生物炭与复合肥配施对连作穿心莲生长的影响

2022-10-14李珍何玉婷邹毅辉陈楠滨

热带农业科技 2022年4期

李珍，何玉婷，邹毅辉，陈楠滨

（1.漳州卫生职业学院，福建漳州 363000；2.福建省闽南特色中药资源重点实验室，福建漳州 363001；3.漳浦县旧镇镇人民政府，福建漳州 363213）

穿心莲[Andrographis paniculata（Burm.f.）Nees]为爵床科（Acanthaceae）穿心莲属（Andrographis）植物，地上部分入药，具有清热解毒、凉血、消肿的功效，用于治疗感冒发热、咽喉肿痛、口舌生疮等，是《中国药典》收录植物。在规范化栽培中，黄海波［1］明确提出穿心莲忌连茬栽培，陈蔚文［2］也报道穿心莲存在连作障碍，在种植中通常避免重茬。张庚［3］发现穿心莲连作易产生自毒作用是该植物连作障碍的重要原因，穿心莲内酯和一些酚酸类物质可能是穿心莲产生的主要自毒物质。曾令杰［4］发现，穿心莲在其生长过程中释放的化感物质进入了根际土壤，对穿心莲产生化感作用，穿心莲内酯为其中的主要化感物质之一。李俊仁［5］研究发现，穿心莲连作土壤提取物对其种子存在化感抑制作用，化感作用可能是造成穿心莲连作障碍的原因之一。本课题组发现，添加3 750 kg/hm2的生物炭能有效缓解穿心莲的连作自毒障碍［6-7］。

在生产上，农户通过施肥来缓解穿心莲的连作自毒障碍，但缓解效果如何未见文献报道。为此，笔者通过田间试验探讨了生物炭和复合肥配施对连作穿心莲生长的影响，以期为穿心莲种植地土壤的健康管理和穿心莲连作自毒障碍的缓解提供技术支持。

1 材料和方法

1.1 试验设计

试验地在漳州卫生职业学院药用植物园内。复合肥（挪威雅冉国际有限公司，N∶P2O5∶K2O比例为15∶15∶15的硫酸钾型复合肥）设置0、112.5、225 kg/hm2三个梯度，记作F0、F112.5、F225；生物炭（竹炭）设置0、112.5、225、337.5、450 kg/hm2五个梯度，记作C0、C112.5、C225、C337.5、C450。共设15个处理：对照、F0C112.5、F0C225、F0C337.5、F0C450、F112.5C0、F112.5C112.5、F112.5C225、F112.5C337.5、F112.5C450、F225C0、F225C112.5、F225C225、F225C337.5、F225C450，每个处理3次重复。

试验于2019年4月到2021年9月间进行。每年4月播种，苗高10 cm左右移栽，行株距15 cm×18 cm左右，移栽前施入生物炭，6月点施复合肥，其它管理措施与大田生产一致。9月初采收，收获后至第二年4月不种其它作物。

1.2 测定指标及方法

1.2.1 形态指标

穿心莲收获前，记录株高、叶片数、分蘖数、茎粗。根系表面积用EPSON EXPRESSION 1680型扫描仪和winRHIZO根系扫描仪进行分析。根冠比为地上部分干重与根干重之比。

1.2.2 生理指标

叶绿素含量测定：丙酮乙醇混合液法［8］；根系活力测定：TTC（红四氮唑）还原法［9］；过氧化氢酶（CAT）活性测定：紫外吸收法［10］；丙二醛（MDA）含量测定：硫代巴比妥酸法［11］；过氧化物酶（POD）活性测定：愈创木酚法［12］；超氧化物歧化酶（SOD）活性测定：氮蓝四唑（NBT）光还原法西［11］。

1.2.3 产量指标

因行株距略有差异，随机选取地块1.70～2.24 m2，割取地上部分，称量鲜重、干重，然后折算成单位面积产量。

1.2.4 数据处理

采用SPSS 19.0软件进行数据统计分析。

2 结果与分析

2.1 生物炭与复合肥配施对连作穿心莲外部形态指标的影响

生物炭与复合肥配施对穿心莲生长的影响见表1。株高是穿心莲生长发育的一个重要表型。在低水平施炭条件下（施炭量为0～225 kg/hm2），株高随着复合肥使用量的增加而增加；在高水平施炭条件下（施炭量为337.5～450 kg/hm2），株高随着复合肥使用量的增加呈上下波动状态；除C337.5组的F0与F112.5之外，相邻处理间差异都不显著。在相同的施肥条件下，株高随着炭使用量的增加而增加（C450F112.5除外），低水平施炭处理间的株高差异显著（F112.5组C112.5与C225差异不显著），高水平施炭处理间的株高差异不显著，高水平施炭比低水平施炭处理差异显著（C450F225、C337.5F225与C225F225差异不显著）。

茎粗越粗，表明植株越壮，抗倒伏能力越强。表1中，在相同的施炭条件下，C0、C112.5、C225和C450组茎粗都随着复合肥使用量的增加而增加，C225组茎粗不施肥和施肥处理间差异显著，其它组均未有显著差异；C337.5组茎粗随着复合肥施用量的增加呈现出先增后降的趋势，F112.5处理达到最大值，但差异不显著。在相同的施肥条件下，随着施炭量的增加，茎粗也在增加（C450F112.5除外），低水平施炭处理除F112.5组C225处理、F225组C225处理差异显著外，其余处理间差异不显著；高水平施炭处理间差异不显著；高水平施炭比低水平施炭处理差异显著（C225F337.5与C225F225差异不显著）。

表1 不同处理对连作穿心莲生长的影响

叶片数量是植物繁茂特征的表现之一。表1中，在相同的施炭条件下，低水平施炭的C0、C112.5、C225组叶片数量随着复合肥施用量的增加逐渐增加，但处理间差异不显著；C337.5组叶片数随着复合肥施用量的增加呈先增加后减少，而C450组叶片数随着复合肥施用量的增加而下降，但差异均不显著。在相同的施肥条件下，F0组叶片数随着炭施用量的增加逐渐增加，C112.5与C225处理间达到显著性差异；F112.5、F225组叶片数随着炭施用量的增加呈先增加后减少，C337.5处理均达到最大值；低水平施炭处理F0组C225处理、F112.5组各处理、F225组C0处理差异显著，其余处理间差异不显著；高水平施炭处理间差异不显著；高水平施炭比低水平施炭处理差异显著（C337.5F0与C225F0、C337.5F225与C225F225差异不显著）。

一定数量的分蘖不仅能扩大光合面积，提高群体光合效率，也能增加产量。表1中，在相同的施炭条件下，除C337.5组外，其余4组分蘖数都是随着施肥量的增加呈现出逐渐增多的趋势；C0组的F0与F225处理间差异显著，C225组的F225处理差异显著，C337.5组的F0处理差异显著。在相同的施肥条件下，分蘖数随着施炭量的增加而增加（C450F112.5除外），低水平施炭处理除F0组C0与C225处理、F112.5组C225处理、F225组C225处理差异显著外，其余处理间差异不显著；高水平施炭处理间差异不显著；高水平施炭比低水平施炭处理差异显著（C337.5F0与C225F0差异不显著）。

根系表面积是根系生长情况的反映指标。表1中，在相同的施炭条件下，根系表面积随着施肥量的增加而增加，但是差异不显著。在相同的施肥条件下，根系表面积也随着施炭量的增加而增加，低水平施炭处理除F0组C0与C225处理差异显著外，其余处理间差异不显著；高水平施炭处理间差异不显著；高水平施炭比低水平施炭处理差异显著（C337.5F225与C225F225差异不显著）。

根冠比是反映根系和地上部分协调生长的重要指标。表1中，在相同的施炭条件下，C0、C112.5、C225组根冠比随着施肥量的增加而减少，C337.5、C450组根冠比随着施肥量的增加呈先降后增的趋势，仅C112.5组的F0处理差异显著。在相同的施肥条件下，根冠比随施炭量增加都呈现出下降的趋势（C450趋平），低水平施炭的F0组C225差异显著，F112.5组各处理间差异显著，F225组的C225与C0差异显著；高水平施炭处理间差异不显著；高水平施炭比低水平施炭处理差异显著（C450F0、C337.5F225与C225F0，C450F225与C225F225、C112.5F225差异不显著）。

2.2 生物炭与复合肥配施对连作穿心莲生理指标的影响

叶绿素是植物体内与光合作用密切相关的重要色素，其含量变化直接影响到光合效率和光合产物的积累。表2中，在相同的施炭条件下，C0、C112.5、C225组叶绿素随着施肥量的增加而增加，C337.5与C450两组呈先增后降的趋势，除C0组的F225与F112.5、F0处理间差异显著外，其余组处理间差异均不显著。在相同的施肥条件下，随着施炭量的增加，叶绿素均呈现出先增后降的趋势，低水平施炭F0、F112.5组的C0差异显著；高水平施炭处理间差异不显著；高水平施炭比低水平施炭处理差异显著（F225组、C337.5F0与C225F0、C225F0差异不显著）。

根系负责从土壤中吸收水分和无机养料供地上部分所用，其活力水平直接影响着植物个体的营养状况和生长情况。表2中，在相同的施炭条件下，随着施肥量的增加，各组根系活力均表现出逐渐升高的趋势，除C112.5组的F225、C337.5组的F0、C450组的F0处理差异显著外，其余处理间差异均不显著。在相同的施肥条件下，根系活力随着施炭量的增加呈现出上升的趋势，低水平施炭F225组的C0差异显著；高水平施炭处理间差异不显著；高水平施炭比低水平施炭处理差异显著（C225F0与C337.5F0差异不显著）。

丙二醛（MDA）是植物细胞内膜脂过氧化的产物，其含量可反映植物膜脂过氧化和膜系统受伤害程度。表2中，在相同的施炭条件下，随着施肥量的增加，C112.5组呈现出逐渐降低的态势，其它四组没有明显的规律性，而且5组各处理间都无显著性差异。在相同的施肥条件下，随着施炭量的增加，丙二醛都呈现出先降低后升高的趋势，且C337.5处理都为各组最低值，其中C337.5F112.5为全组最低值；低水平施炭处理间差异不显著；高水平施炭处理间差异也不显著；高水平施炭比低水平施炭只有C337.5与C0处理间差异显著。

表2 不同处理对连作穿心莲生理指标的影响

POD、SOD和CAT为植物细胞内的重要保护酶，它们与其它抗氧化酶和抗氧化物质协同作用，共同防御产生过量的活性氧及自由基。POD酶，在相同的施炭条件下，C337.5组随着施肥量的增加呈现出先升后降的趋势，在F112.5处达到全组最高值。其它各组随着施肥量的增加，都表现出升高的趋势；除C337.5组的F0与F112.5处理间差异显著外，其它处理间无显著差异。在相同的施肥条件下，F0和F112.5两组呈先升后降的趋势且都在C337.5处达到最高值，F225组呈上升趋势且在C337.5和C450处趋于稳定；低水平施炭除F112.5组的C112.5处理外，差异不显著；高水平施炭处理间差异也不显著；高水平施炭比低水平施炭处理差异显著。SOD酶，在相同的施炭条件下，随着施肥量的增加，C0、C112.5和C225组都呈现出逐渐升高的趋势，C337.5和C450两组呈现出先升高后降低的趋势；除了C225组的F0、C450组的F112.5与F225处理间差异显著外，其它处理间无显著差异。在相同的施肥条件下，随着施炭量的增加，F0和F112.5组呈现出逐渐升高的趋势，F225组呈现出先升后降的趋势；低水平施炭F0、F112.5、F225三组在C112.5到C225处理间差异显著；高水平施炭处理间差异不显著；高水平施炭比低水平施炭处理差异显著（C225F112.5与C337.5F112.5、C225F225与C337.5F225差异不显著）。CAT酶，在相同的施炭条件下，随着施肥量的增加，C0、C112.5和C225三组都呈现出逐渐升高的趋势，C337.5组呈现出先升后降的趋势，C450组处理保持平稳状态；C0、C112.5、C225、C337.5四组在F0到F112.5的4个处理间差异显著外，其余各处理间差异不显著。在相同的施肥条件下，随着施炭量的增加，F0和F225两组呈现出逐渐升高的趋势，F112.5呈现出先升后降的趋势；低水平施炭处理间差异显著；高水平施炭处理间差异不显著；高水平施炭比低水平施炭处理差异显著（C225F225与C337.5F225差异不显著）。

2.3 生物炭与复合肥配施对连作穿心莲产量指标的影响

根据图1结果可知，在相同的施炭条件下，随着施肥量的增加，C0、C112.5、C225、C450组产量都呈现出逐渐升高的趋势；只有C337.5组产量呈现出先升高后降低的趋势，F112.5处理最高产，但没有显著性差异。在相同的施肥条件下，随着施炭量的增加，F0、F225两组产量呈现出逐渐升高的趋势，F112.5产量呈现出先升后降的趋势，各处理间也没有显著性差异。连作两年的穿心莲空白对照（不施肥不加炭），产量只有7 217 kg/hm2；在不加炭，只施肥112.5、225 kg/hm2的条件下，产量分别是7 240、7 265 kg/hm2，增幅0.31%、0.67%。在不施肥，只加炭112.5、225 kg/hm2的条件下，产量分别是7 484、7 838 kg/hm2，增幅3.74%、8.60%。随着施肥量和施炭量的增加，C337.5F112.5处理产量达到最高值8 284kg/hm2，与空白对照比较增幅达14.83%。

图1 不同处理对连作穿心莲产量的影响

3 讨论

3.1 生物炭与复合肥配施对连作穿心莲形态指标的影响

多年来，国内外研究者［13-16］对连作障碍的形成机理进行了研究并取得显著进展，包括土壤养分亏缺、土壤理化性质变化、化感自毒物质的积累等。随着连作年限的增加，被作物吸收的元素在土壤中越来越少，容易造成土壤养分的失衡，合理有效的施肥在改善土壤理化性质及微生态环境中发挥着重要作用。本试验中，株高、茎粗、叶片数、分蘖数、根系表面积5个指标，在相同的施炭条件下，随着施肥量的增加，低水平施炭C0、C112.5、C225三组都呈现出上升的趋势；C337.5组除根系表面积一直是上升的趋势外，其余4个方面都呈现出先升高后下降的趋势，出现拐点的组合都是C337.5F112.5；C450组茎粗、分蘖数、根系表面积呈上升趋势，株高先升后降，叶片数呈下降趋势。以上趋势说明在相同的施炭条件下，低水平施肥能促进穿心莲生长，高水平施肥未必能取得更好的效果。另外，虽然施肥能促进穿心莲生长，但是只有几个处理间存在显著性差异，其余处理间都无显著性差异，说明施肥可以缓解穿心莲的连作自毒障碍，但是效果有限。

鉴于施肥缓解穿心莲连作自毒障碍的效果有限，本文还探讨了在施肥的基础上添加生物炭能否更好地缓解穿心莲连作带来的危害。本研究中，株高、茎粗、叶片数、分蘖数、根系表面积5个指标，在相同的施肥条件下，随着施炭量的增加，F0组都呈上升的趋势；F112.5组除根系表面积一直是上升的趋势外，其余4个指标都表现出先升后降的趋势，出现的拐点组合也是C337.5F112.5；F225组除叶片数外，其余4个指标都呈上升的趋势。与施肥不同之处在于：随着施炭量的增加，大部分形态指标都呈现出上升的趋势，且多数处理间存在显著性差异，差异组的数量明显多于施肥处理。说明对连作穿心莲，添加生物炭和施肥比较起来，添加生物炭缓解连作障碍的效果要强于施肥。原因可能是：①生物炭能改善土壤的理化性状，生物炭具备较大的表面积和多孔特性，有利于提高土壤孔隙度，降低土壤紧实度，增强土壤持水能力［17］；②生物炭的疏松多孔性为土壤微生物提供了栖息地，显著提高了土壤微生物的数量和活性［18］；③生物炭具有较强的吸附能力，可以吸附根系分泌物、病原菌分泌物等有机物质，从而减轻对自身的毒害［19］。

3.2 生物炭与复合肥配施对连作穿心莲生理指标的影响

叶绿素和根系活力是植物生长的重要生理指标。本试验中，对照处理的两个指标都处于最低值。在相同的施炭条件下，随着施肥量的增加，低水平施炭C0、C112.5、C225组叶绿素都呈现出上升的趋势，高水平施炭C337.5、C450组叶绿素呈先升后降趋势；根系活力随着施肥量的增加都呈上升趋势。但是相邻处理间，叶绿素组有1个处理、根系活力组有3个处理存在显著性差异，其余处理间无显著性差异。以上趋势说明施肥可以提高叶绿素含量和提升根系活力，但是改善的能力有限。在相同的施肥条件下，随着施炭量的增加，叶绿素含量呈先升后降的趋势，根系活力呈上升趋势。相邻处理间，叶绿素组有3个处理、根系活力组有3个处理存在显著性差异。说明施炭后，叶绿素含量有了较大幅度的提高，植株的光合作用能力增强，促进了生长，这点与其他学者的研究结果一致［20-21］。

正常情况下，细胞体内的活性氧、氧化酶类和非酶类抗氧化物处于生理平衡状态。当植物遭受逆境胁迫如连作时，体内活性氧积累过多，致使植物组织受到伤害。抗氧化酶可以清除活性氧，避免造成细胞膜脂的过氧化，如SOD，能将细胞中的O2-转化为H2O2和O2［22］，H2O2又可以在CAT和POD等酶的共同作用下被消除，减轻逆境胁迫对细胞的损伤［23］。本研究中，连作两年的穿心莲在不施肥、不加炭的情况下，POD、SOD和CAT三种酶的酶活处于最低值。在相同的施炭条件下，低水平施炭C0、C112.5、C225组3种酶活都呈现出上升的趋势，高水平施炭C337.5、C450组3种酶活呈上下波动、平稳或略有上升的趋势；相邻处理间，POD有1个处理、SOD有2个处理、CAT有4个处理存在显著性差异。在相同的施肥条件下，低水平施炭的C0、C112.5、C225组，POD、SOD和CAT三种酶活都呈现出上升的趋势；高水平施炭C337.5和C450组，3种酶活呈现出上下波动、平稳或略有上升的趋势。相邻处理间，POD有4个处理、SOD有4个处理、CAT有8个处理存在显著性差异，差异数量明显多于施肥处理。说明在连作两年的情况下，3种酶活的含量最低，体内活性氧含量高，穿心莲处于逆境胁迫状态，随着施肥量的增加，逆境胁迫有所缓解，但是缓解的能力有限；随着施炭量的增加，逆境胁迫明显缓解，缓解效果大于施肥的；肥料和生物炭两种配施的情况下，缓解力度加大，在C337.5F112.5处，缓解的力度达到最大值。