基于蕲艾产量和品质的氮肥适宜施用量研究

马 琳，陈昌婕，苗玉焕，郭兰萍，刘大会*

（1 湖北中医药大学中药资源中心，湖北武汉 430065；2 中国中医科学院中药资源中心道地药材国家重点实验室培育基地，北京 100700）

艾叶为菊科植物艾 (Artemisia argyi Lévl.et Van)的干燥叶，其主要成分为挥发油、酚酸和黄酮等，具有温经止血、散寒止痛、祛湿止痒的功效[1]。干燥艾叶经过反复晒杵、捶打、粉碎，筛除杂质、粉尘，可得到软细如棉的“艾绒”，其成分主要为非腺毛。艾绒是艾灸的主要材料，艾绒质量的优劣直接影响了艾灸疗效。艾叶主产于湖北、河南、河北等省，其中以湖北蕲艾为著名道地药材。随着艾叶在临床和大健康产业应用越来越广泛，现已在全国10余省份进行大面积人工栽培，总面积超过5万hm2，仅湖北蕲春县蕲艾的人工种植面积就有1.2万hm2，成为促进当地农业产业结构调整和老百姓脱贫致富的有效特色产业。但由于全国各地艾叶人工栽培历史较短，田间优质高效种植管理技术非常缺乏，导致栽培艾叶产量和质量低下，极大影响了农户生产积极性和临床用药安全。

氮是植物生长发育的必需元素，显著影响中药材的产量和品质。肖云华等[2]研究表明，施用氮肥可以明显提高菘蓝叶片的净光合速率，增加地上部和地下部干物质积累量，但持续增加氮肥施用量后，菘蓝地上部和地下部干物质积累量有所下降。卢丽兰等[3]发现广藿香挥发油含量随着供氮水平的提高而增加。随着施氮量的增加，广金钱草总黄酮含量和丹参主要酚酸类成分含量先增加后降低[4-5]。王晓军等[6]在宁夏艾草上开展了“3414”肥料效应试验，发现低氮水平下，随着施氮量增加宁夏艾草产量逐渐提高，并推荐了最佳效益产量的氮肥用量75.66 kg/hm2。植物非腺毛是植物外表皮细胞发育形成的无腺体的毛状附属结构，它存在于许多陆生植物器官表面，是植物长期进化形成的应对恶劣环境的特殊结构。研究表明栽培金银花花蕾非腺毛的性状特征受环境和遗传两因素共同影响[7]，而施肥对植物非腺毛生长发育的影响尚不清楚。目前，关于施用氮肥对艾叶叶绒、挥发油等品质指标的影响也未见相关报道。因此本研究以湖北蕲春县蕲艾为研究对象，通过2年的田间试验研究不同氮肥施用量对蕲艾产量和品质的影响，旨在为蕲艾的规范化施肥提供科学指导。

1 材料与方法

1.1 试验地点及材料

于2018和2019年在国家中药材产业技术体系黄冈综合试验站蕲春试验示范基地开展试验，试验地分别位于湖北省蕲春县八里湖农场和赤东镇蕲艾种植基地。蕲春属亚热带季风气候，江淮小气候区，年平均气温为16.8℃，年降雨量为1341.7 mm。两试验地均为黄棕壤，八里湖试验地土壤肥力状况为：有机质19.64 g/kg，全氮1. 01 g/kg，碱解氮96.44 mg/kg，全磷1. 30 g/kg，速效磷57.68 mg/kg，全钾29.63 g/kg，速效钾120.76 mg/kg，pH 4.55。赤东镇试验地土壤肥力状况为：有机质21.8 g/kg，全氮1.12 g/kg，碱解氮123.94 mg/kg，全磷0.56 g/kg，速效磷31.57 mg/kg，全钾23.04 g/kg，速效钾197.59 mg/kg，pH 5.12。供试蕲艾种苗为当地常用品种，由种植基地提供，经湖北中医药大学刘大会教授鉴定为艾 (Artemisia argyi Lévl. et Vant.)；供试肥料为尿素(N 46%)、过磷酸钙 (P2O515%)、氯化钾 (K2O 60%)。

1.2 试验设计

采用两年的田间定位试验，共设置5个施氮 (N)处理：0 (N0)、60 (N60)、120 (N120)、180 (N180)、240(N240) kg/hm2，每个处理施磷 (P2O5) 120 kg/hm2、钾(K2O) 120 kg/hm2。每处理设置4次重复，共20个小区，小区面积为10 m2(1.5 m × 6.5 m，包含沟距30 cm)，随机区组设计。

2018年蕲春县八里湖农场田间试验为新种蕲艾地，选取蕲艾优良母株上未发芽根状茎作种苗，于2018年1月16日按照株行距20 cm × 30 cm定植于种植基地，3月15日后新栽蕲艾根茎陆续出苗，试验于3月1日将60%的氮肥、全部的磷肥和钾肥作为基肥撒施于小区畦面，并用畦沟土将撒施的肥料浅覆盖，4月5日和5月5日分两次平均追施剩余的40%氮肥。2019年蕲春县赤东镇田间试验是在二年生蕲艾种植基地进行 (蕲艾为多年生宿根植物)，头年采用当地常规方式进行施肥，待冬季蕲艾地上部分枯萎清理干净后，于2019年1月15日将60%的氮肥、全部的磷肥和钾肥作为基肥撒施于小区畦面，并用畦沟土将撒施的肥料浅覆盖，2月10日田间老株陆续发新芽，2月25日和3月25日分两次平均追施剩余的40%氮肥。各试验其余农事操作同常规蕲艾种植。

1.3 测定项目和方法

1.3.1 农艺性状和产量测定与采收 调研与采收分别于2018年6月10日和2019年6月15日进行。在各试验小区选取具有代表性的30株蕲艾测定相关农艺性状，其中株高为近地面基部至蕲艾茎顶端的高度；茎粗为蕲艾茎秆高度二分之一处的直径；枯叶高为植株茎秆中下部枯叶处的高度；统计单株蕲艾的主干叶片数，并测定每株蕲艾中部3片叶片的宽和长；每小区选取2个长为1.5 m、宽为1 m的采样点，对采样点内的蕲艾进行采收，之后进行阴干处理并称量蕲艾叶片干重，计算单位面积叶片产量；统计采样点内单位面积蕲艾有效采收株数，即为蕲艾单位面积出苗数。

1.3.2 矿质元素含量测定 准确称取过2 mm筛的艾粉0.1000 g于干燥消解管内，依次加入3.0 g K2SO4、0.2 g CuSO4·5H2O 和 8 mL H2SO4进行石墨炉消解，消解完全后静置冷却，用K9860全自动凯氏定氮仪测定氮 (N) 元素含量[8]。精密称取过2 mm筛的艾粉0.1000 g于聚乙烯消化管内，加入2 mL H2O2、1 mL HF和10 mL HNO3进行微波消解，消解完全后静置冷却，定容，采用钼锑抗比色法测定磷 (P) 元素含量，采用火焰原子吸收分光光度法测定钾 (K)、镁(Mg)、钙 (Ca)、锌 (Zn) 等元素含量，采用石墨炉原子吸收分光光度法测定铜 (Cu) 元素含量[8]。

1.3.3 叶片氮肥利用效率计算[9-10]叶片氮积累量(kg/hm2) = 叶片氮含量 × 叶片产量；

叶片氮肥偏生产力 (NPFP，kg/kg) = 施氮区叶片产量/氮肥投入量；

叶片氮肥吸收率 (ARE，%) = (施氮区艾叶氮积累量－未施氮区艾叶氮积累量)/氮肥投入量 × 100；

叶片氮肥农学效率 (NAE，kg/kg) = (施氮区艾叶产量-未施氮区艾叶产量)/氮肥投入量

1.3.4 叶绒含量测定 用四分法从每份叶片样品中抽取10 g干品，置于转速为28 000 r/min的高速万能粉碎机中粉碎30 s，将粉碎后的混合物置于2 mm筛中，筛净全部粉末，得到艾绒，称定质量，将艾绒质量除以艾叶样品质量，得到出绒率，将出绒率乘以叶片产量，即为叶绒产量。

1.3.5 总挥发油及挥发性成分含量测定 参照2020年版《中国药典 (四部)》通则 2204“挥发油测定法”测定挥发油含量，并运用ThermoFisher Trace 1310型气相质谱联用仪 (美国赛默飞公司)，测定艾叶挥发油中桉油精、α-侧柏酮、樟脑、龙脑、α-石竹烯、β-丁香烯、石竹素的含量[11-12]。

1.3.6 黄酮和酚酸类成分含量测定 取过一号筛的艾粉用纯甲醇进行浸提，并通过Agilent1260高效液相色谱仪（美国安捷伦公司）测定艾叶粉末中新绿原酸、绿原酸、隐绿原酸、异绿原酸B、异绿原酸A、异绿原酸C、山柰酚、棕矢车菊素、异泽兰黄素的含量[13]。

1.4 数据处理与分析

采用Excel 2010，IBM SPSS Statistics 26软件对数据进行处理和统计分析，采用GraphPad Prism 8软件作图。

2 结果与分析

2.1 不同氮肥施用量对蕲艾农艺性状及产量的影响

从表1可以看出，2年试验中，随着氮肥施用量的增加，蕲艾的出苗数和叶片产量呈先增加后降低的趋势，在2018年是N180处理最高，2019年是N120处理最高，与N0处理相比，蕲艾出苗数分别增加了108.8% (2018年)和57.1% (2019年)，叶片产量分别提高了159.3% (2018年)和95.5% (2019年)。随着氮肥施用量的增加，蕲艾株高和叶片数逐渐增加，2018年茎粗和枯叶高先增加后降低，叶片大小无显著差异，2019年茎粗、枯叶高和叶片大小均逐渐增加。为深入分析氮肥施用量与蕲艾叶片产量的关系，将蕲艾叶片产量 (Y) 与氮肥施用量 (X) 进行曲线拟合，得出2018和2019年一元二次氮肥效应方程：Y2018= －0.1485X2+ 49.931X + 2832.4 (R2=0.9601)，Y2019= －0.1044X2+ 35.814X + 3129 (R2=0.9853)。由此可以看出，2018、2019年蕲艾叶片产量随着氮肥施用量的增加呈先提高后降低的趋势，在施氮量分别为168和172 kg/hm2时，蕲艾达到最高叶片产量7030和6200 kg/hm2。

表1 不同氮肥施用量对蕲艾农艺性状及叶片产量的影响Table 1 Effects of N application rates on the agronomic traits and leaf yield of Artemisia argyi

2.2 不同氮肥施用量对蕲艾叶片中矿质元素含量的影响

由表2可知，随着氮肥施用量的增加，蕲艾叶片中N和Cu元素含量呈持续增加趋势，N含量上升幅度2018和2019年分别为18.1%～47.9%和12.6%～56.6%，Cu含量上升幅度分别为10.3%～48.0%和28.9%～94.1%；K和Mg元素含量先增加后降低，K元素含量在N60处理最大，较N0处理分别增加了3.7% (2018年)和6.8% (2019年)，Mg元素含量在N120处理最大，较N0处理分别增加了75.0%(2018年)和4.3% (2019年)。P含量在N240处理最高，但2018年未达显著水平，2019年显著高于其它处理。

2.3 不同氮肥施用量对蕲艾药材品质的影响

2.3.1 对蕲艾药材艾绒产量的影响 由图1可知，在N60和N120处理蕲艾出绒率最大，2018年 (新地)较N0分别增加了8.5%、5.8% (P ＜ 0.05)，2019年较N0也有增加，但未达显著水平；然而，N180和N240处理在2018和2019年均降低了蕲艾的出绒率。

图1 不同氮肥施用量对蕲艾叶片出绒率的影响Fig. 1 Effects of N application rates on the output rate of moxa in the leaves of Artemisia argyi

施氮显著增加了蕲艾绒产量 (图2)，2018年蕲艾绒产量在N180处理最高，与N120处理没有显著差异，但显著高于N60和N240处理；2019年在N120处理最高，且显著高于其他处理。分别将两年的蕲艾绒产量 (Y) 与氮肥施用量 (X) 进行曲线拟合，得出氮肥效应方程分别为：Y2018= －0.0477X2+14.001X+715.82 (R2=0.9832)，Y2019= －0.0325X2+9.2293X+771.26 (R2=0.9358)，依照该方程计算，2018、2019年氮肥施用量分别为147和142 kg/hm2时，蕲艾达到最高绒产量 1743 和 1426 kg/hm2。

图2 不同氮肥施用量对蕲艾绒产量的影响Fig. 2 Effects of N application rates on moxa yield of Artemisia argyi

2.3.2 对蕲艾药材总挥发油及其挥发性成分的影响

在2018—2019年试验中，随着氮肥施用量增加，蕲艾叶片总挥发油含量整体上呈增加趋势，分别在N240和N180处理下最大，较N0处理分别增加了6.2%和17.8%。挥发性成分β-丁香烯和石竹素含量均在N240处理最高，与N0相比β-丁香烯含量分别增加了300.0% (2018年)和169.0% (2019年)，石竹素含量分别增加了16.2% (2018年)和60.5%(2019年)。桉油精、α-侧柏酮、樟脑、龙脑和α-石竹烯的含量均在N180处理达到最高，2018、2019与N0相比，桉油精含量分别增加了57.3%和56.5%，α-侧柏酮含量分别增加了23.7%和80.1%，樟脑含量分别增加了100.0%和70.0%，龙脑含量分别增加了84.2%和52.9%，α-石竹烯含量分别增加了106.7% 和 52.5% (表3)。

表3 不同氮肥施用量对蕲艾总挥发油及其组分含量的影响Table 3 Effects of different N application rates on the contents of total volatile oil and its components in Artemisia argyi

2.3.3 对蕲艾药材酚酸和黄酮类成分的影响 随着氮肥施用量的增加，蕲艾叶片中酚酸和黄酮类成分含量呈先增加后降低趋势，2018和2019年最适宜于蕲艾叶片中黄酮及酚酸类成分积累的氮肥处理为N120、N60(表4)。2018年，N120处理艾叶新绿原酸、隐绿原酸、异绿原酸B和异泽兰黄素含量较N0处理分别增加了42.6%、26.6%、29.2%、16.7%，N60处理的绿原酸、异绿原酸A、异绿原酸C、山柰酚和棕矢车菊素含量较N0处理分别增加了33.9%、3.2%、68.8%、71.0%和5.2%。2019年试验中，艾叶新绿原酸、绿原酸、隐绿原酸、异绿原酸B、异绿原酸A和异绿原酸C含量在N60处理最高，较N0处理分别增加了22.7%、29.9%、24.4%、22.5%、8.5%和9.8%，山柰酚含量在N180处理最高，较N0处理增加了5.0%，棕矢车菊素和异泽兰黄素含量在N120处理最高，较N0处理分别增加了22.8%和13.9%。

表4 不同氮肥施用量对蕲艾叶片中酚酸和黄酮成分含量 (mg/kg) 的影响Table 4 Effects of N application rates on phenolic acid and flavonoid contents in the leaves of Artemisia argyi

2.4 不同氮肥施用量对蕲艾叶片氮肥利用效率的影响

2018年试验中随着氮肥施用量增加，蕲艾叶片氮积累量呈先增加后减少的趋势，在N180处理最高；2019年试验中随着氮肥施用量的增加，蕲艾叶片氮积累量呈持续增加趋势，在N240处理最高(图3A)。2年试验中，各施氮处理与N0处理相比均显著提高了蕲艾叶片氮积累量，增幅分别为114.0%～271.5% (2018年) 和73.8%～191.4% (2019年)。说明施氮能显著提高蕲艾叶片氮积累量。

随着氮肥施用量的增加，氮肥偏生产力呈降低的趋势 (图3B)，各处理间均存在显著差异，2年试验中，下降幅度分别为40.1%～71.2% (2018年) 和36.4%～70.1% (2019年)，当氮肥施用量为120～180 kg/hm2时，氮肥偏生产力下降幅度最小。

2018年艾叶氮肥吸收率在氮肥施用量为60～180 kg/hm2时无显著差异，当氮肥施用量增加至240 kg/hm2时，艾叶氮肥吸收率显著降低；2019年艾叶氮肥吸收率在氮肥施用量为60～120 kg/hm2时无显著差异，当氮肥施用量增加至180～240 kg/hm2时，艾叶氮肥吸收率显著降低 (图3C)。2年试验中蕲艾叶片氮肥吸收率在氮肥施用量为60～120 kg/hm2时下降幅度最小。

随着氮肥施用量的增加，氮肥农学效率呈降低的趋势 (图3D)，2年试验中，下降幅度分别为28.0%～66.6% (2018年) 和11.1%～60.9% (2019年)，在氮肥施用量分别为120～180（2018年）和60～120 kg/hm2（2019年）时，下降幅度最小。

图3 不同氮肥施用量对蕲艾叶片氮积累量 (A)、氮肥偏生产力 (B) 和氮肥吸收率 (C) 氮肥农学效率 (D) 的影响Fig. 3 Effects of different N application rates on N accumulation (A), nitrogen partial factor productivity ((B), nitrogen absorption rate (C), and nitrogen agronomic efficiency (D) in leaves of Artemisia argyi

3 讨论

3.1 不同氮肥施用量对蕲艾生长和药材产量的影响

研究表明，适宜的氮肥施用量能显著促进植株根系的伸长和分支，有利于植株获取更多的养分和水分[14]，从而对地上部的生长产生积极效应[15]。本研究发现，适量施用氮肥显著促进了蕲艾地下根茎生长和潜伏芽的萌发，蕲艾田间单位面积出苗数显著增加，株高、茎粗、单株叶片数和叶片大小均显著增加，从而提高了蕲艾叶片产量。但随着氮肥施用量超过180和120 kg/hm2，过量施用氮肥，导致蕲艾叶片中K、Ca元素含量降低和N/P、N/K、N/Ca值增加，养分不平衡，植株叶片变薄变嫰，且田间植株下部叶也因通风透光不良易焦枯死亡，植株枯叶高增加，最终导致蕲艾叶片产量下降。王晓军等[6]在宁夏艾草上也发现随着氮肥施用量增加，艾叶产量呈先增加后降低的趋势；只是其通过回归分析发现艾叶最佳效益产量的氮肥用量为75.66 kg/hm2，本研究2年田间试验回归分析发现蕲艾叶片最佳效益产量的氮肥用量为168～172 kg/hm2，氮肥用量比宁夏植艾高可能与两地土壤、气候和艾叶生育周期不一样有关。另外，在药用菊花种植上，随着氮肥用量的提高，菊花中N/P、N/K、N/Ca值均逐步升高[16]，本试验结果与其一致。

3.2 不同氮肥施用量对蕲艾药材品质的影响

非腺毛在植物生长发育过程中，作为植物抵御自然灾害的一道天然屏障，对于抵御紫外线辐射、病原菌侵袭及水分过度蒸腾等方面起着不可或缺的作用[17]。有研究表明，Ca离子有助于非腺毛的生长发育[18]，而植物中Ca元素随着氮肥施用量的增加而降低[16]。在本试验中，随着氮肥施用量大幅增加，艾叶Ca元素含量下降和N/Ca值呈上升趋势，且Ca元素含量和叶片出绒率呈一定程度的正相关，推测大量施用氮肥导致艾叶出绒率下降与叶片Ca元素含量下降有关。边丽梅等[19]研究表明，施用氮肥能有效提高香青兰挥发油含量，但当氮肥施用量增加到225 kg/hm2时，再增加氮肥施用量则挥发油含量会下降。薛启等[20]研究发现，氮锌配施能有效提高藿香挥发油主要化学成分含量，高氮处理下胡薄荷酮含量较高，而中氮处理下胡椒粉甲醚含量较高。Liu等[21]研究发现，低氮营养有利于药用菊花中总黄酮和绿原酸成分的积累。鲁泽刚等[22]在研究氮磷钾施用对灯盏花药用成分含量的影响时发现，随着氮肥施用量的增加，灯盏花总黄酮含量逐步降低。萜类化合物是挥发油的主要组成成分，其合成受到矿质养分的直接调控。在本试验中，高氮处理下艾叶Cu元素含量显著增加，Ca和Zn元素含量显著降低。叶丽云等[23]研究表明，增加Ca离子浓度能有效促进灵芝三萜类化合物的积累。顾永华等[24]研究发现，在茅苍术的生长过程中，降低供给营养液中Zn元素的含量，有利于苍术醇、β-桉叶醇和芹烷二烯酮的积累，降低Cu元素的含量，能显著提高苍术酮的含量。《中国药典》(2020年版) 规定艾叶干燥品中桉油精含量不得少于0.05%，龙脑含量不得少于0.02%，在本试验中各处理艾叶桉油精含量均符合规定，而2018年N0处理和2019年N0、N60处理下龙脑含量未达到0.02%，表明缺氮和低氮条件下导致龙脑合成受阻。萜类化合物种类繁多，结构复杂，施氮对其影响的作用机制还需进一步深入研究。根据碳素/营养平衡(carbon-nutrient balance，CNB) 假说[25]，施氮能提高光合速率，促进以C为基础的次生代谢物质 (如酚酸和黄酮类化合物) 的积累，但过量的N供应，会导致以N为基础的次生代谢产物增多，而以C为基础的次生代谢产物积累会受到抑制。在本试验中，氮肥对蕲艾酚酸和黄酮类成分含量的影响与上述研究结果具有一致性。

3.3 不同氮肥施用量对蕲艾叶片氮肥利用效率的影响

氮积累量、氮肥偏生产力、氮肥表观利用率和氮肥农学效率作为衡量氮肥利用效率的指标，从不同角度描述了植物对氮肥的利用效率。在本试验中，随着氮肥施用量的增加，2018年蕲艾叶片氮积累量呈先增加后降低趋势，2019年呈逐渐增加趋势，而氮肥偏生产力、叶片氮肥吸收率和氮肥农学效率在2年试验中均呈不同程度的下降。不同氮肥处理对新艾田和老艾田蕲艾叶片氮肥利用效率影响差异不大。诸多研究表明，随着施氮量的增加，植物氮素积累量增加，但氮素利用效率降低[26]。这可能是由于在一定范围内植物吸氮量随着施氮量的增加而增加，但无法与施氮量完全同步增加，高氮肥施用量时氮肥的损失量也会增大。优化施氮量可以大幅降低化肥氮的损失，提高氮素利用效率，结合上述衡量氮肥利用效率的4个指标，当氮肥施用量为120 kg/hm2时，蕲艾叶片氮肥的利用效率较高，在提高蕲艾叶片产量的同时降低了对环境的污染等问题[27]。

4 结论

不论新老艾田，蕲艾的产量对氮肥施用量的响应基本一致，综合考虑叶片产量和出绒率，适宜的氮肥施用量为120～180 kg/hm2。在该施氮量下，施用氮肥促进了艾叶中总挥发油、β-丁香烯和石竹素成分的合成，促进了蕲艾叶片中桉油精、α-侧柏酮、樟脑、龙脑、α-石竹烯及酚酸和黄酮类成分的积累；而当氮肥施用量在120 kg/hm2左右时，蕲艾叶片的氮肥利用效率较高。通过拟合计算，新蕲艾以叶片产量为目标氮肥用量为170 (168～172) kg/hm2。老蕲艾以艾绒产量为目标，生产上建议氮肥用量为144 (141～147) kg/hm2；以提取挥发油及其组分为目标，生产上建议氮肥用量在180 kg/hm2左右；以提取酚酸和黄酮类成分为目标，生产上建议氮肥用量为 60～120 kg/hm2。