茯苓不同栽培模式的土壤生態(tài)環(huán)境變化研究

徐雷，胡引娣，劉常麗，徐建中，郭蘭萍

（1.中國(guó)中醫(yī)科學(xué)院中藥資源中心，中國(guó)中醫(yī)科學(xué)院博士后科研流動(dòng)站，北京 100700；2.湖北中醫(yī)藥大學(xué)藥學(xué)院，湖北 武漢 430065；3.湖北衛(wèi)爾康現(xiàn)代中藥有限公司，湖北 黃岡 438000）

茯苓為多孔菌科真菌茯苓[Poria cocos(Schw.)Wolf]的干燥菌核，具有利水滲濕、健脾及寧心之功效[1]，是臨床應(yīng)用最為廣泛的中藥之一，始載于《神農(nóng)本草經(jīng)》，為歷版《中華人民共和國(guó)藥典》所收載。我國(guó)茯苓藥材主要源自人工栽培，湖北、安徽接壤的大別山區(qū)為茯苓主產(chǎn)區(qū)之一。茯苓適宜栽培于海拔600～1 000m松林地，以背風(fēng)向陽(yáng)、坡度10～35°、pH 5～6、含砂量60%～70%的沙質(zhì)壤土為宜。茯苓忌連作，同一栽培場(chǎng)連年種植往往出現(xiàn)茯苓喙扁蝽、白蟻等蟲害、菌絲體褐變、結(jié)苓率下降、菌核質(zhì)地松軟及產(chǎn)量下降等連作障礙現(xiàn)象[2]。同一栽培場(chǎng)所，一般須間隔2～3年以上才能再次種植茯苓，嚴(yán)重制約了道地產(chǎn)區(qū)茯苓產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

中藥材栽培過(guò)程中連作障礙問(wèn)題普遍存在，研究表明約70%的根及地下莖類中藥材存在較嚴(yán)重的連作障礙[3]。連作障礙產(chǎn)生因素十分復(fù)雜，主要包括土壤、植物及微生物3個(gè)方面，其中土壤理化性質(zhì)改變，土壤酶活性降低是連作障礙發(fā)生的重要原因[4]。因此，本研究分別以仿擬茯苓野生生境于松樹林栽培的“林藥仿生栽培”（以下簡(jiǎn)稱仿生栽培）、林緣地表種植1年生淺根系草本農(nóng)作物、地下種植茯苓的“糧藥立體栽培”（以下簡(jiǎn)稱立體栽培）和在傳統(tǒng)農(nóng)作物大田種植的“農(nóng)田單作栽培”（以下簡(jiǎn)稱單作栽培）3種模式的茯苓栽培窖場(chǎng)土壤為研究對(duì)象，對(duì)茯苓栽培前、采收后以及土地不耕不種進(jìn)行休閑的第1年和第2年共4個(gè)時(shí)期的土壤理化性質(zhì)、土壤酶活性進(jìn)行動(dòng)態(tài)研究，以探明茯苓栽培不同時(shí)期土壤生態(tài)環(huán)境的變化規(guī)律，為解析茯苓連作障礙及合理間隔年限種植提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

仿生栽培、立體栽培和單作栽培3種模式均以成年馬尾松段木為培養(yǎng)料，采取段木栽培方式和相同的田間管理技術(shù)。試驗(yàn)地位于湖北省羅田縣九資河鎮(zhèn)。其中仿生栽培為松樹林下環(huán)境栽培；立體栽培為林緣荒地表層種植芝麻、地下栽培茯苓；單作栽培是在種植農(nóng)作物的大田栽培茯苓。

1.2 土樣采集

分別于仿生栽培、立體栽培和單作栽培3種模式的茯苓栽培之前、采收之后、休閑1年、休閑2年4個(gè)時(shí)期進(jìn)行土樣采集。按“S”型5點(diǎn)隨機(jī)取樣法，采取10～20 cm深土層土樣，重復(fù)取樣3次，自然風(fēng)干、去雜，備用。采集樣品一部分用于測(cè)定土壤理化性質(zhì)；另一部分置于冰箱低溫保存，用于測(cè)定土壤酶活性。

1.3 土壤理化性質(zhì)分析

取過(guò)20目篩的風(fēng)干土樣，采用電位法測(cè)定土壤pH。取過(guò)80目篩的風(fēng)干土樣，采用灼燒法測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)含量。

1.4 土壤酶活性分析

蔗糖酶采用3，5-二硝基水楊酸比色法，活性以恒溫培養(yǎng)24 h每克土樣中產(chǎn)生的葡萄糖的質(zhì)量來(lái)表示（mg/g）；纖維素酶采用硝基水楊酸比色法測(cè)定，活性以培養(yǎng)72 h每10 g土樣中產(chǎn)生的葡萄糖的質(zhì)量來(lái)表示（mg/10g）；脲酶采用苯酚鈉比色法，活性以培養(yǎng)24 h每克土樣中產(chǎn)生的NH3-N質(zhì)量來(lái)表示（mg/g）；多酚氧化酶采用鄰苯三酚比色法，其酶活性以培養(yǎng)2 h每克土樣中產(chǎn)生的沒(méi)食子酸質(zhì)量來(lái)表示（mg/g）[5]。

1.5 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用WPS Excel 2013和IBMSPSS（20.0版）軟件進(jìn)行處理和分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同栽培模式茯苓窖場(chǎng)土壤理化性質(zhì)變化研究

2.1.1 土壤pH變化 酸堿性是土壤重要化學(xué)性質(zhì)，常以pH表示，自然狀態(tài)下，土壤pH變化過(guò)程十分緩慢，變化一個(gè)單位需經(jīng)歷漫長(zhǎng)時(shí)間。植物在土壤中生長(zhǎng)，伴隨著兩者互作關(guān)系的持續(xù)，會(huì)對(duì)土壤pH產(chǎn)生不同程度影響。3種栽培模式茯苓栽培土壤pH變化見圖1，栽培茯苓后土壤pH均不同程度降低，其中仿生栽培、單作栽培土壤pH顯著降低（P＜0.05），單作栽培的土壤酸堿度由酸性轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)酸性，立體栽培土壤pH下降不顯著（P＞0.05）。此后，土壤兩年休閑期間，仿生栽培、立體栽培土壤pH變化趨于穩(wěn)定，其中仿生栽培pH逐漸升高，休閑1年和休閑2年的土壤pH分別為6.20、6.23與栽培之前土壤pH 6.44無(wú)顯著差異（P＞0.05），單作栽培土壤pH仍然呈現(xiàn)較大幅度波動(dòng)變化。

圖1 不同栽培模式茯苓窖場(chǎng)土壤pH的動(dòng)態(tài)變化Fig.1 Dynamic changes of soil pH under different cultivation modes of P.cocos

2.1.2 土壤有機(jī)質(zhì)變化 不同模式茯苓栽培前后土壤有機(jī)質(zhì)（SOM）變化規(guī)律見圖2，立體栽培、仿生栽培、單作栽培SOM含量變化趨勢(shì)一致，均表現(xiàn)為栽培后SOM含量大幅度增加，增幅分別為27.3%、57.5%和38.5%，此后逐漸下降，休閑2年后立體栽培、仿生栽培SOM仍低于栽培前水平，單作栽培恢復(fù)至栽培前水平。

圖2不同栽培模式茯苓窖場(chǎng)土壤有機(jī)質(zhì)的動(dòng)態(tài)變化Fig.2 Dynamic changes of different cultivation modes on soil organic matter of P.cocos

2.2 不同栽培模式茯苓窖場(chǎng)土壤酶活性變化研究

土壤酶參與生物和土壤間的物質(zhì)循環(huán)與能量轉(zhuǎn)化，反映了土壤所處的狀況，且對(duì)外界因素引起的土壤內(nèi)部變化較敏感，被認(rèn)為是土壤生態(tài)系統(tǒng)變化的預(yù)警和敏感指標(biāo)，其活性高低也是土壤質(zhì)量水平的重要表征[6]。

2.2.1 土壤蔗糖酶活性變化 蔗糖酶的酶促作用產(chǎn)物葡萄糖，是植物和微生物的重要營(yíng)養(yǎng)源，直接關(guān)系到作物的生長(zhǎng)。不同栽培模式不同時(shí)期茯苓栽培土壤蔗糖酶活性變化見圖3，茯苓栽培后蔗糖酶活性不同程度發(fā)生改變，仿生栽培、立體栽培土壤蔗糖酶活性均增強(qiáng)，其中仿生栽培蔗糖酶活性略增，立體栽培土壤蔗糖酶活性顯著增強(qiáng)（P＜0.05），由0.285 mg/g增至0.339 mg/g，此后土壤休閑期間蔗糖酶活性均持續(xù)下降；單作栽培土壤蔗糖酶活性不斷下降，由0.560 mg/g降至0.367 mg/g。3種模式休閑2年后，土壤蔗糖酶活性均顯著低于栽培前水平（P＜0.05）。

圖3 不同栽培模式茯苓窖場(chǎng)土壤蔗糖酶活性的動(dòng)態(tài)變化Fig.3 Dynamic changes of different cultivation modes on soil invertase activity of P.cocos

2.2.2 土壤纖維素酶活性變化 纖維素酶是茯苓菌絲體胞外酶的重要組成部分，也是茯苓降解松樹纖維素的重要酶類，因此在茯苓營(yíng)養(yǎng)過(guò)程中具有重要作用。不同栽培模式不同時(shí)期茯苓土壤纖維素酶活性變化見圖4，仿生栽培、立體栽培土壤纖維素酶活性變化規(guī)律較相似，采收后呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，休閑1年開始下降，休閑2年土壤纖維素酶活性又大幅上升，增幅分別為67.2%，36.6%。單作栽培采收后土壤纖維素酶活性呈緩慢增加趨勢(shì)，休閑1年后開始下降，休閑2年降幅達(dá)32.7%。

圖4 不同栽培模式茯苓窖場(chǎng)土壤纖維素酶活性的動(dòng)態(tài)變化Fig.4 Dynamic changes of different cultivation modes on soil cellulase activity of P.cocos

2.2.3 土壤脲酶活性變化 脲酶是土壤中氮轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵酶，與土壤生物地球化學(xué)循環(huán)中的氮循環(huán)密切相關(guān)。不同栽培模式不同時(shí)期茯苓土壤脲酶活性變化見圖5，仿生栽培、立體栽培土壤脲酶活性變化規(guī)律較相似，在栽培茯苓后活性猛增，增幅分別達(dá)4.5倍和1.7倍。土壤休閑期間，休閑1年兩者土壤脲酶活性又大幅下降，降幅分別為91.2%和79.2%，休閑2年土壤脲酶活性又小幅上升，增幅分別為36.2%和50.0%。單作栽培后土壤脲酶活性下降42.6%，休閑1年繼續(xù)小幅下降后趨于穩(wěn)定。3種模式休閑2年后，土壤脲酶活性均顯著低于栽培前水平（P＜0.05）。

圖5 不同栽培模式茯苓窖場(chǎng)土壤脲酶活性的動(dòng)態(tài)變化Fig.5 Dynamic changes of different cultivation modes on soil urease activity of P.cocos

2.2.4 土壤多酚氧化酶活性變化 土壤多酚氧化酶是一種氧化還原酶，能把土壤中芳香族化合物氧化成醌，完成土壤芳香族化合物循環(huán)，促進(jìn)土壤有機(jī)碳的累積。不同栽培模式不同時(shí)期茯苓土壤多酚氧化酶活性變化見圖6，3種模式均表現(xiàn)為先下降后升高。其中仿生栽培后多酚氧化酶活性略降，然后逐漸升高，休閑2年增至11.628 mg/g。立體栽培至休閑1年期間多酚氧化酶活性呈持續(xù)下降趨勢(shì)，休閑2年活性顯著增強(qiáng)，增幅達(dá)58.8%，增至14.972 mg/g。單作栽培后多酚氧化酶活性首先大幅下降，休閑期間活性逐年增加，休閑1、2年分別升高至9.533 mg/g和11.923 mg/g。

圖6 不同栽培模式茯苓窖場(chǎng)土壤多酚氧化酶活性的動(dòng)態(tài)變化Fig.6 Dynamic changes of different cultivation modes on soil polyphenol oxidase activity of P.cocos

3 討論與結(jié)論

土壤酸堿度的動(dòng)態(tài)變化對(duì)土壤微生物、養(yǎng)分轉(zhuǎn)化、元素遷移、植物生長(zhǎng)等其他土壤環(huán)境因子均產(chǎn)生重要影響[7]，土壤酸化會(huì)導(dǎo)致土壤陽(yáng)離子養(yǎng)分加速流失，是土壤退化的重要標(biāo)志之一[8]。目前，在人參[9]、三七[10]等多種藥用植物中，均出現(xiàn)栽培后土壤酸化及板結(jié)加劇，被認(rèn)為是導(dǎo)致其連作障礙發(fā)生的重要原因之一。余世金等亦研究發(fā)現(xiàn)，茯苓栽培后土壤pH明顯下降[11]。本研究中，栽培之前土壤本底pH均位于5.5～6.5之間，酸堿度為酸性適宜于茯苓生長(zhǎng)，不同模式栽培茯苓后，出現(xiàn)土壤酸化加劇，單作栽培甚至變?yōu)閺?qiáng)酸性，仿生栽培、立體栽培兩種模式植物群體更為多樣，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，維持穩(wěn)態(tài)能力更強(qiáng)，栽培后雖有一定程度降低，但休閑1年pH即企穩(wěn)回升，仿生栽培土壤pH更是恢復(fù)至栽培前水平，表明仿生栽培模式系統(tǒng)更為穩(wěn)定，受到茯苓栽培引起的土壤酸化通過(guò)自調(diào)控一年即可恢復(fù)到原初狀態(tài)。

SOM是土壤中的各種含碳有機(jī)化合物，主要源自于各種動(dòng)、植物殘?bào)w，微生物及其分解和合成的各種有機(jī)物質(zhì)，是體現(xiàn)土壤肥力的重要指標(biāo)。SOM的流失會(huì)引起土壤生態(tài)系統(tǒng)功能降低，并影響土壤的健康水平。茯苓屬于木腐型真菌，其主要通過(guò)菌絲體分泌胞外酶降解松樹的纖維素和半纖維素，進(jìn)而加以吸收利用，提供其營(yíng)養(yǎng)所需，而非源自光合作用或土壤。對(duì)于茯苓而言，其栽培土壤的主要作用不是提供營(yíng)養(yǎng)功能，而是起到調(diào)控溫度、水分和空氣等功能。茯苓栽培引起SOM上升，表明茯苓生長(zhǎng)過(guò)程中菌絲體大量降解松木形成的含碳有機(jī)物除滿足生產(chǎn)所需外，尚有未被利用的有機(jī)物釋放到土壤中，進(jìn)而引起SOM含量增加，在土壤休閑期間這部分增加的SOM又被土壤中的其他生物利用或是流失，因此SOM含量進(jìn)而下降，同時(shí)由于茯苓營(yíng)養(yǎng)主要源自松木，SOM應(yīng)不是導(dǎo)致茯苓不耐連作的原因。

土壤酶作為土壤系統(tǒng)的重要組成部分，對(duì)土壤的管理利用方式和養(yǎng)分特征高度敏感。因此，土壤酶活性對(duì)指示土壤健康程度和合理耕作制度具有重要作用[12]。本研究中，茯苓不同模式栽培土壤酶活性響應(yīng)呈現(xiàn)多樣性，蔗糖酶活性方面，仿生栽培、立體栽培兩種模式先增強(qiáng)后減弱，單作栽培蔗糖酶活性不斷下降，休閑2年3種模式土壤蔗糖酶仍低于栽培前水平。纖維素酶活性方面，3種模式均隨時(shí)間推移而寬幅波動(dòng)，休閑2年后仿生栽培、立體栽培活性增強(qiáng)，單作栽培活性減弱。脲酶活性方面，仿生栽培、立體栽培活性先增強(qiáng)后減弱，單作栽培活性持續(xù)下降。多酚氧化酶活性3種模式均呈現(xiàn)先下降后增強(qiáng)趨勢(shì)。其中茯苓單作栽培前后土壤酶活性變化特征與楊祺等[13]對(duì)茯苓代料栽培研究的結(jié)果吻合。近年來(lái)研究表明，半夏、當(dāng)歸、薯蕷和地黃等多數(shù)藥用植物栽培后均對(duì)土壤酶活性產(chǎn)生影響，部分土壤酶表現(xiàn)為升高，多數(shù)土壤酶活性降低，其中土壤酶活性降低被認(rèn)為是藥用植物連作障礙產(chǎn)生的原因之一[14]。研究發(fā)現(xiàn)由復(fù)合植物群體構(gòu)成的仿生栽培和立體栽培兩種模式土壤酶活性呈現(xiàn)出相似的變化規(guī)律，而與單作栽培差異較大，并且在休閑2年后纖維素酶、多酚氧化酶即恢復(fù)至高于栽培前水平，表現(xiàn)出更強(qiáng)的土壤酶活性恢復(fù)能力。因此，在茯苓生產(chǎn)過(guò)程中，在維護(hù)松林生態(tài)功能的前提下，禁用化肥和化學(xué)農(nóng)藥等影響藥材品質(zhì)或污染環(huán)境的生產(chǎn)要素，遵循中藥生態(tài)農(nóng)業(yè)理論，采用仿生栽培、立體栽培等復(fù)合性栽培模式，保持土壤生態(tài)平衡和生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，是實(shí)現(xiàn)茯苓生態(tài)種植的有效途徑[15]。