不同土壤改良物料对连作黄芩生长及土壤酶活性的影响

摘要：为探究不同土壤改良物料对连作土壤酶活性和黄芩生长的影响，采用室内盆栽试验，设置不添加改良物料（CK）和分别添加生物炭（T1）、腐殖酸（T2）、腐殖酸+生物炭（T3）、蚯蚓粪（T4）、蚯蚓粪+生物炭（T5）共6个处理，对未种植黄芩（Y0）和连作黄芩3年（Y3）2种土壤的黄芩农艺指标及土壤酶活性进行比较。结果表明，Y0条件下，仅T5处理的黄芩地上部生物量显著大于CK，并且5种土壤改良处理的黄芩根部生物量与CK均无显著差异；Y3条件下，除T2处理外其他处理的黄芩地上部、根部生物量较CK均显著提升。2种土壤条件下，T5处理对黄芩总氮含量的提升效果最好，T4处理对磷和钾含量的提升效果最好；T3处理下土壤蔗糖酶活性增幅最大，T1处理下碱性磷酸酶活性增幅最大。Y0条件下，T4处理的脲酶活性较CK显著提升，各处理的过氧化氢酶活性均显著降低；Y3条件下，仅T2处理的脲酶活性显著提升，T1处理的过氧化氢酶活性显著降低。Y0条件下，黄芩氮磷钾含量主要与蔗糖酶、脲酶活性显著相关；而Y3条件下的黄芩氮磷钾含量主要与脲酶、过氧化氢酶活性显著相关；同时，Y3条件下T5处理与黄芩氮磷钾含量、土壤蔗糖酶活性相关性更强。综上所述，T1、T5处理均可提升Y3条件下黄芩的生物量和氮磷钾含量，同时添加生物炭对连作土壤酶活性均有显著影响；T5处理对缓解黄芩多年连作障碍有显著效果。以上研究结果为缓解黄芩连作障碍、提升黄芩质量提供了理论依据。

关键词：黄芩；连作障碍；生物炭；腐殖酸；蚯蚓粪

doi：10.13304/j.nykjdb.2022.0981

中图分类号：S567.23+9 文献标志码：A 文章编号：1008‑0864（2024）07‑0189‑10

我国是中药发源地，目前有大约1.2万种药用植物，中药生产是我国农业经济的重要产业之一。近年来，由于种植成本和耕地条件的限制，中药生产的连作和复种面积越来越大[1]。药用植物的连作障碍成为种植中的突出问题，我国栽培药材中60% 的根药材连作障碍尤为严重[2]，即使在正常的栽培管理条件下，连作也会导致土壤环境恶化，影响药用植物的生长，导致植物矮化、光合作用减弱，严重影响药用植物产量及品质[3-5]。连作障碍已成为制约我国中药生产可持续发展的因素之一，因此改善土壤环境对于药用植物的种植尤为重要。

黄芩（Scutellaria baicalensis Georgi）为唇形科黄芩属植物，是我国常用大宗中药材之一，具有清热燥湿、凉血解毒、止血安胎的功效，其野生种为国家三级保护野生药材种[6‑7]，在中国已有2 000多年药用历史[8]。近年来，随着黄芩人工栽培面积的迅速扩大，连作障碍成为黄芩产量和质量下降的主要原因之一。金毅力[9]发现，黄芩具有化感自毒作用，其根系分泌物（包括黄芩苷）对自身生长具有显著的自毒作用。土壤中的蔗糖酶、过氧化氢酶、脲酶和磷酸酶等与土壤肥力和作物产量之间相关性较为密切[10]。由于长期连作导致土壤理化性质、养分含量和酶活性降低，从而抑制植物生长[4]。

添加土壤改良物料有利于缓解黄芩连作障碍，具有重要实践意义。研究表明，生物炭、腐殖酸和蚯蚓粪等土壤改良材料对缓解连作障碍有积极影响[11-14]。生物炭的比表面积大，吸附能力强，能够提高土壤碳储量和肥力，可以固定和转化土壤中的有机污染物和重金属[11]；腐殖酸是土壤中重要的有机成分，能改善土壤理化性质、土壤肥力和土壤生物活性[12]；蚯蚓粪富含有机质、腐殖酸等养分，能提高土壤透水性、保水性，调节土壤结构，改善土壤特性[13‑14]。不同土壤改良材料对黄芩连作土壤和其生长的研究尚鲜见报道。本研究通过施用生物炭、腐殖酸、蚯蚓粪对未种植黄芩和连作3年黄芩土壤种植的黄芩地上部和根部生物量、植株氮磷钾以及4种土壤酶活性进行测定，探究不同土壤改良剂处理对黄芩连作土壤的改良效果，以期为缓解黄芩连作障碍提供依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

盆栽试验所用土壤为中壤性肉桂土，采集地点为安国市西赵村黄芩种植场（39°1′N、115°8′E）。土壤基础性质如下：①未种植过黄芩的土壤（Y0），前茬作物为玉米，土壤pH 8.82，水溶性盐总量为1.28 g·kg-1，速效磷含量为31.90 mg·kg-1，速效钾含量为73.00 mg·kg-1，全氮含量为1.52 g·kg-1，有机质含量为16.09 g·kg-1。②连续种植黄芩3年的土壤（Y3），土壤pH 8.80，水溶性盐总量为1.29 g·kg-1，速效磷含量为28.65 mg·kg-1，速效钾含量为114.00 mg·kg-1，全氮含量为2.43 g·kg-1，有机质含量为15.55 g·kg-1。

试验地点在河北农业大学西校区河北省山区研究所温室（38°49′N、115°26′E）内进行，采用盆栽种植黄芩，塑料盆规格为内径25 cm，底直径13 cm，盆高15 cm。

供试植物材料为黄芩，种子采购于安国中药材市场。供试改良剂：①生物炭，玉米秸秆生物炭；②蚯蚓粪，牛粪衍生蚯蚓粪料；③腐殖酸，腐殖酸水溶性肥料。各改良剂所含养分如表1所示。改良剂施用量：①蚯蚓粪，施用比例3∶7（肥土比）；②生物炭，18 g·盆-1；③腐殖酸，6 g·盆-1；均为产品推荐用量。

1.2 试验设计

盆栽试验采用未种植黄芩的土壤（Y0）和连作黄芩3 年的土壤（Y3）2 种土壤。设置6 个改良处理：不添加任何供试肥料（CK）、添加生物炭（T1）、添加腐殖酸（T2）、添加腐殖酸+生物炭（T3）、添加蚯蚓粪（T4）、添加蚯蚓堆肥+生物炭（T5）。共计12个处理，每个处理重复5次，共60盆。

土壤经风干后过2 mm土筛，然后混合均匀，每个盆放入3 kg风干土。播前土壤添加营养液作为基肥，各营养元素添加量分别为：（NH4）2SO4 944mg·kg-1、K2SO4 612.5 mg·kg-1、KH2PO4 1 100 mg·kg-1，CaCl2 126 mg·kg-1、MgSO4·7H2O 39 mg·kg-1、EDTAFeNa5.5 mg·kg-1、MnSO4·H2O 6 mg·kg-1、ZnSO4·7H2O10 mg·kg-1、CuSO4·5H2O 2.0 mg·kg-1、H3BO3 0.68mg·kg-1。土壤与养分充分混匀后，按播种量的5 倍选取完好种子，先用2.94 mol·L-1 H2O2 浸泡30 min灭菌，然后使用饱和CaSO4 溶液进行浸种并通气12 h，完成后在湿润滤纸上避光催芽1 d。每盆播种4～5粒种子，播种深度小于1 cm。出苗1周后，留3株定苗。试验期间，通过称重法（称取盆土重量）使土壤含水量保持在田间持水量的（60%±10%），温室平均温度为20 °C，空气相对湿度为44%～55%，整个生长期的光照强度为9 000 lx。播种时间为2020 年12 月6 日，试验结束时间为2021年3月21日，共105 d。

1.3 测定指标及方法

1.3.1 黄芩生物量测定

收获时将地上部与根部剪开，用自来水对地上部清洗后，继续使用去离子水洗净，然后将地上部用吸水纸擦干并放入信封中，随后将信封放入105 ℃烘箱中杀青30 min，将温度调为75 °C烘干至恒重，然后称取地上部生物量（shoot biomass，ShB）和根生物量（root biomass，RB）。

1.3.2 黄芩养分指标测定

植株样品磨碎后，黄芩植株地上部和根系样品采用浓 H2SO4-H2O2 消煮，半自动凯氏定氮仪测全氮含量（total Ncontent，NC），钒钼黄比色法测全磷含量（total Pcontent，PC），火焰光度计法测全钾含量（total Kcontent，KC）[15]。

1.3.3 土壤酶活性测定

土壤蔗糖酶活性（sucrase activity，SA）、土壤脲酶活性（ureaseactivity，UA）、土壤过氧化氢酶活性（catalaseactivity，CA） 和土壤碱性磷酸酶活性（alkalinephosphatase activity，APA）均按照相应试剂盒（苏州科铭生物技术有限公司）推荐方法测定。

1.4 数据处理。

数据采用Excel 2010 进行整理，采用SPSS26.0计算平均值和标准差，运用Duncan检验法检验数据在Plt;0.05水平的显著性，通过双因素方差分析检验物料处理、不同土壤及二者交互作用的显著性，运用Pearson 相关系数法进行相关性分析，对各指标进行主成分分析，采用Origin 2021绘制图表。

2 结果与分析

2.1 黄芩生物量、养分含量与土壤酶活性对处理和种植模式的响应

方差分析表明（表2），除植株钾含量外，其他8个指标对土壤的响应均达到显著水平（Plt;0.01）；9 个指标对物料处理的响应均达到显著水平（Plt;0.001）；物料处理与种植模式的互作效应也在9 个指标上均表现显著（Plt;0.05）。总体来看，黄芩植株地上部生物量、根生物量、植株氮磷钾含量和4 种酶活性受土壤和物料处理的影响较大。

2.2 不同处理对不同连作年限土壤的黄芩生物量的影响

由图1可知，Y0 条件下，只有T5处理的黄芩地上部生物量显著大于CK，提升了50.99%；Y3条件下，除T2处理外其他4个处理的黄芩地上部生物量较CK均有显著提升，其中，T1的增幅最大，提升了347.00%。Y0条件下，5个物料处理的黄芩根生物量与CK均无显著差异；Y3条件下，除T2处理的黄芩根生物量与CK差异不显著外，其他4个处理的黄芩根部生物量较CK均显著提升，T3的增幅最大，提升了305.26%。

2.3 不同处理对不同连作年限土壤的黄芩养分含量的影响

由图2可知，Y0条件下，T4与T5处理的黄芩氮含量较CK显著升高，其中T5处理的提升效果最显著；Y3 条件下，除T3处理外其他4个处理的氮含量较CK 均显著提高，提升效果表现为T5、T4gt;T2gt;T1，T5的增幅最大，提升了31.35%。Y0条件下，5个处理黄芩的磷含量较CK均显著增加，其中T4的增幅最大，增加了30.02%；Y3条件下，5个处理的黄芩的磷含量较CK均显著增加，其中T4的增幅最大，达78.23%。Y0 条件下，T2、T3和T4处理的黄芩含钾量较CK均显著增加，T4处理的提升效果最为显著；Y3条件下，除T1处理外其他4个处理的黄芩含钾量较CK均显著增加，T4的增幅最大，达27.97%。

2.4 不同处理对不同连作年限的土壤酶活性的影响

由图3 可知，Y0 条件下，除T5 处理外其他4个处理的土壤蔗糖酶活性较CK均显著提升，T3的提升效果最好，提升了98.52%；Y3 条件下，除T4处理外其他4个处理的土壤蔗糖酶活性较CK均显著提升。Y0条件下，除T4处理外其他4个处理的土壤脲酶活性较CK均显著降低；Y3条件下，T2 处理土壤脲酶活性较CK 显著提升（增幅22.89%），其他4个处理的土壤脲酶活性较CK均显著降低。Y0条件下，5个处理的土壤过氧化氢酶活性较CK均显著降低，其中T1处理的土壤过氧化氢酶活性降幅最大，达25.44%；Y3 条件下，T1处理土壤过氧化氢酶活性较CK显著降低，其他4个处理的土壤过氧化氢酶活性较CK均显著提升。Y0 条件下，T5 处理土壤碱性磷酸酶活性较CK 显著降低，其他4 个处理的土壤碱性磷酸酶活性较CK 均显著提升，T1 处理的效果最好，达105.88%；Y3 条件下，T5 处理的土壤碱性磷酸酶活性较CK 显著降低，其他4 个处理的土壤碱性磷酸酶活性较CK均显著提升，T1处理的增幅最大，达538.92%。

2.5 不同处理下黄芩生理指标与土壤酶活性的相关性分析

由表3可知，Y0条件下，土壤蔗糖酶活性与黄芩氮含量呈显著负相关，但与土壤钾含量呈显著正相关；土壤脲酶活性与黄芩磷含量呈显著负相关，但与土壤钾含量呈显著正相关；土壤过氧化氢酶活性与黄芩磷含量呈显著负相关；土壤碱性磷酸酶活性与黄芩氮含量呈显著正相关。土壤碱性磷酸酶活性与蔗糖酶活性呈显著正相关，但与过氧化氢酶活性呈显著负相关。Y3条件下，土壤脲酶活性与黄芩磷含量呈显著负相关；土壤过氧化氢酶活性与黄芩氮、钾含量均呈显著正相关；土壤碱性磷酸酶活性与黄芩磷含量呈显著正相关；土壤过氧化氢酶活性与土壤蔗糖酶活性、脲酶活性均呈显著正相关。在Y0或Y3条件下，黄芩的氮、磷、钾含量任意二者之间均呈显著正相关。Y0条件下，黄芩植株氮磷钾含量主要与土壤蔗糖酶与脲酶活性显著相关，但在Y3条件下，黄芩植株的氮磷钾含量与土壤脲酶和过氧化氢酶活性显著相关，同时黄芩植株磷含量与土壤碱性磷酸酶活性呈显著正相关。

2.6 不同处理下黄芩生理指标与土壤酶活性的主成分分析

由图4可知，Y0条件下，提取的前2个主成分累计贡献率为55.19%，解释了大部分的变异。主成分1（principal component 1，PC1）解释了31.33% 的总变异，主要由黄芩地上部生物量、根生物量、植株钾含量、蔗糖酶活性以及碱性磷酸酶活性构成。主成分2（principal component 2，PC2）解释了23.86%的总变异，主要是植株氮和磷含量、脲酶酶活性以及过氧化氢酶活性构成。其中，T1、T3处理则更倾向于黄芩根生物量和碱性磷酸酶活性。

Y3条件下，提取的前2个主成分累计贡献率为65.27%，解释了大部分的变异。PC1 解释了37.04%的总变异，主要是由黄芩地上部生物量、根生物量、植株氮和磷含量、碱性磷酸酶活性以及蔗糖酶活性构成。PC2解释了28.23%的总变异，主要由植株钾含量、过氧化氢酶活性以及脲酶活性构成。其中，T5处理更倾向于黄芩植株氮磷钾含量以及土壤蔗糖酶活性，而T3处理则倾向于碱性磷酸酶活性以及黄芩地上部和根部生物量，T2处理则更倾向于脲酶活性。

3 讨 论

3.1 不同土壤改良物料对不同连作年限土壤的黄芩生理指标的影响

本研究发现，不同土壤改良物料对Y0条件下黄芩根生物量的影响较CK均无显著变化。可能是初次种植黄芩的土壤中抑制黄芩生长的障碍因子较少，因此土壤施入土壤改良物料对黄芩养分吸收的影响较小，导致黄芩根生物量无显著变化。但在Y3条件下，除T2处理外，其他4个土壤改良物料处理均显著提升了黄芩的地上部与根部生物量，其中T1处理的黄芩各部生物量均显著提升。适量的生物炭有利于植物光合色素的合成，提高其光合能力，促进作物植株和根系的生长，增强其养分吸收和物质转化能力，从而提高干物质积累量[16]。这也可能是导致本研究中T2处理并未使连作黄芩的生物量提升，而T3处理却显著提升了黄芩生物量的原因。本研究还表明，T4与T5处理均能显著提升连作黄芩的地上部与根部生物量。蚯蚓粪对连作作物能够直接促进其根、茎、叶的生长及生物量的积累[17‑18]，其中赤霉素、细胞分裂素等植物激素可显著促进植物生长[12， 19]。丁守鹏等[20]研究表明，由于生物炭和蚯蚓粪具有特殊的物理、化学和生物学性质，在一定范围内施入生物炭和蚯蚓粪可以提高番茄的净光合速率、蒸腾速率和气孔导度等，进而促进植物的生长。

本研究发现，Y3 条件下CK的生物量较Y0 条件显著提升，这与一般的连作障碍结果相反。出现这种现象可能是在该环境条件下，连作障碍导致黄芩生物量的提升，而黄芩药用成分（例如黄芩苷含量）显著降低，导致其药用价值的降低。这有可能是部分根药材的连作障碍的重要体现。

在Y3条件下，除T3处理外，其他4个土壤改良物料处理均显著提升了连作黄芩的氮含量。董林林等[21]发现，生物炭和蚯蚓粪配施不仅提高了氮素的收获指数，还有利于培肥土壤、提高养分的吸收利用。蚯蚓粪身含有较高的养分含量，且团粒结构发育良好、比表面积较大，具有较好的保肥供肥性能[22]。Y0和Y3条件下，黄芩的5个处理均显著提升了黄芩的磷含量。T3处理能显著提升黄芩的磷含量主要是由于添加腐殖酸可减少土壤中磷的固定，提高土壤速效磷的含量。生物炭也可减少土壤中磷的固定，促进难溶性磷的活化，影响土壤中无机磷的形态[23- 24]。同时，腐殖酸与生物质炭配合施用可以促进土壤中磷素的转化，提高磷肥的利用率[25]，因此能够显著提升黄芩的磷含量。

3.2 不同土壤改良物料对不同连作年限土壤酶活性的影响

本研究表明，不同土壤改良物料对土壤酶活性的改良效果在Y0和Y3条件的改良效果不同，整体上土壤改良物料在连作土壤改良效果更好。可能是由于Y0条件的土壤酶活性较高，而Y3条件已出现连作障碍而土壤酶活性较低，因此土壤改良物料在连作土壤上的应用效果较好。其中，T2处理对土壤酶活性的提升效果最好，主要原因是首先腐殖酸中含有的羟基、羧基功能团与土壤中钙离子发生凝聚反应，通过植物根系生理作用形成土壤的团粒结构[26-29]，导致蔗糖酶活性的增加；其次腐殖酸含有的氮素、磷素，加入土壤后使脲酶和磷酸酶的活性提高；腐殖酸能够提高土壤有机碳含量，导致过氧化氢酶活性受到刺激。研究发现，蚯蚓粪能够有效提升土壤酶活性，主要是因为蚯蚓粪中有多种酶，直接提升土壤酶活性活性的同时，其淀粉酶、脂肪酶和纤维素酶促进土壤中有机物的分解和养分循环，导致碱性磷酸酶等重要土壤酶活性提升[30]。但本研究发现，部分添加生物炭的处理显著抑制了土壤酶活性。可能是生物炭颗粒对土壤酶的吸附会抑制酶的活性，另外生物炭中Cu+、Cu2+、Ni2+、Pb2+金属离子侵入土壤，可与酶及其底物发生反应，改变酶的空间构象，从而抑制酶的活性[31]。

本研究观察到，Y0条件下黄芩植株氮磷钾含量主要与土壤蔗糖酶与脲酶活性显著相关，但在Y3条件下，黄芩植株的氮磷钾含量转为与土壤脲酶和过氧化氢酶活性显著相关，同时黄芩植株磷含量与土壤碱性磷酸酶活性呈显著正相关。其中过氧化氢酶可解除过氧化氢对植物的毒害作用，而脲酶和碱性磷酸酶均属于水解酶，表明Y3条件下能够直接提升土壤营养物质的土壤酶活性对黄芩氮磷钾含量影响降低，而间接影响土壤酶活性对黄芩氮磷钾含量的提升。这种现象可能是黄芩连作障碍的影响因素。

主成分分析发现，Y0条件下，PC1主要是由黄芩地上部生物量、根生物量、植株钾含量、蔗糖酶活性以及碱性磷酸酶活性构成；PC2主要是植株氮和磷含量、脲酶酶活性以及过氧化氢酶活性构成。但Y3条件下，PC1主要是由黄芩地上部生物量、根生物量、植株氮和磷含量、碱性磷酸酶活性以及蔗糖酶活性构成；PC2主要由植株钾含量、过氧化氢酶活性以及脲酶活性构成。可能是Y3 条件下，土壤连作障碍严重影响黄芩生长，使得土壤酶活性与黄芩生长指标关联性更强，导致黄芩生指标与土壤蔗糖酶和碱性磷酸酶活性同属一轴。同时，T5处理更接近于PC1，成为本试验中缓解黄芩多年连作障碍的最佳选择。

综上所述，单施生物炭及混施生物炭和蚯蚓粪均能显著提升黄芩生物量和植株氮磷钾含量，同时添加生物炭对土壤酶活性有显著影响，混施生物炭和蚯蚓粪对缓解黄芩多年连作障碍具有显著效果。

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基金项目：河北省科技厅重点研发项目（20326417D）。