文秋姝,鄧秋林,張亞琴,張 利,李思佳,肖婕妤,余振懷,鄭 滔,陳興福*
(1.四川農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院,四川 成都 611130;2.四川農(nóng)業(yè)大學理學院,四川 雅安 625014)
丹參(Salvia miltiorrhizaBge.)為唇形科鼠尾草屬多年生草本植物,以干燥根和根莖入藥[1]。始載于《神農(nóng)本草經(jīng)》,列為上品。丹參是著名川產(chǎn)道地藥材,具有活血祛瘀、通經(jīng)止痛、清心除煩、涼血消癰之功效[2]?,F(xiàn)代醫(yī)學臨床試驗表明,丹參中的丹酚酸、丹參酮類主要活性物質(zhì)具有促進血管新生、改善微循環(huán)、抗心肌缺血、抗血小板活化、抗炎及降血脂等藥理作用,常用于治療心腦血管疾病、慢性器官衰竭、腫瘤、免疫系統(tǒng)疾病等[3]。
施肥是提高中藥材產(chǎn)量的重要手段[4]。合理施肥能促進藥材生長發(fā)育,提高藥材的產(chǎn)量,改善藥材品質(zhì)。丹參生產(chǎn)中存在偏施大量元素肥、不施微肥、少施有機肥的生產(chǎn)問題。大量研究表明,合理的大量元素與有機肥的配施對藥材的產(chǎn)質(zhì)量提升效果大于大量元素的單施或配施[5-6],合理的大量元素與微量元素的配施對產(chǎn)質(zhì)量提升的效果高于單施大量元素或微量元素[7-8]。另有研究表明,有機肥單施或與化肥配施能夠改善土壤的理化性質(zhì),促進植物營養(yǎng)吸收,且能夠顯著提高藥材的產(chǎn)量以及藥用成分含量[9]。前人對丹參的栽培研究多注重于氮磷鉀肥的單因素肥效研究[10],或只偏重于微肥配施[11],有機肥對丹參產(chǎn)量及質(zhì)量的影響研究較少,以氮磷鉀配施微肥、配施有機肥的研究更為少見。微肥的選用從提高產(chǎn)量及內(nèi)在質(zhì)量兩方面出發(fā),研究發(fā)現(xiàn)鋅能提高多種根類藥材中有效成分的含量[12],已有研究發(fā)現(xiàn)鋅能顯著提高丹參有效成分的含量[13]。大量研究表明鉬能顯著提高植株的生物量和根莖產(chǎn)量[14-15],但丹參上未見有鉬肥的施用研究。因此研究鋅、鉬與大量元素氮磷鉀、有機肥的配施對丹參產(chǎn)、質(zhì)量的影響具有重要的現(xiàn)實意義。丹參作為藥用植物的模式作物,結(jié)合微量元素、大量元素、有機肥,以有機無機肥配施的形式提高植物產(chǎn)、質(zhì)量的栽培模式,對其他中藥材的田間生產(chǎn)具有較大的借鑒意義和引領作用。
因此,本試驗以無機元素鋅、鉬、氮磷鉀和有機肥作為4個試驗因素,設置5個水平,采用二次正交旋轉(zhuǎn)組合設計,以產(chǎn)量、丹參有效成分丹酚酸、丹參酮含量為目標函數(shù),建立各因素與目標函數(shù)的數(shù)學模型,利用模型分析各種肥料對丹參產(chǎn)量、質(zhì)量的肥效影響,通過對單因素效應、互作效應的分析,應用頻數(shù)選優(yōu)法,獲得丹參優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的施肥方案。
試驗用丹參經(jīng)四川農(nóng)業(yè)大學陳興福教授鑒定為人工栽培丹參Salvia miltiorrhizaBge.。試驗在四川省中江合興鄉(xiāng)尖寨村四川神龍藥業(yè)丹參生產(chǎn)基地進行。試驗地土壤為紫色土:土壤pH 7.99、有機質(zhì)57.23 g/kg、堿解氮49.84 mg/kg、有效磷8.36 mg/kg、速效鉀112.02 mg/kg。供試肥料:鋅肥(分析純,ZnSO498.0%)、鉬肥(分析純,H8MoN4O498.0%)、氮肥為尿素(N 46.4%),磷肥為過磷酸鈣(P2O512.0%),鉀肥為硫酸鉀(K2O 51%)、有機肥為潼城金天寶牌生物有機肥(有機質(zhì)≥40%,氮+鉀+磷≥5%,腐植酸≥2%)。
試驗丹參栽種于2018年1月5日。田間試驗采用二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合設計,共36個處理。選擇丹參長勢均勻的田塊劃分成小區(qū),試驗小區(qū)面積為10 m2,小區(qū)田間分布按照完全隨機分布排列,株行距為30 cm×20 cm。鋅肥施用量(X1)、鉬肥施用量(X2)、氮、磷、鉀肥施用量(X3)、有機肥施用量(X4)為試驗因素。試驗因素和因素水平編碼見表1。
試驗于2018年6月初施用20%的氮磷鉀肥,全部有機肥,7月中旬施用40%的氮磷鉀肥,8月中旬再拌土施用鋅、鉬肥以及剩下40%的鉀、磷肥。
于2018年12月26日采收丹參,將各小區(qū)內(nèi)丹參挖起,分別計數(shù)各小區(qū)的株數(shù),除去根部泥沙,于45℃烘箱烘干后計算根干重并折算產(chǎn)量。將烘干的丹參粉碎過0.25 mm篩。按照《中華人民共和國藥典》(2015年版,一部)要求,對丹酚酸和丹參酮進行測定。
試驗數(shù)據(jù)用 Excel 2010和DPS 7.05軟件進行統(tǒng)計分析,按照統(tǒng)計學方法進行單因素效應、互作效應、頻數(shù)統(tǒng)計選優(yōu)的分析,確定適宜于中江丹參的最佳肥料配比。
使用DPS 7.05對所得的丹參干物質(zhì)產(chǎn)量、丹酚酸、丹參酮數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析,得到丹參干物質(zhì)產(chǎn)量(YA)、丹酚酸(YB)、丹參酮(YC)與鋅肥(X1)、鉬肥(X2)、氮磷鉀(X3)、有機肥(X4)的回歸模型?;貧w方程為:
用F檢驗法分別檢驗方程各回歸系數(shù)、方程總回歸系數(shù)和失擬度,得到方差分析結(jié)果(表2)。丹參產(chǎn)量、丹酚酸含量、丹參酮含量3個測定指標在方差分析中回歸值全部達到顯著,失擬不顯著,表明方程擬合得好,可以作為預測產(chǎn)量、丹酚酸及丹參酮含量的數(shù)學模型。為增強試驗預測效果,提高二次回歸方程的穩(wěn)定性,對回歸方程的各個回歸系數(shù)進行顯著性檢驗(表2)。
表2 試驗結(jié)果方差分析
由表2的方差分析結(jié)果可知,每個因子的一次項、二次項、交互項為不顯著、顯著或者極顯著的水平,在α= 0.1的顯著水平下剔除不顯著項后,得到達到顯著水平的因素對產(chǎn)量(YA)、丹酚酸(YB)及丹參酮(YC)影響的回歸方程:
解析產(chǎn)量、丹酚酸、丹參酮的數(shù)學模型,可尋求到各因子在此控制范圍內(nèi)對產(chǎn)量及丹酚酸含量、丹參酮含量的控制影響情況。還可預測在該模型下的能夠使測定指標達到最優(yōu)的因子水平。
2.2.1 單因素效應分析
由表2分析可知,在產(chǎn)量的影響因子中,有機肥(X4)的一次項、二次項、交互項都未達到顯著水平,直接被剔除出產(chǎn)量模型。再通過降維法對產(chǎn)量的回歸方程進一步分析,可分別得到鉬肥、鋅肥、氮磷鉀肥的單因素效應方程。將鉬肥、氮磷鉀肥2個因素固定在0水平,可得到鋅肥與丹參產(chǎn)量的影響關系為:
YA1= 7584.92314-470.22410X12;同 理 可 得到鉬肥和氮磷鉀肥與丹參產(chǎn)量的影響關系:YA2=7584.92314+571.41369X22,YA3=7584.92314-912.65998X32。得到產(chǎn)量的單因素效應圖(圖1)。
在選擇的用量梯度內(nèi),鋅肥與氮磷鉀肥對產(chǎn)量的肥效呈現(xiàn)波峰狀,0水平前,鋅肥、氮磷鉀肥促進產(chǎn)量,0水平時丹參產(chǎn)量達到最高峰,0水平后鋅肥、氮磷鉀肥抑制產(chǎn)量形成,總體呈現(xiàn)低水平促進產(chǎn)量形成,高水平抑制產(chǎn)量形成的肥效趨勢。鉬肥的肥效趨勢呈現(xiàn)波谷狀,在低水平及高水平時出現(xiàn)最高值,在零水平處出現(xiàn)最低值。低水平及高水平有利于產(chǎn)量形成,中等水平抑制產(chǎn)量形成。
在丹酚酸的影響因子中,鋅肥(X1)、鉬肥(X2)對丹酚酸的單因子效應影響不明顯,被剔除出模型。經(jīng)過降維法對丹酚酸的回歸方程進一步分析,可分別得到氮磷鉀肥、有機肥的單因 素 效 應 方 程 為:YB1=6.69315-0.37421X3;YB2=6.69315+0.23436X42。得到丹酚酸的單因子效應圖(圖2)。
在選擇的用量梯度內(nèi),隨著氮磷鉀水平的升高,丹酚酸含量隨之減少,呈負相關的趨勢,說明高水平的氮磷鉀肥不利于丹酚酸的累積。低水平與高水平的有機肥都能夠促進丹酚酸的積累,中等水平的有機肥不利于丹酚酸的積累。
通過降維法,得到丹參酮與鋅肥、鉬肥、氮磷鉀肥、有機肥的單因素效應關系,得到方程為:YC1=0.32081-0.04200X12,YC2=0.32081-0.05955X22,YC3=0.32081+0.07378X32,YC4=0.32081+0.04517X42。得到丹參酮的單因子效應圖(圖3)。
鋅肥及鉬肥對丹參酮含量的影響呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢,且在0水平處達到最大值,這說明鋅和鉬存在一個最佳臨界值。氮磷鉀肥與有機肥在選定因素區(qū)間丹參酮含量呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢,在0水平以后,總丹參酮含量與二者呈明顯的正相關,說明在0水平以后,提高氮磷鉀以及有機肥的用量能夠?qū)偟⑼睦鄯e起到積極作用。
2.2.2 互作效應分析
由回歸分析可知,鋅肥與鉬肥、鋅肥與氮磷鉀肥的互作效應對丹參的產(chǎn)量影響達到了顯著水平,說明多因素肥料配施時,各肥料間存在交互效應,影響了丹參產(chǎn)量。對兩因素交互作用對產(chǎn)量的影響進行分析。通過降維法,固定氮磷鉀肥為0水平,得到鋅肥、鉬肥與丹參產(chǎn)量的關系;固定鉬肥為0水平,得到鋅肥、氮磷鉀肥與丹參產(chǎn)量的關 系:YA4=7584.92314-470.22410X12+571.41369X22+974.45860X1X2,YA5=7584.92314-470.22410X12-912.65998X32+664.70423X1X3,由以上兩方程得到兩個兩因素回歸曲面圖:鋅-鉬肥互作效應圖(圖4)和鋅-氮磷鉀肥互作效應圖(圖5)。
低水平的鋅肥和中等水平的鉬肥配施、中等水平的鉬肥和高水平的鋅肥配施有利于產(chǎn)量提高。低水平的鋅肥高水平的鉬肥配施,高水平鋅肥低水平鉬肥配施都不利于產(chǎn)量形成。說明鋅鉬肥互作影響丹參的產(chǎn)量,適宜的鋅鉬配施能夠促進丹參產(chǎn)量提高。
鋅肥與氮磷鉀肥互作效應,呈現(xiàn)為一個半球形的曲面,鋅肥與氮磷鉀肥都處于中等水平時產(chǎn)量達到最高。高水平的鋅肥與高水平的氮磷鉀肥配施,低水平的鋅肥與低水平的氮磷鉀肥配施都不利于丹參產(chǎn)量的積累。高水平的氮磷鉀與低水平鋅肥互作,低水平氮磷鉀肥與高水平鋅肥互作會嚴重抑制丹參產(chǎn)量形成。
鋅肥與有機肥、鉬肥與氮磷鉀肥、鉬肥與有機肥互作對丹酚酸含量影響達到了顯著水平;鋅肥與有機肥、鉬肥與有機肥互作對丹參酮含量影響達到顯著水平。通過降維法,固定其他兩個變量,分別得到鋅肥與有機肥、鉬肥與氮磷鉀肥、鉬肥與有機肥互作對丹酚酸含量產(chǎn)生的效應關系;鋅肥與有機肥、鉬肥與有機肥對丹參酮含量產(chǎn)生的效應關系。
作出兩因素回歸曲面圖,表示兩個因素互作效應對丹酚酸及丹參酮的影響曲面趨勢。鋅-有機肥互作效應見圖6、鉬-氮磷鉀肥互作效應見圖7、鉬-有機肥互作效應見圖8。
由圖6可知,高水平鋅肥低水平有機肥,高水平有機肥低水平鋅肥都不利于丹酚酸的積累。鋅肥及有機肥水平都在低水平或者同在高水平時,能夠互相促進丹酚酸含量的提高。
鉬肥及氮磷鉀肥都在低水平處丹酚酸的含量達到最高,在低水平氮磷鉀肥高水平鉬肥、高水平氮磷鉀肥低水平鉬肥、高水平的氮磷鉀肥與高水平鉬肥時丹酚酸的含量都較低,說明氮磷鉀與鉬肥互作不利于丹酚酸的積累。
高水平鉬肥與高水平有機肥互作,低水平鉬肥與低水平有機肥互作都不利于丹酚酸的積累。低水平鉬肥與高水平有機肥,高水平鉬肥與低水平有機肥有利于丹酚酸的積累。
同理,對丹參酮產(chǎn)生顯著影響互作因子方程作圖,得出兩個兩因素回歸曲面圖,鋅-有機肥互作效應見圖9、鉬-有機肥互作效應見圖10。
低水平鋅肥和低水平有機肥的互作、高水平鋅肥與高水平有機肥互作有利于丹參酮含量的積累,低水平鋅肥與高水平有機肥,高水平鋅肥與低水平有機肥互作不利于丹參酮的積累。
高水平鉬肥和高水平有機肥,低水平鉬肥和低水平有機肥均不利于丹參酮積累,低水平鉬肥與高水平有機肥,低水平有機肥與高水平鉬肥對丹參酮積累具有積極作用。
2.2.3 丹參高產(chǎn)的最優(yōu)施肥方案分析
用產(chǎn)量作為目標函數(shù)所建立的四元回歸模型,通過田間統(tǒng)計與數(shù)學計算,利用統(tǒng)計頻數(shù)法選優(yōu)得出本試驗條件下丹參高產(chǎn)所需施肥量的范圍。根據(jù)試驗地土壤狀況,結(jié)合當?shù)氐a(chǎn)量水平,以每公頃丹參產(chǎn)量達到6971.35 kg為高產(chǎn),結(jié)果分析見表3。
表3 產(chǎn)量≥6971.35 kg/hm2的各變量取值頻率分布
根據(jù)數(shù)學模型繼續(xù)進行相應的農(nóng)藝措施計算,在95%的置信區(qū)間內(nèi),得出丹參產(chǎn)量大于6971.35 kg/hm2的235個方案,并從中尋找到鋅肥、鉬肥、氮磷鉀肥、有機肥的最佳配施組合為鋅肥41.33~48.66 kg/hm2,鉬肥0.81~0.99 kg/hm2,氮肥210.49~239.51 kg/hm2,磷肥111.26~127.74 kg/hm2,鉀肥140.33~159.68 kg/hm2,有機肥1637.1~1962.9 kg/hm2時可達高產(chǎn)。
根據(jù)數(shù)學模型,利用統(tǒng)計頻數(shù)法選優(yōu)得出本試驗條件下丹酚酸含量≥6.76%所需施肥量的范圍(表4)。
表4 丹酚酸含量≥6.76%的各變量取值頻率分布
根據(jù)數(shù)學模型,利用統(tǒng)計頻數(shù)法選優(yōu)得出本試驗條件下丹酚酮含量≥0.33%所需施肥量的范圍(表5)。
表5 丹參酮含量≥0.33%的各變量取值頻率分布
根據(jù)數(shù)學模型,分別將丹酚酸含量≥6.76%、丹參酮含量≥0.33%作為優(yōu)質(zhì)丹參,在95%的置信區(qū)間內(nèi),得出丹酚酸含量≥6.76%的357個方案,并從中尋找到鋅肥、鉬肥、氮磷鉀肥、有機肥的最佳配施組合為鋅肥:鋅肥39.62~50.38 kg/hm2,鉬肥0.84~0.96 kg/hm2,氮肥200.14~249.87 kg/hm2,磷肥106.74~133.26kg/hm2,鉀肥133.43~166.58 kg/hm2,有機肥1755.90~1844.10 kg/hm2時可達優(yōu)質(zhì)。
在95%的置信區(qū)間內(nèi),得出丹參酮含量≥0.33%的344個方案,并從中尋找到鋅肥、鉬肥、氮磷鉀肥、有機肥的最佳配施組合為鋅肥:鋅肥41.96~48.04 kg/hm2,鉬肥0.84~0.96 kg/hm2,氮肥205.76~244.24 kg/hm2,磷肥109.74~130.26 kg/hm2,鉀肥137.18~162.83 kg/hm2,有機肥1654.20~1945.80 kg/hm2時可達優(yōu)質(zhì)。
在本研究中對丹參產(chǎn)量影響顯著的因子有鋅、鉬、氮磷鉀肥。有機肥在方差分析中的一次項、二次項、交互項全部未達到顯著水平,在產(chǎn)量的構(gòu)成模型中被完全剔除,說明有機肥的施用對丹參的產(chǎn)量影響并不明顯。王凡[16]、王立剛等[17]的研究也發(fā)現(xiàn)有機肥肥效的發(fā)揮是一個長期的積累過程,短期內(nèi)對作物產(chǎn)量提高的影響力不足。其他3個因子在單因素效應分析中發(fā)現(xiàn),3個因素對產(chǎn)量構(gòu)成的影響力不同,低鋅、高鉬、低氮磷鉀肥水平有利于產(chǎn)量提高。鋅肥用量在低水平時促進生長,高水平時會抑制生長;鋅肥參與調(diào)控產(chǎn)量因素的重要原因可能與鋅在植物體內(nèi)主要參與吲哚乙酸即生長素的合成有關[18-19],產(chǎn)生的肥效與生長素對植物的生長呈現(xiàn)相似的趨勢。鉬肥對丹參產(chǎn)量表現(xiàn)出低水平抑制,高水平促進的趨勢,與劉利[20]、張紀利等[21]研究結(jié)果一致,他們發(fā)現(xiàn)施鉬肥會造成植物各器官氮素的分配率不同,而氮素是產(chǎn)量形成的重要原因。鉬用量在低水平時,可促使氮向上運輸,當加大鉬肥施用量,氮素向根部積累,地下部分開始旺盛生長。本試驗鉬肥對丹參產(chǎn)量的影響趨勢并不完整,在2水平的基礎上繼續(xù)加大鉬肥的用量,可能會出現(xiàn)丹參產(chǎn)量的最大值。但可能達到某一臨界值時,鉬肥開始對丹參產(chǎn)量呈現(xiàn)負面影響。磷鉀肥呈現(xiàn)正態(tài)分布曲線,能夠展示對產(chǎn)量影響完整趨勢,也表現(xiàn)出低用量促進高用量抑制,適宜用量的氮磷鉀能夠提供足夠的營養(yǎng)供應生長,以增加產(chǎn)量,過量會對植物產(chǎn)生毒害,抑制生長。
對丹酚酸的單因子效應進行分析,發(fā)現(xiàn)有機肥與氮磷鉀肥能夠?qū)Φし铀岷慨a(chǎn)生影響。氮磷鉀肥明顯抑制了丹酚酸的累積,有機肥在低用量時表現(xiàn)為抑制的趨勢,高用量時表現(xiàn)為促進的趨勢。氮磷鉀對丹酚酸的單因子效應與王渭玲等[22]、夏貴惠[23]的研究結(jié)果有所不同,可能是本試驗中的氮磷鉀肥的因子效應是以氮磷鉀為一個整體的影響力作為評價指標,前人的研究多是氮磷鉀三者之一或之二的肥料效應,對于多個因素的肥料配施,還要考慮到各因子之間的互作效應以及整體效應。對丹參酮的單因子分析發(fā)現(xiàn),氮磷鉀及有機肥對丹參酮含量呈現(xiàn)出先抑制后促進的趨勢,鋅鉬肥呈現(xiàn)出先抑制后促進的趨勢。氮磷鉀對總丹參酮的影響與對產(chǎn)量的影響呈現(xiàn)相反的趨勢,這與丹參酮類物質(zhì)的分布情況關系密切,丹參酮類物質(zhì)多分布于丹參根的周皮中[24],丹參的產(chǎn)量增加,體積增加,周皮的相對面積減少,因此丹參酮類物質(zhì)含量就相應減少。有機肥提高丹參酮類物質(zhì)是因為有機肥中的腐植酸能夠提高根系的氧化能力,提高多酚氧化酶的活性,以此來促進丹參酮類物質(zhì)的積累。郭亞勤[25]發(fā)現(xiàn)不同用量的腐植酸對丹參主要酮類物質(zhì):丹參酮ⅡA,丹參酮Ⅰ、隱丹參酮的影響程度和效果不同,推測有機肥中的腐殖質(zhì)會在低用量下更好地促進丹參酮Ⅰ、隱丹參酮的合成和積累,在高用量下促進丹參酮ⅡA的合成和積累,與本試驗中有機肥對丹參酮含量的影響呈現(xiàn)先抑制后促進的變化規(guī)律相符合。
作物對每種肥料類型的敏感度和吸收量都存在較大差異[26]。單種肥料對丹參的生長及品質(zhì)具有調(diào)控能力,不同肥料之間顯示出協(xié)同或拮抗作用。鋅肥與氮磷鉀肥、鉬肥與氮磷鉀肥對丹參產(chǎn)量產(chǎn)生的互作效應達到了顯著水平。鋅肥與有機肥、鉬肥與氮磷鉀肥產(chǎn)生的互作效應對丹酚酸含量影響達到了顯著水平。鋅肥與有機肥、鉬肥與有機肥的互作效應對丹參酮含量影響達到了顯著水平。這表明,鋅、鉬、氮磷鉀、有機肥對產(chǎn)量及主要有效成分丹酚酸、丹參酮的影響具有一定的復雜性,不同因子在不同水平對產(chǎn)量、丹酚酸、丹參酮的影響力不同。不同元素之間的互作效應主要作用于植物機體內(nèi),通過影響植物體內(nèi)基因表達[27]或者影響植物體內(nèi)各種代謝途徑的酶促反應[28],以此來對產(chǎn)量以及質(zhì)量性狀產(chǎn)生影響,但在藥用植物栽培研究中,元素間的互作研究僅限于表觀形狀以及代謝后的最終產(chǎn)物的高低,不同元素間產(chǎn)生的交互效應在植物體內(nèi)的一系列反應機制的研究較少。在本研究中,只觀察和觀測了植物表觀以及有效成分的最終含量,對于不同元素在植物體內(nèi)的互作機制并不明確。
本試驗研究在95%置信區(qū)間內(nèi),得到各指標最優(yōu)對應的一個最佳的施肥組合,再將3個組合的施肥量進行綜合取交集,得到丹參產(chǎn)量、丹酚酸含量、丹參酮含量達到綜合最佳的施肥范圍。
鋅、鉬、氮磷鉀與有機肥的合理配施對丹參的增產(chǎn)、丹酚酸及丹參酮含量的提高有顯著的效果。達到丹參優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的最佳施肥范圍為:鋅肥41.96~48.04 kg/hm2,鉬肥0.84~0.96 kg/hm2,氮肥210.49~239.51 kg/hm2,磷肥111.26~127.74 kg/hm2,鉀肥140.33~159.68 kg/hm2,有機肥1755.90~1844.10 kg/hm2。