桔梗氮、磷、鉀施肥效應與施肥模式研究

王 靜，王渭玲*，徐福利，曹鮮艷，石福高，張曉虎

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

桔梗Platycodon grandiflorum(Jacq．)A．DC 是桔梗科桔梗屬植物，別名鈴鐺花、包袱花、道拉基等，是我國傳統大宗中藥材之一，具有宣肺、利咽祛痰、排膿等功效［1］。現代藥理學研究表明桔梗有免疫調節、抗炎、保肝等作用［2］，并且是一種藥、食及觀賞兼用的經濟植物。由于桔梗越來越多的藥用價值與經濟價值被發現，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成分、藥理和臨床研究［4］及營養特性［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中的重要環節之一［6］。王玲等［7］報道指出氮肥和磷肥對一年生桔梗的產量和品質影響較大，而鉀肥作用較小。張紅燕等［8］研究表明，有機肥、氮磷鉀配施對桔梗產量有增產作用。但前人的研究僅探討了若干不同肥料用量對桔梗產量的影響，沒有針對各自的土壤肥力給出具體的施肥量化標準，而生產中往往因為土壤氮、磷、鉀三種礦質營養失衡而限制了產量和品質的提高。為此，本文通過田間試驗，采用氮、磷、鉀3因素2次D-飽和最優設計，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，并借助數學分析的方法建立了桔梗氮、磷、鉀優化施肥模式，定量研究了氮、磷、鉀各因子的效應，提出了桔梗高產優質高效栽培最優施肥量和最優施用量配比，以期為桔梗生產的精準施肥提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2010年在陜西商洛香菊藥源基地進行。基地地勢平坦，海拔580 m，屬于半濕潤溫暖氣候區，具有四季分明、光照充足、降水充沛的特點。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粘土。土壤養分狀況為：0—20 cm土壤有機質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土層有機質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-飽和最優設計方案(310)［9］，試驗設10 個處理，3 次重復，共 30 個小區，小區按照隨機區組排列，小區面積4 m×6 m=24 m2。試驗設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。其它采用常規田間管理措施進行栽培管理。

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，趁鮮剝去外皮［1］，烘干測干重并折算至公頃產量。

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 統計方法

試驗數據用DPSv7.05軟件進行統計分析，用Origin 8.0作圖。

2 結果與分析

2.1 桔梗產量氮、磷、鉀肥效反應模式的建立與檢驗

氮、磷、鉀肥對桔梗生長、產量和品質指標的影響見表2。各處理下桔梗產量和總皂苷含量重復的數據見表3。依據表3桔梗產量與總皂苷數據，采用二次多項式建立肥效反應模式：

表1 氮、磷、鉀3因素2次D-飽和最優設計方案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、產量和品質指標的影響Table 2 The effects of N，P and K fertilization on growth，yield and quality of Platycodon grandiflorum

式中：x1代表N的用量編碼值或實際施用量，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，Y代表桔梗的產量或者桔梗總皂苷含量。

根據本試驗結果，擬合得在陜西商洛香菊藥源基地桔梗的根產量Y1與N(x1)、P(x2)、K(x3)的碼值效應函數如下：

根產量的施肥量效應函數如下：

表3 各處理桔梗產量和總皂苷含量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系，因此以上兩效應函數經線性回歸擬合及方差分析后各參數一致，即：F=124.68＞F0.01(9，20)=3.46，線性決定系數R2=0.9825，達到極顯著水平，擬合較好，能指導生產。由于設計所得數學模式是經無量綱線性代換后所得，各一次項偏回歸系數絕對值的大小可直接反映氮、磷、鉀肥對桔梗產量的影響程度［12］。由回歸模型(1)和(2)知，|b1|＞|b3|＞|b2|，說明氮肥對產量影響最大，其次為鉀肥、磷肥。對回歸模型(1)求解效應函數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外推值，屬非典型效應函數，宜用頻率分析法尋優［13］。

2.2 桔梗總皂苷氮、磷、鉀肥效反應模式的建立與檢驗

根據表3試驗數據，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)的碼值效應函數如下：

總皂苷的施肥量效應函數如下：

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

2.3 桔梗產量和總皂苷效應函數的解析

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方程，即氮、磷、鉀肥與桔梗產量及總皂苷關系的單因子效應方程，將各單因子效應方程繪成圖1。

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

由圖1(a)看出氮、磷、鉀對桔梗產量的影響均呈開口向下的拋物線，桔梗產量隨著氮、磷、鉀施用量的增加而增加，但超過一定施肥水平后產量開始下降，符合米采利希(E．Mitscherlich)提出的肥料效應報酬遞減定律［16］，在施肥量較小的情況下施用氮肥對產量的促進作用最為明顯，其次是施用鉀肥，要提高桔梗產量，首先必須重視氮肥的施用。在本試驗約束范圍(－1≤x≤1)內，桔梗產量存在極大值，通過對以上單因素效應函數求一階導數的零值可得出最高產量對應的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、鉀對桔梗總皂苷的影響均呈開口向下的拋物線，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，說明桔梗總皂苷的累積需要一個適宜磷、鉀營養環境，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)內呈現出單調增加趨勢，這是因為本試驗方案中氮肥最大用量相對較小，再者依據C/N平衡假說［17］，增加施氮量可以促進植物體內碳水化合物含量，進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學模型(1)和(3)尋優，將編碼值在試驗范圍內劃分出( －1、－0.2912、0.1925、1)四個水平，構成 43=64個處理組合［18］，選定目標產量4200～4800 kg/hm2(K=22)，皂苷含量高于5.5%(K=24)進行頻率分析。

從表4可以看出，當目標產量在4200～4800 kg/hm2范圍內，95%的置信區間的優化施肥組合為x1取 0.1163～0.5921，x2取 －0.4302～0.1946，x3取－0.2978～0.3084，對應的優化施肥量為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%置信區間的優化施肥組合為量為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;為了實現桔梗高產優質，將以上兩個優化的施肥量取交集，得到桔梗高產優質高效栽培最優施肥量為N 113.37～119.41 kg/hm2、P2O585.96 ～134.39 kg/hm2、K2O 78.80 ～ 136.38 kg/hm2，N、P2O5、K2O的最優施用量配比為1∶0.72～1.18∶0.66～1.20。

表4 桔梗目標產量在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

施肥是提高栽培藥用植物產量和改善品質的重要措施，合理施肥既能夠促進藥用植物生長發育，提高藥材產量，又能改善藥材品質［19］。本試驗結果表明，施用氮、磷、鉀能明顯促進桔梗生長，提高產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、鉀的邊際產量效應均隨施肥量增加而不斷減小，當氮、磷、鉀肥用量分別為 111.52、109.30和 160.08 kg/hm2時，邊際產量效應值降至0，磷和鉀肥對總皂苷的邊際效應呈現出類似規律，當磷、鉀用量分別為143.55和121.02 kg/hm2時，邊際效應值為0，表明桔梗在栽培中需要尋求產量和品質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量和品質的最主要因素;為了達到桔梗高產優質，磷和鉀的協同配施對桔梗產量和品質的形成也至關重要，因為磷、鉀具有調節氮代謝，促進碳水化合物同化、運輸和積累的作用［20］，同時有助于提高桔梗抗寒、抗倒伏能力，改善桔梗的品質。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又優質。通過施肥模式模擬尋優，本試驗條件下，目標產量在4200～4800 kg/hm2范圍內，95%置信區間所對應的優化施肥量為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%置信區間所對應的優化施肥量為N 113.37～140.12 kg/hm2、P2O585.96 ～ 153.44 kg/hm2、K2O 76.86～136.38 kg/hm2。綜合桔梗施肥對產量與品質的影響，桔梗高產優質高效栽培最優施肥量為N 113.37 ～119.41 kg/hm2、P2O585.96 ～134.39 kg/hm2、K2O 78.80 ～136.38 kg/hm2，對應最優的 N、P2O5、K2O施用量比例為 1∶0.72 ～1.18∶0.66～1.20。這一結果與桔梗對氮、磷、鉀的吸收特性基本一致［6］。

由于桔梗生長的生態與土壤環境條件變化，都會不同程度地影響桔梗的生長發育，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，因此模型的參數是否會因種植品種、氣候、土壤肥力水平之間的差異而發生變化，有待于進一步研究，同時還需對施肥模型進行驗證試驗。

［1］中國藥典編委會．中國藥典一部［S］北京：中國醫藥科技出版社，2010.259－260.

Chinese Pharmacopoeia Commission．Chinese pharmacopoeiaⅠ［S］．Beijing：China Medical Science Press，2010.259－260.

［2］宋楊，齊云．桔梗的藥理研究進展［J］．中國藥房，2006，17(2)：140－141.

Song Y，Qi Y．Advances in pharmacological research onPlatycodon grandiflorum［J］．China Pharm．，2006，17(2)：140－141.

［3］郭麗，張村，李麗，肖永慶．中藥桔梗的研究進展［J］．中國中藥雜志，2007，32(3)：181－186.

Guo L，Zhang C，Li L，Xiao Y Q．Advances in studies onPlatycodon grandiflorum［J］．China J．Chin．Mater．Med．，2007，32(3)：181－186.

［4］金在久．桔梗的化學成分及藥理和臨床研究進展［J］．時針國醫國藥，2007，18(2)：506－509.

Jin Z J．Advances in the chemical composition，pharmacological and clinical research ofPlatycodon grandiflorum［J］．Lishizhen Med．Mater．Med．Res．，2007，18(2)：506 －509.

［5］祝麗香，王建華，耿慧云，等．桔梗的干物質累積及氮、磷、鉀養分吸收特點［J］．植物營養與肥料學報，2010，16(1)：197－202.

Zhu L X，Wang J H，Geng H Yet al．Accumulation and distribution of N，P and K inPlatycodon grandiflorumand their relations to dry matter production ［J］．Plant Nutr．Fert．Sci．，2010，16(1)：197－202.

［6］李松，楊靖民，劉曉坤，等．桔梗吸肥規律的研究［J］．吉林農業大學學報，2009，31(1)：62－64.

Li S，Yang J M，Liu X Ket al．Research on manure ingesting rule ofPlatycodon grandiflorum［J］．J．Jilin Agric．Univ．，2009，31(1)：62－64.

［7］王玲，付志文，董其亭，蔡愛民．桔梗配方施肥方法研究［J］．中國中藥雜志，2008，33(6)：697－698.

Wang L，Fu Z W，Dong Q T，Cai A M．Research on fertilization formula ofPlatycodon grandiflorum［J］．China J．Chin．Mater．Med．，2008，33(6)：697 －698.

［8］張紅燕，張曉虎，陳鳳娥，等．桔梗施肥試驗初探［J］．陜西農業科學，2008，(5)：39－41.

Zhang H Y，Zhang X H，Chen F Eet al．Research on fertilization ofPlatycodon grandiflorum［J］．Shaanxi J．Agric．Sci．，2008，(5)：39－41.

［9］白厚義，肖俊璋．試驗研究及統計分析［M］．西安：世界圖書出版公司，1998.274－275.

Bai H Y，Xiao J Z．Experiamental study and statistic analysis［M］．Xi’an：Word Book Publishing Company，1998.274－275.

［10］李喜鳳，薛秋萍，董誠明．桔梗中總皂苷的含量測定［J］．中醫藥學刊，2006，24(12)：2232－2234.

Li X F，Xue Q P，Dong C M．Determination of total saponins in Radix platycodon［J］．Study J．Trad．Chin．Med．，2006，24(12)：2232－2234.

［11］李妍，魏建和，許旭東，等．苯酚–硫酸法定量測定桔梗多糖的研究［J］．時珍國醫國藥，2009，20(1)：5－7.

Li Y，Wei J H，Xu X Det al．Determination of polysaccharides in radix platycodon ［J］．Lishizhen Med．Mater．Med．Res．，2009，20(1)：5－7.

［12］徐福利，王振，徐慧敏，等．日光溫室滴灌條件下黃瓜氮、磷、有機肥肥效與施肥模式研究［J］．植物營養與肥料學報，2009，15(1)：177－182.

Xu F L，Wang Z，Xu H Met al．Study on the response and fertilization model of cucumber for nitrogen，phosphorus and manure application in greenhouse under drip irrigation ［J］．Plant Nutr．Fert．Sci．，2009，15(1)：177 －182.

［13］朱再標，梁宗鎖，衛新榮，毛建昌．柴胡氮、磷和有機肥施肥效應分析［J］．植物營養與肥料學報，2007，13(1)：167－170.

Zhu Z B，Liang Z S，Wei X R，Mao J C．Study on nitrogen，phosphorus and organic manure fertilization recommendation ofBupleurum chinenseDC ［J］．Plant Nutr．Fert．Sci．，2007，13(1)：167－170.

［14］趙斌，王勇，路鈺，等．多元二次肥料效應函數極值的判別及函數優化［J］．雜糧作物，2001，21(2)：42－45.

Zhao B，Wang Y，Lu Yet al．The determination of extreme values and optimization of multivariant quadratic fertilization effect function［J］．Rain Fed Crops，2001，21(2)：42 －45.

［15］徐中儒．回歸分析與試驗設計［M］．北京：中國農業出版社，1997.

Xu Z R．Regression analysis and experimental design［M］．Beijing：Chinese Agriculture Press，1997.

［16］Kivisaari S．Importance of secondary and micronutrients in a balanced fertilizer schedule in S．E．Asia［R］．Manila，Philippines：Fertilizer Asia Conference and Exhibition，1989.

［17］周佳民，尹小紅，陳超君，等．施氮水平對廣金錢草產量和活性成分含量的影響［J］．中國中藥雜志，2010，35(12)：1533－1536.

Zhou J M，Yin X H，Chen C Jet al．Effects of nitrogen application levels on yield and active composition content of Desmodium styracifolium［J］．China J．Chin．Mater．Med．，2010，35(12)：1533－1536.

［18］王振，王渭玲，徐福利．膜莢黃芪氮磷鉀優化施肥模式研究［J］．植物營養與肥料學報，2008，14(3)：552－557.

Wang Z，Wang W L，Xu F L．Study on the optimization models of nitrogen，phosphorus and potassium application for Astragalus membranaceus production ［J］．Plant Nutr．Fert．Sci．，2008，14(3)：552－557.

［19］楊繼祥，田義新．藥用植物栽培學［M］．北京：中國農業出版社，2004.10－20.

Yang J X，Tian Y X．Science of medicinal plant cultivation［M］．Beijing：China Agriculture Press，2004.10－20.

［20］趙鍇，李瑾，徐寧，徐坤．氮磷鉀配施對洋蔥產量和品質的影響［J］．植物營養與肥料學報，2008，14(3)：558－563.

Zhao K，Li J，Xu N，Xu K．The effects of combined application of N，P and K on the yield and quality of onion［J］．Plant Nutr．Fert．Sci．，2008，14(3)：558 －563.