有机无机肥配施对川麦冬农艺性状、产量与品质的影响

李思佳，杨正明，雷飞益，陈 雨，张亚琴，周 娟，刘志伟，钟佳妮，陈兴福*

（1.四川农业大学农学院，四川 成都 611130；2.四川省食品药品检验检测院，四川 成都 611731；3.三台县明志麦冬专业合作社，四川 绵阳 621102）

自2001年国家正式启动“无公害食品计划”以来，发展无公害农业已成为现代农业技术主题［1］。目前，无公害种植多集中于蔬菜、水果等方面，在药用植物领域鲜有研究。合理施肥是无公害药材生产规程的重要环节，根据药材种类及其生长习性，以有机肥为主，配合大中微量元素平衡使用，建立相应的施肥技术，来达到减少肥料用量，提高药材产量与品质，缓解土壤污染等目的［2］。

有机肥是重要的营养源，不仅含有作物生长所需的氮磷钾大量元素和铁锰锌铜等微量元素，还含有氨基酸、蛋白质等有机养分。除此之外，还含有大量腐植酸、微生物活体等物质，能够改善土壤质量，提高土壤肥力。有机肥与化肥的合理配施，能够结合有机肥的持久性与化肥的速效性，为作物生长各阶段提供所需养分，在川芎［3］、枸杞［4］等中药材的增产提质研究中效果显著。

麦冬［Ophiopogon japonicus（L.f）Ker-Gawl.］为百合科沿阶草属植物，以干燥块根入药［5］，具有降血糖、抗肿瘤、抗炎等功效［6-11］。四川省三台县是川麦冬的道地产区，种植面积超过2 666.67 hm2，产量占全国麦冬类药材的60%［12］，优质麦冬常常供不应求。近年来，川麦冬生产区麦冬及其间（套）作物生产上，长期大量施用化肥，不施用有机肥，并且施肥中存在着重氮、轻磷、少钾的现象。施肥比例的不协调导致当地土壤中的磷、钾含量缺乏，土壤酸化严重、质量下降［13］，是影响川麦冬增产提质的原因之一。为获得麦冬高产，种植户大量使用多效唑，使用量普遍高于150kg/hm2，远超出川麦冬生产中多效唑45kg/hm2的安全使用量［14］。多效唑降解周期长，大量使用会在麦冬药材及土壤中残留，对药材品质、用药安全和生态环境造成了风险。因此，为减少化肥施用量，确定合理施肥比例，在不使用多效唑的情况下实现高产优质，探索一种合理的施肥模式十分必要。通过有机肥与化肥的合理配施，实现麦冬优质高产，是解决麦冬生产上施肥不合理造成的面源污染严重，麦冬药材产品与环境中多效唑安全风险最有效的途径。本研究结合川麦冬生产的实际情况，在川麦冬道地产区进行氮磷钾和有机肥配施试验，研究不同施肥量对麦冬生物量、农艺性状和药典规定指标的影响，探讨麦冬施肥的最佳方案，为彻底解决麦冬生产上多效唑问题提供理论依据，最终实现麦冬产业绿色可持续发展。

1 材料与方法

1.1 试验材料与试验地概况

试验材料为四川三台县人工栽种川麦冬［Ophiopogon japonicus（L.f）Ker-Gawl.］，试验于四川省三台县花园镇镇江村（104°56′E，31°16′N）进行，该地属亚热带季风湿润气候，年平均气温16.5℃，年均降水量886 mm，无霜期270 d。试验地土壤pH值 7.15，碱解氮（N）153.24 mg/kg，有效磷（P）184.46 mg/kg，速效钾（K）129.50 mg/kg，有机质48.68 mg/kg。

1.2 试验设计

本研究设置4个因素:氮、磷、钾与有机肥，采用二次回归正交旋转设计。试验中氮肥采用尿素（N 46%），磷肥用过磷酸钙（P2O512%），钾肥用硫酸钾（K2O 45%），有机肥采用商品生物有机肥（N 2.2%、P2O52.7%、K2O 2.9%，有机质≥60%）。氮、磷、钾和有机肥配施试验设计编码值见表1。田间施肥方案见表2。

表1 因素水平编码表 （kg/hm2）

表2 试验设计及实施方案表 （kg/hm2）

（续表）

1.3 田间管理

试验材料于2017年3月中旬选择长势相同的植株进行分蘖繁殖，株行距10 cm，每小区为5.1 m2。分别于8、9和10月施总N、P2O5、K2O和有机肥的40%、30%和30%。施肥均为穴施。其余农业措施与当地种植保持一致。

1.4 测定项目及方法

1.4.1 麦冬农艺性状的测定

试验材料于2018年3月25日进行取样，每小区按X形五点取样法取10株完整麦冬。带回实验室洗净，测定其叶片数、叶片长、叶宽、分蘖数、根长、须根数、块根数等性状指标。样品置于105℃杀青15 min，60 ℃恒温烘箱中烘干至恒重后，记录其干重。

1.4.2 麦冬生物量的测定

试验材料于2018年3月25日进行取样，每小区按X形五点取样法取50株完整麦冬。带回实验室洗净，剪下茎叶、须根和块根，分别称量鲜重。随后于105℃杀青15 min，60℃恒温烘箱烘干至恒重后，记录其干重。

1.4.3 总灰分、水溶性浸出物和总皂苷的测定

总灰分、水溶性浸出物、总皂苷含量的测定参考《中国药典》2015版一部中所规定方法［5］。

1.4.4 数据处理与分析

使用Excel 2013软件进行数据的初步换算和处理，再使用DPS 7.05数据处理系统对数据进行回归模型的建立和分析，最后用Excel 2013软件制图。

川麦冬每公顷鲜、干产量（kg/hm2）=平均单株块根鲜、干重×每公顷株数

2 结果与分析

2.1 数学模型的建立

使用DPS 7.05统计软件对所得数据进行回归分析，分别得到叶片数（Y1）、叶长（Y2）、叶宽（Y3）、分蘖数（Y4）、茎叶鲜重（Y5）、茎叶干重（Y6）、根长（Y7）、须根数（Y8）、须根鲜重（Y9）、须根干重（Y10）、块根数（Y11）、鲜产量（Y12）、干产量（Y13）、总皂苷（Y14）、总灰分（Y15）、水溶性浸出物（Y16）与 N（X1）、P2O5（X2）、K2O（X3）、有机肥（X4）的回归模型。用F检验法分别检验方程各项回归系数、方程总回归系数和失拟度，得到方差分析表（表3）。

由表3可知，在显著水平α=0.05下通过方差分析发现方程Y5、Y6、Y13、Y14、Y16的总回归系数F2达到了显著水平，方程Y12的总回归系数F2达到极显著水平，且方程Y5、Y6、Y12、Y13、Y14、Y16的失拟度未达到显著水平，这说明方程Y5、Y6、Y12、Y13、Y14、Y16的模型成立，具有较好的预测性，可以进行模型决策。剔除显著水平0.05下不显著的项后得到优化的回归方程Y5′、Y6′、Y12′、Y13′ 和Y14′、Y16′ 。

表3 方差分析表

2.2 有机无机肥配施对川麦冬农艺性状的影响

2.2.1 因子主效应分析

根据表3中各项回归系数的F值计算各因素对因变量的贡献率，可分析回归方程中各因素的重要性。使用以下公式计算贡献率。

按以上公式，分别计算出各因素对川麦冬农艺性状的贡献率（表4）。

表4 单因素贡献率

由表4可知，各因素对川麦冬的农艺性状指标影响存在差异。按照贡献率从大到小进行排序，得到各因素对叶片数、叶长的影响大小为N＞K2O＞P2O5＞有机肥；对叶宽的影响大小为P2O5＞N＞有机肥＞K2O；对分蘖数影响的大小为N＞P2O5＞K2O＞有机肥；对根长的影响大小为K2O＞有机肥＞N＞P2O5；对须根数的影响大小为K2O＞N、P2O5、有机肥；对块根数的影响大小为N＞有机肥＞P2O5、K2O。结果表明N对麦冬地上部分生长的影响最大，K2O对麦冬地下部分生长的影响最大。

2.2.2 单因素效应分析

使用降维法，将其他因子固定在零水平，可以得到各因素对川麦冬农艺性状的影响。在单因素项中，N对叶片数的影响达到极显著水平。计算出N对叶片数的单因素效应方程，并由此作出单因素图（图 1）。

由图1可知，在本试验地区的地力条件下，川麦冬的叶片数随着N施用水平加大而减少，且在2水平处达到最低值。说明施用高水平的N不利于川麦冬叶片数的增加。

图1 单因素效应

2.3 有机无机肥对川麦冬生物量的影响

2.3.1 因子主效应分析

利用2.2.1中贡献率的公式计算得到各因素对川麦冬生物量的贡献率（表5）。

表5 单因素贡献率

由表5可知，各因素对生物量的影响各有不同。按照贡献率从大到小排序，各因素对茎叶鲜重的影响为N＞有机肥＞P2O5＞K2O；对茎叶干重的影响为K2O＞P2O5＞N＞有机肥；对须根鲜重的影响为K2O＞N＞P2O5、有机肥；对须根干重的影响为K2O＞P2O5＞有机肥＞N；对鲜产量的影响为K2O＞有机肥＞P2O5＞N；对干产量的影响为有机肥＞K2O＞N＞P2O5。说明有机肥和K2O对川麦冬生物量的积累影响最大。

2.3.2 单因素效应分析

单因素项中，N对茎叶干重达到显著影响，对茎叶鲜重和须根鲜重达到极显著影响；K2O对川麦冬鲜产量达到显著影响，使用降维法计算出N与茎叶鲜重、茎叶干重和须根鲜重，K2O与川麦冬鲜产量的单因素方程，由方程得到单因素效应图（图 2）。

由图2可知，各因素对川麦冬生物量的影响存在一定差异。在图2A、2B中，川麦冬茎叶鲜重、须根鲜重随N使用水平加大而降低，并在2水平处达到最低值。说明高水平N的使用不利于川麦冬茎叶鲜重与须根鲜重的积累。图2C中，随K2O施用水平加大，须根干重先下降，在1水平处达到最低值后开始上升。图2D与川麦冬鲜产量随K2O施用量增加而增加，并在2水平处达到最高值，为7 928.97kg/hm2。说明K2O对提高川麦冬鲜产量具有明显的促进作用。

图2 生物量单因素效应图

2.3.3 互作效应分析

在互作项中，P2O5-有机肥对茎叶干重的影响达到显著；N -有机肥、K2O -有机肥对川麦冬鲜产量的影响分别达到显著和极显著水平；K2O -有机肥对川麦冬干产量的影响达到极显著水平。通过降维法，可以得到P2O5-有机肥互作对茎叶干重的方程，N -有机肥互作和K2O -有机肥互作对川麦冬鲜产量的方程、K2O -有机肥互作对干产量的方程，作互作效应图（图3）。

与单一肥料效应相比，N、P2O5、K2O与有机肥之间并不是简单地表现为加和效应，同时还存在着正向互作效应和负向互作效应。由图3A可知，当P2O5使用量低于206.40kg/hm2时，茎叶干重随有机肥使用量增加而增加，呈正向互作效应；当P2O5使用量高于206.40kg/hm2时，茎叶干重随有机肥使用量增加而降低，呈负向互作效应。

图3B可知，当K2O使用量低于576.45kg/hm2时，川麦冬干产量随有机肥使用量加大而增加，呈正向互作效应；K2O高于576.45kg/hm2时，川麦冬干产量随有机肥使用量增加而降低，呈负向互作效应，并在有机肥处于-2水平，K2O 2水平时达到极值，为3 769.94kg/hm2。

图3C中，当N处于-1水平及以下时，川麦冬鲜产量随有机肥使用量加大而升高，并在有机肥为2水平，N为-2水平处达到最高鲜产量即9 832.41kg/hm2，呈正向互作效应；当N使用量高于-1水平时，川麦冬鲜产量随有机肥使用量的加大呈下降趋势，表现为负向互作效应。

图3D中，当K2O使用量低于384.30kg/hm2时，川麦冬鲜产量随有机肥使用量加大而增加，呈正向互作效应；当K2O使用量高于384.30kg/hm2时，有机肥使用量增加会导致川麦冬鲜产量降低。N -有机肥、P2O5-有机肥、K2O -有机肥互作在一定范围内对生物量有增加作用，但是过量时则会导致生物量下降。

图3 互作效应分析

2.4 有机无机肥配施对主要药效成分含量的影响

2.4.1 因子主效应分析

利用2.2.1中贡献率的公式计算得到各因素对川麦冬品质指标的贡献率（表6）

表6 单因素贡献率

由表6可知，各因素对品质成分的影响各有不同。按照贡献率从大到小排序，各因素对总皂苷的影响为K2O＞N＞P2O5＞有机肥；对总灰分的影响不显著；对水溶性浸出物的影响为N＞有机肥＞P2O5＞ K2O。

2.4.2 单因素效应分析

单因素项中，P2O5对总皂苷含量达到显著影响，K2O对总皂苷含量达到极显著影响，使用降维法计算出P2O5和K2O与总皂苷含量的单因素方程，由方程得到单因素效应图（图4）。

图4 单因素效应分析

由图4可知，P2O5与K2O对总皂苷含量影响不同。随着P2O5施用水平加大，总皂苷含量呈下降趋势，随着K2O施用水平加大，总皂苷含量呈上升趋势。说明过量P2O5不利于总皂苷含量的积累，K2O能促进麦冬中的总皂苷含量积累。

2.4.3 互作效应分析

在互作项中，N-K2O互作对总皂苷含量的影响达到显著；N-K2O、N-有机肥对川麦冬水溶性浸出物含量的影响达到显著和极显著水平；P2O5-有机肥对川麦冬水溶性浸出物含量的影响达到极显著水平。互作效应见图5。

由图5A可知，当N施用量小于0水平时，随着K2O施用量增加，川麦冬中总皂苷含量呈下降趋势；当N施用量高于0水平时，随着K2O施用量增加，川麦冬中总皂苷含量呈上升趋势，并在N、K2O都为2水平时达到极值，为0.49%。

图5 互作效应分析

由图5B可知，当N施用量小于0水平时，随着K2O施用量增加，川麦冬中水溶性浸出物含量呈上升趋势；当N施用量高于0水平时，随着K2O施用量增加，川麦冬中水溶性浸出物含量呈下降趋势，并在N为2水平、K2O为-2水平或N为-2水平、K2O为2水平时达到极值，为80.87%。

由图5C可知，当N施用量小于0水平时，随着有机肥施用量的增加，川麦冬水溶性浸出物含量呈下降趋势；当N施用量高于0水平时，随着有机肥施用量的增加，川麦冬中水溶性浸出物含量呈上升趋势。

同理，图5D中，在P2O5施用量小于0水平时，川麦冬中水溶性浸出物含量随着有机肥施用量的增加而降低；而在P2O5施用量高于0水平时，川麦冬中水溶性浸出物含量随着有机肥施用量的增加而上升。

2.5 川麦冬优化配方分析

2.5.1 川麦冬产量优化配方分析

考虑到当地生产实际，以干产量作为产量优化配方分析的对象。通过已建立的干产量的回归模型可得到最高干产量下各因素的最适施用配方的理论值，结合到实际生产时存在土壤、气候环境的差异影响，通过使用统计频数法进行分析可以得到一个合适的高产范围。按照当地土壤、气候条件可知，小区干产量高于3 000kg/hm2即为高产，在此使用统计频数法计算出干产量高于3 000kg/hm2的最佳施肥量范围（表7）。

由表7可知，N、P2O5分布频率均匀，K2O和有机肥在最低水平和最高水平频率最大。综合以上的频数分析，可以优化出在95%的置信区间内，川麦冬可达到3 000kg/hm2及以上的产量的最佳农艺措施为N 652.83～819.16kg/hm2，P2O5183.07～ 229.72kg/hm2，K2O 331.07～ 437.53kg/hm2，商品有机肥2 067.60～2 732.40kg/hm2。

表7 干产量≥3 000kg/hm2的频率分布及农艺措施

2.5.2 川麦冬质量优化配方分析

考虑到总皂苷为川麦冬主要活性成分，以总皂苷含量作为质量优化配方分析的对象。通过已建立的总皂苷的回归模型可得到最佳总皂苷各因素的最适施用配方的理论值，结合到实际生产时存在土壤、气候环境的差异影响，通过使用统计频数法进行分析可得到一个合适的优质范围。按照《中国药典》［5］规定和当地生产实际，在此使用统计频数法计算出总皂苷含量高于0.40%的最佳施肥量范围（表8）。

由表8可知，N、K2O和有机肥在最高水平频率最大，P2O5在最低水平频率最大。综合以上的频数分析，可以优化出在95%的置信区间内，川麦冬总皂苷含量达到0.40%及以上的最佳农艺措施为N 676.75～994.70kg/hm2，P2O5153.67～206.30kg/hm2，K2O 467.31～568.76kg/hm2，商品有机肥2 191.20 ～ 2 800.80kg/hm2。

表8 总皂苷含量高于0.40%的频率分布及农艺措施

3 讨论

3.1 有机无机配施对川麦冬农艺性状与生物量的影响

氮磷钾作为植物生长三大必需元素，对其生长发育具有重要影响；有机肥作为速效养分与迟效养分、无机养分与有机养分兼容的储备库，能够调控土壤养分释放率，影响作物对氮磷钾的吸收利用从而影响产量形成。单因素贡献率结果表明氮肥主要影响川麦冬地上部分的生长；钾肥和有机肥主要影响地下部分的生长；磷肥对川麦冬生长影响最小。川麦冬农艺性状与产量密切相关，其中茎叶鲜重、叶片数与产量呈极显著正相关，生长前期通过促进叶片发生、生长可提高产量［15-16］。本研究结果表明，麦冬茎叶鲜重、叶片数随氮肥施用量增加呈下降趋势，过量的氮肥不利于产量增加，这与李琼芳等［17］研究结果一致。钾肥对川麦冬地下部生长具有明显的促进作用，产量与施肥水平呈极显著正相关，这与钾肥对白花丹参［18］、甘薯［19］的产量影响结果相同，可能与钾肥能增强植物光合作用，促进根部干物质积累有关。磷肥对川麦冬生长、产量与品质无显著影响，可能与磷易被土壤固定、移动性差导致当季利用率降低有关［20］。本研究结果表明，有机肥与氮、磷、钾都存在负向互作效应，施用量同时加大不利于产量增加。有机肥与化肥必须适量施用，过量施用可能会影响根际微生物活性，降低作物对养分的吸收率［21］，导致减产。

目前，川麦冬生产上普遍依赖多效唑的施用以提高产量，且用量较大。然而，大量使用多效唑不仅不利于产量增加，还会在作物与土壤内残留、富集，对药材与生态环境造成不安全性［22］。同时，对于喷施多效唑引起川麦冬块根膨大，从而成为优等品的做法也存在质疑［23］。有机肥和化肥的合理配施可提高作物产量，利用二者配施的施肥模式可达到少用或不用多效唑而实现作物增产的效果。本研究在不使用多效唑的情况下，通过化肥与有机肥配施，川麦冬干产量可达到3 000kg/hm2，与多效唑和膨大素同时喷施的干产量3 772.35kg/hm2［24］以及当地最高干产量3 651.83kg/hm2相比较，能够保证麦冬生产的基本效益，说明有机肥与化肥配施能够在不使用多效唑的情况下实现川麦冬的稳产乃至高产。

3.2 有机无机肥配施对川麦冬品质的影响

麦冬的水提物与皂苷具有抗炎、抗肿瘤、抗癌等多种药效活性［25］，是川麦冬重要品质指标。本研究结果表明，钾肥主要影响川麦冬中总皂苷含量，而氮肥主要影响川麦冬的水溶性浸出物含量。单因素分析结果表明施用钾肥能显著促进川麦冬中总皂苷含量的积累，这与钾肥对冬枣［26］、西瓜［27］的影响一致，其原因可能是钾作为植物体内多种酶的活化剂，能够通过促进光合产物形成与转化，加快代谢产物的积累［28］从而提高药材中药效成分含量。除此之外，研究表明喷施多效唑会不同程度的降低川麦冬中总皂苷等成分含量［29］，影响川麦冬品质。本研究通过有机无机肥配施能够显著提高川麦冬中总皂苷和水溶性浸出物含量，降低总灰分，在合理配施的措施下可使川麦冬中总皂苷含量高于0.40%，对川麦冬品质提升具有明显的促进作用，同时还能够避免多效唑残留带来的不安全性。除此之外，化肥与有机肥配施对改善土壤质量也具有明显优势，符合川麦冬无公害生产，有益于川麦冬产业绿色长久发展。

4 结论

本试验通过采用四元二次正交旋转试验设计，得出了氮、磷、钾与有机肥配施对川麦冬农艺性状、产量和品质有显著影响。其中N和K2O主要影响川麦冬地上部的生长，K2O和有机肥对川麦冬的增产作用最大，K2O和N主要影响川麦冬质量。通过频数分析法并进行交集优化之后得到了川麦冬无公害生产模式下高产优质的最佳施肥方案为N 676.75～ 819.16kg/hm2，P2O5183.07～ 206.30kg/hm2，K2O 331.07 ～ 437.53kg/hm2或467.31～568.76kg/hm2，商品有机肥2 191.20～2 732.40kg/hm2。川麦冬生产上可根据市场需求、土壤状况、产量要求和经济效益预期等，依据此配方进行适当调整，实现川麦冬优质高产高效种植。