不同土壤改良物料對連作黃芩生長及土壤酶活性的影響

摘要：為探究不同土壤改良物料對連作土壤酶活性和黃芩生長的影響，采用室內盆栽試驗，設置不添加改良物料（CK）和分別添加生物炭（T1）、腐殖酸（T2）、腐殖酸+生物炭（T3）、蚯蚓糞（T4）、蚯蚓糞+生物炭（T5）共6個處理，對未種植黃芩（Y0）和連作黃芩3年（Y3）2種土壤的黃芩農藝指標及土壤酶活性進行比較。結果表明，Y0條件下，僅T5處理的黃芩地上部生物量顯著大于CK，并且5種土壤改良處理的黃芩根部生物量與CK均無顯著差異；Y3條件下，除T2處理外其他處理的黃芩地上部、根部生物量較CK均顯著提升。2種土壤條件下，T5處理對黃芩總氮含量的提升效果最好，T4處理對磷和鉀含量的提升效果最好；T3處理下土壤蔗糖酶活性增幅最大，T1處理下堿性磷酸酶活性增幅最大。Y0條件下，T4處理的脲酶活性較CK顯著提升，各處理的過氧化氫酶活性均顯著降低；Y3條件下，僅T2處理的脲酶活性顯著提升，T1處理的過氧化氫酶活性顯著降低。Y0條件下，黃芩氮磷鉀含量主要與蔗糖酶、脲酶活性顯著相關；而Y3條件下的黃芩氮磷鉀含量主要與脲酶、過氧化氫酶活性顯著相關；同時，Y3條件下T5處理與黃芩氮磷鉀含量、土壤蔗糖酶活性相關性更強。綜上所述，T1、T5處理均可提升Y3條件下黃芩的生物量和氮磷鉀含量，同時添加生物炭對連作土壤酶活性均有顯著影響；T5處理對緩解黃芩多年連作障礙有顯著效果。以上研究結果為緩解黃芩連作障礙、提升黃芩質量提供了理論依據。

關鍵詞：黃芩；連作障礙；生物炭；腐殖酸；蚯蚓糞

doi：10.13304/j.nykjdb.2022.0981

中圖分類號：S567.23+9 文獻標志碼：A 文章編號：1008?0864（2024）07?0189?10

我國是中藥發源地，目前有大約1.2萬種藥用植物，中藥生產是我國農業經濟的重要產業之一。近年來，由于種植成本和耕地條件的限制，中藥生產的連作和復種面積越來越大[1]。藥用植物的連作障礙成為種植中的突出問題，我國栽培藥材中60% 的根藥材連作障礙尤為嚴重[2]，即使在正常的栽培管理條件下，連作也會導致土壤環境惡化，影響藥用植物的生長，導致植物矮化、光合作用減弱，嚴重影響藥用植物產量及品質[3-5]。連作障礙已成為制約我國中藥生產可持續發展的因素之一，因此改善土壤環境對于藥用植物的種植尤為重要。

黃芩（Scutellaria baicalensis Georgi）為唇形科黃芩屬植物，是我國常用大宗中藥材之一，具有清熱燥濕、涼血解毒、止血安胎的功效，其野生種為國家三級保護野生藥材種[6?7]，在中國已有2 000多年藥用歷史[8]。近年來，隨著黃芩人工栽培面積的迅速擴大，連作障礙成為黃芩產量和質量下降的主要原因之一。金毅力[9]發現，黃芩具有化感自毒作用，其根系分泌物（包括黃芩苷）對自身生長具有顯著的自毒作用。土壤中的蔗糖酶、過氧化氫酶、脲酶和磷酸酶等與土壤肥力和作物產量之間相關性較為密切[10]。由于長期連作導致土壤理化性質、養分含量和酶活性降低，從而抑制植物生長[4]。

添加土壤改良物料有利于緩解黃芩連作障礙，具有重要實踐意義。研究表明，生物炭、腐殖酸和蚯蚓糞等土壤改良材料對緩解連作障礙有積極影響[11-14]。生物炭的比表面積大，吸附能力強，能夠提高土壤碳儲量和肥力，可以固定和轉化土壤中的有機污染物和重金屬[11]；腐殖酸是土壤中重要的有機成分，能改善土壤理化性質、土壤肥力和土壤生物活性[12]；蚯蚓糞富含有機質、腐殖酸等養分，能提高土壤透水性、保水性，調節土壤結構，改善土壤特性[13?14]。不同土壤改良材料對黃芩連作土壤和其生長的研究尚鮮見報道。本研究通過施用生物炭、腐殖酸、蚯蚓糞對未種植黃芩和連作3年黃芩土壤種植的黃芩地上部和根部生物量、植株氮磷鉀以及4種土壤酶活性進行測定，探究不同土壤改良劑處理對黃芩連作土壤的改良效果，以期為緩解黃芩連作障礙提供依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

盆栽試驗所用土壤為中壤性肉桂土，采集地點為安國市西趙村黃芩種植場（39°1′N、115°8′E）。土壤基礎性質如下：①未種植過黃芩的土壤（Y0），前茬作物為玉米，土壤pH 8.82，水溶性鹽總量為1.28 g·kg-1，速效磷含量為31.90 mg·kg-1，速效鉀含量為73.00 mg·kg-1，全氮含量為1.52 g·kg-1，有機質含量為16.09 g·kg-1。②連續種植黃芩3年的土壤（Y3），土壤pH 8.80，水溶性鹽總量為1.29 g·kg-1，速效磷含量為28.65 mg·kg-1，速效鉀含量為114.00 mg·kg-1，全氮含量為2.43 g·kg-1，有機質含量為15.55 g·kg-1。

試驗地點在河北農業大學西校區河北省山區研究所溫室（38°49′N、115°26′E）內進行，采用盆栽種植黃芩，塑料盆規格為內徑25 cm，底直徑13 cm，盆高15 cm。

供試植物材料為黃芩，種子采購于安國中藥材市場。供試改良劑：①生物炭，玉米秸稈生物炭；②蚯蚓糞，牛糞衍生蚯蚓糞料；③腐殖酸，腐殖酸水溶性肥料。各改良劑所含養分如表1所示。改良劑施用量：①蚯蚓糞，施用比例3∶7（肥土比）；②生物炭，18 g·盆-1；③腐殖酸，6 g·盆-1；均為產品推薦用量。

1.2 試驗設計

盆栽試驗采用未種植黃芩的土壤（Y0）和連作黃芩3 年的土壤（Y3）2 種土壤。設置6 個改良處理：不添加任何供試肥料（CK）、添加生物炭（T1）、添加腐殖酸（T2）、添加腐殖酸+生物炭（T3）、添加蚯蚓糞（T4）、添加蚯蚓堆肥+生物炭（T5）。共計12個處理，每個處理重復5次，共60盆。

土壤經風干后過2 mm土篩，然后混合均勻，每個盆放入3 kg風干土。播前土壤添加營養液作為基肥，各營養元素添加量分別為：（NH4）2SO4 944mg·kg-1、K2SO4 612.5 mg·kg-1、KH2PO4 1 100 mg·kg-1，CaCl2 126 mg·kg-1、MgSO4·7H2O 39 mg·kg-1、EDTAFeNa5.5 mg·kg-1、MnSO4·H2O 6 mg·kg-1、ZnSO4·7H2O10 mg·kg-1、CuSO4·5H2O 2.0 mg·kg-1、H3BO3 0.68mg·kg-1。土壤與養分充分混勻后，按播種量的5 倍選取完好種子，先用2.94 mol·L-1 H2O2 浸泡30 min滅菌，然后使用飽和CaSO4 溶液進行浸種并通氣12 h，完成后在濕潤濾紙上避光催芽1 d。每盆播種4～5粒種子，播種深度小于1 cm。出苗1周后，留3株定苗。試驗期間，通過稱重法（稱取盆土重量）使土壤含水量保持在田間持水量的（60%±10%），溫室平均溫度為20 °C，空氣相對濕度為44%～55%，整個生長期的光照強度為9 000 lx。播種時間為2020 年12 月6 日，試驗結束時間為2021年3月21日，共105 d。

1.3 測定指標及方法

1.3.1 黃芩生物量測定

收獲時將地上部與根部剪開，用自來水對地上部清洗后，繼續使用去離子水洗凈，然后將地上部用吸水紙擦干并放入信封中，隨后將信封放入105 ℃烘箱中殺青30 min，將溫度調為75 °C烘干至恒重，然后稱取地上部生物量（shoot biomass，ShB）和根生物量（root biomass，RB）。

1.3.2 黃芩養分指標測定

植株樣品磨碎后，黃芩植株地上部和根系樣品采用濃 H2SO4-H2O2 消煮，半自動凱氏定氮儀測全氮含量（total Ncontent，NC），釩鉬黃比色法測全磷含量（total Pcontent，PC），火焰光度計法測全鉀含量（total Kcontent，KC）[15]。

1.3.3 土壤酶活性測定

土壤蔗糖酶活性（sucrase activity，SA）、土壤脲酶活性（ureaseactivity，UA）、土壤過氧化氫酶活性（catalaseactivity，CA） 和土壤堿性磷酸酶活性（alkalinephosphatase activity，APA）均按照相應試劑盒（蘇州科銘生物技術有限公司）推薦方法測定。

1.4 數據處理。

數據采用Excel 2010 進行整理，采用SPSS26.0計算平均值和標準差，運用Duncan檢驗法檢驗數據在Plt;0.05水平的顯著性，通過雙因素方差分析檢驗物料處理、不同土壤及二者交互作用的顯著性，運用Pearson 相關系數法進行相關性分析，對各指標進行主成分分析，采用Origin 2021繪制圖表。

2 結果與分析

2.1 黃芩生物量、養分含量與土壤酶活性對處理和種植模式的響應

方差分析表明（表2），除植株鉀含量外，其他8個指標對土壤的響應均達到顯著水平（Plt;0.01）；9 個指標對物料處理的響應均達到顯著水平（Plt;0.001）；物料處理與種植模式的互作效應也在9 個指標上均表現顯著（Plt;0.05）。總體來看，黃芩植株地上部生物量、根生物量、植株氮磷鉀含量和4 種酶活性受土壤和物料處理的影響較大。

2.2 不同處理對不同連作年限土壤的黃芩生物量的影響

由圖1可知，Y0 條件下，只有T5處理的黃芩地上部生物量顯著大于CK，提升了50.99%；Y3條件下，除T2處理外其他4個處理的黃芩地上部生物量較CK均有顯著提升，其中，T1的增幅最大，提升了347.00%。Y0條件下，5個物料處理的黃芩根生物量與CK均無顯著差異；Y3條件下，除T2處理的黃芩根生物量與CK差異不顯著外，其他4個處理的黃芩根部生物量較CK均顯著提升，T3的增幅最大，提升了305.26%。

2.3 不同處理對不同連作年限土壤的黃芩養分含量的影響

由圖2可知，Y0條件下，T4與T5處理的黃芩氮含量較CK顯著升高，其中T5處理的提升效果最顯著；Y3 條件下，除T3處理外其他4個處理的氮含量較CK 均顯著提高，提升效果表現為T5、T4gt;T2gt;T1，T5的增幅最大，提升了31.35%。Y0條件下，5個處理黃芩的磷含量較CK均顯著增加，其中T4的增幅最大，增加了30.02%；Y3條件下，5個處理的黃芩的磷含量較CK均顯著增加，其中T4的增幅最大，達78.23%。Y0 條件下，T2、T3和T4處理的黃芩含鉀量較CK均顯著增加，T4處理的提升效果最為顯著；Y3條件下，除T1處理外其他4個處理的黃芩含鉀量較CK均顯著增加，T4的增幅最大，達27.97%。

2.4 不同處理對不同連作年限的土壤酶活性的影響

由圖3 可知，Y0 條件下，除T5 處理外其他4個處理的土壤蔗糖酶活性較CK均顯著提升，T3的提升效果最好，提升了98.52%；Y3 條件下，除T4處理外其他4個處理的土壤蔗糖酶活性較CK均顯著提升。Y0條件下，除T4處理外其他4個處理的土壤脲酶活性較CK均顯著降低；Y3條件下，T2 處理土壤脲酶活性較CK 顯著提升（增幅22.89%），其他4個處理的土壤脲酶活性較CK均顯著降低。Y0條件下，5個處理的土壤過氧化氫酶活性較CK均顯著降低，其中T1處理的土壤過氧化氫酶活性降幅最大，達25.44%；Y3 條件下，T1處理土壤過氧化氫酶活性較CK顯著降低，其他4個處理的土壤過氧化氫酶活性較CK均顯著提升。Y0 條件下，T5 處理土壤堿性磷酸酶活性較CK 顯著降低，其他4 個處理的土壤堿性磷酸酶活性較CK 均顯著提升，T1 處理的效果最好，達105.88%；Y3 條件下，T5 處理的土壤堿性磷酸酶活性較CK 顯著降低，其他4 個處理的土壤堿性磷酸酶活性較CK均顯著提升，T1處理的增幅最大，達538.92%。

2.5 不同處理下黃芩生理指標與土壤酶活性的相關性分析

由表3可知，Y0條件下，土壤蔗糖酶活性與黃芩氮含量呈顯著負相關，但與土壤鉀含量呈顯著正相關；土壤脲酶活性與黃芩磷含量呈顯著負相關，但與土壤鉀含量呈顯著正相關；土壤過氧化氫酶活性與黃芩磷含量呈顯著負相關；土壤堿性磷酸酶活性與黃芩氮含量呈顯著正相關。土壤堿性磷酸酶活性與蔗糖酶活性呈顯著正相關，但與過氧化氫酶活性呈顯著負相關。Y3條件下，土壤脲酶活性與黃芩磷含量呈顯著負相關；土壤過氧化氫酶活性與黃芩氮、鉀含量均呈顯著正相關；土壤堿性磷酸酶活性與黃芩磷含量呈顯著正相關；土壤過氧化氫酶活性與土壤蔗糖酶活性、脲酶活性均呈顯著正相關。在Y0或Y3條件下，黃芩的氮、磷、鉀含量任意二者之間均呈顯著正相關。Y0條件下，黃芩植株氮磷鉀含量主要與土壤蔗糖酶與脲酶活性顯著相關，但在Y3條件下，黃芩植株的氮磷鉀含量與土壤脲酶和過氧化氫酶活性顯著相關，同時黃芩植株磷含量與土壤堿性磷酸酶活性呈顯著正相關。

2.6 不同處理下黃芩生理指標與土壤酶活性的主成分分析

由圖4可知，Y0條件下，提取的前2個主成分累計貢獻率為55.19%，解釋了大部分的變異。主成分1（principal component 1，PC1）解釋了31.33% 的總變異，主要由黃芩地上部生物量、根生物量、植株鉀含量、蔗糖酶活性以及堿性磷酸酶活性構成。主成分2（principal component 2，PC2）解釋了23.86%的總變異，主要是植株氮和磷含量、脲酶酶活性以及過氧化氫酶活性構成。其中，T1、T3處理則更傾向于黃芩根生物量和堿性磷酸酶活性。

Y3條件下，提取的前2個主成分累計貢獻率為65.27%，解釋了大部分的變異。PC1 解釋了37.04%的總變異，主要是由黃芩地上部生物量、根生物量、植株氮和磷含量、堿性磷酸酶活性以及蔗糖酶活性構成。PC2解釋了28.23%的總變異，主要由植株鉀含量、過氧化氫酶活性以及脲酶活性構成。其中，T5處理更傾向于黃芩植株氮磷鉀含量以及土壤蔗糖酶活性，而T3處理則傾向于堿性磷酸酶活性以及黃芩地上部和根部生物量，T2處理則更傾向于脲酶活性。

3 討 論

3.1 不同土壤改良物料對不同連作年限土壤的黃芩生理指標的影響

本研究發現，不同土壤改良物料對Y0條件下黃芩根生物量的影響較CK均無顯著變化。可能是初次種植黃芩的土壤中抑制黃芩生長的障礙因子較少，因此土壤施入土壤改良物料對黃芩養分吸收的影響較小，導致黃芩根生物量無顯著變化。但在Y3條件下，除T2處理外，其他4個土壤改良物料處理均顯著提升了黃芩的地上部與根部生物量，其中T1處理的黃芩各部生物量均顯著提升。適量的生物炭有利于植物光合色素的合成，提高其光合能力，促進作物植株和根系的生長，增強其養分吸收和物質轉化能力，從而提高干物質積累量[16]。這也可能是導致本研究中T2處理并未使連作黃芩的生物量提升，而T3處理卻顯著提升了黃芩生物量的原因。本研究還表明，T4與T5處理均能顯著提升連作黃芩的地上部與根部生物量。蚯蚓糞對連作作物能夠直接促進其根、莖、葉的生長及生物量的積累[17?18]，其中赤霉素、細胞分裂素等植物激素可顯著促進植物生長[12， 19]。丁守鵬等[20]研究表明，由于生物炭和蚯蚓糞具有特殊的物理、化學和生物學性質，在一定范圍內施入生物炭和蚯蚓糞可以提高番茄的凈光合速率、蒸騰速率和氣孔導度等，進而促進植物的生長。

本研究發現，Y3 條件下CK的生物量較Y0 條件顯著提升，這與一般的連作障礙結果相反。出現這種現象可能是在該環境條件下，連作障礙導致黃芩生物量的提升，而黃芩藥用成分（例如黃芩苷含量）顯著降低，導致其藥用價值的降低。這有可能是部分根藥材的連作障礙的重要體現。

在Y3條件下，除T3處理外，其他4個土壤改良物料處理均顯著提升了連作黃芩的氮含量。董林林等[21]發現，生物炭和蚯蚓糞配施不僅提高了氮素的收獲指數，還有利于培肥土壤、提高養分的吸收利用。蚯蚓糞身含有較高的養分含量，且團粒結構發育良好、比表面積較大，具有較好的保肥供肥性能[22]。Y0和Y3條件下，黃芩的5個處理均顯著提升了黃芩的磷含量。T3處理能顯著提升黃芩的磷含量主要是由于添加腐殖酸可減少土壤中磷的固定，提高土壤速效磷的含量。生物炭也可減少土壤中磷的固定，促進難溶性磷的活化，影響土壤中無機磷的形態[23- 24]。同時，腐殖酸與生物質炭配合施用可以促進土壤中磷素的轉化，提高磷肥的利用率[25]，因此能夠顯著提升黃芩的磷含量。

3.2 不同土壤改良物料對不同連作年限土壤酶活性的影響

本研究表明，不同土壤改良物料對土壤酶活性的改良效果在Y0和Y3條件的改良效果不同，整體上土壤改良物料在連作土壤改良效果更好。可能是由于Y0條件的土壤酶活性較高，而Y3條件已出現連作障礙而土壤酶活性較低，因此土壤改良物料在連作土壤上的應用效果較好。其中，T2處理對土壤酶活性的提升效果最好，主要原因是首先腐殖酸中含有的羥基、羧基功能團與土壤中鈣離子發生凝聚反應，通過植物根系生理作用形成土壤的團粒結構[26-29]，導致蔗糖酶活性的增加；其次腐殖酸含有的氮素、磷素，加入土壤后使脲酶和磷酸酶的活性提高；腐殖酸能夠提高土壤有機碳含量，導致過氧化氫酶活性受到刺激。研究發現，蚯蚓糞能夠有效提升土壤酶活性，主要是因為蚯蚓糞中有多種酶，直接提升土壤酶活性活性的同時，其淀粉酶、脂肪酶和纖維素酶促進土壤中有機物的分解和養分循環，導致堿性磷酸酶等重要土壤酶活性提升[30]。但本研究發現，部分添加生物炭的處理顯著抑制了土壤酶活性。可能是生物炭顆粒對土壤酶的吸附會抑制酶的活性，另外生物炭中Cu+、Cu2+、Ni2+、Pb2+金屬離子侵入土壤，可與酶及其底物發生反應，改變酶的空間構象，從而抑制酶的活性[31]。

本研究觀察到，Y0條件下黃芩植株氮磷鉀含量主要與土壤蔗糖酶與脲酶活性顯著相關，但在Y3條件下，黃芩植株的氮磷鉀含量轉為與土壤脲酶和過氧化氫酶活性顯著相關，同時黃芩植株磷含量與土壤堿性磷酸酶活性呈顯著正相關。其中過氧化氫酶可解除過氧化氫對植物的毒害作用，而脲酶和堿性磷酸酶均屬于水解酶，表明Y3條件下能夠直接提升土壤營養物質的土壤酶活性對黃芩氮磷鉀含量影響降低，而間接影響土壤酶活性對黃芩氮磷鉀含量的提升。這種現象可能是黃芩連作障礙的影響因素。

主成分分析發現，Y0條件下，PC1主要是由黃芩地上部生物量、根生物量、植株鉀含量、蔗糖酶活性以及堿性磷酸酶活性構成；PC2主要是植株氮和磷含量、脲酶酶活性以及過氧化氫酶活性構成。但Y3條件下，PC1主要是由黃芩地上部生物量、根生物量、植株氮和磷含量、堿性磷酸酶活性以及蔗糖酶活性構成；PC2主要由植株鉀含量、過氧化氫酶活性以及脲酶活性構成。可能是Y3 條件下，土壤連作障礙嚴重影響黃芩生長，使得土壤酶活性與黃芩生長指標關聯性更強，導致黃芩生指標與土壤蔗糖酶和堿性磷酸酶活性同屬一軸。同時，T5處理更接近于PC1，成為本試驗中緩解黃芩多年連作障礙的最佳選擇。

綜上所述，單施生物炭及混施生物炭和蚯蚓糞均能顯著提升黃芩生物量和植株氮磷鉀含量，同時添加生物炭對土壤酶活性有顯著影響，混施生物炭和蚯蚓糞對緩解黃芩多年連作障礙具有顯著效果。

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基金項目：河北省科技廳重點研發項目（20326417D）。