土壤养分和酶活性及三七产量、皂苷含量对水肥耦合的响应

王昭仪，脱云飞*，刘香凝，石小兰，丁明净，黎建强，向 萍，何霞红，杨启良

（1 西南林业大学生态与环境学院，云南昆明 650224；2 昆明理工大学现代农业工程学院，云南昆明 650500）

三七(P.notoginseng)是云药主要原料之一，具有治疗心脑血管疾病功效[1]，全国95%以上三七产自于云南[2]。三七属免耕遮荫多年生宿根植物，种植周期为3～7 年，喜温暖阴湿，怕严寒酷暑，种植户为追求最大单产和经济效益，盲目增大灌水量，过量施农药化肥，导致土壤养分积累，农田养分淋溶流失，土壤环境质量恶化，对生态环境造成潜在风险，水肥利用率、产量和品质下降[3]。不同的灌水定额和施肥定额对三七土壤养分、酶活性、生长发育、产量品质和水肥利用率影响较大[4]。

土壤酶活性影响土壤中碳、氮、磷、硫等多种元素的生物循环，是土壤肥力的一个重要指标[5]。氮、磷肥互作和土壤酶活性是微生物群落结构变化的主控因子[6]。适宜施氮量可增加土壤真菌、放线菌和固氮菌数量，提高土壤脲酶活性[7]。干湿交替下土壤可溶性有机碳和铵态氮含量下降明显，硝态氮含量增加[8]。节水灌溉调控着土壤微生物和酶活性[9]，进而影响土壤碳、氮养分循环。水肥优化管理既促进作物对氮磷的吸收利用，提高产量和品质，又可减少土壤水、硝态氮流失[10-11]。三七中已发现200 多种皂苷成分，三七总皂苷是其中起最重要作用的活性成分，其代表性成分为三七皂苷R1(R1)、人参皂苷Rg1(Rg1)、人参皂苷Rb1(Rb1)、人参皂苷Re (Re)和人参皂苷Rd (Rd)，Rg1和Rb1是总皂苷中含量最高的两个成分[12]。灌水量和施肥量对三七皂苷和黄酮类物质等主要有效成分的影响显著[13]。适量施用钾肥显著增加三七产量和皂苷含量[14]。

三七不同生育期对养分需求不同，6—8 月份是三七对养分需求的高峰期[15-16]。本研究以三七根增期、苗期、花期和果期土壤养分、酶活性、产量和皂苷含量及水肥利用效率，对不同灌水定额和施肥定额响应为研究对象，设置3 个灌水定额水平和4 个施肥定额水平，1 个对照处理，每个处理3 次重复的水肥耦合试验，为三七土壤养分循环利用、水肥高效利用和管理、提高产量和品质提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验在云南省红河州泸西县大栗树村三七典型种植区(24°15′N，103°30′E)进行，属北亚热带季风气候，季节分明，夏季多雨，冬季干燥。雨季集中在6—10 月，年均降雨量为850.0 mm。年均气温为16.6℃，年均相对湿度为65%～85%，年均日照为2122 h，无霜期为272.7 天。试验区土壤类型为红壤，耕层土壤基本理化性质：有机碳14.3 g/kg、全氮0.98 g/kg、全磷0.37 g/kg、全钾14.8 g/kg、速效钾317 mg/kg、硝态氮8.35 mg/kg、铵态氮19.2 mg/kg、速效磷11.6 mg/kg、容重1.30 g/cm3、pH 6.34。

1.2 试验设计

试验区采用双层遮阳网遮盖，灌溉方式为倒挂微喷灌，每个地块都采用1 个微喷灌系统进行灌溉，该系统由水管、水阀、水表、施肥器和喷头组成，其中灌水量由水表控制，施肥量通过 TEFEN 公司生产的 MixRite2502 施肥器控制。灌溉前，按照处理灌水和肥料定额，将肥料溶于灌溉水中送到每个试验区管道内，均匀向下喷洒，每隔15 天进行1 次灌水施肥，共24 次。为避免自然降水影响，用塑料薄膜遮盖试验区，排出自然降水，多余水分通过排水管渠排出试验区。结合水肥耦合经验和当地三七种植高产高效灌溉施肥制度，设置3 个灌水定额(W)：120 mm (W1)、240 mm (W2)和360 mm (W3)，田间持水率为42.3%；4 个施肥定额(F)：48 kg/hm2(F1)、72 kg/hm2(F2)、96 kg/hm2(F3)和120 kg/hm2(F4)，组合成12 个水肥组合。CK (对照)依据当地农民灌溉施肥方式进行(撒施方式)，灌水总量为500 mm，施肥总量为250 kg/hm2，灌溉周期为每月一次。每个处理重复3 次，每个小区长16.70 m、宽1.50 m，随机区组排列。供试肥料选用四川什邡德美实业有限公司生产的N-P2O5-K2O 为15-15-30的大量元素水溶肥料，其中腐殖酸≥6%、螯合态Fe≥0.05%、螯合态Zn≥0.05%、螯合态Cu≥0.017%、螯合态Mn≥0.05%、B≥0.1%、Mo≥0.007%、Hg≤5 mg/kg、As≤10 mg/kg、Cd≤10 mg/kg、Cr≤50 mg/kg 和Pb≤50 mg/kg。

1.3 取样及指标测定方法

每年12 月(根增期)、次年3 月(苗期)、6 月(花期)和9 月(果期)灌水施肥后第3 天进行采样。每个小区划出3 个1 m×1 m 的取样区，去除土壤表面枯落物和石砾，按照“S”形取样，取样深度为0—20 cm。用自封袋将土壤样品装好，并贴标签，密封保存送至实验室，鲜土样分为2 组，1 组测定土壤硝态氮、铵态氮含量，1 组铺在牛皮纸上自然风干后去除根茎叶及石砾，研磨、过筛后测定土壤速效磷、速效钾、脲酶、蔗糖酶、酸性磷酸酶和过氧化氢酶，每年果期后，每个试验小区采集3 株三七，取其新鲜根部用于测定皂苷含量。每年11 月，在每个试验小区随机挑选20 株三七植株，将地上部与地下部(块茎)分离，洗净块茎并烘干后，测量干重，用于后续产量(Y)、水分利用率(WUE)和肥料偏生产力(PFP)的计算。

1.3.1 测定方法 土壤养分及酶活性测定方法均参照《土壤农化分析》[17]，土壤硝态氮采用紫外分光光度法测定，铵态氮采用靛酚蓝比色法测定，速效磷采用钼锑抗比色法测定，速效钾采用乙酸铵浸提—火焰光度法测定，过氧化氢酶用KMnO4滴定法测定，脲酶用苯酚-次氯酸钠比色法测定，蔗糖酶用3,5-二硝基水杨酸比色法测定，酸性磷酸酶(Acp)用磷酸苯二钠比色法测定。

三七人参皂苷成分R1、Rg1、Rb1、Re、Rd 含量用高效液相色谱(HPLC)法进行测定。精确称取0.50 g三七块根粉末样品，加50 mL 70% 甲醇浸提，于80℃保持微沸2 h，放冷，超声提取40 min，离心10 min (3000 r/min)，取上清液，过0.45 μm 滤膜，采用液相色谱检测[18]。

产量计算公式为：

水分利用率公式为：

式中，Y 为各处理三七的总产量，kg；W 为生育期内总灌水量，m3。

肥料偏生产力公式为：

式中，F 为三七种植期间总施肥量，kg/hm2。

每个土壤、植株样品测定结果为3 个测定值的平均值。

1.3.2 评价方法 采用熵权法计算各指标权重[19]。计算步骤如下：首先，以13 个处理的硝态氮、铵态氮、速效磷、速效钾、过氧化氢酶、脲酶、蔗糖酶、酸性磷酸酶及R1、Rg1、Rb1、Re、Rd 含量、产量、水分利用率和肥料偏生产力指标为目标变量，构建原始矩阵。然后对原始矩阵进行无量纲处理，得到矩阵(4)，计算各指标比重(5)、熵值(6)和熵权(7)。

式中：i为第i个样本，j为第j个指标，rij为第i个样本在第j个指标下的值，Yij为第i个样本在第j个指标下的矩阵，Pij为第i个样本在第j个指标下的比重，Ej是第j个指标的熵值，Wj为第j个指标的熵权。

拔出力的计算：为了得到拔出力同拔出长度的曲线，实验中提取树根顶部竖向的应力值S22，将其在顶部平面上积分便得到了树根顶部的荷载。因为树根顶部的荷载同拔出力是一对相互作用力，便得到了拔出力。具体计算过程

1.4 数据统计分析

采用双因素方差分析和最小显著性差异法，分析不同的灌水定额和施肥定额对三七土壤养分、酶活性、5 种皂苷含量、产量和水肥利用率影响的差异性(P＜0.05)；采用Pearson 相关分析法分析土壤养分、酶活性、5 种皂苷含量、产量和水肥利用率指标间的相关性，所有数据统计分析采用SPSS 25.0 进行，绘图采用Origin 2021b 完成。

2 结果与分析

2.1 三七土壤养分对水肥耦合的响应

如表1 所示，不同水肥耦合处理土壤硝态氮、铵态氮、速效磷和速效钾含量差异显著(P＜0.05)。根增期，硝态氮含量在W2F4 处理最高(34.6 mg/kg)，W3F1 处理最低(19.1 mg/kg)，W2F4 比W3F1 增长了81%；铵态氮含量在W2F4 处理下最高(21.0 mg/kg)，比W1F1 处理(16.1 mg/kg)增长了30%；速效钾含量也在W2F4 处理最高(132.1 mg/kg)，次之的为W3F4 处理(115.4 mg/kg)。在苗期，硝态氮含量在相同灌水量时，随施肥量增加先增加后降低，最高是W2F3 处理(39.4 mg/kg)；铵态氮含量在W3F2 处理最高(25.4 mg/kg)，次之的是W3F4 处理(23.4 mg/kg)；速效钾含量在W3F2 处理最高，为136.0 mg/kg。

表1 三七主要生育期各水肥组合土壤养分含量(mg/kg)Table 1 Soil nutrient contents at the main growing stages of P.notoginseng under different water and fertilizer combinations

在花期，硝态氮含量在W1F4 处理最高(49.9 mg/kg)，在W1F1 处理含量最低(29.9 mg/kg)，前者比后者增长了64%；铵态氮最高含量出现在W3F3 处理(30.2 mg/kg)，比最低含量W2F3 处理(23.4 mg/kg)增长了29%；速效钾含量基本上随施肥量增加而增加，最大值在W2F4 处理(178.1 mg/kg)，最小值在W1F1 处理(80.6 mg/kg)。在果期，硝态氮含量在W2F4 处理最高(41.8 mg/kg)，W3F1 处理最低(27.2 mg/kg)；铵态氮含量在W3F3 处理最高(25.7 mg/kg)，最低在W1F4 处理(20.1 mg/kg)；速效钾含量最高的是W2F4 处理(158.0 mg/kg)，次之的是W3F4 处理(148.2 mg/kg)。总体而言，灌水量增加不利于硝态氮含量积累。

在相同灌水水平下，根增期、花期、苗期和果期的速效磷，基本上均随施肥量的增加而含量增加，均在W3F4 处理含量最高，分别为23.6、25.9、30.1、26.7 mg/kg。在根增期和苗期，W1F2 处理的速效磷含量最低，分别为17.3 和20.0 mg/kg；而在花期和果期，W2F1 处理的速效磷含量最低，分别为23.1 和19.7 mg/kg。因此可知，高水高肥的W3F4处理更有利于速效磷养分的积累。

2.2 三七土壤酶活性对水肥耦合的响应

由表2 可知，不同水肥耦合处理下土壤脲酶、蔗糖酶、酸性磷酸酶和过氧化氢酶活性差异显著(P＜0.05)。在根增期，土壤脲酶、蔗糖酶、酸性磷酸酶和过氧化氢酶活性最高的处理均为W3F4，分别为7.1 [mg/(g·d)]、44.1 [mg/(g·d)]、5.7 [mg/(g·d)]和8.6 [mL/(g·h)]；而脲酶和蔗糖酶活性最小值均出现在W1F1 处理，分别为4.0 和18.0 [mg/(g·d)]，酸性磷酸酶和过氧化氢酶活性最小值均出现在W1F2 处理，分别为3.4 [mg/(g·d)] 和6.5 [mL/(g·h)]。在苗期，土壤脲酶、蔗糖酶、酸性磷酸酶和过氧化氢酶活性最强的均为W3F4 处理，分别为7.7 [mg/(g·d)]、49.4 [mg/(g·d)]、7.3 [mg/(g·d)]和9.3 [mL/(g·h)]；脲酶活性最低的是W2F1 处理，为4.7 [mg/(g·d)]，土壤蔗糖酶、酸性磷酸酶和过氧化氢酶活性最低的是W1F1 处理，分别为20.5 [mg/(g·d)]、3.7 [mg/(g·d)]和6.9 [mL/(g·h)]。在花期，土壤脲酶、蔗糖酶、酸性磷酸酶和过氧化氢酶活性最强的均为W3F4 处理，分别为10.7 [mg/(g·d)]、69.7 [mg/(g·d)]、9.5 [mg/(g·d)]和10.8 [mL/(g·h)]；脲酶活性最低的是W3F1 处理，为6.1 [mg/(g·d)]，蔗糖酶、酸性磷酸酶和过氧化氢酶活性最低的处理是W1F1，分别为27.3[mg/(g·d)]、6.0 [mg/(g·d)]和7.8 [mL/(g·h)]。在果期，土壤脲酶、蔗糖酶、酸性磷酸酶和过氧化氢酶活性最高的处理均为W3F4，分别为8.7 [mg/(g·d)]、53.5 [mg/(g·d)]、7.6 [mg/(g·d)]和9.5 [mL/(g·h)]；脲酶、蔗糖酶、酸性磷酸酶和过氧化氢酶活性最低的处理是W1F1，分别为5.0 [mg/(g·d)]、24.1 [mg/(g·d)]、4.6 [mg/(g·d)]和7.3 [mL/(g·h)]。

表2 三七主要生育期各处理土壤酶活性Table 2 Soil enzyme activities at the main growing stages of P.notoginseng under different water and fertilizer combinations

2.3 三七产量、水肥利用率和皂苷对水肥耦合的响应

由表3 可知，不同水肥耦合三七产量、水分利用率和肥料偏生产力差异极显著(P＜0.01)。不同灌水量下，产量、水分利用效率和肥料偏生产力差异极显著(P＜0.01)。不同施肥量下，产量和肥料偏生产力的极显著差异(P＜0.01)，水分利用效率的差异显著(P＜0.05)。W2F4 处理产量最大，为2800 kg/hm2，次之为W2F3 处理，2636 kg/hm2，随后为W1F4、W1F3、W3F3 和W3F4 处理。W1F3 和W1F4 处理的水分利用率最大，均为2.0 kg/m3，W3F1 处理的水分利用效率最小，为0.5 kg/m3。W2F1 和W3F1 处理的肥料偏生产力最大，均为1.7 kg/kg，W1F1、W2F2和W3F2 处理的肥料偏生产力次之，W3F4 处理的肥料偏生产力最小，为0.8 kg/kg。三七产量随灌水量和施肥量的增加呈先增加后减小趋势。水分利用效率随灌水量的增加而减小，随施肥量的增加而增加。肥料偏生产力随施肥量的增加而减小。综上，水肥耦合对提高产量效果显著，相同施肥水平下，灌水量越大，水分利用效率反而越小，增加灌水量会增加土壤养分淋洗，导致水肥利用率降低。

表3 三七产量、水分利用率和肥料偏生产力Table 3 Yield, water use efficiency (WUE) and partial productivity of fertilizer (PFP) of P.notoginseng

由图1 可知，不同水肥耦合下R1，Rg1、Re、Rb1和Rd 含量差异显著(P＜0.05)。R1在W1F4 处理含量最高，为27.9 mg/g，次之为W2F2，18.1 mg/g，含量最低的为W3F1 处理(7.6 mg/g)，最高含量比最低含量增长了2 倍；Rg1在W3F2 处理含量最高(52.2 mg/g)，最低的为W1F4 处理(27.8 mg/g)，前者比后者增长了87.8%；Re 在CK 处理含量最高(9.50 mg/g)，次之的为W3F2 处理(6.9 mg/g)，最低的是W1F4 处理(3.45 mg/g)。Rb1在W3F2 处理含量最高(57.1 mg/g)，最低的是W2F3 处理(28.5 mg/g)，前者比后者增长了1 倍；Rd 在W1F4 处理含量最高(13.5 mg/g)，在W2F3 处理含量最低(4.6 mg/g)，前者比后者增长了近2 倍。随灌水量增加，R1、Rb1和Rd 呈先减小后增加趋势。因此，W3F2 处理有利于提高Rg1和Rb1含量，W1F4 处理有利于提高Rd 和R1含量。

图1 不同水肥耦合处理三七皂苷含量Fig.1 Saponin contents of P.notoginseng under different water and fertilizer combination treatments

2.4 三七土壤养分、酶活性、产量和皂苷相关性分析

图2 可知，Rb1和Rd 呈极显著正相关(P＜0.01)，R1和Re 呈极显著负相关(P＜0.01)，Rg1和肥料偏生产力呈极显著正相关(P＜0.01)，产量和硝态氮、脲酶、酸性磷酸酶、过氧化氢酶、蔗糖酶、速效磷、速效钾和Re 均显著相关(P＜0.05)。速效钾和蔗糖酶极显著正相关(P＜0.01)，与酸性磷酸酶和过氧化氢酶显著正相关(P＜0.05)。蔗糖酶和过氧化氢酶、酸性磷酸酶、脲酶及速效磷极显著相关(P＜0.01)，与速效钾显著相关(P＜0.05)。铵态氮和脲酶极显著相关(P＜0.01)，和速效磷、过氧化氢酶、脲酶以及酸性磷酸酶显著相关(P＜0.05)。硝态氮和脲酶间显著相关(P＜0.05)。速效磷、脲酶、酸性磷酸酶和过氧化氢酶相互之间均极显著相关(P＜0.01)。水肥耦合对过氧化氢酶、酸性磷酸酶、铵态氮、硝态氮和蔗糖酶影响均较大，酸性磷酸酶、蔗糖酶、过氧化氢酶以及脲酶关系密切，互相影响。由此可见，水肥耦合可以调节土壤酶活性，提高土壤养分含量，促进植株营养累积，进而增加三七产量。

图2 土壤养分、酶活性、产量、皂苷含量及其水肥利用效率相关性分析Fig.2 Correlation analysis of soil nutrient, enzyme activity, yield, saponin content and water and fertilizer utilization efficiency

2.5 三七土壤养分、酶活性、皂苷含量、产量及其水肥利用率综合评价

依据熵权法得到三七根增期、苗期、花期和果期的土壤养分、酶活性、5 种皂苷含量、产量、水分利用率和肥料偏生产力等指标的权重，然后利用TOPSIS 计算法得到各处理的贴近度Ei，Ei表示评价对象与最优方案贴近程度，Ei值越大，越接近最优方案。由表4 可知，不同生育期各处理排名不同，根增期前4 位分别为W3F4、W1F4、W2F4、W3F3；苗期前4 位分别为W3F4、W1F4、W2F4、W3F2；花期前4 位分别为W1F4、W3F4、W3F2、W2F4；果期前4 位分别为W3F4、W1F4、W2F4、W3F2，主要处于F4 施肥水平。

表4 土壤养分、酶活性、皂苷含量、产量及其水肥利用效率综合评价Table 4 Comprehensive evaluation of soil nutrients, enzyme activity, saponin content, yield and water and fertilizer use efficiency

综上所述，W3F4 根增期、苗期和果期排名均为第一位，W1F4 花期居第一位。已将各个处理和三七产量、水分利用率、肥料偏生产力进行相关性分析，由表3 可知，水肥耦合和产量、水分利用率、肥料偏生产力均呈极显著相关，此评价方法合理。

3 讨论

3.1 土壤养分对水肥耦合的响应

水肥耦合影响土壤的养分迁移和转化，影响作物对养分的吸收。前人研究表明水肥优化管理与传统灌溉施肥相比，不仅精准提供植物生长所需养分，还提高水肥利用率[22]。本研究发现水肥耦合显著提高三七土壤养分含量，灌水量过多不利于硝态氮积累，高水高肥能增加速效磷养分含量。灌水量低时，增加施肥量，可以促使速效磷纵向迁移，随着灌水量增加，三七根系固磷能力也得到增强，土壤中的速效磷养分开始积累[23]。在施肥过多的情况下，速效钾会发生转化，形成其他形式的钾，而在适当的水分供应条件下，这些其他形式的钾有可能再次转化成三七根系能够吸收的速效钾，因此，合理的水肥耦合，才能使土壤养分得到充分的释放[24]。土壤氮素随灌水施肥量增加，向植株迁移，促进植物养分积累。增加灌水量，可以增加硝态氮质量比，此时硝态氮受到水分淋洗沿土壤剖面向下运移，灌水量增加促进植物吸收硝态氮和反硝化作用，导致后期硝态氮减少。三七在较高灌水量时反而稀释土壤养分，不利于养分吸收。适宜灌水量，增加肥料可增加土壤养分积累。

3.2 土壤酶活性对水肥耦合的响应

土壤酶活性反映土壤肥力，是催化分解土壤养分的关键成分，酶活性是衡量土壤健康的指标之一[25-26]。本研究发现水肥耦合显著提高土壤脲酶、蔗糖酶、酸性磷酸酶和过氧化氢酶活性，且酶活性随灌水量和施肥量的增加而增加。灌水量增加即土壤水分的增加，能够加快酶促反应物的流动，增强土壤微生物活力，进而促进土壤酶活性，这与Treseder[27]研究发现增加灌水量，可提高土壤蔗糖酶活性结论相似。磷化合物的水解需要磷酸酶参与，脲酶水解有机分子中的肽键，蔗糖酶参与土壤有机体循环[28]。Chang 等[29]研究表明生育后期脲酶活性降低。土壤酶活性通常与其土壤养分含量相关[30-31]。肥料施用能提高土壤养分，增加施肥量能使土壤有机质含量增加，刺激微生物活性，从而提高酶活性。磷酸酶在磷循环过程中具有非常关键的作用，通过释放磷来实现植物对磷的收吸附。作物根系和叶吸收土壤中大量无机磷，主要来源为磷酸盐类物质。提高酸性磷酸酶活性，促进磷积累并提高速效钾等养分含量，对马铃薯块茎形成产量、品质提高具有重要作用[32]。土壤磷酸酶帮助磷固定，增加有效磷水平，促进作物生长发育。土壤酶直接参与土壤养分转化，二者相互影响，对土壤微生态环境起协同作用，适宜水肥耦合可提高酶活性协同作用。

3.3 皂苷含量、产量和水肥利用效率对水肥耦合的响应

皂苷是三七品质的体现，产量是评价水肥方案优劣的直接指标，不同灌水量和施肥量对三七产量和品质影响较大。水肥耦合与药用植物中代谢物积累密切相关[33]，有利于提高作物产量和根系皂苷含量[34-35]。本研究发现，在相同施肥水平下Rg1、Re 含量随灌水量的增加而增减，R1、Rb1、Rd 含量随灌水量增加而逐渐降低，说明不同皂苷含量对土壤水分敏感性不同[36]。适宜土壤水分不仅提高土壤抗氧化酶活性，而且促进皂苷合成关键酶的基因表达更加稳定。适当水肥耦合有利于提高三七产量和皂苷含量[37]。Rg1和Rb1在W3F2 达到最大值，Rd 和R1在W1F4 达到最高值，Re 在CK 含量最高，表明施肥量过高反而不会增加皂苷含量，适当养分亏缺，合理水肥耦合有利于三七根系更好吸收水分养分，提高皂苷含量。不同水肥用量引起根系吸收率差异，影响三七产量和皂苷含量[38]，W3F4 水肥耦合效果在根增期、苗期和果期排名均为第一，在这些时期，增加灌溉量对土壤酶活性及养分均有促进作用，促进皂苷积累，这与段文学等[39]研究结果相近。水肥耦合协同作用促进植株养分吸收利用[40]。W3F4和W1F4 处理三七土壤综合质量最佳，后期还需深入研究不同水肥耦合土壤生物环境变化特征，结合长期、系列、多指标综合定位试验分析进行深入研究。

4 结论

水肥耦合显著影响土壤养分、酶活性，进而影响三七产量和皂苷含量。三七产量在F4 水平下最高，W3F2 处理Rg1和Rb1含量最大，W1F4 处理三七Rd 和R1含量最大。对土壤养分、酶活性、三七产量、皂苷含量等指标进行综合评价，得出最优水肥组合方案为W3F4，即：灌水量360 mm、施肥量120 kg/hm2。