物联网精准灌溉对人参栽培土壤环境及其产量和品质的影响

李建荣　韩永忠　狄平　张萌　韩梅　杨利民

摘要：以农田栽培模式种植的人参为研究对象，采用物联网精准灌溉技术，建立土壤相对含水量60%、80%、90%和自然降水4个试验处理，分析不同水分条件对土壤理化性质、土壤酶活性、人参产量和品质的影响。结果表明：土壤相对含水量为80%和90%时，土壤有机质、速效氮、速效磷含量均高于其他处理，同时土壤脲酶、酸性磷酸酶、过氧化氢酶、蔗糖酶活性也相对较高。土壤相对含水量为80%时，人参单位面积产量最高，可达到2 715.64 g/m2，较CK增产14.98%;人参总皂苷含量也达到最高，为4.02%，但各处理间差异不显著。适当的水分亏缺有利于人参生长后期3种单体皂苷的合成积累，9月30日，人参单体皂苷Rb1、Re+Rg1含量在60%土壤相对含水量处理下达到最高。综合考虑，80%土壤相对水含量是最适宜人参生长发育的水分条件。

关键词：人参;物联网;精准灌溉;土壤环境;产量;品质

中图分类号：S567.5+1文献标识码：A文章编号：1000-4440（2022）02-0495-07

Effects of internet of things precision irrigation on the soil environment， yield and quality of ginseng

LI Jian-rong HAN Yong-zhong DI Ping ZHANG Meng HAN Mei YANG Li-min1

Abstract：Taking ginseng cultivated in farmland as the research object， the internet of things （IoT） precision irrigation technology was used in this study， and four experimental treatments （relative soil water content of 60%， relative soil water content of 80%， relative soil water content of 90% and natural precipitation） were established. In addition， the effects of different water conditions on soil physical and chemical properties， soil enzyme activity， ginseng yield and quality were analyzed. The results showed that the contents of soil organic matter， available nitrogen and available phosphorus in the treatments with the relative soil water content of 80% and 90% were significantly higher than those in other treatments， and the activities of soil urease， acid phosphatase， catalase and sucrase were also relatively high. Unter the treatment of 80% relative soil water content， the yield per unit area of ginseng was highest （2 715.64 g/m2）， which was 14.98% higher than that of CK. Moreover， the total saponins content of ginseng was also highest （4.02%）， but there was no significant difference among treatments. On September 30 ，the contents of Rb1 and Re+Rg1 reached the highest under the treatment of 60% relative water content， indicating that appropriate water deficit was beneficial to the synthesis and accumulation of three monomer saponins in late growth stage of ginseng. Overall， 80% relative soil water content is the most suitable water condition for the growth and development of ginseng.

Key words：ginseng;internet of things;precision irrigation;soil environment;yield;quality

人參作为“百草之王”，药用历史悠久，是中国传统的中药材[1]。长期以来，人参的大规模种植一直采用伐林栽培模式，对森林资源和生态环境造成严重破坏[2]。随着国家天然林保护工程的启动实施，其传统的伐林栽培模式被农田栽培所取代。但由于人参为多年生药材，并且采用单透膜技术，遇干旱年份，产量受到很大影响，为此，水分管理一直是制约人参生产的重要技术因素之一。

近年来，随着科学技术的发展以及互联网应用的普及，物联网（IoT）技术已然成为最前沿的技术之一。基于物联网的精准灌溉技术是通过物联网监测系统实时监测作物生长的光照、空气温湿度、土壤温度、土壤湿度，实现精准控制灌溉的农业新技术，可以按照需水规律，通过灌水器将水资源均匀、定时、定量供给植物利用的过程，有效保障植物生长生存环境的有利化[3]。该项技术较传统的地面灌溉技术具有明显的技术优势，不仅节约人工成本，提高水分利用效率和植物品质，增加植物产量，还避免了常规的水分流失等问题，有利于节约水资源，从而实现水分的生态调控。

虽然物联网灌溉技术在农业上已成熟应用[4-6]，但在中药材种植中尚不多见。因此，本研究拟通过物联网精准灌溉技术对3年生人参进行精准水分调控，分析水分对土壤理化性质、土壤酶活性、人参产量、品质的影响，以期为物联网灌溉技术在人参生产中的应用提供科学依据。

1材料与方法

1.1试验地概况

试验地位于吉林省抚松县抽水乡正岔沟人参规范化栽培基地（42°22′32.72″N，127°06′54.00″E），属于大陆性高山气候，土壤属于非林地土即农田，前期作物为玉米。2017年开展试验前期准备工作，包括样地选择与整理、人参品种选择以及物联网精准灌溉系统的布设、调试等。2018年5月全面开展基于物联网精准灌溉的人参水分调控试验。

1.2试验方法

1.2.1试验设计选取大小相对一致的人参苗，移栽至参床中进行滴灌水分调控试验。试验地的占地面积为10 000 m2，共设12串人参栽培地，每串宽×长为1.3 m×120.0 m，设置3个水分处理组，土壤相对含水量分别为60%、80%、90%。每个处理组设3个重复，对照组（CK）为自然降水，不进行水分控制。每个处理组分布土壤水分传感器12个，共计36个土壤水分传感器，传感器距地面深度为30 cm，其中每串人参栽培地分布3个，数据每隔1 h传输一次（图1）。

1.2.2土壤样品采集在土壤样品的采集过程中，采用五点等距离取样法取样，用20目筛对采集的土壤样品进行过筛，除去杂质后进行自然晾干，用于测定土壤各项理化指标及土壤酶活性。

1.2.3人参采集于土壤样品采样处同时采集植物样品，采用五点等距取样法取样，在每个取样点处将1 m2的人参挖出，清洗干净后，晾干表面残余水分用于人参鲜品质测定;将鲜参置于60 ℃烘箱中烘干用于人参干品质测定。每个处理选取20株人参，粉碎，过60目筛，用于人参皂苷含量测定。

1.3测定指标及测定方法

1.3.1田间土壤含水量根据土壤中12个水分传感器Soil moisture EC5上传的数据实时监测水分变化，及时对土壤水分进行补充，让土壤水分保持在设定的控制范围内。表1显示，最大土壤相对含水量为93.4%（W12），最小土壤相对含水量为52.0%（W1）。

1.3.1土壤理化性质土壤pH用离子测定仪测定，土壤有机质、碱解氮、速效磷、速效钾含量分别采用浓硫酸-重铬酸钾比色法、扩散皿-浓硫酸滴定法、NaHCO3浸提比色法、醋酸铵浸提-火焰光度法测定[6]。

1.3.2 土壤酶活性土壤脲酶、蔗糖酶、酸性磷酸酶、蛋白酶、过氧化氢酶活性分别采用靛酚比色法、硝基水杨酸比色法、磷酸苯二钠法、加勒斯江法、高锰酸钾法测定[7]。

1.3.3 人参产量、品质利用3年生人参的试验数据进行产量分析。人参品质指标包括单体皂苷（Rg1、Rb1、Re）含量和总皂苷含量，分别采用高效液相色谱法和紫外分光光度法测定。

1.4数据处理

用Microsoft 2010、SPSS 22.0软件对数据进行处理与分析。

2结果与分析

2.1不同土壤相对含水量对土壤pH和有机质含量的影响

土壤pH和有机质含量能够影响植物对养分的吸收利用，是衡量土壤肥沃程度的重要指标。图2显示，不同土壤相对含水量处理之间土壤pH差异不大，均在适宜人参生长的范围（pH为5.5～6.2）内，土壤偏酸性。

图3显示，土壤有机质含量总体随土壤相对含水量的增加而增大，80%土壤相对含水量处理和90%土壤相对含水量处理的土壤有机质含量较高，在8月30日显著高于60%土壤相对含水量处理和CK，此时为人参根部生长期，较高的土壤有机质含量有利于人参产量的提高。

2.2不同土壤相对含水量对土壤速效氮、磷、钾含量的影响

氮、磷、鉀在植物光合作用、呼吸作用等活动代谢过程中均起重要作用[8]。表2显示，不同处理土壤营养成分的含量存在一定差异，8月30日，80%土壤相对含水量处理和90%土壤相对含水量处理的土壤速效氮含量显著高于60%土壤相对含水量处理和CK（P<0.05），并且80%土壤相对含水量处理的土壤速效氮、速效磷含量最高，分别为115.67 mg/kg和14.96 mg/kg，比CK分别增加了33.99%和22.02%。8月30日和9月30日，不同土壤相对含水量处理的土壤速效钾含量差异不显著。

2.3不同土壤相对含水量对土壤酶活性的影响

土壤酶是一种活性蛋白质，参与土壤微生态环境的物质循环和能量流动过程，常用来评价土壤肥力水平[8]。表3显示，8月30日时，土壤过氧化氢酶、蔗糖酶活性通过水分调控显著高于CK（P<0.05），并且当土壤相对含水量为80%时，酸性磷酸酶、土壤脲酶、过氧化氢酶、蔗糖酶活性分别是CK的1.13倍、1.33倍、1.70倍、1.87倍。较高的土壤蔗糖酶、脲酶、酸性磷酸酶活性会促进氮、磷的吸收[9]，说明通过精准调控使土壤相对含水量为80%时土壤肥力较高，更有利于人参的生长发育。

2.4不同土壤相对含水量对人参产量和品质的影响

2.4.1人参单体皂苷皂苷类物质是人参主要的药效成分，是评价人参品质的重要指标[10]。图4和图5显示，人参皂苷含量均达到《中国药典》[11]的品质标准。8月30日，80%土壤相对含水量处理的单体皂苷Rb1、Rg1+Re含量最高;在9月30日，90%土壤相对含水量处理与60%土壤相对含水量处理的Rb1、Rg1+Re含量较高，表明适宜的水分亏缺有利于人参生长后期单体皂苷的积累。

2.4.2人参产量和总皂苷水分是保障人参正常生长发育的重要生态因子，影响人参的产量、品质[12]。表4显示，不同土壤相对含水量对人参产量、品质影响不同。土壤相对含水量为80%时，人参的单位面积产量最高，可达到2 715.64 g/m2，较CK增产14.98%。土壤相对含水量为60%、90%时的人参单位面积产量分别为2 418.37 g/m2、2 505.65 g/m2，较CK分别增长2.40%、6.09%。不同土壤相对含水量处理的人参总皂苷含量间差异不显著，但80%土壤相对含水量处理的人参总皂苷含量最高，为4.02%。

2.5不同土壤相对含水量下人参产量、品质与土壤性质的相关性分析

表5显示，不同土壤相对含水量处理下，有机质含量与速效氮含量呈显著正相关（P<0.05），速效磷含量与人参总皂苷含量呈显著正相关（P<0.05）。土壤脲酶活性与人参产量呈极显著正相关（P<0.01），与人参总皂苷含量呈显著正相关（P<0.05）;土壤酸性磷酸酶活性与人参单体皂苷Rb1含量呈显著正相关（P<0.05）;土壤过氧化氢酶活性与蔗糖酶活性呈极显著正相关（P<0.01）。土壤养分和土壤酶活性对人参产量、品质有重要影响，适当提高土壤氮、磷含量，增强土壤脲酶、酸性磷酸酶等酶活性有利于促进人参的生长发育。

3讨论

水分参与植物的整个生命周期，适宜的水分条件能够提高植物的产量和品质[13-15]。农田栽培模式具有相对平缓的地形条件，为人参生产中灌溉技术的应用创造了有利条件[16]。

本研究结果表明，8月30日，80%土壤相对含水量处理的有机质含量和速效氮含量显著高于60%土壤相对含水量处理和CK（P<0.05），并且当土壤相对含水量为80%时，土壤脲酶、酸性磷酸酶、过氧化氢酶活性最高。8月30日，3个水分处理的土壤脲酶、酸性磷酸酶、过氧化氢酶活性以及土壤速效氮、速效磷含量均随着土壤相对含水量的增加而呈先升高后降低的倒“V”型变化趋势，与张超宇等[17]和陆宇明等[18]的研究结果一致。同时，土壤脲酶活性与人参产量呈极显著正相关（P<0.01），与人参总皂苷含量呈显著正相关（P<0.05）。脲酶活性较高有利于人参对氮的吸收利用，影响人参次生代谢，促进人参皂苷的合成[19]。土壤相对含水量控制在80%时，人参单位面积产量最高，可达到2 715.64 g/m2，与对照相比增产14.98%;人参总皂苷含量也达到最高，为4.02%，但各处理间差异不显著。在9月30日，60%土壤相对含水量处理的人参单体皂苷Rb1、Re+Rg1含量最高，表明适当的水分亏缺有利于人参Rb1、Re、Rg13种单体皂苷的合成积累。不同土壤相对含水量处理对土壤理化性质、土壤酶活性、人参产量和品质有不同的影响。综合考虑，80%土壤相对水含量是最适宜人参生长发育的水分条件。

通过精准灌溉系统对人参种植地的土壤水分数据进行实时监测，该系统对人参需水总量和分布进行技术控制，实现了环境要素与人参生长发育状态的结合，智能化、集约化地对人参种植地灌溉水进行精确化管理，促进了人参产业的现代化发展。

参考文献：

[1]崔业波，马晓静. 人参须药材质量标准的研究[J]. 中国现代应用药学， 2018，35（9）：1360-1364.

[2]任跃英，张益胜，李国君，等. 非林地人参种植基地建设的优势分析[J]. 人参研究， 2011，23（2）：34-37.

[3]宋辉. 基于物联网技术的人参种植监测系统的研究与应用[D]. 长春：吉林农业大学， 2018.

[4]刘铭，柳青，董丙瑞. 论物联网技术在现代农业中的应用[J]. 南方农机， 2017，48（3）：54-61.

[5]董征宇. 基于物联网的葡萄园信息获取与智能灌溉系统设计[J]. 农机化研究， 2018，40（4）：206-209.

[6]尹志荣，雷金银，桂林国，等.不同滴灌量对不同品种枸杞生长、产量和品质的影响[J].灌溉排水学报，2018，37（10）：28-34.

[7]孙卓. 人参病害生防细菌的筛选及其防病作用研究[D]. 长春：吉林农业大学， 2014.

[8]GU C， ZHANG S， HAN P， et al. Soil enzyme activity in soils subjected to flooding and the effect on nitrogen and phosphorus uptake by oilseed rape[J]. Frontiers in Plant Science， 2019，10：368.

[9]农泽梅，史国英，曾泉，等. 不同甘蔗品种根际土壤酶活性及微生物群落多样性分析[J]. 热带作物学报， 2020，41（4）：819-828.

[10]陈敏，李高生，冼建鸿，等. 棉酚渣对尿素水解及土壤氨挥发的影响[J]. 中国土壤与肥料， 2019（5）：59-64.

[11]国家药典委员会.中国药典[M].北京：中国医药科技出版社，2020： 8.

[12]LEE M H， CHOI S W， KIM E J. Differential anti-carcinogenic effect of mountain cultivated ginseng and ginseng on mouse skin carcinogenesis[J]. Journal of the Korean Society of Food Science & Nutrition， 2012， 41（4）：462-470.

[13]陈超，李荣，李芬，等. 不同沟垄覆盖下土壤水热效应对旱作马铃薯生长及产量的影响[J]. 排灌机械工程学报，2020，38（11）：1160-1166.

[14]李睿，宗晨，娄运生，等. 不同水分管理和遮阴下水稻株高及成熟期高光谱估算[J]. 江苏农业科学，2021，49（3）：82-90.

[15]相龙康，高佩玲，张晴雯，等. 不同改良剂对滨海盐碱化土壤水盐运移特性的影响[J]. 排灌机械工程学报，2020，38（9）：945-950.

[16]山仑. 旱地農业技术发展趋向[J]. 中国农业科学， 2002，35（7）：848-855.

[17]张超宇，程林，韩梅，等. 不同水分处理对白浆参地土壤微生物群落功能多样性和土壤状况的影响[J]. 北方园艺， 2017（17）：132-138.

[18]陆宇明，吴东梅，许恩兰，等. 不同林龄杉木林下套种阔叶树对土壤磷组分的影响[J]. 水土保持学报， 2020，34（1）：275-282.

[19]庞欣，张福所，李春俭. 部分根系供磷对黄瓜根系和幼苗生长及根系酸性磷酸酶活性影响[J]. 植物生理学报， 2000，26（2）：153-158.

（责任编辑：王妮）

收稿日期：2021-05-28

基金项目：吉林省重大科技专项项目（20200504602YY）;吉林省重点科技成果转化项目（20170307009YY）;国家中药材产业技术体系项目（CARS-21）

作者简介：李建荣（1993-），男，甘肃白银人，硕士，主要从事野生动植物保护与利用研究。（E-mail）18946694846@163.com

通讯作者：韩梅，（E-mail）2432273234@qq.com