物聯網精準灌溉對人參栽培土壤環(huán)境及其產量和品質的影響

李建榮　韓永忠　狄平　張萌　韓梅　楊利民

摘要：以農田栽培模式種植的人參為研究對象，采用物聯網精準灌溉技術，建立土壤相對含水量60%、80%、90%和自然降水4個試驗處理，分析不同水分條件對土壤理化性質、土壤酶活性、人參產量和品質的影響。結果表明：土壤相對含水量為80%和90%時，土壤有機質、速效氮、速效磷含量均高于其他處理，同時土壤脲酶、酸性磷酸酶、過氧化氫酶、蔗糖酶活性也相對較高。土壤相對含水量為80%時，人參單位面積產量最高，可達到2 715.64 g/m2，較CK增產14.98%;人參總皂苷含量也達到最高，為4.02%，但各處理間差異不顯著。適當的水分虧缺有利于人參生長后期3種單體皂苷的合成積累，9月30日，人參單體皂苷Rb1、Re+Rg1含量在60%土壤相對含水量處理下達到最高。綜合考慮，80%土壤相對水含量是最適宜人參生長發(fā)育的水分條件。

關鍵詞：人參;物聯網;精準灌溉;土壤環(huán)境;產量;品質

中圖分類號：S567.5+1文獻標識碼：A文章編號：1000-4440（2022）02-0495-07

Effects of internet of things precision irrigation on the soil environment， yield and quality of ginseng

LI Jian-rong HAN Yong-zhong DI Ping ZHANG Meng HAN Mei YANG Li-min1

Abstract：Taking ginseng cultivated in farmland as the research object， the internet of things （IoT） precision irrigation technology was used in this study， and four experimental treatments （relative soil water content of 60%， relative soil water content of 80%， relative soil water content of 90% and natural precipitation） were established. In addition， the effects of different water conditions on soil physical and chemical properties， soil enzyme activity， ginseng yield and quality were analyzed. The results showed that the contents of soil organic matter， available nitrogen and available phosphorus in the treatments with the relative soil water content of 80% and 90% were significantly higher than those in other treatments， and the activities of soil urease， acid phosphatase， catalase and sucrase were also relatively high. Unter the treatment of 80% relative soil water content， the yield per unit area of ginseng was highest （2 715.64 g/m2）， which was 14.98% higher than that of CK. Moreover， the total saponins content of ginseng was also highest （4.02%）， but there was no significant difference among treatments. On September 30 ，the contents of Rb1 and Re+Rg1 reached the highest under the treatment of 60% relative water content， indicating that appropriate water deficit was beneficial to the synthesis and accumulation of three monomer saponins in late growth stage of ginseng. Overall， 80% relative soil water content is the most suitable water condition for the growth and development of ginseng.

Key words：ginseng;internet of things;precision irrigation;soil environment;yield;quality

人參作為“百草之王”，藥用歷史悠久，是中國傳統(tǒng)的中藥材[1]。長期以來，人參的大規(guī)模種植一直采用伐林栽培模式，對森林資源和生態(tài)環(huán)境造成嚴重破壞[2]。隨著國家天然林保護工程的啟動實施，其傳統(tǒng)的伐林栽培模式被農田栽培所取代。但由于人參為多年生藥材，并且采用單透膜技術，遇干旱年份，產量受到很大影響，為此，水分管理一直是制約人參生產的重要技術因素之一。

近年來，隨著科學技術的發(fā)展以及互聯網應用的普及，物聯網（IoT）技術已然成為最前沿的技術之一?；谖锫摼W的精準灌溉技術是通過物聯網監(jiān)測系統(tǒng)實時監(jiān)測作物生長的光照、空氣溫濕度、土壤溫度、土壤濕度，實現精準控制灌溉的農業(yè)新技術，可以按照需水規(guī)律，通過灌水器將水資源均勻、定時、定量供給植物利用的過程，有效保障植物生長生存環(huán)境的有利化[3]。該項技術較傳統(tǒng)的地面灌溉技術具有明顯的技術優(yōu)勢，不僅節(jié)約人工成本，提高水分利用效率和植物品質，增加植物產量，還避免了常規(guī)的水分流失等問題，有利于節(jié)約水資源，從而實現水分的生態(tài)調控。

雖然物聯網灌溉技術在農業(yè)上已成熟應用[4-6]，但在中藥材種植中尚不多見。因此，本研究擬通過物聯網精準灌溉技術對3年生人參進行精準水分調控，分析水分對土壤理化性質、土壤酶活性、人參產量、品質的影響，以期為物聯網灌溉技術在人參生產中的應用提供科學依據。

1材料與方法

1.1試驗地概況

試驗地位于吉林省撫松縣抽水鄉(xiāng)正岔溝人參規(guī)范化栽培基地（42°22′32.72″N，127°06′54.00″E），屬于大陸性高山氣候，土壤屬于非林地土即農田，前期作物為玉米。2017年開展試驗前期準備工作，包括樣地選擇與整理、人參品種選擇以及物聯網精準灌溉系統(tǒng)的布設、調試等。2018年5月全面開展基于物聯網精準灌溉的人參水分調控試驗。

1.2試驗方法

1.2.1試驗設計選取大小相對一致的人參苗，移栽至參床中進行滴灌水分調控試驗。試驗地的占地面積為10 000 m2，共設12串人參栽培地，每串寬×長為1.3 m×120.0 m，設置3個水分處理組，土壤相對含水量分別為60%、80%、90%。每個處理組設3個重復，對照組（CK）為自然降水，不進行水分控制。每個處理組分布土壤水分傳感器12個，共計36個土壤水分傳感器，傳感器距地面深度為30 cm，其中每串人參栽培地分布3個，數據每隔1 h傳輸一次（圖1）。

1.2.2土壤樣品采集在土壤樣品的采集過程中，采用五點等距離取樣法取樣，用20目篩對采集的土壤樣品進行過篩，除去雜質后進行自然晾干，用于測定土壤各項理化指標及土壤酶活性。

1.2.3人參采集于土壤樣品采樣處同時采集植物樣品，采用五點等距取樣法取樣，在每個取樣點處將1 m2的人參挖出，清洗干凈后，晾干表面殘余水分用于人參鮮品質測定;將鮮參置于60 ℃烘箱中烘干用于人參干品質測定。每個處理選取20株人參，粉碎，過60目篩，用于人參皂苷含量測定。

1.3測定指標及測定方法

1.3.1田間土壤含水量根據土壤中12個水分傳感器Soil moisture EC5上傳的數據實時監(jiān)測水分變化，及時對土壤水分進行補充，讓土壤水分保持在設定的控制范圍內。表1顯示，最大土壤相對含水量為93.4%（W12），最小土壤相對含水量為52.0%（W1）。

1.3.1土壤理化性質土壤pH用離子測定儀測定，土壤有機質、堿解氮、速效磷、速效鉀含量分別采用濃硫酸-重鉻酸鉀比色法、擴散皿-濃硫酸滴定法、NaHCO3浸提比色法、醋酸銨浸提-火焰光度法測定[6]。

1.3.2 土壤酶活性土壤脲酶、蔗糖酶、酸性磷酸酶、蛋白酶、過氧化氫酶活性分別采用靛酚比色法、硝基水楊酸比色法、磷酸苯二鈉法、加勒斯江法、高錳酸鉀法測定[7]。

1.3.3 人參產量、品質利用3年生人參的試驗數據進行產量分析。人參品質指標包括單體皂苷（Rg1、Rb1、Re）含量和總皂苷含量，分別采用高效液相色譜法和紫外分光光度法測定。

1.4數據處理

用Microsoft 2010、SPSS 22.0軟件對數據進行處理與分析。

2結果與分析

2.1不同土壤相對含水量對土壤pH和有機質含量的影響

土壤pH和有機質含量能夠影響植物對養(yǎng)分的吸收利用，是衡量土壤肥沃程度的重要指標。圖2顯示，不同土壤相對含水量處理之間土壤pH差異不大，均在適宜人參生長的范圍（pH為5.5～6.2）內，土壤偏酸性。

圖3顯示，土壤有機質含量總體隨土壤相對含水量的增加而增大，80%土壤相對含水量處理和90%土壤相對含水量處理的土壤有機質含量較高，在8月30日顯著高于60%土壤相對含水量處理和CK，此時為人參根部生長期，較高的土壤有機質含量有利于人參產量的提高。

2.2不同土壤相對含水量對土壤速效氮、磷、鉀含量的影響

氮、磷、鉀在植物光合作用、呼吸作用等活動代謝過程中均起重要作用[8]。表2顯示，不同處理土壤營養(yǎng)成分的含量存在一定差異，8月30日，80%土壤相對含水量處理和90%土壤相對含水量處理的土壤速效氮含量顯著高于60%土壤相對含水量處理和CK（P<0.05），并且80%土壤相對含水量處理的土壤速效氮、速效磷含量最高，分別為115.67 mg/kg和14.96 mg/kg，比CK分別增加了33.99%和22.02%。8月30日和9月30日，不同土壤相對含水量處理的土壤速效鉀含量差異不顯著。

2.3不同土壤相對含水量對土壤酶活性的影響

土壤酶是一種活性蛋白質，參與土壤微生態(tài)環(huán)境的物質循環(huán)和能量流動過程，常用來評價土壤肥力水平[8]。表3顯示，8月30日時，土壤過氧化氫酶、蔗糖酶活性通過水分調控顯著高于CK（P<0.05），并且當土壤相對含水量為80%時，酸性磷酸酶、土壤脲酶、過氧化氫酶、蔗糖酶活性分別是CK的1.13倍、1.33倍、1.70倍、1.87倍。較高的土壤蔗糖酶、脲酶、酸性磷酸酶活性會促進氮、磷的吸收[9]，說明通過精準調控使土壤相對含水量為80%時土壤肥力較高，更有利于人參的生長發(fā)育。

2.4不同土壤相對含水量對人參產量和品質的影響

2.4.1人參單體皂苷皂苷類物質是人參主要的藥效成分，是評價人參品質的重要指標[10]。圖4和圖5顯示，人參皂苷含量均達到《中國藥典》[11]的品質標準。8月30日，80%土壤相對含水量處理的單體皂苷Rb1、Rg1+Re含量最高;在9月30日，90%土壤相對含水量處理與60%土壤相對含水量處理的Rb1、Rg1+Re含量較高，表明適宜的水分虧缺有利于人參生長后期單體皂苷的積累。

2.4.2人參產量和總皂苷水分是保障人參正常生長發(fā)育的重要生態(tài)因子，影響人參的產量、品質[12]。表4顯示，不同土壤相對含水量對人參產量、品質影響不同。土壤相對含水量為80%時，人參的單位面積產量最高，可達到2 715.64 g/m2，較CK增產14.98%。土壤相對含水量為60%、90%時的人參單位面積產量分別為2 418.37 g/m2、2 505.65 g/m2，較CK分別增長2.40%、6.09%。不同土壤相對含水量處理的人參總皂苷含量間差異不顯著，但80%土壤相對含水量處理的人參總皂苷含量最高，為4.02%。

2.5不同土壤相對含水量下人參產量、品質與土壤性質的相關性分析

表5顯示，不同土壤相對含水量處理下，有機質含量與速效氮含量呈顯著正相關（P<0.05），速效磷含量與人參總皂苷含量呈顯著正相關（P<0.05）。土壤脲酶活性與人參產量呈極顯著正相關（P<0.01），與人參總皂苷含量呈顯著正相關（P<0.05）;土壤酸性磷酸酶活性與人參單體皂苷Rb1含量呈顯著正相關（P<0.05）;土壤過氧化氫酶活性與蔗糖酶活性呈極顯著正相關（P<0.01）。土壤養(yǎng)分和土壤酶活性對人參產量、品質有重要影響，適當提高土壤氮、磷含量，增強土壤脲酶、酸性磷酸酶等酶活性有利于促進人參的生長發(fā)育。

3討論

水分參與植物的整個生命周期，適宜的水分條件能夠提高植物的產量和品質[13-15]。農田栽培模式具有相對平緩的地形條件，為人參生產中灌溉技術的應用創(chuàng)造了有利條件[16]。

本研究結果表明，8月30日，80%土壤相對含水量處理的有機質含量和速效氮含量顯著高于60%土壤相對含水量處理和CK（P<0.05），并且當土壤相對含水量為80%時，土壤脲酶、酸性磷酸酶、過氧化氫酶活性最高。8月30日，3個水分處理的土壤脲酶、酸性磷酸酶、過氧化氫酶活性以及土壤速效氮、速效磷含量均隨著土壤相對含水量的增加而呈先升高后降低的倒“V”型變化趨勢，與張超宇等[17]和陸宇明等[18]的研究結果一致。同時，土壤脲酶活性與人參產量呈極顯著正相關（P<0.01），與人參總皂苷含量呈顯著正相關（P<0.05）。脲酶活性較高有利于人參對氮的吸收利用，影響人參次生代謝，促進人參皂苷的合成[19]。土壤相對含水量控制在80%時，人參單位面積產量最高，可達到2 715.64 g/m2，與對照相比增產14.98%;人參總皂苷含量也達到最高，為4.02%，但各處理間差異不顯著。在9月30日，60%土壤相對含水量處理的人參單體皂苷Rb1、Re+Rg1含量最高，表明適當的水分虧缺有利于人參Rb1、Re、Rg13種單體皂苷的合成積累。不同土壤相對含水量處理對土壤理化性質、土壤酶活性、人參產量和品質有不同的影響。綜合考慮，80%土壤相對水含量是最適宜人參生長發(fā)育的水分條件。

通過精準灌溉系統(tǒng)對人參種植地的土壤水分數據進行實時監(jiān)測，該系統(tǒng)對人參需水總量和分布進行技術控制，實現了環(huán)境要素與人參生長發(fā)育狀態(tài)的結合，智能化、集約化地對人參種植地灌溉水進行精確化管理，促進了人參產業(yè)的現代化發(fā)展。

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（責任編輯：王妮）

收稿日期：2021-05-28

基金項目：吉林省重大科技專項項目（20200504602YY）;吉林省重點科技成果轉化項目（20170307009YY）;國家中藥材產業(yè)技術體系項目（CARS-21）

作者簡介：李建榮（1993-），男，甘肅白銀人，碩士，主要從事野生動植物保護與利用研究。（E-mail）18946694846@163.com

通訊作者：韓梅，（E-mail）2432273234@qq.com