不同改良剂对连作大黄产量及其土壤肥力的影响

段媛媛 吴佳奇 周武先 唐涛 王帆帆 郭晓亮 游景茂 郭杰

摘要：【目的】探究不同改良劑对连作大黄产量及其土壤肥力的影响，为消减大黄的连作障碍及促进大黄产业的健康可持续发展提供理论依据。【方法】选择有机肥、钙镁磷肥和生石灰作为土壤改良剂，以不施用改良剂为对照，对不同处理连作大黄产量及其根际土壤pH、养分含量和生态化学计量特征进行分析，并利用主成分分析法对不同处理连作大黄的土壤肥力进行评价。【结果】施用3种改良剂均可提高连作大黄的产量，其中有机肥和钙镁磷肥处理较对照分别提高75.37%和42.62%，差异达显著水平（P<0.05，下同）。有机肥和生石灰处理显著提高连作大黄的土壤pH，较对照分别提高9.13%和7.34%。有机肥和钙镁磷肥处理显著提高土壤养分含量，其中，土壤有机质、全氮、碱解氮、全磷和速效磷含量分别较对照提高7.45%、8.40%、15.93%、8.27%、31.05%和11.22%、7.56%、15.01%、14.22%、38.46%。与对照相比，生石灰处理的土壤全磷和速效磷含量分别显著提高8.10%和8.83%。3种改良剂处理后连作大黄土壤的C∶N、C∶P、N∶P、C∶K、N∶K和P∶K的变化范围分别为7.77～8.11、14.35～15.62、1.88～2.00、1.26～1.42、0.16～0.18和0.08～0.09。主成分分析表明，不同改良剂处理下，连作大黄土壤肥力综合指数排序依次为钙镁磷肥（1.36）>有机肥（1.19）>生石灰（-0.99）>对照（-1.56）。【结论】3种改良剂对连作大黄增产均有一定的促进作用，也能有效改善连作大黄的根际土壤理化性质，对连作大黄土壤的改良效果依次为钙镁磷肥>有机肥>生石灰。

关键词： 改良剂;大黄;产量;土壤肥力

中图分类号： S156.2                            文献标志码： A 文章编号：2095-1191（2021）03-0753-09

Effects of different amendments on the yield of Rheum officinale Baill. and rhizospheric soil fertility under continuous

cropping system

DUAN Yuan-yuan， WU Jia-qi， ZHOU Wu-xian， TANG Tao， WANG Fan-fan，

GUO Xiao-liang， YOU Jing-mao， GUO Jie*

（Institute of Chinese Herbal Medicines， Hubei Academy of Agricultural Sciences， Enshi， Hubei  445000， China）

Abstract：【Objective】The aim of this study was to learn the effects of different amendments on the yield of Rheum officinale Baill. and rhizospheric soil fertility. The results would provide a scientific basis for promoting the healthy deve-lopment of the R.officinale industry. 【Method】Organic matter（OM），calcium magnesium phosphate fertilizer（CMP）and quicklime（QL） were as amendments， and control（CK） applied no amendments. R.officinale yield and rhizospheric soil pH， nutrient content and ecological stoichiometric characteristics of different treatments were analyzed， the principal component analysis（PCA）was used to evaluate the rhizospheric soil fertility of R. officinale under continuous cropping. 【Result】Application of all three amendments could increase the yield of continuous cropping R. officinale. The OM and CMP treatments significantly increased the yield of R. officinale by 75.37% and 42.62%，respectively，compared with the CK（P<0.05， the same below）. The OM and QL treatments significantly increased the soil pH by 9.13% and 7.34% compared with the CK. Moreover，OM and CMP treatments significantly increased the rhizospheric soil nutrient contents， among them， organic matter，total nitrogen，alkali-hydrolyzed nitrogen，total phosphorus and available phosphorus contents increased by 7.45%，8.40%，15.93%，8.27%，31.05% and 11.22%，7.56%，15.01%，14.22%，38.46%，respectively，compared with the CK. The total phosphorus and available phosphorus contents under QL treatment were increased by  8.10% and 8.83%，respectively，compared with the CK. The C∶N，C∶P，N∶P，C∶K，N∶K and P∶K ratios of R. officinale rhizosphere soil were 7.77-8.11，14.35-15.62，1.88-2.00，1.26-1.42，0.16-0.18 and 0.08-0.09 under different amendment treatments. The PCA results showed that the ordination of integrated soil fertility index under different amendment treatments followed the order of CMP （1.36）>OM （1.19）>QL （-0.99）>CK（-1.56）. 【Conclusion】Three amendments have certain yield promotion effect on the continuous cropping of R. officinale， and can effectively improve its physicochemical properties of the rhizosphere soil. And the promotion effects of the three amendments follow the order of CMP>OM>QL.

Key words： amendment; Rheum officinale Baill.; yield; soil fertility

Foundation item： National Modern Agricultural Industrial Technology System Construction Program（CARS-21）; Science Fund for Young Scholars of Hubei Academy of Agricultural Science（2019NKYJJ14）

0 引言

【研究意义】药用大黄（Rheum officinale Baill.）为蓼科（Polygonaceae）大黄属（Rheum）多年生草本植物（中国科学院中国植物志编辑委员会，1993），具有清热泻火，凉血解毒等功效（国家药典委员会，2020）。长期连作会引起土壤酸化，导致养分失衡，从而抑制作物对养分的吸收利用，降低作物的产量及品质（李小萌等，2020;周武先等，2021）。研究表明，党参、半夏、三七等中药材均存在严重的连作障碍（何志贵等，2019;刘海娇等，2020;周武先等，2021）。大黄在栽培过程中的土壤连作障碍问题也日益突出，严重影响了大黄产业的发展。因此，采取措施消减大黄的连作障碍，提高其产量和品质，是大黄产业健康发展亟待解决的问题。【前人研究进展】近年来，学者们相继探索出多种消减作物连作障碍的方法，如间套作（马怡茹等，2019;王廷峰等，2019）、轮作（何志贵等，2019）、有机肥替代部分化肥（李小萌等，2020）等。施用土壤改良剂是一种成本较低且见效快的方法，目前有机肥、钙镁磷肥及生石灰等改良剂技术相对成熟，在消减作物连作障碍方面应用广泛（王梅和蒋先军，2017;周武先等，2019，2021）。张世标等（2016）研究表明，有机肥和磷钾肥配施能改善辣椒土壤的理化性质，提高土壤肥力及辣椒产量。余小兰等（2018）研究发现，钙镁磷肥能提高水稻土壤的pH及养分含量，有效改善土壤性质。吕波等（2018）研究发现，施用生石灰能提高白菜土壤的pH，但降低了土壤养分含量。乔鈜元等（2020）研究表明，适当施用生石灰能改善连作土壤性质，促进平邑甜茶幼苗生长。王棋等（2020）研究表明，连作能降低烤烟的土壤养分化学计量特征，影响土壤养分的供应平衡。周武先等（2021）研究表明，施用有机肥等3种改良剂均能减缓川党参的连作障碍，改善土壤性质，提高党参产量。【本研究切入点】不同改良剂对不同作物土壤的改良作用存在差异。有机肥、生石灰及钙镁磷肥等3种改良剂对连作辣椒、白菜、川党参、甜茶等多种作物的根际土壤理化性质改良效果较好（张世标等，2016;吕波等，2018;乔鈜元等，2020;周武先等，2021），但其对连作大黄及其土壤肥力影响的研究尚未见报道。且以往的土壤肥力评价多以土壤养分含量、酶活性等作为评价指标，而将土壤化学计量特征纳入评价指标进行分析的研究较少。【拟解决的关键问题】选择有机肥、钙镁磷肥和生石灰3种土壤改良剂，对连作大黄的产量及根际土壤pH、养分含量及生态化学计量特征进行分析，利用主成分分析法对不同改良剂处理的连作大黄土壤肥力进行评价，探究3种改良剂对连作大黄产量及其土壤肥力的影响，以期为消减大黄的连作障碍及促进大黄产业的健康可持续发展提供理论依据。

1 材料与方法

1. 1 试验区概况

试验样地位于湖北省利川市元堡乡朝阳村（东经108°59'08″，北纬30°07′30″），海拔1350 m，屬亚热带季风和季风性湿润气候，年均降水量1301.4 mm，年均温度12.9 ℃，无霜期210 d，相对湿度81%。前茬作物为大黄，土壤为红壤土，土壤pH 4.01，土壤有机质26.82 g/kg，碱解氮172.2 mg/kg，速效磷86.54 mg/kg，速效钾305.60 mg/kg，全氮2.23 g/kg，全磷1.11 g/kg，全钾14.50 g/kg。

1. 2 试验材料

试验用大黄为药用大黄，其子芽由利川市勤隆中药材专业合作社提供。土壤改良剂分别为丰疆有机肥（pH 7.80，原料为牛粪、菜饼和米糠等，有机质≥45%，N-P2O5-K2O≥5%），购自金正大国际利川团堡直销店;荆珠钙镁磷肥（P2O5≥12.0%，8% MgO，25% CaO，25% SiO2）及生石灰（99.6% CaO），购自恩施施州农化有限责任公司。

1. 3 试验方法

田间试验于2018年10月—2019年9月进行。采用单因素完全随机设计，以不施用改良剂为对照，设生石灰、钙镁磷肥和有机肥3个处理，3种改良剂分别按照厂家建议施用量施用，分别为生石灰2250 kg/ha，钙镁磷肥2250 kg/ha，有机肥4500 kg/ha。每处理设3个重复（小区），每小区面积为8 m2，小区间以30 cm间隔作为保护行防止改良剂互渗，所有改良剂在大黄种植前一次性均匀撒施。

选取大小一致的大黄子芽，于2018年11月移栽至试验地，各处理组种植密度保持一致，株行距为50 cm×80 cm，所有处理田间除草等管理方法一致。

1. 4 样品采集及指标测定

分别于2019年9月采集大黄根茎并收集根际土壤。将每个小区的大黄全部挖出，使用金旺电子秤（HY-809）进行测产。每个小区随机选取3点挖取大黄根茎，测定大黄的根茎鲜重。将采集的根茎分别装入自封袋带回实验室，洗净，晾干表面水分，采用游标卡尺测量大黄根茎直径和细根直径，按不同处理切段后置于45 ℃烘箱烘干，测量大黄根茎的干重。

采用抖落法收集大黄根际土壤，S型五点取样。将采集的大黄根际土壤样品按不同处理分别混合，带回实验室，风干、研磨、过筛（1.00和0.25 mm）备用。土壤pH（土水比例2.5∶1）采用pH计进行测定，有机质含量采用K2Cr2O7滴定外加热法测定，全氮含量采用半微量凯氏法—流动分析仪测定，全磷含量采用NaOH熔融—钼锑抗比色法测定，全钾含量采用NaOH熔融—火焰光度法测定，碱解氮含量采用NaOH碱解扩散法测定，速效磷含量采用0.03 mol/L NH4F-0.025 mol/L HCl浸提—钼蓝比色法测定，速效钾含量采用醋酸铵浸提—火焰光度计法测定（鲍士旦，2000）。

以根际土壤有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、速效磷、速效钾、C∶N、C∶P、N∶P、C∶K、N∶K、P∶K作为土壤肥力评价的基本指标。将各指标进行标准化处理，主成分特征向量为对应的载荷矩阵值除以该主成分特征值的平方根，各处理主成分因子得分为主成分特征向量和标准化数据的乘积（王钰莹等，2016）。计算土壤肥力综合指数（Integrated fertility index，IFI）（Jin et al.，2008）：

IFI=[WiFi]

式中，Wi为各处理主成分贡献率，Fi为各处理主成分因子得分。

1. 5 统计分析

采用Excel 2016和SPSS 19.0对数据进行统计分析。采用One-way ANOVA和Duncans新复极差法分析各处理下大黄根际土壤养分含量及土壤化学计量特征差异，采用主成分分析法评价施用土壤改良剂一年后连作大黄土壤的肥力，利用Origin 8.1制图。

2 结果与分析

2. 1 不同改良剂对大黄产量及其构成因素的影响

由图1可知，3种改良剂处理下大黄根茎直径和细根直径与对照相比无显著差异（P>0.05，下同）;但施用有机肥和钙镁磷肥可显著增加大黄的根茎鲜重（P<0.05，下同），二者较对照分别提高85.06%和50.50%，生石灰处理的根茎鲜重增幅为33.32%，但与对照的差异未达显著水平;有机肥、钙镁磷肥及生石灰处理的大黄根茎干重较对照分别显著提高55.98%、48.35%和35.47%;有机肥和钙镁磷肥处理显著提高大黄产量，较对照分别显著提高75.37%和42.62%，生石灰处理的大黄产量较对照提高26.35%，但差异未达显著水平。

2. 2 不同改良剂对连作大黄土壤理化性质的影响

由图2可知，有机肥和钙镁磷肥处理的土壤全氮、碱解氮和有机质含量显著高于对照，分别较对照提高8.40%、15.93%、7.45%和7.56%、15.01%、11.22%;3种改良剂处理的土壤全磷和速效磷含量显著高于对照，有机肥处理分别提高8.27%和31.05%，钙镁磷肥处理分别提高14.22%和38.46%，生石灰处理分别提高8.10%和8.83%;施用3种改良剂对连作大黄土壤全钾和速效钾含量无显著影响;有机肥和生石灰处理显著提高连作大黄的土壤pH，二者较对照分别提高9.13%和7.34%，钙镁磷肥处理的土壤pH与对照无显著差异。

2. 3 不同改良剂对连作大黄土壤化学计量特征的影响

由图3可知，3种改良剂处理后连作大黄土壤的C∶N、C∶P、N∶P、C∶K、N∶K和P∶K变化范围分别为7.77～8.11、14.35～15.62、1.88～2.00、1.26～1.42、0.16～0.18和0.08～0.09。生石灰处理的土壤C∶P较对照显著降低;钙镁磷肥处理的土壤N∶P较对照显著降低;有机肥和钙镁磷肥处理的土壤C∶K较对照显著升高;3种改良剂处理的土壤N∶K和P∶K均较对照显著升高;其余处理的土壤化学计量特征与对照无显著差异。

2. 4 大黄产量、根茎与土壤养分化学计量特征的相关分析

由表1可知，大黄产量与土壤碱解氮和速效磷含量呈显著正相关，与N∶K呈极显著正相关（P<0.01，下同）;根茎鲜重与土壤速效磷含量呈显著正相关，与N∶K呈极显著正相关;根茎干重与土壤碱解氮、全氮、全磷含量及P∶K呈显著正相关，与土壤速效磷含量和N∶K呈极显著正相关;根茎直径与土壤全氮和全磷含量呈显著正相关;细根直径与土壤碱解氮含量呈显著正相关。可见，大黄产量主要受土壤碱解氮和速效磷含量及N∶K的影响，根茎生长也与土壤养分及化学计量特征指标有密切关系。

2. 5 不同改良剂处理对大黄土壤肥力的影响

由表2可知，按照特征值大于1的原则提取4个主成分，特征值分别为6.92、2.65、2.04和1.07，其贡献率分别为53.22%、20.40%、15.73%和8.22%，累积贡献率达97.56%（大于85%），说明这4个主成分能反映出原始数据提供信息总量的97.56%。第一主成分（PC1）主要由有机质含量、速效磷含量、全氮含量、P∶K、C∶K及N∶K等相关程度较高的变量组成;第二主成分（PC2）主要与C∶P相关;第三主成分（PC3）主要受速效钾含量及N∶P支配;第四主成分（PC4）主要受全磷含量支配。主成分分析结果表明，有机质、速效磷和全氮含量及P∶K、C∶K和N∶K是评价土壤肥力的主要指标。

各處理的主成分得分因子和方差贡献率加权得到土壤肥力综合指数（表3）。不同改良剂处理下连作大黄土壤肥力综合指数排序为：钙镁磷肥（1.36）>有机肥（1.19）>生石灰（-0.99）>对照（-1.56）。可见，施用3种改良剂后连作大黄土壤肥力均高于对照，且钙镁磷肥处理下连作大黄土壤肥力最高，有机肥次之，生石灰最低。

3 讨论

连续在同一块土壤上种植同一种或相似农作物时，即使保持正常的栽培条件，也能引起作物的连作障碍，导致作物的产量下降（刘涛等，2019;乔鈜元等，2020）。施用改良剂能改善土壤性质，提高养分含量，促进植物生长，进而提高作物产量（王静，2019）。研究表明，施用有机肥能促进水稻生长，增加水稻产量（Liu et al.，2009）;钙镁磷肥富含磷、钙、镁、硅等营养元素，能有效补充植物所需的微量元素（侯翠红等，2019）;生石灰能有效缓解土壤酸化，促进作物对养分的吸收，进而提高作物产量（乔鈜元等，2020）。本研究结果表明，在连作大黄土壤上施用有机肥、钙镁磷肥及生石灰后，大黄产量分别提高75.37%、42.62%和26.35%，说明施用3种改良剂均可有效提高大黄产量，以有机肥的增产效果最佳，其次是钙镁磷肥。有机肥的施入显著提高了大黄产量，可能是由于有机肥中的有机质和腐殖酸为大黄提供了生长所需的营养物质，促进大黄根系的生长及对养分的吸收能力（王建伟等，2019）。

本研究结果表明，施用生石灰显著提高大黄根际土壤的pH，这可能与生石灰本身含有大量的CaO，遇水产生碱性的Ca（OH）2有关（周武先等，2019）;施用有机肥也显著提高大黄根际土壤的pH，可能是由于施用有机肥中和了土壤中的部分酸性物质（周武先等，2021），促进土壤中阳离子的交换;也可能是有机肥中富含有机质，缓冲了大黄根际土壤的酸容量，进而提高其土壤pH（周武先等，2021）;施用钙镁磷肥后大黄根际土壤pH与对照相比无显著差异，可能是由于钙镁磷肥在提高土壤pH作用中相对较缓慢（余小兰等，2018），短期施用钙镁磷肥对提高大黄土壤pH作用不明显。孙薇等（2013）研究表明，施用生物有机肥能显著增加土壤有机质及全量氮、磷、钾及速效磷含量。本研究取得了相似结果，施用有机肥显著提高大黄根际土壤的养分含量。可能是由于有机肥中含有大量的有机质，能吸附土壤中的养分，减少养分的流失（孙薇等，2013）。周武先等（2019）研究表明，钙镁磷肥的肥效平缓，磷素利用率高，有助于提高土壤的钙镁等营养元素含量。本研究中施用钙镁磷肥后，连作大黄的根际土壤养分含量显著提高，速效磷含量增幅最大。可见，钙镁磷肥能提高大黄根际土壤磷素的利用率，改善土壤的理化性质。施用生石灰后，除大黄根际土壤pH提高外，速效磷及全磷含量也显著提高，表明适量的生石灰可有效改善连作大黄的根际土壤理化性质。

土壤养分在循环过程中是耦合的，要全面评价土壤质量，除考虑土壤养分的变化外，还需了解各元素间的比例关系（陶冶等，2016）。土壤养分化学计量特征既能指示土壤肥力的高低，也能反映土壤的有机构成、土壤质量及养分能力（王棋等，2020）。研究表明，C∶N和C∶P比值低有利于增强土壤微生物分解，增加土壤磷含量（陶冶等，2016;曹小玉等，2019）;N∶P比值高反映磷是限制植物生长的元素（Ren et al.，2016）。本研究中，3種改良剂处理后连作大黄土壤的C∶N、C∶P和N∶P的变化范围分别为7.77～8.11（低于全国平均值12.3）（Tian et al.，2010）、14.35～15.62（低于全国平均值52.7）（王玉婷等，2020）和1.88～2.00（低于全国平均值5.2）（曹小玉等，2019），表明连作大黄的生长不受磷元素限制。研究表明，当N∶K>2.1，P∶K>0.29时植物生长主要受钾元素限制（Venterinkolde et al.，2003;盘金文等，2020），本研究中C∶K、N∶K及P∶K的变化范围在1.26～1.42、0.16～0.18（<2.1）及0.08～0.09（<0.29），表明大黄的生长不受钾元素的限制。相关分析结果表明，大黄的产量与土壤的N∶K呈极显著正相关，说明大黄产量主要受氮素影响。本研究中不同改良剂处理下，连作大黄土壤肥力综合指数排序为钙镁磷肥（1.36）>有机肥（1.19）>生石灰（-0.99）>对照（-1.56）。可见，3种改良剂能不同程度地缓解大黄的连作障碍，提高大黄产量。但大黄是多年生药用植物，连作障碍也主要是表现在生长后期，而本研究只是施用一年改良剂的初步试验结果，且实践中通常需要多种改良剂混施才能更好地缓解作物的连作障碍，因此改良剂的真正效果还有待于后续进一步的实践和验证。

4 结论

3种改良剂均能有效提高连作大黄的产量，其中有机肥的提产效果最佳，其次是钙镁磷肥;施用有机肥及生石灰能显著提高大黄根际土壤的pH，3种改良剂能有效提高大黄根际土壤养分含量，改善连作大黄的根际土壤理化性质。3种改良剂对连作大黄土壤的改良效果依次为钙镁磷肥>有机肥>生石灰。

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（責任编辑 王 晖）