有机栽培条件下种苗大小对党参成药特性的影响*

刘兰兰,郭凤霞**,陈 垣,**,陈永中,王红燕,张碧全,郭爱惠

(1.甘肃农业大学生命科学技术学院/甘肃农业大学农学院/甘肃省干旱生境作物学重点实验室/甘肃省中药材规范化生产技术创新重点实验室/甘肃省药用植物栽培育种工程研究中心 兰州 730070;2.甘肃中天药业有限责任公司/甘肃省特色药用植物资源保护与利用工程实验室/甘肃省特色药材规范化可追溯栽培工程技术研究中心/甘肃天誉医院 定西 748100)

党参为桔梗科植物党参[Codonopsis pilosula(Franch.)Nannf.]、素花党参[C.pilosulaNannf.var.modesta(Nannf.)L.T.Shen]或川党参(C.tangshenOliv.)的干燥根[1],具有健脾益肺、抗肿瘤等多种功效[2-3],为传统的既是食品又是中药材物质[4],已被纳入食药管理试行(国卫办食品函[2018]278 号),党参叶的抗氧化和杀菌活力更强,具有潜在的食用和饲用开发价值[4]。党参适应性广,主产甘肃、山西、陕西、湖北和四川等地的白条党和纹党、潞党、板桥党为道地商品药材[5]。甘肃党参种植面积占全国党参总面积的90%左右,仅白条党出口量达80%[5-6],2001年9月渭源县一带被推介为中国党参之乡[7],陇西县毗邻渭源县,2012年陇西白条党参获地理标志商标(国家市场监督管理总局,商标号4891422)。

然而,党参两年栽培成药,第1年种子育苗,第2年成药栽培,成药期死株率高,种子和种苗决定药材的产量和品质[8-9],也是党参标准化生产的基本保证[10]。尽管对党参栽培研究较广,包括栽培密度和方式[11-12]、移栽和采挖时期[13]、施肥管理及产地环境因子[14-15]等方面。也涉及到种苗大小[10,16],研究提出一级种苗出苗最快,产量最高[10,16],并初步建立了党参质量评价体系,明确了产地质量差异[15]。但大多研究中种苗从不同产区征集,育苗栽培中农业投入量大。生产中一般将种苗按长短和粗细分为大苗、中苗和小苗等级,大苗价格高,小苗价格低,特小苗在采挖时淘汰,造成严重损失。由于党参种子小[10],播种均匀度低,产特小苗比率很高,严重影响栽培成效。另外,中药材本身是一种文化遗产,密集生产及过量投入化肥和农药使土壤质地和药材质量变劣[17-18],随着中药质量安全控制,农业科研的使命将致力于协助从化肥转向生态农业,并符合有机农业的规定[18-19],有机栽培可以种植出优质高产的农作物,但至今尚少见党参有机栽培的报道。因此,本研究将党参种苗按大小分级后,在有机栽培条件下,系统研究和综合评价了种苗大小,这对党参种苗生产性能具有重要意义,可为道地产区党参标准化生态栽培提供科学依据,促进党参产业的可持续发展。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验设于甘肃省定西市陇西县巩昌镇园艺村,位于甘肃省东南部(34°1′01''N,104°37′37''E),属于黄土高原边缘与秦岭支脉丘陵地带之间,为温带大陆性季风气候,四季分明,日照充足,气候温和,年平均日照时数长约2292 h,年均气温约7 ℃,平均无霜期146 d,年均降水量445.8 mm 左右,蒸发量1440 mm左右,为农牧气候过渡地带,该县种植10 多种主要中药材品种。

根据定西市天气预报(http://www.weather.com.cn/),陇西县2018−2019年月平均最高和最低气温都呈先升高后降低的变化趋势(图1)。1月气温最低,平均月最高气温2 ℃左右,平均月最低气温−10 ℃左右。1月后气温开始回升,7月最高,连续两年最高温为27 ℃,最低温为15 ℃左右。4−7月昼夜温差最大,此期正是党参成药期从返青至生长旺盛的物候阶段,8月后气温持续下降,为党参肉质根膨大和生物活性成分的积累转化创造了良好条件,也说明陇西县气温季节变化规律性较强,适宜党参育苗和栽培。

1.2 党参育苗与种苗分级

党参育苗用种子2017年采自‘甘党1 号’3年生种株。该品种是甘肃农业大学中药材育种组从甘肃省渭源县党参农家地方品种中选择的优异单株,经甘肃农业大学陈垣教授鉴定为党参[Codonopsis pilosula(Franch.)Nannf.],并在纯有机肥栽培条件下经多年系统选育而成的党参品种。2018年4月20日在陇西县园艺村撒播育苗,播后盖麦草保湿保温,上上茬为党参,前茬为黄芪[Astragalus membranaceus(Fisch.)Bge.var.mongholicus(Bge.)Hsiao],连续3年未施用化肥和农药,参照肖婉君等[17]底肥施入有机肥1000 kg·hm-2(甘肃天耀生物科技有限公司生产,每袋40 kg,有机质>45%,N+P2O5+K2O 含量≥5%,pH=5.5～8.5,水分≤30%)。8月因高温干旱,用地下水灌水1 次,小区悬挂生态黄板防虫,前期人工除草3 次,后期不再除草。2019年3月23日采挖种苗。

种苗采挖后,参照杨扶德等[5]和李瑞杰等[10]的方法,随机抽样60 苗测量根长、根粗和单苗鲜重,用K-均值聚类法分为4 个等级(表1),然后将种苗按等级分类装入网袋假植于试验地备用于移栽。根粗用数显游标卡尺(精度1/100 mm)测定根头部1 cm处根直径,用卷尺测定主根长,单根重用电子天平(精度1/10 000)测定。

表1 供试‘甘党1 号’党参种苗大小分级标准Table 1 Grading criterion of seedling sizes for the tested Codonopsis pilosula ‘Gandang No.1’

1.3 不同等级党参种苗移栽

党参成药栽培田选用甘肃省陇西县园艺村甘肃农业大学生态有机栽培基地连续3年不施用化肥和农药的地块,采用生态黄板防虫,前茬黄芪,结合整地参照肖婉君等[17]底施2000 kg·hm-2有机肥(有机质≥45%,N+P2O+K2O≥5%,甘肃大行农业科技开发有限公司),成药期不追肥,人工除草3 次。2019年3月23日对各级种苗移栽,移栽采用单因素试验方案,随机区组设计,种苗分为大苗(BS)、中苗(MS)、小苗(SS)和特小苗(SLS)4 个等级水平(表1),3 次重复,共12 个处理小区,小区面积3.50 m2。小区长2.8 cm,行距25 cm,株距8 cm,每行35 苗,每小区5 行,小区间空1 行,移栽密度50 万株·hm-2。

1.4 指标测定

返青后及时统计返青株数,以连续7 d 不再出现返青株作为返青终期,计算返青率(regreening rate)。

返青结束,分别于2019年7月26日、9月6日、10月12日和11月1日在各小区第1 行采样全株测定生长指标,每处理挖取10 株除净泥土,测定根性状指标。2019年11月1日药材采挖期在各小区逐行统计成活株数,并划定中间1.4 m2计产区逐根统计成药根数和病根数,称取鲜药材产量,并按照根部发病程度将药材根分为4 个等级(0 级:无病斑;1 级:病斑面积占20%以下;2 级:病斑面积占20%～40%;3 级:病斑面积占40%～60%;4 级:病斑面积占60%以上),最后计算成活率(survival rate,SR)、发病率(disease incidence,I)和病情指数(disease index,DI)。然后在每小区随机抽取完整根10 株,3 个重复,每处理共30 株,测定根长、根粗、侧根数和单根鲜重,风干后称取单根干重和各小区干药材产量,最后计算鲜根含水量(water content,WC)和折干率(dry rate,DR),并将小区鲜、干药材产量换算为每hm2产量,各小区平均数用于统计分析。

1.5 数据统计分析方法

利用Excel 2003 作图和t检验,采用SPSS 19.0对种苗K-均值进行聚类分级、方差分析、相关分析及因子分析,采用Duncan 法进行多重比较,字母法标记显著性。图表中不同小、大写字母分别表示不同处理差异显著(P<0.05)和极显著(P<0.01)。最后基于各级种苗产量因子及抗病性等12 个指标的隶属函数值,对种苗综合评价[17]。

式中:Cl,j为第j指标的第l主成分值,VPl为第l主成分方差占比率,WLj为第j指标的权重值(weight value),R(Xij)为i种苗组j指标的隶属函数值,RR(Xij)表示其反隶属函数值,Xij表示i种苗组j指标的平均值,Xjmax和Xjmin分别表示j指标的最大值和最小值,CIj为第i种苗组j指标的综合指数(comprehensive index,CI)。

2 结果与分析

2.1 种苗大小对党参移栽返青率与成活率的影响

种苗大小对移栽返青率有显著影响(P<0.05,图2),种苗越小返青率越低,与大苗相比较,中苗和小苗的返青率分别降低0.61%和12.8%,但降低程度不显著,特小苗的返青率显著降低28.0%(P<0.05)。党参返青后因根病或干旱常造成部分植株地上部枯萎死亡,降低成药率。种苗大小对返青成活率的影响与返青率相反,种苗越小返青株成活率越高,特小苗较大苗显著提高11.5%(P<0.05),小苗和中苗较大苗分别提高4.8%和0.28%,但提高程度均不显著。4 个等级种苗在12 个重复小区返青率变幅为51.4%～82.9%,返青株成活率变幅为84.5%～100.0%,说明种苗越小返青株的成活率越高,较高的成活率补偿了返青率低的损失,缩小了各级种苗建植的成药株群体大小的差距。

2.2 种苗大小对党参成药根生长发育和含水量动态变化的影响

田间定期破坏性采样测定结果显示,种苗大小对党参根部生长发育性状的影响因指标和生长期的不同表现较大的差异(图3)。大苗和中苗移栽后根性状指标的变化趋势基本一致。7月下旬至10月中旬,特小苗根伸长最快(0.222 cm·d-1),其余依次为中苗(0.082 cm·d-1)、大苗(0.071 cm·d-1)和小苗(0.066 cm·d-1)。10月中旬至11月上旬,中苗根伸长最快(0.638 cm·d-1),其次为小苗(0.489 cm·d-1)、大苗(0.452 cm·d-1)和特小苗(0.056 cm·d-1)。至采挖期根长依次为中苗>大苗>小苗>特小苗。

根粗与根长相似,7月下旬至10月中旬特小苗根增粗最快(0.095 mm·d-1),大苗最慢(0.032 mm·d-1)。10月中旬日至11月上旬,小苗(0.218 mm·d-1)和大苗(0.126 mm·d-1)根增粗最快和次之,两者均与中苗(0.097 mm·d-1)和特小苗(0.094 mm·d-1)差异达显著水平(P<0.05)。平均而言,种苗根粗生长速率依次为特小苗(0.094 mm·d-1)>中苗(0.092 mm·d-1)>小苗(0.084 mm·d-1)>大苗(0.052 mm·d-1),至种苗采挖期根粗依次为小苗>中苗>特小苗>大苗,但差异性不显著。

图3 还显示,特小苗基础生长量小,但进入丛生期后生长较快,至采挖期平均单根鲜重、干重均较高,甚至超过大苗的根重,但其差异性均未达显著水平。7月下旬至11月上旬单根鲜重日均增长速率依次为小苗(0.388 g·d-1)>特小苗(0.334 g·d-1)>中苗(0.293 g·d-1)>大苗(0.240 g·d-1),单根干重日均增长速率也依次为小苗(0.133 g·d-1)>特小苗(0.117 g·d-1)>中苗(0.099 g·d-1)>大苗(0.076 g·d-1)。

党参鲜根含水量变化趋势因种苗大小而异,大苗、中苗和小苗根含水量在7月下旬至10月上旬呈直线下降趋势,10月中旬后开始升高,特小苗成药根含水量在10月上旬前相对平稳,10月下旬后开始下降,但至11月1日采挖期各处理组根含水量差异并不显著。种苗大小对侧根数影响极显著(P<0.01),种苗越大侧根越多,其中大苗的侧根数极显著高于小苗和特小苗(P<0.01)。

2.3 种苗大小对党参药材根产量性状及抗病性的影响

在有机栽培条件下,以密度为50 万株·hm-2移栽,种苗大小对成药主根长的影响极显著(表2,P<0.01),随种苗增大成药根越长,大苗移栽后较中苗、小苗和特小苗移栽的主根分别平均增长1.92 cm(P>0.05)、6.03 cm(P<0.01)和7.60 cm(P<0.01),小苗较特小苗成药根增长1.57 cm,但两者差异不显著。侧根数也表现出种苗越大侧根越多的趋势,但差异未达显著水平。单根重却正好相反,移栽时种苗越大,采挖时单根重越小,但差异性也未达统计学上的显著水平。药材根含水量和折干率正好相反,差异虽不显著,但种苗越大,移栽后成药根含水量越高,药材折干率越低,小苗的折干率最高(表2)。

表2 种苗大小对党参药材根产量性状的影响Table 2 Effect of seedling size on yield characters of Codonopsis pilosula medicinal roots

种苗大小对党参成药根产量有一定影响(图4),但影响程度因区组间差异较大并未达显著水平。4个等级种苗鲜药材产量变幅为3500～9740 kg·hm-2,产量最高和次高的小区分别出现在中苗和小苗组,产量最低的小区出现在特小苗组且变异度最大,变异系数(CV)为33.41%,中苗和大苗组CV 分别为19.87%和17.16%,小苗组CV 最小(13.32%)。4 个等级种苗成药栽培干药材产量变幅为1382～3409 kg·hm-2,干产量最高的小区仍出现在小苗组,产量最低的小区出现在特小苗组,但中苗组重复区组间变异度最大(CV 为24.86%),特小苗和大苗组CV 为24.40%和16.72%,小苗组CV 最小(12.90%)。平均而言,每公顷鲜药材产量依次为中苗(6494～9740 kg)>小苗(6875～8750 kg)>大苗(5455～7727 kg)>特小苗(3500～7000 kg),而每公顷干药材产量为小苗(2544～3300 kg)>中苗(2100～3409 kg)>大苗(1767～2480 kg)>特小苗(1382～2258 kg)。

图4 显示,‘甘党1 号’抗病性较强,4 个等级种苗移栽后在12 个小区中根病率变幅为0～8.00%,平均为4.88%,病情指数变幅为0～4.69%,平均为2.47%。种苗越小根病率越低,但其差异性未达显著水平。各级种苗成药根发病率依次为特小苗(0～5.88%,平均3.63%)、小苗(0～6.67%,平均3.89%)、中苗(5.00～6.25%,平均5.60%)和大苗(4.76～8.0%,平均6.40%)。在特小苗和小苗组的1 个重复小区中均未发现根病,根病率最高的小区出现在大苗组。种苗大小对药材根病情指数(disease index,DI)的影响达极显著水平(P<0.01),中苗组DI 最高(3.75～5.56%),较小苗和特小苗组分别极显著提高3.69%(P<0.01)和3.34%(P<0.01),较大苗组提高1.73%(P>0.05),小苗组DI 最低,发病程度最轻。

相关分析显示(表3),药材根长与返青率呈极显著正相关(P<0.01),与药材根含水量、发病率和病情指数均呈显著正相关(P<0.05),根粗与单根鲜重呈极显著正相关(P<0.01),与单根干重呈显著正相关(P<0.05)。侧根数与返青率呈较大正相关但未达显著水平。单根鲜重与单根干重呈极显著正相关(P<0.01)。返青率与含水量正相关,但不显著,两者均与根部发病率和病情指数呈显著正相关(P<0.05)。发病率与病情指数呈显著正相关(P<0.05)。鲜药与干药产量呈极显著正相关(P<0.01)。

表3 党参药材根产量因子及抗病性的相关性分析Table 3 Relation of medicinal yield factors and disease resistance of Codonopsis pilosula medicinal roots

2.4 不同大小种苗成药特性的综合因子分析

基于党参12 个性状指标主成分的综合因子分析显示,特征根大于1 的主成分有3 个,贡献率分别为38.238%、21.924%和15.498%,累计贡献率为75.661%,故提取前3 个特征根和贡献率计算各指标的权重值(表4)。第1 主成分中,根长、返青率和病情指数的绝对值居前3 位,说明第1 主成分是党参抗逆因子。第2 主成分中,根粗、单根鲜、干重居前3 位,说明是药材根个体质量因子。第3 主成分药材鲜、干产量的绝对值均>0.8,成活率居第3,说明第3主成分是药材产量的决定因素。权重占9%以上的指标依次为发病率、单根干重、药材鲜产量、根长和返青率。根据各性状指标隶属度与权重大小,对各级种苗成药特性综合评判,综合因子大小依次为小苗(0.7340)>特小苗(0.6356)>中苗(0.4089)>大苗(0.2820)(表5)。

表4 基于主成分分析的党参产量因子和抗病性指标负荷量和权重Table 4 Capacities and weights of yield factors and disease resistance indicators of Codonopsis pilosula based on principal components analysis

表5 基于有机栽培党参产量因子和抗病性隶属度的种苗大小综合评价Table 5 Comprehensive evaluation for different size of seedlings based on membership function value of yield factors and disease resistance of organic cultivated Codonopsis pilosula

3 讨论

3.1 种苗大小影响有机栽培党参成药株的建植策略和多度

生态强化生产依赖于有组织的自然生态系统功能,如土壤肥力和生物多样性,而非农业投入,如化学农药和矿物[19]。种子和种苗是栽培的遗传物质基础,种子大小和幼苗更新对策是植物生活史策略的重要组成部分[20]。幼苗的差异反映出初始种子质量的差异,鸟类优先啄食小种子,在潜在的竞争条件下一般留下大种子个体的幼苗[21]。在施肥条件下,不同来源党参大苗移栽后出苗早且生长快[16]。本研究在有机栽培(密度50 万株·hm-2)条件下,大苗返青早且返青率高,发育初期不过度依赖环境的供给,但返青后成活率低;特小苗返青延迟且返青率低,但返青后成活率高,说明种苗大小差异影响了党参成药栽培期的群落建植策略和多度,早返青的大苗优先占据空间生态位,地下发展侧根争夺水分和养分,地上茎蔓抑制了杂草的发生蔓延,却造成根茎部氧气和光源的不足,这为病原微生物的入侵和繁衍创造了有利条件,这从大苗发病率最高,中苗发病程度最严重,以及种苗越大返青株成活率越低得到印证,返青率与发病率和病情指数均呈显著正相关也揭示了这一内在关系,田间也发现大苗死株主要由黄心病引发。而特小苗更吸引地下害虫和鸟类,造成断根断芽或直接被鸟类叼走或从土壤叼出失水萎蔫,前期地面裸露面大,土壤水分散失快且易板结,根系自毒力强,使返青率下降,这也支持了种子大小和幼苗更新的个体和群体生态学理论[20-21]。小苗和中苗返青后,前期根茎部光热气资源配置较合理,为后期根部扩展提供了基础养分,增强了抗逆性,成活率高,种苗返青后快速进入生长[22-23]。以上说明不同大小等级种苗应在各自适宜的密度栽植,才能发挥其增产优势。

另外,本研究还反映出有机栽培条件下‘甘党1 号’的优良特性。在王惠珍等[16]收集甘肃5 个县区 ‘渭党2 号’种苗30 份分为大、中和小苗3 个等级的研究中,根粗范围与本研究中的大、中和小苗接近,其一级种苗成药根的根长和根粗也仅属于本研究小苗成药根范围,而且本研究大苗成药根发病率最高为8.00%,药材根平均发病率低于5%,4 个等级种苗返青后平均成活率均在85%以上,2019年春夏干旱,大田党参成活率低于70%,说明‘甘党1 号’还具有较强的抗逆性。

3.2 种苗大小影响有机栽培党参成药株的异速生长轨迹和生物量积累分配

植物通过调整地上和地下器官的特征来适应环境[23]。在临洮县施肥栽培,从栽植到药材收获220 d,‘渭党2 号’单根鲜重折算的理论鲜药材产量变幅为1336.7～5270.9 kg·hm-2[16]。蔡子平等[8]对‘渭党1 号’施肥栽培,干药材产量最高为2192.2 kg.hm-2。本研究在陇西县纯有机肥栽培,党参7月中旬后生长进程显著加快,营养生长和生殖生长并进,这与王惠珍等[16]对临洮县白条党参和李瑞杰等[10]对文县素花党参观察的结果相似。不同的是,本研究结果并未显示出大苗成药产出性能的绝对优势,从种苗移栽至药材采挖共222 d,种苗大小的异速生长趋势明显,由于特小苗基础库容有限,在10月中旬根基本不再生长,而小苗、中苗和大苗在10月中旬快速生长结束后含水量降至最低,之后随温度和水分条件的满足根又进入生长,含水量升高,小苗根还有增粗趋势,小苗单根生物量积累速率最大,而大苗最小,最终导致药材根产量并未因种苗大小表现出显著差异性,4 个等级种苗平均鲜药材产量变幅为5666.7～8225.1 kg·hm-2,干药材产量变幅为1913.3～2938.1 kg·hm-2,均远高于‘渭党1 号’[8]和‘渭党2 号’[16]的产量水平,这也进一步反映出‘甘党1 号’的增产潜力。党参种苗大小异速生长对根形态和生物量积累的可塑性也是其适应环境生存能力的表现。由于返青期地温低,大苗基础生物量大,早抽生茎蔓为其根部起到保墒增温作用,造就了适宜的根际微生态环境,而特小苗基础生物量小,返青迟缓,快速生长期延后,7−9月党参进入生长旺盛期,此期在漳县栽培的党参地上和地下部也都急剧增加[21],由于党参的无限生长习性和攀缘性,繁茂的茎蔓引起群体间对生长空间、水分、养分和光照等资源的竞争,植株越大竞争越激烈,通风透气性越差,根基部自毒作用愈强,发病程度越严重[15,23-24]。7月下旬至8月下旬气候高温干燥,大苗和中苗繁茂的地上部大量消耗水分和养分,后期根生长量小于小苗和特小苗,也说明了异速生长竞争引发的个体可塑性差异。小苗和特小苗则恰好相反,在该时期地上部迅速增加,加速了对根部的光合营养输入,极大地缩小了与大苗和中苗间的差距,使不同大小种苗成药株的根长和根重的差异性由极显著变得不显著,产量也相当,小苗成药优势更强。

4 结论

党参大小不同的种苗异速生长和建植策略不同,使种苗大小对药材根产量的影响并未达显著水平。有机栽培条件下‘甘党1 号’表现出较强的抗逆性和增产潜力,大苗每公顷鲜、干药材产量变幅分别为5455～7727 kg 和1767～2480 kg,中苗分别为6494～9740 kg 和2100～3409 kg,小苗分别为6875～8750 kg和2544～3300 kg,特小苗分别为3500～7000 kg 和1382～2458 kg。大苗成药根平均发病率和病情指数分别为6.40%和2.93%,中苗分别为5.60%和4.66%,小苗分别为3.89%和0.97%,特小苗分别为3.63%和1.32%。各级种苗综评指数依次为小苗(0.734)>特小苗(0.636)>中苗(0.409)>大苗(0.282)。特小苗返青率低是限制其增产的主要原因,建议采挖移栽过程中严防种苗失水,适当增大移栽密度,并通过生态防虫和栽后覆草保苗;大苗返青率高,但因返青后成活率低,移栽时可适当减小移栽密度,或人工搭架创造最佳的根际微生态环境,发挥其增产优势,即对不同等级种苗科学合理配置移栽密度,才能提高各级种苗的增产增效潜力,当移栽密度为50 万株·hm−2时,小苗和中苗成药产量高,外观质量优异,小苗更为突出。本研究在全程有机栽培条件下比较了种苗大小的生产性能,研究结果打破了对于党参种苗选留的传统认知,可为党参标准化生产提供科学依据。

致谢:陇西县巩昌镇园艺村郭志军、郭天明、郭太平和牟晓红提供试验地并协助田间管理;甘肃农业大学硕士生焦旭升、肖婉君、金建琴、刘宇晓、刘金印和葛鑫参与田间试验和指标测定。