腐殖酸水溶肥對蒙古黃芪根系生長及產(chǎn)量質(zhì)量的影響

郭 巖，盛晉華 ，張雄杰，劉 杰 ，李孝基

（1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院,內(nèi)蒙古呼和浩特 010019；2.內(nèi)蒙古天際綠洲特色生物資源研發(fā)中心,內(nèi)蒙古呼和浩特 010018）

蒙古黃芪 ［Astragalus membranaceus（Fisch.）Bge.var.mongholicus（Bge.）Hsiao］是常用的大宗藥材,藥性溫和有補氣固表的功效,是內(nèi)蒙古的道地藥材。由于野生資源的銳減,為滿足市場需求,在20世紀70年代首先在包頭市固陽縣引種推廣成功[1],種植技術(shù)也從種子直播、種苗垂直移栽改進到了目前生產(chǎn)上主要流行的種苗水平移栽。

合理的種植密度能優(yōu)化作物群體結(jié)構(gòu)。研究表明,種植密度會影響作物的產(chǎn)量和生理功能[2],對根莖類藥用植物來說還會影響根系的生長和產(chǎn)量[3]。腐殖酸水溶肥近年來得到推廣,在小麥、馬鈴薯等作物上的試驗結(jié)果表明,噴施腐殖酸水溶肥能顯著提高作物葉綠素含量,增強植株生理抗性,增加根系活力,促進根系生長,提高作物的產(chǎn)量和品質(zhì)[4-5]。藥用植物上噴施腐殖酸,能提高生物量和葉綠素含量,還對有效成分的積累起到了一定的促進作用[6]。試驗研究了蒙古黃芪不同種植密度下噴施腐殖酸水溶肥對蒙古黃芪根系生長和產(chǎn)量質(zhì)量的調(diào)控效應(yīng),以期通過栽培措施為內(nèi)蒙古地區(qū)蒙古黃芪規(guī)范、科學種植提供理論支持。

1 材料和方法

1.1 試驗地基本情況

試驗于2018年在內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學教學基地農(nóng)場進行,基地位于大青山南麓,北緯 40°48′31.10″,東經(jīng)111°17′4.89″,海拔 1056 m,年平均降水量 335～450mm。土壤耕層養(yǎng)分狀況：有機質(zhì)22.92 g/kg、全氮1.03 g/kg、速效氮67.82 mg/kg、有效磷8.53 mg/kg、速效鉀155.8 mg/kg,前茬作物為玉米。

1.2 試驗材料

供試材料為產(chǎn)自武川縣的2年生蒙古黃芪種苗,選取其中健壯無破損且大小相近適中的作為試驗用苗,平均百苗重619.4 g。腐殖酸水溶肥料源自山東綠隴生物技術(shù)有限公司。

1.3 試驗設(shè)計

采取二因素裂區(qū)試驗設(shè)計,主區(qū)為腐殖酸葉面噴施,設(shè)噴施腐殖酸水溶肥（FZS）和清水對照（CK）,副區(qū)為種植密度,在行距30 cm的基礎(chǔ)上,設(shè)置高密度M1株距9 cm（37.0萬株/hm2）,中等密度M2株距12 cm（27.8萬株/hm2）,低密度M3株距15 cm（22.2萬株/hm2）3個水平,共6個處理,小區(qū)面積30 m2,3次重復。2018年5月3日移栽,采取水平移栽（臥栽）的方式,播深10 cm,施肥采取減量化肥的方案,基肥磷酸二銨150.0 kg/hm2,尿素37.5 kg/hm2（出苗后80 d再追施37.5 kg/hm2）,硫酸鉀60.0 kg/hm2。5月13日開始出苗返青,地上部分枯萎后于10月10日測產(chǎn)收獲。全部出苗后每20 d左右進行噴施腐殖酸葉面肥和清水處理,直至8月末,噴施濃度為350 mg/L。其他田間管理同常規(guī)栽培。

1.4 測定項目與方法

1.4.1 根長和根直徑 于出苗后50,70,90,110,130d以及150 d收獲時取樣,每個小區(qū)選取有代表性的植株3株。用卷尺和電子游標卡尺測量主根長和根最大直徑,并帶回實驗室測定根表面積和根體積。

1.4.2 根表面積和根體積 使用Expression 1100 XL掃描儀對蒙古黃芪根系進行掃描后,用WinRHIZO根系分析軟件計算根表面積和根體積。

1.4.3 相對葉綠素含量 使用手持型SPAD-502相對葉綠素含量測定儀于蒙古黃芪出苗后50,70,90,110,130 d在各小區(qū)內(nèi)隨機選取3株代表性植株,要求葉片無破損,測定中上部葉SPAD值。

1.4.4 葉片水分利用效率 在天氣晴朗的9：00—11：00,使用美國PP Systems公司生產(chǎn)的CIRAS-3型光合儀進行測定,取樣時間及取樣方法同葉綠素的測定一致。

1.4.5 有效成分含量 參照2015版《中華人民共和國藥典》高效液相色譜法測定毛蕊異黃酮葡萄糖苷[7]。

1.4.6 產(chǎn)量 每個小區(qū)預(yù)留3個測產(chǎn)行,黃芪根部全部收獲測產(chǎn)。

1.5 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)整理和作圖采用Excel 2019、Prism 5軟件,用SPSS 25.0軟件進行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 腐殖酸對蒙古黃芪不同種植密度下根最大直徑和根長的影響

2.1.1 根最大直徑 由圖1可見,蒙古黃芪的根最大直徑在前期各處理數(shù)值相近,返青出苗90 d后各處理間表現(xiàn)出差異,至150 d收獲時M3FZS處理根直徑數(shù)值最大,達到15.4 mm。不同密度處理根最大直徑表現(xiàn)為高密度M1＜中等密度M2＜低密度M3,腐殖酸處理后根直徑有所提升,收獲時在M3密度下提高了0.23 mm,M1和M2密度下分別提高了1.30 mm和0.70 mm。說明過高的種植密度會導致根直徑下降,腐殖酸處理在一定程度上有利于根系增粗。

圖1 不同處理對蒙古黃芪根最大直徑和根長的影響

2.1.2 根長 不同時期各密度下噴施清水處理根長沒有明顯規(guī)律,噴施腐殖酸處理表現(xiàn)出對根系伸長的促進作用,至收獲時高密度和中等密度處理根長明顯高于對照,低密度處理效果不明顯。

由試驗結(jié)果可見：蒙古黃芪的根長在返青出苗后70～110 d快速增加,隨后趨于平穩(wěn),而根最大直徑在前期增長緩慢,直至110 d之后才開始迅速增粗。

2.2 不同種植密度下腐殖酸對蒙古黃芪根體積和根表面積的影響

由表1可知,收獲期蒙古黃芪的根表面積和根體積不同種植密度處理表現(xiàn)為M3＞M2＞M1,說明高密度會限制個體植株根系的生長,降低與土壤的接觸面積。腐殖酸處理后根表面積各密度比CK有所提升,但僅在M2達到顯著水平,M2FZS較M2CK增加了20.6%；腐殖酸處理后根體積在M1和M2密度下比CK均有顯著增加,但在M3密度下提升不顯著,M2FZS較M2CK根體積增長了14.2%。根體積和根表面積能反映根系的發(fā)育程度和活力,試驗結(jié)果說明：腐殖酸處理在適宜的密度下能促進根系的生長。

2.3 不同密度下腐殖酸對蒙古黃芪葉綠素相對含量SPAD值的影響

隨著生育進程的推進,蒙古黃芪SPAD值整體呈現(xiàn)下降趨勢,第2年返青后,新生葉片初始SPAD值最高（圖2）。密度增加伴隨著SPAD值的下降,出苗后50 d和110 d高密度M1處理SPAD值下降的速度比較快；M1CK從出苗后50 d到130 d的SPAD值下降31.8%,降幅高于M2CK和M3CK,說明高密度會使SPAD值隨生育期的整體下降幅度減緩。腐殖酸處理提高了蒙古黃芪葉片的SPAD值,從出苗后50 d開始腐殖酸處理蒙古黃芪葉片的SPAD值高于對照,直至130 d到達生育后期,蒙古黃芪葉片逐漸衰老,腐殖酸處理和對照的SPAD值趨于一致。各個生育時期腐殖酸處理在M1密度下SPAD值較對照提高5.9%～13.9%,M2密度下提高4.5%～12.4%,M3密度下提高1.0%～5.9%。說明腐殖酸處理可以在高密度和中等密度下提高蒙古黃芪SPAD值。

表1 不同處理蒙古黃芪根體積和根表面積

圖2 不同處理蒙古黃芪植株的SPAD值

2.4 不同種植密度下腐殖酸對蒙古黃芪葉片水分利用率的影響

葉片瞬時水分利用率由葉片凈光合速率和蒸騰速率的比值決定,意義為單位量的水通過蒸騰作用消耗時植物所能同化的光合產(chǎn)物量[8]。在同密度下噴施腐殖酸,蒙古黃芪葉片水分利用率持續(xù)上升（表2）,尤其在70～90 d迅速上升,在出苗后50～70 d、110～130 d下降。在出苗70 d時數(shù)值整體較低,可能是因為測定當天氣溫較高造成植物的蒸騰速率加劇,從而降低了葉片水分利用效率；另外,進入9月中下旬,葉片功能逐漸衰退,對水分的利用率降低。

表2 不同處理下蒙古黃芪葉片的水分利用率%

密度的增加會降低葉片的水分利用率,在前4個取樣時間腐殖酸處理與對照相比在3個密度下均能顯著提高葉片水分利用率,但在130 d時效果并不明顯,說明葉面噴施腐殖酸時間應(yīng)選擇在葉片開始衰老之前。

F值檢驗結(jié)果表明：密度在5個取樣時間都對蒙古黃芪葉片水分利用率產(chǎn)生了極顯著的影響,噴施腐殖酸在前4個取樣時間有極顯著的影響,兩個因素的交互作用對葉片水分利用率影響不顯著（表3）。

2.5 不同種植密度下腐殖酸對蒙古黃芪產(chǎn)量和有效成分含量的影響

2.5.1 產(chǎn)量 由表4可知,CK處理下,中等密度M2根產(chǎn)量最高,且顯著高于低密度M3,與高密度M1差異不顯著；噴施腐殖酸的3個處理根產(chǎn)量隨密度變化趨勢和CK相同,但是各處理間均差異顯著。腐殖酸處理后,M2FZS、M1FZS與各自對照相比根產(chǎn)量都有顯著提高,分別增加了8.6%、7.1%,但在低密度M3差異不顯著。通過表5分析可知,密度和腐殖酸兩個因素都對根產(chǎn)量有顯著影響,兩因素交互作用對根產(chǎn)量影響不顯著。

表3 密度和腐殖酸對葉片水分利用率影響的F值

表4 不同種植密度下腐殖酸對蒙古黃芪根產(chǎn)量和有效成分的影響

表5 密度和腐殖酸對根產(chǎn)量和有效成分影響的F值

2.5.2 有效成分 各處理毛蕊異黃酮葡萄糖苷含量均達到了藥典規(guī)定[7]。密度和腐殖酸兩因素都對該含量有顯著影響,兩因素交互作用影響不顯著（表5）。毛蕊異黃酮葡萄糖苷含量隨著密度增加有所上升,腐殖酸處理后較對照在中等密度和高密度下顯著增加0.016,0.013百分點。M1FZS處理有效成分含量最高,達0.089%,其次是M2FZS,M1CK含量排第3位。

3 討論與結(jié)論

合理的種植密度是中藥材栽培生產(chǎn)中獲得高產(chǎn)的有效途徑[9],在低密度下個體植株生長旺盛,但群體冠層有效光合面積較小,土地和環(huán)境資源得不到充分利用[10]；密度過高會導致個體擁擠,對光溫、養(yǎng)分、水分等生境資源的競爭加劇,冠層封閉使CO2無法合理分布,導致單株生產(chǎn)能力嚴重削弱。中藥材和糧食作物在過高的種植密度下都會存在有效光合面積和葉綠素含量減少、光合效率降低的現(xiàn)象[11-13]。研究表明：種植密度過高會造成根莖類藥材的根系生長受阻、根系產(chǎn)量下降[3]。本試驗結(jié)果表明：過高的密度使根直徑以及根表面積和根體積減少,降低了蒙古黃芪葉綠素含量和群體光合面積,導致光合能力下降,水分利用效率減弱,成為影響產(chǎn)量的直接因素,并且隨著密度增加蒙古黃芪產(chǎn)量先升高后降低,中等密度下產(chǎn)量最高,這與前人的結(jié)論一致[14]。

本試驗中,腐殖酸處理較清水對照能有效促進根系生長,增加根表面積和根體積,提高葉片水分利用效率、相對葉綠素含量,增加產(chǎn)量。在中等密度下腐殖酸處理對蒙古黃芪生理指標和產(chǎn)量提升的效果較好,M2FZS處理產(chǎn)量最高,為7 858.58 kg/hm2,而在低密度下作用不明顯,可能是低密度下植株個體資源和空間充足,個體發(fā)育較好的原因。在農(nóng)作物和中藥材上其他學者發(fā)現(xiàn)了相似的作用[15-16]。探討腐殖酸處理影響蒙古黃芪生理指標和根系生長的原因認為,腐殖酸具有一定的螯合能力,可促進植物對Mg2+和Fe2+的吸收,從而增加葉綠素含量；通過抑制K+在保衛(wèi)細胞中的積累,調(diào)節(jié)植物葉片氣孔的開啟來減少水分的蒸騰；對根系生長的促進作用主要是因為腐殖酸能提高H+泵的活性和細胞膜滲透性來改善根系的吸收能力,其含有有機生物激素能提升根系的活性,刺激細胞生長素的生成,實現(xiàn)根系細胞的生長[17-19]。

關(guān)于環(huán)境誘導植物次生代謝產(chǎn)物合成機制曾提出過一些假說,認為單位面積內(nèi)植物數(shù)量增加時,競爭脅迫加劇,個體獲得生境內(nèi)的資源（水、光、營養(yǎng)物質(zhì)）難度增加,此時植物生長發(fā)育的成本和難度加大,會轉(zhuǎn)而增加對次生代謝產(chǎn)物生產(chǎn)的投入以緩解脅迫[20]。有研究指出,噴施腐殖酸能提高植物中次生代謝產(chǎn)物的含量[21]。本研究結(jié)果表明：適度的增加種植密度,提高植株個體間的競爭脅迫,能提高次生代謝產(chǎn)物的含量,腐殖酸處理在高密度和中等密度下顯著提高毛蕊異黃酮葡萄糖苷含量,分別為0.013和0.016百分點。

根據(jù)根系生長的動態(tài)變化可以發(fā)現(xiàn),蒙古黃芪根系在移栽后首先進行伸長,到一定程度后不再變長,隨著生育時期的推進,接近地上部分枯萎期時干物質(zhì)和營養(yǎng)物質(zhì)開始向地下轉(zhuǎn)移,此期間根系直徑開始迅速上升。

試驗結(jié)果認為：中等密度處理蒙古黃芪的根產(chǎn)量最高,腐殖酸處理能在高密度和中等密度條件下促進蒙古黃芪根系的伸長,增加根表面積和根體積,提高葉綠素含量和葉片水分利用效率,進而增加根產(chǎn)量。蒙古黃芪有效成分在高密度下含量較高。實際生產(chǎn)中應(yīng)注重有效成分的總積累量,結(jié)合產(chǎn)量考慮,中等密度的有效成分積累量更高。綜合考量后認為：蒙古黃芪在中等密度下噴施腐殖酸的處理可以使蒙古黃芪產(chǎn)質(zhì)量達到最優(yōu)。