優化施肥效應模型對佛手產量和品質的影響

張建海，王向平，馮彬彬*，潘聲旺

1.重慶三峽醫藥高等專科學校，重慶 404120；2.三峽庫區道地藥材開發利用重慶市重點實驗室，重慶 404120；3.河南省洛陽市洛龍區農林技術推廣站，河南洛陽 471023；4.成都大學，四川成都 610106

佛手為我國傳統的藥食兩用藥材，是我國常見的熱帶、亞熱帶植物，同時也可作為園林植物，具有疏肝理氣，和胃止痛，燥濕化痰，一般用于肝胃氣滯，胸脅脹痛，胃脘痞滿，食少嘔吐，咳嗽痰多[1-2]。佛手來源于蕓香科植物佛手（Citrus medica‘Fingered’）的干燥果實[1-2]。佛手中主要的化學成分為多糖類、黃酮類、揮發油、香豆素、無機元素、氨基酸及維生素等[3-5]。目前對佛手的研究多局限在提取分離、化學成分、藥效物質等方面，而施肥對佛手產量和品質的研究尚無相關報道[3-5]。本研究在萬州長坪鄉中興村試驗基地進行，利用N、P、K三因子進行不完全區組正交設計田間試驗，采集同一時期的田間試驗材料進行品質測試分析，并根據試驗結果對萬州佛手栽培中的N、P、K肥配方與單果產量和品質變化進行研究，初步建立二者之間的數據模型，根據最優模型進行驗證，為探討萬州栽培佛手的施肥規律及其高產優質栽培提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 材料與地點 供試材料為栽培3年的佛手植株，種植面積約為6.67×105m2。試驗地點在萬州區長坪鄉中興村。長坪鄉屬亞熱帶季風氣候；地處丘陵，地勢東高西低；種植區域海拔為350 m；年平均氣溫為 23.9℃，年平均生長期為220 d，年平均無霜期為 300 d；年平均日照時數為1275 h；年平均降水量為1100 mm。土壤為紅壤，有機質為55.32 g/kg，全氮為3.17 g/kg，硝態氮為 35.84 mg/kg，全磷為 0.54 g/kg，有效磷為9.54 mg/kg，全鉀為 26.35 g/kg，有效鉀為99.65 mg/kg。佛手主要物候期如下：佛手從春季芽萌動到秋梢生長停止，冬季部分老葉脫落，生長期結束，最后進入休眠或半休眠狀態。生長期與休眠期的長短因各地氣溫條件不同而有差異。本地產區一年四季開花、三季結果，生長期為2—11月，主要花期以4月為主，果期以7—8月為主，停止生長的時間只有3個月左右。

1.1.2 主要儀器與試劑 主要儀器：島津LC-30A高效液相色譜儀、EL-204電子天平、J-HH-6A精密數顯恒溫水浴鍋、惠源HY-5000反滲透全膜法設備-純水生產設備。主要試劑：乙腈和甲醇色譜純試劑購自霍尼韋爾貿易(上海)有限公司）；橙皮苷標準品購自中國藥品生物制品檢定所，乙醇和甲醇等分析純試劑購自川東化工（集團）有限公司，氮肥（尿素）和鉀肥（氯化鉀）購自重慶江北化肥有限公司，磷肥（過磷酸鈣）購自重慶江北磷肥廠。

1.2 方法

1.2.1 試驗設計 根據農業農村部下發的“測土配方施肥技術規范（試行）”中推薦的“3414”不完全區組正交設計的N、P、K三因子施肥試驗方案[6-8]，即：設 N、P、K 3個因素，每個因素 4個施肥水平，共 14個處理的肥料試驗設計方案（表1），試驗設3次重復。栽種株行距為200 cm×200 cm，每個處理小區面積為6 m×6 m（共9株）。肥料用量按照表1中的試驗設計方案，采用單株施肥量，不施有機肥，氮肥（尿素）50%作基肥，50%作追肥；磷肥（過磷酸鈣）全部作基肥一次性施用；鉀肥（氯化鉀）60%作基肥，40%作追肥[6-8]。基肥在當年 12月施入，追肥在第二年 4月施入[6-8]。

采收期選擇同一季節開花、同一季節成熟的果實，采收后，稱重測得單果的平均鮮重，然后切片烘干，測果實的平均干重；按照《中國藥典》2020版一部，高效液相色譜法（通則0512）測定佛手中橙皮苷的含量。具體方法如下：以十八烷基硅烷鍵合硅膠為填充劑；以甲醇-水-冰醋酸（33∶63∶2）為流動相；檢測波長為284 nm[2]。理論板數按橙皮苷峰計算應不低于5000；取橙皮苷對照品適量，精密稱定，加甲醇制成濃度為15 μg/mL的溶液，即得對照品溶液；取本品粉末（過五號篩）約0.5 g，精密稱定，置具塞錐形瓶中，精密加入甲醇25 mL，稱定重量，加熱回流1 h，放冷，再稱定重量，用甲醇補足減失的重量，搖勻，過濾，取續濾液，即得供試品溶液[2]；分別精密吸取對照品溶液與供試品溶液各 10 μL，注入液相色譜儀測定[2]。

1.2.2 驗證試驗 根據最優施肥效應模型，取N、P、K施肥區間的中間值作為施肥量進行驗證試驗，主要進行干果單重和橙皮苷含量的檢測。

1.3 數據處理

試驗數據采用Excel軟件和SPSS 19.0軟件等進行一元二次、二元二次、三元二次回歸統計分析。

2 結果與分析

2.1 不同配方佛手單果干重分析

由表1可知，在不施肥情況下佛手單果干重最低，不同施肥水平均能不同程度提高佛手單果干重，除了第8、第13、第14水平因子處理差異不顯著外，其他處理項均有顯著差異（P＜0.05），其中 N2P2K2處理單果干重最高，為(202.45±0.058)g，與 N0P0K0相比增產 34.78%。不同施氮水平（N1、N2、N3）佛手平均單果干重分別為186.32、190.22、194.21 g，與不施氮水平相比分別增產 24.04%、26.63%和 29.29%；不同施磷水平（P1、P2、P3）佛手單果平均干重分別為185.83、190.50、195.47 g，與不施磷肥處理相比分別增產23.71%、26.82%和30.13%；不同施鉀水平（K1、K2、K3）佛手單果干重分別為 181.87、192.13、198.24 g，與不施鉀肥處理相比分別增產21.08%、27.91%和31.98%。由于佛手單果干重及單株結果數量是佛手產量的主要因素，結果表明N、P、K肥均是佛手產量提高的決定因子。

2.2 不同配方佛手橙皮苷含量分析

由表1可知，在不施肥情況下，佛手中橙皮苷含量最低，為0.0306%，施用不同水平的N、P、K肥料后，均能不同程度地提高佛手中橙皮苷的含量，但含量差異較大，除第 8、第 9水平因子處理差異不顯著外，其他處理均有顯著差異（P＜0.05）。N、P、K肥最佳配比為 N2P2K2時，佛手中橙皮苷的含量最高為 0.0412%，比不用肥處理提高34.64%。不同施氮水平（N1、N2、N3）佛手中橙皮苷含量為 0.0366%、0.0362%、0.0392%，與不施氮水平相比分別增加 19.61%、18.30%、20.06%；不同施磷水平（P1、P2、P3）佛手中橙皮苷含量為 0.0363%、0.0366%、0.0364%，與不施磷肥處理相比分別增加18.63%、19.61%、18.95%；不同施鉀水平（K1、K2、K3）佛手中橙皮苷含量為 0.0343%、0.0374%、0.0384%，與不施鉀肥處理相比分別增加12.09%、22.22%、25.49%。因此，N、P、K肥均能明顯提高佛手中橙皮苷的含量，不同的N、P、K肥水平和N、P、K肥水平組合均對提高佛手中橙皮苷的含量有所不同。

表1 不同配方佛手產量和質量Tab.1 Yield and quality of C.medica ‘Fingered’ of different treatments

2.3 佛手施肥模型的建立與分析

2.3.1 佛手單果干重和橙皮苷含量的三因素效應分析 利用二次回歸分析，形成了佛手大田條件下N、P、K肥與佛手單果干重和橙皮苷含量的三元二次肥料效應函數模型（表2）。由表2可知，佛手中單果干重與施肥量之間有極顯著回歸關系，三元二次肥料效應函數模型方程中的常數項與不施肥處理相比數值相近（不施肥為150.2100，常數項為149.4183），說明模型擬合效果好，為佛手N、P、K肥的合理配比及產量預測具有較好的指導作用。從函數方程中可看出，佛手單果干重肥料效應函數方程中，N肥與P肥交互效應系數為正值，而N肥與K肥、P肥與K肥的交互效應系數為負值，說明以單果干重為研究對象，N肥與P肥之間存在正交互效應，而N肥與K肥、P肥與K肥之間存在負交互作用，則佛手單果干重隨施肥量的增加而呈現漸減率緩慢增加的趨勢。

表2 三元肥料效應函數及顯著性檢驗Tab.2 Ternary fertilizer effect function and significance test

佛手中橙皮苷含量與施肥量之間也存在顯著回歸關系，并且三元二次肥料效應函數模型方程中的常數項與不施肥處理相比數值相近（不施肥為0.0306%，常數項為0.0304%），以萬州種植佛手中橙皮苷含量為考察對象，擬合效果較好。萬州種植佛手橙皮苷含量肥料效應函數方程中，一次項系數中的N肥為負值，而P肥和K肥均為正值、二次項系數為負值。同時N、P肥和K肥的交互效應系數也有差別，N肥和P肥之間存在負交互效應，而N肥和K肥與P肥和K肥之間存在正交互效應。

2.3.2 佛手單果干重和橙皮苷含量單因素效應分析 以佛手單果干重和橙皮苷含量為研究對象，經單因子效應分析，得到佛手單果干重及橙皮苷含量的一元二次肥料效應函數模型（表3）和曲線圖（圖1）。

從圖1可看出，N、P肥曲線圖呈現先升后降的趨勢，說明 N、P肥存在最佳施肥量。從佛手單果干重及橙皮苷含量回歸方程可看出（表3），除了K肥對佛手中橙皮苷含量為正值外，N、P、K肥的二次項系數均小于0，說明拋物線向下基本符合生物學規律，回歸模型真實。從佛手單果干重和橙皮苷含量一元二次肥料效應函數模型一次項系數得出，肥料因子對佛手單果干重影響從大到小依次為N＞P＞K，對佛手中橙皮苷含量影響從大到小依次為P＞N＞K。以最大產量為指標，以佛手單果干重和橙皮苷含量一元二次單因素效應方程計算分析，佛手單果干重N、P、K肥的最佳施肥量分別為52.21、41.78、61.93 g/株，佛手橙皮苷N、P、K肥的最佳施肥量分別為44.44、34.88、49.50 g/株。

表3 一元肥料效應函數及顯著性檢驗Tab.3 Univariate fertilizer effect function and significance test

圖1 單因素影響下單果干重和橙皮苷含量變化Fig.1 Changes of dry weight and hesperidin content of single fruit under the influence of single factor

2.3.3 N、P、K二因素效應分析 以佛手單果干重和橙皮苷含量為研究對象，得到佛手單果干重和橙皮苷含量的二元二次肥料效應函數模型（表4）和二因子的曲線圖（圖2）。由表4和圖2可知，因素處理并非僅僅表現出肥料因素簡單的加和作用，同時還存在肥料因素之間的協同促進作用和拮抗作用。以萬州引種佛手單果干重為指標，N肥因素中的任意一個處于2水平時，隨著另外2個因素施肥量的增加，佛手單果干重均表現為先增加后減少的趨勢，說明任意2個因素在一定范圍內存在著相互作用；以佛手中橙皮苷含量為指標時，當N、P、K肥處于2水平時，佛手中橙皮苷含量同樣也表現出先增加后減少的趨勢，所以在一定范圍內也表現出相互作用。

圖2 肥料對佛手單果干重和橙皮苷含量兩因素互作效應三維圖Fig.2 Three dimensional interaction effect of fertilizer on dry weight and hesperidin content of bergamot fruit

表4 二元肥料效應函數及顯著性檢驗Tab.4 Binary fertilizer effect function and significance test

2.3.4 模型的優化方案 本研究對佛手單果干重和橙皮苷含量經驗模型進行優化，按照試驗條件的一般規律，產量越高，有效成分的含量越高，從佛手單果干重和橙皮苷含量模型上常用求最大值的方法來優化模型，然而，從佛手單果干重和橙皮苷含量模型上看，佛手單果干重和橙皮苷含量最大值僅僅是理論值，但在生產實際中出現的概率較低，因此一般不采用求佛手單果干重和橙皮苷含量最大值的方法來優化模型，而是利用頻次分析方法進行模型的優化。按照佛手單果干重和橙皮苷含量“3414”試驗，共有 43=64方案。其中，根據佛手單果干重和橙皮苷含量肥料效應模型分析，采用數學求導法計算出萬州種植佛手最佳施肥量，對產量和有效成分含量進行頻次分析，結果顯示佛手單果干重在181.25 g以上的方案有36個，佛手中橙皮苷的含量在0.0351%以上有32個，綜合佛手單果干重和佛手中橙皮苷的含量的結果，對佛手單果干重和橙皮苷含量進行模擬優化尋優，選擇有效方案28個，肥料試驗編碼取值分布情況見表5。

從表5可看出，佛手種植大田試驗 N、P、K肥的最佳施肥量分別為38.78~51.25、35.67~42.35、48.17~60.37 g/株。可見，N、P、K肥的施用比例并非固定不變，而應根據土壤的基礎肥力適當調整，才能達到佛手單果干重和佛手中橙皮苷含量的最大化。

表5 產量與質量的頻率分析及優化方案Tab.5 Frequency analysis and optimization scheme of yield and quality

2.3.5 最優方案的驗證試驗結果 根據最優施肥效應模型，取N2P2K2施肥區間的中間值作為主要最優值進行驗證，驗證結果見圖3和圖4。由圖3和圖4可看出，在最優施肥模型條件下，栽培佛手的產量和橙皮苷含量均比“3414”組高。單果干重產量較“3414”組的最高產量高出 8.14%，橙皮苷含量較“3414”最高組高出 1.94%，說明最優配方施肥模型合理。

圖3 最優施肥模型單果干重比較Fig.3 Comparison of dry weight of single fruit in optimal fertilization model

圖4 最優施肥模型橙皮苷含量比較Fig.4 Comparison of hesperidin content in optimal fertilization models

3 討論

研究表明，佛手N、P、K配合施肥能夠明顯增加萬州佛手單果干重和佛手中橙皮苷含量，可在實際操作過程中，由于種植藥農觀念上的差異，造成肥料施用過程中有所偏好，造成產量和品質的下降，制約了萬州佛手產業的發展。

已有研究表明，氮肥能促使樹木繁茂，增加葉綠素，補充植物成長的營養；磷肥能促使植物莖枝堅韌、促花芽形成和開花、果實早熟，提高植物的抗寒抗旱能力[6-8]；而鉀肥能促使植物的莖干強健，提高植物抗病、抗蟲、抗旱、抗倒伏的能力，使其根系發達，提高果實的品質。佛手單果干重和器官的分化、發育及光合產物的分配和積累密切相關，了解其形成規律與N、P、K之間的關系是進行合理肥效調控，實現穩產、高產的基礎[6-8]。本研究結果表明，N、P、K肥對萬州種植佛手單果干重和橙皮苷含量有影響，在萬州種植佛手生長和發育過程中N肥是主要限制因子，其含量決定著營養物質的合成，同時P肥和K肥也能協助萬州種植佛手光合作用產物到營養器官的運輸，使萬州種植佛手產量增加，品質提高，與N、P、K肥料的作用相符。驗證實驗表明，佛手單果干重產量較“3414”組的最高組高出8.14%，橙皮苷含量較“3414”組的最高組高出1.94%。說明最優配方施肥模型合理，這對佛手的大田栽培具有一定的實踐指導作用。

藥用植物的品質形成與藥用植物中有效成分的含量高低有關。天然黃酮類化合物多以苷類形式存在，橙皮苷是黃酮類化合物，而黃酮苷的形成多以可溶性糖為基礎[6-8]。佛手中水溶性浸出物中含有較多的可溶性糖類，這說明可溶性糖類與佛手中總黃酮的合成可能直接有關[6-8]。土壤養分缺乏或不平衡可能影響佛手中可溶性糖的合成，從而降低佛手中橙皮苷的含量，平衡施肥促進佛手中可溶性糖的合成，從而提高了佛手中橙皮苷的含量[6-8]。本研究結果表明，不施 N、P、K肥能顯著降低萬州種植佛手中橙皮苷的含量，N、P、K三因子中兩因子存在著交互效應，對佛手中橙皮苷的含量有一定的影響。