種植密度對湖北貝母生長及品質(zhì)的影響

段媛媛， 劉曉洪， 唐濤， 王帆帆， 游景茂， 郭曉亮， 郭杰*

（1.湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院中藥材研究所， 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部中藥材生物學(xué)與栽培重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖北省中藥材規(guī)范化生產(chǎn)（GAP）工程研究中心， 湖北 恩施 445000； 2.湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，林下經(jīng)濟(jì)湖北省工程研究中心， 武漢 430064）

種植密度由作物間距決定，影響作物生長所需的水、肥、光、熱等非生物因子的利用率，進(jìn)而影響作物的產(chǎn)量和品質(zhì)[1-2]。優(yōu)化種植密度是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)栽培的主要措施之一[3]。合理密植能改變單位面積內(nèi)作物的水肥利用率，增加單位面積植株的數(shù)量，增大單位面積的生產(chǎn)力，進(jìn)而提高作物產(chǎn)量[4-5]。種植密度過高或過低均不利于作物產(chǎn)量的積累。研究表明，提高種植密度能保障作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，有效抑制雜草生長[6]；但當(dāng)種植密度過高時，作物冠層內(nèi)的透光性差，作物之間對光、水和土壤養(yǎng)分等的競爭加劇，產(chǎn)量反而下降[7]。作物種植密度過小，群體內(nèi)植株數(shù)量下降，造成土地資源浪費(fèi)[8]。眾多研究表明，合理控制種植密度能使作物達(dá)到高產(chǎn)的目的[9-10]，但由于作物品種、種植環(huán)境等存在差異，針對作物品種特征，構(gòu)建適宜的種植密度才能達(dá)到優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的目的[11]。

湖北貝母（Fritillaria hupehensis）為百合科（Liliaceae）貝母屬（FritillariaL.）多年生喜陰草本植物，其干燥鱗莖具有清熱化痰、止咳、散結(jié)[12-13]等功能，是我國常用的中藥材之一。研究表明，栽培中水肥管理及種植密度對貝母類藥材具有顯著影響[14]。隨著國家對中醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)的重視及中藥材市場的擴(kuò)大，湖北貝母的規(guī)模化種植受到廣泛關(guān)注。目前，關(guān)于種植密度對貝母類藥材生長發(fā)育的影響已有報道，但尚未實(shí)現(xiàn)湖北貝母的優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)栽培。因此，湖北貝母在主產(chǎn)區(qū)生長的適宜種植密度尚需進(jìn)一步研究?；诖?，本研究以湖北貝母為研究對象，探究種植密度對其不同時期生長性狀、生理特性、產(chǎn)量及品質(zhì)的影響，以期篩選適宜湖北貝母生長的最佳種植密度，為湖北貝母的高產(chǎn)栽培提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)地位于湖北省恩施市新塘鄉(xiāng)下壩村湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院中藥材研究所試驗(yàn)基地（30°11′12″ N，109°46′32″ E），海拔1 650 m，屬亞熱帶季風(fēng)和季風(fēng)性濕潤氣候，年均降雨量1 400 ～1 500 mm，年均溫度16 ℃，無霜期282 d，日照時數(shù)1 300 h，相對濕度82%。土壤為紅壤土，耕層土壤有機(jī)質(zhì)26.86 g·kg-1，堿解氮112.0 mg·kg-1，速效磷76.72 mg·kg-1，速效鉀269.0 mg·kg-1。試驗(yàn)地種植湖北貝母之前一年撂荒。

1.2 試驗(yàn)材料

供試湖北貝母種莖購自湖北省建始縣康泰藥業(yè)連鎖有限公司，經(jīng)湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院中藥材研究所郭杰副研究員鑒定為百合科植物湖北貝母的新鮮鱗莖。試驗(yàn)前將新鮮鱗莖進(jìn)行分級，選取大小一致、單個重量約7 g 左右的鱗莖做種（正負(fù)誤差在20%以內(nèi)）。

試驗(yàn)用有機(jī)肥為禾豐康田生物有機(jī)肥，購自恩施施州農(nóng)化有限責(zé)任公司。該有機(jī)肥采用枯草芽孢桿菌為核心，海藻提取物及植物源有機(jī)肥料發(fā)酵而成，其中有機(jī)質(zhì)≥40%，枯草芽孢桿菌有效活菌數(shù)≥0.20億·g-1。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計

田間試驗(yàn)于2020 年9 月至2021 年6 月進(jìn)行，共設(shè)置4 個播種密度，株行距分別為5 cm×10 cm（PD1）、10 cm×10 cm（PD2）、10 cm×15 cm（PD3）、15 cm×15 cm（PD4）（對應(yīng)的密度分別為110、80、56、42 萬株·hm-2），每個密度3 次重復(fù)，處理小區(qū)隨機(jī)排列，每個小區(qū)面積均為1.50 m×4.45 m，四周保護(hù)行、小區(qū)間走道、重復(fù)間走道均設(shè)置為0.5 m。2020年9月將試驗(yàn)地進(jìn)行翻耕，施入1 200 kg·hm-2有機(jī)肥作為基肥，翻耕均勻，將所選湖北貝母種莖按照各種植密度撒播后覆土2～3 cm。

1.4 測量指標(biāo)及方法

1.4.1 生長性狀、生理指標(biāo)的測定 分別于苗期（3 月10 日）、花期（4 月6 日）及倒苗期（4 月27 日）從每個處理隨機(jī)選取5 株湖北貝母作為待測樣品，測定其株高、鱗莖長、鱗莖鮮重、植株底部向上數(shù)第2 片長勢一致葉片的葉面積等生長指標(biāo)。選取相同部位的健康葉片，參照He 等[15]方法，采用95%乙醇浸提比色法測定葉綠素（chlorophyll，chl）及類胡蘿卜素（carotenoid，Car）含量；采用紫外吸收法測定過氧化氫酶（catalase，CAT）活性；采用Sigma 法測定過氧化物酶（peroxidase，POD）活性；采用NBT 光化還原法測定超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）活性；采用硫代巴比妥酸加熱比色法測定丙二醛（MDA)含量；采用硝基四氮唑藍(lán)還原法測定超氧陰離子自由基（·）含量；采用G-250 考馬斯亮藍(lán)法測定可溶性蛋白（SP）含量，取平均值作為單個小區(qū)的整體水平。

1.4.2 產(chǎn)量的測定 于湖北貝母收獲期，在每個小區(qū)（避開邊緣部分）隨機(jī)選擇1 m2地塊，將其中的湖北貝母全部挖出，使用3 kg 級樂祺電子秤（LQ-C3002）稱重，重復(fù)3 次，換算成每公頃產(chǎn)量，并計算產(chǎn)量增量。

1.4.3 貝母素乙含量的測定 參照2020 版《中華人民共和國藥典（第一部）》中的方法（通則502）[13]，使用安捷倫1260-LC 高效液相色譜儀（安捷倫科技有限公司）測定貝母素乙含量。試驗(yàn)用貝母素乙標(biāo)準(zhǔn)品（中國食品藥品檢定研究院，97.7%）批號為110751，購自武漢中恩科技有限公司。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2019 及SPSS 19.0 對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析。采用單因素（one-way ANOVA）和Duncan法進(jìn)行方差分析和多重比較，采用Origin Pro 2021對不同處理湖北貝母生長性狀和生理特性進(jìn)行Pearson 相關(guān)性分析。采用Origin Pro 2021 軟件作圖，圖中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同種植密度下湖北貝母生長性狀分析

由圖1可知，苗期PD1處理下湖北貝母的株高顯著低于其他3個處理（P＜0.05），相較于PD2、PD3及PD4 處理分別降低了13.90%、18.07% 及13.07%?；ㄆ赑D1處理下湖北貝母的株高顯著低于其他3 個處理，較PD2、PD3、PD4 處理分別降低了14.72%、23.31%和12.26%，PD3 處理下湖北貝母的株高顯著高于PD2 和PD4 處理，分別提高了10.07%和12.59%?；ㄆ赑D1、PD2 處理的葉面積顯著低于PD4 處理，較PD4 處理分別降低了14.41%和20.31%?；ㄆ赑D1 處理下湖北貝母的鱗莖長顯著低于其他3個處理，相對于PD2、PD3及PD4分別降低了11.26%、12.26%及12.02%?？傮w上，在湖北貝母的整個生長期，隨著種植密度的增加，湖北貝母的株高呈先增大后減小的變化趨勢。

圖1 不同種植密度下湖北貝母生長性狀Fig.1 Growth traits of Fritillaria hupehensis under different planting densities

2.2 不同種植密度下湖北貝母光合色素含量分析

如圖2 所示，湖北貝母整個生長期，隨著種植密度的增加葉綠素含量均呈先增大后減小的變化趨勢，當(dāng)種植密度為PD3（株行距為10 cm×15 cm）時，葉綠素a、葉綠素b和總?cè)~綠素含量均高于其他處理?；ㄆ诩暗姑缙赑D3處理下類胡蘿卜素含量最大，顯著高于PD1處理（P＜0.05）。苗期PD3處理下葉綠素a含量及總?cè)~綠素含量與PD1、PD4處理差異顯著，苗期PD3處理下葉綠素b含量與PD4處理差異顯著；花期PD3處理下葉綠素a含量及總?cè)~綠素含量與PD1處理差異顯著。上述結(jié)果表明，在湖北貝母的生長過程中其光合色素含量受種植密度影響，株行距10 cm×15 cm（PD3）的種植密度能提高湖北貝母的光合色素含量。

圖2 不同種植密度下湖北貝母光合色素含量Fig.2 Photosynthetic pigments content of Fritillaria hupehensis with different planting densities

2.3 不同種植密度下湖北貝母抗氧化酶活性分析

由圖3 可知，湖北貝母生長過程中，PD1、PD2處理下葉片的過氧化氫酶（CAT）活性顯著低于PD3、PD4 處理（P＜0.05）。苗期PD1 處理較PD3、PD4處理分別降低了57.01%、58.67%，PD2處理較PD3、PD4 處理分別降低了20.95%、23.99%；花期PD1 處理較PD3、PD4 處理分別降低了73.87%、74.44%，PD2處理較PD3、PD4處理降低了18.39%、20.19%；倒苗期PD1 處理較PD3、PD4 處理分別降低了66.67%、67.57%，PD2 處理較PD3、PD4 降低了27.78%、29.73%?；ㄆ赑D1 處理下超氧化物歧化酶（SOD）活性顯著低于其他3 個處理，分別降低了20.09%、25.30%和17.26%。苗期PD1 處理下過氧化物酶（POD）活性顯著低于PD3 處理，降低了11.20%?？傮w來說，隨著播種密度的增加，湖北貝母葉片的CAT 活性降低，SOD 活性及POD活性先增大后降低，當(dāng)種植密度為PD3（株行距為10 cm×15 cm）時達(dá)到最大值。

圖3 不同種植密度湖北貝母抗氧化酶活性Fig.3 Autioxidant enzyme activities of Fritillaria hupehensis with different planting densities

2.4 不同種植密度下湖北貝母滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量分析

如圖4 所示，湖北貝母整個生長期中，PD3 處理下可溶性蛋白（SP）含量均顯著高于PD1和PD2處理（P＜0.05），苗期PD3 處理分別較PD1、PD2 處理提高了24.21%、13.61%；花期PD3 處理分別較PD1、PD2處理提高了43.83%、35.04%；倒苗期PD3處理分別較PD1、PD2 處理提高了24.44%、22.25%。苗期及花期，PD3 處理下超氧陰離子自由基（·）含量顯著低于PD1處理，分別較PD1降低了16.56%和13.66%。苗期PD3 處理下丙二醛（MDA）含量顯著低于PD1 和PD2 處理，分別較PD1、PD2 處理降低了13.94%、10.07%；花期PD3處理下MDA 含量顯著低于PD1和PD4處理，分別較PD1、PD4 處理降低了11.98%、5.64%?？傮w來看，PD3 處理下SP 含量高于其他處理，但其·O-2含量及MDA含量低于其他處理。

圖4 不同種植密度下湖北貝母滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的含量Fig.4 Osmotic regulation of substance content of Fritillaria hupehensis with different planting densities

2.5 湖北貝母生理生長性狀的相關(guān)性分析

相關(guān)性分析（圖5)表明，生長性狀株高和鱗莖鮮重（P＜0.01）、鱗莖長（P＜0.01）、MDA 含量（P＜0.01）、POD活性（P＜0.001）及·含量（P＜0.01）顯著正相關(guān)；葉面積和鱗莖鮮重（P＜0.001）、鱗莖長（P＜0.01）、POD 活性（P＜0.01）顯著正相關(guān)；鱗莖鮮重和鱗莖長、MDA 含量、POD 活性及·含量極顯著正相關(guān)（P＜0.001）；鱗莖長和MDA 含量、POD活性及ROS含量極顯著正相關(guān)（P＜0.001）；光合色素含量與CAT 活性、SOD 活性、SP 含量極顯著正相關(guān)（P＜0.001）；CAT 活性與SOD 活性、SP 含量極顯著正相關(guān)（P＜0.001）；SOD活性與SP含量極顯著正相關(guān)（P＜0.001）；葉綠素含量與MDA 含量、POD活性極顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.001）；Car含量、CAT活性和MDA 含量、·含量顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01），和POD 活性極顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.001）；SOD 活性與SP 含量極顯著正相關(guān)（P＜0.001），與POD 活性、MDA 含量和·含量極顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.001）；MDA 含量和·含量、POD 活性極顯著正相關(guān)（P＜0.001），與SP 含量極顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.001）；POD 活性SP 含量極顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.001），與·含量極顯著正相關(guān)（P＜0.001）；SP 含量與·含量極顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.001)。

圖5 湖北貝母生理生長特性的相關(guān)性分析Fig.5 Correlation analysis of physiological growth traits of Fritillaria hupehensis

2.6 不同種植密度下湖北貝母產(chǎn)量及貝母素乙含量分析

由圖6 可知，隨著播種密度的增加，湖北貝母的產(chǎn)量呈增大趨勢。當(dāng)播種密度為PD1（株行距為5 cm×10 cm）時產(chǎn)量最大，為11 975.3 kg·hm-2；當(dāng)種植密度為PD4（株行距為15 cm×15 cm）時，湖北貝母的產(chǎn)量最小，為4 970.0 kg·hm-2。而其產(chǎn)量增量及貝母素乙含量則隨密度增加呈先增大后減小的變化趨勢，當(dāng)播種密度為PD3（株行距為10 cm×15 cm）時，湖北貝母的產(chǎn)量增量及貝母素乙含量最大，分別為5 081.0 kg·hm-2和0.297%。當(dāng)種植密度為PD4（株行距為15 cm×15 cm）時，湖北貝母的產(chǎn)量增量及貝母素乙含量最小，為2 690.3 kg·hm-2和0.267%。可見，密植能顯著提高湖北貝母的產(chǎn)量（P＜0.05），當(dāng)其種植密度過大時，產(chǎn)量增量及貝母素乙含量降低，這表明合理密植才能提高湖北貝母的品質(zhì)及經(jīng)濟(jì)效益。

圖6 不同種植密度下湖北貝母產(chǎn)量及貝母素乙含量Fig.6 Yield of substance content and peiminine of Fritillaria hupehensis with different planting densities

3 討論

3.1 種植密度對湖北貝母生長性狀及生理特性的影響

植物地上及地下性狀能反映其對環(huán)境變化的適應(yīng)性，株高能反映植物與其相鄰植株的競爭和適應(yīng)能力[16]。研究表明，種植密度對作物的生長性狀影響顯著[17]，低密度下植株獲取較多的養(yǎng)分及光照，生長較快；隨著密度的增加，個體可利用的資源減少，從而對株高產(chǎn)生顯著影響[3]。本研究中，苗期及花期湖北貝母生長旺盛，高密度（PD1）處理下其株高顯著低于其他處理，這可能是由湖北貝母群體競爭的密度限制效應(yīng)造成的，高密度下湖北貝母個體之間營養(yǎng)競爭較強(qiáng)，個體所獲養(yǎng)分及能量較少，植株瘦弱，株高偏低[6]。此外，高密度下湖北貝母株高降低還可能是湖北貝母的一種“耐受”策略，通過緩解個體生長速度加強(qiáng)對高密度脅迫的耐受力，保證更多植株的存活率[18]。而生長后期湖北貝母群體達(dá)到了最大的資源利用率，各處理間的株高趨于一致，不同處理間湖北貝母的株高無顯著差異。

葉綠素是參與植物的光合作用及能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵物質(zhì)，其含量是反映植物光合作用性能和產(chǎn)量的重要生理指標(biāo)[19]，葉綠素a 主要吸收紅光，葉綠素b 主要吸收藍(lán)紫光[20]。本研究中當(dāng)種植密度為PD3（株行距為10 cm×15 cm）時，葉綠素a 含量、葉綠素b 含量、總?cè)~綠素含量及類胡蘿卜素含量均高于其他處理，這表明當(dāng)湖北貝母株行距為10 cm×15 cm 時，其葉片對紅光及藍(lán)紫光的吸收能力增強(qiáng)，較高的總?cè)~綠素含量有助于湖北貝母形成較高的群體結(jié)構(gòu)，提升群體光合性能，進(jìn)而促進(jìn)產(chǎn)量的增加[10]。CAT 具有分解H2O2的功能，能有效抑制膜脂過氧化反應(yīng)，是植物抗逆性生理研究的常用指標(biāo)[21]。本研究中CAT活性在湖北貝母整個生長期表現(xiàn)為高密度顯著低于低密度處理，這可能是由于高密度下湖北貝母過氧化產(chǎn)物積累超出閾值，CAT 活性下降[22]。MDA 是膜脂過氧化產(chǎn)物之一，其含量可表征植物細(xì)胞膜受損程度[23]。·O2-是衡量植物遭受逆境脅迫的重要指標(biāo)，植物受到脅迫時，體內(nèi)的活性氧增加，并對細(xì)胞造成傷害[21,23]。本研究中苗期和花期PD3 處理的·O-2含量及MDA 含量顯著低于PD1 處理，這可能是由于PD3 處理下POD、SOD 活性及SP 含量較高，參與到湖北貝母的活性氧代謝中，從而降低了湖北貝母體內(nèi)的活性氧含量，提高了其抗逆性。

3.2 種植密度對湖北貝母產(chǎn)量的影響

合理密植時作物利用水肥光熱等資源優(yōu)化群體結(jié)構(gòu)，改善單株在密植群體中的光合表現(xiàn)，達(dá)到增產(chǎn)的目的[16,24]。合理的種植密度使作物群體內(nèi)透光性、通風(fēng)性良好，個體積累較多的干物質(zhì)，產(chǎn)量增加[11]。許奕等[25]對不同株行距下浙貝母的產(chǎn)量進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)減小株行距有助于浙貝母增產(chǎn)。本研究得到相似結(jié)果，湖北貝母的產(chǎn)量隨種植密度的增加逐漸增加，但地下部分性狀（鱗莖鮮重及鱗莖長）隨密度變化差異不顯著，這可能是由于密植增加了單位面積湖北貝母個體數(shù)量，進(jìn)而提高了湖北貝母的產(chǎn)量。研究表明，作物的干物質(zhì)積累存在密度效應(yīng)，具體表現(xiàn)為在適宜范圍內(nèi)干物質(zhì)的積累隨密度的增加而增加，但超過適宜密度后，資源競爭加劇，群體干物質(zhì)積累量降低[8,26]。本研究中湖北貝母的產(chǎn)量增量也存在密度效應(yīng)，隨密度的增加呈先增大后減小的變化趨勢，當(dāng)其種植密度過大時，產(chǎn)量增量顯著降低，說明密植能增加湖北貝母的產(chǎn)量，合理密植才能提高單位面積湖北貝母的生產(chǎn)力，增加湖北貝母的經(jīng)濟(jì)效益。

3.3 種植密度對湖北貝母品質(zhì)的影響

中藥材品質(zhì)的優(yōu)劣取決于其有效成分的含量。研究表明，異甾體類生物堿是貝母類藥材的主要活性成分[27-28]，且《中華人民共和國藥典》2020 版規(guī)定，湖北貝母有效成分含量測定以高效液相色譜法檢測的貝母素乙含量為標(biāo)準(zhǔn)[13]。本研究中貝母素乙含量隨密度的增加呈先增大后減小的變化趨勢，這可能是由于中密度下湖北貝母光合作用較強(qiáng)，生長速度較快，促進(jìn)了次生代謝產(chǎn)物貝母素乙的生物合成，含量升高。貝母素乙是一類含氮有機(jī)化合物，高密度下貝母素乙含量降低可能是由于密度增加，湖北貝母對土壤氮素的競爭加劇[17]，個體獲得的氮素不足，從而限制了貝母素乙含量的合成，含量降低?？梢?，合理密植不僅能提高湖北貝母的產(chǎn)量，也改良了湖北貝母的品質(zhì)。