不同改良劑對連作大黃產量及其土壤肥力的影響

段媛媛 吳佳奇 周武先 唐濤 王帆帆 郭曉亮 游景茂 郭杰

摘要：【目的】探究不同改良劑對連作大黃產量及其土壤肥力的影響，為消減大黃的連作障礙及促進大黃產業的健康可持續發展提供理論依據。【方法】選擇有機肥、鈣鎂磷肥和生石灰作為土壤改良劑，以不施用改良劑為對照，對不同處理連作大黃產量及其根際土壤pH、養分含量和生態化學計量特征進行分析，并利用主成分分析法對不同處理連作大黃的土壤肥力進行評價。【結果】施用3種改良劑均可提高連作大黃的產量，其中有機肥和鈣鎂磷肥處理較對照分別提高75.37%和42.62%，差異達顯著水平（P<0.05，下同）。有機肥和生石灰處理顯著提高連作大黃的土壤pH，較對照分別提高9.13%和7.34%。有機肥和鈣鎂磷肥處理顯著提高土壤養分含量，其中，土壤有機質、全氮、堿解氮、全磷和速效磷含量分別較對照提高7.45%、8.40%、15.93%、8.27%、31.05%和11.22%、7.56%、15.01%、14.22%、38.46%。與對照相比，生石灰處理的土壤全磷和速效磷含量分別顯著提高8.10%和8.83%。3種改良劑處理后連作大黃土壤的C∶N、C∶P、N∶P、C∶K、N∶K和P∶K的變化范圍分別為7.77～8.11、14.35～15.62、1.88～2.00、1.26～1.42、0.16～0.18和0.08～0.09。主成分分析表明，不同改良劑處理下，連作大黃土壤肥力綜合指數排序依次為鈣鎂磷肥（1.36）>有機肥（1.19）>生石灰（-0.99）>對照（-1.56）。【結論】3種改良劑對連作大黃增產均有一定的促進作用，也能有效改善連作大黃的根際土壤理化性質，對連作大黃土壤的改良效果依次為鈣鎂磷肥>有機肥>生石灰。

關鍵詞： 改良劑;大黃;產量;土壤肥力

中圖分類號： S156.2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼： A 文章編號：2095-1191（2021）03-0753-09

Effects of different amendments on the yield of Rheum officinale Baill. and rhizospheric soil fertility under continuous

cropping system

DUAN Yuan-yuan， WU Jia-qi， ZHOU Wu-xian， TANG Tao， WANG Fan-fan，

GUO Xiao-liang， YOU Jing-mao， GUO Jie*

（Institute of Chinese Herbal Medicines， Hubei Academy of Agricultural Sciences， Enshi， Hubei? 445000， China）

Abstract：【Objective】The aim of this study was to learn the effects of different amendments on the yield of Rheum officinale Baill. and rhizospheric soil fertility. The results would provide a scientific basis for promoting the healthy deve-lopment of the R.officinale industry. 【Method】Organic matter（OM），calcium magnesium phosphate fertilizer（CMP）and quicklime（QL） were as amendments， and control（CK） applied no amendments. R.officinale yield and rhizospheric soil pH， nutrient content and ecological stoichiometric characteristics of different treatments were analyzed， the principal component analysis（PCA）was used to evaluate the rhizospheric soil fertility of R. officinale under continuous cropping. 【Result】Application of all three amendments could increase the yield of continuous cropping R. officinale. The OM and CMP treatments significantly increased the yield of R. officinale by 75.37% and 42.62%，respectively，compared with the CK（P<0.05， the same below）. The OM and QL treatments significantly increased the soil pH by 9.13% and 7.34% compared with the CK. Moreover，OM and CMP treatments significantly increased the rhizospheric soil nutrient contents， among them， organic matter，total nitrogen，alkali-hydrolyzed nitrogen，total phosphorus and available phosphorus contents increased by 7.45%，8.40%，15.93%，8.27%，31.05% and 11.22%，7.56%，15.01%，14.22%，38.46%，respectively，compared with the CK. The total phosphorus and available phosphorus contents under QL treatment were increased by? 8.10% and 8.83%，respectively，compared with the CK. The C∶N，C∶P，N∶P，C∶K，N∶K and P∶K ratios of R. officinale rhizosphere soil were 7.77-8.11，14.35-15.62，1.88-2.00，1.26-1.42，0.16-0.18 and 0.08-0.09 under different amendment treatments. The PCA results showed that the ordination of integrated soil fertility index under different amendment treatments followed the order of CMP （1.36）>OM （1.19）>QL （-0.99）>CK（-1.56）. 【Conclusion】Three amendments have certain yield promotion effect on the continuous cropping of R. officinale， and can effectively improve its physicochemical properties of the rhizosphere soil. And the promotion effects of the three amendments follow the order of CMP>OM>QL.

Key words： amendment; Rheum officinale Baill.; yield; soil fertility

Foundation item： National Modern Agricultural Industrial Technology System Construction Program（CARS-21）; Science Fund for Young Scholars of Hubei Academy of Agricultural Science（2019NKYJJ14）

0 引言

【研究意義】藥用大黃（Rheum officinale Baill.）為蓼科（Polygonaceae）大黃屬（Rheum）多年生草本植物（中國科學院中國植物志編輯委員會，1993），具有清熱瀉火，涼血解毒等功效（國家藥典委員會，2020）。長期連作會引起土壤酸化，導致養分失衡，從而抑制作物對養分的吸收利用，降低作物的產量及品質（李小萌等，2020;周武先等，2021）。研究表明，黨參、半夏、三七等中藥材均存在嚴重的連作障礙（何志貴等，2019;劉海嬌等，2020;周武先等，2021）。大黃在栽培過程中的土壤連作障礙問題也日益突出，嚴重影響了大黃產業的發展。因此，采取措施消減大黃的連作障礙，提高其產量和品質，是大黃產業健康發展亟待解決的問題。【前人研究進展】近年來，學者們相繼探索出多種消減作物連作障礙的方法，如間套作（馬怡茹等，2019;王廷峰等，2019）、輪作（何志貴等，2019）、有機肥替代部分化肥（李小萌等，2020）等。施用土壤改良劑是一種成本較低且見效快的方法，目前有機肥、鈣鎂磷肥及生石灰等改良劑技術相對成熟，在消減作物連作障礙方面應用廣泛（王梅和蔣先軍，2017;周武先等，2019，2021）。張世標等（2016）研究表明，有機肥和磷鉀肥配施能改善辣椒土壤的理化性質，提高土壤肥力及辣椒產量。余小蘭等（2018）研究發現，鈣鎂磷肥能提高水稻土壤的pH及養分含量，有效改善土壤性質。呂波等（2018）研究發現，施用生石灰能提高白菜土壤的pH，但降低了土壤養分含量。喬鈜元等（2020）研究表明，適當施用生石灰能改善連作土壤性質，促進平邑甜茶幼苗生長。王棋等（2020）研究表明，連作能降低烤煙的土壤養分化學計量特征，影響土壤養分的供應平衡。周武先等（2021）研究表明，施用有機肥等3種改良劑均能減緩川黨參的連作障礙，改善土壤性質，提高黨參產量。【本研究切入點】不同改良劑對不同作物土壤的改良作用存在差異。有機肥、生石灰及鈣鎂磷肥等3種改良劑對連作辣椒、白菜、川黨參、甜茶等多種作物的根際土壤理化性質改良效果較好（張世標等，2016;呂波等，2018;喬鈜元等，2020;周武先等，2021），但其對連作大黃及其土壤肥力影響的研究尚未見報道。且以往的土壤肥力評價多以土壤養分含量、酶活性等作為評價指標，而將土壤化學計量特征納入評價指標進行分析的研究較少。【擬解決的關鍵問題】選擇有機肥、鈣鎂磷肥和生石灰3種土壤改良劑，對連作大黃的產量及根際土壤pH、養分含量及生態化學計量特征進行分析，利用主成分分析法對不同改良劑處理的連作大黃土壤肥力進行評價，探究3種改良劑對連作大黃產量及其土壤肥力的影響，以期為消減大黃的連作障礙及促進大黃產業的健康可持續發展提供理論依據。

1 材料與方法

1. 1 試驗區概況

試驗樣地位于湖北省利川市元堡鄉朝陽村（東經108°59'08″，北緯30°07′30″），海拔1350 m，屬亞熱帶季風和季風性濕潤氣候，年均降水量1301.4 mm，年均溫度12.9 ℃，無霜期210 d，相對濕度81%。前茬作物為大黃，土壤為紅壤土，土壤pH 4.01，土壤有機質26.82 g/kg，堿解氮172.2 mg/kg，速效磷86.54 mg/kg，速效鉀305.60 mg/kg，全氮2.23 g/kg，全磷1.11 g/kg，全鉀14.50 g/kg。

1. 2 試驗材料

試驗用大黃為藥用大黃，其子芽由利川市勤隆中藥材專業合作社提供。土壤改良劑分別為豐疆有機肥（pH 7.80，原料為牛糞、菜餅和米糠等，有機質≥45%，N-P2O5-K2O≥5%），購自金正大國際利川團堡直銷店;荊珠鈣鎂磷肥（P2O5≥12.0%，8% MgO，25% CaO，25% SiO2）及生石灰（99.6% CaO），購自恩施施州農化有限責任公司。

1. 3 試驗方法

田間試驗于2018年10月—2019年9月進行。采用單因素完全隨機設計，以不施用改良劑為對照，設生石灰、鈣鎂磷肥和有機肥3個處理，3種改良劑分別按照廠家建議施用量施用，分別為生石灰2250 kg/ha，鈣鎂磷肥2250 kg/ha，有機肥4500 kg/ha。每處理設3個重復（小區），每小區面積為8 m2，小區間以30 cm間隔作為保護行防止改良劑互滲，所有改良劑在大黃種植前一次性均勻撒施。

選取大小一致的大黃子芽，于2018年11月移栽至試驗地，各處理組種植密度保持一致，株行距為50 cm×80 cm，所有處理田間除草等管理方法一致。

1. 4 樣品采集及指標測定

分別于2019年9月采集大黃根莖并收集根際土壤。將每個小區的大黃全部挖出，使用金旺電子秤（HY-809）進行測產。每個小區隨機選取3點挖取大黃根莖，測定大黃的根莖鮮重。將采集的根莖分別裝入自封袋帶回實驗室，洗凈，晾干表面水分，采用游標卡尺測量大黃根莖直徑和細根直徑，按不同處理切段后置于45 ℃烘箱烘干，測量大黃根莖的干重。

采用抖落法收集大黃根際土壤，S型五點取樣。將采集的大黃根際土壤樣品按不同處理分別混合，帶回實驗室，風干、研磨、過篩（1.00和0.25 mm）備用。土壤pH（土水比例2.5∶1）采用pH計進行測定，有機質含量采用K2Cr2O7滴定外加熱法測定，全氮含量采用半微量凱氏法—流動分析儀測定，全磷含量采用NaOH熔融—鉬銻抗比色法測定，全鉀含量采用NaOH熔融—火焰光度法測定，堿解氮含量采用NaOH堿解擴散法測定，速效磷含量采用0.03 mol/L NH4F-0.025 mol/L HCl浸提—鉬藍比色法測定，速效鉀含量采用醋酸銨浸提—火焰光度計法測定（鮑士旦，2000）。

以根際土壤有機質、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、速效磷、速效鉀、C∶N、C∶P、N∶P、C∶K、N∶K、P∶K作為土壤肥力評價的基本指標。將各指標進行標準化處理，主成分特征向量為對應的載荷矩陣值除以該主成分特征值的平方根，各處理主成分因子得分為主成分特征向量和標準化數據的乘積（王鈺瑩等，2016）。計算土壤肥力綜合指數（Integrated fertility index，IFI）（Jin et al.，2008）：

IFI=[WiFi]

式中，Wi為各處理主成分貢獻率，Fi為各處理主成分因子得分。

1. 5 統計分析

采用Excel 2016和SPSS 19.0對數據進行統計分析。采用One-way ANOVA和Duncans新復極差法分析各處理下大黃根際土壤養分含量及土壤化學計量特征差異，采用主成分分析法評價施用土壤改良劑一年后連作大黃土壤的肥力，利用Origin 8.1制圖。

2 結果與分析

2. 1 不同改良劑對大黃產量及其構成因素的影響

由圖1可知，3種改良劑處理下大黃根莖直徑和細根直徑與對照相比無顯著差異（P>0.05，下同）;但施用有機肥和鈣鎂磷肥可顯著增加大黃的根莖鮮重（P<0.05，下同），二者較對照分別提高85.06%和50.50%，生石灰處理的根莖鮮重增幅為33.32%，但與對照的差異未達顯著水平;有機肥、鈣鎂磷肥及生石灰處理的大黃根莖干重較對照分別顯著提高55.98%、48.35%和35.47%;有機肥和鈣鎂磷肥處理顯著提高大黃產量，較對照分別顯著提高75.37%和42.62%，生石灰處理的大黃產量較對照提高26.35%，但差異未達顯著水平。

2. 2 不同改良劑對連作大黃土壤理化性質的影響

由圖2可知，有機肥和鈣鎂磷肥處理的土壤全氮、堿解氮和有機質含量顯著高于對照，分別較對照提高8.40%、15.93%、7.45%和7.56%、15.01%、11.22%;3種改良劑處理的土壤全磷和速效磷含量顯著高于對照，有機肥處理分別提高8.27%和31.05%，鈣鎂磷肥處理分別提高14.22%和38.46%，生石灰處理分別提高8.10%和8.83%;施用3種改良劑對連作大黃土壤全鉀和速效鉀含量無顯著影響;有機肥和生石灰處理顯著提高連作大黃的土壤pH，二者較對照分別提高9.13%和7.34%，鈣鎂磷肥處理的土壤pH與對照無顯著差異。

2. 3 不同改良劑對連作大黃土壤化學計量特征的影響

由圖3可知，3種改良劑處理后連作大黃土壤的C∶N、C∶P、N∶P、C∶K、N∶K和P∶K變化范圍分別為7.77～8.11、14.35～15.62、1.88～2.00、1.26～1.42、0.16～0.18和0.08～0.09。生石灰處理的土壤C∶P較對照顯著降低;鈣鎂磷肥處理的土壤N∶P較對照顯著降低;有機肥和鈣鎂磷肥處理的土壤C∶K較對照顯著升高;3種改良劑處理的土壤N∶K和P∶K均較對照顯著升高;其余處理的土壤化學計量特征與對照無顯著差異。

2. 4 大黃產量、根莖與土壤養分化學計量特征的相關分析

由表1可知，大黃產量與土壤堿解氮和速效磷含量呈顯著正相關，與N∶K呈極顯著正相關（P<0.01，下同）;根莖鮮重與土壤速效磷含量呈顯著正相關，與N∶K呈極顯著正相關;根莖干重與土壤堿解氮、全氮、全磷含量及P∶K呈顯著正相關，與土壤速效磷含量和N∶K呈極顯著正相關;根莖直徑與土壤全氮和全磷含量呈顯著正相關;細根直徑與土壤堿解氮含量呈顯著正相關。可見，大黃產量主要受土壤堿解氮和速效磷含量及N∶K的影響，根莖生長也與土壤養分及化學計量特征指標有密切關系。

2. 5 不同改良劑處理對大黃土壤肥力的影響

由表2可知，按照特征值大于1的原則提取4個主成分，特征值分別為6.92、2.65、2.04和1.07，其貢獻率分別為53.22%、20.40%、15.73%和8.22%，累積貢獻率達97.56%（大于85%），說明這4個主成分能反映出原始數據提供信息總量的97.56%。第一主成分（PC1）主要由有機質含量、速效磷含量、全氮含量、P∶K、C∶K及N∶K等相關程度較高的變量組成;第二主成分（PC2）主要與C∶P相關;第三主成分（PC3）主要受速效鉀含量及N∶P支配;第四主成分（PC4）主要受全磷含量支配。主成分分析結果表明，有機質、速效磷和全氮含量及P∶K、C∶K和N∶K是評價土壤肥力的主要指標。

各處理的主成分得分因子和方差貢獻率加權得到土壤肥力綜合指數（表3）。不同改良劑處理下連作大黃土壤肥力綜合指數排序為：鈣鎂磷肥（1.36）>有機肥（1.19）>生石灰（-0.99）>對照（-1.56）。可見，施用3種改良劑后連作大黃土壤肥力均高于對照，且鈣鎂磷肥處理下連作大黃土壤肥力最高，有機肥次之，生石灰最低。

3 討論

連續在同一塊土壤上種植同一種或相似農作物時，即使保持正常的栽培條件，也能引起作物的連作障礙，導致作物的產量下降（劉濤等，2019;喬鈜元等，2020）。施用改良劑能改善土壤性質，提高養分含量，促進植物生長，進而提高作物產量（王靜，2019）。研究表明，施用有機肥能促進水稻生長，增加水稻產量（Liu et al.，2009）;鈣鎂磷肥富含磷、鈣、鎂、硅等營養元素，能有效補充植物所需的微量元素（侯翠紅等，2019）;生石灰能有效緩解土壤酸化，促進作物對養分的吸收，進而提高作物產量（喬鈜元等，2020）。本研究結果表明，在連作大黃土壤上施用有機肥、鈣鎂磷肥及生石灰后，大黃產量分別提高75.37%、42.62%和26.35%，說明施用3種改良劑均可有效提高大黃產量，以有機肥的增產效果最佳，其次是鈣鎂磷肥。有機肥的施入顯著提高了大黃產量，可能是由于有機肥中的有機質和腐殖酸為大黃提供了生長所需的營養物質，促進大黃根系的生長及對養分的吸收能力（王建偉等，2019）。

本研究結果表明，施用生石灰顯著提高大黃根際土壤的pH，這可能與生石灰本身含有大量的CaO，遇水產生堿性的Ca（OH）2有關（周武先等，2019）;施用有機肥也顯著提高大黃根際土壤的pH，可能是由于施用有機肥中和了土壤中的部分酸性物質（周武先等，2021），促進土壤中陽離子的交換;也可能是有機肥中富含有機質，緩沖了大黃根際土壤的酸容量，進而提高其土壤pH（周武先等，2021）;施用鈣鎂磷肥后大黃根際土壤pH與對照相比無顯著差異，可能是由于鈣鎂磷肥在提高土壤pH作用中相對較緩慢（余小蘭等，2018），短期施用鈣鎂磷肥對提高大黃土壤pH作用不明顯。孫薇等（2013）研究表明，施用生物有機肥能顯著增加土壤有機質及全量氮、磷、鉀及速效磷含量。本研究取得了相似結果，施用有機肥顯著提高大黃根際土壤的養分含量。可能是由于有機肥中含有大量的有機質，能吸附土壤中的養分，減少養分的流失（孫薇等，2013）。周武先等（2019）研究表明，鈣鎂磷肥的肥效平緩，磷素利用率高，有助于提高土壤的鈣鎂等營養元素含量。本研究中施用鈣鎂磷肥后，連作大黃的根際土壤養分含量顯著提高，速效磷含量增幅最大。可見，鈣鎂磷肥能提高大黃根際土壤磷素的利用率，改善土壤的理化性質。施用生石灰后，除大黃根際土壤pH提高外，速效磷及全磷含量也顯著提高，表明適量的生石灰可有效改善連作大黃的根際土壤理化性質。

土壤養分在循環過程中是耦合的，要全面評價土壤質量，除考慮土壤養分的變化外，還需了解各元素間的比例關系（陶冶等，2016）。土壤養分化學計量特征既能指示土壤肥力的高低，也能反映土壤的有機構成、土壤質量及養分能力（王棋等，2020）。研究表明，C∶N和C∶P比值低有利于增強土壤微生物分解，增加土壤磷含量（陶冶等，2016;曹小玉等，2019）;N∶P比值高反映磷是限制植物生長的元素（Ren et al.，2016）。本研究中，3種改良劑處理后連作大黃土壤的C∶N、C∶P和N∶P的變化范圍分別為7.77～8.11（低于全國平均值12.3）（Tian et al.，2010）、14.35～15.62（低于全國平均值52.7）（王玉婷等，2020）和1.88～2.00（低于全國平均值5.2）（曹小玉等，2019），表明連作大黃的生長不受磷元素限制。研究表明，當N∶K>2.1，P∶K>0.29時植物生長主要受鉀元素限制（Venterinkolde et al.，2003;盤金文等，2020），本研究中C∶K、N∶K及P∶K的變化范圍在1.26～1.42、0.16～0.18（<2.1）及0.08～0.09（<0.29），表明大黃的生長不受鉀元素的限制。相關分析結果表明，大黃的產量與土壤的N∶K呈極顯著正相關，說明大黃產量主要受氮素影響。本研究中不同改良劑處理下，連作大黃土壤肥力綜合指數排序為鈣鎂磷肥（1.36）>有機肥（1.19）>生石灰（-0.99）>對照（-1.56）。可見，3種改良劑能不同程度地緩解大黃的連作障礙，提高大黃產量。但大黃是多年生藥用植物，連作障礙也主要是表現在生長后期，而本研究只是施用一年改良劑的初步試驗結果，且實踐中通常需要多種改良劑混施才能更好地緩解作物的連作障礙，因此改良劑的真正效果還有待于后續進一步的實踐和驗證。

4 結論

3種改良劑均能有效提高連作大黃的產量，其中有機肥的提產效果最佳，其次是鈣鎂磷肥;施用有機肥及生石灰能顯著提高大黃根際土壤的pH，3種改良劑能有效提高大黃根際土壤養分含量，改善連作大黃的根際土壤理化性質。3種改良劑對連作大黃土壤的改良效果依次為鈣鎂磷肥>有機肥>生石灰。

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（責任編輯 王 暉）