固氮菌肥對山西道地黃芪品質及產量的影響

梁 華，陳燦燦，陳家煒，王夢茹，柴 智，高海俊，梁建萍

（1.山西農業大學生命科學學院，山西 太谷 030801；2.山西農業大學信息學院食品與環境學院，山西 太谷 030801；3.山西中醫藥大學基礎醫學院，山西 晉中 030619；4.靜樂縣糧食局，山西 靜樂 035100）

氮是植物生長發育不可缺少的營養元素，不僅是細胞內許多重要化合物的組成元素，而且參與植物體內的生理生化過程。植物獲取N 營養的方式主要有生物固N 和化學肥料，而生物固N 因其能促進植物生長[1-3]、保護生態環境[4]、改良土壤[5]、增強植物抗逆性等優勢逐步成為農業可持續發展中獲得氮素的最好途徑，因而，有關固N 菌的分離、篩選以及固N 菌肥的開發與應用引起了廣泛關注。目前，利用固N 菌生產的生物菌肥主要集中于農作物，且多為作物混用型，僅水稻、玉米、小麥有專用固氮菌肥[6]。有關中藥材根際固氮微生物的研究報道極少，專用型固氮菌肥更是少見。

中藥黃芪為山西省道地藥材[7]，主要分布于渾源、應縣、代縣、五寨等地。藥理研究表明，黃芪黃酮、皂苷和多糖是臨床上使用的3 種主要藥效成分，具有清除氧化物、抗心肌缺血、降壓、止痛、提高機體免疫力等功效[8-10]。作為一種常用的滋補中藥，市場用量極大，商品黃芪主要依靠人工種植來滿足需求。目前，黃芪等藥材的種植大多參照農作物的栽培方法，科技含量較低，盲目施用化肥、農藥，忽視了土地的用養結合，導致土壤中營養平衡失調，有機質含量降低，土壤微生態環境的自我調節能力下降，病蟲害發生嚴重，藥材產品質量明顯降低。隨著人們健康和環保意識的不斷提高，對藥材的產品質量與種植技術提出了更高的要求，而生物固N 是實現中藥材藥肥減施增效、生態種植的核心技術之一。黃芪的源植物為豆科膜莢黃芪和蒙古黃芪，具有豆科植物根系與土壤微生物共生固N 的特性，充分挖掘利用這一天然潛力，可為黃芪資源的循環利用開辟新途徑。前人對黃芪固氮微生物的研究主要集中于菌株的分離、鑒定、固氮酶活性[11-12]，且涉及的菌種單一，缺乏對固氮能力和菌肥效應的研究。

本研究采用前期從黃芪根際土壤中分離獲得的3 株高活性優勢固N 菌株，在實驗室培養條件下制成菌肥，施于蒙古黃芪根際土壤，測定黃芪產量及藥效成分含量，以期為研制黃芪微生物專用肥提供菌種資源和技術支撐。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

試驗地設在山西省靜樂縣安子梁鄉黃芪種植基地，地處晉西北黃土高原，位于忻州市南部、太原市西北部，平均海拔在2 000 m 以上，屬溫帶大陸性氣候，年平均氣溫7 ℃，年平均降水量380～500 mm，無霜期120～135 d。試驗地土壤有機質4.57 g/kg，pH 值8.88，全氮0.42 g/kg，全磷0.47 g/kg，全鉀21.81 g/kg，堿解氮 27.63 mg/kg，有效磷 7.21 mg/kg，速效鉀81.24 mg/kg。

1.2 試驗材料

本試驗以靜樂縣3年生蒙古黃芪為材料。供試菌株 G4（采自甘肅）、J1（采自山西）、J2（采自山西）分離自黃芪根際土壤，保存于山西農業大學生命科學學院實驗室。

將3 株固氮菌分別接種于YEM 液體培養基，28 ℃，180 r/min 振蕩培養48 h，將各菌株懸浮液等體積混合后稀釋100 倍；蛭石121 ℃滅菌20 min，按菌液∶蛭石＝1 L∶1 kg 充分混勻后制成固氮菌肥，常溫保存備用。

1.3 試驗設計

試驗于2018年5月24日黃芪開花前進行。采用小區試驗，3 次重復，每小區面積33 m2，菌肥用量為2.0 kg。將黃芪行間開溝深20 cm，菌肥均勻撒于溝內覆土。于黃芪不同生長期（苗期、花蕾期、開花期、結果期、果熟期、落葉期）隨機采樣，測定黃芪生物量及3 種活性成分（黃酮、皂苷和多糖）含量。

1.4 測定指標及方法

1.4.1 黃芪生物量的測定 每小區隨機挖取黃芪單株5 株帶回實驗室，自來水清洗植株表面泥土，吸水紙吸干水分，用直尺測量黃芪株高和根長，將植株分地上、地下2 部分105 ℃殺青，70 ℃烘干至恒質量，稱量地上、地下干質量。

1.4.2 黃芪藥效成分的測定 將黃芪根部干樣粉碎后過0.25 mm 篩，采用閃式提取法提取黃芪主要藥效成分。以蘆丁為對照制標準曲線，采用紫外分光光度法測定總黃酮含量[13]。以黃芪甲苷為對照制標準曲線，采用香草醛-濃硫酸比色法測定總皂苷含量[14]。以無水葡萄糖為對照制標準曲線，采用苯酚-硫酸比色法測定多糖含量[15]。

1.4.3 黃芪根中藥效成分產量的測定 黃芪單株藥效成分產量以落葉后根干質量與藥效成分含量的乘積計算。

2 結果與分析

2.1 固氮菌肥對黃芪生長的影響

由圖1可知，隨著黃芪的生長，對照和菌肥處理株高生長量與地上干質量均呈上升趨勢。其中，苗期至開花期，株高增長最快，干質量快速積累；開花期至落葉期，株高與地上部干質量變化比較平緩，黃芪生長減緩，干質量積累速率降低。整個生育期中，菌肥處理明顯促進了黃芪的生長，株高比對照增加了2.70%～23.24%，落葉期增加幅度最大；地上部干質量比對照增加7.11%～34.49%，花蕾期增加幅度最大；根長與根干質量隨著黃芪的生長也呈上升趨勢，與對照相比，菌肥處理的黃芪根長增加了14.94%～36.25%，根干質量增加2.69%～63.47%，根長與根干質量增加幅度最大時期均為開花期。

2.2 固氮菌肥對黃芪藥效成分含量的影響

隨著黃芪的生長，對照根中黃酮、皂苷和多糖積累逐漸增多，其中，開花期積累量較多，分別為5.76，11.47，7.49 mg/g；結果期處于生長期最低水平；落葉期含量最高，分別為 7.45，16.58，9.68 mg/g（圖2）。菌肥處理后，3 種藥效成分的積累規律與對照一致，但各時期均高于對照，落葉期根中黃酮、皂苷和多糖的含量分別為 8.21，18.27，13.82 mg/g，分別比對照提高了10.24%，10.24%，42.80%。

2.3 固氮菌肥對黃芪產量的影響

在黃芪中藥材種植中，人們最關心的是藥效成分的產量。由圖3可知，自然生長狀態下，黃芪根中藥效成分皂苷的單株產量最高，為192.53 mg/株；多糖含量較高，為112.40 mg/株；黃酮含量最低，為86.51 mg/株。菌肥處理后不僅促進了黃芪根的生長，而且也明顯促進了3 種藥效成分的合成積累，皂苷、多糖、黃酮的單株產量分別為233.96，176.94，105.12 mg/株，分別比對照提高了21.52%，57.42%，21.52%，其中，對多糖的合成促進作用最為明顯；3 種成分的總產量達到了516.02 mg/ 株，比對照（391.44 mg/株）提高了31.83%。

3 結論與討論

中藥材生態種植進程中，質量安全是評價種植模式與技術的核心，相對于糧食等傳統農業生產，中藥材種植更注重品質，其次才是產量。中藥材次生代謝產物的含量決定了中藥材品質的優劣，而產品的安全性取決于產地環境及施用的肥料類型，強調藥肥減施增效，在提高土壤肥力基礎上保護生態環境[17-18]。研究表明，施用固氮菌肥不僅能替代傳統化肥補充土壤養分，而且能顯著提高作物的產量[19-22]，激活合成次生代謝物關鍵酶的活性[23]，促進品質的提高。本試驗結果證實，與對照相比，施用固氮菌肥促進了黃芪的營養生長，在整個生育期內，株高、根長、地上部和地下部干物質量均明顯高于對照；根部3 種藥效成分黃酮、皂苷、多糖的積累速率及積累量也明顯高于對照，使得黃芪的產量和品質都得到提高。本研究還發現，苗期至開花期，株高、根長及其生物量快速增長，之后增長平緩；3 種藥效成分的積累出現2 次峰值，開花期為第1 次，落葉期為第2 次。其原因可能是由于黃芪為多年生草本植物，春季5月份出苗后，根系吸收的營養主要用于器官生長、積累營養，為后續繁殖生長作物質貯備；進入花芽分化期，一部分營養用于花器官、果實的形成，因而器官生長減緩，次生代謝合成減緩。張曉波等[24]研究表明，固氮菌最適生長溫度為20～30 ℃。本試驗中，黃芪花果期為6～7月份，此時試驗地平均氣溫為25～30 ℃，可能固氮菌活性最強，為黃芪生長提供了充足的N 營養，同時協調P，K 及其他營養吸收水平，共同促進了黃芪生長及黃酮、皂苷、多糖的合成。有研究報道，固氮菌肥的施用效果受土壤類型、宿主植物、接種方式等諸多因素的影響[25]。本研究中，固N 菌采自黃芪根際土壤，宿主及土壤氣候條件適合菌株生長，因而能很好發揮其肥效。可見，從種植地篩選優良菌種，回接施于土壤，對當地土壤環境的適應性更強，與宿主的共生互惠作用更好，更能有效促進中藥材的生長及質量的形成。