桔梗氮、磷、钾施肥效应与施肥模式研究

王 静，王渭玲*，徐福利，曹鲜艳，石福高，张晓虎

(1西北农林科技大学生命科学学院，陕西杨凌712100;2西北农林科技大学，中国科学院水利部水土保持研究所，陕西杨凌712100;3商洛学院生物医药工程系，中国中医科学院商洛中药材GAP科研工程中心，陕西商洛726000)

桔梗Platycodon grandiflorum(Jacq．)A．DC 是桔梗科桔梗属植物，别名铃铛花、包袱花、道拉基等，是我国传统大宗中药材之一，具有宣肺、利咽祛痰、排脓等功效［1］。现代药理学研究表明桔梗有免疫调节、抗炎、保肝等作用［2］，并且是一种药、食及观赏兼用的经济植物。由于桔梗越来越多的药用价值与经济价值被发现，使其用量大增，由于野生资源不能满足市场的需求，因此大面积栽培桔梗逐步代替野生桔梗药材而入药［3］。目前对桔梗的研究主要集中在化学成分、药理和临床研究［4］及营养特性［5］等方面。由于桔梗植株对肥料较为敏感，施肥是桔梗栽培技术中的重要环节之一［6］。王玲等［7］报道指出氮肥和磷肥对一年生桔梗的产量和品质影响较大，而钾肥作用较小。张红燕等［8］研究表明，有机肥、氮磷钾配施对桔梗产量有增产作用。但前人的研究仅探讨了若干不同肥料用量对桔梗产量的影响，没有针对各自的土壤肥力给出具体的施肥量化标准，而生产中往往因为土壤氮、磷、钾三种矿质营养失衡而限制了产量和品质的提高。为此，本文通过田间试验，采用氮、磷、钾3因素2次D-饱和最优设计，研究了氮、磷、钾不同施肥用量对桔梗生长以及总皂苷的影响，并借助数学分析的方法建立了桔梗氮、磷、钾优化施肥模式，定量研究了氮、磷、钾各因子的效应，提出了桔梗高产优质高效栽培最优施肥量和最优施用量配比，以期为桔梗生产的精准施肥提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2010年在陕西商洛香菊药源基地进行。基地地势平坦，海拔580 m，属于半湿润温暖气候区，具有四季分明、光照充足、降水充沛的特点。年降水量722.9～899 mm，年平均日照2346.8 h，年平均气温15.8°C，无霜期248 d，是桔梗适宜生长地之一。

供试土壤类型为壤质粘土。土壤养分状况为：0—20 cm土壤有机质21.94 g/kg，全氮 (N)0.68 g/kg，全磷 (P2O5)0.75 g/kg，全钾 (K2O)13.80 g/kg，碱解氮 86.62 mg/kg，速效磷 71.63 mg/kg，速效钾 134.10 mg/kg，有效铜 0.28 mg/kg，有效锌0.32 mg/kg，有效铁 2.41 mg/kg，有效锰 1.53 mg/kg，pH 值 7.47，CEC 值 23.58 cmol/kg，土壤含水量3.55%;20—40 cm土层有机质13.89 g/kg，全氮 (N)0.47 g/kg，全磷 (P2O5)0.63 g/kg，全钾(K2O)14.13 g/kg，碱解氮 60.38 mg/kg，速效磷49.94 mg/kg，速效钾 111.83 mg/kg，有效铜 0.62 mg/kg，有效锌 0.19 mg/kg，有效铁 2.75 mg/kg，有效锰 0.89 mg/kg，pH 值 7.79，CEC 值 23.94 cmol/kg，土壤含水量3.76%。

1.2 材料与试验方法

田间试验采用3因素2次D-饱和最优设计方案(310)［9］，试验设10 个处理，3 次重复，共 30 个小区，小区按照随机区组排列，小区面积4 m×6 m=24 m2。试验设计编码值及施肥量见表1。

试验用肥料为尿素(含 N 46%)、过磷酸钙(P2O5≥12%)、硫酸钾(K2O≥51%)，磷肥、钾肥整地时作基肥一次施入，氮肥1/3作基肥施入，剩余2/3于定苗后作为追肥施入。

供试材料为商山桔梗Platycodon grandiflorum(Jacq．)A．DC。田间试验于2010年4月15日直播，按照行距25 cm，沟深1～2 cm，每一个小区16行条播，出苗前浇一次透水，并用麦草覆盖地表以保持土壤松软湿润，5月1日出苗，桔梗生长期间不定期除草，6月1日定苗，10月25日收获。其它采用常规田间管理措施进行栽培管理。

1.3 测定项目和方法

2010年10月25 日收获，每小区收获4 m2，将植株连根挖出，所取样品分成根、茎叶两部分，用直尺测量植株高度和根长度，游标卡尺测量根粗(主根最粗部位直径)。采挖后，将根部分离，洗净，除去须根，趁鲜剥去外皮［1］，烘干测干重并折算至公顷产量。

采用超声法提取总皂苷，香草醛–硫酸比色法测定总皂苷含量［10］(桔梗皂苷D对照品购于天津一方科技有限公司，含量 ≥98%);采用苯酚–硫酸比色法测定桔梗多糖含量［11］。

1.4 统计方法

试验数据用DPSv7.05软件进行统计分析，用Origin 8.0作图。

2 结果与分析

2.1 桔梗产量氮、磷、钾肥效反应模式的建立与检验

氮、磷、钾肥对桔梗生长、产量和品质指标的影响见表2。各处理下桔梗产量和总皂苷含量重复的数据见表3。依据表3桔梗产量与总皂苷数据，采用二次多项式建立肥效反应模式：

表1 氮、磷、钾3因素2次D-饱和最优设计方案Table 1 D-saturation optimal design with three factors of nitrogen，phosphorus and potassium

表2 氮、磷、钾肥对桔梗生长、产量和品质指标的影响Table 2 The effects of N，P and K fertilization on growth，yield and quality of Platycodon grandiflorum

式中：x1代表N的用量编码值或实际施用量，x2代表P2O5的用量编码值或施用量，x3代表K2O的用量编码值或施用量，bi(i=0，1，2……9)为回归系数，Y代表桔梗的产量或者桔梗总皂苷含量。

根据本试验结果，拟合得在陕西商洛香菊药源基地桔梗的根产量Y1与N(x1)、P(x2)、K(x3)的码值效应函数如下：

根产量的施肥量效应函数如下：

表3 各处理桔梗产量和总皂苷含量Table 3 The detailed yield and total saponin data of Platycodon grandiflorum in each treatment

由于实际施肥量与编码值之间存在简单的线性代换关系，因此以上两效应函数经线性回归拟合及方差分析后各参数一致，即：F=124.68＞F0.01(9，20)=3.46，线性决定系数R2=0.9825，达到极显著水平，拟合较好，能指导生产。由于设计所得数学模式是经无量纲线性代换后所得，各一次项偏回归系数绝对值的大小可直接反映氮、磷、钾肥对桔梗产量的影响程度［12］。由回归模型(1)和(2)知，|b1|＞|b3|＞|b2|，说明氮肥对产量影响最大，其次为钾肥、磷肥。对回归模型(1)求解效应函数赫森矩阵各阶顺序主子行列式|A1|=– 1166.376，|A2|=1324185.577，|A3|=–743591856.578。计算出的施肥量有负外推值，属非典型效应函数，宜用频率分析法寻优［13］。

2.2 桔梗总皂苷氮、磷、钾肥效反应模式的建立与检验

根据表3试验数据，求得在陕西商洛香菊药源基地桔梗的总皂苷含量Y3与N(x1)、P(x2)、K(x3)的码值效应函数如下：

总皂苷的施肥量效应函数如下：

经方差分析，以上两函数F=87.23＞F0.01(9，20)=3.46，决定系数R2=0.9752，达到极显著水平。由回归模型(3)和 (4)知，|b1|＞|b2|＞|b3|，说明氮肥对产量影响最大，其次为磷肥、钾肥。对回归模型(3)求解效应函数赫森矩阵各阶顺序主子行列式|A1|=0.306，|A2|=– 0.118，|A3|=0.095，矩阵为非负定矩阵，对应函数为非典型效应函数［14］。

2.3 桔梗产量和总皂苷效应函数的解析

对方程(1)和(3)采用降维法［15］，将模型中三个自变量中的任意两个固定在零水平，得到两组单因子效应方程，即氮、磷、钾肥与桔梗产量及总皂苷关系的单因子效应方程，将各单因子效应方程绘成图1。

图1 单因素效应曲线图Fig．1 Curves of single factor response to yield and total saponin

由图1(a)看出氮、磷、钾对桔梗产量的影响均呈开口向下的抛物线，桔梗产量随着氮、磷、钾施用量的增加而增加，但超过一定施肥水平后产量开始下降，符合米采利希(E．Mitscherlich)提出的肥料效应报酬递减定律［16］，在施肥量较小的情况下施用氮肥对产量的促进作用最为明显，其次是施用钾肥，要提高桔梗产量，首先必须重视氮肥的施用。在本试验约束范围(－1≤x≤1)内，桔梗产量存在极大值，通过对以上单因素效应函数求一阶导数的零值可得出最高产量对应的N(x1)、P(x2)、K(x3)的施肥水平：x1=0.486(即施N 111.52 kg/hm2)时，Y11max=5018.15 kg/hm2;x2=－0.0284(即施 P2O5109.30 kg/hm2)时，Y12max=4880.33 kg/hm2;x3=0.4229(即施 K2O 160.08 kg/hm2)时，Y13max=4930.41 kg/hm2。

从图1(b)中看出：磷、钾对桔梗总皂苷的影响均呈开口向下的抛物线，在施用量较低的情况下，总皂苷含量随着磷、钾用量的增加而增加，当磷、钾的施用过量时，造成总皂苷含量降低。在本试验约束范围(－1≤x≤1)内存在极大值：x2=0.2760(即施P2O5143.55 kg/hm2)，Y32max=5.691;x3=0.0757(即施 K2O 121.02 kg/hm2)，Y33max=5.678;超过此水平后，随着施肥量的增加，总皂苷含量下降，说明桔梗总皂苷的累积需要一个适宜磷、钾营养环境，施肥过多或过少都会影响总皂苷的积累。氮肥对桔梗总皂苷的影响是开口向上的抛物线，在本试验约束范围(－1≤x≤1)内呈现出单调增加趋势，这是因为本试验方案中氮肥最大用量相对较小，再者依据C/N平衡假说［17］，增加施氮量可以促进植物体内碳水化合物含量，进而为萜类化合物皂苷的合成提供充足的底物。

2.4 施肥模式寻求

采用频率分析的方法对试验所得的数学模型(1)和(3)寻优，将编码值在试验范围内划分出( －1、－0.2912、0.1925、1)四个水平，构成 43=64个处理组合［18］，选定目标产量4200～4800 kg/hm2(K=22)，皂苷含量高于5.5%(K=24)进行频率分析。

从表4可以看出，当目标产量在4200～4800 kg/hm2范围内，95%的置信区间的优化施肥组合为x1取 0.1163～0.5921，x2取 －0.4302～0.1946，x3取－0.2978～0.3084，对应的优化施肥量为N 83.72～ 119.41 kg/hm2、P2O564.10 ～134.39 kg/hm2、K2O 78.80 ～147.20 kg/hm2。

同理，桔梗皂苷总含量高于5.5%，95%置信区间的优化施肥组合为量为x1取0.5116～0.8683，x2取 －0.2359～0.3639，x3取 －0.3168～0.2123，对应施肥量为N 113.37～140.12 kg/hm2、P2O585.96～153.44 kg/hm2、K2O 76.86 ～ 136.38 kg/hm2;为了实现桔梗高产优质，将以上两个优化的施肥量取交集，得到桔梗高产优质高效栽培最优施肥量为N 113.37～119.41 kg/hm2、P2O585.96 ～134.39 kg/hm2、K2O 78.80 ～ 136.38 kg/hm2，N、P2O5、K2O的最优施用量配比为1∶0.72～1.18∶0.66～1.20。

表4 桔梗目标产量在4200～4800 kg/hm2的N、P、K编码值频率分布Table 4 Frequency distribution of N，P and K for yield between 4200 and 4800 kg/hm2

3 讨论与小结

施肥是提高栽培药用植物产量和改善品质的重要措施，合理施肥既能够促进药用植物生长发育，提高药材产量，又能改善药材品质［19］。本试验结果表明，施用氮、磷、钾能明显促进桔梗生长，提高产量和总皂苷含量等有效成分的累积。施用氮、磷、钾肥对桔梗产量的影响大小依次为氮 ＞钾 ＞磷，对总皂苷含量的影响为氮 ＞磷 ＞钾。氮、磷、钾的边际产量效应均随施肥量增加而不断减小，当氮、磷、钾肥用量分别为 111.52、109.30和 160.08 kg/hm2时，边际产量效应值降至0，磷和钾肥对总皂苷的边际效应呈现出类似规律，当磷、钾用量分别为143.55和121.02 kg/hm2时，边际效应值为0，表明桔梗在栽培中需要寻求产量和品质均较好的平衡施肥组合。由于本试验土壤肥力较低，尤其是速效氮含量偏低，因此氮肥成为本试验中影响产量和品质的最主要因素;为了达到桔梗高产优质，磷和钾的协同配施对桔梗产量和品质的形成也至关重要，因为磷、钾具有调节氮代谢，促进碳水化合物同化、运输和积累的作用［20］，同时有助于提高桔梗抗寒、抗倒伏能力，改善桔梗的品质。因此桔梗的施肥首先要保证充足的氮肥，才能在磷肥与钾肥合理配施的情况下得到高产又优质。通过施肥模式模拟寻优，本试验条件下，目标产量在4200～4800 kg/hm2范围内，95%置信区间所对应的优化施肥量为N 83.72～ 119.41 kg/hm2、P2O564.10 ～134.39 kg/hm2、K2O 78.80～147.20 kg/hm2;总皂苷含量高于5.5%，95%置信区间所对应的优化施肥量为N 113.37～140.12 kg/hm2、P2O585.96 ～ 153.44 kg/hm2、K2O 76.86～136.38 kg/hm2。综合桔梗施肥对产量与品质的影响，桔梗高产优质高效栽培最优施肥量为N 113.37 ～119.41 kg/hm2、P2O585.96 ～134.39 kg/hm2、K2O 78.80 ～136.38 kg/hm2，对应最优的 N、P2O5、K2O施用量比例为 1∶0.72 ～1.18∶0.66～1.20。这一结果与桔梗对氮、磷、钾的吸收特性基本一致［6］。

由于桔梗生长的生态与土壤环境条件变化，都会不同程度地影响桔梗的生长发育，再者，本试验得出的最佳施肥量是在本试验栽培管理条件下得到的，因此模型的参数是否会因种植品种、气候、土壤肥力水平之间的差异而发生变化，有待于进一步研究，同时还需对施肥模型进行验证试验。

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