黨參氮磷鉀施肥效應(yīng)與最優(yōu)施肥量研究

胡佳棟，武子丁，劉子哲，李雯君，王二歡，梁宗鎖，董娟娥*

（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 陜西步長制藥有限公司，陜西咸陽 710000；3 浙江理工大學(xué)，杭州 310000）

中藥材黨參為桔?？浦参稂h參Codonopsis pilosula(Franch.)Nannf.、素花黨參Codonopsis pilosulaNannf. var. modesta(Nannf.)L. T. Shen或川黨參Codonopsis tangshenOliv.的干燥根。性味甘、平歸脾、肺經(jīng)，具有補中益氣、健脾益肺的功效[1]?，F(xiàn)代藥理研究表明，黨參具有調(diào)節(jié)血糖、降壓、抗缺氧、耐疲勞等作用[2]，并且是一種藥食同源的經(jīng)濟作物。近年來，黨參的使用量大增，其野生資源已不能滿足市場的需求，黨參主要生長于山地、林緣、灌叢中，在甘肅、山西、陜西、湖北、四川等省及東北地區(qū)多有栽培，其中甘肅省的黨參產(chǎn)量為全國之最[3]。黨參植株對肥料的需求量大，合理的施肥模式對黨參的良好生長至關(guān)重要[4]。目前，黨參施肥的研究主要集中在氮磷鉀、微量元素的施肥量及比例對其產(chǎn)量及質(zhì)量的影響[4-7]，沒有參照種植區(qū)的土壤肥力提供準(zhǔn)確的量化標(biāo)準(zhǔn)，而生產(chǎn)中往往因為土壤氮、磷、鉀的比例失衡而成為產(chǎn)量和品質(zhì)提高的限制因子。如何能夠參照各種植區(qū)的土壤肥力狀況提供有效的氮磷鉀平衡施肥量是實現(xiàn)現(xiàn)有土地資源提質(zhì)增效和推動農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展的重點任務(wù)[4]。

本研究通過田間試驗，采用氮、磷、鉀3因素2次D-飽和最優(yōu)設(shè)計方案，研究了N、P、K不同配比對黨參產(chǎn)量以及有效成分含量的影響，建立了相關(guān)的數(shù)學(xué)模型，定量研究了氮、磷、鉀各因子的效應(yīng)，確定了甘肅宕昌縣所代表的土壤肥力狀況下黨參的施肥模式和NPK的最優(yōu)配比，為實現(xiàn)黨參的規(guī)范化栽培提供了重要的理論依據(jù)和技術(shù)規(guī)程，并為其它根類藥材的規(guī)范化栽培提供技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

本試驗于2017年3—11月在甘肅省宕昌縣進行，試驗區(qū)海拔2400 m，年均日照1986.5 h，年均降水量450 mm，年均氣溫10℃，年均無霜期180 d，最大凍土深度45 cm，適宜于黨參生長[4]。

0—20 cm耕層土壤的基本性質(zhì)：pH 7.86，有機質(zhì)23.6 g/kg、全氮1.60 g/kg、堿解氮100 mg/kg、全磷1.05 g/kg、有效磷32.4 mg/kg、全鉀17.9 g/kg、速效鉀237 mg/kg。前茬作物為馬鈴薯。

1.2 材料

供試材料為一年生黨參Codonopsis pilosula(Franch.)Nannf.。供試肥料：尿素(含N 46%)、過磷酸鈣(含P2O514%)、硫酸鉀(含K2O 51%)，氮肥、磷肥、鉀肥整地時作基肥一次施入。

1.3 試驗設(shè)計

采用N、P、K三因素二次D-飽和最優(yōu)設(shè)計方案(310)[8](表1)，設(shè)置10個處理，3次重復(fù)，30個小區(qū)，小區(qū)面積為24 m2(6 m × 4 m)，栽植深度3～5 cm。栽植密度為50株/m2，各處理田間除草、病蟲害防治和水分管理等措施保持一致[4]。

1.4 測定項目和方法

2017年10月20日采收黨參[4]，每小區(qū)采收4 m2，將植株的根完整挖出后用卷尺測定根長；用游標(biāo)卡尺測量根粗(主根最粗部位直徑)；然后洗凈根部泥土，在105℃烘箱殺青10 min，在70℃干燥，測干重并折算至公頃產(chǎn)量。將干燥后的藥材粉碎，過0.18 mm(80目)篩，備用。

采用超聲法提取黨參炔苷，高效液相色譜法測定黨參炔苷含量[4,9]；采用超聲法提取黨參多糖，3,5-二硝基水楊酸(DNS)法和蒽酮-濃硫酸法相聯(lián)合測定黨參多糖含量[4]。

1.5 統(tǒng)計方法

數(shù)據(jù)整理及處理使用Excel 2010軟件，方差分析用 SPSS 23.0, 用 Origin8. 0和 Design-Expert 8.0.6作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 黨參產(chǎn)量效應(yīng)函數(shù)

氮、磷、鉀肥對黨參生長產(chǎn)量和品質(zhì)指標(biāo)的影響見表2。

根據(jù)試驗結(jié)果，擬合得到黨參根產(chǎn)量Y1與N(x1)、P(x2)、K(x3)的碼值效應(yīng)函數(shù)如下：

對該方程進行F檢驗，F(xiàn)=215.8＞F0.01(9，20)=3.46，決定系數(shù)R2=0.9898，存在極顯著的回歸關(guān)系，能較好地指導(dǎo)黨參施肥。F(1)= 456.6，F(xiàn)(2)=19.75，F(xiàn)(3)= 67.09，F(xiàn)(1，1)= 492.5，F(xiàn)(2，2)=251.5，F(xiàn)(3，3)= 75.83，F(xiàn)(1，2)= 11.00，F(xiàn)(1，3)=13.60，F(xiàn)(2，3)= 76.58。經(jīng)比較，所有項＞F0.01(1，20)= 8.10，偏回歸系數(shù)均達極顯著水平。氮、磷、鉀對黨參根產(chǎn)量的影響程度可通過比較每個一次項偏回歸系數(shù)的絕對值得到[10-12]。由方程(1)可得，氮、磷、鉀偏回歸系數(shù)的絕對值分別為174.4、36.28、66.87，說明對黨參產(chǎn)量的影響大小依次為氮 ＞鉀＞磷。

表1 黨參氮, 磷, 鉀配比設(shè)計Table1 Ratio design of NPK in Codonopsis pilosula

表2 不同氮, 磷, 鉀配比對黨參產(chǎn)量和有效成分含量的影響Table2 Effects of different ratios of NPK on the yield and bioactive components of Codonopsis pilosula

2.2 黨參炔苷含量效應(yīng)函數(shù)

根據(jù)試驗結(jié)果，擬合得到黨參炔苷含量Y2與N(x1)、P(x2)、K(x3)的碼值效應(yīng)函數(shù)如下：

對該方程進行F檢驗，F(xiàn)=497.51＞F0.01(9，20)=3.46，決定系數(shù)R2=0.9956，存在極顯著的回歸關(guān)系。F(1)= 653.9，F(xiàn)(2)= 773.6，F(xiàn)(3)= 89.25，F(xiàn)(1，1)= 242.2，F(xiàn)(2，2)= 247.6，F(xiàn)(3，3)= 861.8，F(xiàn)(1，2)= 15.24，F(xiàn)(1，3)= 65.37，F(xiàn)(2，3)= 9.640。經(jīng)比較，所有項均＞F0.01(1，20)= 8.10，模型的偏回歸系數(shù)都達到極顯著水平。由方程(2)可得，N、P、K的偏回歸系數(shù)絕對值分別為0.0725，0.0789，0.0268，說明磷肥對黨參根炔苷含量的影響最大，氮肥與磷肥的差距不大，鉀肥的影響最小。

2.3 黨參多糖含量效應(yīng)函數(shù)

根據(jù)試驗結(jié)果，擬合得到黨參多糖含量Y3與N(x1)、P(x2)、K(x3)的碼值效應(yīng)函數(shù)如下:

對該方程進行F檢驗，F(xiàn)=164.89＞F0.01(9，20)=3.46，決定系數(shù)R2=0.9867，存在極顯著的回歸關(guān)系。F(1)= 24.95，F(xiàn)(2)= 288.5，F(xiàn)(3)= 31.62，F(xiàn)(1，1)= 191.8，F(xiàn)(2，2)= 431.6，F(xiàn)(3，3)= 46.12，F(xiàn)(1，2)= 51.84，F(xiàn)(1，3)= 20.51，F(xiàn)(2，3)= 47.19。經(jīng)比較，所有項＞F0.01(1，20)= 8.10，模型的偏回歸系數(shù)都達到極顯著水平。由方程(3)可得，N、P、K偏回歸系數(shù)的絕對值分別為0.4441，1.5101，0.5000，表明磷肥對黨參根的多糖含量影響最大，鉀肥的影響其次，氮肥的影響最小。

2.4 黨參產(chǎn)量、炔苷含量和多糖含量效應(yīng)函數(shù)的解析

2.4.1 單因子效應(yīng)分析 方程(1)、(2)、(3)采用降維法[13]，得到三組單因子效應(yīng)方程(圖1)。

圖1 養(yǎng)分因子對黨參產(chǎn)量、炔苷和多糖的單因子效應(yīng)Fig.1 Effects of single nutrient factor(N, P, K)on the yield, lobetyolin and polysaccharide content of Codonopsis pilosula

1)N(x1)、P(x2)、K(x3)與產(chǎn)量的單因子效應(yīng)方程

氮肥對黨參產(chǎn)量的影響：

磷肥對黨參產(chǎn)量的影響：

鉀肥對黨參產(chǎn)量的影響：

2)N(x1)、P(x2)、K(x3)與炔苷含量的單因子效應(yīng)方程

氮肥對黨參炔苷含量的影響：

磷肥對黨參炔苷含量的影響：

鉀肥對黨參炔苷含量的影響：

3)N(x1)、P(x2)、K(x3)與多糖含量的單因子效應(yīng)方程

氮肥對黨參多糖含量的影響：

磷肥對黨參多糖含量的影響：

鉀肥對黨參多糖含量的影響：

圖1-A顯示，三條曲線都是開口朝下的拋物線，說明氮磷鉀與黨參產(chǎn)量的關(guān)系符合先上升后下降的 Mitscherlich學(xué)說(報酬遞減律)[14]。由于氮肥在施肥量水平較低時最利于黨參產(chǎn)量的提高，為了實現(xiàn)高產(chǎn)，必須加大對氮肥施用的重視。在本試驗約束范圍(-1 ≤x≤ 1)內(nèi)，黨參產(chǎn)量存在極大值：x1=0. 2496(即施 N 156.2 kg/hm2)時，Y11max=2425 kg/hm2；x2=-0.07265(即施 P 69.55 kg/hm2)時，Y12max=2404 kg/hm2；x3=0.2439(即施 K 62.19 kg/hm2)時，Y13max=2411 kg/hm2。

圖1-B顯示，三條曲線都是開口朝下的拋物線，在施肥量水平較低時，在一定范圍內(nèi)，黨參炔苷含量與氮、磷、鉀施用量呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。此時，磷肥的促進效果最好，其次是施用氮肥。在本試驗約束范圍(-1 ≤x≤ 1)內(nèi)，黨參炔苷含量存在極大值：x1=0.4260(即施N 178.2 kg/hm2)時，Y21max=0.8644 mg/g；x2=0.4582(即施 P 109.4 kg/hm2)時，Y22max=0.8671 mg/g；x3=0.08344(即施 K 54.17 kg/hm2)時，Y23max=0.8501 mg/g。當(dāng)施肥量超過臨界值后，會導(dǎo)致黨參炔苷含量的降低。

圖1-C顯示，三條曲線都是開口朝下的拋物線，在施肥量水平較低時，在一定范圍內(nèi)，黨參多糖含量與氮、磷、鉀施用量呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。此時，磷肥的促進效果最好，其次是施用鉀肥。在本試驗約束范圍(-1 ≤x≤ 1)內(nèi)，黨參多糖存在極大值: 當(dāng)x1=-0.09351(即施 N 113.3 kg/hm2)時，Y31max=23.89%；x2=0.2120(即施 P 90.90 kg/hm2)時，Y32max=24.03%；x3=0.2147(即施K 60.73 kg/hm2)時，Y33max=23.92%。施肥量超過臨界值會導(dǎo)致黨參多糖含量的降低。

2.4.2 兩因素互作效應(yīng)分析 方程(1)、(2)、(3)采用降維法[13]，并分別作曲面圖(圖2)。

從圖2顯示，磷氮的交互作用，黨參產(chǎn)量、炔苷含量及多糖含量都為開口向下的拋物曲面，氮肥和磷肥較低水平時，交互促進作用明顯。氮肥對產(chǎn)量影響更大，磷肥對多糖和炔苷含量影響更大。在鉀氮的交互作用中，黨參產(chǎn)量與肥料使用量呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，交互促進作用明顯；黨參炔苷含量的效應(yīng)圖為一張開口朝下的拋物曲面。同一水平的鉀肥使用量下，施氮的多少對黨參產(chǎn)量影響較大，同一水平的氮肥施用量下，鉀施用量的多少對黨參產(chǎn)量無顯著影響。氮元素對黨參產(chǎn)量及炔苷含量的影響更大，鉀元素對黨參多糖含量的影響更大。在磷鉀的交互作用中，黨參產(chǎn)量的效應(yīng)圖為一張開口朝下的拋物曲面；黨參炔苷及多糖含量與肥料使用量呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，交互促進作用明顯。鉀肥對產(chǎn)量影響更大，磷肥對炔苷和多糖含量影響更大?？偟膩碚f，氮磷鉀三者配施，施氮的多少對黨參產(chǎn)量影響較大，氮參與構(gòu)成植物功能與結(jié)構(gòu)蛋白，施氮能顯著提高植株的光合能力，有利于有機物的形成，為根的生長提供物質(zhì)基礎(chǔ)[15]。

圖2 交互作用分析Fig.2 Interaction effect analysis

2.5 施肥模式尋求

Hessian Matrix的主子式如下：|A1|=-699，|A2|=347935，|A3|=-89515533。說明方程(1)為非典型的效應(yīng)函數(shù)[10,16]。因此，本文采用頻率分析法對黨參產(chǎn)量-施肥模型進行尋優(yōu)(表3)。當(dāng)x1為0.02711～0.3930，x2取-0.3432～-0.07213，x3取-0.09384～0.4083，對應(yīng)的優(yōu)化施肥量為N 128.4～174.1 kg/hm2、P2O549.26～80.41 kg/hm2、K2O 45.31～70.42 kg/hm2時，可以實現(xiàn)目標(biāo)產(chǎn)量在2100～2500 kg /hm2范圍內(nèi)。

表3 黨參目標(biāo)產(chǎn)量在2100～2500 kg /hm2的因素頻率分布Table3 Frequency distribution of factors for target yield of Codonopsis pilosula between 2100 and 2500 kg/hm2

Hessian Matrix的主子式如下：|A1|=-0.1703，|A2|=0.0291，|A3|=-0.0092。說明方程(2)為非典型的效應(yīng)函數(shù)，采用頻率法尋優(yōu)。表4顯示，當(dāng)炔苷含量高于0.75 mg/g，95%的置信區(qū)間的優(yōu)化施肥組合為x1取 0.02786～0.5730，x2取 0.02786～0.5730，x3取-0.1731～ 0.07442，對應(yīng)的優(yōu)化施肥量為 N 128.5～196.6 kg/hm2、P2O577.09～118.0 kg/hm2、K2O 41.34～53.72 kg/hm2。

表4 黨參炔苷含量高于0.75 mg/g的因素頻率分布Table4 Frequency distribution of factors for lobetyolin content over 0.75 mg/g

Hessian Matrix的主子式如下：|A1|=-4.75，|A2|=33.25，|A3|=-72.77。說明方程(3)為非典型的效應(yīng)函數(shù)。同理，多糖含量高于22.50%(表5)，95%的置信區(qū)間的優(yōu)化施肥組合為x1取-0.2317～0.1330，x2取-0.1797～0.1777，x3取-0.1955～0.5166，對應(yīng)的優(yōu)化施肥量為N 96.04～141.6 kg/hm2、P2O561.53～88.33 kg/hm2、K2O 40.22～75.83 kg/hm2。

采用交集法既能實現(xiàn)黨參的高產(chǎn)又能保證其品質(zhì)，得到黨參的氮磷鉀最優(yōu)施肥組合為N 128.5～141.6 kg/hm2、P2O577.09～80.41 kg/hm2、K2O 45.31～53.72 kg/hm2，N、P2O5、K2O的最優(yōu)施肥量配比為 1∶0.54～0.63∶0.32～0.42。

表5 黨參多糖含量高于22.50%的因素頻率分布Table5 Frequency distribution of factors for polysaccharide content over 22.50%

3 討論

氮磷鉀合理配施不僅能提高藥用植物產(chǎn)量，而且能改善其品質(zhì)[16-19]。本研究表明，合理施用氮、磷、鉀肥能促進黨參的生長發(fā)育，并提高黨參的產(chǎn)量和質(zhì)量。黨參的高產(chǎn)施肥應(yīng)在保證充足氮肥的基礎(chǔ)上，合理配施磷、鉀肥。這與王靜等[11]得出的氮、磷、鉀對桔梗產(chǎn)量的影響結(jié)果一致。對黨參炔苷含量的影響為磷＞氮＞鉀，對黨參多糖的影響為磷 ＞鉀＞氮。根據(jù)碳-養(yǎng)分平衡假說，施磷肥與其他處理相比，植物生長速度大為減慢，使植物體內(nèi)的C/N比增大，導(dǎo)致植物積累的碳水化合物超過自身生長的需要，引起非結(jié)構(gòu)碳水化合物過剩且多于其他處理，從而促進了以碳為基礎(chǔ)的多糖和炔苷的合成[20-22]。上述結(jié)果與本課題組前期研究的結(jié)果基本一致[4]。

施肥模式尋優(yōu)結(jié)果表明，在本試驗條件下，當(dāng)x1為 0.0271～0.3930，x2取-0.3432～-0.0721，x3取-0.0 9 3 8～0.4083，對應(yīng)的優(yōu)化施肥量為 N 128.39～174.13 kg/hm2、P2O549.26～80.41 kg/hm2、K2O 45.31～70.42 kg/hm2，目標(biāo)產(chǎn)量在2100～2500 kg /hm2范圍內(nèi)。炔苷含量高于0.75 mg/g，95%的置信區(qū)間所對應(yīng)的優(yōu)化施肥量為N 128.48～196.63 kg/hm2、P2O577.09～117.98 kg/hm2、K2O 41.34～53.72 kg/hm2；多糖含量高于22.5%，95%的置信區(qū)間所對應(yīng)的優(yōu)化施肥量為N 96.04～141.63 kg/hm2、P2O561.53～88.33 kg/hm2、K2O 40.22～75.83 kg/hm2。綜合考慮黨參施肥對產(chǎn)量、黨參炔苷含量及黨參多糖含量的影響，黨參的氮磷鉀最優(yōu)施肥組合為N 128.48～141.63 kg/hm2、P2O577.09～80.41 kg/hm2、K2O 45.31～53.72 kg/hm2，N、P2O5、K2O 的最優(yōu)施肥量配比為1∶0.54～0.63∶0.32～0.42。該結(jié)果與龔成文等[3]得出的黨參氮磷鉀最優(yōu)配方相一致。

4 結(jié)論

本試驗區(qū)所代表的土壤肥力狀況下，黨參高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)高效栽培最優(yōu)施肥量為N 128.5～141.6 kg/hm2、P2O577.09～80.41 kg/hm2、K2O 45.31～53.72 kg/hm2，N、P2O5、K2O的最優(yōu)施肥量配比為1∶0.54～0.63∶0.32～0.42。在全國范圍內(nèi)，由于黨參生長的生態(tài)與土壤環(huán)境條件不斷變化，在生產(chǎn)中，本模型的參數(shù)應(yīng)根據(jù)具體土壤肥力條件進行調(diào)整和優(yōu)化，以實現(xiàn)氮磷鉀的平衡配施。