高寒區(qū)輪作模式對(duì)當(dāng)歸田土壤特性及藥材產(chǎn)量的影響

袁洪超，郭鳳霞*，陳垣,2*，白剛，梁偉

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院，農(nóng)學(xué)院，甘肅省中藥材規(guī)范化生產(chǎn)技術(shù)創(chuàng)新重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅省藥用植物栽培育種工程研究中心，甘肅省干旱生境作物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅省特色藥用植物資源保護(hù)與利用工程實(shí)驗(yàn)室，甘肅省特色藥材規(guī)范化可追溯栽培工程技術(shù)研究中心，甘肅天士力中天藥業(yè)有限責(zé)任公司，甘肅 定西 748100)

當(dāng)歸(Angelicasinensis)為傘形科三年生草本藥用植物，以干燥根入藥，又名岷歸，具潤(rùn)腸通便、調(diào)經(jīng)止痛、補(bǔ)血活血等功效，是我國(guó)大宗中藥材品種之一[1]。當(dāng)歸對(duì)土壤和氣候條件的要求很嚴(yán)格，適宜排水良好，中性或微酸性、有機(jī)質(zhì)含量高的黑土類和褐土類[2]，野生資源在甘肅西南部陰濕的高海拔地帶有極少量分布[3]，藥源主要為栽培品，西北地區(qū)是我國(guó)當(dāng)歸的主產(chǎn)區(qū)。甘肅岷縣、卓尼、漳縣和宕昌一帶是我國(guó)優(yōu)質(zhì)當(dāng)歸的地道產(chǎn)區(qū)，已有1500多年栽培史，年產(chǎn)量和銷售量均占全國(guó)的90%以上[4]，所產(chǎn)當(dāng)歸品質(zhì)最佳，享譽(yù)海內(nèi)外，于2001年6月被中國(guó)特產(chǎn)之鄉(xiāng)推薦暨宣傳活動(dòng)組織委員會(huì)命名為“中國(guó)當(dāng)歸之鄉(xiāng)”。

隨著中醫(yī)藥現(xiàn)代化的發(fā)展，對(duì)當(dāng)歸需求量劇增，大量種植造成連作比例不斷提高，土壤環(huán)境逐年惡化，根病加重[5]，主產(chǎn)區(qū)適宜當(dāng)歸種植的土地資源迅速退縮，道地產(chǎn)區(qū)環(huán)境出現(xiàn)變遷趨勢(shì)。前人對(duì)輪作效應(yīng)的研究廣泛而深入，研究表明由于連續(xù)種植同一種植物或者近緣植物會(huì)導(dǎo)致土壤養(yǎng)分異常積累或者過(guò)度消耗，病原微生物迅速繁衍，化感抑制物質(zhì)積累，土壤微生物種群結(jié)構(gòu)失調(diào)，引發(fā)作物品質(zhì)及產(chǎn)量下降[6-8]。張麗莉等[9]研究發(fā)現(xiàn)，輪作是影響土壤質(zhì)量以及可持續(xù)發(fā)展的重要種植模式之一，合理輪作可改變土壤理化性質(zhì)、提高土壤肥力。高菊生等[10]研究表明，在水稻(Oryzasativa)種植過(guò)程中，綠肥作物與雙季稻輪作種植可以顯著提高水稻產(chǎn)量，且長(zhǎng)期雙季稻綠肥輪作土壤有機(jī)質(zhì)顯著增加。不同植物輪作模式還可緩解連作障礙，改善土壤微生態(tài)環(huán)境。連作會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)量與質(zhì)量下降，病害加重[11-13]。由于同種或者同科植物有一定的親緣關(guān)系，其產(chǎn)生的代謝物質(zhì)可能會(huì)對(duì)其同科植物產(chǎn)生毒副作用。不同作物輪作具有改良土壤理化性質(zhì)，改善土壤生態(tài)環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)[7]。近幾年對(duì)當(dāng)歸栽培茬口的研究也開(kāi)始引起關(guān)注，王田濤等[12]在連作條件下研究了間作模式對(duì)當(dāng)歸生長(zhǎng)特性和產(chǎn)量的影響。王華麗[14]研究了不同作物的茬口特性。梁偉等[15]在培育茬口的基礎(chǔ)上研究發(fā)現(xiàn)，高寒區(qū)在不同茬口栽培當(dāng)歸，田間雜草種群和多樣性也是引起當(dāng)歸栽培成效的主要原因，但至今尚缺對(duì)高寒區(qū)當(dāng)歸輪作栽培效應(yīng)的深入系統(tǒng)研究，當(dāng)歸高效輪作模式的選擇尚不明確，因此，在甘南州通過(guò)定向種植作物，培育輪作茬口的基礎(chǔ)上再行栽培當(dāng)歸，系統(tǒng)研究不同作物輪作栽培當(dāng)歸對(duì)土壤特性及藥材產(chǎn)量的影響具有重要意義，可探尋出高寒區(qū)適宜當(dāng)歸栽培的輪作模式，為科學(xué)合理栽培當(dāng)歸和生態(tài)優(yōu)化管理利用提供科學(xué)依據(jù)，促進(jìn)我國(guó)道地產(chǎn)區(qū)當(dāng)歸的可持續(xù)化發(fā)展。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)設(shè)在甘肅省甘南州卓尼縣扎古錄鎮(zhèn)麻路村(E 103°10′51.77″，N 34°39′18.62″)。試驗(yàn)區(qū)海拔2835 m，年均氣溫4.6 ℃，年日照時(shí)長(zhǎng)2186 h，平均降水量584 mm，無(wú)霜期90～119 d，屬于高寒陰濕區(qū)，為當(dāng)歸傳統(tǒng)道地產(chǎn)區(qū)。2015年4月至10月下旬日均最高氣溫19.77 ℃，最低氣溫6.27 ℃，試驗(yàn)地2013年種植柴胡田，土壤有機(jī)質(zhì)含量為2.16%，全氮1.66 g·kg-1，全磷0.467 g·kg-1，全鉀17.5 g·kg-1[14-15]。

1.2 輪作茬口培育

輪作茬口培育試驗(yàn)采用單因素隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì)，作物茬口因素分為3個(gè)水平，即2013年在卓尼縣扎古錄鎮(zhèn)麻路村種植藥用植物柴胡(Bupleurumchinense)勻田基礎(chǔ)上，2014年將試驗(yàn)地劃分為3個(gè)區(qū)組(重復(fù)3次)，區(qū)組長(zhǎng)10 m，寬1 m，每區(qū)組劃分為3個(gè)小區(qū), 小區(qū)面積3 m×1 m，小區(qū)間距50 cm，分別隨機(jī)種植當(dāng)歸、羌活(Notopterygiumincisum)和秦艽(Gentianamacrophylla)，以培育當(dāng)歸(DG)、羌活(QH)和秦艽(QJ)輪作茬口土壤環(huán)境[14-15]。均采用苗栽移栽，株行距均為25 cm。除種植作物不同外，其他田間管理均一致。藥材成熟期2014年10月10日用叉锨逐區(qū)采挖[14]，收獲后維持小區(qū)自然狀態(tài)越冬，備用于次年不同輪作茬口當(dāng)歸栽培試驗(yàn)。

1.3 不同作物輪作茬口當(dāng)歸栽培試驗(yàn)

不同作物茬口輪作當(dāng)歸均采用雙苗穴栽栽培。苗栽移栽于2015年4月22日在上述培育的對(duì)應(yīng)輪茬口小區(qū)進(jìn)行，試驗(yàn)設(shè)計(jì)與茬口培育試驗(yàn)一致，以當(dāng)歸連作重茬口為對(duì)照，即按上年小區(qū)編號(hào)逐區(qū)進(jìn)行當(dāng)歸移栽，穴距25 cm。除輪作茬口不同外，田間農(nóng)事操作管理均一致。移栽前每小區(qū)施復(fù)合肥料(N∶P2O5∶K2O=19∶15∶6)145.0 g，整個(gè)生育期不施除草劑，其他管理同大田。

上述輪作茬口培育和不同作物輪作茬口栽培當(dāng)歸苗均選用當(dāng)歸道地育苗基地-岷縣禾馱鄉(xiāng)紅花溝生荒地育成苗栽，秦艽和羌活苗均為卓尼縣甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)與佛賜藏中藥材有限公司育苗基地育成苗栽。

1.4 不同作物輪作當(dāng)歸田土壤取樣及分析

在不同作物茬口進(jìn)行當(dāng)歸栽培，可構(gòu)成當(dāng)歸-當(dāng)歸連作田(DG-DG)、羌活-當(dāng)歸輪作田(QH-DG)和秦艽-當(dāng)歸輪作田(QJ-DG)土壤系統(tǒng)。當(dāng)歸生長(zhǎng)發(fā)育盛期8月28日和收獲期10月22日采用土鉆在各輪作重復(fù)小區(qū)中央分別挖取0～20 cm土樣，取樣后立即裝入鋁盒(直徑5 cm)帶回實(shí)驗(yàn)室，采用稱重烘干法測(cè)定土壤含水量[16]。

2015年8月28日測(cè)定土壤含水量的同時(shí)，采用“S”形3點(diǎn)隨機(jī)取樣等量混合法，在各小區(qū)另挖取0～20 cm土樣，混合后作為該小區(qū)土壤樣品，裝入自封袋編號(hào)運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室，在室內(nèi)攤開(kāi)自然風(fēng)干后過(guò)篩，備用于土壤理化性質(zhì)測(cè)定。

土壤理化特性測(cè)定于2015年10月1日在甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)土壤化學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。土壤pH采用電極法(雷茲PHS-3C)測(cè)定，電導(dǎo)率采用電導(dǎo)儀(DDS-307)測(cè)定，有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀硫酸氧化-外加熱法測(cè)定，全氮采用半微量凱氏法測(cè)定，全鉀采用堿熔-火焰光度法測(cè)定，全磷采用堿熔-鉬銻抗比色法測(cè)定，速效鉀采用NH4OAc浸提-火焰光度法測(cè)定，速效磷采用碳酸氫鈉法[16]。

1.5 不同作物輪作當(dāng)歸藥材產(chǎn)量測(cè)定

苗栽返青結(jié)束按輪作重復(fù)小區(qū)依次統(tǒng)計(jì)返青成活株數(shù)，2015年10月22日土樣取樣結(jié)束，按小區(qū)采挖全部當(dāng)歸藥材，計(jì)取數(shù)量，測(cè)定藥材鮮產(chǎn)量，計(jì)算成藥株率或成藥率。

成藥率=(藥材根數(shù)/返青株數(shù))×100%

1.6 統(tǒng)計(jì)分析

采用Excel繪制圖和處理平均數(shù)間的t檢驗(yàn)。采用SPSS 19.0軟件進(jìn)行方差分析、性狀間的相關(guān)分析、主成分分析和聚類分析。方差分析多重比較選用Duncan法，聚類分析采用分層聚類法(Hierarchical cluster)。

對(duì)當(dāng)歸輪作模式的綜合評(píng)價(jià)采用蘇李維等[17]的方法進(jìn)行，即首先在主成分分析基礎(chǔ)上取初始特征根大于1的各指標(biāo)主成分值，計(jì)算各指標(biāo)的權(quán)重(Wj)，然后計(jì)算隸屬函數(shù)值，最后估算綜合指數(shù)(comprehensive index, CI)。

Wj=∑(Cl,j×VPl)/∑∑(Cl,j×VPl)
R(Xij)=(Xij-Xjmin)/(Xjmax-Xjmin)
RR(Xij)=1-(Xij-Xjmin)/(Xjmax-Xjmin)
CIj=∑[R(Xij)×Wj]

式中，Cl,j表示第j個(gè)指標(biāo)的第l主成分值，VPl表示第l主成分方差的百分率，Wj表示第j個(gè)指標(biāo)的權(quán)重值。i表示不同輪作模式，j表示測(cè)定指標(biāo)。R(Xij)表示i輪作模式j(luò)指標(biāo)的隸屬函數(shù)值，RR(Xij)表示i輪作模式j(luò)指標(biāo)的反隸屬函數(shù)值；Xij表示i輪作模式j(luò)指標(biāo)的平均觀測(cè)值；Xjmin表示所有輪作模式j(luò)指標(biāo)的最小值；Xjmax所有輪作模式j(luò)指標(biāo)的最大值。CIj為第i輪作模式j(luò)個(gè)指標(biāo)的累計(jì)綜合指數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同作物輪作栽培當(dāng)歸對(duì)土壤質(zhì)地和土壤含水量的影響

圖1顯示，卓尼縣不同作物輪作栽培當(dāng)歸田0～20 cm耕作層土壤外觀具有明顯的差異，秦艽-當(dāng)歸(QJ-DG)輪作土壤和DG-DG連作土壤質(zhì)地較為細(xì)綿，色澤較深，QH-DG輪作土質(zhì)堅(jiān)硬，色澤較淺。

圖2顯示，在卓尼縣不同作物輪作栽培當(dāng)歸，8月當(dāng)歸苗栽返青后進(jìn)入生長(zhǎng)旺盛期，田間耕層土壤含水量依次為QJ-DG>DG-DG>QH-DG，其中，QJ-DG輪作田土壤含水量最高，均高于當(dāng)歸連作(DG-DG)和羌活-當(dāng)歸輪作(QH-DG)田的水平，土壤含水量較DG-DG連作田提高1.23%(P>0.05)，較QH-DG輪作田提高15.37%(P<0.05)，而QH-DG輪作田較DG-DG連作田土壤含水量極顯著降低12.26%(P<0.01)。

圖1 卓尼縣不同輪作栽培當(dāng)歸田耕作層土壤外觀的比較(郭鳳霞拍攝于2015年10月1日)Fig.1 Comparison of the cultivated layer of soils for A. sinensis in Aug. based on different rotations in Zhuoni County (Guo F X took pictures, Oct. 1, 2015) A:當(dāng)歸連作土壤DG-DG continuous-cropping soil；B:羌活-當(dāng)歸輪作土壤QH-DG rotation soil；C:秦艽-當(dāng)歸輪作土壤QJ-DG rotation soil.

圖2 卓尼縣不同輪作栽培當(dāng)歸田耕作層土壤含水量的比較Fig.2 Comparison of water content in cultivated soils for A. sinensis in August in Zhuoni County based on different rotations 不同大、小寫(xiě)字母分別表示處理間差異達(dá)到0.01和0.05顯著水平。下同。Different capital or small letters indicate significant difference at 0.01 or 0.05 level respectively. The same below.

圖2還顯示，不同作物輪作模式對(duì)當(dāng)歸藥材采挖前(10月)田間土壤含水量也具有極顯著影響，影響程度因輪作模式的不同而異。與生長(zhǎng)盛期不同的是在當(dāng)歸藥材收獲期，不同輪作模式條件下，當(dāng)歸栽培田耕作層土壤含水量依次為DG-DG>QH-DG>QJ-DG，且顯著性達(dá)到極顯著水平(P<0.01)，其中，QJ-DG當(dāng)歸輪作田耕作層土壤含水量較DG-DG連作田極顯著性下降20.14%(P<0.01)，較QH-DG輪作田土壤含水量極顯著下降13.02%(P<0.01)，QH-DG輪作田土壤含水量較DG-DG連作田顯著降低8.18%(P<0.05)。土壤含水量的季節(jié)反向變化表明，DG-DG連作模式條件下，栽培當(dāng)歸生長(zhǎng)盛期土壤含水量低，藥材采挖期土壤水分含量卻高，而QJ-DG輪作模式條件下正好相反，當(dāng)歸生長(zhǎng)盛期土壤含水量高，藥材采挖期含水量卻低，說(shuō)明當(dāng)歸連作和羌活-當(dāng)歸輪作模式藥材生長(zhǎng)后期土壤納水力較強(qiáng)。

2.2 不同作物輪作栽培當(dāng)歸對(duì)土壤酸堿度的影響

圖3 不同輪作模式對(duì)土壤pH的影響Fig.3 Effect of different rotation patterns on soil pH

pH是衡量土壤酸堿度的主要指標(biāo)，圖3顯示不同作物輪作當(dāng)歸田0～20 cm土層土壤pH具有極顯著差異，差異程度因輪作模式的不同而異。各輪作當(dāng)歸栽培田土壤pH值依次為QH-DG>QJ-DG>DG-DG，其中，QH-DG輪作模式較DG-DG和QJ-DG輪作模式土壤pH分別提高4.41%(P<0.01)和5.39%(P<0.01)，土壤pH>7.7，而QJ-DG與DG-DG輪作模式土壤pH差異性不顯著(P>0.05), 土壤pH為7.3～7.4(圖3)。

2.3 不同作物輪作栽培當(dāng)歸對(duì)土壤總養(yǎng)分含量的影響

圖4顯示，不同輪作模式下，土壤有機(jī)質(zhì)含量依次為DG-DG>QJ-DG>QH-DG。與當(dāng)歸連作相比較， QH-DG和QJ-DG輪作模式條件下，土壤有機(jī)質(zhì)含量均有降低趨勢(shì)，且降低程度均達(dá)到極顯著水平(P<0.01)，其中，QH-DG輪作模式下有機(jī)質(zhì)含量降低了18.52%(P<0.01)，QJ-DG輪作模式下降低了6.96%(P<0.01)。QJ-DG輪作栽培當(dāng)歸田土壤有機(jī)質(zhì)較QH-DG輪作田的水平提高14.19%(P<0.01)。

圖4 不同輪作模式對(duì)土壤總養(yǎng)分的影響Fig.4 Effect of different rotation patterns on soil total nutrients

土壤全氮、全磷和全鉀是衡量土壤養(yǎng)分基礎(chǔ)肥力的重要指標(biāo)。圖4還顯示，不同作物輪作當(dāng)歸條件下，藥材根發(fā)育關(guān)鍵時(shí)期土壤全氮含量依次為DG-DG>QH-DG>QJ-DG。與DG-DG連作相比較，QJ-DG和QH-DG輪作田土壤全氮含量均極顯著降低(P<0.01)，較DG-DG分別降低21.47%(P<0.01)和18.58%(P<0.01)。不同模式下土壤全磷含量依次為QH-DG>DG-DG>QJ-DG，QJ-DG輪作田土壤全磷含量均極顯著低于QH-DG輪作和DG-DG連作田的水平(P<0.01)，而DG-DG與QH-DG輪作田全磷含量無(wú)顯著差異。不同模式下土壤全鉀含量變化趨勢(shì)與全氮量基本一致，輪作田全鉀含量依次為DG-DG>QH-DG>QJ-DG， QJ-DG和 QH-DG輪作模式下全鉀含量均有降低趨勢(shì)，較DG-DG連作田土壤分別降低了9.32%(P<0.01)和3.90%。

2.4 不同作物輪作栽培當(dāng)歸對(duì)土壤速效養(yǎng)分含量的影響

圖5表明，不同作物輪作栽培當(dāng)歸田土壤速效磷含量依次為DG-DG>QH-DG>QJ-DG。與DG-DG連作田相比較，QH-DG和QJ-DG輪作田土壤有效磷含量均有極顯著性降低趨勢(shì)(P<0.01)，QJ-DG輪作田較DG-DG降低了21.86%(P<0.01)，QH-DG輪作田較DG-DG降低了13.99%(P<0.01)。不同輪作模式下土壤速效鉀含量變化趨勢(shì)與速效磷相似，DG-DG連作田土壤有效鉀含量最高，但QH-DG和QJ-DG輪作田土壤有效鉀含量間的差異性不顯著，兩者均極顯著低于DG-DG連作田的水平(P<0.01)。各輪作田土壤有效鉀含量依次為DG-DG>QJ-DG>QH-DG。其中，QJ-DG輪作田土壤有效鉀含量較DG-DG連作田降低了38.56%(P<0.01)，QH-DG輪作田較DG-DG連作降低了42.51%(P<0.01)。

圖5 不同輪作模式對(duì)土壤速效養(yǎng)分的影響Fig.5 Effect of different rotation patterns on readily available nutrients of soils

2.5 不同作物輪作栽培當(dāng)歸成藥率和藥材產(chǎn)量的影響

圖6顯示，不同作物輪作對(duì)當(dāng)歸返青株成藥率和藥材產(chǎn)量均具有顯著影響(P<0.05)。各輪作田當(dāng)歸成藥株率依次為QJ-DG>DG-DG>QH-DG，其中QJ-DG模式下當(dāng)歸死亡率和早期抽薹率均最低，成藥率在50%以上，較DG-DG連作田成活率提高94.10%(P<0.01)，較QH-DG輪作田提高183.77%(P<0.01)。羌活茬輪作當(dāng)歸死苗率最高，田間缺苗斷垅明顯。各輪作田當(dāng)歸單根產(chǎn)量和藥材總產(chǎn)量變化均與成藥株率趨勢(shì)基本一致，依次為QJ-DG>DG-DG>QH-DG。QJ-DG輪作下當(dāng)歸藥材根個(gè)體大，個(gè)體產(chǎn)量高，單根重較DG-DG連作提高53.46%，較QH-DG提高59.03%。QJ-DG輪作當(dāng)歸藥材鮮產(chǎn)量較DG-DG連作提高125.56%，較QH-DG輪作提高145.25%，同科QH-DG輪作和DG-DG連作下當(dāng)歸藥材單根鮮重和鮮藥材產(chǎn)量差異性均不顯著(P>0.05)。

相關(guān)分析表明(表1)，不同作物輪作條件下，8月當(dāng)歸生長(zhǎng)盛期土壤含水量與季節(jié)水分變化量呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)，與pH負(fù)相關(guān)不顯著(P>0.05)。10月當(dāng)歸藥材采挖期土壤含水量與土壤含水量季節(jié)變化量呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，與全鉀、速效鉀呈顯著性正相關(guān)(P<0.05)，與全氮、全磷、速效磷均呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，而與成藥率和單根鮮重均呈顯著(P<0.05)負(fù)相關(guān)，與藥材鮮產(chǎn)量的負(fù)相關(guān)達(dá)極顯著水平(P<0.01)。土壤水分季節(jié)變化量與單根鮮重呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)，與成藥率和藥材鮮產(chǎn)量均呈較大負(fù)相關(guān)。pH與產(chǎn)量因子均呈負(fù)相關(guān)，與成藥率相關(guān)性達(dá)顯著水平(P<0.05)，與有機(jī)質(zhì)呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01),與全磷呈顯著正相關(guān)(P<0.05)。土壤有機(jī)質(zhì)與全氮和速效鉀呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，與全鉀、速效磷含量及產(chǎn)量因子均呈正相關(guān)。全氮與全鉀呈顯著性正相關(guān)(P<0.05)，與速效磷和速效鉀均呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)。全磷與全鉀、速效磷呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，與單根重呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)，與成藥率和藥材產(chǎn)量呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)。全鉀與速效磷呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)。速效磷與速效鉀呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，兩者均與產(chǎn)量因子呈較大負(fù)相關(guān)。成藥率與單根重呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，與藥材產(chǎn)量呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，單根重與藥材產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)(P<0.05)。

圖6 不同輪作模式對(duì)當(dāng)歸藥材根單根鮮重與藥材產(chǎn)量的影響Fig.6 Effect of different rotation patterns on fresh weight of A. sinensis single and medical yield

性狀 Indicatorsx1x2x3x4x5x6x7x8x9x10x11x12x13x11x2-0.1701x3-0.739*0.790*1x4-0.2110.2850.3261x50.2060.2450.039-0.845**1x6-0.1110.838**0.642-0.2360.691*1x7-0.0440.844**0.6040.656*-0.1850.5051x80.1120.760*0.450-0.1890.2030.693*0.696*1x9-0.0210.872**0.610-0.0100.5040.938**0.691*0.826**1x10-0.0500.777*0.563-0.2800.711*0.954**0.4510.6130.913**1x110.062-0.689*-0.509-0.742*0.377-0.278-0.877**-0.598-0.510-0.3311x120.392-0.753*-0.759*-0.6500.251-0.430-0.714*-0.445-0.496-0.3980.731*1x130.112-0.811**-0.624-0.6330.184-0.450-0.872**-0.647-0.634-0.4540.913**0.766*1

n=9，R0.05=0.666，R0.01=0.798.x1:8月含水量Water content in Aug.;x2:10月含水量Water content in Oct.;x3:水分變化量Water content variable;x4:pH;x5:有機(jī)質(zhì) Organic matter;x6:全氮 Total N;x7:全磷 Total P;x8:全鉀 Total K;x9:速效磷 Available P;x10:速效鉀 Available K;x11:成藥率 Medicine rate;x12:單根重 Single root fresh weight;x13:藥材鮮產(chǎn)量 Medical fresh weight. *:P<0.05,**P<0.01.

2.6 不同作物輪作栽培當(dāng)歸土壤理化特性與產(chǎn)量性能的綜合因子分析

基于10個(gè)土壤理化特性和當(dāng)歸3個(gè)產(chǎn)量性狀指標(biāo)的主成分分析表明(表2)，前2個(gè)主成分的特征根均大于1，其貢獻(xiàn)率分別為62.513%和37.487%，累積貢獻(xiàn)率達(dá)100%，故提取第1～2主成分值的特征根和貢獻(xiàn)率計(jì)算各指標(biāo)的權(quán)重值。根據(jù)各指標(biāo)隸屬度值與權(quán)重，通過(guò)加乘法則，對(duì)各指標(biāo)合成運(yùn)算，對(duì)各作物輪作當(dāng)歸模式綜評(píng)指數(shù)估算表明，不同作物輪作模式條件下當(dāng)歸藥材綜合評(píng)價(jià)指數(shù)大小依次為秦艽-當(dāng)歸輪作>羌活-當(dāng)歸輪作>當(dāng)歸-當(dāng)歸連作(表3)。

表2 不同作物輪作栽培當(dāng)歸田土壤理化性質(zhì)與當(dāng)歸產(chǎn)量因子的主成分分析Table 2 Principal component analysis based on soil physicochemical properties and yield factors of A. sinensis cultivated in different crop rotations

表3 不同作物輪作栽培當(dāng)歸土壤特性與產(chǎn)量因子的隸屬度值及綜評(píng)指數(shù)Table 3 Memberships and comprehensive index of soil properties and yield factors of A. sinensis in different crop rotations

為了進(jìn)一步明確3種輪作當(dāng)歸模式的差異性，將各輪作模式3個(gè)重復(fù)小區(qū)作為類，共9類，對(duì)測(cè)定指標(biāo)系統(tǒng)聚類表明(圖7)，不同輪作模式被劃分為三大類，QJ-DG模式與DG-DG連作模式間的距離最遠(yuǎn)，QH-DG模式與DG-DG連作模式間的距離較近，各輪作模式內(nèi)重復(fù)小區(qū)最為接近，這也進(jìn)一步驗(yàn)證了隸屬綜合因子分析的結(jié)果。

圖7 不同作物輪作當(dāng)歸模式的聚類分析Fig.7 Hierarchical cluster analysis of the different crop rotation patterns of A. sinensis Case1-3：當(dāng)歸連作模式DG-DG rotation pattern；Case4-6：羌活輪作當(dāng)歸模式QH-DG rotation pattern；Case7-9：秦艽輪作當(dāng)歸模式QJ-DG rotation pattern.

3 討論

3.1 不同輪作模式可有效調(diào)控當(dāng)歸栽培田土壤含水量

土壤是各種環(huán)境綜合因子長(zhǎng)期作用的結(jié)果[18]。植物輪作可以改變土壤環(huán)境[19]。土壤水分變化量顯著影響生物量的積累效率，一般在田間最大持水量的60%范圍內(nèi)，土壤含水量越高，植株生物量積累就越高。在一定范圍內(nèi)，水分含量升高對(duì)土壤微生物的活性也有顯著影響，從而利于植物的生長(zhǎng)發(fā)育[20]。本研究表明，不同作物輪作栽培當(dāng)歸田土壤持水力不同，秦艽輪作當(dāng)歸可有效調(diào)控土壤水分含量，在當(dāng)歸生長(zhǎng)發(fā)育盛期土壤納水力強(qiáng)，并有效阻礙水分蒸發(fā)，使土壤含水量維持在較高的水平，對(duì)植株生物量積累和當(dāng)歸藥材根的膨大發(fā)育起著重要作用，但到當(dāng)歸生長(zhǎng)發(fā)育后期，土壤含水量顯著降低，有利于藥材內(nèi)含物的積累和分配，并增強(qiáng)抗逆性，而在相同的生態(tài)氣候及田間管理?xiàng)l件下，當(dāng)歸連作土壤和羌活輪作當(dāng)歸土壤對(duì)水分的調(diào)控能力均較差，當(dāng)歸生長(zhǎng)旺盛期土壤含水量低，成藥后期土壤含水量卻高，這可能也是羌活-當(dāng)歸輪作和連作條件下當(dāng)歸返青后死苗率高，成藥率低的根源所在，因?yàn)闋I(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期的干旱脅迫可誘發(fā)當(dāng)歸物候的轉(zhuǎn)變，即從營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)及早進(jìn)入生殖生長(zhǎng)，完成生活史而死亡。

3.2 不同輪作模式可改善當(dāng)歸栽培田土壤理化特性

土壤理化性質(zhì)是土壤環(huán)境的重要指標(biāo)，對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育起著重要的作用。一般情況下有機(jī)碳含量增加，土壤結(jié)構(gòu)改善，土壤營(yíng)養(yǎng)元素也會(huì)隨之增加，土壤肥力相應(yīng)升高[21]。土壤有機(jī)質(zhì)是土壤固相部分的重要組分，它與土壤礦物質(zhì)共同作為植物營(yíng)養(yǎng)的來(lái)源，直接影響和改變土壤的一系列物理、化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)[22]，是微生物的碳源和氮源[23]，秸稈還田和輪作向土壤提供大量豐富多樣的有機(jī)質(zhì)[24]。土壤有機(jī)碳含量與土壤碳、氮、磷含量呈顯著正相關(guān)，與土壤pH和容重呈顯著負(fù)相關(guān)[25]。土壤理化性質(zhì)也是評(píng)價(jià)土壤肥力的重要指標(biāo)，如果土壤中這些指標(biāo)出現(xiàn)降低趨勢(shì)，說(shuō)明土壤質(zhì)量下降[26]。本研究發(fā)現(xiàn)，在連作當(dāng)歸模式下，土壤有機(jī)質(zhì)含量雖高，但對(duì)養(yǎng)分的吸收效率最低，因?yàn)橥寥廊⑷住⑷浖八傩Я缀退傩р浽跔I(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)旺盛期均處于最高水平，但當(dāng)歸藥材產(chǎn)出性能并沒(méi)有提高，當(dāng)歸成藥率和藥材產(chǎn)量均較低，說(shuō)明作為可以直接被植物吸收利用的速效養(yǎng)分在此模式下沒(méi)有發(fā)揮其營(yíng)養(yǎng)作用，相反，土壤在營(yíng)養(yǎng)期富含的磷反而促進(jìn)了植物物候從營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)向生殖生長(zhǎng)的躍進(jìn)，這也從當(dāng)歸連作和羌活輪作栽培當(dāng)歸的模式中得到進(jìn)一步說(shuō)明，情況不同的是羌活輪作當(dāng)歸田土壤有機(jī)質(zhì)含量低，對(duì)土壤調(diào)控能力差，pH增高，這樣土壤因素可能也是引起該模式下當(dāng)歸成藥率低的原因之一，當(dāng)歸死亡率較高，反過(guò)來(lái)可能導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)降低，因?yàn)橥寥烙袡C(jī)質(zhì)的分解與光照強(qiáng)度有關(guān)，由于當(dāng)歸田間死亡率增加，株葉覆蓋面積減少，土壤裸露面增加，使該模式下有機(jī)質(zhì)分解加速。這也從秦艽-當(dāng)歸輪作模式中得到印證，該輪作模式條件下當(dāng)歸田土壤有機(jī)質(zhì)積累最為明顯，較王華麗[14]在秦艽田測(cè)定的土壤有機(jī)質(zhì)顯著增加。

3.3 合理輪作可有效提高當(dāng)歸成藥株率和藥材產(chǎn)量

生物量是衡量植物生長(zhǎng)發(fā)育狀況的重要指標(biāo)，是研究植物生長(zhǎng)規(guī)律的重要參數(shù)[22]，建立合理的栽培模式是傳統(tǒng)改良土壤環(huán)境提高作物產(chǎn)量的方法之一。于高波等[11]研究表明，小麥(Triticumaestivum)和毛苕子(Viciavillosa)與黃瓜(Cucumissativus)輪作有利于緩解黃瓜連作障礙，改善土壤微生態(tài)環(huán)境，提高黃瓜產(chǎn)量。時(shí)安東等[27]研究表明，年內(nèi)間作，年間就地輪作系統(tǒng)有利于減輕烤煙(Nicotianatabacum)連作障礙。合理的輪作倒茬可以有效地減緩或者降低連作障礙的危害，從而實(shí)現(xiàn)作物的高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)[28]。馬偉明等[29]采用岷縣不同茬口土壤進(jìn)行當(dāng)歸盆栽育苗發(fā)現(xiàn)，豆科藥用植物黃芪(Astragalusmembranaceus)茬口當(dāng)歸苗栽根系最為發(fā)達(dá)，具有潛在的抗逆基礎(chǔ)。張新慧等[30]通過(guò)生產(chǎn)調(diào)查也發(fā)現(xiàn)，黃芪茬口栽培當(dāng)歸品質(zhì)與產(chǎn)量最佳。本研究中，秦艽輪作當(dāng)歸條件下，當(dāng)歸成藥株率、單根重和藥材產(chǎn)量均最高。當(dāng)歸死亡主要是根腐病和早期抽薹所致，因?yàn)楫?dāng)歸連作條件下病原菌富集，導(dǎo)致根病率提高，早期抽薹也引發(fā)當(dāng)歸植株完成生活史而凋亡，由于同科植物親緣關(guān)系較近，對(duì)病原菌的環(huán)境壓力較小，這與前茬作物在生長(zhǎng)發(fā)育、成熟到死亡過(guò)程中積累的代謝產(chǎn)物相似有關(guān)。

4 結(jié)論

土壤水分的利用與土壤理化性質(zhì)對(duì)生物量的積累有重要作用，秦艽—當(dāng)歸輪作模式下對(duì)土壤調(diào)控力強(qiáng)，土壤水分利用效率高，當(dāng)歸成藥率和產(chǎn)出性能高，羌活輪作當(dāng)歸和當(dāng)歸連作條件下，土壤對(duì)水分及養(yǎng)分的調(diào)控力差，當(dāng)歸成藥率和產(chǎn)量均低，說(shuō)明在甘南州秦艽輪作當(dāng)歸模式可以有效緩解當(dāng)歸連作障礙，改善當(dāng)歸產(chǎn)出性能。當(dāng)歸根病發(fā)病部位主要在根頭部，秦艽—當(dāng)歸輪作模式生態(tài)效應(yīng)明顯，可有效減少土壤毒副作用，奠定作物生長(zhǎng)發(fā)育的良好生態(tài)環(huán)境。QJ-DG模式下當(dāng)歸成藥率在50%以上，較當(dāng)歸連作和羌活—當(dāng)歸輪作分別提高94.10%和183.77%。說(shuō)明適宜作物輪作當(dāng)歸模式可改善農(nóng)田小氣候環(huán)境，促進(jìn)土壤可持續(xù)化生態(tài)利用。

致謝：卓尼縣佛賜藏中藥材公司楊育峰提供試驗(yàn)地和幫助。甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)碩士生齊浩、周傳猛、楊慧珍、王華麗參與輪作茬口培育，碩士生王小琴、金彥博和郭一青參與當(dāng)歸栽培試驗(yàn)及土壤理化特性測(cè)定。在此一并致謝。