中药材附子套作水稻对土壤性状及附子产量的影响

任品安，黄 晶，陈 鑫，余 马，侯大斌

（西南科技大学生命科学与工程学院，四川绵阳 621010）

附子是川产道地名贵中药材，为毛茛科植物乌头（Aconitum carmichaelii Debeaux）的子根（根据农户习惯，栽培学上用附子代指毛茛科植物乌头）。近年来，随着医药行业的发展，国内外对附子的需求量日益增长。四川江油市是公认的附子道地产区，已有一千多年的栽培历史[1]。江油附子一般于每年冬至前栽种，第二年夏至后收获，其生育期跨越当地主要小春作物（小麦、油菜）和大春作物（玉米、水稻）的部分生育期。因此，江油附子传统的种植模式主要为附子套作玉米、花生等旱地作物或在附子收获后接茬一季生育期短的蔬菜，并每2至3年进行轮作倒茬。附子的种植模式较为杂乱，连作障碍严重，导致其产量稳定性差、种植效益低[2]。然而，目前关于江油附子连作障碍的原因尚不明确，相关防治措施研究也极其薄弱。因此，明确附子连作障碍的影响因素及其作用机理，将有利于进一步研究和应用相应的防治措施。

水旱轮作是国内外公认的克服作物连作障碍的重要栽培措施[3-4]。江油附子道地产区也是水稻宜栽区。近年来，西南科技大学等科研单位在总结药农种植经验的基础上，创新附子种植模式，将附子与水稻套作实现年内水旱轮作，有效克服了附子的连作障碍，提高了附子的产量及效益[5]。然而，附子/水稻模式与传统的附子/旱地作物模式相比较，其克服连作障碍的机制尚不清楚。本研究通过分析附子不同种植模式下农田土壤性状、根际微生物群落结构及附子产量，以期明确附子/水稻模式的土壤生态及产量效益。研究对于进一步构建附子高产高效栽培模式及促进附子产业可持续发展具有重要意义。

1 材料和方法

1.1 取样地及取样方法

取样地为位于四川江油附子道地产区涪江一级阶地的太平镇桥楼村附子种植基地（30°71′84.08″N，104°70′68.06″E），该基地于 2011 年获得中药材GAP认证。该区域属于亚热带湿润季风气候，年均日照时数1 362 h，年均降雨量1 100 mm，无霜期280 d，年平均气温16℃。该区域土壤的成土母质主要是晚更新世河流冲积层，土壤类型为砂壤土。

2015年6月下旬附子收获时，在附子基地分别选取连续种植3年以上附子/旱地作物模式及附子/水稻模式的田块进行取样，不同种植模式见表1。每种模式取6个田块，每个田块按照5点取样法取附子根际土壤与非根际土壤，分别用于测定根际土壤微生物与土壤肥力等性状。根际土壤采集方法为：每个田块选取5个样方，每个样方内取10株附子，用铲子挖出完整附子块根，用力抖动去除根表面疏松土壤，再用干净刷子刷取紧贴附子块根表面的土壤，装入无菌聚乙烯密封袋，避光放于装有冰袋的泡沫箱，迅速送回实验室待处理；非根际土壤采集方法为：在附子与套作作物之间（如附子与水稻行间）用土钻取0～30 cm土层土样，装入密封袋，避光放于泡沫箱，送回实验室待处理。取样田块自种植基地获得中药材GAP认证以来，附子种植过程中所用品种及灌溉、施肥、打顶、修根等田间栽培管理措施基本一致。

1.2 测定方法

1.2.1 土壤性状测定

对采集的土壤带回实验室自然风干后进行土壤性状测定，主要指标包括pH、有机质、全氮、有效氮、全磷、有效磷、全钾、有效钾。分别采用电位法测pH[6]165、重铬酸钾容量法测有机质[6]30、半微量开氏法测全氮[6]42、碱解扩散法测有效氮[6]56、钼锑抗比色法测全磷[6]76、0.5 mol/L NaHCO3浸提-钼锑抗比色法测有效磷[6]81、NaOH熔融-火焰光度法测全钾[6]101、冷的2 mol/L HNO3溶液浸提-火焰光度法[6]108测有效钾。

1.2.2 微生物多样性测定

将田间取得的根际土壤样品过2 mm土壤筛，去除土壤中的附子须根、秸秆、砂粒等杂质，装入无菌聚乙烯密封袋，在-20℃下冷冻保存。称取相当于5 g干土重的新鲜土壤，通过浸提、层析、甲脂化等过程。然后采用Agilent气质联用仪GC-MS（6890N-5973N）对甲基化脂肪酸进行气相色谱分析。色谱柱为 HP 5-MS（30 m×0.25 mm×0.25 μm）石英毛细管柱，测试过程中涉及的样口温度、流速等参数参见文献[7-8]。脂肪酸含量通过峰面积和内标曲线计算获得，PLFAs含量用ng/g表示，指示微生物不同群落的脂肪酸见表2。

表1 附子不同种植模式Table1 Different cropping patterns of Aconitum carmichaelii Debeaux

表2 指示微生物不同群落的脂肪酸Table2 Fatty acids indicating different microbial communities

1.2.3 附子产量测定

每个田块按5点取样法，每个点取10株附子，去除须根及较小的子根，只保留达到商品标准大小的附子。记录附子个数，单株附子重量，按照基本苗数量计算附子理论亩产量。

1.3 数据分析

利用Microsoft Excel 2016整理数据，通过SPSS 22.0进行统计分析，采用Sigmaplot 12.5进行作图。

2 结果与分析

2.1 附子不同种植模式下土壤pH与肥力状况比较

附子/水稻与附子/旱地作物两种模式下土壤性状差异较大（见表3）。附子/水稻模式显著提高了土壤 pH 值（P＜0.05），缓解了土壤酸化；附子/水稻模式显著提高了土壤中有机质、全氮和有效氮的含量（P＜0.05）；附子/水稻模式下土壤中全磷、有效磷含量高于附子/旱地作物模式，但差异不显著；两种模式下土壤中全钾含量差异不显著，但附子/水稻模式显著增加了土壤中有效钾的含量（P＜0.05）。

表3 附子不同种植模式下土壤pH与肥力状况Table3 Soil pH and fertility conditions under different cultivation conditions of Aconitum carmichaelii Debeaux

2.2 附子不同种植模式下土壤微生物群落结构特征分析

附子/水稻与附子/旱地作物两种模式下土壤微生物群落结构特征差异较大。附子/水稻模式下土壤微生物数量高于附子/旱地作物模式，其微生物总PLFA含量比附子/旱地作物模式高27%，差异显著（P＜0.05）（见表4）。

表4 附子不同种植模式土壤总磷脂脂肪酸（PLFA）含量Table4 Total phospholipid fatty acid(PLFA)content in soil under different cultivation conditions of Aconitum carmichaelii Debeaux

附子不同种植模式下土壤微生物各菌群PLFA含量差异与土壤微生物总PLFA含量差异较为一致（见图1）。附子/水稻模式下土壤细菌、放线菌及原生动物的PLFA含量均显著高于附子/旱地作物模式（P＜0.05），分别高 24%、32%、56%，而真菌 PLFA含量在两种种植模式下差异不显著；附子/水稻与附子/旱地作物两种栽培模式下，细菌PLFA与真菌PLFA的比值分别为6.56和5.78，差异显著（P＜0.05）。

图1 附子不同种植模式土壤各菌群磷脂脂肪酸（PLFA）含量及细菌与真菌比率Figure1 The phospholipid fatty acid(PLFA)contents of various bacterial flora and the ration of bacteria and fungi in the soil under different cultivation conditions of Aconitum carmichaelii Debeaux

进一步分析细菌类型（见图2），结果发现。附子/水稻模式下G+与G-的PLFA含量均显著高于传统的附子/旱地作物模式（P＜0.05），分别高出 17%、33%；但两种模式下G+与G-PLFA含量的比值差异不显著。

图2 附子不同种植模式土壤G+、G-磷脂脂肪酸（PLFA）含量及比率Figure2 Contents and rations of G+and G-under different cultivation conditions of Aconitum carmichaelii Debeaux

2.3 不同种植模式下附子产量分析

分析附子不同种植模式下产量及其构成因素的影响可以看出（见表5），附子/水稻模式能提高附子产量。附子/水稻模式下单株附子重量显著高于附子/旱地作物模式（P＜0.05），平均高出 16.17 g/株；附子/水稻模式下单株附子个数亦高于附子/旱地作物模式，但差异不显著；相应的，附子/水稻模式下附子理论产量较高，比传统栽培模式高2 425.05 kg/hm2，增产约45.12%。

表5 附子不同种植模式产量比较Table5 Yield comparison of aconite under different cultivation conditions of Aconitum carmichaelii Debeaux

3 讨论与结论

3.1 不同附子种植模式对土壤pH与肥力状况的影响

土壤中有机质、矿质元素的分解和利用以及微生物的活动都与土壤酸碱度有关。目前关于水旱轮作对土壤pH值影响的报道结果不一致，有研究指出水旱轮作降低了土壤pH值[18]，而熊永明等[19]研究则表明水旱轮作下土壤pH值有所提高。其结果间的差异可能与土壤类型、施肥等的差异有关。本研究发现附子/水稻种植模式下土壤pH值要显著高于附子/旱地作物模式，表明附子/水稻模式可以有效缓解土壤酸化。前人研究表明，土壤pH值的降低会抑制作物的生长发育[20]，张欢强等[2]指出土壤pH值降低会影响附子的正常生长，是附子连作的重要限制因子。因此，附子/水稻模式提高了土壤pH值，对土壤酸化的缓解，可能是其缓解附子连作障碍的重要原因。另外，张重义[21]、周洁等[22]提出中药材生长过程中产生的生物碱、酚酸类等有害化感物质，释放到土壤中，会对作物产生化感抑制作用，是中药材连作障碍的主要成因。并且，随着中药材种植年限的增加，大量有害化感物质积累，毒害作用加大。马云华[23]、鞠会艳等[24]研究表明，作物连作其根系分泌的化感物质长期积累，会影响根际土壤的pH值，造成土壤酸碱度失去平衡，而土壤酸碱度失衡会进一步影响土壤中化感物质等有机质的分解和利用，形成恶性循环。因此推测，附子/水稻模式在水旱转换过程中，土壤pH值的提高缓解了土壤酸碱失衡，可能对降低有毒物质的积累有一定的促进作用。但附子/水稻模式对附子有害化感物质的产生和积累抑制效应及其机理还有待进一步研究。

目前关于水旱轮作等不同耕作制度对土壤性状的影响研究较多。王子芳等[18]在研究小麦-水稻/油菜-水稻年内水旱轮作对土壤肥力的影响发现，油菜-水稻、小麦-水稻不同轮作模式均可以增加土壤有机质、全氮等的含量，认为水旱轮作有利于改善土壤物理性状，提高土壤肥力。黄国勤等[25]通过对水稻与黑麦草、紫云英等不同作物实行水旱轮作的研究发现，水稻与不同作物轮作均不同程度提高了土壤有机质、有效氮、有效磷、有效钾的含量，表明水旱轮作对土壤理化性状有积极的改善作用。本研究发现，附子/水稻模式下土壤有机质、全氮、有效氮、有效钾等的含量均显著高于附子/旱地作物模式。可能是因为附子/水稻模式形成年内水旱轮作，较附子/旱地作物模式，改善了土壤生态环境，有助于土壤微生物对土壤中养分的分解和利用，进而促进和提高土壤养分的有效性。因此，附子/水稻模式较附子/旱地作物模式更有利于提高土壤肥力。

3.2 不同附子种植模式对土壤微生物群落结构的影响

土壤微生物群落是土壤的重要活体成分，其数量是土壤质量和土壤生态系统修复的一个重要指标，易受人类活动、土壤类型、肥力、pH值、水分等的影响。苏婷[26]、陈晓娟等[27]的研究表明，水旱轮作相对于旱地种植模式，能够增加土壤总PLFA含量、细菌、真菌、放线菌等的含量，降低G-与G+PLFA含量的比值，这些结论与本研究结果较为一致。本研究表明附子/水稻模式下，根际土壤微生物总PLFA含量及微生物各菌群如细菌、放线菌、原生动物PLFA含量均显著高于传统的附子/旱地作物模式。特定PLFA生物标记代表特定的微生物种群，其含量在一定程度上可反映该微生物种群的数量[28]，PLFA总量高代表微生物种类多，数量大。因此，附子/水稻模式下，土壤微生物群落结构更丰富，数量更多。真菌PLFA含量在附子两种种植模式下变化不大，而附子/水稻模式下细菌与真菌的PLFA含量比值显著高于附子/旱地作物模式，可能是由于附子/水稻模式改善了土壤的通气性，有利于氨化细菌、硝化细菌等细菌数量的增加[29]，而根际土壤中细菌等的生长以及土壤肥力的提高，对真菌的生长具有一定的抑制作用[30]，导致土壤中细菌与真菌的比例结构发生改变。孟品品[31]、马云华等[32]研究表明土壤微生物群落结构、数量的改变是导致作物产量变化的重要原因。张新慧等[33]研究不同植龄啤酒花根际微生物区系的变化与啤酒花产量的关系表明，土壤微生物多样性低的啤酒花品种其产量也低。段红平等[34]亦发现水稻根际土壤中微生物越丰富，水稻产量越高。综上所述，可推断附子/水稻模式通过实现年内水旱轮作改善土壤微生物数量与群落结构，可能是该模式提高附子产量、有效缓解附子连作障碍的又一重要因素。

本研究通过比较江油道地产区附子不同种植模式下土壤性状、土壤微生物群落结构及附子产量，发现相较于传统的附子/旱地作物模式，附子/水稻模式显著提高了土壤pH值以及土壤有机质、全氮、有效氮、有效钾的含量；附子/水稻模式下附子根际土壤微生物PLFA总量、细菌、原生动物、放线菌、G+与G-PLFA含量以及细菌与真菌PLFA含量的比值均显著高于附子/旱地作物模式；附子/水稻模式显著增加了单株附子产量，提高了附子亩产量。结果表明，附子/水稻模式能在一定程度上缓解土壤酸化、提高土壤肥力、增加附子根际土壤微生物数量、改善微生物群落结构；这些因素可能是该模式提高附子产量、有效缓解附子连作障碍的重要原因。