种植密度及氮肥对绿洲区蒙古黄芪有效成分和产量的影响

魏廷邦 魏玉杰,* 杨振华 臧广鹏 吴之涛 邴素霞

(1 甘肃省农业工程技术研究院，甘肃 武威 733006；2 甘肃省特种药源植物种质创新与安全利用重点实验室，甘肃 武威 733006；3 武威市祁连山区道地中药材生态栽培技术创新中心，甘肃 武威 733006；4 武威市质量计量检验检测中心，甘肃 武威 733000)

黄芪为豆科植物蒙古黄芪(Astragalusmembranaceusvar.mongholicus)和膜荚黄芪[Astragalusmembranaceus(Fiscn.)Bqe]的干燥根，具有补气固表、增强机体免疫和调节血糖等功能，在医疗卫生、中医保健和饮食等行业中应用较为广泛[1]。河西绿洲区土壤类型和气候资源适宜蒙古黄芪大面积种植且产量优势显著[2]，使蒙古黄芪成为该地区农业增效、农民增收的重点中药材之一。目前，野生黄芪资源人为破坏较为严重，人工栽培成为缓解黄芪供需矛盾、满足市场需求的关键点。在人工栽培中，氮肥施用量、种植密度等农艺措施的协同配合能够有效提高中药材黄芪的产量并改善其品质。而过量的氮肥施用使得中药材种植地域土壤肥力降低、土壤理化性质恶化、产投比失调以及生态环境受到严重污染[3]，同时不合理的种植密度也会导致中药材的产量和质量参差不齐[4-5]。全国各道地药材产区在中药材生产质量管理规范(good agricultural practice，GAP)基地规划与建设的发展趋势下，开展环境友好型和资源减投型的中药材生态栽培研究是顺应生态文明建设的明智之举。因此，革新氮肥施用制度与优化种植密度是改善不同地域内中药材光合特性、干物质积累特征及获取高产、优质中药材重要环节。对中药材而言，在适当减少施氮量的同时恰当地增加种植密度能够提高中药材的产量，对保证中药材品质、提高经济效益和生态效益具有重要意义。

图1 2019—2020年试验区3—9月降水量及日平均温度变化Fig.1 Dynamics of precipitation and daily mean temperature in the experimental station from March to September in 2019—2020

国内外学者已经开展了大量关于氮肥减量施用对农作物产量和品质的影响研究，结果表明，适量的减施氮肥可有效提高冬小麦[6]、玉米[7]、水稻[8]等作物叶片的光合作用、叶绿素含量和叶面积指数，促进干物质积累量的增加，降低氮肥损失量，有效提高产量。研究发现，在黄芪种植中适量降低氮肥施用量能够保证养分最大利用效率，但氮肥施用量超过一定范围时则会影响黄芪生育后期干物质积累量的增加和产量的形成[9-10]。当丹参的施氮量超过150 kg·hm-2后，丹参的可溶性糖、淀粉含量以及产量均下降[11]。种植密度对中药材的产量和品质会产生显著影响，当黄芪的种植密度为240 000株·hm-2时群体结构表现最佳，有利于黄芪地上和地下部分的旺盛生长，提高次生代谢产物的含量，保证获得高产和优质的黄芪[12-14]。当种植密度过大时，致使单株中药材所获得的光照、水肥资源相对较少，影响中药材地下部的生长发育，不利于干物质积累速率和产量的增加[15-16]。因此，构建最佳种植密度和最适氮肥营养组合能够显著改善中药材群体结构、优化光合生理特性、提高产量和改善品质[17]，是充分发挥中药材群体优势进行营养生长的技术保障。目前，有关黄芪产量的研究主要集中在施氮量和施氮方式对其的影响，而关于低氮素营养和最优栽培密度对黄芪生育期内光合特性、叶绿素含量、干物质积累特征、有效成分含量和产量形成的协同增产、增效调控机理的研究鲜有报道。因此，本试验通过研究不同施氮水平与种植密度的协同调控效应对蒙古黄芪生育期内光合特性、叶绿素含量、干物质积累、有效成分含量和产量的影响，以期阐明蒙古黄芪对低氮环境条件和最佳种植密度的生理响应，为绿洲区生产实践中科学施肥、合理密植以获取高产、优质中药材黄芪提供技术支撑和理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

本研究于2019—2020年在甘肃省武威市凉州区黄羊镇国家中药材产业技术体系河西综合试验站进行。试验基地位于河西走廊东端(102°51′10″E，37°67′29″ N)，平均海拔1 744 m，年平均气温约7.5℃，多年平均降水量约155 mm，年蒸发量约2 400 mm，年降水分布不均，主要集中在5—9月份。试验区土壤质地为沙壤土，土壤容重1.62 g·cm-3，0～30 cm土层全氮含量0.98 g·kg-1、碱解氮68.14 mg·kg-1、有效磷48.51 mg·kg-1、速效钾284.16 mg·kg-1，有机质18.90 g·kg-1， pH值8.42。2019—2020年试验区3—9月份的降雨量和日平均温度如图1所示。

1.2 试验材料

供试材料为1年生蒙古黄芪，原植物由魏玉杰研究员鉴定为蒙古黄芪，采购于定西市岷县中药材种苗市场，种苗采挖后分拣去除大苗、小苗和弱苗，保留长度和大小基本一致的壮苗开沟移栽，种苗平均根长35.7±6.37 cm，根粗0.68±0.29 cm，单株种苗重量4.26±1.64 g。2019年3月28日移栽，2019年10月20日收获；2020年3月30日移栽，2020年10月20日收获。氮肥施用尿素(含氮46%)，磷肥为过磷酸钙(P2O5约14%)，钾肥为磷酸二氢钾(K2O约25%)。有机肥料为商用有机肥(南京三美农业发展有限公司)，N+P2O5+K2O含量4%以上，有机质含量30%以上。普通地膜采用厚度0.08 mm、宽50 cm的聚乙烯农用地膜(甘肃宏远农业科技有限责任公司)。

1.3 试验设计

本试验采用裂区设计，以种植密度为主区，设置D1(180 000株·hm-2、行距30 cm、株距18 cm)，D2(240 000株·hm-2、行距30 cm、株距14 cm)，D3(300 000 株·hm-2、行距30 cm、株距11 cm)3种种植密度；施氮量为裂区，设置0(N0，对照)、40(N1)、80(N2)、120 kg N·hm-2(N3)4个施氮水平，共12个处理，每个处理设3个重复，共36个小区，小区面积为4 m×5 m=20 m2，各小区间留走道1 m，小区四周外设3 m宽的保护行。施肥用量参考当地中药材种植人员的施肥量，所有处理施肥量按基肥∶生育中期追肥=2∶1分施，具体施肥方法：N1，基肥26.7 kg N·hm-2，中期追肥13.3 kg N·hm-2；N2，基肥53.3 kg N·hm-2，中期追肥26.7 kg N·hm-2；N3，基肥80 kg N·hm-2，中期追肥40 kg N·hm-2；施肥时期为黄芪开花期以后(7月下旬)。有机肥3 000 kg·hm-2、五氧化二磷150 kg·hm-2、 氧化钾40 kg·hm-2全部施用为基肥。黄芪生育期内采用滴灌带灌水4次，5、6、7、8月的灌水量分别为600、450、450和400 m3·hm-2，生育期内的总灌水量为1 900 m3·hm-2，通过智能化水表精确确定灌溉总量。各生育时期加强病虫草害防治，各小区的田间管理措施均保持一致。

1.4 测定项目与方法

净光合速率(net photosynthetic rate，Pn)及叶绿素含量(soil and plant analyzer development, SPAD)：每年5月20日开始测定黄芪叶片的Pn、SPAD，以后每隔30 d，选择晴朗的天气，于上午09:00-11:30，在各小区中间位置随机选取6株生长正常的黄芪植株，使用Li-6400XT型便携式光合系统测定仪(美国LI-COR公司)测定Pn。每株黄芪植株重复3次，结果取平均值。使用便携式SPAD-502型叶绿素仪(日本konica minolta公司)测定SPAD，重复6次，结果取平均值。

干物质积累量：每年5月20日开始测量干物质积累量，每隔30 d，在小区内连续取样6株，将地上、地下部分别称取鲜质量后装入牛皮纸袋，于105℃杀青15～30 min后，在80℃恒温烘至恒重，最后称量并按以下公式计算干物质积累量：

干物质积累量=成熟期单株总干质量×成熟期实收株数。

采用Logistic方程Y=k/(1+ea-rt)拟合黄芪全生育期干物质积累过程，通过对Logistic方程求导数，可得黄芪全生育期的干物质最大积累速率。其中，Y代表干物质积累量，k代表干物质积累量，e为自然常数，a代表k与Y的有关参数，r代表增长速率，t代表出苗后天数。

产量及产量构成：黄芪采收期，在每小区去除边行后，按各处理小区依次采挖，然后分别计算地上部与地下部的鲜重，并测定植株个体指标，包括单株茎秆重、根长、根粗、单根重和产量性状指标。

黄芪品质测定：按照2020年版《中华人民共和国药典》[2]中规定的黄芪质量检测项对各处理的黄芪甲苷含量进行测定。标准样品来自上海源叶生物科技有限公司，批号：J02GB153190。

1.5 数据处理与分析

采用Microsoft Word 2010和Excel 2010软件整理汇总数据，使用SPSS 19.0 统计分析软件进行方差分析和回归分析。

2 结果与分析

2.1 减氮增密对黄芪净光合速率的影响

氮肥用量、种植密度及其互作效应均对黄芪生育期内的净光合速率(Pn)有显著影响(P<0.05)。两年试验平均结果表明(图2)，在同一施氮水平，N3D2处理平均净光合速率较N3D1、N3D3提高42.89%、41.35%，N2D2处理较N2D1、N2D3处理提高59.31%、38.88%，N1D2处理较N1D1处理提高36.32%。在相同种植密度下，N2D1处理的平均净光合速率较N3D1、N1D1、N0D1处理分别提高5.66%、12.75%、25.58%，N2D2处理较N3D2、N1D2、N0D2处理分别提高17.79%、31.76%、75.18%，N2D3处理较N3D3、N0D3处理分别提高11.41%、6.39%。结果表明，氮肥减量施用同时适当增加种植密度能够有效促进黄芪生育期内的光合作用。

图2 不同氮肥用量和种植密度对黄芪净光合速率的影响Fig.2 Effects of different nitrogen application and planting densities on net photosynthetic rate of Astragalus membranaceus var. mongholicus

2.2 减氮增密对黄芪叶绿素含量的影响

氮肥用量、种植密度及其互作效应均对黄芪叶绿素含量(SPAD)有显著影响(P<0.05)。两年试验平均结果表明(图3)，在同一施氮水平，N3D2处理的平均叶绿素含量较N3D1、N3D3处理提高23.29%、23.39%，N2D2处理较N2D1、N2D3处理提高41.22%、15.18%，N1D2处理较N1D1、N1D3处理提高46.59%、8.29%。在同一种植密度下，N2D1处理的平均叶绿素含量较N1D1、N0D1处理分别提高26.94%、53.86%，N2D2处理较N3D2、N1D2、N0D2处理分别提高8.32%、22.28%、70.13%，N2D3处理较N3D3、N1D3、N0D3处理分别提高16.04%、14.96%、51.91%。结果可见，通过恰当的减量施氮与优化种植密度能够提高黄芪生育期内的叶绿素含量，为增强生育期内的光合作用奠定基础。

2.3 减氮增密对黄芪干物质积累动态的影响

施肥用量、种植密度及其互作效应均对黄芪干物质积累量具有显著影响(P<0.05)。由图4可知，两年试验平均结果表明，在同一施氮水平下，黄芪生育期内的干物质积累量随着种植密度的增加呈现逐渐增加的趋势，总体表现为高密度>中密度>低密度处理。在同一种植密度下，黄芪生育期内的干物质积累量随着施氮量的增加呈现出先增加后降低的变化趋势，总体表现为中施氮>高施氮>低施氮>对照处理。说明在减少氮肥施用量的条件下适量增加种植密度，能够有效增加黄芪生育期内干物质积累量，为黄芪产量的增加奠定基础。

2.4 减氮增密对黄芪干物质最大增长速率的影响

氮肥用量、种植密度及其互作效应均对黄芪干物质最大增长速率具有显著影响(P<0.05)。两年试验平均结果表明(表1)，在同一施氮水平，N3D2处理的干物质最大增长速率较N3D1处理提高30.79%；N2D2处理的干物质最大增长速率较N2D1、N2D3处理分别提高40.68%、7.22%；N1D2处理的干物质最大增长速率较N1D1处理提高24.67%，N1D2处理的干物质最大增长速率与N1D3处理间有显著差异。在同一种植密度下，N2D1的干物质最大增长速率较N3D1、N1D1、N0D1提高13.99%、14.91%、18.41%，N2D2较N3D2、N1D2、N0D2提高22.61%、29.66%、39.36%，N2D3较N3D3、N1D3、N0D3提高2.21%、5.08%、21.01%。结果表明，减量施氮N2与种植密度D2的最佳组合能够显著提高黄芪生育期内干物质积累的最大增长速率，促进光合有机物的积累，显著提高生育期内的干物质积累量，为产量的增加奠定基础。

2.5 减氮增密对黄芪产量的影响

如表2所示，氮肥用量和种植密度均对中药材黄芪根粗、单株地上部干质量、单株地下部干质量和产量具有显著影响(P<0.05)。两年试验平均结果表明，不同施氮水平下，N2处理的根长和根粗较N0、N1、N3处理分别提高60.83%和79.69%、24.91%和27.58%、17.94%和25.05%；N2处理的地上部干质量和地下部干质量较N0、N1、N3处理分别提高98.73%和65.66%、35.62%和19.14%、35.21%和14.76%；N2处理的产量较N0、N1和N3处理分别提高119.86%、20.84%和20.08%。不同密度水平下，D2处理的根粗和地上部干质量较D1、D3处理分别提高1.25%和10.18%、1.93%和10.86%；D2处理的地下部干质量较D3处理提高6.37%；D2处理的产量较D1、D3处理分别提高16.26%、7.07%。说明减量施氮与适量增加种植密度有效增加了中药材黄芪地下部干质量和产量，降低了氮肥成本，提高了中药材的经济效益和生态效益。

如表2所示，氮肥用量与种植密度的互作效应对黄芪根长、单株地下部干质量和产量具有显著影响(P<0.05)。在相同的施氮水平下，N1D2处理的产量较N1D1、N1D3分别提高21.78%、12.63%；N2D2处理的产量较N2D1、N2D3分别提高15.15%、10.52%；N3D2处理的产量较N3D1、N3D3处理分别提高17.72%、9.94%。由此可见，N2D2处理的减氮增密种植模式有效提高了蒙古黄芪单株地上部和单株地下部干质量。

2.6 减氮增密对黄芪甲苷含量的影响

氮肥用量和种植密度及其互作效应均对黄芪甲苷含量具有显著影响(P<0.05)。两年试验结果表明(图5)，在相同的施氮水平下，N1D2处理的黄芪甲苷含量较N1D1处理提高了0.013个百分点，但与N1D3处理相比降低了0.01个百分点；N2D2处理较N2D1、N2D3处理分别提高了0.027和0.019个百分点；N3D2处理的黄芪甲苷含量较N3D1、N3D3处理分别提高了0.002和0.013个百分点。在相同的种植密度水平下，N2D1处理的黄芪甲苷含量较N0D1、N1D1、N3D1处理分别提高了0.063、0.039和0.022个百分点；N2D2处理较N0D2、N1D2、N3D2处理分别提高了0.079、0.053和 0.047个百分点；N2D3处理较N0D3、N1D3、N3D3处理分别提高了0.058、0.025和0.041个百分点。综上，N2D2处理减氮增密种植模式增加了黄芪甲苷含量，可有效改善蒙古黄芪的品质。

图3 不同氮肥用量和种植密度对黄芪叶绿素含量的影响Fig.3 Effects of different nitrogen application and planting densities on SPAD value of Astragalus membranaceus var. mongholicus

图4 不同氮肥用量和种植密度对黄芪全生育期干物质积累动态的影响Fig.4 Effects of different nitrogen application and planting densities on dry matter accumulation dynamic of Astragalus membranaceus var. mongholicus in the whole growth period

表1 不同处理黄芪干物质积累速率的Logistic方程回归分析Table 1 Logistic equation analysis on group dry matter accumulation rate of Astragalus membranaceus var.morgholicus under different treatments

2.7 减氮增密条件下黄芪主要指标间的相关性分析

由表3可知，黄芪干物质最大增长速率(X3)与净光合速率(X1)、叶绿素含量(X2)呈现极显著正相关关系；单株地上部干质量(X6)、单株地下部干质量(X7)与根长(X4)、根粗(X5)均呈现极显著正相关关系。说明减氮增密的栽培措施有效改善了黄芪的光合特性，增大了干物质最大增长速率、根长和根粗，最终提高了黄芪干物质积累量。黄芪产量(X8)与各项光合指标、叶绿素含量、生物指标、质量指标均呈现显著或极显著正相关关系，说明通过氮肥减量与增加密度的栽培措施显著改善了黄芪生育期内的光合速率与相关生物指标，最终显著提高了黄芪产量。

3 讨论

3.1 减氮增密对黄芪光合生理特性和干物质积累特征的影响

氮是植物体内蛋白质、酶、叶绿素和特殊化合物的重要成分，氮素形态直接影响药用植物叶片的光合特性并直接作用于干物质积累过程，合理的氮肥施用量在一定程度上能够有效缓解植株叶片叶绿素的降解，延长叶片光合作用的功能期，提高叶片中的SPAD值，为产量和品质的形成奠定物质基础[18-20]。邱黛玉等[21]和程萌萌[22]研究发现，两年生蒙古黄芪采用氮肥、磷肥、钾肥合理配施时，黄芪产量、黄芪甲苷含量和经济效益达到最优。郭亚勤等[23]研究发现，施用有机肥能够显著提高丹参的产量和有效成分含量，有利于增强叶片的光合作用和提高叶绿素SPAD，最终对产量产生直接的贡献作用。在甘草[24]中发现，施肥量为300 kg N·hm-2时，甘草生长的产量和经济效益达到最佳。高游慧等[25]发现，有机肥+矿物肥+微生物肥处理能有效促进黄芪对多种矿质养分元素的积累与分配，提高黄芪产量和品质。因此，不同地域内不同的肥料配比使得不同种类中药材的生长发育特点、产量形成和有效成分含量各不相同，研发配套适宜的氮肥用量和种植密度是河西地区中药材黄芪实现高产优质的基本环节。本试验中，氮肥减量80 kg N·hm-2(N2) 与种植密度 240 000 株·hm-2(D2)的最优组合显著提高了黄芪生育期内的净光合速率、叶绿素含量、干物质积累最大增长速率和干物质积累量。与上述研究结论相符合，即追施氮肥与优化种植密度对黄芪生育期内的光合特性、叶绿素含量、干物质积累特征以及产量和品质的形成有着重要的调节作用。综合可见，在黄芪生产中可以通过适当的减量施氮和适量的增加种植密度来改善黄芪生育期内的光合特性，满足黄芪的养分需求与氮肥供应之间的匹配度，促进叶片和根系的生长发育，提高根长和根粗，促进黄芪干物质积累量的增加，从而获得高产、优质的中药材黄芪。

表2 不同氮肥用量和种植密度对黄芪产量的影响Table 2 Effects of different nitrogen application and planting densities on yield of Astragalus membranaceus var. mongholicus

表3 不同氮肥用量和种植密度条件下黄芪主要指标间的相关性分析Table 3 The correlation analysis of main indexes of Astragalus membranaceus var. mongholicus under different nitrogen application and planting density

注：不同小写字母表示在P<0.05水平上差异显著。Note: The values followed by different letters mean significant difference at 0.05 level.图5 不同氮肥用量和种植密度对黄芪甲苷含量的影响Fig.5 Effects of different nitrogen application and planting densities on the content of astragaloside of Astragalus membranaceus var. mongholicus

3.2 减氮增密对黄芪产量与甲苷含量的影响

中药材产量和品质的优化与中药材的种类、氮肥追施比例、种植密度等多种因素密切相关。氮肥合理追施会促进中药材地上部分的生长，降低根冠比例，对药用植物中的营养成分、多种抗氧化酶和次生代谢产物具有显著的调控作用[26-28]。王渭玲等[29]和王晓飞等[30]研究发现，氮肥、磷肥、钾肥的合理配施可显著促进黄芪生育后期干物质积累和产量形成，加快黄芪多糖、黄芪甲苷含量等药效成分含量的积累。徐博琼等[13]研究发现，移栽密度为238 000株·hm-2时，蒙古黄芪的主茎粗壮、根冠比较大，产量和品质得到显著改善。因此，在实际生产中通过氮肥合理施用与恰当移栽密度能够实现中药材黄芪的高产、优产。本研究发现，氮肥减量施用80 kg N·hm-2与种植密度240 000株·hm-2的最优组合能够有效提高黄芪的根长、根粗、地下部干质量，最终提高产量和黄芪甲苷含量，有效改善中药材黄芪的品质。当氮肥追施比例过高时[31]，会影响黄芪的营养生长与叶片的光合生理活性，进一步限制光合生产潜力的发挥和光合产物的积累，限制氮素营养从茎叶向地下根部的转运和积累，造成一定程度的减产。黄芪的种植密度达到300 000株·hm-2时，生育后期的净光合速率、叶绿素含量和干物质积累最大增长速率不断下降，最终造成黄芪的产量和品质降低，本研究与玉米[32]、紫苏[33]、菊花[34]等作物的研究结论相一致。综上，通过合理的氮肥追施和恰当的种植密度能够有效改善密植条件下黄芪的光合特性和干物质积累特征，有效提高黄芪的产量，进一步改善药材的品质，从而为大田生产实践中获得高产、优质的中药材黄芪提供理论依据和技术支撑。

4 结论

氮肥减量施用与增加种植密度能够协同增大黄芪生育期内的净光合速率、叶绿素含量和干物质积累最大增长速率，显著提高黄芪干物质积累量和产量，具有明显改善黄芪品质的效果。因此，在绿洲区通过氮肥减量施用80 kg N·hm-2(N2)与增加种植密度240 000株·hm-2(D2)的最佳组合方式能够有效增强中药材黄芪生育期内叶片的光合作用和提高叶绿素含量，优化干物质积累特征，对提高黄芪产量和黄芪甲苷含量具有显著的促进作用，对发掘该区域内合理密植条件下的中药材黄芪节肥、增效、高产、优质栽培模式具有重要的推广价值。