茯苓不同栽培模式的土壤生态环境变化研究

徐雷，胡引娣，刘常丽，徐建中，郭兰萍

（1.中国中医科学院中药资源中心，中国中医科学院博士后科研流动站，北京 100700；2.湖北中医药大学药学院，湖北 武汉 430065；3.湖北卫尔康现代中药有限公司，湖北 黄冈 438000）

茯苓为多孔菌科真菌茯苓[Poria cocos(Schw.)Wolf]的干燥菌核，具有利水渗湿、健脾及宁心之功效[1]，是临床应用最为广泛的中药之一，始载于《神农本草经》，为历版《中华人民共和国药典》所收载。我国茯苓药材主要源自人工栽培，湖北、安徽接壤的大别山区为茯苓主产区之一。茯苓适宜栽培于海拔600～1 000m松林地，以背风向阳、坡度10～35°、pH 5～6、含砂量60%～70%的沙质壤土为宜。茯苓忌连作，同一栽培场连年种植往往出现茯苓喙扁蝽、白蚁等虫害、菌丝体褐变、结苓率下降、菌核质地松软及产量下降等连作障碍现象[2]。同一栽培场所，一般须间隔2～3年以上才能再次种植茯苓，严重制约了道地产区茯苓产业可持续发展。

中药材栽培过程中连作障碍问题普遍存在，研究表明约70%的根及地下茎类中药材存在较严重的连作障碍[3]。连作障碍产生因素十分复杂，主要包括土壤、植物及微生物3个方面，其中土壤理化性质改变，土壤酶活性降低是连作障碍发生的重要原因[4]。因此，本研究分别以仿拟茯苓野生生境于松树林栽培的“林药仿生栽培”（以下简称仿生栽培）、林缘地表种植1年生浅根系草本农作物、地下种植茯苓的“粮药立体栽培”（以下简称立体栽培）和在传统农作物大田种植的“农田单作栽培”（以下简称单作栽培）3种模式的茯苓栽培窖场土壤为研究对象，对茯苓栽培前、采收后以及土地不耕不种进行休闲的第1年和第2年共4个时期的土壤理化性质、土壤酶活性进行动态研究，以探明茯苓栽培不同时期土壤生态环境的变化规律，为解析茯苓连作障碍及合理间隔年限种植提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

仿生栽培、立体栽培和单作栽培3种模式均以成年马尾松段木为培养料，采取段木栽培方式和相同的田间管理技术。试验地位于湖北省罗田县九资河镇。其中仿生栽培为松树林下环境栽培；立体栽培为林缘荒地表层种植芝麻、地下栽培茯苓；单作栽培是在种植农作物的大田栽培茯苓。

1.2 土样采集

分别于仿生栽培、立体栽培和单作栽培3种模式的茯苓栽培之前、采收之后、休闲1年、休闲2年4个时期进行土样采集。按“S”型5点随机取样法，采取10～20 cm深土层土样，重复取样3次，自然风干、去杂，备用。采集样品一部分用于测定土壤理化性质；另一部分置于冰箱低温保存，用于测定土壤酶活性。

1.3 土壤理化性质分析

取过20目筛的风干土样，采用电位法测定土壤pH。取过80目筛的风干土样，采用灼烧法测定土壤有机质含量。

1.4 土壤酶活性分析

蔗糖酶采用3，5-二硝基水杨酸比色法，活性以恒温培养24 h每克土样中产生的葡萄糖的质量来表示（mg/g）；纤维素酶采用硝基水杨酸比色法测定，活性以培养72 h每10 g土样中产生的葡萄糖的质量来表示（mg/10g）；脲酶采用苯酚钠比色法，活性以培养24 h每克土样中产生的NH3-N质量来表示（mg/g）；多酚氧化酶采用邻苯三酚比色法，其酶活性以培养2 h每克土样中产生的没食子酸质量来表示（mg/g）[5]。

1.5 数据处理

试验数据采用WPS Excel 2013和IBMSPSS（20.0版）软件进行处理和分析。

2 结果与分析

2.1 不同栽培模式茯苓窖场土壤理化性质变化研究

2.1.1 土壤pH变化 酸碱性是土壤重要化学性质，常以pH表示，自然状态下，土壤pH变化过程十分缓慢，变化一个单位需经历漫长时间。植物在土壤中生长，伴随着两者互作关系的持续，会对土壤pH产生不同程度影响。3种栽培模式茯苓栽培土壤pH变化见图1，栽培茯苓后土壤pH均不同程度降低，其中仿生栽培、单作栽培土壤pH显著降低（P＜0.05），单作栽培的土壤酸碱度由酸性转变为强酸性，立体栽培土壤pH下降不显著（P＞0.05）。此后，土壤两年休闲期间，仿生栽培、立体栽培土壤pH变化趋于稳定，其中仿生栽培pH逐渐升高，休闲1年和休闲2年的土壤pH分别为6.20、6.23与栽培之前土壤pH 6.44无显著差异（P＞0.05），单作栽培土壤pH仍然呈现较大幅度波动变化。

图1 不同栽培模式茯苓窖场土壤pH的动态变化Fig.1 Dynamic changes of soil pH under different cultivation modes of P.cocos

2.1.2 土壤有机质变化 不同模式茯苓栽培前后土壤有机质（SOM）变化规律见图2，立体栽培、仿生栽培、单作栽培SOM含量变化趋势一致，均表现为栽培后SOM含量大幅度增加，增幅分别为27.3%、57.5%和38.5%，此后逐渐下降，休闲2年后立体栽培、仿生栽培SOM仍低于栽培前水平，单作栽培恢复至栽培前水平。

图2不同栽培模式茯苓窖场土壤有机质的动态变化Fig.2 Dynamic changes of different cultivation modes on soil organic matter of P.cocos

2.2 不同栽培模式茯苓窖场土壤酶活性变化研究

土壤酶参与生物和土壤间的物质循环与能量转化，反映了土壤所处的状况，且对外界因素引起的土壤内部变化较敏感，被认为是土壤生态系统变化的预警和敏感指标，其活性高低也是土壤质量水平的重要表征[6]。

2.2.1 土壤蔗糖酶活性变化 蔗糖酶的酶促作用产物葡萄糖，是植物和微生物的重要营养源，直接关系到作物的生长。不同栽培模式不同时期茯苓栽培土壤蔗糖酶活性变化见图3，茯苓栽培后蔗糖酶活性不同程度发生改变，仿生栽培、立体栽培土壤蔗糖酶活性均增强，其中仿生栽培蔗糖酶活性略增，立体栽培土壤蔗糖酶活性显著增强（P＜0.05），由0.285 mg/g增至0.339 mg/g，此后土壤休闲期间蔗糖酶活性均持续下降；单作栽培土壤蔗糖酶活性不断下降，由0.560 mg/g降至0.367 mg/g。3种模式休闲2年后，土壤蔗糖酶活性均显著低于栽培前水平（P＜0.05）。

图3 不同栽培模式茯苓窖场土壤蔗糖酶活性的动态变化Fig.3 Dynamic changes of different cultivation modes on soil invertase activity of P.cocos

2.2.2 土壤纤维素酶活性变化 纤维素酶是茯苓菌丝体胞外酶的重要组成部分，也是茯苓降解松树纤维素的重要酶类，因此在茯苓营养过程中具有重要作用。不同栽培模式不同时期茯苓土壤纤维素酶活性变化见图4，仿生栽培、立体栽培土壤纤维素酶活性变化规律较相似，采收后呈现增加趋势，休闲1年开始下降，休闲2年土壤纤维素酶活性又大幅上升，增幅分别为67.2%，36.6%。单作栽培采收后土壤纤维素酶活性呈缓慢增加趋势，休闲1年后开始下降，休闲2年降幅达32.7%。

图4 不同栽培模式茯苓窖场土壤纤维素酶活性的动态变化Fig.4 Dynamic changes of different cultivation modes on soil cellulase activity of P.cocos

2.2.3 土壤脲酶活性变化 脲酶是土壤中氮转化的关键酶，与土壤生物地球化学循环中的氮循环密切相关。不同栽培模式不同时期茯苓土壤脲酶活性变化见图5，仿生栽培、立体栽培土壤脲酶活性变化规律较相似，在栽培茯苓后活性猛增，增幅分别达4.5倍和1.7倍。土壤休闲期间，休闲1年两者土壤脲酶活性又大幅下降，降幅分别为91.2%和79.2%，休闲2年土壤脲酶活性又小幅上升，增幅分别为36.2%和50.0%。单作栽培后土壤脲酶活性下降42.6%，休闲1年继续小幅下降后趋于稳定。3种模式休闲2年后，土壤脲酶活性均显著低于栽培前水平（P＜0.05）。

图5 不同栽培模式茯苓窖场土壤脲酶活性的动态变化Fig.5 Dynamic changes of different cultivation modes on soil urease activity of P.cocos

2.2.4 土壤多酚氧化酶活性变化 土壤多酚氧化酶是一种氧化还原酶，能把土壤中芳香族化合物氧化成醌，完成土壤芳香族化合物循环，促进土壤有机碳的累积。不同栽培模式不同时期茯苓土壤多酚氧化酶活性变化见图6，3种模式均表现为先下降后升高。其中仿生栽培后多酚氧化酶活性略降，然后逐渐升高，休闲2年增至11.628 mg/g。立体栽培至休闲1年期间多酚氧化酶活性呈持续下降趋势，休闲2年活性显著增强，增幅达58.8%，增至14.972 mg/g。单作栽培后多酚氧化酶活性首先大幅下降，休闲期间活性逐年增加，休闲1、2年分别升高至9.533 mg/g和11.923 mg/g。

图6 不同栽培模式茯苓窖场土壤多酚氧化酶活性的动态变化Fig.6 Dynamic changes of different cultivation modes on soil polyphenol oxidase activity of P.cocos

3 讨论与结论

土壤酸碱度的动态变化对土壤微生物、养分转化、元素迁移、植物生长等其他土壤环境因子均产生重要影响[7]，土壤酸化会导致土壤阳离子养分加速流失，是土壤退化的重要标志之一[8]。目前，在人参[9]、三七[10]等多种药用植物中，均出现栽培后土壤酸化及板结加剧，被认为是导致其连作障碍发生的重要原因之一。余世金等亦研究发现，茯苓栽培后土壤pH明显下降[11]。本研究中，栽培之前土壤本底pH均位于5.5～6.5之间，酸碱度为酸性适宜于茯苓生长，不同模式栽培茯苓后，出现土壤酸化加剧，单作栽培甚至变为强酸性，仿生栽培、立体栽培两种模式植物群体更为多样，系统结构更为复杂，维持稳态能力更强，栽培后虽有一定程度降低，但休闲1年pH即企稳回升，仿生栽培土壤pH更是恢复至栽培前水平，表明仿生栽培模式系统更为稳定，受到茯苓栽培引起的土壤酸化通过自调控一年即可恢复到原初状态。

SOM是土壤中的各种含碳有机化合物，主要源自于各种动、植物残体，微生物及其分解和合成的各种有机物质，是体现土壤肥力的重要指标。SOM的流失会引起土壤生态系统功能降低，并影响土壤的健康水平。茯苓属于木腐型真菌，其主要通过菌丝体分泌胞外酶降解松树的纤维素和半纤维素，进而加以吸收利用，提供其营养所需，而非源自光合作用或土壤。对于茯苓而言，其栽培土壤的主要作用不是提供营养功能，而是起到调控温度、水分和空气等功能。茯苓栽培引起SOM上升，表明茯苓生长过程中菌丝体大量降解松木形成的含碳有机物除满足生产所需外，尚有未被利用的有机物释放到土壤中，进而引起SOM含量增加，在土壤休闲期间这部分增加的SOM又被土壤中的其他生物利用或是流失，因此SOM含量进而下降，同时由于茯苓营养主要源自松木，SOM应不是导致茯苓不耐连作的原因。

土壤酶作为土壤系统的重要组成部分，对土壤的管理利用方式和养分特征高度敏感。因此，土壤酶活性对指示土壤健康程度和合理耕作制度具有重要作用[12]。本研究中，茯苓不同模式栽培土壤酶活性响应呈现多样性，蔗糖酶活性方面，仿生栽培、立体栽培两种模式先增强后减弱，单作栽培蔗糖酶活性不断下降，休闲2年3种模式土壤蔗糖酶仍低于栽培前水平。纤维素酶活性方面，3种模式均随时间推移而宽幅波动，休闲2年后仿生栽培、立体栽培活性增强，单作栽培活性减弱。脲酶活性方面，仿生栽培、立体栽培活性先增强后减弱，单作栽培活性持续下降。多酚氧化酶活性3种模式均呈现先下降后增强趋势。其中茯苓单作栽培前后土壤酶活性变化特征与杨祺等[13]对茯苓代料栽培研究的结果吻合。近年来研究表明，半夏、当归、薯蓣和地黄等多数药用植物栽培后均对土壤酶活性产生影响，部分土壤酶表现为升高，多数土壤酶活性降低，其中土壤酶活性降低被认为是药用植物连作障碍产生的原因之一[14]。研究发现由复合植物群体构成的仿生栽培和立体栽培两种模式土壤酶活性呈现出相似的变化规律，而与单作栽培差异较大，并且在休闲2年后纤维素酶、多酚氧化酶即恢复至高于栽培前水平，表现出更强的土壤酶活性恢复能力。因此，在茯苓生产过程中，在维护松林生态功能的前提下，禁用化肥和化学农药等影响药材品质或污染环境的生产要素，遵循中药生态农业理论，采用仿生栽培、立体栽培等复合性栽培模式，保持土壤生态平衡和生态系统结构的稳定性，是实现茯苓生态种植的有效途径[15]。