土壤水肥和遮陰對三七生長及生理特性影響研究進展

2016-03-29 07:31:51楊啟良雷龍海

節水灌溉 2016年9期

李婕，楊啟良，徐曼，雷龍海

(昆明理工大學現代農業工程學院，昆明 650000)

0 引言

三七(Panax notoginsen)為五加科人參屬多年生草本植物，由于其花、葉、根莖即全株上下均可入藥，具有活血化瘀、消腫止痛的療效，因此廣泛應用于跌打損傷、高血壓、冠心病、高血脂等疾病的治療中[1,2]，著有“南國神藥”、“金不換”的美譽[3]。三七的生長條件要求較為苛刻：要求冬暖夏涼，無嚴寒、酷暑、潮濕，并且環境適應能力較低，主要分布在低緯度、海拔較高區域中，現在云南文山州及廣西靖西等地區廣泛種植[4]，全國三七種植面積約有0.8萬hm2，年均產量約0.9萬t[5]。

“世界三七在中國，中國三七在云南”，作為三七主產區的云南省，其種植面積從2003年的4 300 hm2發展到2013年的20 000 hm2；產量從2003年的378萬kg增加到2013年的1 000萬kg[6]。通過數據發現，10年間三七種植面積增加了近5倍，但產量僅僅增加2.6倍，而單位面積的產量由2003年的900 kg/hm2下降到2013年的500 kg/hm2。究其原因，三七從種植到收獲大約需要3～7 a，生長過程中的連作障礙難以消除，特別是三七需在遮陰條件下生長，種植過程中對水肥的管理比較混亂，不合理的灌溉施肥常常是引起三七根腐病等病害發病的主要原因，發病時通過噴灑大量農藥來控制，進而引起土壤中農藥殘留量不斷增加，土壤污染不斷惡化，從而加重了三七連作土壤的障礙。

多年來三七種植者一直靠經驗對三七進行遮陰、灌溉排水和施肥，缺乏相關的理論指導。再加上三七連作障礙截止目前還沒有解決辦法，這使得適宜種植三七的土地面積越來越狹小[7]，為滿足三七產業對優質原料需求的大幅增加，提高三七單位面積的產量顯得更加重要，而提供適宜的土壤水分和營養是保證三七高產和穩產的重要措施。因此，本文分別對遮陰栽培、不同灌水模式、不同施肥模式對三七生長、生理生態、產量、品質和水分利用效率及病蟲害的影響等方面的研究進展進行了歸納與討論，并提出了三七栽培中需解決的問題和今后主要研究方向。

1 遮陰栽培對三七生長、生理生態、水分利用效率及病蟲害的影響

光是影響植物生存、生長發育和形態特征形成的重要環境因子，不同的作物具有不同的生態習性，從而具有不同的光環境適應效果[8]。研究表明，喜陽植物通常具有較強的光合碳同化能力、較高的光補償點和光飽和點[9]，而喜陰植物具有較低的光補償點和較高的表觀量子效率[10]。植物的生長和分布特征取決于它對光環境變化的適應能力[11]。不同遮陰和光質栽培會影響光照強度，從而對三七的光合特性產生明顯影響。

傳統種植方式下，三七在自然光照30%條件下生長發育良好，故三七蔭棚有“三成透光，七成遮陰”之說，但黃云戰等人[12]研究發現，三七棚透光率為8%～12%時，最適宜三七生長及有效成分的積累，透光率超過17%，三七的生長就會受到制約，長時間的連續光照會改變三七葉片組織結構，從而不利于其生長，嚴重時可能死亡[14]。匡雙便等人[13,21]利用遮陽網設置了5種不同透光率對三七幼苗進行處理，結果表明，隨著透光率的增大，三七幼苗各器官及整株干物質量都有所增加，但其根冠比、根質比一級SPAD值在透光率8%的處理下達到最大，一年生三七根總皂苷含量在透光率為 22.3%的條件下最高，二年生三七總皂苷含量在透光率為8.4%的條件下最高，遮陰栽培會有效降低三七的光合速率，綜合分析得出有利于三七生長和干物質積累的適宜透光率為8%。左端陽等人[15]也用遮陽網設置不同透光率對三七幼苗進行盆栽試驗，結果發現在透光率為5.1%的處理下，三七株高、莖粗和葉面積顯著高于其他處理。也有研究表明，遮陰處理下，三七的光合速率、光飽和點、光補償點以及蒸騰速率都會降低[16]。

光質不僅對三七的光合特性有影響，也顯著影響著其有效成分，羅美佳等人[17]采用7種光質對三七進行盆栽試驗，結果表明紅光對三七株高的生長有促進作用，而青、黃、紫、藍光則促進了三七地下部分生物量的積累，白光下三七葉片的氣孔導度和蒸騰速率達到所有處理的最大值，而綠光處理下三七葉片的胞間CO2濃度和凈光合速率達到最大，但文章中并未指出透光率是多少。陳茵等人[19]研究發現，當透光率設置為(10±2)%時，綠色遮陽網下三七的生長受到了抑制，而橙色遮陽網則有利于三七幼苗的生長且綜合效果較好。也有研究表明三七種苗在橙色、黃色、青色和紫色農膜大棚下生長良好[20]。匡雙便等人[18]利用2種顏色的遮陽網和3種透光率對三七幼苗進行交互處理，結果表明，白色遮陽網+10.0%透光率和藍色遮陽網+21.0%透光率處理下三七幼苗生長較好，這也說明在較高光照環境下，采用藍色遮陽網有利于三七幼苗的生長和發育。

總之，三七是典型的喜陰植物，遮陰環境下三七生長發育較好，而遮陰條件下三七皂苷含量、根腐病等疾病的發病率研究較少，并且現有研究多數是盆栽試驗，與大田的生產與田間管理存在一定的差異。

2 灌溉對三七生長、生理生態、水分利用效率及病蟲害的影響

水分在作物整個生長發育過程中都有著至關重要的作用，其不僅能影響作物的生長和發育，而且對作物產量和品質以及病蟲害也有顯著影響。輕度的水分脅迫下，植物葉片中脯氨酸和丙二醛含量明顯降低，光合作用和蒸騰作用得到了明顯的增強[25]，而過高或過低的水分處理，都不利于植物光合速率的提高[31]。近年來，中草藥的水肥調控逐漸受到重視。邵璽文等人[22]研究表明，適度的干旱脅迫可提高黃芩苷含量，灌溉量為250～350 mm的黃芩生長良好，積累的生物量較高。龍云等人[23]的研究表明，對絞股藍進行虧缺灌溉處理，發現其葉片中皂苷含量明顯增加。在盆栽條件下，土壤水分含量過高或過低，對三七的光合作用有明顯的抑制作用，導致其生物量降低[24]，但三七能夠在一定程度內通過調節自身保護酶活性和滲透調節物質含量去適應土壤水分含量的變化[27]。三七單株根干質量隨著土壤含水率的增加呈現出先升高后降低的趨勢，而根腐病的發病率則迅速增加，而最有利于三七生長且能有效提高其產量和品質的土壤含水率為田間持水量的56.4%～59%[28]。在大田試驗條件下，提高三七的產量和品質對各個生育期內的土壤含水率都有不同的要求，苗期、開花期、結果期和根增重期的灌水下限范圍分別為60%～65%、45%～50%、85%～90%、80%～85%[26]。

土壤水分含量的變化，會引起土壤微生態環境的變化，從而引起一系列的發病情況。趙宏光[28,43]、王朝梁等人[29]認為，隨著土壤含水率的增加，三七根腐病的發病率顯著增高。官會林等人[30]研究表明，根系土壤中的菌類與三七根腐病的發生有著較大關系，特別是霉菌、放線菌和厭氧生長細菌，三七根腐病高發期時這3類菌群的存活量也達到了最高峰。

總之，以上研究大多是也在盆栽模擬條件下進行的，并沒有考慮三七適應不同水分環境的自適應生長生理調節機制，有關大田不同灌溉方式下三七的耗水特性與水分高效利用機制研究還有待于進一步研究。

3 施肥對三七生長、生理生態、水分利用效率及病蟲害的影響

對作物添加營養元素，能影響植物葉片中葉綠素和各種酶的合成[40-42]，從而影響其光合作用并最終影響作物的產量和水分利用效率。合理的施肥，可以改良土壤，增加植物在土壤中能吸收的營養元素，從而促進植物的生長和發育，并且在一定程度上能夠提高作物的產量和品質(添加參考文獻)。而不合理的施肥，容易導致土壤板結甚至抑制作物的生長和發育(添加參考文獻)。三七屬于經濟價值較高的藥材作物，在實際生產過程中不合理的施肥現象較多，從而導致三七的產量和品質受到諸多不利影響。因此，根據具體的土壤情況，對三七加以合理的施肥來保證和提高其產量和品質顯得尤為重要。

合理施肥不僅能有效的提高三七的產量，也對三七的品質有一定的保證。前人研究表明，N∶P2O5∶K2O比例為1∶1∶2時有利與三七的生長和發育，其三七每667 m2實際的氮磷鉀肥施用量為N：11～18 kg, P2O5：11～25 kg，K2O：0～36 kg較為適宜[32]。而不同種類的肥料對三七的生長發育以及根腐病的發病率也有不同影響，如劉云芝的研究表明，腐熟的豬糞和豬糞+復合肥處理的三七疫病和出苗期間的生理性病害-干熟葉發生率較高，然而每年每667 m2施用100 kg的MI百事達生物肥的處理，不僅單株產量高達31.17g，而且會有效避免三七侵染病害的發生[33]。韋美麗等人[35]設置5個施氮水平，結果顯示施氮量會顯著影響三七地上部分的生物量，但對其產量的影響并不顯著，并推薦每667 m2施肥22.5～30 kg可以達到有效生產的目的。通過以上的研究發現合理施肥對促進三七生長、提質和增產及抑制病蟲害的發生均具有明顯的效果，但并沒有考慮土壤水分對調節三七根區微環境的作用，通常適宜的土壤水分會促進三七對根區營養的吸收，也會通過調節土壤的pH值為三七生長創造更為有利的根區微環境條件。

合理的水肥耦合模式，能促進土壤中微生物的生長和繁殖，有利于提高土壤中微生物的種類和數量，進而促進作物達到優質高產的目標[37,38]。還有研究表明，有機質、速效氮、容重是連作土壤微生物區系及酶活性的主要影響因素[39]，通過合理施肥解決三七連作障礙也是提高其產量的有效辦法。以上的研究發現合理施肥對促進三七生長、提質和增產及抑制病蟲害的發生均具有明顯的效果，但并沒有考慮土壤水分對調節三七根區微環境的作用，通常情況下，適宜的土壤水分會促進三七對根區營養的吸收，也會通過調節土壤的pH值為三七生長創造更為有利的根區微環境條件。

4 研究展望

綜上所述，國內外學者圍繞遮陰、水分和施肥等單一因素影響下對三七的生長、生理生態、產量及品質等方面做了大量研究工作，也取得了較大成績，但仍存在以下問題：①遮陰栽培下水肥耦合對三七的耗水規律和灌溉制度的影響研究有待完善：目前三七人工種植均在遮陰條件下進行，圍繞水分處理進行了相關研究，取得了一定的成果，但需進一步研究水肥耦合對三七的耗水規律和灌溉制度的影響。②遮陰栽培和水肥耦合下三七的水分高效利用機制缺乏系統深入研究：三七遮陰栽培的研究大多集中于干物質質量和光合作用等方面，三七水分高效利用機制與根系吸收、蒸散耗水及水分在植物體內的傳輸密切相關，但對表征三七水分傳輸機制的葉水勢、根系導水率、冠層水流阻力對水肥耦合的響應及其水分高效利用機制方面的研究還尚未見報道。③施肥條件下并沒有考慮土壤水分對調節三七根區微環境的作用：通過合理施肥可以促進三七生長、提質和增產及抑制病蟲害的發生，但并沒有考慮土壤水分對調節三七根區微環境(土壤水、肥、氣、熱、pH值及微生物等)的作用，通常合理的施肥條件下適宜的土壤水分會促進三七根系對土壤中營養物質的吸收，減少三七根腐病等病害的發生，有利于緩解土壤連作障礙對三七生長的不利影響，從而為三七生長創造更為有利的根區微環境條件。④遮陰栽培和水肥耦合下三七提質高產機理與最佳遮陰-灌水-施肥耦合模式的研究較少：過去在遮陰栽培條件下針對三七提質高產的水分或養分進行了較多的研究，但并沒有綜合考慮水肥的交互作用。

對已報道的研究工作總結發現，有關遮陰栽培下三七種植過程中水分和施肥的研究通常是孤立進行的，事實上，三七種植戶為了利益最大化，只注重產量提高的人為可控條件，他們片面認為灌水和施肥較多三七產量就會提高，但忽視了遮陰栽培下不合理灌水和施肥不僅會導致水肥利用效率降低，集中降雨期會加重農業面源污染，而且也會引起病蟲害增多，從而導致三七減產和品質降低。一方面沒有綜合考慮遮陰栽培下水肥的雙重需求、互作效應關系及水肥高效利用機制；另一方面也很少從水肥調控根區微環境的角度出發，研究三七優質高產的最優水肥耦合模式與抑制三七病蟲害發生的最佳供水供肥供藥指標體系。基于上述客觀存在的兩方面原因，筆者建議對三七營養生理與施肥的研究今后應重點加強以下幾方面:

(1)開展虧缺灌溉和遮陰栽培時三七優質高產的最佳水肥調控指標研究，探索遮陰栽培條件下三七提質高產及根腐病發病機理與水肥調控的效應關系，形成三七優質高產栽培過程中的節水節肥節藥技術方案，實現遮陰條件下作物水肥高效利用理論的創新。

(2)綜合考慮三七的產量和品質對不同灌水、施肥和遮陰度的響應，探索提高三七綜合效益的有效途徑；以提質高產為目標，提出綜合效益協同提高時的灌水、施肥和遮陰栽培指標體系，優選三七的最佳灌水、施肥和遮陰栽培耦合模式以及供水供肥的指標體系。

[1] 高艷芳. 三七總皂苷治療冠心病臨床療效分析[J]. 醫學信息，2009，22(6)：1 008-1 009.

[2] 李萍，侯天印，劉強. 三七花降脂茶治療高血脂癥50例[J]. 現代中西醫結合雜志，2005，14(8)：1 044-1 044.

[3] 鄭光植，楊崇仁．三七生物學及其應用 [M]．北京：科學出版社，1994:1-4．

[4] 李冠烈. 三七的現代研究與進展[J]. 世界中西醫結合雜志，2008，3(10):619-623.

[5] 崔秀明，詹華強，董婷霞. 印象三七[M]. 昆明: 云南科技出版社，2009.

[6] 崔秀明，朱艷.三七實用栽培技術[M]. 福州：福建科學技術出版社，2013.

[7] 余艷玲，彭云，陳中堅. 三七栽培灌水指標的初步研究[J]. 云南農業大學學報(自然科學)，2006，21(1):121-123.

[8] Valladares F, Niinemets. Shade tolerance, a key plant feature of complex nature and consequences[J]. Annual Review of Ecology Evolution and Systematics，2008，39：237-257.

[9] FENG YL，WANG JF，SANG WG．Biomass allocation，morphology and photosynthesis of invasive and noninvasive exotic species grown at four irradiance levels[J]．Acta Oecologica，2007，31(1)：40-47．

[10] Sofo A，Dichio B，Montanaro G．Photosynthesis performance and light response of two olive cultivars under different water and light regimes[J]．Photosynthetica，2009，47(4)：602-608．

[11] Franck N，Vaast P. Limitation of coffee leaf photosynthesis by stomatal conductance and light availability under different shade levels [J]. Trees，2009，23(4)：761-769.

[12] 黃云戰，張汝坤，吳德光. 三七藥材設施栽培蔭棚的結構設計[J]. 農機化研究，2004，(4)：84-86.

[13] 匡雙便，張廣輝，陳中堅，等. 不同光照條件下三七幼苗形態及生長指標的變化[J]. 植物資源與環境學報，2014，23(2)：54-59.

[14] 李章田, 段承俐, 蕭鳳回. 人工光照對一年生三七形態和光合特性的影響[J]. 云南農業大學學報, 2009,24(5):677-683.

[15] 左端陽, 匡雙便, 張廣輝,等. 三七(Panax notoginseng)對不同光照強度的生理生態適應性研究[J]. 云南農業大學學報:自然科學, 2014, 29(4):521-527.

[16] 成向榮，舒駿，劉佳，等. 不同光環境對紫背天葵和白背三七生長及光合熒光特性的影響[J]. 西北植物學報，2014，34(7)：1 426-1 431.

[17] 羅美佳，夏鵬國，齊志鴻，等. 光質對三七生長、光合特性及有效成分積累的影響 [J]. 2014，39(4)：610-613.

[18] 匡雙便, 徐祥增, 楊生超,等. 不同光質和透光率對三七種苗生長的影響[J]. 南方農業學報, 2014, 45(11):1 935-1 942.

[19] 陳茵, 匡雙便, 張廣輝,等. 彩色農膜對三七種苗生物量積累與分配特征的影響[J]. 西南農業學報, 2015,28(1):67-72.

[20] 匡雙便, 徐祥增, 張廣輝,等. 不同顏色農膜對藥用植物三七(Panax notoginseng)種苗生長的影響[J]. 中國農學通報, 2014,(16):231-237.

[21] 匡雙便, 徐祥增, 孟珍貴,等. 不同透光率對三七生長特征及根皂苷含量的影響[J]. 應用與環境生物學報, 2015,(2):279-286.

[22] 邵璽文, 韓梅, 韓忠明,等. 水分供給量對黃芩生長與光合特性的影響[J]. 生態學報, 2006,(10):3 214-3 220.

[23] 龍云, 楊睿, 鐘章成,等. 不同水分和氮素條件對栽培絞股藍生物量和皂苷量的影響[J]. 中草藥, 2008,(12):1 872-1 876.

[24] 李佳洲，余前進，梁宗鎖，等. 土壤不同水分含量對三七生長、光合特性及有效成分積累的影響[J]. 中藥材，2015，38(8)：1 588-1 590.

[25] 韋澤秀，梁銀麗，周茂娟. 水肥組合對日光溫室黃瓜葉片生長和產量的影響[J]. 農業工程學報，2010，26(3)：69-74.

[26] 余艷玲，彭云，陳中堅. 三七栽培灌水指標的初步研究[J]. 云南農業大學學報(自然科學)，2006，21(1):121-123.

[27] 趙宏光, 尋路路, 梁宗鎖,等. 土壤水分含量對三七葉片生長、抗氧化酶活性及滲透調節物質含量的影響[J]. 西北農業學報, 2013,22(12).

[28] 趙宏光, 夏鵬國, 韋美膛,等. 土壤水分含量對三七根生長、有效成分積累及根腐病發病率的影響[J]. 西北農林科技大學學報：自然科學版, 2014,2(2).

[29] 王朝梁，崔秀明，李忠義，等．三七根腐病發生與環境條件關系的研究[J]．中國中藥雜志，1998,23(12)：714-716.

[30] 官會林，陳昱君，劉士清．三七種植土壤微生物類群動態與根腐病的關系[J]．西南農業大學學報，2006,28(5):706-709.

[31] 李銀坤，武雪萍，吳會軍. 水氮條件對溫室黃瓜光合日變化及產量的影響[J]. 農業工程學報，2010，26(S1)：122-129.

[32] 王朝梁，陳中堅，孫玉琴，等. 不同氮磷鉀配比施肥對三七生長及產量的影響[J]. 現代中藥研究與實踐，2007，21(1)：5-7.

[33] 劉云芝，王勇，武忠翠，等. 不同肥料種類對三七生長及病害發生的影響研究[J]. 文山學院學報，2012，25(6)：22-26.

[34] 歐小宏，金航，郭蘭萍，等. 平衡施肥及土壤改良劑對連作條件下三七生長與產量的影響[J].中國中藥雜志，2012，37(13)：1 905-1 911.

[35] 韋美麗，孫玉琴，黃天衛，等. 不同施氮水平對三七生長及皂苷含量的影響[J]. 現代中藥研究與實踐，2008，22(1)：17-20.

[36] 張金渝，楊維澤，崔秀明．三七栽培居群遺傳多樣性的ESTSSR分析[J]．植物遺傳資源學報，2011，12 (2)：249-254．

[37] 劉振香，劉鵬，賈緒存，等. 不同水肥處理對夏玉米田土壤微生物特性的影響[J]. 應用生態學報，2015，26(1)：113-121.

[38] 韋澤秀，梁銀麗，山田智. 不同水肥條件下番茄土壤微生物群落多樣性及其與產量品質的關系[J]. 植物生態學報，2009，33(3)：580-586.

[39] 馬云華，魏珉，王秀峰. 日光溫室連作黃瓜根區微生物區系及酶活性的變化[J]. 應用生態學報，2004，15：1 005-1 008.

[40] 沈玉芳，李世清，邵明安. 水肥空間組合對冬小麥光合特性及產量的影響[J]. 應用生態學報，2007，18(10)：2 256-2 262.

[41] Farquhar G D, Sharkey T D. Stomatal conductance and photosynthesis[J]. Ann Res Plant Physiol，1982，33(6)：317-342.

[42] 張國紅，眭曉蕾，郭英華. 施肥水平對日光溫室番茄光合生理的影響[J].沈陽農業大學學報，2006，37(3)：317-321.

[43] Xia P, Guo H, Zhao H, et al. Optimal fertilizer application for Panax notoginseng, and effect of soil water on root rot disease and saponin contents[J]. Journal of Ginseng Research, 2016, 6(1):38-46.