連作土壤施加竹炭對廣藿香幼苗生長的影響

李敬輝，李 明,，李龍明，蔡 淼，周 界，洪 彪，段書蕾

(1.廣東藥科大學 中藥學院，廣州 510006；2.國家中醫(yī)藥管理局嶺南藥材生產(chǎn)與開發(fā)重點實驗室，廣州 510006；3.云浮市南領(lǐng)藥業(yè)有限公司， 廣東云浮 527200)

廣藿香(Pogostemoncablin(Blanco) Benth)是常用的芳香化濕藥[1]，為廣東的道地藥材之一，也在食品及化妝品行業(yè)中應(yīng)用廣泛[2]。廣藿香在栽培生產(chǎn)中，存在嚴重的連作障礙現(xiàn)象，隨著連作年限的增加，廣藿香出現(xiàn)根腐病發(fā)病加劇，植株發(fā)育不良，葉片枯萎甚至整株死亡的現(xiàn)象，對其產(chǎn)量和品質(zhì)產(chǎn)生嚴重的影響。生物質(zhì)炭是植物或動物來源的生物質(zhì)材料在低氧或者無氧環(huán)境下的熱解產(chǎn)物，可作為高度穩(wěn)定的碳源在土壤中存留上千年[3]。生物質(zhì)炭具有較高土壤陽離子交換量、低密度、弱堿性和較高的C/N比等性質(zhì)，能夠改善土壤保水、保肥性能，提高土壤PH及有機碳含量，具有多孔狀結(jié)構(gòu)，較大的比表面積，有益于土壤中微生物棲息和活動，能夠保護土壤有益微生物，改善土壤微生態(tài)環(huán)境[4-5]。研究表明，生物炭對于連作障礙與化感作用存在一定的緩解效應(yīng)[6-7]。而竹炭作為生物質(zhì)炭的一種，其來源易獲得，價格相對低廉，在生物質(zhì)炭的應(yīng)用中具有一定的優(yōu)勢。本試驗以竹炭為土壤改良劑，釆用盆栽法研究其對廣藿香組培馴化苗生長、生理生化指標、有效成分含量及土壤酚酸質(zhì)量分數(shù)的影響，為研究利用竹炭緩解廣藿香連作障礙提供科學 依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

廣藿香(P.cablin)幼苗是廣藿香連作障礙及其緩解技術(shù)研究課題組(以下稱本課題)在廣東藥科大學中藥學院組織培養(yǎng)實驗室培育的組培苗，經(jīng)田間煉苗的八葉期幼苗。試驗用土采于廣東藥科大學藥用植物廣藿香種植實驗園，取栽培1 a的連作土，其未種植植物的相同土壤為對照土。竹炭(Bamboo charcoal)顆粒記作BC，粉碎，過30目篩。

1.2 試驗設(shè)計

采用盆栽法，試驗設(shè)對照土(CK)、連作土(CS)、和以V(竹炭)∶V(土壤)分別為1∶99(BC1)、5∶95(BC2)、10∶90(BC3)共5個處理。每盆培育10株幼苗，每個處理重復(fù)3次，常規(guī)管理，并于移栽后的0 d、10 d、20 d和30 d測定廣藿香植株的抗氧化酶活性和丙二醛質(zhì)量摩爾濃度，同時，30 d試驗結(jié)束時測定廣藿香植株農(nóng)藝性狀，有效成分質(zhì)量濃度和土壤酚酸質(zhì)量分數(shù)。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 農(nóng)藝性狀 株高、鮮質(zhì)量、根長、根數(shù)采用常規(guī)生測法，葉面積采用YMJ-C/CH型葉面積儀進行測定，根系活力參考李玲[8]的試驗方法，采用TTC法。

1.3.2 抗氧化酶活性和丙二醛質(zhì)量摩爾濃度的測定 參考李玲[8]及李合生[9]的方法，過氧化物酶 (POD)采用愈創(chuàng)木酚法進行測定，過氧化氫酶 (CAT)采用高錳酸鉀滴定法，超氧化物歧化酶 (SOD)采用NBT還原抑制法，丙二醛(MDA)采用硫代巴比妥酸法。

1.3.3 總揮發(fā)油質(zhì)量濃度及百秋李醇質(zhì)量分數(shù)的測定 參照2015年版中國藥典方法測定廣藿香總揮發(fā)油質(zhì)量濃度及百秋李醇質(zhì)量分數(shù)[1]。

1.3.4 土壤酚酸質(zhì)量分數(shù)的測定 參考吳立潔等[10]和李培棟等[11]的方法，采用高效液相色譜法檢測土壤中原兒茶酸、綠原酸、香草酸、咖啡酸、丁香酸、阿魏酸、苯甲酸的質(zhì)量分數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2010和SPSS 20.0對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 連作土施加竹炭對廣藿香幼苗農(nóng)藝性狀的影響

由表1可知，與對照土處理相比較，連作土中廣藿香組培馴化苗的株高、根長、根數(shù)、鮮質(zhì)量及葉面積均表現(xiàn)出不同程度的抑制作用。添加不同比例竹炭顆粒處理連作土30 d后，隨著竹炭比例的增加，廣藿香幼苗的株高、根長、根數(shù)、鮮質(zhì)量及葉面積均呈現(xiàn)逐漸升高的變化趨勢。與CS相比， BC2和BC3處理的各項農(nóng)藝性狀均顯著升高，其中BC3處理組幼苗的株高、根長、根數(shù)、鮮質(zhì)量及葉面積較CS分別升高11.25%、 28.57%、34.07%、66.90%和75.40%。

表1 廣藿香連作土壤施加竹炭對其幼苗農(nóng)藝性狀的影響Table 1 Effects of continuous cropping soil added with bamboo charcoal on agronomic traits of Pogostemon cablin seedlings

注：不同小寫字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05)，下同。

Notes:Different lowercase letters indicate the significant difference between different treatments (P<0.05),the same below.

2.2 連作土施加竹炭對廣藿香幼苗根系活力的影響

隨著栽培時間的延長，對照土及連作土處理下廣藿香幼苗根系活力均逐漸升高，但連作土的根系活力在同一時間點顯著低于對照組。施加不同比例的竹炭，其根系活力均較重茬組顯著升高，且隨竹炭比例的增加而升高。在培育30 d時，BC1、BC2及BC3處理組的根系活力與連作土相比分別增加45.94%、51.78%和53.25%(圖1)。

2.3 連作土施加竹炭對廣藿香幼苗POD、CAT和SOD活性的影響

對照土、連作土及BC1處理組的抗氧化酶活性均呈現(xiàn)出先升后降的變化，其中，對照組的POD、CAT和SOD活性在20 d時達到最大，而連作土和BC1處理組的酶活性在10 d時達到最高，與同時間對照組相比，CAT升高2.56倍，POD升高4.15倍，SOD升高1.62倍。BC2和BC3處理組的酶活性隨處理時間的延長逐漸增加，至30 d時達到最高，與連作土處理組相比，BC2和BC3的POD、CAT和SOD活性顯著升高，且分別升高1.76倍、1.29倍和2.92倍、2.73倍及2.22倍、1.92倍(圖2，圖3和圖4)。

2.4 連作土施加竹炭對廣藿香幼苗MDA質(zhì)量摩爾濃度的影響

由圖5可知，在不同培育時間內(nèi)，連作土培育的幼苗葉片的MDA質(zhì)量摩爾濃度顯著高于對照。連作土添加竹炭后，MDA質(zhì)量摩爾濃度均較連作土顯著降低，在培育30 d時，與連作土相比，BC1、BC2和BC3處理組的MDA質(zhì)量摩爾濃度分別降低20.05%、35.99%和40.25%。

圖1 廣藿香連作土壤施加竹炭對其幼苗根系活力的影響Fig.1 Effects of continuous cropping soil added with bamboo charcoal on root activity of Pogostemon cablin seedlings

圖2 廣藿香連作土壤施加竹炭對其幼苗POD活性的影響Fig.2 Effects of continuous cropping soil added with bamboo charcoal on POD activity of Pogostemon cablin seedlings

圖3 廣藿香連作土壤施加竹炭對其幼苗CAT活性的影響Fig.3 Effects of continuous cropping soil added with bamboo charcoal on CAT activity of Pogostemon cablin seedlings

圖4 廣藿香連作土壤施加竹炭對其幼苗SOD活性的影響Fig.4 Effects of continuous cropping soil added with bamboo charcoal on SOD activity of Pogostemon cablin seedlings

2.5 連作土施加竹炭對廣藿香幼苗百秋李醇質(zhì)量分數(shù)的影響

連作土培育30 d的廣藿香幼苗百秋李醇質(zhì)量分數(shù)顯著低于對照(P<0.05)，3種添加竹炭培育的幼苗的百秋李醇質(zhì)量分數(shù)均較連作土顯著增加，且隨竹炭比例的增加而升高，BC3培育的幼苗的百秋李醇質(zhì)量分數(shù)較連作土的升高1.18倍(P<0.05)(圖6)。

2.6 連作土施加竹炭對廣藿香幼苗總揮發(fā)油質(zhì)量濃度的影響

連作土培育30 d的廣藿香幼苗的總揮發(fā)油質(zhì)量濃度顯著低于對照組，3種添加竹炭培育的幼苗的總揮發(fā)油質(zhì)量濃度均較連作土顯著增加，且隨竹炭比例的增加而升高，BC3培育的幼苗的總揮發(fā)油質(zhì)量濃度較連作土升高1.33倍(圖7)。

圖5 廣藿香連作土壤施加竹炭對其幼苗MDA質(zhì)量摩爾濃度的影響Fig.5 Effects of continuous cropping soil added with bamboo charcoal on the molality of MDA in Pogostemon cablin seedlings

圖6 廣藿香連作土壤施加竹炭對其幼苗百秋李醇質(zhì)量分數(shù)的影響Fig.6 Effects of continuous cropping soil added with bamboo charcoal on mass fraction of patchouli alcohol in the Pogostemon cablin seedlings

圖7 廣藿香連作土壤施加竹炭對其幼苗總揮發(fā)油質(zhì)量濃度的影響Fig.7 Effects of continuous cropping soil added with bamboo charcoal on mass concentration of total volatile oil in Pogostemon cablin seedlings

2.7 廣藿香連作土施加竹炭對土壤中酚酸質(zhì)量分數(shù)的影響

由表2可知，對照土和連作土中均檢測到原兒茶酸、綠原酸、香草酸、咖啡酸、丁香酸、阿魏酸和苯甲酸，且連作土中各酚酸質(zhì)量分數(shù)顯著高于對照土。連作土施加竹炭后，土壤中酚酸質(zhì)量分數(shù)顯著降低，且隨竹炭施加比例的增大而下降，其中，在BC2處理組中未檢測到香草酸和咖啡酸，原兒茶酸、綠原酸、阿魏酸及苯甲酸質(zhì)量分數(shù)與連作土相比分別下降85.87%、60.84%、80.5%和98.33%；在BC3處理組中未檢測到香草酸、咖啡酸、阿魏酸及苯甲酸4種酚酸，原兒茶酸和綠原酸質(zhì)量分數(shù)與連作土相比分別降低92.53%和 60.77%。

3 討 論

前人的研究表明，生物質(zhì)炭可應(yīng)用于連作障礙的緩解中并取得了較好的效果，但這些研究多涉及農(nóng)作物和果蔬[6,7,12]，關(guān)于藥用植物連作障礙緩解的研究鮮有報道。藥用植物因其有效成分與化感自毒物質(zhì)的同源性[13]，連作障礙問題更加 嚴重。

研究表明，酚酸類物質(zhì)的化感自毒作用是導致廣藿香連作障礙的重要原因[14]，而生物質(zhì)炭對酚酸類物質(zhì)具有較強的吸附作用[15-16]。本研究發(fā)現(xiàn)，廣藿香連作土壤中施加竹炭，能夠顯著降低連作土壤中酚酸的種類和質(zhì)量分數(shù)，減輕其對廣藿香的化感自毒作用。這可能與生物質(zhì)炭促進了以根系分泌物(酚酸類化合物)為碳源的微生物的生長有關(guān)[12]。同時，廣藿香連作土施加竹炭后，能夠在一定程度上緩解連作對廣藿香幼苗生長產(chǎn)生的不利影響。本研究表明，廣藿香連作土施加竹炭后，其幼苗的根長、根數(shù)及根系活力均顯著高于連作土，這與張偉明等[17]和Oguntunde等[18]的研究結(jié)果相一致。根系是植株生長發(fā)育的重要器官，根系生長狀況的好壞，反映了土壤理化性質(zhì)及肥力的優(yōu)劣，同時也與植株地上部分的生長密切相關(guān)，生物質(zhì)炭能夠改良土壤源于其獨特的物理結(jié)構(gòu)及其對土壤理化性質(zhì)的改善[19]，因此，推測廣藿香農(nóng)藝性狀的改變是竹炭通過降低酚酸類化感自毒物質(zhì)的種類和質(zhì)量分數(shù)以及改善土壤理化性質(zhì)促進了植株根系的生長，進而改善了植株地上部的農(nóng)藝性狀。

表2 廣藿香連作土壤施加竹炭對土壤酚酸質(zhì)量分數(shù)的影響Table 2 Effects of continuous cropping soil added with bamboo charcoal on mass fraction of phenolic acid in soil μg·g-1

注：ND.未檢測到。

Note：ND.Not detected.

連作導致廣藿香幼苗的MDA質(zhì)量摩爾濃度顯著升高，抗氧化酶(SOD、POD和CAT)活性下降，表明連作可能導致廣藿香幼苗發(fā)生了氧化脅迫。施加竹炭顯著降低了廣藿香幼苗MDA質(zhì)量摩爾濃度，并促進廣藿香幼苗的抗氧化酶活性顯著升高，表明施加竹炭能夠提高植物抗氧化酶的活性，改善植物在逆境下的適應(yīng)性，緩解因連作產(chǎn)生的脅迫對廣藿香植株細胞的損傷。此外，施加竹炭可以緩解由于連作導致的廣藿香幼苗的百秋李醇和總揮發(fā)油質(zhì)量分數(shù)的下降，其中的作用機制還有待于研究。利用竹炭在緩解廣藿香連作障礙上的應(yīng)用具有廣闊的前景。