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氮磷钾养分对寒地膜荚黄芪生长及药用成分影响

  • 王晓飞1

    机 构：

    1. 黑龙江省科学院大庆分院,黑龙江 大庆 163319

    ×
  • ， 姚琴2

    机 构：

    2. 大庆油田矿区事业服务部园林绿化公司, 黑龙江 大庆 163711

    ×
  • ， 魏国江1

    机 构：

    1. 黑龙江省科学院大庆分院,黑龙江 大庆 163319

    ×
  • ， 吴耀坤3

    机 构：

    3. 黑龙江省农业科学院大庆分院,黑龙江 大庆 163000

    ×
  • ， 徐海军1

    机 构：

    1. 黑龙江省科学院大庆分院,黑龙江 大庆 163319

    ×

1. 黑龙江省科学院大庆分院,黑龙江 大庆 163319；
2. 大庆油田矿区事业服务部园林绿化公司, 黑龙江 大庆 163711；
3. 黑龙江省农业科学院大庆分院,黑龙江 大庆 163000；

Effects of N，P and K fertilization on the growth and medicinal components of Astragalus membranaceus in cold region

  • WANG Xiao-fei1

    Affiliation：

    1. Daqing Branch of Heilongjiang Academy of Sciences,Daqing Heilongjiang 163319

    ×
  • ， YAO Qin2

    Affiliation：

    2. Landscaping Company of Logistic Administration of Daqing Oilfield Limited Company,Daqing Heilongjiang 163711

    ×
  • ， WEI Guo-jiang1

    Affiliation：

    1. Daqing Branch of Heilongjiang Academy of Sciences,Daqing Heilongjiang 163319

    ×
  • ， WU Yao-kun3

    Affiliation：

    3. Daqing Branch of Heilongjiang Academy of Agricultural Sciences, Daqing Heilongjiang 163000

    ×
  • ， XU Hai-jun1

    Affiliation：

    1. Daqing Branch of Heilongjiang Academy of Sciences,Daqing Heilongjiang 163319

    ×

1. Daqing Branch of Heilongjiang Academy of Sciences,Daqing Heilongjiang 163319；
2. Landscaping Company of Logistic Administration of Daqing Oilfield Limited Company,Daqing Heilongjiang 163711；
3. Daqing Branch of Heilongjiang Academy of Agricultural Sciences, Daqing Heilongjiang 163000；

作者简介:

王晓飞(1983-),女,黑龙江双城人,助理研究员,硕士研究生,主要从事植物栽培及土壤改良。E-mail:wangxiaofei.012345@163.com。

通讯作者:

徐海军,E-mail:nxynxhj@163.com。

DOI:10.11838/sfsc.1673-6257.20034

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目录contents

    摘要

    养分是影响黄芪生长的重要因素，研究 N、P、K 对膜荚黄芪生长及药用成分的影响，以期为寒地黄芪营养调控提供基础支撑。在大田试验条件下，通过 N、P、K 单因素试验和 L9（34 ）正交试验，分析 1 年生膜荚黄芪在不同因子水平及多因子配施下植株表观生长量和根系药用成分含量变化。1）在不同氮素水平条件下，膜荚黄芪株高差异不显著；根长 N2 显著高于其他处理（P<0.05）；茎粗、10 cm 处根粗（R1）N2 和 N3 差异不显著，但显著高于 N1 和 CK；地下鲜重各氮素处理差异不显著（P>0.05），地上鲜重 N3 与 N1、N2 差异不显著，显著高于 CK （P <0.05）。毛蕊异黄酮苷、刺芒柄花苷 N2 与 N1、N3 差异不显著，但显著高于 CK（P<0.05）；毛蕊异黄酮差异不显著；多糖 N2 与 N1 差异不显著，但与 N3、CK 差异显著；在不同磷素水平条件下，膜荚黄芪根长表现 P3 和 P2 差异不显著，但显著高于 P1 和 CK（P<0.05）；根粗（R1）P1 和 P2 差异不显著，但显著高于 P3 和 CK （P<0.05）。P1 处理的膜荚黄芪根系毛蕊异黄酮苷和刺芒柄花苷含量最高（P<0.05），而多糖含量显著低于其它处理。在不同钾素水平下，膜荚黄芪株高、1 cm 处根粗（R0）、地下鲜重、地上地下鲜重比值均表现为 K2、K3 和 CK 差异不显著，但显著高于 K1（P<0.05）。毛蕊异黄酮苷和刺芒柄花苷含量 K2 处理与 K1、CK 差异不显著，但显著高于 K3（P<0.05）；毛蕊异黄酮含量 K3 处理显著高于其它处理；多糖含量各处理差异显著，含量高低顺序为 CK>K3>K2>K1。2）N、P、K 配施条件下，K 元素对膜荚黄芪影响较大，株高、茎粗、根粗（R1）、地上鲜重及地下鲜重达显著水平（P<0.05），N、P 对膜荚黄芪影响较小。膜荚黄芪毛蕊异黄酮苷和多糖受 N、P、K 元素影响大小为 K>N>P，刺芒柄花苷含量受 N、K 元素影响达到显著水平（P<0.05）；毛蕊异黄酮含量在各处理差异不显著。N、K 元素的增施有利于植株的生长、生物量及多糖的积累，N、P、K 元素对膜荚黄芪影响效果为 K>N>P；单元素施肥时，氮肥（20 g/m2 ）、磷肥（15 g/m2 ）、钾肥（20 g/m2 ）对膜荚植株生长有显著促进作用，而氮肥（20 g/m2 ）、磷肥（7.5 g/m2 ）、钾肥（20 g/m2 ）对药用成分积累均有显著促进作用；三元素配施时，N2P2K3 处理（N 20 g/m2 ，P 15 g/m2 ，K 30 g/m2 ）有利于膜荚黄芪植株生长及根系多糖积累，而 N1P2K2 处理（N 10 g/m2 ， P 15 g/m2 ，K 20 g/m2 ）有利于黄酮类物质的积累。建议种植生产中，根据实际需要进行定向施肥管理。

    Abstract

    Plant nutrient is an important factor that affects the growth of Astragalus membranaceus．The effects of N，P andK on the growth and medicinal components of Astragalus membranaceus were studied in order to provide basic support for the nutritional regulation of Astragalus membranaceus in cold region．Through the N，P and K single factor field experiment and L9（34 ）orthogonal test，the apparent plant growth and medicinal ingredients of annual Astragalus membranaceus in different nutrient levels and multiple factors were analyzed．1）The plant heights of Astragalus membranaceus with different nitrogen levels had no significant difference．The root length of N2 was significantly higher than other levels（P<0.05）． The difference of stem diameter，root diameter at 10 cm（R1）of N2 and N3 was not significant，but significantly higher than that of N1 and CK．There was no significant difference in underground fresh weight under nitrogen treatments（P> 0.05），and there was no significant difference in aboveground fresh weight between N3 and N1，N3 and N2，but it was significantly higher than CK（P<0.05）．The campanulin and the ononin of N2 were not significantly different from N1 and N3，but significantly higher than CK（P<0.05）．The calycosin among different levels was not significant．The difference of polysaccharide between N2 and N1 was not significant，but was significant with N3 and CK．Under different phosphorus levels，the root length of Astragalus membranaceus showed no significant difference between P3 and P2，but was significantly higher than that of P1 and CK（P<0.05）；there was no significant difference in root diameter at 10 cm （R1）between P1 and P2，but was significant higher than that of P3 and CK（P<0.05）．The P1 treatment of Astragalus membranaceus roots had the highest content of isoflavone glycosides and formononetin in the root system（P<0.05），while the content of polysaccharides was significantly lower than other treatments．Under different potassium levels，the plant height，root diameter at 1 cm（R0），underground fresh weight，and the above ground/underground fresh weight ratio of K2，K3 and CK were not significantly different，but significantly higher than those of K1（P<0.05）．The contents of the campanulin and the ononin of K2 were not significantly different with K1 and CK，but significantly higher than K3（P<0.05）．The content of the calycosin of K3 was significantly higher than other treatments．The polysaccharide content was significantly different，and the order of content was CK> K3>K2>K1.2）Under the mix application of N，P and K，the plant height，the stem diameter，the root diameter（R1），aboveground fresh weight and belowground fresh weight were significantly affected by K element（P<0.05），while N and P had a less effect on Astragalus membranaceus． The campanulin and polysaccharides were significantly affected by N，P and K elements（P <0.05），and the influence order was K>N>P，and the ononin was significantly affected by N and K elements（p<0.05）．There was no significant difference in the content of the calycosin in different treatments．the application of nitrogen and potassium was beneficial for plant growth，biomass and polysaccharide accumulation．The effect of nitrogen，phosphorus and potassium on Astragalus membranaceus was K>N>P. The N2，P2 and K2 promoted the growth of Astragalus membranaceus significantly under the sigle element fertilization，while N2，P1 and K2 promoted accumulation of the medicinal components significantly．When the three elements were applied together，the treatment of N2P2K3（N 20 g/m2 ，P 15 g/m2 ，K 30 g/m2 ）was beneficial to the growth and the accumulation of roots polysaccharides of Astragalus membranaceus．The treatment of N1P2K2（N 10 g/m2 ，P 15 g/m2 ，K 20 g/m2 ）was beneficial to the accumulation of flavonoids．It is suggested that directional fertilization management should be carried out according to production needs．

  • 黄芪[Astragalus membranaceus（Fisch.）Bge.]为豆科属多年生草本植物[1]，《中华人民共和国药典》（2015）中收录药材黄芪为豆科植物蒙古黄芪（Astragalus membranaceus var.mongholicus）或膜荚黄芪（Astragalus membranaceus）的干燥根[2]，前者为后者的变种，主要分布于我国温带和暖温带地区，膜荚黄芪是森林草甸中生长的植物，具有较高的药用价值[3]，具有补气固表、利尿排脓、敛疮生肌[4]及增强免疫的功能，在临床、食品、化妆品等行业有广泛应用。目前，野生黄芪破坏严重，市场上的黄芪主要依赖于人工栽培，人工栽培的基础是栽培技术，其中营养调控是关键技术之一。氮、磷、钾是植物必需的大量营养元素，对黄芪的生长发育及药用成分积累具有促进作用。东北地区优良的生态环境和土壤条件是种植膜荚黄芪的先天优势，但起步较晚，缺乏成熟的种植技术，因此，为实现膜荚黄芪高效栽培，本研究结合当地气候特点和土壤状况对施用氮、磷、钾营养元素与膜荚黄芪产量、品质及药用成分进行解析，筛选适宜东北地区膜荚黄芪高效栽培的养分配比，以期为北方地区黄芪高效种植提供科学依据。

  • 1 材料与方法

  • 1.1 试验地概况

  • 试验设置2个试验点，分别位于大兴安岭呼玛北园区中心苗圃（试验点1）和三卡乡中药材种植基地（试验点2），各试验点气候环境概况如下：试验点1（N 51°43′35″，E 126°36′59″）开荒地，森林暗棕壤，壤土；试验点2（N 51°06′20″， E 126°52′35″）林缘坡地，暗棕壤，砂壤土。两试验点属寒温带大陆性季风气候，年积温2086℃，年平均降水量460.4mm，无霜期90～100d。试验点土壤基本理化性质见表1。

  • 表1 试验地土壤基本理化性质

  • 1.2 试验材料

  • 膜荚黄芪（Astragalus membranaceus）种子采购于内蒙古赤峰。采用大田起垄直播，垄距60cm，垄高20cm；出苗后30d进行养分调控试验。

  • 1.3 试验设置

  • 1.3.1 单因素肥效试验

  • 试验点1进行N、P、K单因素肥效试验，N素水平用尿素（N 46.4%） 调节，P用磷酸二铵（P2O5 46%）调节，K用硫酸钾（K2O 50%）调节。 N、P、K分别设置3个水平梯度，N1（10g/m2）、 N2（20g/m2）、N3（30g/m2）；P1（7.5g/m2）、P2（15g/m2）、P3（22.5g/m2）；K1（10g/m2）、K2（20g/m2）、K3（30g/m2）。每个区组设置不施肥为空白对照（CK，0g/m2），样方设置为6m×6m，3次重复，随机区组排列。

  • 1.3.2 多因素正交试验

  • 试验点2进行多因素正交试验，采用L9（3 4）正交表，设置三因素三水平正交试验，设计如表2。

  • 表2 正交试验设计

  • 注：氮、磷、钾用量以N、P2O5、K2O计算。

  • 1.4 样品采集

  • 植物样品于当年的9月份采集，人工挖掘出单株后，地上和地下植物样品带回实验室，将泥土清理干净，烘干、粉碎待测，每个处理样品采集5～10株，重复3次。

  • 1.5 测试指标及方法

  • 土壤指标：土壤pH值采用酸度计（Sartorius120PB-10）测定，有机质采用重铬酸钾外加热法测定，碱解氮采用碱解扩散法测定，有效磷采用钼锑抗比色法测定，速效钾采用火焰光度法测定[5]。生物量及生理指标：应用卷尺和游标卡尺测量黄芪株高、地茎（茎基部距地0.5cm）、根长、根粗（距主根头部1、10cm处主根直径粗度，分别记为R0、R1），然后从茎基部将植株分为地上和地下两部分，分别用精度为0.01g天平测量鲜重，计算地上地下鲜重比（A/U）。药用成分分析：黄芪多糖采用硫酸-苯酚比色法，毛蕊异黄酮、刺芒柄花苷、毛蕊异黄酮苷采用高效液相色谱法[6-7]。

  • 1.6 数据处理

  • 用SPSS 16.0对数据进行单因素方差分析one-WayANOVA，LSD多重比较，数据采用3次重复平均值 ± 标准差；正交试验借助DPS 7.05分析； 用Excel2017制表。

  • 2 结果与分析

  • 2.1 氮磷钾单因素调控对膜荚黄芪表观生长量的影响

  • 在不同氮素水平条件下，膜荚黄芪株高差异不显著；根长表现为N2显著高于其他处理（P<0.05）； 茎粗、根粗（R1）N2和N3差异不显著，但显著高于N1和CK；地下鲜重各氮素处理差异不显著（P>0.05），地上鲜重N3与N1、N2差异不显著，但显著高于CK（P<0.05）。在不同磷素水平条件下，膜荚黄芪根长表现P3和P2差异不显著，但显著高于P1和CK（P<0.05）；根粗（R1）P1和P2差异不显著，但显著高于P3和CK（P<0.05），表明磷素过高或不足可能会影响黄芪根系形态变化。在不同钾素水平下，膜荚黄芪株高、根粗（R0）、地下鲜重、地上地下鲜重比值均表现为K2、K3和CK差异不显著，但显著高于K1（P<0.05）；总体上，在K2水平下根长、根粗（R0、R1）、单株鲜重（地上、地下） 均稍高于其他处理。

  • 表3 N、P、K不同水平条件下膜荚黄芪生长特征

  • 注：同列中相同字母表示差异不显著（P>0.05）。下同。

  • 2.2 氮磷钾单因素调控对膜荚黄芪药用成分的影响

  • 膜荚黄芪根系药用成分在不同氮素水平下表现为毛蕊异黄酮苷、刺芒柄花苷N2与N1、N3差异不显著，但显著高于CK（P<0.05）；毛蕊异黄酮差异不显著；多糖N2与N1差异不显著，但与N3、CK差异显著。不同磷素水平下，P1处理的膜荚黄芪根系毛蕊异黄酮苷和刺芒柄花苷含量最高，而多糖含量显著低于其它处理。不同钾素处理下，膜荚黄芪根系中毛蕊异黄酮苷和刺芒柄花苷含量K2处理与K1、CK差异不显著，但显著高于K3（P<0.05）；毛蕊异黄酮含量K3处理显著高于其它处理；多糖含量各处理间差异显著，含量高低顺序为CK>K3>K2>K1（表4）。

  • 2.3 膜荚黄芪表观生长量正交肥效试验差异显著性分析

  • 由分析结果可知，在N、P、K配施条件下， N元素除对膜荚黄芪根长及A/U值达显著水平（P<0.05）外，对其他表观生长量影响较小，P元素对膜荚黄芪影响最小，膜荚黄芪各个表观生长量影响均不显著（P>0.05），而K元素对膜荚黄芪影响较大，株高、茎粗、根粗（R1）、地上鲜重及地下鲜重达显著水平（P<0.05）。经方差分析可知，处理3（N2P1K2）较有利于膜荚黄芪株高、根长、茎粗、地上鲜重和地下鲜重生长（表5）。

  • 表4 N、P、K不同水平条件下膜荚黄芪药用成分含量（%）

  • 表5 多因素施肥对膜荚黄芪表观生长量的影响

  • 2.4 膜荚黄芪药用成分正交肥效试验差异显著性分析

  • 由分析结果可知，膜荚黄芪毛蕊异黄酮苷和多糖受N、P、K元素影响均达到显著水平（P<0.05），且毛蕊异黄酮苷受K、N、P的影响大小依次减弱，而多糖受N、K、P影响依次减弱；膜荚黄芪刺芒柄花苷含量处理间差异受K、N、P元素影响依次减小，其中N、K元素影响达到显著水平（P<0.05）； 各处理中，膜荚黄芪根系毛蕊异黄酮含量并未受到N、P、K施入水平的影响，各个处理差异不显著。正交试验处理中，处理9（N1P2K2）有利于膜荚黄芪毛蕊异黄酮苷和刺芒柄花苷的积累，处理5（N2P2K3）较有利于膜荚黄芪多糖积累（表6）。

  • 表6 多因素施肥对膜荚黄芪药用成分含量的影响（%）

  • 3 讨论

  • 3.1 氮、磷、钾对膜荚黄芪生长促进作用

  • 氮、磷、钾是植物生长中吸收较多的营养元素，对植物的生长发育有着重要的作用[8]，氮、磷、钾在植物代谢过程中既是参与者又是代谢进程的重要影响因子，对植物的养分转化、利用及物质分配均有着重要的促进和调节作用[9]，且在土壤中施用氮、磷、钾等肥料，会改变土壤的理化性质，影响药用植物的生长发育和次生代谢产物的积累，进而影响药材的产量和质量[10]。黄芪，以根系入药，根系形态、物质量的积累、药用成分含量等指标都会成为黄芪营养管理方面的参考。通过以往研究发现，施用不同元素肥料以及施肥方式的不同，对黄芪生长和有效成分含量的影响也不相同。在生长发育方面，王渭玲等[11]研究指出，磷可以促进光合产物由地上部分向根系的运输，单施磷肥有利于膜荚黄芪根系生长，氮可以促进地上部分器官的生长，降低了光合产物向根系转移的比例，钾肥可促进根长和根直径的增加；曹鲜艳等[12]研究氮磷钾对黄芩生长的影响，结果表明氮素最有利于黄芩株高生长，施磷可以促进根系物质积累；余前进等[13]研究了不同施肥模式对三七有效成分的影响，结果表明，氮磷肥利于三七株高生长，可促进干重增加；而钾肥利于有效成分的累积，促进根茎横向增大。本试验结果表明，氮、磷、钾单施条件下，氮素对膜荚黄芪茎粗、根长、根粗（R1）、地上鲜重有显著性影响，而对株高、根粗（R0）、地下鲜重及A/U值则影响不显著，且N2水平下最高；磷素处理除根长和根粗（R1）有显著性差异，其他特征差异不显著且P2水平下最高；钾素处理株高、地下鲜重及A/U值有显著性差异，且K2水平下最高。氮磷钾配施条件下，仅钾元素对膜荚黄芪影响最大，其次为氮素，磷素对其影响最小。这表明施钾素和氮素对黄芪地上植株伸长生长及增粗生长方面有促进作用，此结果与上述学者研究结论相近。

  • 在氮、磷、钾养分对黄芪根系药用成分积累影响方面，杨祎辰等[14]研究认为钾元素对蒙古黄芪可溶性糖、还原糖的积累有促进作用，氮素对于黄芪根部总黄酮的积累有一定的促进作用；王静等[15]的研究指出氮、磷、钾肥对桔梗皂苷含量的作用效果依次为氮> 钾> 磷，对多糖含量的影响依次为磷> 氮> 钾。本研究结果表明，在单因素试验中，随着施入氮肥的增加膜荚黄芪中毛蕊异黄酮苷、刺芒柄花苷和多糖呈先升高，但当氮素水平为N3时降低的趋势；随着施入磷肥的增加，毛蕊异黄酮苷、刺芒柄花苷呈先降低再升高的趋势，而毛蕊异黄酮则相反，多糖呈逐渐下降的趋势；随着施入钾肥的增加，膜荚黄芪中毛蕊异黄酮苷、刺芒柄花苷含量呈先升高后降低的趋势，毛蕊异黄酮呈逐渐升高的趋势，而多糖呈先降低再逐渐升高的趋势。在氮、磷、钾复配下，药用成分积累方面毛蕊异黄酮苷、刺芒柄花苷在处理9（N1P2K2）较好，多糖在处理5（N2P2K3）最优。

  • 3.2 氮磷钾配施膜荚黄芪表观生长和特征与药用成分积累的关系

  • 氮、磷、钾三元素正交试验结果显示，膜荚黄芪根长和茎粗受氮素影响显著，钾元素对株高、茎粗、根粗R1、地上及地下鲜重影响显著，这与单因素试验结果略有不同，不同处理排序认为促进植株生长的最优组合为处理3（N2P1K2），而处理7（N1P1K1）则较差。对根系有效成分方差分析表明，黄酮类药用成分主要受氮、钾影响显著，多糖含量受三元素影响均显著，排序结果处理9（N1P2K2） 有利于黄酮类成分（毛蕊异黄酮苷和刺芒柄花苷） 的积累，而处理5（N2P2K3）较有利于黄芪多糖积累，由此可见，氮、钾元素的增施有利于植株的生长、生物量及多糖的积累，但降低了根系黄酮类成分的积累。植物吸收矿质养分一方面输送到地上部分构建茎干、枝叶等器官[16-17]，并利用光合作用制造更多的碳水化合物以促进植株生长发育，从而降低对根系物质的输送[18]；然而，另一方面地上绿色器官制造的光合产物又会向下输送到根部，促进根系发育，从而更好地吸收土壤中矿质养分供植株转化和利用[19]。在这个吸收、利用、转化、运输的过程中，植株会根据自身生长发育需求进行物质分配，所以，处理5表观生长量及根系多糖含量表现显著较高，而黄酮类表现较低，处理9则呈现相反规律，这可能恰好反映了北方高寒地区膜荚黄芪在生长过程中的物质分配特征。

  • 3.3 生长环境差异的影响

  • 试验虽在同一气候条件下进行，但分别设在不同壤质类型的地域上，由于地形和土壤理化性质的差异，可能会在氮、磷、钾配施效果方面与单因素试验结果不一致。但经过试验分析发现，单因素试验与正交试验得出的施肥对膜荚黄芪表观生长量和药用成分积累的影响效应是相一致的，因此，本试验结果还是具有很好的可靠性。另外，在光照下，由于北园区森林暗棕壤较三卡砂壤土升温较慢，三卡土壤昼夜温差较北园区波动幅度大，且白天接收的有效热量也较多，这可能促使砂壤土中膜荚黄芪植株生长更旺盛，生物量积累也较高。

  • 4 结论

  • 氮肥（20g/m2）、磷肥（15g/m2）、钾肥（20g/m2）对膜荚黄芪植株生长有显著促进作用，而氮肥（20g/m2）、磷肥（7.5g/m2）、钾肥（20g/m2）对药用成分积累均有显著促进作用；三元素配施时，处理5（N 20g/m2，P 15g/m2，K 30g/m2）有利于膜荚黄芪植株生长及根系多糖积累，而处理9（N 10g/m2，P 15g/m2，K 20g/m2）有利于黄酮类物质的积累。建议种植生产中，根据实际需要进行定向施肥管理。

  • 参考文献

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  • 基本信息

    DOI: 10.11838/sfsc.1673-6257.20034

    基金信息

    黑龙江省科学院科学研究基金项目(KY2018DQ01)；
    院地联合研发专项(YZ2017DQ03)；
    黑龙江省院所基本应用技术研究专项(ZNJJ2020DQ01)；

    引用信息

    稿件历史

    收稿日期: 2020-01-16
    录用日期: 2020-04-17

  • 参考文献

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