中藥材附子套作水稻對(duì)土壤性狀及附子產(chǎn)量的影響

任品安，黃 晶，陳 鑫，余 馬，侯大斌

（西南科技大學(xué)生命科學(xué)與工程學(xué)院，四川綿陽(yáng) 621010）

附子是川產(chǎn)道地名貴中藥材，為毛茛科植物烏頭（Aconitum carmichaelii Debeaux）的子根（根據(jù)農(nóng)戶習(xí)慣，栽培學(xué)上用附子代指毛茛科植物烏頭）。近年來(lái)，隨著醫(yī)藥行業(yè)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外對(duì)附子的需求量日益增長(zhǎng)。四川江油市是公認(rèn)的附子道地產(chǎn)區(qū)，已有一千多年的栽培歷史[1]。江油附子一般于每年冬至前栽種，第二年夏至后收獲，其生育期跨越當(dāng)?shù)刂饕〈鹤魑铮ㄐ←?、油菜）和大春作物（玉米、水稻）的部分生育期。因此，江油附子傳統(tǒng)的種植模式主要為附子套作玉米、花生等旱地作物或在附子收獲后接茬一季生育期短的蔬菜，并每2至3年進(jìn)行輪作倒茬。附子的種植模式較為雜亂，連作障礙嚴(yán)重，導(dǎo)致其產(chǎn)量穩(wěn)定性差、種植效益低[2]。然而，目前關(guān)于江油附子連作障礙的原因尚不明確，相關(guān)防治措施研究也極其薄弱。因此，明確附子連作障礙的影響因素及其作用機(jī)理，將有利于進(jìn)一步研究和應(yīng)用相應(yīng)的防治措施。

水旱輪作是國(guó)內(nèi)外公認(rèn)的克服作物連作障礙的重要栽培措施[3-4]。江油附子道地產(chǎn)區(qū)也是水稻宜栽區(qū)。近年來(lái)，西南科技大學(xué)等科研單位在總結(jié)藥農(nóng)種植經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新附子種植模式，將附子與水稻套作實(shí)現(xiàn)年內(nèi)水旱輪作，有效克服了附子的連作障礙，提高了附子的產(chǎn)量及效益[5]。然而，附子/水稻模式與傳統(tǒng)的附子/旱地作物模式相比較，其克服連作障礙的機(jī)制尚不清楚。本研究通過(guò)分析附子不同種植模式下農(nóng)田土壤性狀、根際微生物群落結(jié)構(gòu)及附子產(chǎn)量，以期明確附子/水稻模式的土壤生態(tài)及產(chǎn)量效益。研究對(duì)于進(jìn)一步構(gòu)建附子高產(chǎn)高效栽培模式及促進(jìn)附子產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

1 材料和方法

1.1 取樣地及取樣方法

取樣地為位于四川江油附子道地產(chǎn)區(qū)涪江一級(jí)階地的太平鎮(zhèn)橋樓村附子種植基地（30°71′84.08″N，104°70′68.06″E），該基地于 2011 年獲得中藥材GAP認(rèn)證。該區(qū)域?qū)儆趤啛釒駶?rùn)季風(fēng)氣候，年均日照時(shí)數(shù)1 362 h，年均降雨量1 100 mm，無(wú)霜期280 d，年平均氣溫16℃。該區(qū)域土壤的成土母質(zhì)主要是晚更新世河流沖積層，土壤類型為砂壤土。

2015年6月下旬附子收獲時(shí)，在附子基地分別選取連續(xù)種植3年以上附子/旱地作物模式及附子/水稻模式的田塊進(jìn)行取樣，不同種植模式見表1。每種模式取6個(gè)田塊，每個(gè)田塊按照5點(diǎn)取樣法取附子根際土壤與非根際土壤，分別用于測(cè)定根際土壤微生物與土壤肥力等性狀。根際土壤采集方法為：每個(gè)田塊選取5個(gè)樣方，每個(gè)樣方內(nèi)取10株附子，用鏟子挖出完整附子塊根，用力抖動(dòng)去除根表面疏松土壤，再用干凈刷子刷取緊貼附子塊根表面的土壤，裝入無(wú)菌聚乙烯密封袋，避光放于裝有冰袋的泡沫箱，迅速送回實(shí)驗(yàn)室待處理；非根際土壤采集方法為：在附子與套作作物之間（如附子與水稻行間）用土鉆取0～30 cm土層土樣，裝入密封袋，避光放于泡沫箱，送回實(shí)驗(yàn)室待處理。取樣田塊自種植基地獲得中藥材GAP認(rèn)證以來(lái)，附子種植過(guò)程中所用品種及灌溉、施肥、打頂、修根等田間栽培管理措施基本一致。

1.2 測(cè)定方法

1.2.1 土壤性狀測(cè)定

對(duì)采集的土壤帶回實(shí)驗(yàn)室自然風(fēng)干后進(jìn)行土壤性狀測(cè)定，主要指標(biāo)包括pH、有機(jī)質(zhì)、全氮、有效氮、全磷、有效磷、全鉀、有效鉀。分別采用電位法測(cè)pH[6]165、重鉻酸鉀容量法測(cè)有機(jī)質(zhì)[6]30、半微量開氏法測(cè)全氮[6]42、堿解擴(kuò)散法測(cè)有效氮[6]56、鉬銻抗比色法測(cè)全磷[6]76、0.5 mol/L NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法測(cè)有效磷[6]81、NaOH熔融-火焰光度法測(cè)全鉀[6]101、冷的2 mol/L HNO3溶液浸提-火焰光度法[6]108測(cè)有效鉀。

1.2.2 微生物多樣性測(cè)定

將田間取得的根際土壤樣品過(guò)2 mm土壤篩，去除土壤中的附子須根、秸稈、砂粒等雜質(zhì)，裝入無(wú)菌聚乙烯密封袋，在-20℃下冷凍保存。稱取相當(dāng)于5 g干土重的新鮮土壤，通過(guò)浸提、層析、甲脂化等過(guò)程。然后采用Agilent氣質(zhì)聯(lián)用儀GC-MS（6890N-5973N）對(duì)甲基化脂肪酸進(jìn)行氣相色譜分析。色譜柱為 HP 5-MS（30 m×0.25 mm×0.25 μm）石英毛細(xì)管柱，測(cè)試過(guò)程中涉及的樣口溫度、流速等參數(shù)參見文獻(xiàn)[7-8]。脂肪酸含量通過(guò)峰面積和內(nèi)標(biāo)曲線計(jì)算獲得，PLFAs含量用ng/g表示，指示微生物不同群落的脂肪酸見表2。

表1 附子不同種植模式Table1 Different cropping patterns of Aconitum carmichaelii Debeaux

表2 指示微生物不同群落的脂肪酸Table2 Fatty acids indicating different microbial communities

1.2.3 附子產(chǎn)量測(cè)定

每個(gè)田塊按5點(diǎn)取樣法，每個(gè)點(diǎn)取10株附子，去除須根及較小的子根，只保留達(dá)到商品標(biāo)準(zhǔn)大小的附子。記錄附子個(gè)數(shù)，單株附子重量，按照基本苗數(shù)量計(jì)算附子理論畝產(chǎn)量。

1.3 數(shù)據(jù)分析

利用Microsoft Excel 2016整理數(shù)據(jù)，通過(guò)SPSS 22.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用Sigmaplot 12.5進(jìn)行作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 附子不同種植模式下土壤pH與肥力狀況比較

附子/水稻與附子/旱地作物兩種模式下土壤性狀差異較大（見表3）。附子/水稻模式顯著提高了土壤 pH 值（P＜0.05），緩解了土壤酸化；附子/水稻模式顯著提高了土壤中有機(jī)質(zhì)、全氮和有效氮的含量（P＜0.05）；附子/水稻模式下土壤中全磷、有效磷含量高于附子/旱地作物模式，但差異不顯著；兩種模式下土壤中全鉀含量差異不顯著，但附子/水稻模式顯著增加了土壤中有效鉀的含量（P＜0.05）。

表3 附子不同種植模式下土壤pH與肥力狀況Table3 Soil pH and fertility conditions under different cultivation conditions of Aconitum carmichaelii Debeaux

2.2 附子不同種植模式下土壤微生物群落結(jié)構(gòu)特征分析

附子/水稻與附子/旱地作物兩種模式下土壤微生物群落結(jié)構(gòu)特征差異較大。附子/水稻模式下土壤微生物數(shù)量高于附子/旱地作物模式，其微生物總PLFA含量比附子/旱地作物模式高27%，差異顯著（P＜0.05）（見表4）。

表4 附子不同種植模式土壤總磷脂脂肪酸（PLFA）含量Table4 Total phospholipid fatty acid(PLFA)content in soil under different cultivation conditions of Aconitum carmichaelii Debeaux

附子不同種植模式下土壤微生物各菌群PLFA含量差異與土壤微生物總PLFA含量差異較為一致（見圖1）。附子/水稻模式下土壤細(xì)菌、放線菌及原生動(dòng)物的PLFA含量均顯著高于附子/旱地作物模式（P＜0.05），分別高 24%、32%、56%，而真菌 PLFA含量在兩種種植模式下差異不顯著；附子/水稻與附子/旱地作物兩種栽培模式下，細(xì)菌PLFA與真菌PLFA的比值分別為6.56和5.78，差異顯著（P＜0.05）。

圖1 附子不同種植模式土壤各菌群磷脂脂肪酸（PLFA）含量及細(xì)菌與真菌比率Figure1 The phospholipid fatty acid(PLFA)contents of various bacterial flora and the ration of bacteria and fungi in the soil under different cultivation conditions of Aconitum carmichaelii Debeaux

進(jìn)一步分析細(xì)菌類型（見圖2），結(jié)果發(fā)現(xiàn)。附子/水稻模式下G+與G-的PLFA含量均顯著高于傳統(tǒng)的附子/旱地作物模式（P＜0.05），分別高出 17%、33%；但兩種模式下G+與G-PLFA含量的比值差異不顯著。

圖2 附子不同種植模式土壤G+、G-磷脂脂肪酸（PLFA）含量及比率Figure2 Contents and rations of G+and G-under different cultivation conditions of Aconitum carmichaelii Debeaux

2.3 不同種植模式下附子產(chǎn)量分析

分析附子不同種植模式下產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響可以看出（見表5），附子/水稻模式能提高附子產(chǎn)量。附子/水稻模式下單株附子重量顯著高于附子/旱地作物模式（P＜0.05），平均高出 16.17 g/株；附子/水稻模式下單株附子個(gè)數(shù)亦高于附子/旱地作物模式，但差異不顯著；相應(yīng)的，附子/水稻模式下附子理論產(chǎn)量較高，比傳統(tǒng)栽培模式高2 425.05 kg/hm2，增產(chǎn)約45.12%。

表5 附子不同種植模式產(chǎn)量比較Table5 Yield comparison of aconite under different cultivation conditions of Aconitum carmichaelii Debeaux

3 討論與結(jié)論

3.1 不同附子種植模式對(duì)土壤pH與肥力狀況的影響

土壤中有機(jī)質(zhì)、礦質(zhì)元素的分解和利用以及微生物的活動(dòng)都與土壤酸堿度有關(guān)。目前關(guān)于水旱輪作對(duì)土壤pH值影響的報(bào)道結(jié)果不一致，有研究指出水旱輪作降低了土壤pH值[18]，而熊永明等[19]研究則表明水旱輪作下土壤pH值有所提高。其結(jié)果間的差異可能與土壤類型、施肥等的差異有關(guān)。本研究發(fā)現(xiàn)附子/水稻種植模式下土壤pH值要顯著高于附子/旱地作物模式，表明附子/水稻模式可以有效緩解土壤酸化。前人研究表明，土壤pH值的降低會(huì)抑制作物的生長(zhǎng)發(fā)育[20]，張歡強(qiáng)等[2]指出土壤pH值降低會(huì)影響附子的正常生長(zhǎng)，是附子連作的重要限制因子。因此，附子/水稻模式提高了土壤pH值，對(duì)土壤酸化的緩解，可能是其緩解附子連作障礙的重要原因。另外，張重義[21]、周潔等[22]提出中藥材生長(zhǎng)過(guò)程中產(chǎn)生的生物堿、酚酸類等有害化感物質(zhì)，釋放到土壤中，會(huì)對(duì)作物產(chǎn)生化感抑制作用，是中藥材連作障礙的主要成因。并且，隨著中藥材種植年限的增加，大量有害化感物質(zhì)積累，毒害作用加大。馬云華[23]、鞠會(huì)艷等[24]研究表明，作物連作其根系分泌的化感物質(zhì)長(zhǎng)期積累，會(huì)影響根際土壤的pH值，造成土壤酸堿度失去平衡，而土壤酸堿度失衡會(huì)進(jìn)一步影響土壤中化感物質(zhì)等有機(jī)質(zhì)的分解和利用，形成惡性循環(huán)。因此推測(cè)，附子/水稻模式在水旱轉(zhuǎn)換過(guò)程中，土壤pH值的提高緩解了土壤酸堿失衡，可能對(duì)降低有毒物質(zhì)的積累有一定的促進(jìn)作用。但附子/水稻模式對(duì)附子有害化感物質(zhì)的產(chǎn)生和積累抑制效應(yīng)及其機(jī)理還有待進(jìn)一步研究。

目前關(guān)于水旱輪作等不同耕作制度對(duì)土壤性狀的影響研究較多。王子芳等[18]在研究小麥-水稻/油菜-水稻年內(nèi)水旱輪作對(duì)土壤肥力的影響發(fā)現(xiàn)，油菜-水稻、小麥-水稻不同輪作模式均可以增加土壤有機(jī)質(zhì)、全氮等的含量，認(rèn)為水旱輪作有利于改善土壤物理性狀，提高土壤肥力。黃國(guó)勤等[25]通過(guò)對(duì)水稻與黑麥草、紫云英等不同作物實(shí)行水旱輪作的研究發(fā)現(xiàn)，水稻與不同作物輪作均不同程度提高了土壤有機(jī)質(zhì)、有效氮、有效磷、有效鉀的含量，表明水旱輪作對(duì)土壤理化性狀有積極的改善作用。本研究發(fā)現(xiàn)，附子/水稻模式下土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、有效氮、有效鉀等的含量均顯著高于附子/旱地作物模式?？赡苁且?yàn)楦阶?水稻模式形成年內(nèi)水旱輪作，較附子/旱地作物模式，改善了土壤生態(tài)環(huán)境，有助于土壤微生物對(duì)土壤中養(yǎng)分的分解和利用，進(jìn)而促進(jìn)和提高土壤養(yǎng)分的有效性。因此，附子/水稻模式較附子/旱地作物模式更有利于提高土壤肥力。

3.2 不同附子種植模式對(duì)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的影響

土壤微生物群落是土壤的重要活體成分，其數(shù)量是土壤質(zhì)量和土壤生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)的一個(gè)重要指標(biāo)，易受人類活動(dòng)、土壤類型、肥力、pH值、水分等的影響。蘇婷[26]、陳曉娟等[27]的研究表明，水旱輪作相對(duì)于旱地種植模式，能夠增加土壤總PLFA含量、細(xì)菌、真菌、放線菌等的含量，降低G-與G+PLFA含量的比值，這些結(jié)論與本研究結(jié)果較為一致。本研究表明附子/水稻模式下，根際土壤微生物總PLFA含量及微生物各菌群如細(xì)菌、放線菌、原生動(dòng)物PLFA含量均顯著高于傳統(tǒng)的附子/旱地作物模式。特定PLFA生物標(biāo)記代表特定的微生物種群，其含量在一定程度上可反映該微生物種群的數(shù)量[28]，PLFA總量高代表微生物種類多，數(shù)量大。因此，附子/水稻模式下，土壤微生物群落結(jié)構(gòu)更豐富，數(shù)量更多。真菌PLFA含量在附子兩種種植模式下變化不大，而附子/水稻模式下細(xì)菌與真菌的PLFA含量比值顯著高于附子/旱地作物模式，可能是由于附子/水稻模式改善了土壤的通氣性，有利于氨化細(xì)菌、硝化細(xì)菌等細(xì)菌數(shù)量的增加[29]，而根際土壤中細(xì)菌等的生長(zhǎng)以及土壤肥力的提高，對(duì)真菌的生長(zhǎng)具有一定的抑制作用[30]，導(dǎo)致土壤中細(xì)菌與真菌的比例結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。孟品品[31]、馬云華等[32]研究表明土壤微生物群落結(jié)構(gòu)、數(shù)量的改變是導(dǎo)致作物產(chǎn)量變化的重要原因。張新慧等[33]研究不同植齡啤酒花根際微生物區(qū)系的變化與啤酒花產(chǎn)量的關(guān)系表明，土壤微生物多樣性低的啤酒花品種其產(chǎn)量也低。段紅平等[34]亦發(fā)現(xiàn)水稻根際土壤中微生物越豐富，水稻產(chǎn)量越高。綜上所述，可推斷附子/水稻模式通過(guò)實(shí)現(xiàn)年內(nèi)水旱輪作改善土壤微生物數(shù)量與群落結(jié)構(gòu)，可能是該模式提高附子產(chǎn)量、有效緩解附子連作障礙的又一重要因素。

本研究通過(guò)比較江油道地產(chǎn)區(qū)附子不同種植模式下土壤性狀、土壤微生物群落結(jié)構(gòu)及附子產(chǎn)量，發(fā)現(xiàn)相較于傳統(tǒng)的附子/旱地作物模式，附子/水稻模式顯著提高了土壤pH值以及土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、有效氮、有效鉀的含量；附子/水稻模式下附子根際土壤微生物PLFA總量、細(xì)菌、原生動(dòng)物、放線菌、G+與G-PLFA含量以及細(xì)菌與真菌PLFA含量的比值均顯著高于附子/旱地作物模式；附子/水稻模式顯著增加了單株附子產(chǎn)量，提高了附子畝產(chǎn)量。結(jié)果表明，附子/水稻模式能在一定程度上緩解土壤酸化、提高土壤肥力、增加附子根際土壤微生物數(shù)量、改善微生物群落結(jié)構(gòu)；這些因素可能是該模式提高附子產(chǎn)量、有效緩解附子連作障礙的重要原因。