種植密度及氮肥對綠洲區蒙古黃芪有效成分和產量的影響

魏廷邦 魏玉杰,* 楊振華 臧廣鵬 吳之濤 邴素霞

(1 甘肅省農業工程技術研究院，甘肅 武威 733006；2 甘肅省特種藥源植物種質創新與安全利用重點實驗室，甘肅 武威 733006；3 武威市祁連山區道地中藥材生態栽培技術創新中心，甘肅 武威 733006；4 武威市質量計量檢驗檢測中心，甘肅 武威 733000)

黃芪為豆科植物蒙古黃芪(Astragalusmembranaceusvar.mongholicus)和膜莢黃芪[Astragalusmembranaceus(Fiscn.)Bqe]的干燥根，具有補氣固表、增強機體免疫和調節血糖等功能，在醫療衛生、中醫保健和飲食等行業中應用較為廣泛[1]。河西綠洲區土壤類型和氣候資源適宜蒙古黃芪大面積種植且產量優勢顯著[2]，使蒙古黃芪成為該地區農業增效、農民增收的重點中藥材之一。目前，野生黃芪資源人為破壞較為嚴重，人工栽培成為緩解黃芪供需矛盾、滿足市場需求的關鍵點。在人工栽培中，氮肥施用量、種植密度等農藝措施的協同配合能夠有效提高中藥材黃芪的產量并改善其品質。而過量的氮肥施用使得中藥材種植地域土壤肥力降低、土壤理化性質惡化、產投比失調以及生態環境受到嚴重污染[3]，同時不合理的種植密度也會導致中藥材的產量和質量參差不齊[4-5]。全國各道地藥材產區在中藥材生產質量管理規范(good agricultural practice，GAP)基地規劃與建設的發展趨勢下，開展環境友好型和資源減投型的中藥材生態栽培研究是順應生態文明建設的明智之舉。因此，革新氮肥施用制度與優化種植密度是改善不同地域內中藥材光合特性、干物質積累特征及獲取高產、優質中藥材重要環節。對中藥材而言，在適當減少施氮量的同時恰當地增加種植密度能夠提高中藥材的產量，對保證中藥材品質、提高經濟效益和生態效益具有重要意義。

圖1 2019—2020年試驗區3—9月降水量及日平均溫度變化Fig.1 Dynamics of precipitation and daily mean temperature in the experimental station from March to September in 2019—2020

國內外學者已經開展了大量關于氮肥減量施用對農作物產量和品質的影響研究，結果表明，適量的減施氮肥可有效提高冬小麥[6]、玉米[7]、水稻[8]等作物葉片的光合作用、葉綠素含量和葉面積指數，促進干物質積累量的增加，降低氮肥損失量，有效提高產量。研究發現，在黃芪種植中適量降低氮肥施用量能夠保證養分最大利用效率，但氮肥施用量超過一定范圍時則會影響黃芪生育后期干物質積累量的增加和產量的形成[9-10]。當丹參的施氮量超過150 kg·hm-2后，丹參的可溶性糖、淀粉含量以及產量均下降[11]。種植密度對中藥材的產量和品質會產生顯著影響，當黃芪的種植密度為240 000株·hm-2時群體結構表現最佳，有利于黃芪地上和地下部分的旺盛生長，提高次生代謝產物的含量，保證獲得高產和優質的黃芪[12-14]。當種植密度過大時，致使單株中藥材所獲得的光照、水肥資源相對較少，影響中藥材地下部的生長發育，不利于干物質積累速率和產量的增加[15-16]。因此，構建最佳種植密度和最適氮肥營養組合能夠顯著改善中藥材群體結構、優化光合生理特性、提高產量和改善品質[17]，是充分發揮中藥材群體優勢進行營養生長的技術保障。目前，有關黃芪產量的研究主要集中在施氮量和施氮方式對其的影響，而關于低氮素營養和最優栽培密度對黃芪生育期內光合特性、葉綠素含量、干物質積累特征、有效成分含量和產量形成的協同增產、增效調控機理的研究鮮有報道。因此，本試驗通過研究不同施氮水平與種植密度的協同調控效應對蒙古黃芪生育期內光合特性、葉綠素含量、干物質積累、有效成分含量和產量的影響，以期闡明蒙古黃芪對低氮環境條件和最佳種植密度的生理響應，為綠洲區生產實踐中科學施肥、合理密植以獲取高產、優質中藥材黃芪提供技術支撐和理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

本研究于2019—2020年在甘肅省武威市涼州區黃羊鎮國家中藥材產業技術體系河西綜合試驗站進行。試驗基地位于河西走廊東端(102°51′10″E，37°67′29″ N)，平均海拔1 744 m，年平均氣溫約7.5℃，多年平均降水量約155 mm，年蒸發量約2 400 mm，年降水分布不均，主要集中在5—9月份。試驗區土壤質地為沙壤土，土壤容重1.62 g·cm-3，0～30 cm土層全氮含量0.98 g·kg-1、堿解氮68.14 mg·kg-1、有效磷48.51 mg·kg-1、速效鉀284.16 mg·kg-1，有機質18.90 g·kg-1， pH值8.42。2019—2020年試驗區3—9月份的降雨量和日平均溫度如圖1所示。

1.2 試驗材料

供試材料為1年生蒙古黃芪，原植物由魏玉杰研究員鑒定為蒙古黃芪，采購于定西市岷縣中藥材種苗市場，種苗采挖后分揀去除大苗、小苗和弱苗，保留長度和大小基本一致的壯苗開溝移栽，種苗平均根長35.7±6.37 cm，根粗0.68±0.29 cm，單株種苗重量4.26±1.64 g。2019年3月28日移栽，2019年10月20日收獲；2020年3月30日移栽，2020年10月20日收獲。氮肥施用尿素(含氮46%)，磷肥為過磷酸鈣(P2O5約14%)，鉀肥為磷酸二氫鉀(K2O約25%)。有機肥料為商用有機肥(南京三美農業發展有限公司)，N+P2O5+K2O含量4%以上，有機質含量30%以上。普通地膜采用厚度0.08 mm、寬50 cm的聚乙烯農用地膜(甘肅宏遠農業科技有限責任公司)。

1.3 試驗設計

本試驗采用裂區設計，以種植密度為主區，設置D1(180 000株·hm-2、行距30 cm、株距18 cm)，D2(240 000株·hm-2、行距30 cm、株距14 cm)，D3(300 000 株·hm-2、行距30 cm、株距11 cm)3種種植密度；施氮量為裂區，設置0(N0，對照)、40(N1)、80(N2)、120 kg N·hm-2(N3)4個施氮水平，共12個處理，每個處理設3個重復，共36個小區，小區面積為4 m×5 m=20 m2，各小區間留走道1 m，小區四周外設3 m寬的保護行。施肥用量參考當地中藥材種植人員的施肥量，所有處理施肥量按基肥∶生育中期追肥=2∶1分施，具體施肥方法：N1，基肥26.7 kg N·hm-2，中期追肥13.3 kg N·hm-2；N2，基肥53.3 kg N·hm-2，中期追肥26.7 kg N·hm-2；N3，基肥80 kg N·hm-2，中期追肥40 kg N·hm-2；施肥時期為黃芪開花期以后(7月下旬)。有機肥3 000 kg·hm-2、五氧化二磷150 kg·hm-2、 氧化鉀40 kg·hm-2全部施用為基肥。黃芪生育期內采用滴灌帶灌水4次，5、6、7、8月的灌水量分別為600、450、450和400 m3·hm-2，生育期內的總灌水量為1 900 m3·hm-2，通過智能化水表精確確定灌溉總量。各生育時期加強病蟲草害防治，各小區的田間管理措施均保持一致。

1.4 測定項目與方法

凈光合速率(net photosynthetic rate，Pn)及葉綠素含量(soil and plant analyzer development, SPAD)：每年5月20日開始測定黃芪葉片的Pn、SPAD，以后每隔30 d，選擇晴朗的天氣，于上午09:00-11:30，在各小區中間位置隨機選取6株生長正常的黃芪植株，使用Li-6400XT型便攜式光合系統測定儀(美國LI-COR公司)測定Pn。每株黃芪植株重復3次，結果取平均值。使用便攜式SPAD-502型葉綠素儀(日本konica minolta公司)測定SPAD，重復6次，結果取平均值。

干物質積累量：每年5月20日開始測量干物質積累量，每隔30 d，在小區內連續取樣6株，將地上、地下部分別稱取鮮質量后裝入牛皮紙袋，于105℃殺青15～30 min后，在80℃恒溫烘至恒重，最后稱量并按以下公式計算干物質積累量：

干物質積累量=成熟期單株總干質量×成熟期實收株數。

采用Logistic方程Y=k/(1+ea-rt)擬合黃芪全生育期干物質積累過程，通過對Logistic方程求導數，可得黃芪全生育期的干物質最大積累速率。其中，Y代表干物質積累量，k代表干物質積累量，e為自然常數，a代表k與Y的有關參數，r代表增長速率，t代表出苗后天數。

產量及產量構成：黃芪采收期，在每小區去除邊行后，按各處理小區依次采挖，然后分別計算地上部與地下部的鮮重，并測定植株個體指標，包括單株莖稈重、根長、根粗、單根重和產量性狀指標。

黃芪品質測定：按照2020年版《中華人民共和國藥典》[2]中規定的黃芪質量檢測項對各處理的黃芪甲苷含量進行測定。標準樣品來自上海源葉生物科技有限公司，批號：J02GB153190。

1.5 數據處理與分析

采用Microsoft Word 2010和Excel 2010軟件整理匯總數據，使用SPSS 19.0 統計分析軟件進行方差分析和回歸分析。

2 結果與分析

2.1 減氮增密對黃芪凈光合速率的影響

氮肥用量、種植密度及其互作效應均對黃芪生育期內的凈光合速率(Pn)有顯著影響(P<0.05)。兩年試驗平均結果表明(圖2)，在同一施氮水平，N3D2處理平均凈光合速率較N3D1、N3D3提高42.89%、41.35%，N2D2處理較N2D1、N2D3處理提高59.31%、38.88%，N1D2處理較N1D1處理提高36.32%。在相同種植密度下，N2D1處理的平均凈光合速率較N3D1、N1D1、N0D1處理分別提高5.66%、12.75%、25.58%，N2D2處理較N3D2、N1D2、N0D2處理分別提高17.79%、31.76%、75.18%，N2D3處理較N3D3、N0D3處理分別提高11.41%、6.39%。結果表明，氮肥減量施用同時適當增加種植密度能夠有效促進黃芪生育期內的光合作用。

圖2 不同氮肥用量和種植密度對黃芪凈光合速率的影響Fig.2 Effects of different nitrogen application and planting densities on net photosynthetic rate of Astragalus membranaceus var. mongholicus

2.2 減氮增密對黃芪葉綠素含量的影響

氮肥用量、種植密度及其互作效應均對黃芪葉綠素含量(SPAD)有顯著影響(P<0.05)。兩年試驗平均結果表明(圖3)，在同一施氮水平，N3D2處理的平均葉綠素含量較N3D1、N3D3處理提高23.29%、23.39%，N2D2處理較N2D1、N2D3處理提高41.22%、15.18%，N1D2處理較N1D1、N1D3處理提高46.59%、8.29%。在同一種植密度下，N2D1處理的平均葉綠素含量較N1D1、N0D1處理分別提高26.94%、53.86%，N2D2處理較N3D2、N1D2、N0D2處理分別提高8.32%、22.28%、70.13%，N2D3處理較N3D3、N1D3、N0D3處理分別提高16.04%、14.96%、51.91%。結果可見，通過恰當的減量施氮與優化種植密度能夠提高黃芪生育期內的葉綠素含量，為增強生育期內的光合作用奠定基礎。

2.3 減氮增密對黃芪干物質積累動態的影響

施肥用量、種植密度及其互作效應均對黃芪干物質積累量具有顯著影響(P<0.05)。由圖4可知，兩年試驗平均結果表明，在同一施氮水平下，黃芪生育期內的干物質積累量隨著種植密度的增加呈現逐漸增加的趨勢，總體表現為高密度>中密度>低密度處理。在同一種植密度下，黃芪生育期內的干物質積累量隨著施氮量的增加呈現出先增加后降低的變化趨勢，總體表現為中施氮>高施氮>低施氮>對照處理。說明在減少氮肥施用量的條件下適量增加種植密度，能夠有效增加黃芪生育期內干物質積累量，為黃芪產量的增加奠定基礎。

2.4 減氮增密對黃芪干物質最大增長速率的影響

氮肥用量、種植密度及其互作效應均對黃芪干物質最大增長速率具有顯著影響(P<0.05)。兩年試驗平均結果表明(表1)，在同一施氮水平，N3D2處理的干物質最大增長速率較N3D1處理提高30.79%；N2D2處理的干物質最大增長速率較N2D1、N2D3處理分別提高40.68%、7.22%；N1D2處理的干物質最大增長速率較N1D1處理提高24.67%，N1D2處理的干物質最大增長速率與N1D3處理間有顯著差異。在同一種植密度下，N2D1的干物質最大增長速率較N3D1、N1D1、N0D1提高13.99%、14.91%、18.41%，N2D2較N3D2、N1D2、N0D2提高22.61%、29.66%、39.36%，N2D3較N3D3、N1D3、N0D3提高2.21%、5.08%、21.01%。結果表明，減量施氮N2與種植密度D2的最佳組合能夠顯著提高黃芪生育期內干物質積累的最大增長速率，促進光合有機物的積累，顯著提高生育期內的干物質積累量，為產量的增加奠定基礎。

2.5 減氮增密對黃芪產量的影響

如表2所示，氮肥用量和種植密度均對中藥材黃芪根粗、單株地上部干質量、單株地下部干質量和產量具有顯著影響(P<0.05)。兩年試驗平均結果表明，不同施氮水平下，N2處理的根長和根粗較N0、N1、N3處理分別提高60.83%和79.69%、24.91%和27.58%、17.94%和25.05%；N2處理的地上部干質量和地下部干質量較N0、N1、N3處理分別提高98.73%和65.66%、35.62%和19.14%、35.21%和14.76%；N2處理的產量較N0、N1和N3處理分別提高119.86%、20.84%和20.08%。不同密度水平下，D2處理的根粗和地上部干質量較D1、D3處理分別提高1.25%和10.18%、1.93%和10.86%；D2處理的地下部干質量較D3處理提高6.37%；D2處理的產量較D1、D3處理分別提高16.26%、7.07%。說明減量施氮與適量增加種植密度有效增加了中藥材黃芪地下部干質量和產量，降低了氮肥成本，提高了中藥材的經濟效益和生態效益。

如表2所示，氮肥用量與種植密度的互作效應對黃芪根長、單株地下部干質量和產量具有顯著影響(P<0.05)。在相同的施氮水平下，N1D2處理的產量較N1D1、N1D3分別提高21.78%、12.63%；N2D2處理的產量較N2D1、N2D3分別提高15.15%、10.52%；N3D2處理的產量較N3D1、N3D3處理分別提高17.72%、9.94%。由此可見，N2D2處理的減氮增密種植模式有效提高了蒙古黃芪單株地上部和單株地下部干質量。

2.6 減氮增密對黃芪甲苷含量的影響

氮肥用量和種植密度及其互作效應均對黃芪甲苷含量具有顯著影響(P<0.05)。兩年試驗結果表明(圖5)，在相同的施氮水平下，N1D2處理的黃芪甲苷含量較N1D1處理提高了0.013個百分點，但與N1D3處理相比降低了0.01個百分點；N2D2處理較N2D1、N2D3處理分別提高了0.027和0.019個百分點；N3D2處理的黃芪甲苷含量較N3D1、N3D3處理分別提高了0.002和0.013個百分點。在相同的種植密度水平下，N2D1處理的黃芪甲苷含量較N0D1、N1D1、N3D1處理分別提高了0.063、0.039和0.022個百分點；N2D2處理較N0D2、N1D2、N3D2處理分別提高了0.079、0.053和 0.047個百分點；N2D3處理較N0D3、N1D3、N3D3處理分別提高了0.058、0.025和0.041個百分點。綜上，N2D2處理減氮增密種植模式增加了黃芪甲苷含量，可有效改善蒙古黃芪的品質。

圖3 不同氮肥用量和種植密度對黃芪葉綠素含量的影響Fig.3 Effects of different nitrogen application and planting densities on SPAD value of Astragalus membranaceus var. mongholicus

圖4 不同氮肥用量和種植密度對黃芪全生育期干物質積累動態的影響Fig.4 Effects of different nitrogen application and planting densities on dry matter accumulation dynamic of Astragalus membranaceus var. mongholicus in the whole growth period

表1 不同處理黃芪干物質積累速率的Logistic方程回歸分析Table 1 Logistic equation analysis on group dry matter accumulation rate of Astragalus membranaceus var.morgholicus under different treatments

2.7 減氮增密條件下黃芪主要指標間的相關性分析

由表3可知，黃芪干物質最大增長速率(X3)與凈光合速率(X1)、葉綠素含量(X2)呈現極顯著正相關關系；單株地上部干質量(X6)、單株地下部干質量(X7)與根長(X4)、根粗(X5)均呈現極顯著正相關關系。說明減氮增密的栽培措施有效改善了黃芪的光合特性，增大了干物質最大增長速率、根長和根粗，最終提高了黃芪干物質積累量。黃芪產量(X8)與各項光合指標、葉綠素含量、生物指標、質量指標均呈現顯著或極顯著正相關關系，說明通過氮肥減量與增加密度的栽培措施顯著改善了黃芪生育期內的光合速率與相關生物指標，最終顯著提高了黃芪產量。

3 討論

3.1 減氮增密對黃芪光合生理特性和干物質積累特征的影響

氮是植物體內蛋白質、酶、葉綠素和特殊化合物的重要成分，氮素形態直接影響藥用植物葉片的光合特性并直接作用于干物質積累過程，合理的氮肥施用量在一定程度上能夠有效緩解植株葉片葉綠素的降解，延長葉片光合作用的功能期，提高葉片中的SPAD值，為產量和品質的形成奠定物質基礎[18-20]。邱黛玉等[21]和程萌萌[22]研究發現，兩年生蒙古黃芪采用氮肥、磷肥、鉀肥合理配施時，黃芪產量、黃芪甲苷含量和經濟效益達到最優。郭亞勤等[23]研究發現，施用有機肥能夠顯著提高丹參的產量和有效成分含量，有利于增強葉片的光合作用和提高葉綠素SPAD，最終對產量產生直接的貢獻作用。在甘草[24]中發現，施肥量為300 kg N·hm-2時，甘草生長的產量和經濟效益達到最佳。高游慧等[25]發現，有機肥+礦物肥+微生物肥處理能有效促進黃芪對多種礦質養分元素的積累與分配，提高黃芪產量和品質。因此，不同地域內不同的肥料配比使得不同種類中藥材的生長發育特點、產量形成和有效成分含量各不相同，研發配套適宜的氮肥用量和種植密度是河西地區中藥材黃芪實現高產優質的基本環節。本試驗中，氮肥減量80 kg N·hm-2(N2) 與種植密度 240 000 株·hm-2(D2)的最優組合顯著提高了黃芪生育期內的凈光合速率、葉綠素含量、干物質積累最大增長速率和干物質積累量。與上述研究結論相符合，即追施氮肥與優化種植密度對黃芪生育期內的光合特性、葉綠素含量、干物質積累特征以及產量和品質的形成有著重要的調節作用。綜合可見，在黃芪生產中可以通過適當的減量施氮和適量的增加種植密度來改善黃芪生育期內的光合特性，滿足黃芪的養分需求與氮肥供應之間的匹配度，促進葉片和根系的生長發育，提高根長和根粗，促進黃芪干物質積累量的增加，從而獲得高產、優質的中藥材黃芪。

表2 不同氮肥用量和種植密度對黃芪產量的影響Table 2 Effects of different nitrogen application and planting densities on yield of Astragalus membranaceus var. mongholicus

表3 不同氮肥用量和種植密度條件下黃芪主要指標間的相關性分析Table 3 The correlation analysis of main indexes of Astragalus membranaceus var. mongholicus under different nitrogen application and planting density

注：不同小寫字母表示在P<0.05水平上差異顯著。Note: The values followed by different letters mean significant difference at 0.05 level.圖5 不同氮肥用量和種植密度對黃芪甲苷含量的影響Fig.5 Effects of different nitrogen application and planting densities on the content of astragaloside of Astragalus membranaceus var. mongholicus

3.2 減氮增密對黃芪產量與甲苷含量的影響

中藥材產量和品質的優化與中藥材的種類、氮肥追施比例、種植密度等多種因素密切相關。氮肥合理追施會促進中藥材地上部分的生長，降低根冠比例，對藥用植物中的營養成分、多種抗氧化酶和次生代謝產物具有顯著的調控作用[26-28]。王渭玲等[29]和王曉飛等[30]研究發現，氮肥、磷肥、鉀肥的合理配施可顯著促進黃芪生育后期干物質積累和產量形成，加快黃芪多糖、黃芪甲苷含量等藥效成分含量的積累。徐博瓊等[13]研究發現，移栽密度為238 000株·hm-2時，蒙古黃芪的主莖粗壯、根冠比較大，產量和品質得到顯著改善。因此，在實際生產中通過氮肥合理施用與恰當移栽密度能夠實現中藥材黃芪的高產、優產。本研究發現，氮肥減量施用80 kg N·hm-2與種植密度240 000株·hm-2的最優組合能夠有效提高黃芪的根長、根粗、地下部干質量，最終提高產量和黃芪甲苷含量，有效改善中藥材黃芪的品質。當氮肥追施比例過高時[31]，會影響黃芪的營養生長與葉片的光合生理活性，進一步限制光合生產潛力的發揮和光合產物的積累，限制氮素營養從莖葉向地下根部的轉運和積累，造成一定程度的減產。黃芪的種植密度達到300 000株·hm-2時，生育后期的凈光合速率、葉綠素含量和干物質積累最大增長速率不斷下降，最終造成黃芪的產量和品質降低，本研究與玉米[32]、紫蘇[33]、菊花[34]等作物的研究結論相一致。綜上，通過合理的氮肥追施和恰當的種植密度能夠有效改善密植條件下黃芪的光合特性和干物質積累特征，有效提高黃芪的產量，進一步改善藥材的品質，從而為大田生產實踐中獲得高產、優質的中藥材黃芪提供理論依據和技術支撐。

4 結論

氮肥減量施用與增加種植密度能夠協同增大黃芪生育期內的凈光合速率、葉綠素含量和干物質積累最大增長速率，顯著提高黃芪干物質積累量和產量，具有明顯改善黃芪品質的效果。因此，在綠洲區通過氮肥減量施用80 kg N·hm-2(N2)與增加種植密度240 000株·hm-2(D2)的最佳組合方式能夠有效增強中藥材黃芪生育期內葉片的光合作用和提高葉綠素含量，優化干物質積累特征，對提高黃芪產量和黃芪甲苷含量具有顯著的促進作用，對發掘該區域內合理密植條件下的中藥材黃芪節肥、增效、高產、優質栽培模式具有重要的推廣價值。