种植密度对湖北贝母生长及品质的影响

段媛媛， 刘晓洪， 唐涛， 王帆帆， 游景茂， 郭晓亮， 郭杰*

（1.湖北省农业科学院中药材研究所， 农业农村部中药材生物学与栽培重点实验室， 湖北省中药材规范化生产（GAP）工程研究中心， 湖北 恩施 445000； 2.湖北省农业科学院，林下经济湖北省工程研究中心， 武汉 430064）

种植密度由作物间距决定，影响作物生长所需的水、肥、光、热等非生物因子的利用率，进而影响作物的产量和品质[1-2]。优化种植密度是现代农业优质高产栽培的主要措施之一[3]。合理密植能改变单位面积内作物的水肥利用率，增加单位面积植株的数量，增大单位面积的生产力，进而提高作物产量[4-5]。种植密度过高或过低均不利于作物产量的积累。研究表明，提高种植密度能保障作物高产稳产，有效抑制杂草生长[6]；但当种植密度过高时，作物冠层内的透光性差，作物之间对光、水和土壤养分等的竞争加剧，产量反而下降[7]。作物种植密度过小，群体内植株数量下降，造成土地资源浪费[8]。众多研究表明，合理控制种植密度能使作物达到高产的目的[9-10]，但由于作物品种、种植环境等存在差异，针对作物品种特征，构建适宜的种植密度才能达到优质高产的目的[11]。

湖北贝母（Fritillaria hupehensis）为百合科（Liliaceae）贝母属（FritillariaL.）多年生喜阴草本植物，其干燥鳞茎具有清热化痰、止咳、散结[12-13]等功能，是我国常用的中药材之一。研究表明，栽培中水肥管理及种植密度对贝母类药材具有显著影响[14]。随着国家对中医药产业的重视及中药材市场的扩大，湖北贝母的规模化种植受到广泛关注。目前，关于种植密度对贝母类药材生长发育的影响已有报道，但尚未实现湖北贝母的优质高产栽培。因此，湖北贝母在主产区生长的适宜种植密度尚需进一步研究。基于此，本研究以湖北贝母为研究对象，探究种植密度对其不同时期生长性状、生理特性、产量及品质的影响，以期筛选适宜湖北贝母生长的最佳种植密度，为湖北贝母的高产栽培提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验地位于湖北省恩施市新塘乡下坝村湖北省农业科学院中药材研究所试验基地（30°11′12″ N，109°46′32″ E），海拔1 650 m，属亚热带季风和季风性湿润气候，年均降雨量1 400 ～1 500 mm，年均温度16 ℃，无霜期282 d，日照时数1 300 h，相对湿度82%。土壤为红壤土，耕层土壤有机质26.86 g·kg-1，碱解氮112.0 mg·kg-1，速效磷76.72 mg·kg-1，速效钾269.0 mg·kg-1。试验地种植湖北贝母之前一年撂荒。

1.2 试验材料

供试湖北贝母种茎购自湖北省建始县康泰药业连锁有限公司，经湖北省农业科学院中药材研究所郭杰副研究员鉴定为百合科植物湖北贝母的新鲜鳞茎。试验前将新鲜鳞茎进行分级，选取大小一致、单个重量约7 g 左右的鳞茎做种（正负误差在20%以内）。

试验用有机肥为禾丰康田生物有机肥，购自恩施施州农化有限责任公司。该有机肥采用枯草芽孢杆菌为核心，海藻提取物及植物源有机肥料发酵而成，其中有机质≥40%，枯草芽孢杆菌有效活菌数≥0.20亿·g-1。

1.3 试验设计

田间试验于2020 年9 月至2021 年6 月进行，共设置4 个播种密度，株行距分别为5 cm×10 cm（PD1）、10 cm×10 cm（PD2）、10 cm×15 cm（PD3）、15 cm×15 cm（PD4）（对应的密度分别为110、80、56、42 万株·hm-2），每个密度3 次重复，处理小区随机排列，每个小区面积均为1.50 m×4.45 m，四周保护行、小区间走道、重复间走道均设置为0.5 m。2020年9月将试验地进行翻耕，施入1 200 kg·hm-2有机肥作为基肥，翻耕均匀，将所选湖北贝母种茎按照各种植密度撒播后覆土2～3 cm。

1.4 测量指标及方法

1.4.1 生长性状、生理指标的测定 分别于苗期（3 月10 日）、花期（4 月6 日）及倒苗期（4 月27 日）从每个处理随机选取5 株湖北贝母作为待测样品，测定其株高、鳞茎长、鳞茎鲜重、植株底部向上数第2 片长势一致叶片的叶面积等生长指标。选取相同部位的健康叶片，参照He 等[15]方法，采用95%乙醇浸提比色法测定叶绿素（chlorophyll，chl）及类胡萝卜素（carotenoid，Car）含量；采用紫外吸收法测定过氧化氢酶（catalase，CAT）活性；采用Sigma 法测定过氧化物酶（peroxidase，POD）活性；采用NBT 光化还原法测定超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）活性；采用硫代巴比妥酸加热比色法测定丙二醛（MDA)含量；采用硝基四氮唑蓝还原法测定超氧阴离子自由基（·）含量；采用G-250 考马斯亮蓝法测定可溶性蛋白（SP）含量，取平均值作为单个小区的整体水平。

1.4.2 产量的测定 于湖北贝母收获期，在每个小区（避开边缘部分）随机选择1 m2地块，将其中的湖北贝母全部挖出，使用3 kg 级乐祺电子秤（LQ-C3002）称重，重复3 次，换算成每公顷产量，并计算产量增量。

1.4.3 贝母素乙含量的测定 参照2020 版《中华人民共和国药典（第一部）》中的方法（通则502）[13]，使用安捷伦1260-LC 高效液相色谱仪（安捷伦科技有限公司）测定贝母素乙含量。试验用贝母素乙标准品（中国食品药品检定研究院，97.7%）批号为110751，购自武汉中恩科技有限公司。

1.5 数据处理

采用Excel 2019 及SPSS 19.0 对数据进行统计分析。采用单因素（one-way ANOVA）和Duncan法进行方差分析和多重比较，采用Origin Pro 2021对不同处理湖北贝母生长性状和生理特性进行Pearson 相关性分析。采用Origin Pro 2021 软件作图，图中数据为平均值±标准误差。

2 结果与分析

2.1 不同种植密度下湖北贝母生长性状分析

由图1可知，苗期PD1处理下湖北贝母的株高显著低于其他3个处理（P＜0.05），相较于PD2、PD3及PD4 处理分别降低了13.90%、18.07% 及13.07%。花期PD1处理下湖北贝母的株高显著低于其他3 个处理，较PD2、PD3、PD4 处理分别降低了14.72%、23.31%和12.26%，PD3 处理下湖北贝母的株高显著高于PD2 和PD4 处理，分别提高了10.07%和12.59%。花期PD1、PD2 处理的叶面积显著低于PD4 处理，较PD4 处理分别降低了14.41%和20.31%。花期PD1 处理下湖北贝母的鳞茎长显著低于其他3个处理，相对于PD2、PD3及PD4分别降低了11.26%、12.26%及12.02%。总体上，在湖北贝母的整个生长期，随着种植密度的增加，湖北贝母的株高呈先增大后减小的变化趋势。

图1 不同种植密度下湖北贝母生长性状Fig.1 Growth traits of Fritillaria hupehensis under different planting densities

2.2 不同种植密度下湖北贝母光合色素含量分析

如图2 所示，湖北贝母整个生长期，随着种植密度的增加叶绿素含量均呈先增大后减小的变化趋势，当种植密度为PD3（株行距为10 cm×15 cm）时，叶绿素a、叶绿素b和总叶绿素含量均高于其他处理。花期及倒苗期PD3处理下类胡萝卜素含量最大，显著高于PD1处理（P＜0.05）。苗期PD3处理下叶绿素a含量及总叶绿素含量与PD1、PD4处理差异显著，苗期PD3处理下叶绿素b含量与PD4处理差异显著；花期PD3处理下叶绿素a含量及总叶绿素含量与PD1处理差异显著。上述结果表明，在湖北贝母的生长过程中其光合色素含量受种植密度影响，株行距10 cm×15 cm（PD3）的种植密度能提高湖北贝母的光合色素含量。

图2 不同种植密度下湖北贝母光合色素含量Fig.2 Photosynthetic pigments content of Fritillaria hupehensis with different planting densities

2.3 不同种植密度下湖北贝母抗氧化酶活性分析

由图3 可知，湖北贝母生长过程中，PD1、PD2处理下叶片的过氧化氢酶（CAT）活性显著低于PD3、PD4 处理（P＜0.05）。苗期PD1 处理较PD3、PD4处理分别降低了57.01%、58.67%，PD2处理较PD3、PD4 处理分别降低了20.95%、23.99%；花期PD1 处理较PD3、PD4 处理分别降低了73.87%、74.44%，PD2处理较PD3、PD4处理降低了18.39%、20.19%；倒苗期PD1 处理较PD3、PD4 处理分别降低了66.67%、67.57%，PD2 处理较PD3、PD4 降低了27.78%、29.73%。花期PD1 处理下超氧化物歧化酶（SOD）活性显著低于其他3 个处理，分别降低了20.09%、25.30%和17.26%。苗期PD1 处理下过氧化物酶（POD）活性显著低于PD3 处理，降低了11.20%。总体来说，随着播种密度的增加，湖北贝母叶片的CAT 活性降低，SOD 活性及POD活性先增大后降低，当种植密度为PD3（株行距为10 cm×15 cm）时达到最大值。

图3 不同种植密度湖北贝母抗氧化酶活性Fig.3 Autioxidant enzyme activities of Fritillaria hupehensis with different planting densities

2.4 不同种植密度下湖北贝母渗透调节物质含量分析

如图4 所示，湖北贝母整个生长期中，PD3 处理下可溶性蛋白（SP）含量均显著高于PD1和PD2处理（P＜0.05），苗期PD3 处理分别较PD1、PD2 处理提高了24.21%、13.61%；花期PD3 处理分别较PD1、PD2处理提高了43.83%、35.04%；倒苗期PD3处理分别较PD1、PD2 处理提高了24.44%、22.25%。苗期及花期，PD3 处理下超氧阴离子自由基（·）含量显著低于PD1处理，分别较PD1降低了16.56%和13.66%。苗期PD3 处理下丙二醛（MDA）含量显著低于PD1 和PD2 处理，分别较PD1、PD2 处理降低了13.94%、10.07%；花期PD3处理下MDA 含量显著低于PD1和PD4处理，分别较PD1、PD4 处理降低了11.98%、5.64%。总体来看，PD3 处理下SP 含量高于其他处理，但其·O-2含量及MDA含量低于其他处理。

图4 不同种植密度下湖北贝母渗透调节物质的含量Fig.4 Osmotic regulation of substance content of Fritillaria hupehensis with different planting densities

2.5 湖北贝母生理生长性状的相关性分析

相关性分析（图5)表明，生长性状株高和鳞茎鲜重（P＜0.01）、鳞茎长（P＜0.01）、MDA 含量（P＜0.01）、POD活性（P＜0.001）及·含量（P＜0.01）显著正相关；叶面积和鳞茎鲜重（P＜0.001）、鳞茎长（P＜0.01）、POD 活性（P＜0.01）显著正相关；鳞茎鲜重和鳞茎长、MDA 含量、POD 活性及·含量极显著正相关（P＜0.001）；鳞茎长和MDA 含量、POD活性及ROS含量极显著正相关（P＜0.001）；光合色素含量与CAT 活性、SOD 活性、SP 含量极显著正相关（P＜0.001）；CAT 活性与SOD 活性、SP 含量极显著正相关（P＜0.001）；SOD活性与SP含量极显著正相关（P＜0.001）；叶绿素含量与MDA 含量、POD活性极显著负相关（P＜0.001）；Car含量、CAT活性和MDA 含量、·含量显著负相关（P＜0.01），和POD 活性极显著负相关（P＜0.001）；SOD 活性与SP 含量极显著正相关（P＜0.001），与POD 活性、MDA 含量和·含量极显著负相关（P＜0.001）；MDA 含量和·含量、POD 活性极显著正相关（P＜0.001），与SP 含量极显著负相关（P＜0.001）；POD 活性SP 含量极显著负相关（P＜0.001），与·含量极显著正相关（P＜0.001）；SP 含量与·含量极显著负相关（P＜0.001)。

图5 湖北贝母生理生长特性的相关性分析Fig.5 Correlation analysis of physiological growth traits of Fritillaria hupehensis

2.6 不同种植密度下湖北贝母产量及贝母素乙含量分析

由图6 可知，随着播种密度的增加，湖北贝母的产量呈增大趋势。当播种密度为PD1（株行距为5 cm×10 cm）时产量最大，为11 975.3 kg·hm-2；当种植密度为PD4（株行距为15 cm×15 cm）时，湖北贝母的产量最小，为4 970.0 kg·hm-2。而其产量增量及贝母素乙含量则随密度增加呈先增大后减小的变化趋势，当播种密度为PD3（株行距为10 cm×15 cm）时，湖北贝母的产量增量及贝母素乙含量最大，分别为5 081.0 kg·hm-2和0.297%。当种植密度为PD4（株行距为15 cm×15 cm）时，湖北贝母的产量增量及贝母素乙含量最小，为2 690.3 kg·hm-2和0.267%。可见，密植能显著提高湖北贝母的产量（P＜0.05），当其种植密度过大时，产量增量及贝母素乙含量降低，这表明合理密植才能提高湖北贝母的品质及经济效益。

图6 不同种植密度下湖北贝母产量及贝母素乙含量Fig.6 Yield of substance content and peiminine of Fritillaria hupehensis with different planting densities

3 讨论

3.1 种植密度对湖北贝母生长性状及生理特性的影响

植物地上及地下性状能反映其对环境变化的适应性，株高能反映植物与其相邻植株的竞争和适应能力[16]。研究表明，种植密度对作物的生长性状影响显著[17]，低密度下植株获取较多的养分及光照，生长较快；随着密度的增加，个体可利用的资源减少，从而对株高产生显著影响[3]。本研究中，苗期及花期湖北贝母生长旺盛，高密度（PD1）处理下其株高显著低于其他处理，这可能是由湖北贝母群体竞争的密度限制效应造成的，高密度下湖北贝母个体之间营养竞争较强，个体所获养分及能量较少，植株瘦弱，株高偏低[6]。此外，高密度下湖北贝母株高降低还可能是湖北贝母的一种“耐受”策略，通过缓解个体生长速度加强对高密度胁迫的耐受力，保证更多植株的存活率[18]。而生长后期湖北贝母群体达到了最大的资源利用率，各处理间的株高趋于一致，不同处理间湖北贝母的株高无显著差异。

叶绿素是参与植物的光合作用及能量转换的关键物质，其含量是反映植物光合作用性能和产量的重要生理指标[19]，叶绿素a 主要吸收红光，叶绿素b 主要吸收蓝紫光[20]。本研究中当种植密度为PD3（株行距为10 cm×15 cm）时，叶绿素a 含量、叶绿素b 含量、总叶绿素含量及类胡萝卜素含量均高于其他处理，这表明当湖北贝母株行距为10 cm×15 cm 时，其叶片对红光及蓝紫光的吸收能力增强，较高的总叶绿素含量有助于湖北贝母形成较高的群体结构，提升群体光合性能，进而促进产量的增加[10]。CAT 具有分解H2O2的功能，能有效抑制膜脂过氧化反应，是植物抗逆性生理研究的常用指标[21]。本研究中CAT活性在湖北贝母整个生长期表现为高密度显著低于低密度处理，这可能是由于高密度下湖北贝母过氧化产物积累超出阈值，CAT 活性下降[22]。MDA 是膜脂过氧化产物之一，其含量可表征植物细胞膜受损程度[23]。·O2-是衡量植物遭受逆境胁迫的重要指标，植物受到胁迫时，体内的活性氧增加，并对细胞造成伤害[21,23]。本研究中苗期和花期PD3 处理的·O-2含量及MDA 含量显著低于PD1 处理，这可能是由于PD3 处理下POD、SOD 活性及SP 含量较高，参与到湖北贝母的活性氧代谢中，从而降低了湖北贝母体内的活性氧含量，提高了其抗逆性。

3.2 种植密度对湖北贝母产量的影响

合理密植时作物利用水肥光热等资源优化群体结构，改善单株在密植群体中的光合表现，达到增产的目的[16,24]。合理的种植密度使作物群体内透光性、通风性良好，个体积累较多的干物质，产量增加[11]。许奕等[25]对不同株行距下浙贝母的产量进行分析，发现减小株行距有助于浙贝母增产。本研究得到相似结果，湖北贝母的产量随种植密度的增加逐渐增加，但地下部分性状（鳞茎鲜重及鳞茎长）随密度变化差异不显著，这可能是由于密植增加了单位面积湖北贝母个体数量，进而提高了湖北贝母的产量。研究表明，作物的干物质积累存在密度效应，具体表现为在适宜范围内干物质的积累随密度的增加而增加，但超过适宜密度后，资源竞争加剧，群体干物质积累量降低[8,26]。本研究中湖北贝母的产量增量也存在密度效应，随密度的增加呈先增大后减小的变化趋势，当其种植密度过大时，产量增量显著降低，说明密植能增加湖北贝母的产量，合理密植才能提高单位面积湖北贝母的生产力，增加湖北贝母的经济效益。

3.3 种植密度对湖北贝母品质的影响

中药材品质的优劣取决于其有效成分的含量。研究表明，异甾体类生物碱是贝母类药材的主要活性成分[27-28]，且《中华人民共和国药典》2020 版规定，湖北贝母有效成分含量测定以高效液相色谱法检测的贝母素乙含量为标准[13]。本研究中贝母素乙含量随密度的增加呈先增大后减小的变化趋势，这可能是由于中密度下湖北贝母光合作用较强，生长速度较快，促进了次生代谢产物贝母素乙的生物合成，含量升高。贝母素乙是一类含氮有机化合物，高密度下贝母素乙含量降低可能是由于密度增加，湖北贝母对土壤氮素的竞争加剧[17]，个体获得的氮素不足，从而限制了贝母素乙含量的合成，含量降低。可见，合理密植不仅能提高湖北贝母的产量，也改良了湖北贝母的品质。