环境因素对黄芪产量和品质的影响

孙海，金桥，吴虎平，邵财，张亚玉，2※

（1.中国农业科学院特产研究所，长春 130112；2.成都大学药学与生物工程学院，成都 610106；3.甘肃农业大学园艺学院，兰州 730070）

黄芪为豆科多年生草本植物蒙古黄芪〔Astragalus membranaceus（Fisch.）Bge.var.mongholicus（Bge.）Hsiao〕或膜荚黄芪〔Astragalu membranaceus（Fisch.）Bge.〕的干燥根，含有黄芪多糖、氨基酸、黄芪皂苷、黄酮类、生物碱、蛋白质、维生素及硒、硅、钴、钼等微量元素[1-2]，具有增强机体免疫功能，能消除实验性肾炎尿蛋白，增强心肌收缩力，还有促雌激素样作用和较广泛的抗菌作用[3]。由于黄芪具有极高的药用价值，导致野生黄芪被长期采挖并大量应用，目前较大面积的野生黄芪资源已少见，同时对产区的生态环境造成了严重破坏[4]。20 世纪80年代中后期，各地政府对人工种植黄芪给予了大力扶持，经过20 多年的发展，在黑龙江、内蒙古、河北、山西、宁夏、甘肃等省、自治区种植黄芪已具相当规模。2010年，全国种植面积已经超过45 000 hm2，同时栽培黄芪的特性、价值及应用研究也引起了广大学者的关注。影响药材品质的主要因素有遗传因素和环境因素，2 个因素共同作用决定药材品质的优劣[5-7]。环境因素包括生态因素与生物因素，生态因素是指环境中直接影响药材形态、生理和分布的因素，光照、温度、水分、空气、土壤是构成生态因素的主要因子，适宜的生长环境对优质药材的形成起着至关重要的作用。笔者就生态因子和人为因素对黄芪形态特征、无机养分吸收、重金属离子富集、化学成分、病虫害防治及种植方式等对黄芪产量和品质的影响进行综述。

1 生态因子

1.1 气候因子

1.1.1 光照 光合作用作为植物体生长和发育最基本的生理过程，光照条件的改变直接能对作物的生长环境产生巨大影响，从而改变光合作用和营养物质的吸收及其在植物体内的重新分配等一系列生理过程，进而对植物的生长发育、生理生化、形态结构、产量和品质等方面都有重要影响[8-9]。野生蒙古黄芪的形态特征与环境因子之间存在一定的相关性，黄芪的黄酮类成分及黄芪甲苷在不同黄芪根形态中高低顺序为鞭杆芪＞直根芪＞二叉芪＞鸡爪芪，而造成黄芪形态差异的主要原因是其土壤环境条件差异所致[10]。此外，在野生蒙古黄芪形态特征变量与气象因子之间的相关性分析中[11]，形态特征仅与5 个气象因子中的年日照时数有相关关系，其中年日照时数对冠幅、一级分枝的解释程度分别为74.3%和88.7%，同时方差分析均达到显著水平（P＜0.05），进一步说明了光照对黄芪根形态建成及品质形成（次生代谢产物）的重要性。

1.1.2 温度 温度是植物生存和生长所必需的环境条件，影响植物生理代谢、形态建成，进而影响植物的品质和产量[12]。为了探讨农艺性状变异的环境因素，将黄芪的农艺性状与种源地主要生态因子进行相关性分析，结果发现，茎粗与气温呈显著正相关，在黄芪分布范围内，温度下降、茎粗变细；年均气温除与根长的相关性不显著外，与其他农艺性状均呈极显著相关性；年降雨量与12 个农艺性状中的8 个（占75%）呈显著或极显著相关性，因而年均气温是影响黄芪农艺性状变异的主要生态因子[13-14]。黄芪中甲苷、皂苷和黄酮类物质合成受到温度影响。黄芪甲苷、黄芪皂苷I 和黄芪皂苷Ⅱ的化学结构母核都是环阿屯烷型的三萜皂苷，但后2 种是糖上的乙酰基取代的，在碱性条件下可转化为黄芪甲苷。年平均温度可能是影响环阿屯烷型皂苷母核生物合成的关键因子，而年平均无霜期是影响乙酰化酶母体的关键因素[15]。黄芪皂苷类和黄酮类与年均温等温度类因子呈负相关，毛蕊异黄酮葡萄糖苷与年日照时数呈正相关，紫外线的B 波段显著诱导异黄酮[16]，而在人工光源下，LEP 光照下根系生长优于其他光照处理，抗氧化活性最高，为53.6%，总酚和类黄酮含量也是最高[17]。此外，黄芪种子若长时间处在低温（＜20 ℃）状态，解冻之后的种子发芽率会下降，至幼苗时期死亡率会上升[18]。

1.1.3 水分 逆境可以促进中药材活性组分的积累，而干旱往往是根类药材活性组分积累的关键所在[19]。李光跃[20]研究发现，干旱胁迫能够促进黄芪毛蕊异黄酮葡萄糖苷的积累，叶片相对含水量40%左右时含量达到峰值。轻度水分胁迫能有效启动黄芪体内抗氧化酶系统和次生代谢，它们相互协作降低胁迫对细胞产生的伤害，通过降低地上部分的生长，将营养物质优先运往根部，促进根产量及药材质量的提高[21]。相比于膜荚黄芪，蒙古黄芪对干旱的适应性更强，适于在我国干旱和非干旱地区种植；主根长与年均降水量呈显著负相关，降雨量越大越不利于根的伸长生长，适度干旱有助于根的生长及干物质积累[22]。这为蒙古黄芪生产区划和种植提供理论依据，同时生产中应注意合理灌溉，提高黄芪药效品质。

1.2 土壤因子

1.2.1 土壤质地 土壤因子对黄芪的产量和品质的影响主要是由土壤类型、质地、无机和有机养分含量所决定的。适宜黄芪生长的土壤类型为黄壤，质地较轻，偏酸性。土壤全氮、有效磷、速效钾含量表层总体为肥力Ⅰ级，下层为Ⅱ、Ⅲ级，且高的有机质含量和偏砂的土壤质地保证了地道黄芪能够均衡吸收土壤养分[23]；疏松多孔，通透性较好，有利于黄芪根系下扎，保证了根部的粗度，如5、6年生半野生黄芪多为优质鞭杆芪，主根长至 70 cm、直径 2～3 cm[24-25]。

1.2.2 土壤养分 土壤无机元素能够影响植物根系营养及生理代谢活动，促进植物的生长、影响药用植物化学成分积累，最终影响中药材品质。杨庆珍等[26]利用主成分分析，对甘肃省、内蒙古自治区和山西省黄芪化学成分和土壤中无机元素单因素方差分析提取3 个主成分，得知不同无机元素对黄芪品质的影响程度不同，其中元素镍、锌、铜、铁、硒的方差贡献率为59.7%，钙的方差贡献率为14.6%，有效钾的方差贡献率为9.0%，该结果对黄芪种植施肥提供有利的参考依据。

不同产区的黄芪对土壤中矿质元素的富集能力不同，导致土壤中化学活性成分含量发生变化。大多数黄芪对土壤中的磷、钾具有较强的富集能力，对土壤中的铁、锰、硒的富集能力较低。土壤中有机质和矿质元素的含量影响黄芪有效成分的积累。随着土壤中镁、铁、铜含量的增加和钙含量的降低，毛蕊异黄酮苷含量增加；随着土壤中硒含量的增加，毛蕊异黄酮含量增加；土壤中有机质和钙含量降低，镁和铁含量增加，黄芪甲苷含量增加；随着土壤中钙含量的降低和铁、铜含量的增加，总黄酮含量增加，呈逐年递增趋势[27]。

1.2.3 土壤重金属 黄芪重金属含量由土壤中重金属含量和黄芪吸收特征共同决定，而黄芪重金属是否超标是其作为药材进入市场的前提。谢晓亮等[28]利用黄芪盆栽试验对不同水平的重金属铜（Cu）、汞（Hg）、砷（As）、镉（Cd）、铅（Pb）进行研究，明确黄芪污染的土壤重金属污染限值分别为72.83、0.83、29.78、0.46、243.19 mg/kg，且黄芪中重金属 Cu、Hg、As、Cd 和 Pb含量与土壤中重金属呈显著的正相关关系，相关系数均在 0.92 以上；重金属Cu、Hg、As、Cd 和Pb 在蒙古黄芪中的平均迁移累积率分别为0.243 8、0.044 3、0.092 2、0.682 0 和0.025 8[29]。由此可见，黄芪对土壤中重金属元素吸附强度的顺序为Cd＞Cu＞As＞Hg＞Pb。

1.3 地形因子

1.3.1 坡度和坡向 坡度和坡向的选择对黄芪的有效成分积累有一定的影响。蒙古黄芪在平川地上应选择排水良好、疏松肥沃的砂质壤土。平地移栽地区，可以通过增加栽培年限来提高有效成分的含量[30]。而山区则宜选择土层深厚、排水良好的向阳山坡，如山西省恒山地区向阳山坡上分布的半野生状态黄芪资源[31-32]。山上直播的黄芪药材中微量元素Al、Hg、Ba 的富集系数高于平地栽培的药材，而对于微量元素Cu、镉（Cr）、锡（Sn）、硒（Se）、Pb、Cd、As 来说，平地栽培的药材富集系数高于山上直播药材的富集系数；平地栽培黄芪药材中毛蕊异黄酮苷、芒柄花苷、毛蕊异黄酮、芒柄花素、黄芪甲苷的含量均高于山上直播黄芪药材中的含量[33-34]。阴坡种植黄芪的皂苷组分含量最高，且随坡度的增加而增加[35]。

1.3.2 海拔和经纬度 海拔、经纬度对黄芪产量和品质亦有显著影响。海拔对黄芪生长的影响呈现出一条抛物线趋势。彭露茜等[36]在中国黄芪地理分布和未来适生区预测研究中得出，海拔对黄芪存在概率贡献值为22%，黄芪生境指标中的海拔为1 500～2 800 m，最优值是1 800 m。在地形因子里，影响黄芪总黄酮含量的主要因素是海拔和纬度[37]，且呈显著正相关，即随着海拔和纬度的增加而增加，经度也有一定的影响，但影响不明显。

1.4 生物因子

1.4.1 病原菌和害虫 黄芪病虫害相对较轻，其发生频率和严重程度远小于人参。蒙古黄芪主要病害为白粉病和根腐病的病原菌[38-39]，白粉病病原菌初步鉴定为白粉菌属豌豆白粉菌（Erysphe pisi DC）[40]，根腐病初步确定有2 种致病菌，即尖镰孢菌（Fusarium oxysporum Schiecht.）和腐皮镰菌孢[Fusarium solaniun(Mart.)Sacc][41]。另外还有啃食黄芪的害虫如种子小蜂、蚜虫和豆荚螟。据资料记载，在地势低洼、密度过大、海拔较低人工种植区域或前茬种植豆科植物的块地易发生病虫害[42]，这为黄芪种植产区选择地形因子提供了有利的依据。

1.4.2 病虫害的症状及防治方法 根腐病：它的发生是从根尖或侧根开始，向内蔓延到主根，叶子变黄枯萎。病害后期，茎基部和主根呈红棕色、干燥，侧根腐烂。防治方法应加强栽培管理，雨后及时排水，保证地面无水。在病害初期，使用喷洒甲基托布津倍液或百菌清倍液等喷茎基部，或用石灰水倍液灌根。

白粉病：主要危害嫩叶和种子。在叶片表面，叶片两侧和荚果表面都有白色粉末斑点。病害发生后期，病变部位出现小黑点，导致幼叶或整株植物枯萎。如果发病，每10 d喷1 次石硫合剂或用50%托布津可湿性粉剂800～1000 倍液喷雾。

黄芪籽蜂：主要危害黄芪种子，黄果期在杏荚上产卵，幼虫吃肉。防治方法应以清除园圃为主，减少昆虫源。种子经除虫处理或西维因粉处理，青果期可用40%乐果乳油1 000 倍液喷雾[43]。

蚜虫：蚜虫害易在嫩枝上发生，高温干旱年份更严重。在黄色的豆荚或花蕾中，成虫会产卵，孵化成幼虫，然后采摘到豆荚中咬种子，而成熟的幼虫会钻出豆荚，钻出土壤来过冬。可通过喷洒40%的乐果1 500～2 000倍液或50%避蚜雾2 000～3 000 倍液的喷雾来防治，在其花期可以按用量每隔7 d 喷施1 次敌杀死，需要连续喷撒3～4 次，直到种子成熟[44]。

2 人为因素

2.1 种植方式

山西浑源县采用仿野生栽培模式（种子直播于适宜地域，让其自然生长、粗放管理的半野生状态）[45]，近10年来浑源发展的仿野生种植黄芪模式取得成功，获得了国家药监局的GAP认证，正在规模化发展过程中。此方法收获的5～6年生仿野生黄芪外观性状与野生黄芪相似，且黄酮类和皂苷类成分还高于野生黄芪[34]。为降低坡上种植带来的难度，还可以利用新型无人机技术进行播种，使用多旋翼无人机可以极大地提高种植作业，同时可以避免了因为山坡陡峭、视野受阻、坚石等问题造成的人员伤亡[46]。

黄芪种植过程中探索适宜的种植方式至关重要。固阳地区黄芪种植方式适合与当地其他作物如玉米、燕麦、小麦、马铃薯、向日葵等进行轮作，并与当地主要支柱产业-畜牧业相结合形成互惠互利格局。黄芪地上部分和打种后的残留的果皮可用于牛羊等牲畜的冬季饲料，既可以增加牲畜的育肥速度和产奶量，又可以提高牲畜机体免疫力，减少疾病的发生，使牲畜营养均衡，农闲时起出的牛羊粪便（通常含有10%～30%麦秆或枯草），适当浇水后，堆置3～4 个月使腐熟完全，即为优质的有机肥料。此模式属于作物间养分互补、农牧互养循环生态系统，双方互惠互利，既可高产丰收，又可降低化肥和农药的使用量[47]，为种植黄芪减肥减药增效提供有效的支撑。

2.2 水肥管理

黄芪种植最重要的人为因素则是水肥管理，合理的水肥施用和中耕除草可促进黄芪根茎快速生长。根据土壤墒情进行适量灌溉。为倡导国家化肥农药减施行动，减少化肥的使用量是大势所趋，环保肥料增效剂在减少肥料的情况下确保产量有所增加。研究表明，减少30%的化肥施用量时添加环保肥料增效剂，与标准施用量化肥不添加增效剂的黄芪产量相近[48]。此外，合理施加亚硒酸钠能够促进黄芪的生长，提高生物量、增加硒含量[49]，而硒元素具有抗癌、抗氧化和提高免疫力等功能。

3 展望

黄芪的产量和品质不是单一生态因子作用的结果，而是多种因素共同作用形成。黄芪品质形成与生态因子互作机制研究仍是黄芪品质控制急需解决的科学问题。针对黄芪生态栽培需要开展以下4 个方面工作：

3.1 制定黄芪种子、种苗生产规程、建立良种繁育基地

根据环境条件差异，因地制宜开展栽培措施，在一定程度上可以解决黄芪品质差、保苗率低等问题。如在低适宜区根据出苗率高低采用不同的栽培方式，出苗率高的采用直播方式，出苗率低则采用育苗移栽。但立足长远，应减少野生黄芪的开采，建立优质种质资源库，形成良种生产标准操作规程和种子、种苗标准，从种源上确保优质高产黄芪生产。

3.2 建立科学的肥料使用规范

黄芪种植有别于大田作物，遵循品质优先加大有机肥替代化肥、微生物复合肥料应用，肥料使用过程中注重保持土壤可持续利用，遵从平衡施肥。

3.3 制定适宜黄芪的绿色防控措施

由于黄芪的生产区域较宽泛，不同生产区气候特点、环境条件的不同导致病害的发生具有一定的差异，通过建立种植模式调整（轮作、套种、仿野生种植等）、绿色病害防控（生物源农药、病虫害物理诱杀）等措施的科学管控，建立优质黄芪绿色栽培体系。