蒙古黄芪对N、P、K的肥效响应

高 星，林 云，王渭玲，杨江峰，李星星，高青鸽(.西北农林科技大学 生命科学学院，陕西杨凌 700；.西北农林科技大学 资源环境学院，陕西杨凌 700)

蒙古黄芪对N、P、K的肥效响应

高 星1，林 云2，王渭玲1，杨江峰2，李星星1，高青鸽1
(1.西北农林科技大学 生命科学学院，陕西杨凌 712100；2.西北农林科技大学 资源环境学院，陕西杨凌 712100)

采用三因素二次D-饱和最优设计，研究N、P、K及其配比对沙地1 a生蒙古黄芪的株高、根长、根直径、根干质量等生物学特性及皂苷、黄酮、多糖次生代谢物和Fe、Mn、Cu、Zn微量元素质量分数的影响，利用主成分分析其最佳施肥用量。结果表明：氮肥有助于黄芪株高的增高，但施肥量过高黄芪株高反而降低，以氮钾配施处理(N2K2)的株高最高，较对照增加51.93%；磷肥和钾肥能促进根的生长发育，其中氮、磷、钾施肥量分别为79.41、150和225 kg/hm2处理(N1P3K3)的效果最佳，其根直径与根干质量分别较对照增加58.42%和43.87%。施肥能显著提高蒙古黄芪皂苷和多糖的质量分数，以氮、磷、钾施肥量分别为225、150和79.41 kg/hm2处理(N3P3K1)的效果最好，其皂苷和多糖的质量分数分别较对照增加118.52%和13.14%；单施氮肥(N3)和单施磷肥处理(P3)均不利于黄酮的积累，其黄酮质量分数分别较对照降低7.56%和6.46%。对于微量元素，施肥能促进黄芪Mn的积累，对Cu、Zn影响不大，单施钾肥处理(K3)使得黄芪Fe元素质量分数降低。此外，结合蒙古黄芪的次生代谢物及微量元素的主成分分析，最终得出该地区蒙古黄芪的最佳施肥用量为氮(N)、磷(P2O5)、钾(K)分别为79.41、150和225 kg/hm2。

蒙古黄芪；施肥；品质；主成分分析

黄芪为豆科植物蒙古黄芪[Astragalusmembranaceus(Fisch.)Bge. var.mongholicus(Bge.)Hsiao]或膜荚黄芪[Astragalusmembranaceus(Fisch.)Bge]的干燥根，性温、味甘，是中药材中的大宗品种[1]。其化学成分中的皂苷类、黄酮类、多糖类以及微量元素等具有多重药理作用，可用于免疫调节、抗肿瘤[2]、抗病毒[3]、抗衰老[4]、缓解心血管疾病及糖尿病[5]等。

近年来，为满足市场需求，人们对黄芪进行人工栽培。施肥是黄芪生产中的重要增产措施，但由于管理粗放、技术落后，不合理施肥不仅不能增产，而且严重影响黄芪的品质。因此，要实现黄芪高产优质，合理施肥显得尤为重要。关于不同地区黄芪合理施肥的研究，如黑龙江[6]、甘肃[7]等已有一定研究，而对榆林地区黄芪的研究则较少。此外，大多数研究施肥对黄芪产量和品质的影响时往往不考虑微量元素的影响，且其试验分析方法简单，容易忽略各指标的相关性。而主成分分析能够将具有相关性的高维指标在尽量少损失原有指标信息的基础上转换为少数几个互相独立的综合指标[8]，通过降维，简化数据。该方法已应用在苹果[9]、荔枝[10]等作物的品质评价中，在黄芪中还鲜有报道。因此，本研究通过大田小区试验，采用三因素二次D-饱和最优设计，研究N、P、K及其配比对1 a生蒙古黄芪的株高、根长、根直径、根干质量等生物学特性及皂苷、黄酮、多糖次生代谢物和Fe、Mn、Cu、Zn微量元素质量分数的影响，并利用主成分分析法对蒙古黄芪药材的品质进行分析评分，探讨其最佳施肥用量，从而为蒙古黄芪的科学人工栽培提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

大田试验位于陕西省榆林市横山县塔湾镇西沟村进行，该地处北纬37.22°～38.14°和东经108.56°～110.02°，属于温带干旱、半干旱大陆性季风气候。平均海拔1 250 m，年均气温8.6 ℃，年均降水量397.8 mm，主要集中在7、8、9月3个月，年均无霜期146 d。

试验地土壤为淡栗钙土，质地为轻壤土，播种前土壤的基本性状(0～20 cm土层)为：有机质0.44 g/kg、全氮0.18 g/kg、速效磷2.3 mg/kg、速效钾85 mg/kg、有效铁7.05 mg/kg、有效锰11.33 mg/kg、有效铜0.34 mg/kg、有效锌1.38 mg/kg、pH 8.5，肥力处于较低水平。

1.2 材料与试验设计

试验所用黄芪种子由陕西榆林广济堂中药饮片厂提供，经西北农林科技大学生命科学学院张跃进教授鉴定为蒙古黄芪。于2014-04-24将蒙古黄芪种子采用沟播播种，于2014-10-15采挖药材样品。

试验采用三因素二次D-饱和最优设计(表1)，每个处理均重复3次，大田试验小区呈完全随机区组排列，小区面积20 m2(4 m×5 m)。

表1 N、P、K三因素二次D-饱和最优设计方案Table 1 Three factors of D-saturation of N,P,K and optimal design

试验中所用氮肥为尿素[w(N)=46.4%]、磷肥为过磷酸钙[w(P2O5)>12%]、钾肥为硫酸钾[w(K2O)>52%]。播种前整地时将磷肥和钾肥作为基肥一次施入，氮肥施1/3，剩下的2/3作为追肥在出苗后75 d施入。

1.3 测定项目及方法

采样时将蒙古黄芪植株从土壤中连根挖出，用直尺测定其株高与根长，用游标卡尺测定其根直径，每小区采样3株，每处理共9株。将所取样品分为根、茎叶两部分，105 ℃杀青15 min，70 ℃烘干至恒量后称量其根干质量并计算根冠比。

将烘干的黄芪样品粉碎后进行品质测定。总皂苷质量分数用香草醛-冰醋酸比色法；多糖质量分数用蒽酮-硫酸比色法[11]；总黄酮质量分数测定时以芦丁为标品，制作标准曲线，利用KQ5200DE型数控超声波清洗器(昆山市超声仪器有限公司)提取黄酮，再用i5紫外可见分光光度计(济南海能仪器有限公司)比色来定量测定总黄酮质量分数；微量元素测定采用湿法消解[12]，即用ML-1.5-4型电热板(永光明医疗仪器厂)完全消解样品后使用AA-7003A原子吸收分光光度计(北京东西分析仪器厂)测定其Cu、Fe、Mn、Zn的质量分数。

1.4 数据处理

采用Excel 2013、SPSS 22对数据进行处理分析，多重比较使用LSD法，相关性用皮尔逊相关分析。

2 结果与分析

2.1 施肥对蒙古黄芪生长的影响

由表2可知，施肥有助于蒙古黄芪株高的增高。整体而言，N、P、K两两配施的株高为61.2～78.7 cm，优于单施处理，其中以N2K2处理的效果最显著，其株高较对照增高51.93%。就施用氮肥而言，施氮量为225 kg/hm2处理的株高要低于施氮量为79.41 kg/hm2和134.1 kg/hm2处理的株高，其对株高的影响顺序为：N3

施肥对根长的影响以N2K2处理效果最好，其根长较对照增加9.79%，而K3和P2K2处理却不利于根的伸长，其根长分别较对照缩短6.64%和14.33%，其余处理的根长则与对照差异不显著。

施肥使得蒙古黄芪的根系明显加粗，就N、P、K单施而言，P3处理的根系最粗，较对照加粗48.51%。N、P、K两两配施中，N2P2处理效果较好，其根系比对照加粗51.49%。在N、P、K联合施用中，N1P3K3效果最显著，其根系较对照加粗58.42%。总体而言，N、P、K联合施用对黄芪根系的加粗效果要优于N、P、K两两配施和N、P、K单施处理。

P3和K3处理的根干质量显著地高于对照，分别是对照的1.36倍和1.29倍，而N3处理却不利于根干质量的积累，其根干质量仅为对照的78.47%。对于N、P、K联合施用，其根干质量表现为：N1P3K3>N3P3K1>N3P1K3，其中N1P3K3处理的根干质量较对照增加43.87%。此外，N2P2、P2K2和N2K2这3个处理的根干质量为10.51～11.90 g，均低于对照。由此可知，磷和钾的施用量分别为150 kg/hm2和225 kg/hm2更有利于黄芪根干质量的积累。

施肥对于黄芪根冠比的影响不显著。各处理中，对照的根冠比最大(1.41)，N3P1K3处理的根冠比最小，仅为对照的60.28%，其余处理的根冠比则为1.04～1.32。

表2 不同处理下蒙古黄芪生物学特性Table 2 Biological characteristics of Astragalus mongholicus under different treatments

注：同列不同小写字母表示各处理间差异显著(P<0.05)，下同。

Note:Different lowercase letters in the same column are significantly different (P<0.05), the same below.

2.2 施肥对蒙古黄芪品质的影响

由表3可知，与对照相比，施肥显著提高蒙古黄芪皂苷的质量分数。N、P、K单施，N3处理的作用最显著，其皂苷质量分数是对照处理的1.88倍。施用氮肥，施氮量为225 kg/hm2处理的皂苷质量分数为0.355～0.413 mg/g，较对照增加87.83%～118.52%，且效果优于施氮量为134.1和79.41 kg/hm2的处理，其皂苷质量分数顺序为N1P3K3

N3和P3处理均不利于黄芪黄酮的积累，其黄酮质量分数分别较对照降低7.56%和6.46%，其余各处理的黄酮质量分数为0.645～0.786 mg/g，较对照增加1.58%～23.79%。并且对于黄酮的积累，N、P、K配合施用的效果要优于N、P、K两两配施和N、P、K单施处理。

施肥显著地提高蒙古黄芪的多糖质量分数，N、P、K单施，P3处理效果最好，其次是N3处理，二者的多糖质量分数分别是对照的1.11倍和1.09倍。施用磷肥，其对多糖质量分数的影响为：P2K2

对于微量元素(表4)，N3P1K3处理的Cu元素质量分数最高，是对照的2.65倍，其余施肥处理的Cu元素质量分数为6.61～12.91 mg/kg，与对照差异不显著，并且N、P、K配合施用的Cu元素质量分数高于N、P、K两两配施和N、P、K单施处理。对Fe元素，N、P、K配合施用有利于黄芪Fe元素的积累，且以N3P3K1处理效果最好，其Fe元素质量分数是对照的1.60倍。施肥有助于Mn元素的积累，各施肥处理的Mn元素质量分数是对照的1.29倍～3.50倍，其中以N2P2处理效果最佳，并且与Fe元素类似，N、P、K配合施用更有利于黄芪Mn元素的积累。K3和N1P3K3处理使黄芪的Zn元素质量分数显著高于对照，分别是对照的1.19倍和1.20倍，其余各处理间Zn元素质量分数的差异均不显著。

表3 N、P、K肥处理下蒙古黄芪各次生代谢物质量分数Table 3 Mass fraction of secondary metabolites in Astragalus mongholicus under different treatments mg/g

表4 不同处理蒙古黄芪各微量元素质量分数Table 4 Mass fraction of trace elements in Astragalus mongholicus under different treatments mg/kg

2.3 施肥对蒙古黄芪品质指标影响的主成分分析

从相关系数矩阵(表5)可知，蒙古黄芪各品质指标间存在一定的相关性。其中，多糖质量分数与Zn元素间存在显著正相关，与Cu、Fe、Mn元素间存在着极显著正相关；黄酮质量分数与Cu和Mn元素显著正相关，与皂苷间存在极显著正相关；Cu与Fe、Mn间也存在极显著正相关。这表明蒙古黄芪的品质指标所提供的信息发生了一定程度的重叠，因此，适合进行主成分分析。

对蒙古黄芪的7个品质指标的主成分分析(表6)结果表明，前4个主成分的累计方差贡献率达88.545% ，大于85%，因此，可以用这4个主成分较好地代替上述 7个品质指标来评价与判断不同N、P、K肥处理下蒙古黄芪的品质。

表5 蒙古黄芪品质性状间的相关系数Table 5 Correlation coefficients among qualitative traits of Astragalus mongholicus

注：* ，** 分别表示5%和1%显著水平。

Note: *,** significant levels of 5% and 1%, respectively.

表6 各主成分的特征根和方差贡献率及累计方差贡献率Table 6 Eigenvalues and variance proportions and accumulated variance proportions of different principal components

表7中每一个因子载荷量均代表主成分与对应变量间的相关系数。由表可知，第1个主成分除Zn外各个指标前的系数均比较大，其反映的信息也较多，反映了原始数据信息量的45.789%。第2主成分中黄酮、皂苷和Zn的贡献最大；第3主成分中Zn、Fe和黄酮的贡献最大；第4主成分中Cu的贡献最大。

根据各个变量在对应主成分上的因子载荷，经分析处理后得各主成分的函数表达式：

PC1=0.44×多糖+0.37×黄酮+0.35×皂苷+0.39×Cu+0.41×Fe+0.45×Mn+0.15×Zn

PC2=0.33×多糖-0.52×黄酮-0.59×皂苷+0.05×Cu+0.1×Fe+0.29×Mn+0.41×Zn

PC3=(-0.04)×多糖+0.3×黄酮+0.16×皂苷-0.19×Cu-0.45×Fe-0.02×Mn+0.8×Zn

PC4=(-0.34)×多糖+0.08×黄酮-0.23×皂苷+0.85×Cu-0.31×Fe-0.01×Mn+0.03×Zn

将评价蒙古黄芪的各个品质指标的数据标准化后分别代入上述4 个主成分分析函数表达式中，得到10 种不同N、P、K肥处理的蒙古黄芪各自的主成分得分，详见表8。

根据主成分函数模型，最终得到综合得分的计算公式为：F=51.710%F1+22.217%F2+16.086%F3+9.987%F4，计算出不同N、P、K肥处理下蒙古黄芪的综合得分并进行排序。结果表明不同N、P、K肥处理下蒙古黄芪的品质排序为：N1P3K3>N3P1K3>N2P2>N3P3K1>N2K2>K3>P2K2>P3>N3>CK，详见图1。

表7 蒙古黄芪各品质性状的初始因子载荷矩阵Table 7 Load matrix of initial factor of qualitative traits in Astragalus mongholicus

表8 N、P、K肥处理下蒙古黄芪的主成分得分Table 8 Principal components value of Astragalus mongholicus under N,P,K fertilizers treatments

图1 N、P、K肥处理下蒙古黄芪主成分分析得分Fig.1 Scores histogram of PCA of Astragalus mongholicus under different treatments

3 讨论与结论

3.1 施肥对蒙古黄芪生长的影响

本试验研究发现施肥对蒙古黄芪的生长有一定的促进作用。其中，N2K2处理的黄芪株高最高、根长最长，分别较对照增加51.93%和9.79%，并且施氮量为134.1 kg/hm2处理的黄芪株高较施氮量为225 kg/hm2处理的株高要高，说明施氮一定程度上有助于黄芪株高的增高，但氮肥含量过高反而不利于黄芪株高的增高。此外，氮肥的施用也不利于黄芪根干质量的增加，特别是N3处理的黄芪根干质量仅为对照的78.54%，这与王振[13]在研究矿质营养对膜荚黄芪的影响时发现的施氮可促进地上部分的生长，却不利于光合作用产物向根系转移的结论相类似。磷肥和钾肥的施用对根的生长发育起到一定的促进作用，使得黄芪的根系明显加粗，当单施磷和钾的施用量分别为150和225 kg/hm2时，黄芪的根干质量明显增加，而N1P3K3处理对黄芪根系生长的促进作用最强，其黄芪根直径和根干质量分别较对照增加58.42%和43.87%。而磷、钾肥对根系生长有促进作用的原因可能是：磷元素作为一种重要的矿质元素可以促进根生长点细胞的分裂、增殖，同时有研究发现磷可促使根系发育并对碳水化合物的运输有促进作用[14]；钾参与生物体内的糖酵解，协调光合产物的合成、运输和转化，同样会促进根的生长[15]。此外，试验中，对照处理的根冠比最大，这可能是由于对照未进行施肥，地上部分生长不是很好，所以导致其根冠比较大一些。

3.2 施肥对蒙古黄芪次生代谢物及微量元素质量分数的影响

施肥能显著提高蒙古黄芪的皂苷质量分数，以氮肥效果最佳，并且施氮量为225 kg/hm2处理的皂苷质量分数要高于施氮量为134.1和79.41 kg/hm2的处理。这可能是因为施氮可以促进植物体的碳代谢[16]，由C/N平衡假说可知，当植物体内的碳水化合物含量升高时可引发植物含氮量的相对下降，进而导致非结构碳水化合物的过剩，最终促进萜类物质的合成[17]，而黄芪皂苷正属于三萜类化合物。

对于黄酮，N3和P3处理均使黄酮质量分数显著地降低，其黄酮质量分数分别较对照降低7.56%和6.46%，这与王静等[18]研究发现的氮、磷对桔梗黄酮的积累具有负效应的结果一致。此外，Awad等[19]的研究结果也表明，施用一定量的氮肥，苹果果皮总类黄酮和绿原酸的质量分数同其植物体的含N量成反比。

施肥有助于蒙古黄芪多糖的积累，这与施氮可促进碳代谢[16]以及磷、钾可促进碳水化合物的运输[14-15]有关。此外，苏雅乐其其格等[20]的研究也表明施P、K 肥有利于紫花苜蓿可溶性多糖质量分数的增加。本试验表明，氮、磷对黄芪多糖的作用大于钾，且N、P、K联合施用效果更好。

对于微量元素，施肥促进蒙古黄芪Mn元素的积累，不同施肥处理对蒙古黄芪Cu、Zn元素质量分数的影响不大，但P3处理导致Cu元素质量分数降低，P2K2处理使Zn元素质量分数降低，此外，K3处理降低Fe元素的质量分数。由此可知，不同的施肥处理对蒙古黄芪微量元素的质量分数的影响不同。

3.3 施肥对蒙古黄芪品质的主成分分析

由N、P、K对蒙古黄芪生物学特性的影响可知，施肥虽有助于蒙古黄芪的生长发育，但各施肥处理与对照处理的蒙古黄芪在外观特征上差异不显著，仅仅从外观上不足以区分二者。此外，分析单一品质指标的质量分数，如皂苷、黄酮、Fe、Mn等，只能反映黄芪品质的局部信息，单靠这些对黄芪进行品质评价，其结果存在较大缺陷。本试验采用主成分分析，以对众多指标的相关性分析为基础，将蒙古黄芪的7个品质指标抽取主成分后降维为4个主成分，再经过求解特征值、数据标准化等一系列转换求解，最终得出各施肥处理蒙古黄芪品质的综合得分排名，确立该试验地区蒙古黄芪栽培的优化施肥方案：蒙古黄芪的氮(N)、磷(P2O5)、钾(K)最佳施肥用量分别为79.41、150和225 kg/hm2。

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ResponseofN,P,KNutritionApplicationtoAstragalusmongholicus

GAO Xing1,LIN Yun2,WANG Weiling1,YANG Jiangfeng2,LI Xingxing1and GAO Qingge1
(1.College of Life Sciences, Northwest A&F University, Yangling Shaanxi 712100, China;2.College of Resources and Environment,Northwest A&F University,Yangling Shaanxi 712100,China)

The purpose of this paper is to study the effects of fertilization on growth and internal quality ofAstragalusmembranaceus(Fisch.)Bge. var.mongholicus(Bge.)Hsiao and provide the optimum fertilization. The results showed that the application of nitrogen fertilizer at an appropriate rate was advantageous to the increase of shoot height, however, excess nitrogen fertilization could decrease the shoot height. The shoot height of N2K2treatment was highest, which was 51.93% higher than that of the control. The application of phosphate fertilizer and potassium fertilizer could promote the growth and development of root, and the treatment of N1P3K3was the best, its root diameter and root dry mass were 58.42% and 43.87% higher than the control. Fertilization significantly increased the mass fraction of saponin and polysaccharide, and the treatment of N3P3K1was the optimal,which its mass fraction of saponin and polysaccharide were 118.52% and 13.14% higher than those of the control. However, the N3and P3treatment were not conducive to the accumulation of flavone, and their flavone mass fraction were 7.56% and 6.46% lower than control, respectively. Fertilization could promote the accumulation of Mn, and had no much effect on Cu and Zn. Besides, the K3treatmentresulted in lower Fe mass fraction. Comprehensively considering the principal component analysis of secondary metabolites and trace elements, eventually we determined the optimum fertilizer treatment in the region was that the mass fraction of urea, calcium superphosphate and potassium phosphate were 74.91 kg/hm2, 150 kg/hm2and 225 kg/hm2, respectively.

Astragalusmembranaceus(Fisch.)Bge. var.mongholicus(Bge.)Hsiao; Fertilization; Quality; Principal component analysis

2017-02-20

2017-05-03

Shaanxi Science and Technology Research and Development Project(No.2014K14-05-08);Yangling Demonstrative Zone of Agricultural Hi-tech Industry.

GAO Xing, female, master student. Research area:medicinal plant nutrition and fertilizer.E-mail:949644713@qq.com

WANG Weiling, female,Ph.D,professor,doctoral supervisor.Research area:standardized cultivation of medicinal plant and their secondary metabolism. E-mail:ylwwl@nwsuaf.edu.cn

史亚歌ResponsibleeditorSHIYage)

日期：2017-12-21

网络出版地址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1220.S.20171221.1650.028.html

2017-02-20

2017-05-03

陕西省科学技术研究发展计划(2014K14-05-08)；杨凌示范区农业项目。

高 星，女，硕士，从事药用植物营养与施肥研究。E-mail：949644713@qq.com

王渭玲，女，博士，教授，博士生导师，主要从事药用植物规范化栽培及次生代谢调控研究。E-mail：ylwwl@nwsuaf.edu.cn

Q945.79

A

1004-1389(2017)12-1845-08