黨參氮磷鉀施肥效應與最優施肥量研究

胡佳棟，武子丁，劉子哲，李雯君，王二歡，梁宗鎖，董娟娥*

（1 西北農林科技大學生命科學學院，陜西楊凌 712100；2 陜西步長制藥有限公司，陜西咸陽 710000；3 浙江理工大學，杭州 310000）

中藥材黨參為桔梗科植物黨參Codonopsis pilosula(Franch.)Nannf.、素花黨參Codonopsis pilosulaNannf. var. modesta(Nannf.)L. T. Shen或川黨參Codonopsis tangshenOliv.的干燥根。性味甘、平歸脾、肺經，具有補中益氣、健脾益肺的功效[1]。現代藥理研究表明，黨參具有調節血糖、降壓、抗缺氧、耐疲勞等作用[2]，并且是一種藥食同源的經濟作物。近年來，黨參的使用量大增，其野生資源已不能滿足市場的需求，黨參主要生長于山地、林緣、灌叢中，在甘肅、山西、陜西、湖北、四川等省及東北地區多有栽培，其中甘肅省的黨參產量為全國之最[3]。黨參植株對肥料的需求量大，合理的施肥模式對黨參的良好生長至關重要[4]。目前，黨參施肥的研究主要集中在氮磷鉀、微量元素的施肥量及比例對其產量及質量的影響[4-7]，沒有參照種植區的土壤肥力提供準確的量化標準，而生產中往往因為土壤氮、磷、鉀的比例失衡而成為產量和品質提高的限制因子。如何能夠參照各種植區的土壤肥力狀況提供有效的氮磷鉀平衡施肥量是實現現有土地資源提質增效和推動農業綠色發展的重點任務[4]。

本研究通過田間試驗，采用氮、磷、鉀3因素2次D-飽和最優設計方案，研究了N、P、K不同配比對黨參產量以及有效成分含量的影響，建立了相關的數學模型，定量研究了氮、磷、鉀各因子的效應，確定了甘肅宕昌縣所代表的土壤肥力狀況下黨參的施肥模式和NPK的最優配比，為實現黨參的規范化栽培提供了重要的理論依據和技術規程，并為其它根類藥材的規范化栽培提供技術參考。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

本試驗于2017年3—11月在甘肅省宕昌縣進行，試驗區海拔2400 m，年均日照1986.5 h，年均降水量450 mm，年均氣溫10℃，年均無霜期180 d，最大凍土深度45 cm，適宜于黨參生長[4]。

0—20 cm耕層土壤的基本性質：pH 7.86，有機質23.6 g/kg、全氮1.60 g/kg、堿解氮100 mg/kg、全磷1.05 g/kg、有效磷32.4 mg/kg、全鉀17.9 g/kg、速效鉀237 mg/kg。前茬作物為馬鈴薯。

1.2 材料

供試材料為一年生黨參Codonopsis pilosula(Franch.)Nannf.。供試肥料：尿素(含N 46%)、過磷酸鈣(含P2O514%)、硫酸鉀(含K2O 51%)，氮肥、磷肥、鉀肥整地時作基肥一次施入。

1.3 試驗設計

采用N、P、K三因素二次D-飽和最優設計方案(310)[8](表1)，設置10個處理，3次重復，30個小區，小區面積為24 m2(6 m × 4 m)，栽植深度3～5 cm。栽植密度為50株/m2，各處理田間除草、病蟲害防治和水分管理等措施保持一致[4]。

1.4 測定項目和方法

2017年10月20日采收黨參[4]，每小區采收4 m2，將植株的根完整挖出后用卷尺測定根長；用游標卡尺測量根粗(主根最粗部位直徑)；然后洗凈根部泥土，在105℃烘箱殺青10 min，在70℃干燥，測干重并折算至公頃產量。將干燥后的藥材粉碎，過0.18 mm(80目)篩，備用。

采用超聲法提取黨參炔苷，高效液相色譜法測定黨參炔苷含量[4,9]；采用超聲法提取黨參多糖，3,5-二硝基水楊酸(DNS)法和蒽酮-濃硫酸法相聯合測定黨參多糖含量[4]。

1.5 統計方法

數據整理及處理使用Excel 2010軟件，方差分析用 SPSS 23.0, 用 Origin8. 0和 Design-Expert 8.0.6作圖。

2 結果與分析

2.1 黨參產量效應函數

氮、磷、鉀肥對黨參生長產量和品質指標的影響見表2。

根據試驗結果，擬合得到黨參根產量Y1與N(x1)、P(x2)、K(x3)的碼值效應函數如下：

對該方程進行F檢驗，F=215.8＞F0.01(9，20)=3.46，決定系數R2=0.9898，存在極顯著的回歸關系，能較好地指導黨參施肥。F(1)= 456.6，F(2)=19.75，F(3)= 67.09，F(1，1)= 492.5，F(2，2)=251.5，F(3，3)= 75.83，F(1，2)= 11.00，F(1，3)=13.60，F(2，3)= 76.58。經比較，所有項＞F0.01(1，20)= 8.10，偏回歸系數均達極顯著水平。氮、磷、鉀對黨參根產量的影響程度可通過比較每個一次項偏回歸系數的絕對值得到[10-12]。由方程(1)可得，氮、磷、鉀偏回歸系數的絕對值分別為174.4、36.28、66.87，說明對黨參產量的影響大小依次為氮 ＞鉀＞磷。

表1 黨參氮, 磷, 鉀配比設計Table1 Ratio design of NPK in Codonopsis pilosula

表2 不同氮, 磷, 鉀配比對黨參產量和有效成分含量的影響Table2 Effects of different ratios of NPK on the yield and bioactive components of Codonopsis pilosula

2.2 黨參炔苷含量效應函數

根據試驗結果，擬合得到黨參炔苷含量Y2與N(x1)、P(x2)、K(x3)的碼值效應函數如下：

對該方程進行F檢驗，F=497.51＞F0.01(9，20)=3.46，決定系數R2=0.9956，存在極顯著的回歸關系。F(1)= 653.9，F(2)= 773.6，F(3)= 89.25，F(1，1)= 242.2，F(2，2)= 247.6，F(3，3)= 861.8，F(1，2)= 15.24，F(1，3)= 65.37，F(2，3)= 9.640。經比較，所有項均＞F0.01(1，20)= 8.10，模型的偏回歸系數都達到極顯著水平。由方程(2)可得，N、P、K的偏回歸系數絕對值分別為0.0725，0.0789，0.0268，說明磷肥對黨參根炔苷含量的影響最大，氮肥與磷肥的差距不大，鉀肥的影響最小。

2.3 黨參多糖含量效應函數

根據試驗結果，擬合得到黨參多糖含量Y3與N(x1)、P(x2)、K(x3)的碼值效應函數如下:

對該方程進行F檢驗，F=164.89＞F0.01(9，20)=3.46，決定系數R2=0.9867，存在極顯著的回歸關系。F(1)= 24.95，F(2)= 288.5，F(3)= 31.62，F(1，1)= 191.8，F(2，2)= 431.6，F(3，3)= 46.12，F(1，2)= 51.84，F(1，3)= 20.51，F(2，3)= 47.19。經比較，所有項＞F0.01(1，20)= 8.10，模型的偏回歸系數都達到極顯著水平。由方程(3)可得，N、P、K偏回歸系數的絕對值分別為0.4441，1.5101，0.5000，表明磷肥對黨參根的多糖含量影響最大，鉀肥的影響其次，氮肥的影響最小。

2.4 黨參產量、炔苷含量和多糖含量效應函數的解析

2.4.1 單因子效應分析 方程(1)、(2)、(3)采用降維法[13]，得到三組單因子效應方程(圖1)。

圖1 養分因子對黨參產量、炔苷和多糖的單因子效應Fig.1 Effects of single nutrient factor(N, P, K)on the yield, lobetyolin and polysaccharide content of Codonopsis pilosula

1)N(x1)、P(x2)、K(x3)與產量的單因子效應方程

氮肥對黨參產量的影響：

磷肥對黨參產量的影響：

鉀肥對黨參產量的影響：

2)N(x1)、P(x2)、K(x3)與炔苷含量的單因子效應方程

氮肥對黨參炔苷含量的影響：

磷肥對黨參炔苷含量的影響：

鉀肥對黨參炔苷含量的影響：

3)N(x1)、P(x2)、K(x3)與多糖含量的單因子效應方程

氮肥對黨參多糖含量的影響：

磷肥對黨參多糖含量的影響：

鉀肥對黨參多糖含量的影響：

圖1-A顯示，三條曲線都是開口朝下的拋物線，說明氮磷鉀與黨參產量的關系符合先上升后下降的 Mitscherlich學說(報酬遞減律)[14]。由于氮肥在施肥量水平較低時最利于黨參產量的提高，為了實現高產，必須加大對氮肥施用的重視。在本試驗約束范圍(-1 ≤x≤ 1)內，黨參產量存在極大值：x1=0. 2496(即施 N 156.2 kg/hm2)時，Y11max=2425 kg/hm2；x2=-0.07265(即施 P 69.55 kg/hm2)時，Y12max=2404 kg/hm2；x3=0.2439(即施 K 62.19 kg/hm2)時，Y13max=2411 kg/hm2。

圖1-B顯示，三條曲線都是開口朝下的拋物線，在施肥量水平較低時，在一定范圍內，黨參炔苷含量與氮、磷、鉀施用量呈現正相關關系。此時，磷肥的促進效果最好，其次是施用氮肥。在本試驗約束范圍(-1 ≤x≤ 1)內，黨參炔苷含量存在極大值：x1=0.4260(即施N 178.2 kg/hm2)時，Y21max=0.8644 mg/g；x2=0.4582(即施 P 109.4 kg/hm2)時，Y22max=0.8671 mg/g；x3=0.08344(即施 K 54.17 kg/hm2)時，Y23max=0.8501 mg/g。當施肥量超過臨界值后，會導致黨參炔苷含量的降低。

圖1-C顯示，三條曲線都是開口朝下的拋物線，在施肥量水平較低時，在一定范圍內，黨參多糖含量與氮、磷、鉀施用量呈現正相關關系。此時，磷肥的促進效果最好，其次是施用鉀肥。在本試驗約束范圍(-1 ≤x≤ 1)內，黨參多糖存在極大值: 當x1=-0.09351(即施 N 113.3 kg/hm2)時，Y31max=23.89%；x2=0.2120(即施 P 90.90 kg/hm2)時，Y32max=24.03%；x3=0.2147(即施K 60.73 kg/hm2)時，Y33max=23.92%。施肥量超過臨界值會導致黨參多糖含量的降低。

2.4.2 兩因素互作效應分析 方程(1)、(2)、(3)采用降維法[13]，并分別作曲面圖(圖2)。

從圖2顯示，磷氮的交互作用，黨參產量、炔苷含量及多糖含量都為開口向下的拋物曲面，氮肥和磷肥較低水平時，交互促進作用明顯。氮肥對產量影響更大，磷肥對多糖和炔苷含量影響更大。在鉀氮的交互作用中，黨參產量與肥料使用量呈現正相關關系，交互促進作用明顯；黨參炔苷含量的效應圖為一張開口朝下的拋物曲面。同一水平的鉀肥使用量下，施氮的多少對黨參產量影響較大，同一水平的氮肥施用量下，鉀施用量的多少對黨參產量無顯著影響。氮元素對黨參產量及炔苷含量的影響更大，鉀元素對黨參多糖含量的影響更大。在磷鉀的交互作用中，黨參產量的效應圖為一張開口朝下的拋物曲面；黨參炔苷及多糖含量與肥料使用量呈現正相關關系，交互促進作用明顯。鉀肥對產量影響更大，磷肥對炔苷和多糖含量影響更大。總的來說，氮磷鉀三者配施，施氮的多少對黨參產量影響較大，氮參與構成植物功能與結構蛋白，施氮能顯著提高植株的光合能力，有利于有機物的形成，為根的生長提供物質基礎[15]。

圖2 交互作用分析Fig.2 Interaction effect analysis

2.5 施肥模式尋求

Hessian Matrix的主子式如下：|A1|=-699，|A2|=347935，|A3|=-89515533。說明方程(1)為非典型的效應函數[10,16]。因此，本文采用頻率分析法對黨參產量-施肥模型進行尋優(表3)。當x1為0.02711～0.3930，x2取-0.3432～-0.07213，x3取-0.09384～0.4083，對應的優化施肥量為N 128.4～174.1 kg/hm2、P2O549.26～80.41 kg/hm2、K2O 45.31～70.42 kg/hm2時，可以實現目標產量在2100～2500 kg /hm2范圍內。

表3 黨參目標產量在2100～2500 kg /hm2的因素頻率分布Table3 Frequency distribution of factors for target yield of Codonopsis pilosula between 2100 and 2500 kg/hm2

Hessian Matrix的主子式如下：|A1|=-0.1703，|A2|=0.0291，|A3|=-0.0092。說明方程(2)為非典型的效應函數，采用頻率法尋優。表4顯示，當炔苷含量高于0.75 mg/g，95%的置信區間的優化施肥組合為x1取 0.02786～0.5730，x2取 0.02786～0.5730，x3取-0.1731～ 0.07442，對應的優化施肥量為 N 128.5～196.6 kg/hm2、P2O577.09～118.0 kg/hm2、K2O 41.34～53.72 kg/hm2。

表4 黨參炔苷含量高于0.75 mg/g的因素頻率分布Table4 Frequency distribution of factors for lobetyolin content over 0.75 mg/g

Hessian Matrix的主子式如下：|A1|=-4.75，|A2|=33.25，|A3|=-72.77。說明方程(3)為非典型的效應函數。同理，多糖含量高于22.50%(表5)，95%的置信區間的優化施肥組合為x1取-0.2317～0.1330，x2取-0.1797～0.1777，x3取-0.1955～0.5166，對應的優化施肥量為N 96.04～141.6 kg/hm2、P2O561.53～88.33 kg/hm2、K2O 40.22～75.83 kg/hm2。

采用交集法既能實現黨參的高產又能保證其品質，得到黨參的氮磷鉀最優施肥組合為N 128.5～141.6 kg/hm2、P2O577.09～80.41 kg/hm2、K2O 45.31～53.72 kg/hm2，N、P2O5、K2O的最優施肥量配比為 1∶0.54～0.63∶0.32～0.42。

表5 黨參多糖含量高于22.50%的因素頻率分布Table5 Frequency distribution of factors for polysaccharide content over 22.50%

3 討論

氮磷鉀合理配施不僅能提高藥用植物產量，而且能改善其品質[16-19]。本研究表明，合理施用氮、磷、鉀肥能促進黨參的生長發育，并提高黨參的產量和質量。黨參的高產施肥應在保證充足氮肥的基礎上，合理配施磷、鉀肥。這與王靜等[11]得出的氮、磷、鉀對桔梗產量的影響結果一致。對黨參炔苷含量的影響為磷＞氮＞鉀，對黨參多糖的影響為磷 ＞鉀＞氮。根據碳-養分平衡假說，施磷肥與其他處理相比，植物生長速度大為減慢，使植物體內的C/N比增大，導致植物積累的碳水化合物超過自身生長的需要，引起非結構碳水化合物過剩且多于其他處理，從而促進了以碳為基礎的多糖和炔苷的合成[20-22]。上述結果與本課題組前期研究的結果基本一致[4]。

施肥模式尋優結果表明，在本試驗條件下，當x1為 0.0271～0.3930，x2取-0.3432～-0.0721，x3取-0.0 9 3 8～0.4083，對應的優化施肥量為 N 128.39～174.13 kg/hm2、P2O549.26～80.41 kg/hm2、K2O 45.31～70.42 kg/hm2，目標產量在2100～2500 kg /hm2范圍內。炔苷含量高于0.75 mg/g，95%的置信區間所對應的優化施肥量為N 128.48～196.63 kg/hm2、P2O577.09～117.98 kg/hm2、K2O 41.34～53.72 kg/hm2；多糖含量高于22.5%，95%的置信區間所對應的優化施肥量為N 96.04～141.63 kg/hm2、P2O561.53～88.33 kg/hm2、K2O 40.22～75.83 kg/hm2。綜合考慮黨參施肥對產量、黨參炔苷含量及黨參多糖含量的影響，黨參的氮磷鉀最優施肥組合為N 128.48～141.63 kg/hm2、P2O577.09～80.41 kg/hm2、K2O 45.31～53.72 kg/hm2，N、P2O5、K2O 的最優施肥量配比為1∶0.54～0.63∶0.32～0.42。該結果與龔成文等[3]得出的黨參氮磷鉀最優配方相一致。

4 結論

本試驗區所代表的土壤肥力狀況下，黨參高產優質高效栽培最優施肥量為N 128.5～141.6 kg/hm2、P2O577.09～80.41 kg/hm2、K2O 45.31～53.72 kg/hm2，N、P2O5、K2O的最優施肥量配比為1∶0.54～0.63∶0.32～0.42。在全國范圍內，由于黨參生長的生態與土壤環境條件不斷變化，在生產中，本模型的參數應根據具體土壤肥力條件進行調整和優化，以實現氮磷鉀的平衡配施。