氮磷鉀養(yǎng)分對寒地膜莢黃芪生長及藥用成分影響

王曉飛，姚 琴，魏國江，吳耀坤，徐海軍*

（1.黑龍江省科學院大慶分院，黑龍江 大慶 163319；2.大慶油田礦區(qū)事業(yè)服務部園林綠化公司，黑龍江 大慶 163711；3.黑龍江省農(nóng)業(yè)科學院大慶分院，黑龍江 大慶 163000）

黃芪［Astragalus membranaceus（Fisch.）Bge.］為豆科屬多年生草本植物［1］，《中華人民共和國藥典》（2015）中收錄藥材黃芪為豆科植物蒙古黃芪（Astragalus membranaceusvar.mongholicus）或 膜 莢黃芪（Astragalus membranaceus）的干燥根［2］，前者為后者的變種，主要分布于我國溫帶和暖溫帶地區(qū)，膜莢黃芪是森林草甸中生長的植物，具有較高的藥用價值［3］，具有補氣固表、利尿排膿、斂瘡生?。?］及增強免疫的功能，在臨床、食品、化妝品等行業(yè)有廣泛應用。目前，野生黃芪破壞嚴重，市場上的黃芪主要依賴于人工栽培，人工栽培的基礎是栽培技術，其中營養(yǎng)調(diào)控是關鍵技術之一。氮、磷、鉀是植物必需的大量營養(yǎng)元素，對黃芪的生長發(fā)育及藥用成分積累具有促進作用。東北地區(qū)優(yōu)良的生態(tài)環(huán)境和土壤條件是種植膜莢黃芪的先天優(yōu)勢，但起步較晚，缺乏成熟的種植技術，因此，為實現(xiàn)膜莢黃芪高效栽培，本研究結合當?shù)貧夂蛱攸c和土壤狀況對施用氮、磷、鉀營養(yǎng)元素與膜莢黃芪產(chǎn)量、品質(zhì)及藥用成分進行解析，篩選適宜東北地區(qū)膜莢黃芪高效栽培的養(yǎng)分配比，以期為北方地區(qū)黃芪高效種植提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗設置2個試驗點，分別位于大興安嶺呼瑪北園區(qū)中心苗圃（試驗點1）和三卡鄉(xiāng)中藥材種植基地（試驗點2），各試驗點氣候環(huán)境概況如下：試驗點1（N 51°43′35″，E 126°36′59″）開荒地，森林暗棕壤，壤土；試驗點2（N 51°06′20″，E 126°52′35″）林緣坡地，暗棕壤，砂壤土。兩試驗點屬寒溫帶大陸性季風氣候，年積溫2086℃，年平均降水量460.4 mm，無霜期90～100 d。試驗點土壤基本理化性質(zhì)見表1。

表1 試驗地土壤基本理化性質(zhì)

1.2 試驗材料

膜莢黃芪（Astragalus membranaceus）種子采購于內(nèi)蒙古赤峰。采用大田起壟直播，壟距60 cm，壟高20 cm；出苗后30 d進行養(yǎng)分調(diào)控試驗。

1.3 試驗設置

1.3.1 單因素肥效試驗

試驗點1進行N、P、K單因素肥效試驗，N素水平用尿素（N 46.4%）調(diào)節(jié)，P用磷酸二銨（P2O546%）調(diào)節(jié)，K用硫酸鉀（K2O 50%）調(diào)節(jié)。N、P、K分別設置3個水平梯度，N1（10 g/m2）、N2（20 g/m2）、N3（30 g/m2）；P1（7.5 g/m2）、P2（15 g/m2）、P3（22.5 g/m2）；K1（10 g/m2）、K2（20 g/m2）、K3（30 g/m2）。每個區(qū)組設置不施肥為空白對照（CK，0 g/m2），樣方設置為6 m×6 m，3次重復，隨機區(qū)組排列。

1.3.2 多因素正交試驗

試驗點2進行多因素正交試驗，采用L9（34）正交表，設置三因素三水平正交試驗，設計如表2。

表2 正交試驗設計

1.4 樣品采集

植物樣品于當年的9月份采集，人工挖掘出單株后，地上和地下植物樣品帶回實驗室，將泥土清理干凈，烘干、粉碎待測，每個處理樣品采集5～10株，重復3次。

1.5 測試指標及方法

土壤指標：土壤pH值采用酸度計（Sartorius-120PB-10）測定，有機質(zhì)采用重鉻酸鉀外加熱法測定，堿解氮采用堿解擴散法測定，有效磷采用鉬銻抗比色法測定，速效鉀采用火焰光度法測定［5］。生物量及生理指標：應用卷尺和游標卡尺測量黃芪株高、地莖（莖基部距地0.5 cm）、根長、根粗（距主根頭部1、10 cm處主根直徑粗度，分別記為R0、R1），然后從莖基部將植株分為地上和地下兩部分，分別用精度為0.01 g天平測量鮮重，計算地上地下鮮重比（A/U）。藥用成分分析：黃芪多糖采用硫酸-苯酚比色法，毛蕊異黃酮、刺芒柄花苷、毛蕊異黃酮苷采用高效液相色譜法［6-7］。

1.6 數(shù)據(jù)處理

用SPSS 16.0對數(shù)據(jù)進行單因素方差分析one-WayANOVA，LSD多重比較，數(shù)據(jù)采用3次重復平均值±標準差；正交試驗借助DPS 7.05分析；用Excel 2017制表。

2 結果與分析

2.1 氮磷鉀單因素調(diào)控對膜莢黃芪表觀生長量的影響

在不同氮素水平條件下，膜莢黃芪株高差異不顯著；根長表現(xiàn)為N2顯著高于其他處理（P<0.05）；莖粗、根粗（R1）N2和N3差異不顯著，但顯著高于N1和CK；地下鮮重各氮素處理差異不顯著（P>0.05），地上鮮重N3與N1、N2差異不顯著，但顯著高于CK（P<0.05）。在不同磷素水平條件下，膜莢黃芪根長表現(xiàn)P3和P2差異不顯著，但顯著高于P1和CK（P<0.05）；根粗（R1）P1和P2差異不顯著，但顯著高于P3和CK（P<0.05），表明磷素過高或不足可能會影響黃芪根系形態(tài)變化。在不同鉀素水平下，膜莢黃芪株高、根粗（R0）、地下鮮重、地上地下鮮重比值均表現(xiàn)為K2、K3和CK差異不顯著，但顯著高于K1（P<0.05）；總體上，在K2水平下根長、根粗（R0、R1）、單株鮮重（地上、地下）均稍高于其他處理。

表3 N、P、K不同水平條件下膜莢黃芪生長特征

2.2 氮磷鉀單因素調(diào)控對膜莢黃芪藥用成分的影響

膜莢黃芪根系藥用成分在不同氮素水平下表現(xiàn)為毛蕊異黃酮苷、刺芒柄花苷N2與N1、N3差異不顯著，但顯著高于CK（P<0.05）；毛蕊異黃酮差異不顯著；多糖N2與N1差異不顯著，但與N3、CK差異顯著。不同磷素水平下，P1處理的膜莢黃芪根系毛蕊異黃酮苷和刺芒柄花苷含量最高，而多糖含量顯著低于其它處理。不同鉀素處理下，膜莢黃芪根系中毛蕊異黃酮苷和刺芒柄花苷含量K2處理與K1、CK差異不顯著，但顯著高于K3（P<0.05）；毛蕊異黃酮含量K3處理顯著高于其它處理；多糖含量各處理間差異顯著，含量高低順序為CK>K3>K2>K1（表4）。

2.3 膜莢黃芪表觀生長量正交肥效試驗差異顯著性分析

由分析結果可知，在N、P、K配施條件下，N元素除對膜莢黃芪根長及A/U值達顯著水平（P<0.05）外，對其他表觀生長量影響較小，P元素對膜莢黃芪影響最小，膜莢黃芪各個表觀生長量影響均不顯著（P>0.05），而K元素對膜莢黃芪影響較大，株高、莖粗、根粗（R1）、地上鮮重及地下鮮重達顯著水平（P<0.05）。經(jīng)方差分析可知，處理3（N2P1K2）較有利于膜莢黃芪株高、根長、莖粗、地上鮮重和地下鮮重生長（表5）。

表4 N、P、K不同水平條件下膜莢黃芪藥用成分含量 （%）

表5 多因素施肥對膜莢黃芪表觀生長量的影響

2.4 膜莢黃芪藥用成分正交肥效試驗差異顯著性分析

由分析結果可知，膜莢黃芪毛蕊異黃酮苷和多糖受N、P、K元素影響均達到顯著水平（P<0.05），且毛蕊異黃酮苷受K、N、P的影響大小依次減弱，而多糖受N、K、P影響依次減弱；膜莢黃芪刺芒柄花苷含量處理間差異受K、N、P元素影響依次減小，其中N、K元素影響達到顯著水平（P<0.05）；各處理中，膜莢黃芪根系毛蕊異黃酮含量并未受到N、P、K施入水平的影響，各個處理差異不顯著。正交試驗處理中，處理9（N1P2K2）有利于膜莢黃芪毛蕊異黃酮苷和刺芒柄花苷的積累，處理5（N2P2K3）較有利于膜莢黃芪多糖積累（表6）。

表6 多因素施肥對膜莢黃芪藥用成分含量的影響 （%）

3 討論

3.1 氮、磷、鉀對膜莢黃芪生長促進作用

氮、磷、鉀是植物生長中吸收較多的營養(yǎng)元素，對植物的生長發(fā)育有著重要的作用［8］，氮、磷、鉀在植物代謝過程中既是參與者又是代謝進程的重要影響因子，對植物的養(yǎng)分轉化、利用及物質(zhì)分配均有著重要的促進和調(diào)節(jié)作用［9］，且在土壤中施用氮、磷、鉀等肥料，會改變土壤的理化性質(zhì)，影響藥用植物的生長發(fā)育和次生代謝產(chǎn)物的積累，進而影響藥材的產(chǎn)量和質(zhì)量［10］。黃芪，以根系入藥，根系形態(tài)、物質(zhì)量的積累、藥用成分含量等指標都會成為黃芪營養(yǎng)管理方面的參考。通過以往研究發(fā)現(xiàn)，施用不同元素肥料以及施肥方式的不同，對黃芪生長和有效成分含量的影響也不相同。在生長發(fā)育方面，王渭玲等［11］研究指出，磷可以促進光合產(chǎn)物由地上部分向根系的運輸，單施磷肥有利于膜莢黃芪根系生長，氮可以促進地上部分器官的生長，降低了光合產(chǎn)物向根系轉移的比例，鉀肥可促進根長和根直徑的增加；曹鮮艷等［12］研究氮磷鉀對黃芩生長的影響，結果表明氮素最有利于黃芩株高生長，施磷可以促進根系物質(zhì)積累；余前進等［13］研究了不同施肥模式對三七有效成分的影響，結果表明，氮磷肥利于三七株高生長，可促進干重增加；而鉀肥利于有效成分的累積，促進根莖橫向增大。本試驗結果表明，氮、磷、鉀單施條件下，氮素對膜莢黃芪莖粗、根長、根粗（R1）、地上鮮重有顯著性影響，而對株高、根粗（R0）、地下鮮重及A/U值則影響不顯著，且N2水平下最高；磷素處理除根長和根粗（R1）有顯著性差異，其他特征差異不顯著且P2水平下最高；鉀素處理株高、地下鮮重及A/U值有顯著性差異，且K2水平下最高。氮磷鉀配施條件下，僅鉀元素對膜莢黃芪影響最大，其次為氮素，磷素對其影響最小。這表明施鉀素和氮素對黃芪地上植株伸長生長及增粗生長方面有促進作用，此結果與上述學者研究結論相近。

在氮、磷、鉀養(yǎng)分對黃芪根系藥用成分積累影響方面，楊祎辰等［14］研究認為鉀元素對蒙古黃芪可溶性糖、還原糖的積累有促進作用，氮素對于黃芪根部總黃酮的積累有一定的促進作用；王靜等［15］的研究指出氮、磷、鉀肥對桔梗皂苷含量的作用效果依次為氮>鉀>磷，對多糖含量的影響依次為磷>氮>鉀。本研究結果表明，在單因素試驗中，隨著施入氮肥的增加膜莢黃芪中毛蕊異黃酮苷、刺芒柄花苷和多糖呈先升高，但當?shù)厮綖镹3時降低的趨勢；隨著施入磷肥的增加，毛蕊異黃酮苷、刺芒柄花苷呈先降低再升高的趨勢，而毛蕊異黃酮則相反，多糖呈逐漸下降的趨勢；隨著施入鉀肥的增加，膜莢黃芪中毛蕊異黃酮苷、刺芒柄花苷含量呈先升高后降低的趨勢，毛蕊異黃酮呈逐漸升高的趨勢，而多糖呈先降低再逐漸升高的趨勢。在氮、磷、鉀復配下，藥用成分積累方面毛蕊異黃酮苷、刺芒柄花苷在處理9（N1P2K2）較好，多糖在處理5（N2P2K3）最優(yōu)。

3.2 氮磷鉀配施膜莢黃芪表觀生長和特征與藥用成分積累的關系

氮、磷、鉀三元素正交試驗結果顯示，膜莢黃芪根長和莖粗受氮素影響顯著，鉀元素對株高、莖粗、根粗R1、地上及地下鮮重影響顯著，這與單因素試驗結果略有不同，不同處理排序認為促進植株生長的最優(yōu)組合為處理3（N2P1K2），而處理7（N1P1K1）則較差。對根系有效成分方差分析表明，黃酮類藥用成分主要受氮、鉀影響顯著，多糖含量受三元素影響均顯著，排序結果處理9（N1P2K2）有利于黃酮類成分（毛蕊異黃酮苷和刺芒柄花苷）的積累，而處理5（N2P2K3）較有利于黃芪多糖積累，由此可見，氮、鉀元素的增施有利于植株的生長、生物量及多糖的積累，但降低了根系黃酮類成分的積累。植物吸收礦質(zhì)養(yǎng)分一方面輸送到地上部分構建莖干、枝葉等器官［16-17］，并利用光合作用制造更多的碳水化合物以促進植株生長發(fā)育，從而降低對根系物質(zhì)的輸送［18］；然而，另一方面地上綠色器官制造的光合產(chǎn)物又會向下輸送到根部，促進根系發(fā)育，從而更好地吸收土壤中礦質(zhì)養(yǎng)分供植株轉化和利用［19］。在這個吸收、利用、轉化、運輸?shù)倪^程中，植株會根據(jù)自身生長發(fā)育需求進行物質(zhì)分配，所以，處理5表觀生長量及根系多糖含量表現(xiàn)顯著較高，而黃酮類表現(xiàn)較低，處理9則呈現(xiàn)相反規(guī)律，這可能恰好反映了北方高寒地區(qū)膜莢黃芪在生長過程中的物質(zhì)分配特征。

3.3 生長環(huán)境差異的影響

試驗雖在同一氣候條件下進行，但分別設在不同壤質(zhì)類型的地域上，由于地形和土壤理化性質(zhì)的差異，可能會在氮、磷、鉀配施效果方面與單因素試驗結果不一致。但經(jīng)過試驗分析發(fā)現(xiàn)，單因素試驗與正交試驗得出的施肥對膜莢黃芪表觀生長量和藥用成分積累的影響效應是相一致的，因此，本試驗結果還是具有很好的可靠性。另外，在光照下，由于北園區(qū)森林暗棕壤較三卡砂壤土升溫較慢，三卡土壤晝夜溫差較北園區(qū)波動幅度大，且白天接收的有效熱量也較多，這可能促使砂壤土中膜莢黃芪植株生長更旺盛，生物量積累也較高。

4 結論

氮 肥（20 g/m2）、磷 肥（15 g/m2）、鉀 肥（20 g/m2）對膜莢黃芪植株生長有顯著促進作用，而氮肥（20 g/m2）、磷肥（7.5 g/m2）、鉀肥（20 g/m2）對藥用成分積累均有顯著促進作用；三元素配施時，處理5（N 20 g/m2，P 15 g/m2，K 30 g/m2）有利于膜莢黃芪植株生長及根系多糖積累，而處理9（N 10 g/m2，P 15 g/m2，K 20 g/m2）有利于黃酮類物質(zhì)的積累。建議種植生產(chǎn)中，根據(jù)實際需要進行定向施肥管理。