黄芪营养吸收规律及其与产品品质形成的关系

张 莹 ，李文倩 ，胡瑜辉 ，杨振宇 ，柴 智 ，侯美利 ，梁建萍

（1.山西农业大学生命科学学院，山西太谷030801；2.山西中医药大学基础医学院，山西晋中030619；3.浑源县中药材产业发展管理中心，山西浑源037400）

黄芪为常用的大宗药材，来源于豆科黄芪属多年生草本植物蒙古黄芪（Astragalus membranaceus（Fisch.） Bge.var.mongholicus（Bge.） Hsiao）或 膜 荚黄芪（Astragalus membranaceus（Fisch.）Bge）的干燥根[1]。黄芪是我国传统的养气药材，具有补气固表、利尿排脓、敛疮生肌的功效，其在调节免疫功能、降压、降血糖、抗应激、抗心肌缺血、抗衰老、抗病毒和保护肾脏、肝脏、镇静、镇痛和抗骨质疏松等方面也是非常受用的，被广泛应用于临床配方[2-4]，素有“十药八芪”之称[5]。随着黄芪临床试验和药理研究逐渐深入，仅仅依靠有限的野生种已经不能满足人们对黄芪的需求，人工栽培黄芪应运而生。进行配方施肥和规范化栽培是目前药用植物种植中有待解决的主要问题[6]，不仅影响中药材的经济产量，更关系到中药材产品品质的形成。氮、磷、钾等矿物元素是植物生长发育的必需营养条件，影响植物生长及有效成分的积累。研究黄芪营养吸收规律是其高质高产栽培的基础之一。有研究者对中药材白首乌、柴胡、半夏、桔梗、丹参、远志等的营养特性进行了研究[7-12]，并对施肥提出了合理建议。黄芪是多年生药用植物，研究黄芪对氮、磷、钾的吸收累积规律及有效成分积累规律，可为黄芪高产栽培和科学施肥提供参考依据。

本试验对2年生和4年生的蒙古黄芪采用随机取样法进行实地采收，对不同生长时期黄芪地上部分和地下根中氮、磷、钾含量及根中药效成分进行测定，研究不同年限黄芪营养吸收规律及其与产品品质形成的关系，为黄芪在实际生产种植中合理施肥及确定采收期提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

试验在山西省大同市浑源县黄芪种植基地进行，基地海拔高度大约在1 100～2 300 m，年平均气温约6.2℃，年平均降雨量约424.6 mm，属于典型的大陆性气候。供试土壤基本理化性质为：2年生土壤有机质3.60g/kg，pH值8.78，有效磷4.03mg/kg，碱解氮8.32 mg/kg，速效钾38.1 mg/kg；4年生土壤有机质 1.97 g/kg，pH 值 8.88，有效磷 5.37 mg/kg，碱解氮4.34 mg/kg，速效钾35.0 mg/kg。

1.2 试验材料

供试材料为浑源2年生、4年生蒙古黄芪，采集于大同市浑源县黄芪种植基地。

1.3 试验方法

2年生、4年生黄芪分别于2016、2014年播种，2017年5月返青，于苗期、花蕾期、开花期、结果期、果熟期、落叶期6个时期，采用5点随机采样法，挖取黄芪完整植株，编号后装入取样袋，用于测定黄芪单株地上部和地下根的生物量、全N、全P、全K及有效成分总黄酮、总皂苷、总多糖含量。

1.4 测定项目及方法

1.4.1 生物量测定 清洗黄芪植株表面泥土，标记后于105℃杀青30 min，70℃烘干至恒质量，测定黄芪地上部及地下根的干物质质量。

1.4.2 氮、磷、钾含量的测定 称取黄芪粗粉0.200 0 g，放置于100 mL消化瓶底部，尽量避免黄芪粉末沾于消化瓶内部壁身，采用H2SO4-H2O2进行消化至无色后定容。准确吸取消化液，采用凯氏定氮法测定全氮含量，采用钒钼黄比色法测定全磷含量，采用火焰光度计法测定全钾含量[13]。

1.4.3 黄芪主要药效成分的提取 将烘干的黄芪根用粉碎机粉碎后过0.25 mm筛，装袋备用。准确称取1 g黄芪粉末溶于一定量的乙醇溶液（黄酮提取醇浓度85%，料液比1∶25；多糖提取醇浓度2.5%，料液比1∶15；皂苷提取醇浓度70%，料液比1∶30），设置提取电压、时间于闪式提取器上提取，黄酮提取电压120 V、提取时间60 s；多糖提取电压115 V、提取时间105 s；皂苷提取电压110 V、提取时间120 s[14]。将提取好的溶液于4℃5 000 r/min离心15 min，得上清液，将沉淀重复上述步骤，并合并2次上清液。

1.4.3.1 黄酮含量测定 将上清液旋转蒸发浓缩至2 mL，加30%乙醇定容至10 mL，采用硝酸铝-亚硝酸钠法测定总黄酮含量，测定波长为510 nm，采用芦丁标准品绘制标准曲线[15-16]，得到回归方程：y＝7.718 6x－0.008 8（R2＝0.998 7）。

1.4.3.2 多糖含量测定 将上清液浓缩至5 mL，加4倍无水乙醇过夜醇沉，然后离心，沉淀为多糖粗品，烘干后用蒸馏水定容至100 mL，得待测液，采用苯酚-硫酸法测定总多糖含量，测定波长为490 nm，采用葡萄糖标准品绘制标准曲线[17-18]，得到回归方程：y＝77.846x＋0.002 5（R2＝0.996 7）。

1.4.3.3 皂苷含量测定 将上清液浓缩至2 mL，用水饱和乙酸乙酯萃取3次得水层，接着用水饱和正丁醇萃取3次得正丁醇层，旋转蒸发浓缩至5 mL加无水乙醇定容至10 mL，得待测液，采用香草醛-硫酸法测定总皂苷含量，测定波长为544 nm，黄芪甲苷标准品绘制标准曲线[19-20]，得到回归方程：y＝14.073x＋0.007 1（R2＝0.992 2）。

1.5 数据分析

数据采用Excel软件进行统计分析。

干物质积累速率＝（所求时期干物质积累量－前期干物质积累量）/前时期干物质积累量×100% （1）

养分累积量（g/株）＝根干物质（g/株）×养分含量（%） （2）

2 结果与分析

2.1 不同时期黄芪干物质积累特性分析

从图1可以看出，在黄芪的生长发育阶段，根部干物质的积累逐渐上升，而地上部分干物质则在前期逐渐增加，果熟期和落叶期逐渐减少，这可能是因为随着植物的生长发育，地上部分逐渐枯萎，营养成分主要用于根部生长。2年生、4年生黄芪根干物质累积量均表现出直线上升的趋势，2年生、4年生根干物质累积量均在落叶期达全生育期最高值，这可能是由于随着黄芪植株的生长，地下根生物量有更大程度的积累。2年生与4年生黄芪同在开花—结果期根干物质积累速率最快，2年生为68.86%，4年生为24.48%；2年生结果期根干物质累积量占根全生育期干物质累积量的52.24%，4年生占79.59%。

2.2 不同时期黄芪根及地上部分氮、磷、钾含量及累积量动态变化分析

2.2.1 氮含量变化 黄芪不同时期氮含量不同。由图2可知，2年生、4年生黄芪地上部氮含量变化规律总体相似，氮含量先降低后升高再降低，均在苗期含量最高，2年生为4.84%，4年生为4.42%，4年生地上部氮含量比2年生的低。从苗期到结果期黄芪根部氮含量变化较小，在果熟期突然升高，达到最高值，之后下降。2年生黄芪根部氮含量最高为5.58%，4年生根部氮含量最高为4.53%，较2年生低。氮含量在果熟期普遍偏高，这可能与根类药用植物在生殖生长期次生代谢物积累丰富有关，代谢物合成积累活跃，氮含量偏高。

从图3可以看出，在不同生长时期不同年限的黄芪地上部分和根部氮素累积量不同，变化趋势相似，总体来看，地上部氮吸收累积量前期变化不大，后期下降；根部前期氮累积量不断上升，果熟期达到最大；全株在果熟期氮吸收累积量最高，2年生为22.24 g/株，4年生为85.14 g/株，这可能是因为果熟期是黄芪生长旺盛时期，对氮素需求量大，因此，考虑果熟期对黄芪进行氮素追肥。

2.2.2 磷含量变化 由图4可知，在生长发育的过程中，黄芪2年生和4年生地上部分磷的含量变化规律基本相同，在落叶期为最低值。2年生地上部分磷含量在果熟期最高，为0.89%，4年生磷含量在果熟期为0.68%，略低于前者。2年生、4年生黄芪根部磷的含量变化趋势不同，2年生根部整体呈升—降—升的趋势，果熟期含量最低，为0.17%，与地上部刚好相反，这可能与黄芪种子的生长发育有关，地上部种子成熟，磷含量高；4年生黄芪根部磷含量变化呈升—降—升趋势，与2年生不同，4年生根部磷含量在开花期最低，为0.16%，落叶期最高，为0.28%，花蕾期次之，为0.22%。

由图5可知，在不同的生长发育阶段，黄芪对磷素的吸收累积量不同，全株磷累积量在开花期达到最高，2年生为2.43 g/株，4年生为8.07 g/株，结果期略微减少，这可能是因为磷肥可以促进开花结果，因此，在开花期和结果期对磷肥需求量较大。

2.2.3 钾含量变化 由图6可知，在生长发育过程中，前期地上部分钾含量明显高于根部，地上部分钾含量在开花期最高，2年生为1.24%，4年生为1.37%；根部钾含量在落叶期最高，2年生为0.68%，4年生为0.56%。地上部分钾的含量呈波动变化，后期钾含量减少；而根部钾的含量整体比较稳定，后期含量升高。这可能是由于钾可以增强光合作用，在前期旺盛生长期，黄芪茎叶细胞的细胞液含量较多，因此，钾的含量较高，在后期进入成熟衰老期，黄芪的茎叶细胞开始衰老，因而，钾的含量减少。

由图7可知，在不同生长时期内，黄芪对钾素吸收累积量不同，存在阶段性差异。钾累积量与磷类似，其中，2年生、4年生地上部均在开花期钾累积量最高，2年生为2.27g/株，4年生达到12.48g/株。2年生黄芪全株钾累积量在落叶期最高，为4.09 g/株，4年生全株钾累积量在结果期最高，为17.84 g/株。

2.3 不同时期黄芪根部有效成分含量及经济产量变化分析

2.3.1 总皂苷含量及经济产量变化 从图8可以看出，不同生长时期黄芪根中皂苷含量变化趋势各不相同，2年生黄芪根中皂苷含量先增后减再增加，花蕾期含量最高，为1.34%，果熟期最低，为0.36%；4年生黄芪根中皂苷含量前4个时期变化不明显，之后下降再增加，其中，花蕾期含量最高，为1.41%，果熟期最低，为0.60%。从整体看，2年生与4年生黄芪相比，苗期到开花期皂苷含量并无较大差异，开花期之后4年生黄芪根中皂苷含量明显高于2年生，可能是由于黄芪根4年生较2年生粗壮，使得皂苷含量增加明显。2年生、4年生黄芪根中皂苷含量在果熟期均降至最低，可能是结果期到果熟期黄芪植株地上部主要进行生殖生长、结果等导致根部皂苷含量减少。

从图9可以看出，随着生长发育进程的推进，2年生、4年生黄芪根中皂苷经济产量变化走势并不相同。结合图8和图9分析可知，皂苷含量变化和经济产量变化并不同步，经济产量为含量与干物质量的乘积，2年生和4年生黄芪根中皂苷含量均在花蕾期最高，但经济产量的峰值均出现在落叶期，2年生总皂苷经济产量最高为4.46 g/株，4年生为20.44 g/株，可以看出，4年生黄芪根中皂苷经济产量远高于2年生。黄芪为多年生药用植物，随着黄芪年限的增加，根部不断发育，次生代谢物皂苷也在不断积累。

2.3.2 总黄酮含量及经济产量变化 从图10可以看出，2年生、4年生黄芪根部黄酮含量总体变化趋势除果熟期外大体相同，表现为下降—上升—下降，不同生长时期黄酮含量各不相同。2年生黄芪根中黄酮含量苗期最高，为0.49%，开花期含量最低，为0.26%；4年生黄芪根中黄酮含量在苗期与结果期含量大致相同，均为0.42%，开花期黄酮含量最低，为0.22%。从图10还可以看出，黄芪根中黄酮含量随年限增长并无太大增加，且除落叶期外其他时期总黄酮含量均为4年生小于2年生。2年生、4年生黄芪根部黄酮含量在开花期均最低，黄酮含量的积累可能与黄芪开花相关，当目标产物为总黄酮时，可以考虑人为去花。

从图11可以看出，不同年限不同生长时期黄芪根中黄酮经济产量不同，2年生、4年生黄芪根中总黄酮经济产量变化趋势不同，但最高与最低经济产量出现时期一致。2年生黄芪根中黄酮经济产量在落叶期达到最高，约为1.53 g/株，4年生黄芪根中黄酮经济产量在落叶期最高，约为5.47 g/株，在开花期经济产量最低，2年生为0.37 g/株，4年生为2.17 g/株，可能是由于地上部分营养生长比较旺盛，使得根中黄酮含量下降，经济产量下降，若目标产物为总黄酮时，不建议在开花期进行采收。

2.3.3 总多糖含量及经济产量变化 从图12可以看出，不同年限不同生长时期黄芪根中总多糖含量变化不尽相同，2年生多糖含量变化较大，前期普遍低于4年生，果熟期发生转折，之后2年生多糖含量高于4年生多糖含量。2年生黄芪根中多糖含量呈波动变化，在果熟期含量达到最高，为0.53%，结果期含量最低，为0.16%；4年生黄芪根中多糖含量呈现先增加后减少，在开花期含量达到最高，为0.54%，落叶期含量最低，为0.28%。不同年限黄芪根中总多糖含量变化不一，可能与地上部茎叶生长活动有关。

从图13可以看出，不同年限不同生长时期黄芪根中多糖经济产量变化趋势并不相同，2年生黄芪根中总多糖经济产量明显低于4年生黄芪，2年生黄芪根中多糖经济产量呈增加趋势，在落叶期达到最高，约为1.99 g/株；4年生黄芪根中多糖经济产量呈波动变化，在苗期经济产量最低，为2.88 g/株，在果熟期达到最高，约为5.68 g/株。黄芪为多年生药用植物，总多糖的积累与生长年限相关，随着黄芪根的不断生长加粗，根部总多糖不断积累。

3 结论与讨论

随着黄芪临床试验和药理研究逐渐深入，仅仅依靠有限的野生种已经不能满足人们对黄芪的需求，目前蒙古黄芪是现在主流商品，占据了绝大部分黄芪药材市场[21]。我国黄芪现在主要依靠人工种植，山西的北部地区使用半野生栽培模式，此方法保存了传统道地药材的特征，但产量十分有限，因此，我国黄芪资源格局现在为传统种植与人工栽培共存[5]，生产黄芪的新主产区在山东和甘肃等地开辟。在中药材生长发育的过程中，氮磷钾等矿质元素起着不可或缺的作用；黄芪属于根茎类药材，矿物元素对黄芪质量和产量有着明显影响，为了提高黄芪产量及质量，人工栽培过程中对氮磷钾肥料的使用至关重要，因此，本试验旨在研究不同年限黄芪的营养吸收规律及与产品品质形成的关系，为合理施肥提供理论依据。

研究表明，黄芪根在不同的生长发育周期（2年生、4年生）中干物质积累量表现出相同的变化趋势，随着年限的增加黄芪干物质不断积累，4年生干物质含量远大于2年生。不同年限和不同生长时期氮磷钾含量不同，且随着植物的生长发育处于不断变化之中。氮含量均在果熟期达到最高，2年生根部氮含量达到5.58%，4年生根部氮含量达到4.53%；2年生地上部分果熟期磷的含量达到0.89%，而4年生地上部开花期最高，为0.72%。一般以根入药的中药材，在生殖生长期次生代谢产物的积累较为丰富[22]，生命活动较为活跃，黄芪边开花边结果，果熟期后种子掉落，可能是导致氮磷含量变化的主要原因。地上部分钾的含量整体呈下降趋势，而根部钾的含量整体比较稳定。研究表明，钾素与碳水化合物的合成和运输相关，同时是糖酵解活动中的重要活化剂，因此，与植物体内各器官中蔗糖、淀粉等的含量相关[7]，后期可能受落叶或低温影响，糖类物质合成低，钾含量降低。有研究表明，氮、磷、钾肥料合理配合施用可以促进黄芪植株的生长，并对黄芪根部干物质产量和有效成分含量产生影响[23-25]。氮素可以明显增加农作物产量[26]，施加N肥明显有助于黄芪总黄酮含量的积累，K元素对于黄芪可溶性总糖和还原糖的积累有显著的促进作用[27]。较高的磷素可促使黄芪中光合产物向根部运输，可使黄芪根中水溶性、醇溶性浸出物及黄芪甲苷含量增加[28]。因此，对黄芪生长发育时期进行合理配方施肥至关重要。目前针对农作物及药用植物生长发育过程中配方施肥的研究越来越多，赵英杰等[29]采用肥料定位试验，研究了氮、磷和钾对冀东春花生长势和产量的影响，旨在解决冀东春花生种植时肥料用量高、养分利用效率低等问题，为实际生产中花生减量施肥提供依据。晋凡生等[30]研究了氮磷钾配比施肥对红芸豆干物质积累、养分吸收及产量的影响，旨在为红芸豆种植中进行合理施肥和获得高效生产提供理论依据。陈家炜等[31]研究了不同施肥配比对黄芪次生代谢合成途径关键基因表达量的影响，推断不同施肥会影响黄芪药效成分在根茎部位的合成与积累。

黄芪的不同生长发育时期，3种药效成分含量表现了不同的变化趋势，同样不同年限黄芪根的药效成分含量变化不同，2年生黄芪根部皂苷含量花蕾期最高，黄酮含量苗期最高，多糖含量果熟期最高。4年生黄芪根部皂苷含量花蕾期最高，黄酮含量结果期最高，多糖含量开花期最高。但实际生产中关注更多的是经济产量，经济产量是含量与干物质量的乘积。研究表明，随着黄芪年限的增长可以明显促进黄芪根中有效成分经济产量的增加，4年生黄芪根中总皂苷、总黄酮单株经济产量均在落叶期达到最高，总多糖经济产量在果熟期最高；2年生黄芪根中总皂苷、总黄酮、总多糖单株经济产量均在落叶期最高。

本研究表明，开花期到结果期是2年生与4年生黄芪根干物质积累速率最快的时期，黄芪在生长发育过程中，氮的吸收累积量要明显高于磷和钾的，而钾的吸收累积量又略高于磷的累积量。黄芪整株氮吸收累积量在果熟期最高，磷累积量在开花期最高，2年生钾累积量落叶期最高，4年生全株钾累积量在结果期最高，实际生产过程中应适时追加氮、磷、钾肥，以确保黄芪生长需要及根部生物量的积累。在整个生长发育过程中，黄芪3种药效成分的含量变化不一，除4年生总多糖经济产量结果期最高外，其余2年生、4年生黄芪单株总黄酮、总皂苷、总多糖经济产量均在落叶期最高。综合考虑，建议生产中在黄芪落叶期采挖。