李建榮　韓永忠　狄平　張萌　韓梅　楊利民

摘要：以農(nóng)田栽培模式種植的人參為研究對(duì)象，采用物聯(lián)網(wǎng)精準(zhǔn)灌溉技術(shù)，建立土壤相對(duì)含水量60%、80%、90%和自然降水4個(gè)試驗(yàn)處理，分析不同水分條件對(duì)土壤理化性質(zhì)、土壤酶活性、人參產(chǎn)量和品質(zhì)的影響。結(jié)果表明：土壤相對(duì)含水量為80%和90%時(shí)，土壤有機(jī)質(zhì)、速效氮、速效磷含量均高于其他處理，同時(shí)土壤脲酶、酸性磷酸酶、過(guò)氧化氫酶、蔗糖酶活性也相對(duì)較高。土壤相對(duì)含水量為80%時(shí)，人參單位面積產(chǎn)量最高，可達(dá)到2 715.64 g/m2，較CK增產(chǎn)14.98%;人參總皂苷含量也達(dá)到最高，為4.02%，但各處理間差異不顯著。適當(dāng)?shù)乃痔澣庇欣谌藚⑸L(zhǎng)后期3種單體皂苷的合成積累，9月30日，人參單體皂苷Rb1、Re+Rg1含量在60%土壤相對(duì)含水量處理下達(dá)到最高。綜合考慮，80%土壤相對(duì)水含量是最適宜人參生長(zhǎng)發(fā)育的水分條件。

關(guān)鍵詞：人參;物聯(lián)網(wǎng);精準(zhǔn)灌溉;土壤環(huán)境;產(chǎn)量;品質(zhì)

中圖分類號(hào)：S567.5+1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1000-4440（2022）02-0495-07

Effects of internet of things precision irrigation on the soil environment， yield and quality of ginseng

LI Jian-rong HAN Yong-zhong DI Ping ZHANG Meng HAN Mei YANG Li-min1

Abstract：Taking ginseng cultivated in farmland as the research object， the internet of things （IoT） precision irrigation technology was used in this study， and four experimental treatments （relative soil water content of 60%， relative soil water content of 80%， relative soil water content of 90% and natural precipitation） were established. In addition， the effects of different water conditions on soil physical and chemical properties， soil enzyme activity， ginseng yield and quality were analyzed. The results showed that the contents of soil organic matter， available nitrogen and available phosphorus in the treatments with the relative soil water content of 80% and 90% were significantly higher than those in other treatments， and the activities of soil urease， acid phosphatase， catalase and sucrase were also relatively high. Unter the treatment of 80% relative soil water content， the yield per unit area of ginseng was highest （2 715.64 g/m2）， which was 14.98% higher than that of CK. Moreover， the total saponins content of ginseng was also highest （4.02%）， but there was no significant difference among treatments. On September 30 ，the contents of Rb1 and Re+Rg1 reached the highest under the treatment of 60% relative water content， indicating that appropriate water deficit was beneficial to the synthesis and accumulation of three monomer saponins in late growth stage of ginseng. Overall， 80% relative soil water content is the most suitable water condition for the growth and development of ginseng.

Key words：ginseng;internet of things;precision irrigation;soil environment;yield;quality

人參作為“百草之王”，藥用歷史悠久，是中國(guó)傳統(tǒng)的中藥材[1]。長(zhǎng)期以來(lái)，人參的大規(guī)模種植一直采用伐林栽培模式，對(duì)森林資源和生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重破壞[2]。隨著國(guó)家天然林保護(hù)工程的啟動(dòng)實(shí)施，其傳統(tǒng)的伐林栽培模式被農(nóng)田栽培所取代。但由于人參為多年生藥材，并且采用單透膜技術(shù)，遇干旱年份，產(chǎn)量受到很大影響，為此，水分管理一直是制約人參生產(chǎn)的重要技術(shù)因素之一。

近年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的普及，物聯(lián)網(wǎng)（IoT）技術(shù)已然成為最前沿的技術(shù)之一。基于物聯(lián)網(wǎng)的精準(zhǔn)灌溉技術(shù)是通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)作物生長(zhǎng)的光照、空氣溫濕度、土壤溫度、土壤濕度，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制灌溉的農(nóng)業(yè)新技術(shù)，可以按照需水規(guī)律，通過(guò)灌水器將水資源均勻、定時(shí)、定量供給植物利用的過(guò)程，有效保障植物生長(zhǎng)生存環(huán)境的有利化[3]。該項(xiàng)技術(shù)較傳統(tǒng)的地面灌溉技術(shù)具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，不僅節(jié)約人工成本，提高水分利用效率和植物品質(zhì)，增加植物產(chǎn)量，還避免了常規(guī)的水分流失等問(wèn)題，有利于節(jié)約水資源，從而實(shí)現(xiàn)水分的生態(tài)調(diào)控。

雖然物聯(lián)網(wǎng)灌溉技術(shù)在農(nóng)業(yè)上已成熟應(yīng)用[4-6]，但在中藥材種植中尚不多見(jiàn)。因此，本研究擬通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)精準(zhǔn)灌溉技術(shù)對(duì)3年生人參進(jìn)行精準(zhǔn)水分調(diào)控，分析水分對(duì)土壤理化性質(zhì)、土壤酶活性、人參產(chǎn)量、品質(zhì)的影響，以期為物聯(lián)網(wǎng)灌溉技術(shù)在人參生產(chǎn)中的應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于吉林省撫松縣抽水鄉(xiāng)正岔溝人參規(guī)范化栽培基地（42°22′32.72″N，127°06′54.00″E），屬于大陸性高山氣候，土壤屬于非林地土即農(nóng)田，前期作物為玉米。2017年開(kāi)展試驗(yàn)前期準(zhǔn)備工作，包括樣地選擇與整理、人參品種選擇以及物聯(lián)網(wǎng)精準(zhǔn)灌溉系統(tǒng)的布設(shè)、調(diào)試等。2018年5月全面開(kāi)展基于物聯(lián)網(wǎng)精準(zhǔn)灌溉的人參水分調(diào)控試驗(yàn)。

1.2試驗(yàn)方法

1.2.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)選取大小相對(duì)一致的人參苗，移栽至參床中進(jìn)行滴灌水分調(diào)控試驗(yàn)。試驗(yàn)地的占地面積為10 000 m2，共設(shè)12串人參栽培地，每串寬×長(zhǎng)為1.3 m×120.0 m，設(shè)置3個(gè)水分處理組，土壤相對(duì)含水量分別為60%、80%、90%。每個(gè)處理組設(shè)3個(gè)重復(fù)，對(duì)照組（CK）為自然降水，不進(jìn)行水分控制。每個(gè)處理組分布土壤水分傳感器12個(gè)，共計(jì)36個(gè)土壤水分傳感器，傳感器距地面深度為30 cm，其中每串人參栽培地分布3個(gè)，數(shù)據(jù)每隔1 h傳輸一次（圖1）。

1.2.2土壤樣品采集在土壤樣品的采集過(guò)程中，采用五點(diǎn)等距離取樣法取樣，用20目篩對(duì)采集的土壤樣品進(jìn)行過(guò)篩，除去雜質(zhì)后進(jìn)行自然晾干，用于測(cè)定土壤各項(xiàng)理化指標(biāo)及土壤酶活性。

1.2.3人參采集于土壤樣品采樣處同時(shí)采集植物樣品，采用五點(diǎn)等距取樣法取樣，在每個(gè)取樣點(diǎn)處將1 m2的人參挖出，清洗干凈后，晾干表面殘余水分用于人參鮮品質(zhì)測(cè)定;將鮮參置于60 ℃烘箱中烘干用于人參干品質(zhì)測(cè)定。每個(gè)處理選取20株人參，粉碎，過(guò)60目篩，用于人參皂苷含量測(cè)定。

1.3測(cè)定指標(biāo)及測(cè)定方法

1.3.1田間土壤含水量根據(jù)土壤中12個(gè)水分傳感器Soil moisture EC5上傳的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水分變化，及時(shí)對(duì)土壤水分進(jìn)行補(bǔ)充，讓土壤水分保持在設(shè)定的控制范圍內(nèi)。表1顯示，最大土壤相對(duì)含水量為93.4%（W12），最小土壤相對(duì)含水量為52.0%（W1）。

1.3.1土壤理化性質(zhì)土壤pH用離子測(cè)定儀測(cè)定，土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷、速效鉀含量分別采用濃硫酸-重鉻酸鉀比色法、擴(kuò)散皿-濃硫酸滴定法、NaHCO3浸提比色法、醋酸銨浸提-火焰光度法測(cè)定[6]。

1.3.2 土壤酶活性土壤脲酶、蔗糖酶、酸性磷酸酶、蛋白酶、過(guò)氧化氫酶活性分別采用靛酚比色法、硝基水楊酸比色法、磷酸苯二鈉法、加勒斯江法、高錳酸鉀法測(cè)定[7]。

1.3.3 人參產(chǎn)量、品質(zhì)利用3年生人參的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行產(chǎn)量分析。人參品質(zhì)指標(biāo)包括單體皂苷（Rg1、Rb1、Re）含量和總皂苷含量，分別采用高效液相色譜法和紫外分光光度法測(cè)定。

1.4數(shù)據(jù)處理

用Microsoft 2010、SPSS 22.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析。

2結(jié)果與分析

2.1不同土壤相對(duì)含水量對(duì)土壤pH和有機(jī)質(zhì)含量的影響

土壤pH和有機(jī)質(zhì)含量能夠影響植物對(duì)養(yǎng)分的吸收利用，是衡量土壤肥沃程度的重要指標(biāo)。圖2顯示，不同土壤相對(duì)含水量處理之間土壤pH差異不大，均在適宜人參生長(zhǎng)的范圍（pH為5.5～6.2）內(nèi)，土壤偏酸性。

圖3顯示，土壤有機(jī)質(zhì)含量總體隨土壤相對(duì)含水量的增加而增大，80%土壤相對(duì)含水量處理和90%土壤相對(duì)含水量處理的土壤有機(jī)質(zhì)含量較高，在8月30日顯著高于60%土壤相對(duì)含水量處理和CK，此時(shí)為人參根部生長(zhǎng)期，較高的土壤有機(jī)質(zhì)含量有利于人參產(chǎn)量的提高。

2.2不同土壤相對(duì)含水量對(duì)土壤速效氮、磷、鉀含量的影響

氮、磷、鉀在植物光合作用、呼吸作用等活動(dòng)代謝過(guò)程中均起重要作用[8]。表2顯示，不同處理土壤營(yíng)養(yǎng)成分的含量存在一定差異，8月30日，80%土壤相對(duì)含水量處理和90%土壤相對(duì)含水量處理的土壤速效氮含量顯著高于60%土壤相對(duì)含水量處理和CK（P<0.05），并且80%土壤相對(duì)含水量處理的土壤速效氮、速效磷含量最高，分別為115.67 mg/kg和14.96 mg/kg，比CK分別增加了33.99%和22.02%。8月30日和9月30日，不同土壤相對(duì)含水量處理的土壤速效鉀含量差異不顯著。

2.3不同土壤相對(duì)含水量對(duì)土壤酶活性的影響

土壤酶是一種活性蛋白質(zhì)，參與土壤微生態(tài)環(huán)境的物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)過(guò)程，常用來(lái)評(píng)價(jià)土壤肥力水平[8]。表3顯示，8月30日時(shí)，土壤過(guò)氧化氫酶、蔗糖酶活性通過(guò)水分調(diào)控顯著高于CK（P<0.05），并且當(dāng)土壤相對(duì)含水量為80%時(shí)，酸性磷酸酶、土壤脲酶、過(guò)氧化氫酶、蔗糖酶活性分別是CK的1.13倍、1.33倍、1.70倍、1.87倍。較高的土壤蔗糖酶、脲酶、酸性磷酸酶活性會(huì)促進(jìn)氮、磷的吸收[9]，說(shuō)明通過(guò)精準(zhǔn)調(diào)控使土壤相對(duì)含水量為80%時(shí)土壤肥力較高，更有利于人參的生長(zhǎng)發(fā)育。

2.4不同土壤相對(duì)含水量對(duì)人參產(chǎn)量和品質(zhì)的影響

2.4.1人參單體皂苷皂苷類物質(zhì)是人參主要的藥效成分，是評(píng)價(jià)人參品質(zhì)的重要指標(biāo)[10]。圖4和圖5顯示，人參皂苷含量均達(dá)到《中國(guó)藥典》[11]的品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。8月30日，80%土壤相對(duì)含水量處理的單體皂苷Rb1、Rg1+Re含量最高;在9月30日，90%土壤相對(duì)含水量處理與60%土壤相對(duì)含水量處理的Rb1、Rg1+Re含量較高，表明適宜的水分虧缺有利于人參生長(zhǎng)后期單體皂苷的積累。

2.4.2人參產(chǎn)量和總皂苷水分是保障人參正常生長(zhǎng)發(fā)育的重要生態(tài)因子，影響人參的產(chǎn)量、品質(zhì)[12]。表4顯示，不同土壤相對(duì)含水量對(duì)人參產(chǎn)量、品質(zhì)影響不同。土壤相對(duì)含水量為80%時(shí)，人參的單位面積產(chǎn)量最高，可達(dá)到2 715.64 g/m2，較CK增產(chǎn)14.98%。土壤相對(duì)含水量為60%、90%時(shí)的人參單位面積產(chǎn)量分別為2 418.37 g/m2、2 505.65 g/m2，較CK分別增長(zhǎng)2.40%、6.09%。不同土壤相對(duì)含水量處理的人參總皂苷含量間差異不顯著，但80%土壤相對(duì)含水量處理的人參總皂苷含量最高，為4.02%。

2.5不同土壤相對(duì)含水量下人參產(chǎn)量、品質(zhì)與土壤性質(zhì)的相關(guān)性分析

表5顯示，不同土壤相對(duì)含水量處理下，有機(jī)質(zhì)含量與速效氮含量呈顯著正相關(guān)（P<0.05），速效磷含量與人參總皂苷含量呈顯著正相關(guān)（P<0.05）。土壤脲酶活性與人參產(chǎn)量呈極顯著正相關(guān)（P<0.01），與人參總皂苷含量呈顯著正相關(guān)（P<0.05）;土壤酸性磷酸酶活性與人參單體皂苷Rb1含量呈顯著正相關(guān)（P<0.05）;土壤過(guò)氧化氫酶活性與蔗糖酶活性呈極顯著正相關(guān)（P<0.01）。土壤養(yǎng)分和土壤酶活性對(duì)人參產(chǎn)量、品質(zhì)有重要影響，適當(dāng)提高土壤氮、磷含量，增強(qiáng)土壤脲酶、酸性磷酸酶等酶活性有利于促進(jìn)人參的生長(zhǎng)發(fā)育。

3討論

水分參與植物的整個(gè)生命周期，適宜的水分條件能夠提高植物的產(chǎn)量和品質(zhì)[13-15]。農(nóng)田栽培模式具有相對(duì)平緩的地形條件，為人參生產(chǎn)中灌溉技術(shù)的應(yīng)用創(chuàng)造了有利條件[16]。

本研究結(jié)果表明，8月30日，80%土壤相對(duì)含水量處理的有機(jī)質(zhì)含量和速效氮含量顯著高于60%土壤相對(duì)含水量處理和CK（P<0.05），并且當(dāng)土壤相對(duì)含水量為80%時(shí)，土壤脲酶、酸性磷酸酶、過(guò)氧化氫酶活性最高。8月30日，3個(gè)水分處理的土壤脲酶、酸性磷酸酶、過(guò)氧化氫酶活性以及土壤速效氮、速效磷含量均隨著土壤相對(duì)含水量的增加而呈先升高后降低的倒“V”型變化趨勢(shì)，與張超宇等[17]和陸宇明等[18]的研究結(jié)果一致。同時(shí)，土壤脲酶活性與人參產(chǎn)量呈極顯著正相關(guān)（P<0.01），與人參總皂苷含量呈顯著正相關(guān)（P<0.05）。脲酶活性較高有利于人參對(duì)氮的吸收利用，影響人參次生代謝，促進(jìn)人參皂苷的合成[19]。土壤相對(duì)含水量控制在80%時(shí)，人參單位面積產(chǎn)量最高，可達(dá)到2 715.64 g/m2，與對(duì)照相比增產(chǎn)14.98%;人參總皂苷含量也達(dá)到最高，為4.02%，但各處理間差異不顯著。在9月30日，60%土壤相對(duì)含水量處理的人參單體皂苷Rb1、Re+Rg1含量最高，表明適當(dāng)?shù)乃痔澣庇欣谌藚b1、Re、Rg13種單體皂苷的合成積累。不同土壤相對(duì)含水量處理對(duì)土壤理化性質(zhì)、土壤酶活性、人參產(chǎn)量和品質(zhì)有不同的影響。綜合考慮，80%土壤相對(duì)水含量是最適宜人參生長(zhǎng)發(fā)育的水分條件。

通過(guò)精準(zhǔn)灌溉系統(tǒng)對(duì)人參種植地的土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，該系統(tǒng)對(duì)人參需水總量和分布進(jìn)行技術(shù)控制，實(shí)現(xiàn)了環(huán)境要素與人參生長(zhǎng)發(fā)育狀態(tài)的結(jié)合，智能化、集約化地對(duì)人參種植地灌溉水進(jìn)行精確化管理，促進(jìn)了人參產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)代化發(fā)展。

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（責(zé)任編輯：王妮）

收稿日期：2021-05-28

基金項(xiàng)目：吉林省重大科技專項(xiàng)項(xiàng)目（20200504602YY）;吉林省重點(diǎn)科技成果轉(zhuǎn)化項(xiàng)目（20170307009YY）;國(guó)家中藥材產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系項(xiàng)目（CARS-21）

作者簡(jiǎn)介：李建榮（1993-），男，甘肅白銀人，碩士，主要從事野生動(dòng)植物保護(hù)與利用研究。（E-mail）18946694846@163.com

通訊作者：韓梅，（E-mail）2432273234@qq.com