積累的作用［20］，同時有助于提高桔梗抗寒、抗倒伏能力，改善桔梗的品質(zhì)。因此桔梗的施肥首先要保證充足的氮肥，才能在磷肥與鉀肥合理配施的情況下得到高產(chǎn)又優(yōu)質(zhì)。通過施肥模式模擬尋優(yōu)，本試驗(yàn)條件下，目標(biāo)產(chǎn)量在4200～4800 kg/hm2范圍內(nèi)，95%置信區(qū)間所對應(yīng)的優(yōu)化施肥量為N 83.72～ 119.41 kg/hm2、P2O564.10 ～134.39 kg/hm2、K2O 78.80～147.20 kg/hm2;總皂苷含量高于5.5%，95%置信區(qū)間所對應(yīng)的優(yōu)化施肥量為N 113.37～140.12 kg/hm2、P2O585.96 ～ 153.44 kg/hm2、K2O 76.86～136.38 kg/hm2。綜合桔梗施肥對產(chǎn)量與品質(zhì)的影響，桔梗高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)高效栽培最優(yōu)施肥量為N 113.37 ～119.41 kg/hm2、P2O585.96 ～134.39 kg/hm2、K2O 78.80 ～136.38 kg/hm2，對應(yīng)最優(yōu)的 N、P2O5、K2O施用量比例為 1∶0.72 ～1.18∶0.66～1.20。這一結(jié)果與桔梗對氮、磷、鉀的吸收特性基本一致［6］。

由于桔梗生長的生態(tài)與土壤環(huán)境條件變化，都會不同程度地影響桔梗的生長發(fā)育，再者，本試驗(yàn)得出的最佳施肥量是在本試驗(yàn)栽培管理?xiàng)l件下得到的，因此模型的參數(shù)是否會因種植品種、氣候、土壤肥力水平之間的差異而發(fā)生變化，有待于進(jìn)一步研究，同時還需對施肥模型進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。

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