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桔梗氮、磷、鉀施肥效應(yīng)與施肥模式研究

2012-08-31 02:15:26王渭玲徐福利曹鮮艷石福高張曉虎
關(guān)鍵詞:總皂苷桔梗施肥量

王 靜,王渭玲*,徐福利,曹鮮艷,石福高,張曉虎

(1西北農(nóng)林科技大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,陜西楊凌712100;2西北農(nóng)林科技大學(xué),中國科學(xué)院水利部水土保持研究所,陜西楊凌712100;3商洛學(xué)院生物醫(yī)藥工程系,中國中醫(yī)科學(xué)院商洛中藥材GAP科研工程中心,陜西商洛726000)

桔梗Platycodon grandiflorum(Jacq.)A.DC 是桔??平酃僦参?,別名鈴鐺花、包袱花、道拉基等,是我國傳統(tǒng)大宗中藥材之一,具有宣肺、利咽祛痰、排膿等功效[1]。現(xiàn)代藥理學(xué)研究表明桔梗有免疫調(diào)節(jié)、抗炎、保肝等作用[2],并且是一種藥、食及觀賞兼用的經(jīng)濟(jì)植物。由于桔梗越來越多的藥用價值與經(jīng)濟(jì)價值被發(fā)現(xiàn),使其用量大增,由于野生資源不能滿足市場的需求,因此大面積栽培桔梗逐步代替野生桔梗藥材而入藥[3]。目前對桔梗的研究主要集中在化學(xué)成分、藥理和臨床研究[4]及營養(yǎng)特性[5]等方面。由于桔梗植株對肥料較為敏感,施肥是桔梗栽培技術(shù)中的重要環(huán)節(jié)之一[6]。王玲等[7]報道指出氮肥和磷肥對一年生桔梗的產(chǎn)量和品質(zhì)影響較大,而鉀肥作用較小。張紅燕等[8]研究表明,有機(jī)肥、氮磷鉀配施對桔梗產(chǎn)量有增產(chǎn)作用。但前人的研究僅探討了若干不同肥料用量對桔梗產(chǎn)量的影響,沒有針對各自的土壤肥力給出具體的施肥量化標(biāo)準(zhǔn),而生產(chǎn)中往往因為土壤氮、磷、鉀三種礦質(zhì)營養(yǎng)失衡而限制了產(chǎn)量和品質(zhì)的提高。為此,本文通過田間試驗,采用氮、磷、鉀3因素2次D-飽和最優(yōu)設(shè)計,研究了氮、磷、鉀不同施肥用量對桔梗生長以及總皂苷的影響,并借助數(shù)學(xué)分析的方法建立了桔梗氮、磷、鉀優(yōu)化施肥模式,定量研究了氮、磷、鉀各因子的效應(yīng),提出了桔梗高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)高效栽培最優(yōu)施肥量和最優(yōu)施用量配比,以期為桔梗生產(chǎn)的精準(zhǔn)施肥提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2010年在陜西商洛香菊藥源基地進(jìn)行?;氐貏萜教梗0?80 m,屬于半濕潤溫暖氣候區(qū),具有四季分明、光照充足、降水充沛的特點(diǎn)。年降水量722.9~899 mm,年平均日照2346.8 h,年平均氣溫15.8°C,無霜期248 d,是桔梗適宜生長地之一。

供試土壤類型為壤質(zhì)粘土。土壤養(yǎng)分狀況為:0—20 cm土壤有機(jī)質(zhì)21.94 g/kg,全氮 (N)0.68 g/kg,全磷 (P2O5)0.75 g/kg,全鉀 (K2O)13.80 g/kg,堿解氮 86.62 mg/kg,速效磷 71.63 mg/kg,速效鉀 134.10 mg/kg,有效銅 0.28 mg/kg,有效鋅0.32 mg/kg,有效鐵 2.41 mg/kg,有效錳 1.53 mg/kg,pH 值 7.47,CEC 值 23.58 cmol/kg,土壤含水量3.55%;20—40 cm土層有機(jī)質(zhì)13.89 g/kg,全氮 (N)0.47 g/kg,全磷 (P2O5)0.63 g/kg,全鉀(K2O)14.13 g/kg,堿解氮 60.38 mg/kg,速效磷49.94 mg/kg,速效鉀 111.83 mg/kg,有效銅 0.62 mg/kg,有效鋅 0.19 mg/kg,有效鐵 2.75 mg/kg,有效錳 0.89 mg/kg,pH 值 7.79,CEC 值 23.94 cmol/kg,土壤含水量3.76%。

1.2 材料與試驗方法

田間試驗采用3因素2次D-飽和最優(yōu)設(shè)計方案(310)[9],試驗設(shè)10 個處理,3 次重復(fù),共 30 個小區(qū),小區(qū)按照隨機(jī)區(qū)組排列,小區(qū)面積4 m×6 m=24 m2。試驗設(shè)計編碼值及施肥量見表1。

試驗用肥料為尿素(含 N 46%)、過磷酸鈣(P2O5≥12%)、硫酸鉀(K2O≥51%),磷肥、鉀肥整地時作基肥一次施入,氮肥1/3作基肥施入,剩余2/3于定苗后作為追肥施入。

供試材料為商山桔梗Platycodon grandiflorum(Jacq.)A.DC。田間試驗于2010年4月15日直播,按照行距25 cm,溝深1~2 cm,每一個小區(qū)16行條播,出苗前澆一次透水,并用麥草覆蓋地表以保持土壤松軟濕潤,5月1日出苗,桔梗生長期間不定期除草,6月1日定苗,10月25日收獲。其它采用常規(guī)田間管理措施進(jìn)行栽培管理。

1.3 測定項目和方法

2010年10月25 日收獲,每小區(qū)收獲4 m2,將植株連根挖出,所取樣品分成根、莖葉兩部分,用直尺測量植株高度和根長度,游標(biāo)卡尺測量根粗(主根最粗部位直徑)。采挖后,將根部分離,洗凈,除去須根,趁鮮剝?nèi)ネ馄ぃ?],烘干測干重并折算至公頃產(chǎn)量。

采用超聲法提取總皂苷,香草醛–硫酸比色法測定總皂苷含量[10](桔梗皂苷D對照品購于天津一方科技有限公司,含量 ≥98%);采用苯酚–硫酸比色法測定桔梗多糖含量[11]。

1.4 統(tǒng)計方法

試驗數(shù)據(jù)用DPSv7.05軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析,用Origin 8.0作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 桔梗產(chǎn)量氮、磷、鉀肥效反應(yīng)模式的建立與檢驗

氮、磷、鉀肥對桔梗生長、產(chǎn)量和品質(zhì)指標(biāo)的影響見表2。各處理下桔梗產(chǎn)量和總皂苷含量重復(fù)的數(shù)據(jù)見表3。依據(jù)表3桔梗產(chǎn)量與總皂苷數(shù)據(jù),采用二次多項式建立肥效反應(yīng)模式:

表1 氮、磷、鉀3因素2次D-飽和最優(yōu)設(shè)計方案Table 1 D-saturation optimal design with three factors of nitrogen,phosphorus and potassium

表2 氮、磷、鉀肥對桔梗生長、產(chǎn)量和品質(zhì)指標(biāo)的影響Table 2 The effects of N,P and K fertilization on growth,yield and quality of Platycodon grandiflorum

式中:x1代表N的用量編碼值或?qū)嶋H施用量,x2代表P2O5的用量編碼值或施用量,x3代表K2O的用量編碼值或施用量,bi(i=0,1,2……9)為回歸系數(shù),Y代表桔梗的產(chǎn)量或者桔??傇碥蘸?。

根據(jù)本試驗結(jié)果,擬合得在陜西商洛香菊藥源基地桔梗的根產(chǎn)量Y1與N(x1)、P(x2)、K(x3)的碼值效應(yīng)函數(shù)如下:

根產(chǎn)量的施肥量效應(yīng)函數(shù)如下:

表3 各處理桔梗產(chǎn)量和總皂苷含量Table 3 The detailed yield and total saponin data of Platycodon grandiflorum in each treatment

由于實際施肥量與編碼值之間存在簡單的線性代換關(guān)系,因此以上兩效應(yīng)函數(shù)經(jīng)線性回歸擬合及方差分析后各參數(shù)一致,即:F=124.68>F0.01(9,20)=3.46,線性決定系數(shù)R2=0.9825,達(dá)到極顯著水平,擬合較好,能指導(dǎo)生產(chǎn)。由于設(shè)計所得數(shù)學(xué)模式是經(jīng)無量綱線性代換后所得,各一次項偏回歸系數(shù)絕對值的大小可直接反映氮、磷、鉀肥對桔梗產(chǎn)量的影響程度[12]。由回歸模型(1)和(2)知,|b1|>|b3|>|b2|,說明氮肥對產(chǎn)量影響最大,其次為鉀肥、磷肥。對回歸模型(1)求解效應(yīng)函數(shù)赫森矩陣各階順序主子行列式|A1|=– 1166.376,|A2|=1324185.577,|A3|=–743591856.578。計算出的施肥量有負(fù)外推值,屬非典型效應(yīng)函數(shù),宜用頻率分析法尋優(yōu)[13]。

2.2 桔??傇碥盏?、磷、鉀肥效反應(yīng)模式的建立與檢驗

根據(jù)表3試驗數(shù)據(jù),求得在陜西商洛香菊藥源基地桔梗的總皂苷含量Y3與N(x1)、P(x2)、K(x3)的碼值效應(yīng)函數(shù)如下:

總皂苷的施肥量效應(yīng)函數(shù)如下:

經(jīng)方差分析,以上兩函數(shù)F=87.23>F0.01(9,20)=3.46,決定系數(shù)R2=0.9752,達(dá)到極顯著水平。由回歸模型(3)和 (4)知,|b1|>|b2|>|b3|,說明氮肥對產(chǎn)量影響最大,其次為磷肥、鉀肥。對回歸模型(3)求解效應(yīng)函數(shù)赫森矩陣各階順序主子行列式|A1|=0.306,|A2|=– 0.118,|A3|=0.095,矩陣為非負(fù)定矩陣,對應(yīng)函數(shù)為非典型效應(yīng)函數(shù)[14]。

2.3 桔梗產(chǎn)量和總皂苷效應(yīng)函數(shù)的解析

對方程(1)和(3)采用降維法[15],將模型中三個自變量中的任意兩個固定在零水平,得到兩組單因子效應(yīng)方程,即氮、磷、鉀肥與桔梗產(chǎn)量及總皂苷關(guān)系的單因子效應(yīng)方程,將各單因子效應(yīng)方程繪成圖1。

圖1 單因素效應(yīng)曲線圖Fig.1 Curves of single factor response to yield and total saponin

由圖1(a)看出氮、磷、鉀對桔梗產(chǎn)量的影響均呈開口向下的拋物線,桔梗產(chǎn)量隨著氮、磷、鉀施用量的增加而增加,但超過一定施肥水平后產(chǎn)量開始下降,符合米采利希(E.Mitscherlich)提出的肥料效應(yīng)報酬遞減定律[16],在施肥量較小的情況下施用氮肥對產(chǎn)量的促進(jìn)作用最為明顯,其次是施用鉀肥,要提高桔梗產(chǎn)量,首先必須重視氮肥的施用。在本試驗約束范圍(-1≤x≤1)內(nèi),桔梗產(chǎn)量存在極大值,通過對以上單因素效應(yīng)函數(shù)求一階導(dǎo)數(shù)的零值可得出最高產(chǎn)量對應(yīng)的N(x1)、P(x2)、K(x3)的施肥水平:x1=0.486(即施N 111.52 kg/hm2)時,Y11max=5018.15 kg/hm2;x2=-0.0284(即施 P2O5109.30 kg/hm2)時,Y12max=4880.33 kg/hm2;x3=0.4229(即施 K2O 160.08 kg/hm2)時,Y13max=4930.41 kg/hm2。

從圖1(b)中看出:磷、鉀對桔??傇碥盏挠绊懢书_口向下的拋物線,在施用量較低的情況下,總皂苷含量隨著磷、鉀用量的增加而增加,當(dāng)磷、鉀的施用過量時,造成總皂苷含量降低。在本試驗約束范圍(-1≤x≤1)內(nèi)存在極大值:x2=0.2760(即施P2O5143.55 kg/hm2),Y32max=5.691;x3=0.0757(即施 K2O 121.02 kg/hm2),Y33max=5.678;超過此水平后,隨著施肥量的增加,總皂苷含量下降,說明桔??傇碥盏睦鄯e需要一個適宜磷、鉀營養(yǎng)環(huán)境,施肥過多或過少都會影響總皂苷的積累。氮肥對桔梗總皂苷的影響是開口向上的拋物線,在本試驗約束范圍(-1≤x≤1)內(nèi)呈現(xiàn)出單調(diào)增加趨勢,這是因為本試驗方案中氮肥最大用量相對較小,再者依據(jù)C/N平衡假說[17],增加施氮量可以促進(jìn)植物體內(nèi)碳水化合物含量,進(jìn)而為萜類化合物皂苷的合成提供充足的底物。

2.4 施肥模式尋求

采用頻率分析的方法對試驗所得的數(shù)學(xué)模型(1)和(3)尋優(yōu),將編碼值在試驗范圍內(nèi)劃分出( -1、-0.2912、0.1925、1)四個水平,構(gòu)成 43=64個處理組合[18],選定目標(biāo)產(chǎn)量4200~4800 kg/hm2(K=22),皂苷含量高于5.5%(K=24)進(jìn)行頻率分析。

從表4可以看出,當(dāng)目標(biāo)產(chǎn)量在4200~4800 kg/hm2范圍內(nèi),95%的置信區(qū)間的優(yōu)化施肥組合為x1取 0.1163~0.5921,x2取 -0.4302~0.1946,x3?。?.2978~0.3084,對應(yīng)的優(yōu)化施肥量為N 83.72~ 119.41 kg/hm2、P2O564.10 ~134.39 kg/hm2、K2O 78.80 ~147.20 kg/hm2。

同理,桔梗皂苷總含量高于5.5%,95%置信區(qū)間的優(yōu)化施肥組合為量為x1取0.5116~0.8683,x2取 -0.2359~0.3639,x3取 -0.3168~0.2123,對應(yīng)施肥量為N 113.37~140.12 kg/hm2、P2O585.96~153.44 kg/hm2、K2O 76.86 ~ 136.38 kg/hm2;為了實現(xiàn)桔梗高產(chǎn)優(yōu)質(zhì),將以上兩個優(yōu)化的施肥量取交集,得到桔梗高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)高效栽培最優(yōu)施肥量為N 113.37~119.41 kg/hm2、P2O585.96 ~134.39 kg/hm2、K2O 78.80 ~ 136.38 kg/hm2,N、P2O5、K2O的最優(yōu)施用量配比為1∶0.72~1.18∶0.66~1.20。

表4 桔梗目標(biāo)產(chǎn)量在4200~4800 kg/hm2的N、P、K編碼值頻率分布Table 4 Frequency distribution of N,P and K for yield between 4200 and 4800 kg/hm2

3 討論與小結(jié)

施肥是提高栽培藥用植物產(chǎn)量和改善品質(zhì)的重要措施,合理施肥既能夠促進(jìn)藥用植物生長發(fā)育,提高藥材產(chǎn)量,又能改善藥材品質(zhì)[19]。本試驗結(jié)果表明,施用氮、磷、鉀能明顯促進(jìn)桔梗生長,提高產(chǎn)量和總皂苷含量等有效成分的累積。施用氮、磷、鉀肥對桔梗產(chǎn)量的影響大小依次為氮 >鉀 >磷,對總皂苷含量的影響為氮 >磷 >鉀。氮、磷、鉀的邊際產(chǎn)量效應(yīng)均隨施肥量增加而不斷減小,當(dāng)?shù)?、磷、鉀肥用量分別為 111.52、109.30和 160.08 kg/hm2時,邊際產(chǎn)量效應(yīng)值降至0,磷和鉀肥對總皂苷的邊際效應(yīng)呈現(xiàn)出類似規(guī)律,當(dāng)磷、鉀用量分別為143.55和121.02 kg/hm2時,邊際效應(yīng)值為0,表明桔梗在栽培中需要尋求產(chǎn)量和品質(zhì)均較好的平衡施肥組合。由于本試驗土壤肥力較低,尤其是速效氮含量偏低,因此氮肥成為本試驗中影響產(chǎn)量和品質(zhì)的最主要因素;為了達(dá)到桔梗高產(chǎn)優(yōu)質(zhì),磷和鉀的協(xié)同配施對桔梗產(chǎn)量和品質(zhì)的形成也至關(guān)重要,因為磷、鉀具有調(diào)節(jié)氮代謝,促進(jìn)碳水化合物同化、運(yùn)輸和積累的作用[20],同時有助于提高桔梗抗寒、抗倒伏能力,改善桔梗的品質(zhì)。因此桔梗的施肥首先要保證充足的氮肥,才能在磷肥與鉀肥合理配施的情況下得到高產(chǎn)又優(yōu)質(zhì)。通過施肥模式模擬尋優(yōu),本試驗條件下,目標(biāo)產(chǎn)量在4200~4800 kg/hm2范圍內(nèi),95%置信區(qū)間所對應(yīng)的優(yōu)化施肥量為N 83.72~ 119.41 kg/hm2、P2O564.10 ~134.39 kg/hm2、K2O 78.80~147.20 kg/hm2;總皂苷含量高于5.5%,95%置信區(qū)間所對應(yīng)的優(yōu)化施肥量為N 113.37~140.12 kg/hm2、P2O585.96 ~ 153.44 kg/hm2、K2O 76.86~136.38 kg/hm2。綜合桔梗施肥對產(chǎn)量與品質(zhì)的影響,桔梗高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)高效栽培最優(yōu)施肥量為N 113.37 ~119.41 kg/hm2、P2O585.96 ~134.39 kg/hm2、K2O 78.80 ~136.38 kg/hm2,對應(yīng)最優(yōu)的 N、P2O5、K2O施用量比例為 1∶0.72 ~1.18∶0.66~1.20。這一結(jié)果與桔梗對氮、磷、鉀的吸收特性基本一致[6]。

由于桔梗生長的生態(tài)與土壤環(huán)境條件變化,都會不同程度地影響桔梗的生長發(fā)育,再者,本試驗得出的最佳施肥量是在本試驗栽培管理條件下得到的,因此模型的參數(shù)是否會因種植品種、氣候、土壤肥力水平之間的差異而發(fā)生變化,有待于進(jìn)一步研究,同時還需對施肥模型進(jìn)行驗證試驗。

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