氮磷钾配方施肥对滇龙胆光合特性及主要性状的影响

刘 昊,黄 彬,徐蔧声,李纪潮,张金渝,左应梅,简邦丽,何凤春

(1.云南中医药大学中药学院,昆明 650500;2.云南省农业科学院药用植物研究所,昆明 650200;3.云县科技成果转化中心,云南 云县 675800;4.云县农业技术推广站,云南 云县 675800;5.云县信合农业发展有限公司,云南 云县 675800)

【研究意义】滇龙胆(GentianarigescensFranch.ex Hemsl.)为龙胆科龙胆属多年生草本植物,别称坚龙胆、苦草,其自然分布范围北至滇西北德钦—川西南凉山木里、越西—川南宜宾一线,南至云南西双版纳,西至滇西腾冲、龙陵,东至湖南邵阳及广西桂林[1]。其药用部位为根和根茎,是传统保肝中药龙胆的基原植物,具有清热燥湿、泻肝胆火的功效,其有效成分——龙胆苦苷对肝脏缺血、肝损伤型肝炎等肝脏疾病具有显著疗效[2]。多年的过度采挖加上野外生境的破坏使滇龙胆野生资源锐减,部分道地产区现在已难觅其踪迹。人工种植滇龙胆是目前解决原料供求矛盾和发展地方生物医药产业重要而有效的途径[3]。滇龙胆自2001年由野生变家种,人工规模化种植开始于2006年,仅有不到20年的时间,还处于不断驯化种植的过程。一直以来,滇龙胆种植过程中基本不施用肥料,近年来,随着滇龙胆种植年限的不断增加(大部分种植地块已连续种植4茬以上),滇龙胆的连作障碍问题不断凸显,滇龙胆的产量严重下降,因此,近几年生产中开始重视肥料的施用,但种植户仅凭经验进行,肥料不合理施用现象普遍存在,而针对滇龙胆合理施肥的研究尚处于起步阶段,科学合理施肥技术严重匮乏,这在很大程度上制约了滇龙胆产业的发展。因此,探究氮、磷、钾配方施肥对滇龙胆生长的影响,对指导滇龙胆合理施肥、促进产业发展、提高农户收入具有重要意义。【前人研究进展】施肥技术是药用植物栽培技术体系的核心,合理的肥料配方有利于促进药用植物有效成分的积累、提升药材质量。孙金等[4]研究发现,不同的氮、磷、钾配方施肥对北苍术植株光合作用、生长指标及有效成分含量均有显著影响;金冬雪等[5]通过“3414”施肥试验探讨不同氮、磷、钾肥用量对桔梗产量和外观品质的影响,结果显示桔梗的多组性状与不施肥相比存在较大差异,各施肥处理的综合表现均优于不施肥处理,通过隶属函数法综合评价结果显示处理N2P2K3(N 8.8 g/m2、P2O517.4 g/m2、K2O 45 g/m2)和N2P2K2(N 8.8 g/m2、P2O517.4 g/m2、K2O 30 g/m2)的综合表现最好;朱艳霞等[6]采用“3414”试验设计对鸡骨草进行研究,结果显示不同施肥处理下鸡骨草产量及化学成分含量存在一定差异,处理N2P2K2(N 18 g/m2、P2O575 g/m2、K2O 7.5 g/m2)产量最高,处理N2P2K1(N 18 g/m2、P2O575 g/m2、K2O 3.75 g/m2)总多糖含量最高,处理N3P2K2(N 27 g/m2、P2O575 g/m2、K2O 7.5 g/m2)总皂苷含量最高,处理N1P2K2(N 9 g/m2、P2O575 g/m2、K2O 7.5 g/m2)总黄酮含量和总生物碱含量最高;袁晓倩等[7]采用“3414”盆栽试验设计研究氮、磷、钾配方施肥对旋覆花生长及化学成分含量的影响,结果表明不同的氮、磷、钾配方施肥对旋覆花植株形态、生理生化指标、干物质积累量及化学成分含量均有显著影响,随着施肥量的增加,旋覆花的各项生长指标及化学成分含量随施肥量的增加均呈上升趋势,隶属函数分析显示旋覆花最佳氮、磷、钾配方施肥水平为N3P2K2(尿素19.5 g/盆、过磷酸钙15 g/盆、氯化钾10 g/盆)。【本研究切入点】目前,关于滇龙胆栽培技术的研究主要集中在滇龙胆的栽培模式及育苗方式上[8-11],关于施肥的研究较少,有关配方施肥对滇龙胆农艺性状和药效成分含量的影响研究鲜见报道。【拟解决的关键问题】利用盆栽试验,采用“3414”试验方案,以1年生的滇龙胆种苗为研究对象,探讨不同氮、磷、钾配方施肥对滇龙胆光合作用、主要性状及龙胆苦苷含量的影响,以期了解滇龙胆的需肥规律,为完善滇龙胆施肥技术、实现高效生产提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2020年4—11月在临沧市永德县崇岗乡荷泥塘村(99°25′46″ E,23°54′13″ N)试验大棚内进行,该地海拔1820 m,为亚热带季风气候,年平均气温17.4 ℃,最高气温32.1 ℃,最低气温2.1 ℃,年平均降水量1283 mm,是滇龙胆主要种植区。试验棚顶覆盖单层遮阴网(透光率为60%～75%),棚内通风和灌溉条件良好。

1.2 试验材料

于2020年4月选择永德县康伟药业公司提供的长势基本一致、生长满一年的滇龙胆健康种苗,移至育苗盆(高28 cm,直径30 cm)中,每盆种植3 株,试验用土为经晒干、过筛处理的黑色砂壤土,每盆装土11.25 kg,定植后进行日常养护管理。栽培基质基本理化性质:pH 5.68,有机质为37.1 g/kg,速效氮为198.32 mg/kg,速效磷为7.6 mg/kg,速效钾为87.46 mg/kg。供试肥料尿素(N:46%)、过磷酸钙(P2O5:16%)和硫酸钾(K2O:52%)均在当地市场购买。

1.3 试验方法

1.3.1 试验设计 试验采用“3414”盆栽施肥试验方案,参考宋希梅等[12]的方法,设氮(N)、磷(P)、钾(K)3个因素,4个施肥水平,共14个处理(T1～T14),每个处理栽种3盆,共42盆。当地种植户平均施肥量为氮、磷、钾各30 kg/hm2(纯养分),由此折算2水平施肥量为氮、磷、钾各3 g/m2。设氮、磷、钾3个因素,4个施肥水平(0,1,2,3),0水平为不施肥,1水平为2水平施肥量的1/2,表示减量施肥;2水平为当地常用施肥量,3水平为2水平施肥量的3/2,表示过量施肥。根据氮、磷、钾3种元素在尿素、过磷酸钙、硫酸钾中的比例来称取所需要的肥料,试验因素、施肥方案及肥料施用量见表1。肥料按比例混合后分2次施入,于2020年5月7日施用1/3,7月7日施用2/3。施肥后正常管理。

表1 各处理施用的纯养分总量

鉴于滇龙胆的采收一般选择在盛花期即11月中旬进行,结合试验情况,植株样本于2020年11月20日采集并测量,光合数据于11月17日上午测量。

1.3.2 测定指标及方法 光合参数的测定包括净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、胞间CO2浓度(Ci)和蒸腾速率(Tr),采用便携式Li-6400光合测定仪于11月17日上午9:00—11:00时测定,测量前开机预热30 min,选取每株滇龙胆植株自上向下第3对健康、无病害的叶片,每叶片测定3次。

农艺性状参考沈涛等[13]的研究选择测量指标,于2020年11月20日将植株整株挖出,轻拍植株,待根际土壤完全撒落后带回实验室,用卷尺测量株高、根长,游标卡尺测量茎粗、叶长、叶宽、根粗,叶片数、分支数采用直接计数法,每处理取9株进行测量。之后将植株洗净后用吸水纸擦干,置于烘箱中60 ℃烘至恒重后用电子天平称量各部分干重。

龙胆苦苷含量参照杨雁等[9]的研究方法,采用高效液相色谱法进行测定。

经济系数计算方法:

经济系数=经济产量/生物学产量=根干重/全株总重[5]。

隶属函数公式:

F1(Xi)=(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)[14]

式中,Xi表示第i个指标值,Xmin表示第i个指标的最小值,Xmax表示第i个指标的最大值。

1.4 数据分析

使用Microsoft Excel 2016进行数据整理与图表绘制,SPSS 26和DPS 2.0对试验数据进行差异显著性分析、极差分析及隶属函数法分析[15]。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理对滇龙胆光合特性的影响

由表2可知,不同施肥处理的滇龙胆叶片的光合特性存在显著性差异。Pn在各施肥处理均较T1(CK)处理有所提高,除T2、T9、T12、T13处理外,其余各处理Pn均显著高于T1(CK)处理(P<0.05,下同),其中T3处理最大,为10.88 μmol/(m2·s),是T1(CK)处理的1.87倍;T10处理次之,为T1(CK)处理的1.80倍,显著高于其它各组处理。Gs在各施肥处理均高于T1(CK)处理,T2、T3、T9、T11、T12、T13、T14处理显著高于T1(CK)处理,其中T9处理Gs最大,为0.49 mol/(m2·s),约为T1(CK)的3.27倍。Ci除T10处理略低于T1(CK)处理外,其余各处理均高于T1(CK)处理,T2、T9、T11、T12、T13、T14处理显著高于T1(CK)处理,T9处理Ci最大,为356.95 μmol/mol,约为T1(CK)处理的1.17倍。Tr在各施肥处理除T6处理略低于T1(CK)处理外,其余各处理均高于T1(CK)处理,T3、T8、T9、T11、T13处理显著高于T1(CK)处理,其中T11处理最大,为2.74 mol/(m2·s),T3、T13处理次之,均为2.62 mol/(m2·s),此3个处理分别为T1(CK)处理的1.81、1.74、1.74倍。

表2 不同施肥处理下滇龙胆的光合特性比较

极差分析(表3)显示,氮、磷、钾3因素对Pn、Gs的影响排序为K>N>P,对Ci的影响排序为K>P>N,对Tr的影响排序为N>P>K。氮肥不同水平处理中,Gs、Ci、Tr在3水平下达到最大,Gs、Tr在3水平显著高于0水平,各施肥水平间Ci值无显著差异(P>0.05,下同);磷肥不同水平处理中,Pn在3水平达到最大且显著高于0水平,Gs在2、3水平下相同且显著高于0水平,Ci在1水平、Tr在2水平达到最大且各水平处理间均无显著差异;钾肥不同水平处理中,1水平下Gs、Ci、Tr达到最大,Gs、Ci在1水平显著高于0水平,Pn在3水平达到最大值且显著高于0水平,Tr各水平处理均无显著差异。

表3 不同施肥水平下滇龙胆光合指标的极差分析

2.2 不同施肥处理对滇龙胆主要性状的影响

由表4可知,T3、T6、T11、T13、T14处理的株高均显著大于T1(CK)处理,T13最大,为71.44 cm,是T1(CK)处理的1.31倍,其它处理与T1(CK)处理间无显著差异;各处理植株茎粗均大于T1(CK)处理,其中T13、T3处理与T1(CK)处理差异显著,均达T1(CK)处理的1.30倍,其它各处理与T1(CK)处理间无显著差异;T14处理叶片数最多,与T1(CK)处理差异显著,达T1(CK)处理的1.31倍,其它处理与T1(CK)处理无显著差异;各处理叶长均大于T1(CK)处理,T5处理最长且显著大于T1(CK)处理,为T1(CK)处理的1.27倍,其它各处理与T1(CK)处理间均无显著差异;叶宽平均值在T5处理最大,T5、T6、T13处理与T1(CK)处理间差异显著,分别达到T1(CK)的1.38、1.30、1.29倍,其它处理与T1(CK)处理间均无显著差异;各处理植株分支数均高于T1(CK)处理,T10、T11、T14处理与T1(CK)处理差异显著,T11处理分支数最多,为T1(CK)处理的3.25倍,其它各组处理与T1(CK)处理间无显著差异;各处理茎重均大于T1(CK)处理,T11处理最重,达T1(CK)的3.39倍,除T2、T5、T8、T9处理外,其它各处理与T1(CK)处理均呈显著差异;各处理叶重均大于T1(CK)处理,T4处理最大,为T1(CK)处理的3.19倍,除T2、T7、T8、T9、T13处理,其余各组均与T1(CK)处理差异显著。

表4 不同施肥处理下滇龙胆地上部性状比较

表5为不同施肥处理下滇龙胆地下部分主要性状及经济系数的方差分析结果。各处理的根长均大于T1(CK)处理,T3、T10、T11处理显著大于T1(CK)处理,T3处理最大,为27.44 cm,是T1(CK)处理的2.07倍,其它处理与T1(CK)处理无显著差异;各处理的根粗均大于T1(CK)处理,T3、T6处理最大,且显著大于T1(CK)处理,是T1(CK)处理的1.54倍,其它各处理与T1(CK)处理间无显著差异;各处理根干重均大于T1(CK)处理,其中T3、T10、T11处理显著大于T1(CK)处理,以T3处理最大,为T1(CK)处理的3.09倍,其它处理与T1(CK)处理无显著差异;龙胆苦苷含量T3、T4、T5、T8、T9、T11、T13处理显著高于T1(CK)处理,其中T9处理含量最高,是T1(CK)处理的1.26倍,其余各处理与T1(CK)处理间无显著差异;经济系数T3处理最高,是T1(CK)处理的1.09倍,T6、T14处理最低,各处理与T1(CK)处理间无显著差异。

极差分析结果(表6)显示,氮、磷、钾3个因素对滇龙胆的株高、茎粗、茎重、叶重、根长、根干重的影响排序为氮>钾>磷,对叶长、叶宽、根粗的影响排序为磷>氮>钾,对分枝数、龙胆苦苷量的影响排序为钾>氮>磷,对叶片数的影响排序为钾>磷>氮。滇龙胆各项生理指标中,龙胆苦苷含量在施用1、3水平的磷、钾肥处理后相对0水平有所降低,表明磷、钾肥对植株中龙胆苦苷的积累可能存在一定的抑制作用;其余指标在施用不同水平的氮、磷、钾肥处理后均有不同程度的提高,其中在3水平氮肥处理下株高、茎粗、分枝数、茎重、叶重、根干重、龙胆苦苷含量显著高于0水平,且在不同水平磷、钾肥处理下除龙胆苦苷积累量外,上述其它指标无显著差异,叶重在2水平氮肥处理下与0水平相比差异显著,而叶片数、叶长、叶宽、根长、根粗则在不同水平氮、磷、钾肥处理下均无显著差异。

表6 不同施肥水平下滇龙胆植株性状及龙胆苦苷含量的极差分析

2.3 不同施肥处理下滇龙胆各指标性状的相关性分析

通过对滇龙胆的生长指标、光合参数与根干重和龙胆苦苷含量进行相关性分析,了解其不同指标间的关联情况,可在仅测定部分生长性状的情况下初步判断其生长情况,从而对施肥方案进行及时调整[4]。由表7可知,滇龙胆根干重与茎粗、分枝数、Pn、Tr呈显著正相关,与茎重、叶重、根长呈极显著正相关,与Gs、Ci及其它性状之间无显著相关性;龙胆苦苷含量与Tr呈极显著正相关,与其它性状及光合参数无显著相关性。结合灰色关联度分析结果(表8)可知,滇龙胆的主要性状指标与其龙胆苦苷含量之间的影响从高到低依次为:叶片数>茎粗>根长>株高>叶长 >叶重>根干重>叶宽>分枝数>根粗>茎重。各性状中,与龙胆苦苷含量关联度最大的是叶片数,关联度为0.6997,茎粗、株高次之,根粗、茎重关联度最小。即滇龙胆的茎粗越粗、株高越高,则龙胆苦苷含量越高。

表7 滇龙胆生长指标、光合参数与根干重和龙胆苦苷含量的相关性

表8 龙胆苦苷含量与滇龙胆主要农艺性状的灰色关联度分析

2.4 不同施肥处理下滇龙胆主要性状的隶属函数值分析

采用隶属函数法对数据进行分析,将对滇龙胆的产量和外品质影响较大的株高、茎粗、根长、根粗、根干重、龙胆苦苷含量、经济系数等性状的平均数值换算成隶属函数值,然后计算各性状的平均隶属函数值作为综合评定标准。由表9可知,平均隶属函数值由高到低的顺序为:N1P2K2>N3P2K2>N1P2K1>N2P2K1>N2P1K1>N2P1K2>N2P2K3>N2P3K2>N2P2K2>N2P0K2>N1P1K2>N2P2K0>N0P2K2>N0P0K0。

3 讨 论

施肥是维持土壤持续生产力、改善土壤营养状态、提高土壤肥力和维持稳定增产的有效措施,前人研究表明,适宜的氮、磷、钾配方施肥可有效促进植物生长,不同氮、磷、钾配方施肥处理对植物生长和光合特性的影响存在差异[16-17]。本试验中,不同施肥处理均对滇龙胆的生长和光合作用起到一定的促进作用,除T10处理的Ci值、T6处理的Tr值以及T5处理的株高值略低于T1(CK)处理外,其余各处理的生长和光合特性指标较T1(CK)处理均有提高,而T5、T10、T14处理的龙胆苦苷含量则低于T1(CK)处理;极差分析结果在一定程度显示了氮、磷、钾3种元素对各性状及光合作用指标的影响强弱,但不同性状及光合作用指标对氮、磷、钾单一营养的响应状况存在一定差异性。考虑氮、磷、钾3种元素对滇龙胆产量的影响具有一定的交互效应,当某一种肥料单独施用时肥料用量过高或过低会对滇龙胆的生长和龙胆苦苷的积累产生抑制,而在搭配使用时,交互效应则会对生长发育产生促进作用,因此可在后期试验中针对不同性状进行单因素多水平的试验研究。

光合作用是植物体生长发育的重要途径之一,植物体通过光合作用获得能量与营养物质,其强弱直接影响植物的生长发育状况。不同的氮、磷、钾配方施肥会对植株光合作用产生显著影响,这已在多种药用植物的栽培中得到验证[18]。本试验中,经不同肥料处理后,各处理间Pn、Gs、Tr、Ci的变化差异显著,与前人研究结果相似;相关性分析结果显示Pn、Tr与滇龙胆药材产量呈显著正相关(P<0.05),Tr与龙胆苦苷含量呈极显著正相关(P<0.01),而Gs、Ci与滇龙胆产量、有效成分含量及其它性状间无显著相关性。

前人研究表明,滇龙胆植株根部产量、有效成分含量与各农艺性状间存在一定相关性[13]。本试验中,滇龙胆的主要性状指标与其龙胆苦苷含量之间的相关性从高到低依次为:叶片数>茎粗>根长>株高>叶长 >叶重>根干重>叶宽>分枝数>根粗>茎重。本试验结果与杨天梅等[19]的研究结果存在差异,考虑到本试验中滇龙胆为盆栽模式,其差异可能是因栽培模式的不同而产生。隶属函数分析结果显示,在T3处理条件下,滇龙胆的综合表现最好,根长、根粗、单根重量、龙胆苦苷含量、经济系数达到最大值,分别达到 T1(CK)处理的2.07、1.54、3.09、1.18、1.09倍。

此外,由于本试验采取盆栽方式,考虑到容器大小、种植密度、光照条件、采收年限等因素与实际生产中大田种植方式之间的差异会对滇龙胆的植株性状以及单位面积产量等产生影响,因此后期可在本试验基础上进一步开展田间试验加以验证。此外,滇龙胆的繁育系统类型为兼性异交型[20],群体内植株存在丰富的变异,种内个体差异较大,在本试验中同一肥料配方下植株数据具有较大的标准误差,因此在后期开展试验时可考虑按不同表型分类取样。

4 结 论

氮、磷、钾3因素对滇龙胆生长指标和光合作用参数的影响存在一定差异,合理施肥能优化滇龙胆光合作用参数,并显著提高滇龙胆产量和品质。各施肥处理均有助于提高滇龙胆的光合参数、农艺性状、产量以及有效成分含量。结合隶属函数分析结果综合评价,以T3处理(N1P2K2,即施用N 1.5 g/m2、P2O53 g/m2、K2O 3 g/m2)的综合表现最好。因此,考虑到肥料效率及种植成本,可在当地原施肥配方的基础上减半施用氮肥。