水肥耦合对快速生长期北沙参生长及品质的影响

郭严冬，房海灵，汤兴利，周义峰,3，张明霞

（1江苏省中国科学院植物研究所/江苏省植物资源研究与利用重点实验室，南京210014；2南京农业大学园艺学院，南京210014；3中国科学院南京分院东台滩涂研究院，江苏东台224237）

0 引言

北沙参为伞形科(Umbelliferae)珊瑚菜属(Glehnia)植物珊瑚菜(Glehnia littoralis)的干燥根，是中医临床常用药材，具有养阴清肺、祛痰止咳、养胃舒肝之功效[1]。北沙参的传统道地产区在山东莱阳，别名有“莱阳沙参”“莱胡参”[2]。除药用外，北沙参还具有较高的营养和保健价值，经常作为保健食品[3]。野生珊瑚菜在辽宁、河北、山东、江苏、浙江、福建、台湾、广东等地均有分布[4]。商品药材历史上主产于江苏、山东的沿海地区，后迁移至内蒙内陆盐碱地区。

关于北沙参的研究主要集中在化学成分提取及其药理活性分析等方面[5-7]，其中化学成分中又主要以多糖为提取目标[8-9]；李彩峰等和王辉明等还对影响化学成分含量及种类的因素进行了分析，如产地[10-12]、采收时期[13]以及提取方法[14]等。近年来，江苏、山东地区拟在沿海新围垦滩涂恢复北沙参生产，而淡水资源和土壤保肥能力是该类地区农业生产的主要制约因素，目前，水肥耦合管理在农作物中的应用和研究已较为普遍[15-16]；而水、肥互作对北沙参种植产量和品质的影响有待研究。Nasir等[17]研究结果显示，不合理的施肥会破坏植物体内各种代谢过程，还会导致土壤退化、药材品质降低和产量下降。前期有研究表明，氮、钾肥可促进北沙参植株生长、根系增粗，提高北沙参产量。本团队在收获前期水钾耦合施用对北沙参生长及活性成分进行了研究，结果显示，轻度水分胁迫结合钾肥施用有利于北沙参生长以及干物质等积累[18]。由此可见，合理的水肥管理对于提高中药材品质至关重要，可以产生和积累有效成分以及营养成分[19]。植物快速生长期是营养积累的关键时期，对药用植物次生代谢的形成和积累具有重要的影响。本研究以北沙参快速生长期为切入点，研究水肥耦合对其株高、抗氧化酶活性指标、渗透调节物质及活性成分的影响，以期初步探明北沙参在快速生长期水肥的需求情况，为建立滨海盐碱地北沙参种植科学的水肥管理标准，以及节水减肥施用、提高水肥利用效率提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2016年5—10月在南京中山植物园日光温室内进行，透光率80%左右。供试材料为北沙参当年生且生长一致的直播种子苗。盆栽试验土壤为砂质潮土，砂粒含量67.60%，粉粒含量24.30%，黏粒含量8.10%，土壤pH 8.42，土壤持水量320 g/kg，有机碳含量7.04 g/kg，碱解氮含量55.4 mg/kg，有效磷含量9.33 mg/kg，速效钾含量174.8 mg/kg。

1.2 试验方法

试验于6月上旬—8月中旬进行。设土壤水分和施氮钾肥量2个试验因子，采用二因素裂区随机区组设计，氮钾肥为主，土壤水分为副区。氮肥采用尿素CO(NH2)2，钾肥采用K2O。施肥量设N-K2O配比不同的3个施肥水平，即120～180 kg/hm2（F1，低肥）、180～270 kg/hm2（F2，中肥）、240～360 kg/hm2（F3，高肥）。所有处理均于定植前施入等量的基肥(N 45 kg/hm2，P2O545 kg/hm2，K2O 75 kg/hm2)，不同处理以追肥方式穴施。土壤水分用土壤相对含水量计，设置80%～90%（W1，水分充足）、60%～70%（W2，轻度水分胁迫）、40%～50%（W3，中度水分胁迫）3个水平，同时设对照处理(CK)施肥量为0 kg/hm2、W1供水。试验共9个处理（表1），每个处理重复3次，每个重复6盆，每盆种植3株。氮肥、钾肥分别于6月上旬和8月中旬分2次追施，其他生育期水肥施用各处理相同。水肥试验于6月10日开始，9月1日结束，氮钾肥随水施入。在处理的20、40、60、80天测定植株高度、抗氧化酶活性及渗透调节物质含量，收获时测定根中活性成分香豆素类（补骨脂素、欧前胡素和异欧前胡素）的含量。

表1 快速生长期水肥耦合试验方案

1.3 检测指标

1.3.1 植株株高的测定 于7月1日起每20天测定株高（最长的一个侧枝的长度）。随机选取3株测定，取平均值进行数据统计。

1.3.2 北沙参叶片中抗氧化酶活性及其他生理指标的测定 参考文献[13]的方法，采用氮蓝四唑(NBT)法测定超氧化物岐化酶(SOD)；采用愈创木酚法测定过氧化物酶(POD)；采用CAT紫外吸收法测定过氧化氢酶(CAT)；采用硫代巴比妥酸(TBA)法测定丙二醛(MDA)；采用水合茚三酮法测定游离脯氨酸(Pro)；采用蒽酮比色法测定可溶性糖含量；采用考马斯亮兰比色法测定可溶性蛋白质含量。

1.3.3 北沙参补骨脂素、欧前胡素、异欧前胡素含量测定 参考文献[13]中的方法测定北沙参根中补骨脂素、欧前胡素和异欧前胡素的含量。

2 结果与分析

2.1 水肥施用对北沙参株高的影响

图1结果显示，在中度水分胁迫条件（W3处理组）下，北沙参株高显著低于水分充足条件（W1处理组）。在水分充足和轻度水分胁迫条件（W2处理组）下，增施肥料能显著增加北沙参植株株高。水分适宜条件下，F2（中肥）和F3（高肥）处理组北沙参株高分别较F1（低肥）处理组显著增加15.95%和18.16%，F2和F3处理组北沙参株高差异较小，表明在水分适宜条件下，过量肥料对北沙参株高增加并无益处。轻度水分胁迫下，施肥量增加促使株高增加幅度增大，表明肥用量和水分管理存在明显互作效应，在合理控制水分的同时，增施肥效果更佳。中度水分胁迫下，株高降幅明显。

图1 水肥耦合对快速生长期北沙参株高的影响

2.2 水肥耦合对北沙参抗氧化酶活性的影响

2.2.1 水肥耦合对超氧化物歧化酶(SOD)活性的影响图2结果显示，北沙参叶片中SOD活性在处理20天时最低，为12.213～26.179 U/(g·FW)；处理40、60天维持在较高水平，分别为18.709～38.246和23.515～37.641 U/(g·FW)；处理80天下降到13.793～25.092 U/(g·FW)。

图2 快速生长期水肥耦合对北沙参叶片SOD活性的影响

总体上看，在相同水分条件下，水分充足和轻度水分胁迫处理组叶片中SOD活性均随施肥量的增加而增加，W3处理组叶片中SOD活性均随施肥量的增加呈先增加后降低的趋势，3个施肥水平处理间叶片中SOD活性差异达到显著水平。在相同施肥条件下，叶片中SOD活性均随土壤水分含量的降低呈升高的趋势。以上结果说明，合理的施肥量和适宜的土壤水分含量对于提高北沙参叶片中超氧化物歧化酶活性和促进膜系统的稳定性具有重要作用，而土壤水分含量过低耦合高肥(W3F3)会降低叶片中SOD活性并对膜系统稳定性造成潜在的危害。

2.2.2 水肥耦合对过氧化氢酶(CAT)活性的影响 图3结果显示，在处理80天内，不同处理组叶片中CAT活性表现为先升高后降低的趋势。处理40天达到最大值，随后开始下降，降幅存在差异，其中，W3处理组降幅较大，W2处理组降幅次之，W1处理组降幅较小。相同水分条件下，W1和W2处理组叶片中CAT活性在处理的20～40天基本表现为随着施肥量的增加而增加的趋势；在处理的60～80天，叶片中CAT活性呈波动变化的趋势，W3处理组叶片中处理间达到显著水平，其中，土壤水分含量过低耦合高肥(W3F3)条件下，叶片中CAT活性呈降低趋势。

图3 快速生长期水肥耦合对北沙参叶片中CAT活性的影响

2.2.3 水肥耦合对过氧化物酶(POD)活性的影响 图4结果显示，在北沙参生长的不同时期，不同的水肥处理对其叶片中POD的影响不同。处理20天时，相同水分条件下，随施肥量增加北沙参叶片中POD值呈升高的趋势，并且各处理间差异均达到显著水平。在施肥量相同时，北沙参叶片中POD值随土壤水分的降低呈升高趋势，但提高幅度不如水分条件一致情况下施肥处理间大。

图4 快速生长期水肥耦合对北沙参叶片中POD活性的影响

处理40天时，叶片中POD活性表现为W3F2处理组最大，W1F1处理组最小。在中度水分胁迫条件下，F2处理组叶片中POD活性较F1处理组升高了3.69%～12.63%，F3处理组叶片中POD活性呈下降趋势；与W3处理组相比，W2处理组在中肥处理后叶片中POD活性降低了6.18%～24.84%，说明随着水分条件的改善，肥料的溶解促进了北沙参叶片的生长，缓解了植株受胁迫的程度。

与处理40天相比，水肥处理60天叶片中POD活性呈显著增加的趋势。随着生育期的延长，北沙参对水分的需求越来越高，各处理所处的干旱胁迫加重，导致植株体内的活性氧含量增多，进而促进POD活性的增加。特别是在中度水分胁迫下，叶片中POD活性显著增加，且随着施肥量的增加增幅减小，可能是由于中度胁迫供应水分无法满足北沙参生长所需，即使通过增施肥料，改变其渗透势也不能缓解干旱胁迫带给植株的损伤。

处理80天为北沙参收获前期，此时植株地上部分生长处于缓慢期，叶片趋于衰老，其中营养物质开始向地下部分转移。各处理组中POD活性出现显著下降，推测可能是由于长期干旱胁迫下植物机能受到过度损伤，合成POD能力下降，使有害自由基积累或超过伤害阈值，导致北沙参体内活性氧的形成和清除系统之间的平衡被打破，直接或间接促进膜质过氧化反应使含量增加，膜系受损。

2.3 水肥耦合对北沙参渗透调节物质的影响

2.3.1 水肥耦合对丙二醛(MDA)含量的影响 图5结果显示，W1处理组叶片中MDA含量低于W2和W3处理组。施肥量高的处理组叶片中MDA含量低于施肥量低的处理组，但差异不明显，增施氮肥降低叶片中MDA含量的效果减弱。

图5 快速生长期水肥耦合对北沙参叶片中MDA含量的影响

轻度水分胁迫条件下，各施肥处理组叶片中MDA含量较水分充足条件下有所升高，其中F2处理组中MDA含量降幅大于F1处理组，随施肥量增加北沙参叶片中MDA含量下降明显。活性氧清除系统的功能逐渐恢复，增强蛋白质的稳定性，减轻水分胁迫对生物膜的伤害延缓叶片衰老。土壤水分状况的改善，有利于增加氮钾肥施用效果。

中度水分胁迫条件下，各施肥处理组叶片中MDA含量是水分充足条件下各处理的2.5～3.0倍，且随着施肥量的增加，叶片中MDA含量迅速增加，可见，在水分亏缺条件下，增施肥进一步加剧了北沙参的水分胁迫，导致叶片膜脂过氧化加深，加速了植株衰老。

2.3.2 水肥耦合对北沙参中可溶性糖含量的影响 图6结果显示，各施肥处理组北沙参叶片中可溶性糖含量随着土壤相对含水量的降低而增加。在土壤相对含水量低的条件下，施肥使叶片中可溶性糖含量降低。

图6 快速生长期水肥耦合对北沙参叶片中可溶性糖含量的影响

W3处理组叶片中可溶性糖含量是W1处理组的1.05～1.59倍。此水分条件下F3处理组叶片中可溶性糖含量较F1处理组降低了31.93%，原因可能是北沙参受到土壤水分含量胁迫和过量肥料的共同胁迫，正常生理功能遭到破坏，光合产物积累减少。

W2处理组叶片中可溶性糖含量较W3处理组有所降低。此水分条件下，F3处理组叶片中可溶性糖含量较F1处理组提高了26.60%。增施的氮肥提高了叶片中可溶性糖含量，从而降低了细胞的渗透势，有利于北沙参从土壤中吸收更多的水分，可溶性糖含量随施肥量的增加而增加。

2.3.3 水肥耦合对北沙参游离脯氨酸含量的影响 图7结果显示，相同水分条件下，随着施肥量增加北沙参叶片中游离脯氨酸含量逐渐升高；施肥量相同条件下，随土壤供水量增加叶片中游离脯氨酸含量表现为下降的趋势，在中度水分胁迫条件下，施肥使叶片中游离脯氨酸含量降低。在供水量相同、施肥量不同的处理组间和施肥量相同、供水量不同处理组间差异均达到显著水平。

图7 快速生长期水肥耦合对北沙参叶片中脯氨酸的影响

W3处理组叶片中脯氨酸含量变化趋势与可溶性糖含量变化趋势相似，分析原因可能是水分和肥料双重胁迫，导致叶片渗透势失调，正常生理功能受到影响。

W2处理组叶片中脯氨酸含量相对W3处理组所降低。此水分条件下，F3处理组比F1处理组提高了11.93%～36.95%。增加施肥量提高了叶片中脯氨酸的含量，从而降低了细胞的渗透势，有利于北沙参从土壤中吸收更多的水分。

由此可见，北沙参叶片对水分和肥料较敏感，应保证水分和养分的供应以确保北沙参正常生长发育。北沙参根系遭受干旱胁迫后，根系自身通过合成和积累渗透调节物质来降低根细胞内的渗透势，使根细胞维持正常膨压，保持根系细胞进行正常的生理活动。

2.3.4 水肥耦合对北沙参可溶性蛋白质含量的影响 图8结果显示，在不同水分条件下，北沙参叶片中可溶性蛋白质含量随施肥量的增加变化有所不同。W1处理组叶片中可溶性蛋白含量随着施肥量的增加而升高，WIF3处理组叶片中可溶性蛋白含量较W1F1处理组提高50.73%～73.38%。在W2处理组，增加施肥量对于叶片中可溶性蛋白含量的提高效果更明显，且随着施肥量的增加呈上升的趋势。W2F2处理组叶片中可溶性蛋白质含量较W2F1处理组提高47.11%～90.47%。W3处理组，由于水分亏欠严重，高肥加剧了水分胁迫对植株清除活性氧能力的破坏，使蛋白质分解加强，合成减慢，降低了叶片可溶性蛋白质的含量，加速了叶片的衰老。

图8 快速生长期水肥耦合对北沙参叶片可溶性蛋白含量的影响

2.4 水肥耦合对北沙参香豆素类成分的影响

2.4.1 补骨脂素含量 图9结果显示，水分充足(W1)、轻度水分胁迫(W2)和中度水分胁迫(W3)条件下，高肥(F3)、高肥(F3)和中肥(F2)处理组根中补骨脂素含量分别为各水分条件下的最高值；W3处理组根中补骨脂含量均高于相应施肥水平的W1和W2处理组，说明中度水分胁迫下适度氮钾营养能提高补骨脂素含量，水分充足下提高氮钾水平能有效提高补骨脂素含量，轻度水分胁迫下随着氮钾水平的提高补骨脂素含量呈现上升趋势。低肥(F1)、F2和F3条件下，W3处理组根中补骨脂素含量分别为各施肥条件下的最高值，说明中度水分胁迫能有效地提高根中补骨脂素含量。在所有处理组中，W3F2处理组根中补骨脂素含量最高，说明中度水分胁迫耦合中肥有可能极大地刺激了北沙参根中补骨脂素的合成。

图9 水肥耦合对北沙参中活性成分含量的影响

2.4.2 欧前胡素含量 W1、W2和W3条件下，F2、F2和F3处理组根中欧前胡素含量分别为各水分条件下的最高值，除W3F3处理组外，W2处理组的各施肥水平均高于相应的W1和W3组，说明轻度水分胁迫下适度氮钾营养能提高欧前胡素含量，中度水分胁迫下高肥水平能有效地提高欧前胡素含量，水分充足下随着氮钾水平的提高欧前胡素含量呈现先上升后降低的趋势。F1、F2和F3条件下，W2、W2和W3处理组根中欧前胡素含量分别为各施肥条件下的最高值，说明在同样施肥水平下，轻度水分胁迫能有效提高北沙参内根中欧前胡素含量。在所有处理组中，W2F2处理组根中欧前胡素含量最高，说明轻度水分胁迫耦合适量氮钾营养可能极大地刺激了北沙参根中欧前胡素的合成。

2.4.3 异欧前胡素含量 W1、W2和W3条件下，F1、F2和F1处理组根中异欧前胡素含量分别为各水分条件下的最高值，W3处理组的各施肥水平均高于相应的W1和W2处理组，与补骨脂素一致，说明中度水分胁迫下适度氮钾营养能提高异欧前胡素含量。F1、F2和F3条件下，W3、W2和W3处理组根中异欧前胡素含量分别为各施肥条件下最高，说明在同样施肥水平下，中度和轻度水分胁迫能有效地提高北沙参内欧前胡素含量。在所有处理中，W3F1处理组根中异欧前胡素含量最高，说明轻度和中度水分胁迫适度肥料可能极大地促进了北沙参根中异欧前胡素的合成。

3 结论

3.1 水肥耦合对北沙参生长发育的影响

在北沙参一年生长过程中，株高在6月中旬—8月上旬增长最快，这一时期以营养生长为主，到8月中下旬增长变缓，9月进入成熟期后基本不再提高。水肥耦合对北沙参植株生长具有显著影响，水分充足条件下，增施肥料能显著增加北沙参植株株高。

3.2 水肥耦合对北沙参叶片中抗氧化酶活性的影响

在水分胁迫条件下，适当的增施氮肥，北沙参叶片中SOD、CAT和POD活性均呈升高的趋势，降低了北沙参叶片膜脂过氧化程度，减轻了对叶片的伤害。在施肥量相同时，北沙参叶片中SOD、CAT和POD活性随土壤水分含量的增加呈降低趋势，特别是在中度水分胁迫下3种酶活性显著增加，且随着施肥量的增加增幅较小，可能是由于中度水分胁迫供应水分无法满足北沙参生长所需，即使通过增施肥料改变其渗透势都不能缓解干旱胁迫带给植株的损伤。

3.3 水肥耦合对北沙参叶片中渗透调节物质的影响

北沙参根系遭受干旱胁迫后，根系自身通过合成和积累渗透调节物质来降低根细胞内的渗透势，使根细胞维持正常膨压，保持根系细胞进行正常的生理活动。在相同水分条件下，叶片可溶性糖、可溶性蛋白和游离脯氨酸含量均随施肥量的增加而增加。在相同施肥条件下，叶片可溶性糖、可溶性蛋白和游离脯氨酸含量均随土壤水分含量的增加呈下降的趋势，中度水分胁迫结合高肥处理导致叶片渗透势失调，影响正常生理功能。

3.4 水肥耦合对北沙参叶片中香豆素类物质的影响

香豆素是北沙参的主要活性成分之一，也是伞形科植物化学分类的特征性成分，具有抗癌、抗肿瘤、抗炎抗菌等药理作用。该类成分中的欧前胡素、异欧前胡素和补骨脂素含量的高低是近年来评价北沙参药材品质的重要指标[7,10]。综合考虑3种香豆素对水肥耦合的响应可看出，轻度水分胁迫耦合适量氮钾营养极大地刺激了北沙参药材内香豆素类成分的合成。

综合研究表明，在轻度和中度水分胁迫条件下，增施氮钾肥有利于北沙参中抗氧化酶活性的提高以及渗透调节物质和香豆素类成分的积累，对于植物在非生物胁迫下生长具有重要意义。

4 讨论

胡小京等[20]对水分胁迫下药食两用植物野百合(Lilium brownie)的生理特性进行了研究，发现水分胁迫下，野百合的生长会受到不同程度的影响；且随着土壤相对含水量的降低，植物体内的游离脯氨酸和可溶性糖含量以及SOD、POD活性先升高后降低。王霞等[21]、范苏鲁等[22]和马剑等[23]的研究也得出了类似的结论。本研究中，在相同施肥条件下，叶片中可溶性糖和游离脯氨酸含量以及SOD和POD活性均随土壤水分含量的降低呈升高的趋势，前期的变化趋势与前人的研究结果一致，后面未出现降低的趋势可能是由于本研究为水肥耦合试验，增加施肥量可提高叶片中脯氨酸和可溶性糖含量，从而降低了细胞的渗透势，有利于北沙参从土壤中吸收更多的水分，有利于植物生长。

多糖[24]和香豆素类[25]化合物是北沙参茎叶中的主要成分。冯子晋等[25]测定了补骨脂素、花椒毒素、欧前胡素和异欧前胡素4种香豆素成分，发现香豆素的含量在不同产地的北沙参中具有明显的差异。本研究中的北沙参均来自同一个产地，但由于施肥和水分管理措施的不同，如中度水分胁迫耦合中肥可刺激北沙参根中补骨脂素的合成，轻度水分胁迫耦合适量氮钾营养可刺激北沙参根中欧前胡素的合成，轻度和中度水分胁迫结合适度肥料可促进北沙参根中异欧前胡素的合成。说明影响北沙参中化学成分含量的影响因素较多，除自身的遗传因素外，灌溉施肥、土壤质地和当地气候等环境因子也是影响药材品质的重要原因[26]，在实际生产和应用中应根据具体的目标选择合适的种源地和水肥管理措施。此外，本试验仅考虑了水、肥对当归品质的影响，后续研究可对土壤因子和气候条件对当归产量和品质的影响展开进一步深入分析。