肥料类型对盐碱地蒙古黄芪生长与光合特征及药材产量和品质的影响

刘 杰，张雄杰，盛晋华*，霍秉新，贾长松

(1 内蒙古农业大学 农学院，呼和浩特 010019；2 内蒙古天际绿洲特色生物资源研发中心，呼和浩特 010018；3 内蒙古天衡制药有限公司，内蒙古巴彦淖尔 014400)

蒙古黄芪[Astragalusmembranaceus(Fisch.) Bge. var.mongholicus(Bge.) Hsiao]为豆科蝶形花亚科黄耆属多年生草本[1-2]，以根入药，具有固表止汗、补气升阳、利水消肿等功效[3-4]。它是内蒙古地区的道地药材[5]，现代药理研究发现其含有锌、硒、铁、铜等多种微量元素以及黄酮类、三萜皂苷、多糖类等多种化学物质[6-7]，具有保护心肌缺血、抗氧化、抗病毒等功效[8-10]，在中药预防新型冠状病毒肺炎方案中，黄芪是出现的频次最高的中药之一[11]。随着人工栽培药用植物的进行以及药用植物的开发利用，如何通过规范化的栽培技术在保护生态环境的基础上提高药用植物产量和品质，成为栽培过程中急需解决的问题。其中，药用植物施肥研究是栽培的核心问题[12]，《中药材生产质量管理范例》中规定对药用植物的施肥，需根据土壤情况及中药材的种类进行具体的分析，通过研究中药材自身对营养的需求、吸收肥料的能力及土壤情况、肥料效果，将有机肥、微生物肥等做为促进中药材生长、降低肥料损耗、保护环境的肥料，目前药用植物施肥类型主要有微生物肥料和有机肥料等[13-15]。

盐碱地是中国重要的后备土地资源，约80%的盐碱地有发展为耕地的潜力，盐碱地的治理对于维持中国1.2亿hm2耕地红线具有重要意义。内蒙古自治区从东到西有330多万hm2盐碱荒地，不论是耕地，还是草原等，均存在不同程度的盐碱化[16]。由于盐碱地重金属含量较低，且没被化肥和农药污染过，是一块未被开垦过的“净土”，因此种植抗盐碱类药材，具有成本低、污染少、易集约化管理、可形成规模效益的优势，且盐碱地种植的药材的药效成分往往较高[17-18]，即“顺境出产量，逆境出品质”。目前，在盐碱地中有关蒙古黄芪栽培施肥的研究较少，因此，本研究以一年生蒙古黄芪种苗为材料，在盐碱地探究二年生蒙古黄芪药材产量和药效成分对不同肥料的响应特征，以及其生理光合机制，为盐碱地中蒙古黄芪的推广种植提供参考。

1 材料和方法

1.1 试验材料及试验地概况

试验材料为优质蒙古黄芪种苗，平均根长35 cm。试验于2020年在内蒙古农业大学海流图科技试验园区进行，地理位置40°40′42.28″N，111°13′21.22″E，海拔1 051 m；年平均降水量在375～460 mm，土壤盐渍化程度较高，pH 8.6，全盐量为9.64 g·kg-1；土壤耕层养分状况：有机质17.42 g·kg-1，全氮1.15 g·kg-1，速效氮65.34 mg·kg-1，速效磷9.01 mg·kg-1，速效钾150.44 mg·kg-1。

1.2 试验设计

采用单因素随机区组设计，在经粉垄耕作的盐碱地上设置6种施肥处理，分别为海藻酸水溶肥(青岛明月蓝海生物科技有限公司生产，主要成分海藻酸≥18%，FH)、腐殖酸水溶肥(开封市普朗克生物化学有限公司生产，主要成分腐殖酸≥30 g/L，FZ)、有机肥(巴彦淖尔市德源肥业有限公司生产，主要成分大豆有机质≥90%，FY)、微生物菌剂生物肥(陕西恒田生物农业有限公司生产，主要成分甲基营养型芽孢杆菌LW-6≥20亿/g，FW)、复合肥(湖北澳特尔化工有限公司生产，主要成分N+P2O5+K2O≥45%，FF)和对照(不施肥，CK)。施肥量参考前人研究[5,12,14]确定，海藻酸水溶肥稀释500倍在返青后每隔25 d通过叶面喷施加灌根的方式施入，共4次，每次3.75 kg·hm-2；腐殖酸水溶肥稀释600倍在返青后每隔25 d通过叶面喷施加灌根的方式施入，共4次，每次4.5 L·hm-2；有机肥随整地时一次性施入，施入量1 500 kg·hm-2；微生物菌剂生物肥于移栽时与土混匀后一次性施入沟中，施入量45 kg·hm-2；复合肥于返青后10 d在降雨前一次性施入，施入量300 kg·hm-2。

每个处理为一个小区，小区面积为30 m2(6 m×5 m)，小区间起边埂并设间隔保护行，重复3次。蒙古黄芪种苗于6月5日采取平栽的方式进行移栽，株距15 cm，行距30 cm，沟深10 cm，其他田间管理同常规栽培。种苗6月15日开始返青，根据内蒙古地区生产实践中一般在10月中下旬收获蒙古黄芪，于返青后120 d取样并测定指标，取样后测产。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 叶片抗逆性生理指标在各小区内随机选取3株样株，取相同部位的复叶，将小叶片摘下放入液氮中保存，带回实验室转入-80 ℃冰箱保存待测。参考《植物生理学实验指导》[19]，采用氮蓝四唑法超氧化物歧化酶(SOD)活性，采用愈创木酚法测定过氧化物酶(POD)活性，采用紫外吸收法测定过氧化氢酶(CAT)活性，采用硫代巴比妥酸法测定丙二醛(MDA)含量，采用磺基水杨酸法测定脯氨酸(Pro)含量，采用考马斯亮蓝法测定可溶性蛋白(SP)含量，采用蒽酮比色法测定可溶性糖(SS)含量。

1.3.2 叶片光合指标在各小区内随机选取叶片无破损的3株样株，于天气晴朗的上午10：00-11：00，使用CIRAS-3型光合仪测定净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、胞间CO2浓度(Ci)、气孔导度(Gs)、叶片水分利用率(WUE)；使用手持型SPAD-502相对叶绿素含量测定仪测定叶绿素相对含量SPAD；使用PEA便携式植物效率分析仪测定叶绿素荧光参数Fv/Fm，测定前暗适应20 min。

1.3.3 形态指标及干物质积累量采用随机取样的方法在各小区内选取3株植株，连同根系完整取出，用卷尺和电子游标卡尺测量株高(PH)、茎粗(SD)、主根长(RL)、根粗(RD，距芦头1 cm处)；分别取地上、地下部分置于105 ℃烘箱杀青20 min后80 ℃烘干至恒重后，测定地上干物质积累量(ADMA)和地下干物质积累量(UDMA)；使用Expression 1100XL扫描仪对蒙古黄芪根系进行扫描后，用WinRHIZO根系分析软件计算根表面积(RSA)和体积(RV)。

1.3.4 产量测定、药材初加工及药效成分测定小区预留1/2面积进行蒙古黄芪根产量(Y)的测定。参照《黄芪(鲜制)无硫加工技术规范》(T/CAT-CM004-2018)[20]对蒙古黄芪进行初加工，后粉碎过筛，然后参考2020版《中华人民共和国药典》[3]进行根系黄芪甲苷(AS)和根系毛蕊异黄酮葡萄糖苷(C7G)含量的测定，其中规定黄芪甲苷含量不得少于0.080%，毛蕊异黄酮葡萄糖苷含量不得少于0.020%。

1.4 数据统计与分析

试验数据使用SPSS进行方差和相关性分析。

2 结果与分析

2.1 不同肥料对蒙古黄芪植株叶片抗逆性生理指标的影响

表1显示，与CK相比，FW处理下蒙古黄芪叶片各抗逆生理指标均无显著性变化；FF处理下蒙古黄芪叶片的过氧化氢酶活性和可溶性糖含量均显著降低，丙二醛含量显著提高，其余指标仅稍有降低；而在FH、FZ和FY 3种处理下，蒙古黄芪叶片的过氧化物酶活性和可溶性蛋白含量均显著提高，FZ处理又显著高于FH和FY处理，同时其超氧化物歧化酶、过氧化氢酶活性以及脯氨酸含量、可溶性糖含量也不同程度地升高，而其丙二醛含量却不同程度降低，且FZ处理的变化大多达到显著水平。以上结果说明，海藻酸水溶肥、腐殖酸水溶肥和有机肥有利于增强蒙古黄芪植株抗逆性，且以腐殖酸水溶肥处理效果为最佳，微生物菌剂生物肥对蒙古黄芪抗逆性的影响较小，但复合肥不利于蒙古黄芪抗逆性的提高，甚至加剧了膜脂的氧化损害程度。

表1 不同肥料处理下蒙古黄芪植株叶片抗逆性生理指标的变化

2.2 不同肥料对蒙古黄芪植株叶片光合相关指标的影响

由表2可知，与CK相比，FW处理蒙古黄芪叶片各光合相关指标均无显著性变化；FF处理下蒙古黄芪叶片的净光合速率、蒸腾速率和气孔导度均显著降低，其余指标大多不显著地降低；而FH、FZ和FY 3种处理下蒙古黄芪叶片胞间CO2浓度显著降低，而净光合速率、蒸腾速率和叶片水分利用率均显著提高，并以FH处理变化幅度较大，同时FH和FZ处理的气孔导度和叶绿素荧光参数最大光化学量子产量(Fv/Fm)也显著提高。以上结果说明，蒙古黄芪光合作用和水分利用效率在海藻酸水溶肥、腐殖酸水溶肥和有机肥处理下得到显著提高，且以海藻酸水溶肥效果为最佳，而在微生物菌剂生物肥处理下受影响较小，但在复合肥处理下则受到抑制。

表2 不同肥料处理下蒙古黄芪叶片光合相关指标的变化

2.3 不同肥料对蒙古黄芪植株形态指标及干物质积累量的影响

由表3可见，与不施肥对照(CK)相比，微生物菌剂生物肥(FW)处理对蒙古黄芪形态指标及干物质积累量均无显著影响；复合肥(FF)处理蒙古黄芪的根粗显著降低，地上干物质积累量显著提高，其余指标均无显著变化；海藻酸水溶肥(FH)、腐殖酸水溶肥(FZ)和有机肥(FY)处理的蒙古黄芪株高和地上干物质积累量无显著性变化，而茎粗、根粗、根表面积和地下干物质积累量均显著提高，并以FY处理增幅最大。以上结果说明，海藻酸水溶肥、腐殖酸水溶肥和有机对蒙古黄芪地上部分的生长影响较小，却更有利于蒙古黄芪地下部分的生长，且以有机肥效果最佳，复合肥更有利于蒙古黄芪地上部分的生长，而微生物菌剂生物肥对蒙古黄芪形态指标及干物质积累量的影响均较小。

表3 不同肥料处理下蒙古黄芪植株形态指标及干物质积累量的变化

2.4 不同肥料处理对蒙古黄芪药材产量和药效成分的影响

从表4可以看出，与CK相比，FW处理对蒙古黄芪药材产量和药效成分(黄芪甲苷和毛蕊异黄酮葡萄糖苷)含量无显著性影响，说明微生物菌剂生物肥对蒙古黄芪药材产量和药效成分的影响较小；FF处理下蒙古黄芪的毛蕊异黄酮葡萄糖苷含量显著降低，药材产量和黄芪甲苷含量无显著性变化，但黄芪甲苷含量未到达《中华人民共和国药典》[3]规定水平，说明复合肥对蒙古黄芪药材产量的影响较小，但降低了药效成分含量；而FH、FZ和FY 3种处理下蒙古黄芪的药材产量和药效成分含量均显著提高，说明海藻酸水溶肥、腐殖酸水溶肥和有机肥有利于蒙古黄芪药材产量和药效成分含量的提高。其中，蒙古黄芪药材产量以施用有机肥处理最高(7 046.2 kg·hm-2)，且显著高于除腐殖酸水溶肥处理以外的所有处理；蒙古黄芪药效成分含量以施用腐殖酸水溶肥和有机肥处理最高，并均显著高于其余处理，而这两个处理之间无显著性差异，且这两个处理的黄芪甲苷含量(>0.130%)和毛蕊异黄酮葡萄糖苷含量(>0.060%)均远高于《中华人民共和国药典》[3]规定的水平。

表4 不同肥料处理下蒙古黄芪根(药材)产量和药效成分的变化

3 讨 论

首先，本研究表明在盐碱地上施用微生物菌剂生物肥对蒙古黄芪抗逆性、光合作用、生长特性及药材产量质量的影响均较小。这与张会会等[21]在黄芪上的研究有着不同之处。其原因可能是微生物菌剂生物肥中的活菌必须要保证施入土壤后是有活性的，才能发挥菌肥的作用，同时菌剂中的菌种只有经过大量繁殖，在土壤中形成规模后才能有效体现出菌剂的功能，为了让菌种尽快繁殖，就要给其提供合适的环境，如适宜的pH值、保持土壤中适量的水分、土壤中有机质的含量等，而盐碱地的土壤环境不适宜微生物菌种的生存和繁殖，导致微生物菌剂生物肥效果不明显。

其次，本研究结果显示在盐碱地上施用复合肥对蒙古黄芪产量的影响较小，但降低了其植株抗逆性、光合作用和药效成分。这与马中森等[22]在蒙古黄芪上的研究有不同之处。其原因可能是复合肥施入盐碱地土壤中，使盐碱地土壤容重、紧实度等物理性质发生了变化，导致土壤中通气性、持水性变差，会引起土壤板结现象，使土壤酶活性下降，加重了盐碱地土壤的盐碱化程度，从而导致蒙古黄芪受到的逆境胁迫程度加剧，进而引起了蒙古黄芪抗逆生理活性物质含量下降、光合速率降低、根系生长及干物质积累减缓，最终使蒙古黄芪的根系产量没有显著性的提高，反而降低了其药材品质。

再次，本研究发现在盐碱地上施用海藻酸水溶肥、腐殖酸水溶肥和有机肥均明显提高了蒙古黄芪的抗逆性、光合作用效率以及地下部分生长和产量质量。其中，海藻酸水溶肥施用效果与冯敬涛等[23]在苹果上的研究有相似之处；腐殖酸水溶肥施用效果与郭岩等[5]在蒙古黄芪上的研究有相似之处；有机肥使用效果与赵亚兰等[24]在蒙古黄芪上的研究结果有相似之处。蒙古黄芪处于盐碱胁迫的逆境后，其根系产量往往较低，这点在其余作物上也已得到广泛的证实；蒙古黄芪的药效成分主要是一些次生代谢产物，前人[25]通过药用植物次生代谢产物和环境胁迫之间的关系，总结了相关的理论依据，提出了生长/分化平衡假说、碳素/营养平衡假说、资源获得假说等并最终得出适度环境胁迫能增加植物次生代谢产物的结论，即“逆境出品质”。对盐碱地中的蒙古黄芪施用海藻酸水溶肥、腐殖酸水溶肥和有机肥后，这3种肥料通过对蒙古黄芪植株抗逆性、光合作用及生长特性的改变，最终影响了蒙古黄芪药材的产量和质量，但这并不是某一个指标单独影响的效果，而是许多指标的交互作用所致。如叶面喷施腐殖酸水溶肥后，直接提高了叶片的光合作用效率，光合作用效率的提高使蒙古黄芪体内初生代谢产物的含量提高，其中一些可溶性糖、可溶性蛋白等初生代谢产物又可以提高蒙古黄芪的抗逆能力，而次生代谢产物的合成往往以初生代谢产物为原料，从而又促进了次生代谢产物的合成，最终提高了蒙古黄芪的药效成分含量；再如有机肥疏松了土壤、增加了土壤有机质含量，为蒙古黄芪根系的生长发育提供了更好的环境，进而提高了蒙古黄芪的药材产量。

中药材讲究道地性，药用植物的栽培不仅追求产量和好的外观形态，更加注重药效成分，但在药材生产中高产和优质往往不能兼得，本研究也符合这一规律。而在目前的药材生产实践和销售过程中，决定蒙古黄芪经济效益的往往是其产量和外观形态，忽视了其药效成分，而药效成分的高低决定后续提取加工环节的成本和效益，在生产上具有重要意义，由“产量定价格”到由“品质定价格”还需要一定的过渡时间。因此，蒙古黄芪在栽培过程中，尤其是在盐碱地栽培管理过程中，施肥种类的选择需要综合考虑交互效应，寻求最佳的平衡点，即要有较好的产量和外观形态，又能保证其药效成分。