党参氮磷钾施肥效应与最优施肥量研究

胡佳栋，武子丁，刘子哲，李雯君，王二欢，梁宗锁，董娟娥*

（1 西北农林科技大学生命科学学院，陕西杨凌 712100；2 陕西步长制药有限公司，陕西咸阳 710000；3 浙江理工大学，杭州 310000）

中药材党参为桔梗科植物党参Codonopsis pilosula(Franch.)Nannf.、素花党参Codonopsis pilosulaNannf. var. modesta(Nannf.)L. T. Shen或川党参Codonopsis tangshenOliv.的干燥根。性味甘、平归脾、肺经，具有补中益气、健脾益肺的功效[1]。现代药理研究表明，党参具有调节血糖、降压、抗缺氧、耐疲劳等作用[2]，并且是一种药食同源的经济作物。近年来，党参的使用量大增，其野生资源已不能满足市场的需求，党参主要生长于山地、林缘、灌丛中，在甘肃、山西、陕西、湖北、四川等省及东北地区多有栽培，其中甘肃省的党参产量为全国之最[3]。党参植株对肥料的需求量大，合理的施肥模式对党参的良好生长至关重要[4]。目前，党参施肥的研究主要集中在氮磷钾、微量元素的施肥量及比例对其产量及质量的影响[4-7]，没有参照种植区的土壤肥力提供准确的量化标准，而生产中往往因为土壤氮、磷、钾的比例失衡而成为产量和品质提高的限制因子。如何能够参照各种植区的土壤肥力状况提供有效的氮磷钾平衡施肥量是实现现有土地资源提质增效和推动农业绿色发展的重点任务[4]。

本研究通过田间试验，采用氮、磷、钾3因素2次D-饱和最优设计方案，研究了N、P、K不同配比对党参产量以及有效成分含量的影响，建立了相关的数学模型，定量研究了氮、磷、钾各因子的效应，确定了甘肃宕昌县所代表的土壤肥力状况下党参的施肥模式和NPK的最优配比，为实现党参的规范化栽培提供了重要的理论依据和技术规程，并为其它根类药材的规范化栽培提供技术参考。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

本试验于2017年3—11月在甘肃省宕昌县进行，试验区海拔2400 m，年均日照1986.5 h，年均降水量450 mm，年均气温10℃，年均无霜期180 d，最大冻土深度45 cm，适宜于党参生长[4]。

0—20 cm耕层土壤的基本性质：pH 7.86，有机质23.6 g/kg、全氮1.60 g/kg、碱解氮100 mg/kg、全磷1.05 g/kg、有效磷32.4 mg/kg、全钾17.9 g/kg、速效钾237 mg/kg。前茬作物为马铃薯。

1.2 材料

供试材料为一年生党参Codonopsis pilosula(Franch.)Nannf.。供试肥料：尿素(含N 46%)、过磷酸钙(含P2O514%)、硫酸钾(含K2O 51%)，氮肥、磷肥、钾肥整地时作基肥一次施入。

1.3 试验设计

采用N、P、K三因素二次D-饱和最优设计方案(310)[8](表1)，设置10个处理，3次重复，30个小区，小区面积为24 m2(6 m × 4 m)，栽植深度3～5 cm。栽植密度为50株/m2，各处理田间除草、病虫害防治和水分管理等措施保持一致[4]。

1.4 测定项目和方法

2017年10月20日采收党参[4]，每小区采收4 m2，将植株的根完整挖出后用卷尺测定根长；用游标卡尺测量根粗(主根最粗部位直径)；然后洗净根部泥土，在105℃烘箱杀青10 min，在70℃干燥，测干重并折算至公顷产量。将干燥后的药材粉碎，过0.18 mm(80目)筛，备用。

采用超声法提取党参炔苷，高效液相色谱法测定党参炔苷含量[4,9]；采用超声法提取党参多糖，3,5-二硝基水杨酸(DNS)法和蒽酮-浓硫酸法相联合测定党参多糖含量[4]。

1.5 统计方法

数据整理及处理使用Excel 2010软件，方差分析用 SPSS 23.0, 用 Origin8. 0和 Design-Expert 8.0.6作图。

2 结果与分析

2.1 党参产量效应函数

氮、磷、钾肥对党参生长产量和品质指标的影响见表2。

根据试验结果，拟合得到党参根产量Y1与N(x1)、P(x2)、K(x3)的码值效应函数如下：

对该方程进行F检验，F=215.8＞F0.01(9，20)=3.46，决定系数R2=0.9898，存在极显著的回归关系，能较好地指导党参施肥。F(1)= 456.6，F(2)=19.75，F(3)= 67.09，F(1，1)= 492.5，F(2，2)=251.5，F(3，3)= 75.83，F(1，2)= 11.00，F(1，3)=13.60，F(2，3)= 76.58。经比较，所有项＞F0.01(1，20)= 8.10，偏回归系数均达极显著水平。氮、磷、钾对党参根产量的影响程度可通过比较每个一次项偏回归系数的绝对值得到[10-12]。由方程(1)可得，氮、磷、钾偏回归系数的绝对值分别为174.4、36.28、66.87，说明对党参产量的影响大小依次为氮 ＞钾＞磷。

表1 党参氮, 磷, 钾配比设计Table1 Ratio design of NPK in Codonopsis pilosula

表2 不同氮, 磷, 钾配比对党参产量和有效成分含量的影响Table2 Effects of different ratios of NPK on the yield and bioactive components of Codonopsis pilosula

2.2 党参炔苷含量效应函数

根据试验结果，拟合得到党参炔苷含量Y2与N(x1)、P(x2)、K(x3)的码值效应函数如下：

对该方程进行F检验，F=497.51＞F0.01(9，20)=3.46，决定系数R2=0.9956，存在极显著的回归关系。F(1)= 653.9，F(2)= 773.6，F(3)= 89.25，F(1，1)= 242.2，F(2，2)= 247.6，F(3，3)= 861.8，F(1，2)= 15.24，F(1，3)= 65.37，F(2，3)= 9.640。经比较，所有项均＞F0.01(1，20)= 8.10，模型的偏回归系数都达到极显著水平。由方程(2)可得，N、P、K的偏回归系数绝对值分别为0.0725，0.0789，0.0268，说明磷肥对党参根炔苷含量的影响最大，氮肥与磷肥的差距不大，钾肥的影响最小。

2.3 党参多糖含量效应函数

根据试验结果，拟合得到党参多糖含量Y3与N(x1)、P(x2)、K(x3)的码值效应函数如下:

对该方程进行F检验，F=164.89＞F0.01(9，20)=3.46，决定系数R2=0.9867，存在极显著的回归关系。F(1)= 24.95，F(2)= 288.5，F(3)= 31.62，F(1，1)= 191.8，F(2，2)= 431.6，F(3，3)= 46.12，F(1，2)= 51.84，F(1，3)= 20.51，F(2，3)= 47.19。经比较，所有项＞F0.01(1，20)= 8.10，模型的偏回归系数都达到极显著水平。由方程(3)可得，N、P、K偏回归系数的绝对值分别为0.4441，1.5101，0.5000，表明磷肥对党参根的多糖含量影响最大，钾肥的影响其次，氮肥的影响最小。

2.4 党参产量、炔苷含量和多糖含量效应函数的解析

2.4.1 单因子效应分析 方程(1)、(2)、(3)采用降维法[13]，得到三组单因子效应方程(图1)。

图1 养分因子对党参产量、炔苷和多糖的单因子效应Fig.1 Effects of single nutrient factor(N, P, K)on the yield, lobetyolin and polysaccharide content of Codonopsis pilosula

1)N(x1)、P(x2)、K(x3)与产量的单因子效应方程

氮肥对党参产量的影响：

磷肥对党参产量的影响：

钾肥对党参产量的影响：

2)N(x1)、P(x2)、K(x3)与炔苷含量的单因子效应方程

氮肥对党参炔苷含量的影响：

磷肥对党参炔苷含量的影响：

钾肥对党参炔苷含量的影响：

3)N(x1)、P(x2)、K(x3)与多糖含量的单因子效应方程

氮肥对党参多糖含量的影响：

磷肥对党参多糖含量的影响：

钾肥对党参多糖含量的影响：

图1-A显示，三条曲线都是开口朝下的抛物线，说明氮磷钾与党参产量的关系符合先上升后下降的 Mitscherlich学说(报酬递减律)[14]。由于氮肥在施肥量水平较低时最利于党参产量的提高，为了实现高产，必须加大对氮肥施用的重视。在本试验约束范围(-1 ≤x≤ 1)内，党参产量存在极大值：x1=0. 2496(即施 N 156.2 kg/hm2)时，Y11max=2425 kg/hm2；x2=-0.07265(即施 P 69.55 kg/hm2)时，Y12max=2404 kg/hm2；x3=0.2439(即施 K 62.19 kg/hm2)时，Y13max=2411 kg/hm2。

图1-B显示，三条曲线都是开口朝下的抛物线，在施肥量水平较低时，在一定范围内，党参炔苷含量与氮、磷、钾施用量呈现正相关关系。此时，磷肥的促进效果最好，其次是施用氮肥。在本试验约束范围(-1 ≤x≤ 1)内，党参炔苷含量存在极大值：x1=0.4260(即施N 178.2 kg/hm2)时，Y21max=0.8644 mg/g；x2=0.4582(即施 P 109.4 kg/hm2)时，Y22max=0.8671 mg/g；x3=0.08344(即施 K 54.17 kg/hm2)时，Y23max=0.8501 mg/g。当施肥量超过临界值后，会导致党参炔苷含量的降低。

图1-C显示，三条曲线都是开口朝下的抛物线，在施肥量水平较低时，在一定范围内，党参多糖含量与氮、磷、钾施用量呈现正相关关系。此时，磷肥的促进效果最好，其次是施用钾肥。在本试验约束范围(-1 ≤x≤ 1)内，党参多糖存在极大值: 当x1=-0.09351(即施 N 113.3 kg/hm2)时，Y31max=23.89%；x2=0.2120(即施 P 90.90 kg/hm2)时，Y32max=24.03%；x3=0.2147(即施K 60.73 kg/hm2)时，Y33max=23.92%。施肥量超过临界值会导致党参多糖含量的降低。

2.4.2 两因素互作效应分析 方程(1)、(2)、(3)采用降维法[13]，并分别作曲面图(图2)。

从图2显示，磷氮的交互作用，党参产量、炔苷含量及多糖含量都为开口向下的抛物曲面，氮肥和磷肥较低水平时，交互促进作用明显。氮肥对产量影响更大，磷肥对多糖和炔苷含量影响更大。在钾氮的交互作用中，党参产量与肥料使用量呈现正相关关系，交互促进作用明显；党参炔苷含量的效应图为一张开口朝下的抛物曲面。同一水平的钾肥使用量下，施氮的多少对党参产量影响较大，同一水平的氮肥施用量下，钾施用量的多少对党参产量无显著影响。氮元素对党参产量及炔苷含量的影响更大，钾元素对党参多糖含量的影响更大。在磷钾的交互作用中，党参产量的效应图为一张开口朝下的抛物曲面；党参炔苷及多糖含量与肥料使用量呈现正相关关系，交互促进作用明显。钾肥对产量影响更大，磷肥对炔苷和多糖含量影响更大。总的来说，氮磷钾三者配施，施氮的多少对党参产量影响较大，氮参与构成植物功能与结构蛋白，施氮能显著提高植株的光合能力，有利于有机物的形成，为根的生长提供物质基础[15]。

图2 交互作用分析Fig.2 Interaction effect analysis

2.5 施肥模式寻求

Hessian Matrix的主子式如下：|A1|=-699，|A2|=347935，|A3|=-89515533。说明方程(1)为非典型的效应函数[10,16]。因此，本文采用频率分析法对党参产量-施肥模型进行寻优(表3)。当x1为0.02711～0.3930，x2取-0.3432～-0.07213，x3取-0.09384～0.4083，对应的优化施肥量为N 128.4～174.1 kg/hm2、P2O549.26～80.41 kg/hm2、K2O 45.31～70.42 kg/hm2时，可以实现目标产量在2100～2500 kg /hm2范围内。

表3 党参目标产量在2100～2500 kg /hm2的因素频率分布Table3 Frequency distribution of factors for target yield of Codonopsis pilosula between 2100 and 2500 kg/hm2

Hessian Matrix的主子式如下：|A1|=-0.1703，|A2|=0.0291，|A3|=-0.0092。说明方程(2)为非典型的效应函数，采用频率法寻优。表4显示，当炔苷含量高于0.75 mg/g，95%的置信区间的优化施肥组合为x1取 0.02786～0.5730，x2取 0.02786～0.5730，x3取-0.1731～ 0.07442，对应的优化施肥量为 N 128.5～196.6 kg/hm2、P2O577.09～118.0 kg/hm2、K2O 41.34～53.72 kg/hm2。

表4 党参炔苷含量高于0.75 mg/g的因素频率分布Table4 Frequency distribution of factors for lobetyolin content over 0.75 mg/g

Hessian Matrix的主子式如下：|A1|=-4.75，|A2|=33.25，|A3|=-72.77。说明方程(3)为非典型的效应函数。同理，多糖含量高于22.50%(表5)，95%的置信区间的优化施肥组合为x1取-0.2317～0.1330，x2取-0.1797～0.1777，x3取-0.1955～0.5166，对应的优化施肥量为N 96.04～141.6 kg/hm2、P2O561.53～88.33 kg/hm2、K2O 40.22～75.83 kg/hm2。

采用交集法既能实现党参的高产又能保证其品质，得到党参的氮磷钾最优施肥组合为N 128.5～141.6 kg/hm2、P2O577.09～80.41 kg/hm2、K2O 45.31～53.72 kg/hm2，N、P2O5、K2O的最优施肥量配比为 1∶0.54～0.63∶0.32～0.42。

表5 党参多糖含量高于22.50%的因素频率分布Table5 Frequency distribution of factors for polysaccharide content over 22.50%

3 讨论

氮磷钾合理配施不仅能提高药用植物产量，而且能改善其品质[16-19]。本研究表明，合理施用氮、磷、钾肥能促进党参的生长发育，并提高党参的产量和质量。党参的高产施肥应在保证充足氮肥的基础上，合理配施磷、钾肥。这与王静等[11]得出的氮、磷、钾对桔梗产量的影响结果一致。对党参炔苷含量的影响为磷＞氮＞钾，对党参多糖的影响为磷 ＞钾＞氮。根据碳-养分平衡假说，施磷肥与其他处理相比，植物生长速度大为减慢，使植物体内的C/N比增大，导致植物积累的碳水化合物超过自身生长的需要，引起非结构碳水化合物过剩且多于其他处理，从而促进了以碳为基础的多糖和炔苷的合成[20-22]。上述结果与本课题组前期研究的结果基本一致[4]。

施肥模式寻优结果表明，在本试验条件下，当x1为 0.0271～0.3930，x2取-0.3432～-0.0721，x3取-0.0 9 3 8～0.4083，对应的优化施肥量为 N 128.39～174.13 kg/hm2、P2O549.26～80.41 kg/hm2、K2O 45.31～70.42 kg/hm2，目标产量在2100～2500 kg /hm2范围内。炔苷含量高于0.75 mg/g，95%的置信区间所对应的优化施肥量为N 128.48～196.63 kg/hm2、P2O577.09～117.98 kg/hm2、K2O 41.34～53.72 kg/hm2；多糖含量高于22.5%，95%的置信区间所对应的优化施肥量为N 96.04～141.63 kg/hm2、P2O561.53～88.33 kg/hm2、K2O 40.22～75.83 kg/hm2。综合考虑党参施肥对产量、党参炔苷含量及党参多糖含量的影响，党参的氮磷钾最优施肥组合为N 128.48～141.63 kg/hm2、P2O577.09～80.41 kg/hm2、K2O 45.31～53.72 kg/hm2，N、P2O5、K2O 的最优施肥量配比为1∶0.54～0.63∶0.32～0.42。该结果与龚成文等[3]得出的党参氮磷钾最优配方相一致。

4 结论

本试验区所代表的土壤肥力状况下，党参高产优质高效栽培最优施肥量为N 128.5～141.6 kg/hm2、P2O577.09～80.41 kg/hm2、K2O 45.31～53.72 kg/hm2，N、P2O5、K2O的最优施肥量配比为1∶0.54～0.63∶0.32～0.42。在全国范围内，由于党参生长的生态与土壤环境条件不断变化，在生产中，本模型的参数应根据具体土壤肥力条件进行调整和优化，以实现氮磷钾的平衡配施。