生態因子對林地參和農田參質量差異的影響

摘要：生態環境是導致林地參和農田參質量差異的重要影響因素，以林地參和農田參中人參皂苷含量為指標分析其質量差異，測定根際土壤理化性質，并對測定結果進行相關性、多元逐步回歸、變異系數、偏最小二乘法判別和層次分析法綜合評價。結果顯示，林地參和農田參中人參皂苷含量及其根際土壤理化性質差異顯著；變異系數分析顯示，農田參中大部分生態因子指標變異系數大于林地參；相關性、多元逐步回歸和偏最小二乘法判別分析顯示最高氣溫、最低氣溫、pH、堿解氮、有效磷等土壤因子與人參皂苷的相關性顯著；層次分析結果顯示，不同栽培模式的土壤質量差異顯著。多項統計結果表明，最高氣溫、最低氣溫、pH是影響人參皂苷含量的主要因子，其次為堿解氮、有效磷和土壤含水量。以上結果表明，最高氣溫、最低氣溫、pH、堿解氮、有效磷和土壤含水量是影響林地參和農田參質量的重要原因，研究結果為解析人參質量形成和種植生產提供理論依據。

關鍵詞：林地參；農田參；人參皂苷；生態因子；質量評價

doi：10.13304/j.nykjdb.2023.0081

中圖分類號：S567.5+1 文獻標志碼：A 文章編號：1008‐0864（2024）09‐0213‐11

人參（Panax ginseng C. A. Mey.）為五加科多年生宿根植物，是東北三寶之一，主產于吉林、遼寧、黑龍江等地，具有大補元氣、安神益智、生津養血的功效[1-2]。人參的栽培種植歷史悠久，我國傳統栽培人參的方式是伐林栽參，這種栽參模式不僅生產效率低下，且對森林環境造成極大破壞[3]。在1998年國家啟動的天然林保護工程中被明令禁止伐林栽參，栽參的方向進而轉向農田栽參與林下栽參[4]。

土壤質量是影響藥用植物品質的重要因素，土壤能為植物提供生長發育所必需的營養元素，而營養元素對植物的生長發育、感病性和抗病性等均有影響。人參主要生長于濕潤、少光、通風良好、腐殖土層較厚的陰坡密林下，弱酸性、營養充足的疏松土壤環境有益于人參生長和干物質積累[5]。林地土壤由于多為森林土，養分充足，因而林地栽培的人參質量高、產量也高；農田土壤存在總孔隙度偏小、土壤容重偏大、有機質和營養元素含量偏低等弊端[6]，對生產高品質和高產量人參造成諸多限制[7]。

土壤養分含量直接影響人參產量和品質。蘭藝鳴等[8]研究發現，人參皂苷Rg1對土壤化學性質響應較強，土壤中的鉀可以促進人參光合產物的運輸轉化，并增強人參莖的韌性使之不易倒伏，還能增加人參根部淀粉和糖的積累[9]。因此，人參的品質不僅取決于其本身的遺傳特性，還與其生長的生態環境和栽培方式有關。在生態環境保護和人參產業可持續發展理念下，農田栽參逐漸成為人參產業的主要發展模式，探究高品質人參的栽培模式在實現友好、協調的綠色轉型發展和農業提質增效等方面有重要的現實意義。目前，評價土壤肥力指標的選擇大多局限于土壤大量元素養分[10-12]，而土壤結構和氣候條件對人參質量也有重要影響，因此，本研究通過分析林地和農田栽培的人參（下分簡稱“林地參”和“農田參”）中人參皂苷Rg1、Re、Rb1和總皂苷含量以及相應栽培環境的氣候因子和土壤因子，揭示人參皂苷積累對生態因子的響應規律，為解析人參質量形成和種植生產提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗地位于遼寧省丹東市寬甸滿族自治縣，屬溫帶半濕潤季風氣候，年均氣溫7.1 ℃，四季分明，光照充足，雨量充沛，年均降水量1 100 mm，年均無霜期135 d，平均海拔400 m。研究區分別位于鎮江鎮、太平哨鎮、下露河和青椅山鎮，2021年5—10月人參生長期氣候因子數據如圖1所示，來自中國氣象科學數據共享服務網數據查詢系統（https：//data.cma.cn/data）。

1.2 樣品的采集與指標測定

試驗所用的人參來自同一種質，均為5年生林地參（L1～L3）和農田參（N1～N3），樣品于2021年10月20日采集，五點取樣法采集人參樣品，每個試驗地均采集10～20株人參樣品。將人參整個根系完整采挖，收集根周圍土（與主根距離≤5 cm），除去根際土壤中的植物殘體、雜草和石塊等，分組裝入無菌自封袋。采集后的人參樣品根據生長狀況、鮮重大小等條件篩選出長勢良好、個體差異較小且無病蟲害的3株用去離子水沖洗除去泥沙，濾紙吸去表面水分，用于性狀和人參皂苷含量分析；剩余部分用濾紙吸去表面水分后置封口袋中存于4 ℃冰箱備用。樣品具體信息見表2，所有人參樣品經長春中醫藥大學陳長寶教授鑒定均為五加科植物人參。

1.3 指標的測定

采用電位法（水土比為2.5∶1）測定土壤pH，使用電導率儀測定土壤電導率，采用高效液相色譜法（high performance liquid chromatography， HPLC）測定人參皂苷Rg1、Re和Rb1的含量[13]，人參總皂苷和土壤水分含量測定方法參照2020版《中國藥典》[1]。土壤容重（bulk density，BD）、有機質（organic matter，OM）、堿解氮（N）、速效磷（P）、速效鉀（K）、有效硅（Si）、有效鐵（Fe）、全量鈦（Ti）和活性鋁（Al）的含量測定方法參照《土壤農化分析》[14]；鋰（Li）、釩（V）、鉻（Cr）、鉬（Mo）、鋇（Ba）、鎳（Ni）、銅（Cu）、鋅（Zn）、鉛（Pb）和鎘（Cd）的含量測定參照楊瑋瑋[15]的方法；砷（As）和汞（Hg）的含量測定參照王昌宇等[16]的方法；鈷（Co）、錳（Mn）和銻（Sb）的含量測定參照何芳[17]的方法；鈣（Ca）和鎂（Mg）的含量測定參照段勤等[18]的方法；錫（Sn）的含量測定參照鄒福林[19]的方法。所有樣品指標均測定3個生物學重復。

1.4 數據分析

使用Excel 2016對原始數據進行整理，通過GraphPad Prism 8.2 進行繪圖，使用IBM SPSSStatistics 21.0軟件進行分析，使用SIMCA 14.1進行偏最小二乘法判別（partial least squaresdiscriminant analysis， PLS-DA）分析。

2 結果與分析

2.1 林地參和農田參外觀性狀及人參皂苷含量分析

林地參和農田參的外觀存在一定的差異（圖2），林地參的人參須根數量明顯多于農田參，且3組林地參樣品的參紋較3組農田參樣品明顯；林地參主根上均未生長側根，農田參組主根在不同程度上生長有側根。

2020版《中國藥典》[1]規定，人參主要藥效檢測指標為Rg1+Re 不少于0.30%，Rb1 不少于0.20%，因此本研究主要分析以上3種皂苷以及總皂苷含量。由圖3 可知，農田參與林地參Rg1、Re、Rb1和總皂苷含量均差異顯著（Plt;0.05），農田參Rg1含量高于林地參，林地參Re、Rb1和總皂苷含量均高于農田參。

2.2 根際土壤物理特性分析

2.2.1 水分含量

土壤水分能夠影響土壤通氣性、營養物質的有效性以及植物的光合能力，因此其能夠直接或間接影響植物根系的生長發育[9]。由圖4可知，不同樣品的根際土壤含水量表現為L2gt;L1gt;L3、N1gt;N2gt;N3，其中L3與N1之間差異不顯著。

2.2.2 容重

土壤松實狀況可以通過土壤容重來反映，容重越大，土壤越緊實，容重越小，土壤越疏松多孔，人參生長需要根區土壤疏松的物理狀態[6]。由圖5可知，N3的根際土壤容重最大，L2的根際土壤容重最小；其中，L1與N1之間、L3與N2之間的根際土壤容重差異不顯著，其他各樣品根際土壤容重之間差異顯著（Plt;0.05）。

2.3 根際土壤化學特性分析

2.3.1 酸堿度

土壤pH可以直觀地反映土壤酸堿度變化，其通過影響土壤養分的存在形態、有效性、轉化及土壤生物活性從而間接影響土壤肥力[12]。由圖6可知，各樣品的根際土壤pH表現為N1

2.3.2 電導率和有機質

土壤電導率可以反映土壤鹽分高低，土壤鹽分越高，電導率越大，但過高的鹽分不利于植物吸收營養元素，進而阻礙植物正常生長發育[20]。由圖7可知，各樣品根際土壤電導率表現為N1、N3gt;L2＞N2gt;L3、L1，其中L1與L3之間、N1與N3之間差異不顯著。

土壤中的有機質是土壤中各種營養元素的重要來源，是“土壤養分儲藏庫”，在改善土壤理化性質、保證植物正常生長方面有著重要作用[8]。各樣品根際土壤有機質表現為L2gt;L1gt;L3、N1gt;N3、N2，其中L3與N1之間差異不顯著，N2與N3之間差異不顯著。

2.3.3 元素含量

土壤中無機元素不僅可以影響植物的根系營養及生理代謝活動，還可以影響藥用植物化學成分的形成和積累[8]。農田參和林地參根際土壤元素含量如圖8所示，Co、P、Zn、Ca、V、Cr、Mg、K、Mn、Ti、Fe 和Hg 的含量均為N3 最高，As、Pb、Mo、Cd和Sb的含量均為L3最高，表明N3和L3處理是無機元素相對富足的樣地。

2.4 人參皂苷含量和生態因子的變異系數分析

變異系數是衡量觀測值變異程度的統計量，變異系數能表明研究對象分析指標的均勻程度。變異性評價標準為變異系數在0%～15%、16%～35%和35%以上分別表示弱變異、中等變異和強變異[20]。由表2可知，林地參和農田參皂苷Rg1、Re、Rb1和總皂苷含量均為弱變異。農田參中大部分生態因子指標變異系數大于林地參；林地參的生態因子指標中K的變異系數最低，為0.21%，電導率的變異系數最高，為82.04%；農田參的生態因子指標中人參皂苷Re 的變異系數最低，為3.36%，Si的變異系數最高，為96.56%。

2.5 生態因子與人參皂苷含量的相關性分析

生態因子與人參中皂苷含量的相關性分析如圖9所示，Ba、最高氣溫、pH、最低氣溫、P、土壤含水量、Li和N與人參皂苷含量相關性顯著（Plt;0.05）。

2.6 人參皂苷含量與生態因子的多元逐步回歸分析

在相關性分析的基礎上，使用逐步回歸分析將不顯著變量剔除，將35個本試驗分析的生態因子作為自變量，分別為Li（X1）、Co（X2）、Ni（X3）、Cu（X4）、As（X5）、Sn（X6）、Sb（X7）、Mg （X8）、Si（X9）、Ca（X10）、Zn（X11）、Ba（X12）、K（X13）、Al（X14）、Ti（X15）、Fe（X16）、Mo（X17）、V（X18）、Cr（X19）、Mn（X20）、Pb（X21）、Cd（X22）、Hg（X23）、土壤含水量（X24）、N（X25）、P（X26）、pH（X27）、電導率（X28）、容重（X29）、有機質（X30）、10 月最高氣溫（X31）、10 月最低氣溫（X32）、10 月平均氣溫（X33）、10 月平均濕度（X34）、10 月平均降水量（X35），人參皂苷Rg1、Re、Rb1 和總皂苷為因變量，得到回歸方程（表3）。由表3 可見，人參皂苷與各生態因子呈現良好的多元相關性，回歸模型相關系數rgt;0.5，表明多元逐步回歸的方法可較好地模擬人參皂苷與各生態因子之間的關系。

對多元逐步回歸所確定的生態因子進行通徑分析，可以進一步明確其對人參皂苷含量作用的大小，由表4可知，Rg1與K、Fe、N呈顯著負相關，Re與最高氣溫、最低氣溫呈顯著正相關，Rb1與最低氣溫呈顯著正相關，總皂苷與最高氣溫呈顯著正相關，與相關性分析的結果一致。

2.7 偏最小二乘法判別分析

使用有監督的偏最小二乘法判別分析（PLSDA）模型[21]分析6個樣地生態因子差異，結果如圖10A所示，6個人參種植樣地生態因子在95%的置信區間內具有一定的差異，依據6個點的位置分布，林地參與農田參種植樣地可很好地被區分為2類。

VIP值指的是重要性投影值，變量的VIP值越大，表明對樣品分類貢獻越大[22]，一般認為變量VIP≥1時該變量對于分組區分的貢獻率較大，是組間的特征性成分[23]。由圖10B可知，最高氣溫、最低氣溫、pH、N、P和土壤含水量的VIP值＞1，說明上述氣候和土壤指標是區分人參種植樣地環境差異的主要影響因素，同時也是影響林地參與農田參質量差異的重要因素。最高氣溫的VIP值最大，為1.647，說明在分析的指標中最高氣溫的貢獻最大。

2.8 層次分析法綜合評價分析

層次分析法（analytic hierarchy process，AHP）是一種實用性強、計算過程簡便以及多準則的科學決策方法[24]。根據前期測定土壤中各指標對植物生長發育的重要程度[25]，進行權重指標量化，將其分為5個層次，土壤水分、有機質、pH和生長發育必需的大量營養元素（N、P、K）歸類為T1并將其相對重要性計為1分，電導率、容重和中量營養元素（Ca、Mg）歸類為T2并計為3分，微量營養元素（Fe、Mn、Zn、Cu、Mo、Ni）歸類為T3并計為5分，非生命活動必需元素的有益元素（Al、Ti、Si、Co、V、Li）歸類為T4并計為7分，非生命活動必需甚至對生長發育有害的元素（Hg、Cd、Pb、Sn、Sb、Cr、Ba、As）歸類為T5并計為9分，構建成對比較的優先判斷矩陣（表5）。

通過層次分析方法計算公式算得不同土壤指標的權重系數，T1為0.151 2，T2為0.050 4，T3為0.030 2，T4為0.021 6，T5為0.016 8。隨機一致性比率=0lt;0.1，可以認為計算所得層次排序權重是正確、合理的。使用AHP層次分析軟件對土壤質量評價指標的含量和權重系數進行分析評價，結果如表6所示，綜合評分結果表明， 林地參和農田參土壤指標存在差異。

3 討 論

本研究以林地參和農田參中人參皂苷含量為指標分析其質量差異，并測定林地參與農田參栽培環境的生態因子數據進行相關性、逐步回歸、PLS-DA 和AHP 綜合評價分析，從多個角度闡釋了氣候因子和土壤因子對林地參與農田參皂苷含量的影響。溫度對人參皂苷的積累具有重要作用，楊林林[26]研究發現，溫度對人參根中皂苷合成關鍵酶基因的表達有促進作用；Zhang等[27]研究發現，短期的低溫脅迫可以提高人參皂苷合成關鍵酶基因的表達水平。不同pH條件下土壤養分以不同的化學形態存在，進而影響植物對土壤養分的吸收利用，在pH 6～7的條件下，土壤養分的有效性最好，最有利于植物生長[9]。N和P是維持作物生長必需的重要礦質營養元素，N可以促進植物生長、幫助群體發育及調節水分利用率，P在植物新陳代謝和遺傳信息傳送方面起著重要作用[14]。土壤中的水分可影響土壤通氣性、營養物質的有效性、細胞膨壓和植物的光合能力，直接或間接地影響植物根系的生長發育[14]。本研究綜合多項數學統計結果發現，最高氣溫、最低氣溫、pH是影響人參皂苷含量的主要因子，N、P和土壤含水量是次要因子，Ba和Li的影響作用未得到一致性支持。藥用植物的品質是多種生態因子共同作用的結果，各生態因子相互影響，協同發揮重要作用，生態因子通過調控合成途徑關鍵酶基因表達促進人參皂苷的生物合成，本研究篩選得到的主要影響因子是影響林地參和農田參質量差異的重要原因，為解決農田地栽培人參的技術瓶頸問題和實現高質量農田參規范化生產提供理論指導。人參皂苷的生物合成受到遺傳和環境因素的共同影響，后續可進一步開展人參皂苷生物合成途徑的相關研究，進一步揭示人參藥材質量形成機制。

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基金項目：國家自然科學基金青年基金項目（82204556）；吉林省科技發展計劃項目（YDZJ202303CGZH011）；吉林省自然科學基金項目（YDZJ202201ZYTS276）；長春中醫藥大學創新創業訓練計劃項目；吉林省科技發展計劃項目（YDZJ202101ZYTS012）；第五批吉林省青年科技人才托舉工程項目（QT202117）；吉林省重大科技專項（20200504003YY）。