施用钾肥对蕲春蕲艾产量、出绒率及品质的影响

陈昌婕，马琳，苗玉焕，郭兰萍，刘大会*

（1.湖北中医药大学中药资源中心，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（ArtemisiaargyiLévl.et Van）为菊科蒿属多年生草本植物，全国大部分地区均有分布，是我国传统的中药材和民俗植物。艾以叶部入药，其性辛、苦、温，有小毒，含有挥发油、黄酮及酚酸等多种药用活性物质，具有温经止血、散寒止痛、祛湿止痒等功效，被广泛应用于中药方剂、艾灸、日化及养殖行业［1］。近年来，随着艾叶及相关艾制品需求量大增，艾已被人工驯化栽培，在湖北、河南、河北、四川、安徽、江西、甘肃、宁夏等地广为种植，面积达数万公顷。湖北省蕲春县是优质艾叶产区，自明朝以来就广受推崇，该产地艾叶被李时珍命名为“蕲艾”，是我国著名道地药材，现全县艾叶种植面积已逾1.2万hm2。但艾叶人工种植历史较短，对其规范化种植的相关研究较少，生产上套用大田作物的施肥方式导致栽培艾叶药材的产量和品质均较低，因此有必要对其科学施肥进行系统研究。

钾是植物生长发育过程中的必需营养元素，能够有效提高药材的产量和品质。已有研究表明，施用钾肥能够促进甜菊生长并提高其干叶产量［2］，提高甘草中甘草苷和甘草素等有效成分的含量［3］；钾素营养对棉花和烟草等纤维作物的产量及品质也起着关键作用，施用钾肥有利于提高烟草的吸湿性和燃烧性［4］，增加棉花的纤维长度、强度、伸长率和可纺系数［5］；土壤中钾素含量高能提高烟叶酸性和中性香气成分含量，增加碳水化合物的合成与积累［6］。但钾肥对蕲艾生长及产量品质影响的研究鲜见报道。因此，本研究以湖北蕲春县蕲艾为研究对象，通过2年的田间试验研究钾肥施用量对蕲艾产量和品质的影响，为蕲艾规范化种植、科学施肥提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

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。蕲春县属亚热带季风气候，江淮小气候区，年平均气温16.8℃，降雨量1 341.7 mm。八里湖试验地土壤肥力状况为：有机质19.64g·kg-1，全氮1.01g·kg-1，碱解氮96.44mg·kg-1，全磷1.30 g·kg-1，速效磷 57.68 mg·kg-1，全钾 29.63 g·kg-1，速效钾120.76 mg·kg-1，pH 4.55。赤东镇试验地土壤肥力状况为：有机质21.80 g·kg-1，全氮1.12 g·kg-1，碱解氮 123.94 mg·kg-1，全磷 0.56 g·kg-1，速效磷 31.57 mg·kg-1，全钾 23.04 g·kg-1，速效钾 197.59 mg·kg-1，pH 5.12。

1.2 试验设计

试验共设5个钾肥施用量处理，分别为0（K0）、60（K60）、120（K120）、180（K180）、240 kg·hm-2（K240），除钾肥外，每个处理均施氮120 kg·hm-2，磷120 kg·hm-2，设置4个重复，共20个小区，每小区面积为10 m2（1.5 m×6.2 m），沟距30 cm。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日分别追施20%氮肥；3月15日后新栽蕲艾根茎陆续出苗。2019年蕲春县赤东镇田间试验是在2年生蕲艾种植基地进行（蕲艾为多年生宿根植物），待头年冬季蕲艾地上部分枯萎清理干净后，于2019年1月15日将60%的氮肥和全部磷肥、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25日和3月25日各追施20%氮肥；2月10日田间蕲艾老株陆续发新芽。各试验小区田间管理按照蕲艾常规种植的农事操作。供试肥料为尿素（N，46%）、过磷酸钙（P2O5，15%）和氯化钾（K2O，60%）。

1.2 测定项目和方法

分别于2018年6月10日和2019年6月15日在每个小区选取具有代表性的30株蕲艾植株进行相关农艺性状的测定。其中株高为地面基部至植株茎顶端高度；茎粗为植株高度1/2处茎秆直径；枯叶高为植株茎秆中下部枯叶处高度；统计主秆叶片数；测定中部3片叶片的叶宽和叶长。每小区选取长1.5 m、宽1 m的采样点，于当年6月5日采收，采收后进行阴干处理并称量蕲艾叶片干重，计算每公顷叶片产量。

出绒率：将10 g艾叶干品置于转速为28 000 r·min-1的高速万能粉碎机中粉碎 30 s，将粉碎后的混合物置于一号筛中，筛净全部粉末，即得艾绒，称重并计算艾绒所占比例。

挥发油含量：参照2015年版《中国药典（四部）》通则 2204“挥发油测定法”［7］测定挥发油含量。

挥发性成分含量：采用ThermoFisher Trace 1310型气相质谱联用仪（美国）测定艾叶挥发油中桉油精、α-侧柏酮、樟脑、龙脑、α-石竹烯、β-丁香烯和石竹素的含量［8］。

总黄酮含量：参照2015年版《中国药典（四部）》的分光光度法［7］，以芹菜素作为对照品测定艾叶中总黄酮含量。

黄酮及酚酸类成分含量：采用戴安UltiMate 3000高效液相色谱仪测定绿原酸、新绿原酸、隐绿原酸、异绿原酸B、异绿原酸A、异绿原酸C、山奈酚、棕矢车菊素和异泽兰黄素的含量［9-10］。

矿质元素测定：氮（N）用凯氏定氮法测定，磷（P）用钼锑抗比色法测定，钾（K）、镁（Mg）、钙（Ca）、铁（Fe）、锌（Zn）、锰（Mn）等元素采用火焰法-原子吸收分光光度法测定，铜（Cu）元素采用石墨炉法-原子吸收分光光度法测定［11］。

1.3 数据处理与分析

采用Excel 2010和SPSS 25.0软件对数据进行统计和分析。

2 结果与分析

2.1 不同钾肥施用量对蕲艾农艺性状及产量的影响

2年试验均表现为随着钾肥施用量的增加，蕲艾的密度呈先增大后降低的趋势（表1）。与K0处理相比，2018年和2019年K180处理蕲艾的密度分别增加了53.0%和61.0%。施用钾肥对蕲艾地上部干物质积累有显著的促进作用，随着钾肥施用量的增加，蕲艾的茎粗、叶片数和叶片大小均有增加趋势；但株高与枯叶高随着施钾量的增加无明显变化。2年试验中不同钾肥施用量对蕲艾产量的影响也基本一致，当钾肥施用量较低（K60）时，蕲艾的叶片产量虽有所增加，但与K0处理无显著差异；随着钾肥施用量的增加，蕲艾的叶片产量呈上升趋势，当施钾量达到180 kg·hm-2时产量显著增加，较K0处理显著增产47.2%（2018）和53.6%（2019）；继续增大钾肥施用量，蕲艾的产量无显著变化，反而有下降趋势。上述结果表明，施用钾肥对蕲艾的密度及叶片产量均有显著影响。

表1 不同施钾量下蕲艾的农艺性状及叶片产量Table 1 Agronomic traits and leaf yield of Artemisia argyi under different K application rates

为更加明确钾肥施用量与蕲艾叶片产量的关系，以钾肥施用量为变量X、以蕲艾叶片产量为因变量Y，对其进行曲线拟合，分别得出2018年和2019年蕲艾叶片产量随钾肥施用量变化的一元二次方程分别为：Y2018=-0.105X2+42.051X+3 149.921；Y2019=-0.094X2+35.113X+2 800.502。即蕲艾叶片产量均表现为随着钾肥施用量的增加呈先升高后降低的趋势，在施钾量为199.29（2018）和 187.17 kg·hm-2（2019）时，蕲艾的叶片产量最高，分别为 7 340.15（2018）和 6 086.54 kg·hm-2（2019）。

2.2 不同钾肥施用量对蕲艾叶片出绒率的影响

2年试验均表明，随着钾肥施用量的增加，蕲艾叶片出绒率呈上升趋势（图1）。施用钾肥后，蕲艾叶片出绒率较K0增长1.3%～23.1%（2018）和11.1%～40.6%（2019）。2018年钾肥施用量达到180 kg·hm-2（K180）时，叶片出绒率显著提高，继续增加施钾量叶片出绒率无明显增长；2019年钾肥施用量达到120 kg·hm-2（K120）时，蕲艾叶片出绒率显著增大，继续增加施钾量出绒率无明显增长。

图1 不同施钾量下蕲艾叶片出绒率Fig.1 Output rates of moxa in the leaves of Artemisia argyi under different K application rates

2.3 不同钾肥施用量对蕲艾叶片中总挥发油及挥发性组分的影响

2年试验均表现为随着钾肥施用量的增加，蕲艾叶片中总挥发油含量呈降低趋势，降幅分别为2.4%～15.5%（2018）和5.2%～13.6%（2019），但仅K240处理较K0处理显著降低，其余处理间差异不显著（表2）。随着施钾量的增加，挥发性组分中的桉油精、樟脑、龙脑和α-石竹烯含量呈下降趋势，同K0处理相比，2018年施用钾肥后，4种成分的降幅分别为16.1%～90.2%、29.7%～73.0%、5.6%～88.9%和10.3%～34.5%；2019年的降幅分别为31.4%～87.3%、26.3%～38.6%、8.7%～87.0%和12.9%～35.8%；而艾叶中α-侧柏酮、β-丁香烯和石竹素含量随钾肥施用量增加无显著变化。上述结果表明，不施或少施钾肥，蕲艾叶片中挥发油的含量较高；而过量施用钾肥会影响艾叶中挥发性成分的积累。

表2 不同施钾量下蕲艾叶片中总挥发油及挥发性组分的含量Table 2 Contents of total volatile oil and seven volatile components in the leaves of Artemisia argyi under different K application rate

2.4 不同钾肥施用量对蕲艾叶片中黄酮及酚酸类成分的影响

增施钾肥能影响蕲艾叶片中总黄酮的含量，但不同年份间存在一定差异（表3）。2018年仅K240处理叶片总黄酮含量较K60显著下降6.8%，其他各处理间均无显著差异；2019年，叶片总黄酮含量随钾肥施用量增加呈降低趋势，K240处理较K0、K60、K120和 K180分别显著下降 20.6%、20.4%、19.5%和17.5%；其他处理间差异不显著。2年试验均表明，过量施入钾肥，叶片中异绿原酸A、棕矢车菊素和异泽兰黄素含量呈显著下降趋势；与K0相比，3种成分在2018年的降幅分别为11.4%～16.9%、8.3%～50.0%和15.1%～47.9%，在2019年的降幅分别为3.1%～25.8%、4.3%～24.2%和4.6%～33.6%；除此之外，当施钾量高于180 kg·hm-2（K180）时，叶片中绿原酸和隐绿原酸含量显著降低，K240处理叶片中绿原酸和隐绿原酸含量分别较K0显著降低42.8%（2018）和22.2%（2019）。上述结果表明，少量施钾肥对蕲艾叶片中总黄酮及9种黄酮和酚酸类成分含量的影响较小，但过量施入会影响艾叶中黄酮及酚酸类成分的积累。

表3 不同施钾量对蕲艾叶片中黄酮及酚酸类成分的影响Table 3 Effects of K application rates on the flavonoids and phenolic acids in the leaves of Artemisia argyi

2.6 不同施钾处理对蕲艾叶片中矿质元素含量的影响

2年试验均表现为施用钾肥对蕲艾叶片中矿物质元素的含量产生影响（表4）。随着钾肥施用量的增加，蕲艾叶片中N和Cu元素含量呈下降趋势，K、Ca、Mg、Fe和Zn元素含量呈上升趋势，其中N、K、Ca、Fe和Zn元素含量在各处理间存在显著差异。施用钾肥后，N元素降幅分别为2.4%～16.7%（2018）和3.1%～9.7%（2019）；K、Ca、Fe和Zn元素的增幅在2018年分别为14.9%～21.3%、48.3%～66.4%、7.8%～57.5%和7.5%～11.6%，在2019年增幅分别为7.2%～17.3%、16.4%～612.4%、5.9%～88.0%和13.3%～75.9%。上述结果表明，不同钾肥施用量下，蕲艾叶片所含矿质元素含量存在明显差异，施钾量越高，叶片中K、Ca、Fe和Zn元素含量越高，有利于植物更好地进行光合作用。而随着钾肥施用量的增加，叶片中N/K呈下降趋势，Ca/K呈先升高后降低的趋势，Mg/K无显著变化。

表4 不同施钾量下蕲艾叶片中9种矿质元素含量及比例Table 4 Contents of 9 mineral elements and the ratios of N/K，Ca/K，Mg/K in the leaves of Artemisia argyi under different K application rates

2.7 蕲艾叶片产量、出绒率、化学成分及矿物质元素含量之间的关系

运用Heatmapper对2年试验中不同钾肥施用量下蕲艾的叶片产量、出绒率、总挥发油和7种挥发性成分含量、总黄酮和9种黄酮、酚酸类化合物含量及9种矿质元素含量进行相关矩阵分析。结果（图2）显示，各因子间的相关性在2年中基本一致，叶片产量、出绒率与K、Ca、Mg、Fe、Zn元素含量间均呈显著正相关关系（P＜0.05），与除山奈酚、α-侧柏酮、石竹素和β-丁香烯外的其他化学成分含量间呈显著负相关；化学成分含量多与N、Mn元素含量呈显著正相关，而与K、Ca、Mg、Fe、Zn元素呈显著负相关。由此表明，蕲艾叶片产量和出绒率与不同化学成分和矿物质元素间存在着相互协同或拮抗作用，当K、Ca、Mg、Fe和Zn元素含量升高时，蕲艾的叶片产量和出绒率呈上升趋势，但化学成分含量呈下降趋势。

图2 2018年和2019年蕲艾产量、叶片出绒率、化学成分及矿质元素含量的相关性Fig.2 Correlation between yield，output rate of moxa，chemical components and mineral elements in the leaves of Artemisia argyi in 2018 and 2019

3 讨论

合理施肥是提高药用植物产量和品质的重要措施，蕲艾作为近年来大面积人工栽培的药用植物，关于其施肥方法的研究尚未见报道，且没有相应规范，在生产过程中多以药农的种植经验为主，具有一定的盲目性。钾是植物光合作用必不可少的矿质元素之一，被认为是作物生长的品质元素。合理施用钾肥有利于提高植物品质，保障植物呼吸作用和光合作用的正常进行，增强植物抗逆能力，保证植株个体的正常发育和群体的协调发展［12］。本研究2年试验中蕲艾的产量差异较大，可能是由于2018年供试材料为新种蕲艾，2019年的供试材料是由头年种植的蕲艾宿根发育而成，因此2018年蕲艾的长势更佳，2019年蕲艾由于更为密集，造成通风不良，导致植株矮、茎杆细、叶片少、枯叶位高［13］，影响了蕲艾的叶片产量。随着钾肥用量的增加，蕲艾的密度增大，进而提高了叶片总产量，当钾肥施用量达到180 kg·hm-2时增产效果显著，与前人增施钾肥可以提高烤烟干物质积累量的研究结果［14］相一致。继续增大钾肥施用量后蕲艾产量无显著增加，与谭杰等［15］对川中丘陵高产玉米的研究和包亚英等［16］对甜菊的研究结果具有相似性。Judel等［17］研究表明，叶片N/K比值在适宜范围内能促进作物的光合作用及同化物的运输，提高作物产量；汪顺义等［18］研究表明，N/K比较低时甘薯产量较高。本研究也表明，随着钾肥施用量的增加，蕲艾叶片的N/K比降低，地上部干物质的积累量增加，与前人研究结果相一致。

艾叶晒干碾磨去除部分叶肉组织后即为艾绒，艾叶出绒率越高，经济效益越好。艾绒的主要成分为T形毛［19］，是一种特殊形态的非腺毛，它是植物表皮细胞分化而成的一种不具有分泌功能的特殊毛状附属物，主要分布于艾叶的背部。夏季干旱时节，浓密的非腺毛能在艾叶表皮与环境之间形成天然的物理屏障，有利于降低植物的蒸腾作用，保持正常的生理代谢［20］。有研究表明，钙离子有助于促进非腺毛的生长发育［21］；赤霉素（gibberellin，GA）对于非腺毛的伸长和分支起正调控作用［22］。本研究表明，随着钾肥施用量的增加，蕲艾叶片中钙元素含量上升。研究表明，施用钾肥促进了大豆叶片中赤霉素的累积［23］。由此推断，随着钾肥施用量的增加，蕲艾叶片中钙离子和赤霉素的含量均有所增加，促进了非腺毛的生长发育，提高了艾叶出绒率。

挥发油为艾叶中主要的活性成分，其化学成分复杂，主要为单萜、倍半萜及其衍生物，有特殊香气，具有抗过敏、镇痛消炎、驱虫抗菌和镇咳平喘等药理活性［24］。除此之外，艾叶中还含有丰富的黄酮及酚酸类物质，主要为棕矢车菊素、异泽兰黄素和绿原酸类化合物，具有抗氧化、抗炎和抗肿瘤等功能［25］。这些物质是艾叶生长过程中的次生代谢产物，具有抵御不良环境的作用。然而本研究发现，随着钾肥施用量的增加，蕲艾叶片中的有效成分含量却明显降低。卢丽兰等［26］研究发现，广藿香中挥发油含量随施氮量的增加而降低；曹艺雯等［27］证实了菘蓝中总黄酮含量也随施氮量的升高而下降；张锋等［28］发现，增施钾肥后白花丹参的有效成分降低；王千等［29］研究表明，供钾过量会影响番茄叶片中总酚和类黄酮等次生代谢产物的合成。本研究表明，艾叶中的钾元素和氮元素间存在明显的拮抗作用，而艾叶中的低氮量又会进一步影响次生代谢产物的合成和累积［30］。研究发现，施入过量钾肥会抑制菊花次生代谢的能力，降低菊花叶片中含氮量及氮钾比，导致黄酮等次生代谢产物含量降低［31］；薛启等［32］研究发现，随着藿香中含氮量的下降，挥发油含量呈下降趋势，与本研究蕲艾在高钾环境中次生代谢产物含量下降的结果相一致。

本研究发现，艾叶中钾元素与氮元素产生拮抗作用，但与钙、镁元素产生协同作用。随着钾肥施用量的增加，艾叶中氮钾比降低，钙钾比上升，而镁钾比无显著变化。菊花在高钾条件下钙钾比降低，产量下降［31］，与本研究结果一致。药材中矿物质元素的含量差异对于其产量及次生代谢产物的形成和累积具有一定影响［33］，但具体机理有待于进一步研究。