土壤水肥和遮阴对三七生长及生理特性影响研究进展

2016-03-29 07:31杨启良雷龙海

节水灌溉 2016年9期

李婕，杨启良，徐曼，雷龙海

(昆明理工大学现代农业工程学院，昆明 650000)

0 引言

三七(Panax notoginsen)为五加科人参属多年生草本植物，由于其花、叶、根茎即全株上下均可入药，具有活血化瘀、消肿止痛的疗效，因此广泛应用于跌打损伤、高血压、冠心病、高血脂等疾病的治疗中[1,2]，著有“南国神药”、“金不换”的美誉[3]。三七的生长条件要求较为苛刻：要求冬暖夏凉，无严寒、酷暑、潮湿，并且环境适应能力较低，主要分布在低纬度、海拔较高区域中，现在云南文山州及广西靖西等地区广泛种植[4]，全国三七种植面积约有0.8万hm2，年均产量约0.9万t[5]。

“世界三七在中国，中国三七在云南”，作为三七主产区的云南省，其种植面积从2003年的4 300 hm2发展到2013年的20 000 hm2；产量从2003年的378万kg增加到2013年的1 000万kg[6]。通过数据发现，10年间三七种植面积增加了近5倍，但产量仅仅增加2.6倍，而单位面积的产量由2003年的900 kg/hm2下降到2013年的500 kg/hm2。究其原因，三七从种植到收获大约需要3～7 a，生长过程中的连作障碍难以消除，特别是三七需在遮阴条件下生长，种植过程中对水肥的管理比较混乱，不合理的灌溉施肥常常是引起三七根腐病等病害发病的主要原因，发病时通过喷洒大量农药来控制，进而引起土壤中农药残留量不断增加，土壤污染不断恶化，从而加重了三七连作土壤的障碍。

多年来三七种植者一直靠经验对三七进行遮阴、灌溉排水和施肥，缺乏相关的理论指导。再加上三七连作障碍截止目前还没有解决办法，这使得适宜种植三七的土地面积越来越狭小[7]，为满足三七产业对优质原料需求的大幅增加，提高三七单位面积的产量显得更加重要，而提供适宜的土壤水分和营养是保证三七高产和稳产的重要措施。因此，本文分别对遮阴栽培、不同灌水模式、不同施肥模式对三七生长、生理生态、产量、品质和水分利用效率及病虫害的影响等方面的研究进展进行了归纳与讨论，并提出了三七栽培中需解决的问题和今后主要研究方向。

1 遮阴栽培对三七生长、生理生态、水分利用效率及病虫害的影响

光是影响植物生存、生长发育和形态特征形成的重要环境因子，不同的作物具有不同的生态习性，从而具有不同的光环境适应效果[8]。研究表明，喜阳植物通常具有较强的光合碳同化能力、较高的光补偿点和光饱和点[9]，而喜阴植物具有较低的光补偿点和较高的表观量子效率[10]。植物的生长和分布特征取决于它对光环境变化的适应能力[11]。不同遮阴和光质栽培会影响光照强度，从而对三七的光合特性产生明显影响。

传统种植方式下，三七在自然光照30%条件下生长发育良好，故三七荫棚有“三成透光，七成遮阴”之说，但黄云战等人[12]研究发现，三七棚透光率为8%～12%时，最适宜三七生长及有效成分的积累，透光率超过17%，三七的生长就会受到制约，长时间的连续光照会改变三七叶片组织结构，从而不利于其生长，严重时可能死亡[14]。匡双便等人[13,21]利用遮阳网设置了5种不同透光率对三七幼苗进行处理，结果表明，随着透光率的增大，三七幼苗各器官及整株干物质量都有所增加，但其根冠比、根质比一级SPAD值在透光率8%的处理下达到最大，一年生三七根总皂苷含量在透光率为 22.3%的条件下最高，二年生三七总皂苷含量在透光率为8.4%的条件下最高，遮阴栽培会有效降低三七的光合速率，综合分析得出有利于三七生长和干物质积累的适宜透光率为8%。左端阳等人[15]也用遮阳网设置不同透光率对三七幼苗进行盆栽试验，结果发现在透光率为5.1%的处理下，三七株高、茎粗和叶面积显著高于其他处理。也有研究表明，遮阴处理下，三七的光合速率、光饱和点、光补偿点以及蒸腾速率都会降低[16]。

光质不仅对三七的光合特性有影响，也显著影响着其有效成分，罗美佳等人[17]采用7种光质对三七进行盆栽试验，结果表明红光对三七株高的生长有促进作用，而青、黄、紫、蓝光则促进了三七地下部分生物量的积累，白光下三七叶片的气孔导度和蒸腾速率达到所有处理的最大值，而绿光处理下三七叶片的胞间CO2浓度和净光合速率达到最大，但文章中并未指出透光率是多少。陈茵等人[19]研究发现，当透光率设置为(10±2)%时，绿色遮阳网下三七的生长受到了抑制，而橙色遮阳网则有利于三七幼苗的生长且综合效果较好。也有研究表明三七种苗在橙色、黄色、青色和紫色农膜大棚下生长良好[20]。匡双便等人[18]利用2种颜色的遮阳网和3种透光率对三七幼苗进行交互处理，结果表明，白色遮阳网+10.0%透光率和蓝色遮阳网+21.0%透光率处理下三七幼苗生长较好，这也说明在较高光照环境下，采用蓝色遮阳网有利于三七幼苗的生长和发育。

总之，三七是典型的喜阴植物，遮阴环境下三七生长发育较好，而遮阴条件下三七皂苷含量、根腐病等疾病的发病率研究较少，并且现有研究多数是盆栽试验，与大田的生产与田间管理存在一定的差异。

2 灌溉对三七生长、生理生态、水分利用效率及病虫害的影响

水分在作物整个生长发育过程中都有着至关重要的作用，其不仅能影响作物的生长和发育，而且对作物产量和品质以及病虫害也有显著影响。轻度的水分胁迫下，植物叶片中脯氨酸和丙二醛含量明显降低，光合作用和蒸腾作用得到了明显的增强[25]，而过高或过低的水分处理，都不利于植物光合速率的提高[31]。近年来，中草药的水肥调控逐渐受到重视。邵玺文等人[22]研究表明，适度的干旱胁迫可提高黄芩苷含量，灌溉量为250～350 mm的黄芩生长良好，积累的生物量较高。龙云等人[23]的研究表明，对绞股蓝进行亏缺灌溉处理，发现其叶片中皂苷含量明显增加。在盆栽条件下，土壤水分含量过高或过低，对三七的光合作用有明显的抑制作用，导致其生物量降低[24]，但三七能够在一定程度内通过调节自身保护酶活性和渗透调节物质含量去适应土壤水分含量的变化[27]。三七单株根干质量随着土壤含水率的增加呈现出先升高后降低的趋势，而根腐病的发病率则迅速增加，而最有利于三七生长且能有效提高其产量和品质的土壤含水率为田间持水量的56.4%～59%[28]。在大田试验条件下，提高三七的产量和品质对各个生育期内的土壤含水率都有不同的要求，苗期、开花期、结果期和根增重期的灌水下限范围分别为60%～65%、45%～50%、85%～90%、80%～85%[26]。

土壤水分含量的变化，会引起土壤微生态环境的变化，从而引起一系列的发病情况。赵宏光[28,43]、王朝梁等人[29]认为，随着土壤含水率的增加，三七根腐病的发病率显著增高。官会林等人[30]研究表明，根系土壤中的菌类与三七根腐病的发生有着较大关系，特别是霉菌、放线菌和厌氧生长细菌，三七根腐病高发期时这3类菌群的存活量也达到了最高峰。

总之，以上研究大多是也在盆栽模拟条件下进行的，并没有考虑三七适应不同水分环境的自适应生长生理调节机制，有关大田不同灌溉方式下三七的耗水特性与水分高效利用机制研究还有待于进一步研究。

3 施肥对三七生长、生理生态、水分利用效率及病虫害的影响

对作物添加营养元素，能影响植物叶片中叶绿素和各种酶的合成[40-42]，从而影响其光合作用并最终影响作物的产量和水分利用效率。合理的施肥，可以改良土壤，增加植物在土壤中能吸收的营养元素，从而促进植物的生长和发育，并且在一定程度上能够提高作物的产量和品质(添加参考文献)。而不合理的施肥，容易导致土壤板结甚至抑制作物的生长和发育(添加参考文献)。三七属于经济价值较高的药材作物，在实际生产过程中不合理的施肥现象较多，从而导致三七的产量和品质受到诸多不利影响。因此，根据具体的土壤情况，对三七加以合理的施肥来保证和提高其产量和品质显得尤为重要。

合理施肥不仅能有效的提高三七的产量，也对三七的品质有一定的保证。前人研究表明，N∶P2O5∶K2O比例为1∶1∶2时有利与三七的生长和发育，其三七每667 m2实际的氮磷钾肥施用量为N：11～18 kg, P2O5：11～25 kg，K2O：0～36 kg较为适宜[32]。而不同种类的肥料对三七的生长发育以及根腐病的发病率也有不同影响，如刘云芝的研究表明，腐熟的猪粪和猪粪+复合肥处理的三七疫病和出苗期间的生理性病害-干熟叶发生率较高，然而每年每667 m2施用100 kg的MI百事达生物肥的处理，不仅单株产量高达31.17g，而且会有效避免三七侵染病害的发生[33]。韦美丽等人[35]设置5个施氮水平，结果显示施氮量会显著影响三七地上部分的生物量，但对其产量的影响并不显著，并推荐每667 m2施肥22.5～30 kg可以达到有效生产的目的。通过以上的研究发现合理施肥对促进三七生长、提质和增产及抑制病虫害的发生均具有明显的效果，但并没有考虑土壤水分对调节三七根区微环境的作用，通常适宜的土壤水分会促进三七对根区营养的吸收，也会通过调节土壤的pH值为三七生长创造更为有利的根区微环境条件。

合理的水肥耦合模式，能促进土壤中微生物的生长和繁殖，有利于提高土壤中微生物的种类和数量，进而促进作物达到优质高产的目标[37,38]。还有研究表明，有机质、速效氮、容重是连作土壤微生物区系及酶活性的主要影响因素[39]，通过合理施肥解决三七连作障碍也是提高其产量的有效办法。以上的研究发现合理施肥对促进三七生长、提质和增产及抑制病虫害的发生均具有明显的效果，但并没有考虑土壤水分对调节三七根区微环境的作用，通常情况下，适宜的土壤水分会促进三七对根区营养的吸收，也会通过调节土壤的pH值为三七生长创造更为有利的根区微环境条件。

4 研究展望

综上所述，国内外学者围绕遮阴、水分和施肥等单一因素影响下对三七的生长、生理生态、产量及品质等方面做了大量研究工作，也取得了较大成绩，但仍存在以下问题：①遮阴栽培下水肥耦合对三七的耗水规律和灌溉制度的影响研究有待完善：目前三七人工种植均在遮阴条件下进行，围绕水分处理进行了相关研究，取得了一定的成果，但需进一步研究水肥耦合对三七的耗水规律和灌溉制度的影响。②遮阴栽培和水肥耦合下三七的水分高效利用机制缺乏系统深入研究：三七遮阴栽培的研究大多集中于干物质质量和光合作用等方面，三七水分高效利用机制与根系吸收、蒸散耗水及水分在植物体内的传输密切相关，但对表征三七水分传输机制的叶水势、根系导水率、冠层水流阻力对水肥耦合的响应及其水分高效利用机制方面的研究还尚未见报道。③施肥条件下并没有考虑土壤水分对调节三七根区微环境的作用：通过合理施肥可以促进三七生长、提质和增产及抑制病虫害的发生，但并没有考虑土壤水分对调节三七根区微环境(土壤水、肥、气、热、pH值及微生物等)的作用，通常合理的施肥条件下适宜的土壤水分会促进三七根系对土壤中营养物质的吸收，减少三七根腐病等病害的发生，有利于缓解土壤连作障碍对三七生长的不利影响，从而为三七生长创造更为有利的根区微环境条件。④遮阴栽培和水肥耦合下三七提质高产机理与最佳遮阴-灌水-施肥耦合模式的研究较少：过去在遮阴栽培条件下针对三七提质高产的水分或养分进行了较多的研究，但并没有综合考虑水肥的交互作用。

对已报道的研究工作总结发现，有关遮阴栽培下三七种植过程中水分和施肥的研究通常是孤立进行的，事实上，三七种植户为了利益最大化，只注重产量提高的人为可控条件，他们片面认为灌水和施肥较多三七产量就会提高，但忽视了遮阴栽培下不合理灌水和施肥不仅会导致水肥利用效率降低，集中降雨期会加重农业面源污染，而且也会引起病虫害增多，从而导致三七减产和品质降低。一方面没有综合考虑遮阴栽培下水肥的双重需求、互作效应关系及水肥高效利用机制；另一方面也很少从水肥调控根区微环境的角度出发，研究三七优质高产的最优水肥耦合模式与抑制三七病虫害发生的最佳供水供肥供药指标体系。基于上述客观存在的两方面原因，笔者建议对三七营养生理与施肥的研究今后应重点加强以下几方面:

(1)开展亏缺灌溉和遮阴栽培时三七优质高产的最佳水肥调控指标研究，探索遮阴栽培条件下三七提质高产及根腐病发病机理与水肥调控的效应关系，形成三七优质高产栽培过程中的节水节肥节药技术方案，实现遮阴条件下作物水肥高效利用理论的创新。

(2)综合考虑三七的产量和品质对不同灌水、施肥和遮阴度的响应，探索提高三七综合效益的有效途径；以提质高产为目标，提出综合效益协同提高时的灌水、施肥和遮阴栽培指标体系，优选三七的最佳灌水、施肥和遮阴栽培耦合模式以及供水供肥的指标体系。

[1] 高艳芳. 三七总皂苷治疗冠心病临床疗效分析[J]. 医学信息，2009，22(6)：1 008-1 009.

[2] 李萍，侯天印，刘强. 三七花降脂茶治疗高血脂症50例[J]. 现代中西医结合杂志，2005，14(8)：1 044-1 044.

[3] 郑光植，杨崇仁．三七生物学及其应用 [M]．北京：科学出版社，1994:1-4．

[4] 李冠烈. 三七的现代研究与进展[J]. 世界中西医结合杂志，2008，3(10):619-623.

[5] 崔秀明，詹华强，董婷霞. 印象三七[M]. 昆明: 云南科技出版社，2009.

[6] 崔秀明，朱艳.三七实用栽培技术[M]. 福州：福建科学技术出版社，2013.

[7] 余艳玲，彭云，陈中坚. 三七栽培灌水指标的初步研究[J]. 云南农业大学学报(自然科学)，2006，21(1):121-123.

[8] Valladares F, Niinemets. Shade tolerance, a key plant feature of complex nature and consequences[J]. Annual Review of Ecology Evolution and Systematics，2008，39：237-257.

[9] FENG YL，WANG JF，SANG WG．Biomass allocation，morphology and photosynthesis of invasive and noninvasive exotic species grown at four irradiance levels[J]．Acta Oecologica，2007，31(1)：40-47．

[10] Sofo A，Dichio B，Montanaro G．Photosynthesis performance and light response of two olive cultivars under different water and light regimes[J]．Photosynthetica，2009，47(4)：602-608．

[11] Franck N，Vaast P. Limitation of coffee leaf photosynthesis by stomatal conductance and light availability under different shade levels [J]. Trees，2009，23(4)：761-769.

[12] 黄云战，张汝坤，吴德光. 三七药材设施栽培荫棚的结构设计[J]. 农机化研究，2004，(4)：84-86.

[13] 匡双便，张广辉，陈中坚，等. 不同光照条件下三七幼苗形态及生长指标的变化[J]. 植物资源与环境学报，2014，23(2)：54-59.

[14] 李章田, 段承俐, 萧凤回. 人工光照对一年生三七形态和光合特性的影响[J]. 云南农业大学学报, 2009,24(5):677-683.

[15] 左端阳, 匡双便, 张广辉,等. 三七(Panax notoginseng)对不同光照强度的生理生态适应性研究[J]. 云南农业大学学报:自然科学, 2014, 29(4):521-527.

[16] 成向荣，舒骏，刘佳，等. 不同光环境对紫背天葵和白背三七生长及光合荧光特性的影响[J]. 西北植物学报，2014，34(7)：1 426-1 431.

[17] 罗美佳，夏鹏国，齐志鸿，等. 光质对三七生长、光合特性及有效成分积累的影响 [J]. 2014，39(4)：610-613.

[18] 匡双便, 徐祥增, 杨生超,等. 不同光质和透光率对三七种苗生长的影响[J]. 南方农业学报, 2014, 45(11):1 935-1 942.

[19] 陈茵, 匡双便, 张广辉,等. 彩色农膜对三七种苗生物量积累与分配特征的影响[J]. 西南农业学报, 2015,28(1):67-72.

[20] 匡双便, 徐祥增, 张广辉,等. 不同颜色农膜对药用植物三七(Panax notoginseng)种苗生长的影响[J]. 中国农学通报, 2014,(16):231-237.

[21] 匡双便, 徐祥增, 孟珍贵,等. 不同透光率对三七生长特征及根皂苷含量的影响[J]. 应用与环境生物学报, 2015,(2):279-286.

[22] 邵玺文, 韩梅, 韩忠明,等. 水分供给量对黄芩生长与光合特性的影响[J]. 生态学报, 2006,(10):3 214-3 220.

[23] 龙云, 杨睿, 钟章成,等. 不同水分和氮素条件对栽培绞股蓝生物量和皂苷量的影响[J]. 中草药, 2008,(12):1 872-1 876.

[24] 李佳洲，余前进，梁宗锁，等. 土壤不同水分含量对三七生长、光合特性及有效成分积累的影响[J]. 中药材，2015，38(8)：1 588-1 590.

[25] 韦泽秀，梁银丽，周茂娟. 水肥组合对日光温室黄瓜叶片生长和产量的影响[J]. 农业工程学报，2010，26(3)：69-74.

[26] 余艳玲，彭云，陈中坚. 三七栽培灌水指标的初步研究[J]. 云南农业大学学报(自然科学)，2006，21(1):121-123.

[27] 赵宏光, 寻路路, 梁宗锁,等. 土壤水分含量对三七叶片生长、抗氧化酶活性及渗透调节物质含量的影响[J]. 西北农业学报, 2013,22(12).

[28] 赵宏光, 夏鹏国, 韦美膛,等. 土壤水分含量对三七根生长、有效成分积累及根腐病发病率的影响[J]. 西北农林科技大学学报：自然科学版, 2014,2(2).

[29] 王朝梁，崔秀明，李忠义，等．三七根腐病发生与环境条件关系的研究[J]．中国中药杂志，1998,23(12)：714-716.

[30] 官会林，陈昱君，刘士清．三七种植土壤微生物类群动态与根腐病的关系[J]．西南农业大学学报，2006,28(5):706-709.

[31] 李银坤，武雪萍，吴会军. 水氮条件对温室黄瓜光合日变化及产量的影响[J]. 农业工程学报，2010，26(S1)：122-129.

[32] 王朝梁，陈中坚，孙玉琴，等. 不同氮磷钾配比施肥对三七生长及产量的影响[J]. 现代中药研究与实践，2007，21(1)：5-7.

[33] 刘云芝，王勇，武忠翠，等. 不同肥料种类对三七生长及病害发生的影响研究[J]. 文山学院学报，2012，25(6)：22-26.

[34] 欧小宏，金航，郭兰萍，等. 平衡施肥及土壤改良剂对连作条件下三七生长与产量的影响[J].中国中药杂志，2012，37(13)：1 905-1 911.

[35] 韦美丽，孙玉琴，黄天卫，等. 不同施氮水平对三七生长及皂苷含量的影响[J]. 现代中药研究与实践，2008，22(1)：17-20.

[36] 张金渝，杨维泽，崔秀明．三七栽培居群遗传多样性的ESTSSR分析[J]．植物遗传资源学报，2011，12 (2)：249-254．

[37] 刘振香，刘鹏，贾绪存，等. 不同水肥处理对夏玉米田土壤微生物特性的影响[J]. 应用生态学报，2015，26(1)：113-121.

[38] 韦泽秀，梁银丽，山田智. 不同水肥条件下番茄土壤微生物群落多样性及其与产量品质的关系[J]. 植物生态学报，2009，33(3)：580-586.

[39] 马云华，魏珉，王秀峰. 日光温室连作黄瓜根区微生物区系及酶活性的变化[J]. 应用生态学报，2004，15：1 005-1 008.

[40] 沈玉芳，李世清，邵明安. 水肥空间组合对冬小麦光合特性及产量的影响[J]. 应用生态学报，2007，18(10)：2 256-2 262.

[41] Farquhar G D, Sharkey T D. Stomatal conductance and photosynthesis[J]. Ann Res Plant Physiol，1982，33(6)：317-342.

[42] 张国红，眭晓蕾，郭英华. 施肥水平对日光温室番茄光合生理的影响[J].沈阳农业大学学报，2006，37(3)：317-321.

[43] Xia P, Guo H, Zhao H, et al. Optimal fertilizer application for Panax notoginseng, and effect of soil water on root rot disease and saponin contents[J]. Journal of Ginseng Research, 2016, 6(1):38-46.