基于蘄艾產量和品質的氮肥適宜施用量研究

馬 琳，陳昌婕，苗玉煥，郭蘭萍，劉大會*

（1 湖北中醫藥大學中藥資源中心，湖北武漢 430065；2 中國中醫科學院中藥資源中心道地藥材國家重點實驗室培育基地，北京 100700）

艾葉為菊科植物艾 (Artemisia argyi Lévl.et Van)的干燥葉，其主要成分為揮發油、酚酸和黃酮等，具有溫經止血、散寒止痛、祛濕止癢的功效[1]。干燥艾葉經過反復曬杵、捶打、粉碎，篩除雜質、粉塵，可得到軟細如棉的“艾絨”，其成分主要為非腺毛。艾絨是艾灸的主要材料，艾絨質量的優劣直接影響了艾灸療效。艾葉主產于湖北、河南、河北等省，其中以湖北蘄艾為著名道地藥材。隨著艾葉在臨床和大健康產業應用越來越廣泛，現已在全國10余省份進行大面積人工栽培，總面積超過5萬hm2，僅湖北蘄春縣蘄艾的人工種植面積就有1.2萬hm2，成為促進當地農業產業結構調整和老百姓脫貧致富的有效特色產業。但由于全國各地艾葉人工栽培歷史較短，田間優質高效種植管理技術非常缺乏，導致栽培艾葉產量和質量低下，極大影響了農戶生產積極性和臨床用藥安全。

氮是植物生長發育的必需元素，顯著影響中藥材的產量和品質。肖云華等[2]研究表明，施用氮肥可以明顯提高菘藍葉片的凈光合速率，增加地上部和地下部干物質積累量，但持續增加氮肥施用量后，菘藍地上部和地下部干物質積累量有所下降。盧麗蘭等[3]發現廣藿香揮發油含量隨著供氮水平的提高而增加。隨著施氮量的增加，廣金錢草總黃酮含量和丹參主要酚酸類成分含量先增加后降低[4-5]。王曉軍等[6]在寧夏艾草上開展了“3414”肥料效應試驗，發現低氮水平下，隨著施氮量增加寧夏艾草產量逐漸提高，并推薦了最佳效益產量的氮肥用量75.66 kg/hm2。植物非腺毛是植物外表皮細胞發育形成的無腺體的毛狀附屬結構，它存在于許多陸生植物器官表面，是植物長期進化形成的應對惡劣環境的特殊結構。研究表明栽培金銀花花蕾非腺毛的性狀特征受環境和遺傳兩因素共同影響[7]，而施肥對植物非腺毛生長發育的影響尚不清楚。目前，關于施用氮肥對艾葉葉絨、揮發油等品質指標的影響也未見相關報道。因此本研究以湖北蘄春縣蘄艾為研究對象，通過2年的田間試驗研究不同氮肥施用量對蘄艾產量和品質的影響，旨在為蘄艾的規范化施肥提供科學指導。

1 材料與方法

1.1 試驗地點及材料

于2018和2019年在國家中藥材產業技術體系黃岡綜合試驗站蘄春試驗示范基地開展試驗，試驗地分別位于湖北省蘄春縣八里湖農場和赤東鎮蘄艾種植基地。蘄春屬亞熱帶季風氣候，江淮小氣候區，年平均氣溫為16.8℃，年降雨量為1341.7 mm。兩試驗地均為黃棕壤，八里湖試驗地土壤肥力狀況為：有機質19.64 g/kg，全氮1. 01 g/kg，堿解氮96.44 mg/kg，全磷1. 30 g/kg，速效磷57.68 mg/kg，全鉀29.63 g/kg，速效鉀120.76 mg/kg，pH 4.55。赤東鎮試驗地土壤肥力狀況為：有機質21.8 g/kg，全氮1.12 g/kg，堿解氮123.94 mg/kg，全磷0.56 g/kg，速效磷31.57 mg/kg，全鉀23.04 g/kg，速效鉀197.59 mg/kg，pH 5.12。供試蘄艾種苗為當地常用品種，由種植基地提供，經湖北中醫藥大學劉大會教授鑒定為艾 (Artemisia argyi Lévl. et Vant.)；供試肥料為尿素(N 46%)、過磷酸鈣 (P2O515%)、氯化鉀 (K2O 60%)。

1.2 試驗設計

采用兩年的田間定位試驗，共設置5個施氮 (N)處理：0 (N0)、60 (N60)、120 (N120)、180 (N180)、240(N240) kg/hm2，每個處理施磷 (P2O5) 120 kg/hm2、鉀(K2O) 120 kg/hm2。每處理設置4次重復，共20個小區，小區面積為10 m2(1.5 m × 6.5 m，包含溝距30 cm)，隨機區組設計。

2018年蘄春縣八里湖農場田間試驗為新種蘄艾地，選取蘄艾優良母株上未發芽根狀莖作種苗，于2018年1月16日按照株行距20 cm × 30 cm定植于種植基地，3月15日后新栽蘄艾根莖陸續出苗，試驗于3月1日將60%的氮肥、全部的磷肥和鉀肥作為基肥撒施于小區畦面，并用畦溝土將撒施的肥料淺覆蓋，4月5日和5月5日分兩次平均追施剩余的40%氮肥。2019年蘄春縣赤東鎮田間試驗是在二年生蘄艾種植基地進行 (蘄艾為多年生宿根植物)，頭年采用當地常規方式進行施肥，待冬季蘄艾地上部分枯萎清理干凈后，于2019年1月15日將60%的氮肥、全部的磷肥和鉀肥作為基肥撒施于小區畦面，并用畦溝土將撒施的肥料淺覆蓋，2月10日田間老株陸續發新芽，2月25日和3月25日分兩次平均追施剩余的40%氮肥。各試驗其余農事操作同常規蘄艾種植。

1.3 測定項目和方法

1.3.1 農藝性狀和產量測定與采收 調研與采收分別于2018年6月10日和2019年6月15日進行。在各試驗小區選取具有代表性的30株蘄艾測定相關農藝性狀，其中株高為近地面基部至蘄艾莖頂端的高度；莖粗為蘄艾莖稈高度二分之一處的直徑；枯葉高為植株莖稈中下部枯葉處的高度；統計單株蘄艾的主干葉片數，并測定每株蘄艾中部3片葉片的寬和長；每小區選取2個長為1.5 m、寬為1 m的采樣點，對采樣點內的蘄艾進行采收，之后進行陰干處理并稱量蘄艾葉片干重，計算單位面積葉片產量；統計采樣點內單位面積蘄艾有效采收株數，即為蘄艾單位面積出苗數。

1.3.2 礦質元素含量測定 準確稱取過2 mm篩的艾粉0.1000 g于干燥消解管內，依次加入3.0 g K2SO4、0.2 g CuSO4·5H2O 和 8 mL H2SO4進行石墨爐消解，消解完全后靜置冷卻，用K9860全自動凱氏定氮儀測定氮 (N) 元素含量[8]。精密稱取過2 mm篩的艾粉0.1000 g于聚乙烯消化管內，加入2 mL H2O2、1 mL HF和10 mL HNO3進行微波消解，消解完全后靜置冷卻，定容，采用鉬銻抗比色法測定磷 (P) 元素含量，采用火焰原子吸收分光光度法測定鉀 (K)、鎂(Mg)、鈣 (Ca)、鋅 (Zn) 等元素含量，采用石墨爐原子吸收分光光度法測定銅 (Cu) 元素含量[8]。

1.3.3 葉片氮肥利用效率計算[9-10]葉片氮積累量(kg/hm2) = 葉片氮含量 × 葉片產量；

葉片氮肥偏生產力 (NPFP，kg/kg) = 施氮區葉片產量/氮肥投入量；

葉片氮肥吸收率 (ARE，%) = (施氮區艾葉氮積累量－未施氮區艾葉氮積累量)/氮肥投入量 × 100；

葉片氮肥農學效率 (NAE，kg/kg) = (施氮區艾葉產量-未施氮區艾葉產量)/氮肥投入量

1.3.4 葉絨含量測定 用四分法從每份葉片樣品中抽取10 g干品，置于轉速為28 000 r/min的高速萬能粉碎機中粉碎30 s，將粉碎后的混合物置于2 mm篩中，篩凈全部粉末，得到艾絨，稱定質量，將艾絨質量除以艾葉樣品質量，得到出絨率，將出絨率乘以葉片產量，即為葉絨產量。

1.3.5 總揮發油及揮發性成分含量測定 參照2020年版《中國藥典 (四部)》通則 2204“揮發油測定法”測定揮發油含量，并運用ThermoFisher Trace 1310型氣相質譜聯用儀 (美國賽默飛公司)，測定艾葉揮發油中桉油精、α-側柏酮、樟腦、龍腦、α-石竹烯、β-丁香烯、石竹素的含量[11-12]。

1.3.6 黃酮和酚酸類成分含量測定 取過一號篩的艾粉用純甲醇進行浸提，并通過Agilent1260高效液相色譜儀（美國安捷倫公司）測定艾葉粉末中新綠原酸、綠原酸、隱綠原酸、異綠原酸B、異綠原酸A、異綠原酸C、山柰酚、棕矢車菊素、異澤蘭黃素的含量[13]。

1.4 數據處理與分析

采用Excel 2010，IBM SPSS Statistics 26軟件對數據進行處理和統計分析，采用GraphPad Prism 8軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 不同氮肥施用量對蘄艾農藝性狀及產量的影響

從表1可以看出，2年試驗中，隨著氮肥施用量的增加，蘄艾的出苗數和葉片產量呈先增加后降低的趨勢，在2018年是N180處理最高，2019年是N120處理最高，與N0處理相比，蘄艾出苗數分別增加了108.8% (2018年)和57.1% (2019年)，葉片產量分別提高了159.3% (2018年)和95.5% (2019年)。隨著氮肥施用量的增加，蘄艾株高和葉片數逐漸增加，2018年莖粗和枯葉高先增加后降低，葉片大小無顯著差異，2019年莖粗、枯葉高和葉片大小均逐漸增加。為深入分析氮肥施用量與蘄艾葉片產量的關系，將蘄艾葉片產量 (Y) 與氮肥施用量 (X) 進行曲線擬合，得出2018和2019年一元二次氮肥效應方程：Y2018= －0.1485X2+ 49.931X + 2832.4 (R2=0.9601)，Y2019= －0.1044X2+ 35.814X + 3129 (R2=0.9853)。由此可以看出，2018、2019年蘄艾葉片產量隨著氮肥施用量的增加呈先提高后降低的趨勢，在施氮量分別為168和172 kg/hm2時，蘄艾達到最高葉片產量7030和6200 kg/hm2。

表1 不同氮肥施用量對蘄艾農藝性狀及葉片產量的影響Table 1 Effects of N application rates on the agronomic traits and leaf yield of Artemisia argyi

2.2 不同氮肥施用量對蘄艾葉片中礦質元素含量的影響

由表2可知，隨著氮肥施用量的增加，蘄艾葉片中N和Cu元素含量呈持續增加趨勢，N含量上升幅度2018和2019年分別為18.1%～47.9%和12.6%～56.6%，Cu含量上升幅度分別為10.3%～48.0%和28.9%～94.1%；K和Mg元素含量先增加后降低，K元素含量在N60處理最大，較N0處理分別增加了3.7% (2018年)和6.8% (2019年)，Mg元素含量在N120處理最大，較N0處理分別增加了75.0%(2018年)和4.3% (2019年)。P含量在N240處理最高，但2018年未達顯著水平，2019年顯著高于其它處理。

2.3 不同氮肥施用量對蘄艾藥材品質的影響

2.3.1 對蘄艾藥材艾絨產量的影響 由圖1可知，在N60和N120處理蘄艾出絨率最大，2018年 (新地)較N0分別增加了8.5%、5.8% (P ＜ 0.05)，2019年較N0也有增加，但未達顯著水平；然而，N180和N240處理在2018和2019年均降低了蘄艾的出絨率。

圖1 不同氮肥施用量對蘄艾葉片出絨率的影響Fig. 1 Effects of N application rates on the output rate of moxa in the leaves of Artemisia argyi

施氮顯著增加了蘄艾絨產量 (圖2)，2018年蘄艾絨產量在N180處理最高，與N120處理沒有顯著差異，但顯著高于N60和N240處理；2019年在N120處理最高，且顯著高于其他處理。分別將兩年的蘄艾絨產量 (Y) 與氮肥施用量 (X) 進行曲線擬合，得出氮肥效應方程分別為：Y2018= －0.0477X2+14.001X+715.82 (R2=0.9832)，Y2019= －0.0325X2+9.2293X+771.26 (R2=0.9358)，依照該方程計算，2018、2019年氮肥施用量分別為147和142 kg/hm2時，蘄艾達到最高絨產量 1743 和 1426 kg/hm2。

圖2 不同氮肥施用量對蘄艾絨產量的影響Fig. 2 Effects of N application rates on moxa yield of Artemisia argyi

2.3.2 對蘄艾藥材總揮發油及其揮發性成分的影響

在2018—2019年試驗中，隨著氮肥施用量增加，蘄艾葉片總揮發油含量整體上呈增加趨勢，分別在N240和N180處理下最大，較N0處理分別增加了6.2%和17.8%。揮發性成分β-丁香烯和石竹素含量均在N240處理最高，與N0相比β-丁香烯含量分別增加了300.0% (2018年)和169.0% (2019年)，石竹素含量分別增加了16.2% (2018年)和60.5%(2019年)。桉油精、α-側柏酮、樟腦、龍腦和α-石竹烯的含量均在N180處理達到最高，2018、2019與N0相比，桉油精含量分別增加了57.3%和56.5%，α-側柏酮含量分別增加了23.7%和80.1%，樟腦含量分別增加了100.0%和70.0%，龍腦含量分別增加了84.2%和52.9%，α-石竹烯含量分別增加了106.7% 和 52.5% (表3)。

表3 不同氮肥施用量對蘄艾總揮發油及其組分含量的影響Table 3 Effects of different N application rates on the contents of total volatile oil and its components in Artemisia argyi

2.3.3 對蘄艾藥材酚酸和黃酮類成分的影響 隨著氮肥施用量的增加，蘄艾葉片中酚酸和黃酮類成分含量呈先增加后降低趨勢，2018和2019年最適宜于蘄艾葉片中黃酮及酚酸類成分積累的氮肥處理為N120、N60(表4)。2018年，N120處理艾葉新綠原酸、隱綠原酸、異綠原酸B和異澤蘭黃素含量較N0處理分別增加了42.6%、26.6%、29.2%、16.7%，N60處理的綠原酸、異綠原酸A、異綠原酸C、山柰酚和棕矢車菊素含量較N0處理分別增加了33.9%、3.2%、68.8%、71.0%和5.2%。2019年試驗中，艾葉新綠原酸、綠原酸、隱綠原酸、異綠原酸B、異綠原酸A和異綠原酸C含量在N60處理最高，較N0處理分別增加了22.7%、29.9%、24.4%、22.5%、8.5%和9.8%，山柰酚含量在N180處理最高，較N0處理增加了5.0%，棕矢車菊素和異澤蘭黃素含量在N120處理最高，較N0處理分別增加了22.8%和13.9%。

表4 不同氮肥施用量對蘄艾葉片中酚酸和黃酮成分含量 (mg/kg) 的影響Table 4 Effects of N application rates on phenolic acid and flavonoid contents in the leaves of Artemisia argyi

2.4 不同氮肥施用量對蘄艾葉片氮肥利用效率的影響

2018年試驗中隨著氮肥施用量增加，蘄艾葉片氮積累量呈先增加后減少的趨勢，在N180處理最高；2019年試驗中隨著氮肥施用量的增加，蘄艾葉片氮積累量呈持續增加趨勢，在N240處理最高(圖3A)。2年試驗中，各施氮處理與N0處理相比均顯著提高了蘄艾葉片氮積累量，增幅分別為114.0%～271.5% (2018年) 和73.8%～191.4% (2019年)。說明施氮能顯著提高蘄艾葉片氮積累量。

隨著氮肥施用量的增加，氮肥偏生產力呈降低的趨勢 (圖3B)，各處理間均存在顯著差異，2年試驗中，下降幅度分別為40.1%～71.2% (2018年) 和36.4%～70.1% (2019年)，當氮肥施用量為120～180 kg/hm2時，氮肥偏生產力下降幅度最小。

2018年艾葉氮肥吸收率在氮肥施用量為60～180 kg/hm2時無顯著差異，當氮肥施用量增加至240 kg/hm2時，艾葉氮肥吸收率顯著降低；2019年艾葉氮肥吸收率在氮肥施用量為60～120 kg/hm2時無顯著差異，當氮肥施用量增加至180～240 kg/hm2時，艾葉氮肥吸收率顯著降低 (圖3C)。2年試驗中蘄艾葉片氮肥吸收率在氮肥施用量為60～120 kg/hm2時下降幅度最小。

隨著氮肥施用量的增加，氮肥農學效率呈降低的趨勢 (圖3D)，2年試驗中，下降幅度分別為28.0%～66.6% (2018年) 和11.1%～60.9% (2019年)，在氮肥施用量分別為120～180（2018年）和60～120 kg/hm2（2019年）時，下降幅度最小。

圖3 不同氮肥施用量對蘄艾葉片氮積累量 (A)、氮肥偏生產力 (B) 和氮肥吸收率 (C) 氮肥農學效率 (D) 的影響Fig. 3 Effects of different N application rates on N accumulation (A), nitrogen partial factor productivity ((B), nitrogen absorption rate (C), and nitrogen agronomic efficiency (D) in leaves of Artemisia argyi

3 討論

3.1 不同氮肥施用量對蘄艾生長和藥材產量的影響

研究表明，適宜的氮肥施用量能顯著促進植株根系的伸長和分支，有利于植株獲取更多的養分和水分[14]，從而對地上部的生長產生積極效應[15]。本研究發現，適量施用氮肥顯著促進了蘄艾地下根莖生長和潛伏芽的萌發，蘄艾田間單位面積出苗數顯著增加，株高、莖粗、單株葉片數和葉片大小均顯著增加，從而提高了蘄艾葉片產量。但隨著氮肥施用量超過180和120 kg/hm2，過量施用氮肥，導致蘄艾葉片中K、Ca元素含量降低和N/P、N/K、N/Ca值增加，養分不平衡，植株葉片變薄變嫰，且田間植株下部葉也因通風透光不良易焦枯死亡，植株枯葉高增加，最終導致蘄艾葉片產量下降。王曉軍等[6]在寧夏艾草上也發現隨著氮肥施用量增加，艾葉產量呈先增加后降低的趨勢；只是其通過回歸分析發現艾葉最佳效益產量的氮肥用量為75.66 kg/hm2，本研究2年田間試驗回歸分析發現蘄艾葉片最佳效益產量的氮肥用量為168～172 kg/hm2，氮肥用量比寧夏植艾高可能與兩地土壤、氣候和艾葉生育周期不一樣有關。另外，在藥用菊花種植上，隨著氮肥用量的提高，菊花中N/P、N/K、N/Ca值均逐步升高[16]，本試驗結果與其一致。

3.2 不同氮肥施用量對蘄艾藥材品質的影響

非腺毛在植物生長發育過程中，作為植物抵御自然災害的一道天然屏障，對于抵御紫外線輻射、病原菌侵襲及水分過度蒸騰等方面起著不可或缺的作用[17]。有研究表明，Ca離子有助于非腺毛的生長發育[18]，而植物中Ca元素隨著氮肥施用量的增加而降低[16]。在本試驗中，隨著氮肥施用量大幅增加，艾葉Ca元素含量下降和N/Ca值呈上升趨勢，且Ca元素含量和葉片出絨率呈一定程度的正相關，推測大量施用氮肥導致艾葉出絨率下降與葉片Ca元素含量下降有關。邊麗梅等[19]研究表明，施用氮肥能有效提高香青蘭揮發油含量，但當氮肥施用量增加到225 kg/hm2時，再增加氮肥施用量則揮發油含量會下降。薛啟等[20]研究發現，氮鋅配施能有效提高藿香揮發油主要化學成分含量，高氮處理下胡薄荷酮含量較高，而中氮處理下胡椒粉甲醚含量較高。Liu等[21]研究發現，低氮營養有利于藥用菊花中總黃酮和綠原酸成分的積累。魯澤剛等[22]在研究氮磷鉀施用對燈盞花藥用成分含量的影響時發現，隨著氮肥施用量的增加，燈盞花總黃酮含量逐步降低。萜類化合物是揮發油的主要組成成分，其合成受到礦質養分的直接調控。在本試驗中，高氮處理下艾葉Cu元素含量顯著增加，Ca和Zn元素含量顯著降低。葉麗云等[23]研究表明，增加Ca離子濃度能有效促進靈芝三萜類化合物的積累。顧永華等[24]研究發現，在茅蒼術的生長過程中，降低供給營養液中Zn元素的含量，有利于蒼術醇、β-桉葉醇和芹烷二烯酮的積累，降低Cu元素的含量，能顯著提高蒼術酮的含量。《中國藥典》(2020年版) 規定艾葉干燥品中桉油精含量不得少于0.05%，龍腦含量不得少于0.02%，在本試驗中各處理艾葉桉油精含量均符合規定，而2018年N0處理和2019年N0、N60處理下龍腦含量未達到0.02%，表明缺氮和低氮條件下導致龍腦合成受阻。萜類化合物種類繁多，結構復雜，施氮對其影響的作用機制還需進一步深入研究。根據碳素/營養平衡(carbon-nutrient balance，CNB) 假說[25]，施氮能提高光合速率，促進以C為基礎的次生代謝物質 (如酚酸和黃酮類化合物) 的積累，但過量的N供應，會導致以N為基礎的次生代謝產物增多，而以C為基礎的次生代謝產物積累會受到抑制。在本試驗中，氮肥對蘄艾酚酸和黃酮類成分含量的影響與上述研究結果具有一致性。

3.3 不同氮肥施用量對蘄艾葉片氮肥利用效率的影響

氮積累量、氮肥偏生產力、氮肥表觀利用率和氮肥農學效率作為衡量氮肥利用效率的指標，從不同角度描述了植物對氮肥的利用效率。在本試驗中，隨著氮肥施用量的增加，2018年蘄艾葉片氮積累量呈先增加后降低趨勢，2019年呈逐漸增加趨勢，而氮肥偏生產力、葉片氮肥吸收率和氮肥農學效率在2年試驗中均呈不同程度的下降。不同氮肥處理對新艾田和老艾田蘄艾葉片氮肥利用效率影響差異不大。諸多研究表明，隨著施氮量的增加，植物氮素積累量增加，但氮素利用效率降低[26]。這可能是由于在一定范圍內植物吸氮量隨著施氮量的增加而增加，但無法與施氮量完全同步增加，高氮肥施用量時氮肥的損失量也會增大。優化施氮量可以大幅降低化肥氮的損失，提高氮素利用效率，結合上述衡量氮肥利用效率的4個指標，當氮肥施用量為120 kg/hm2時，蘄艾葉片氮肥的利用效率較高，在提高蘄艾葉片產量的同時降低了對環境的污染等問題[27]。

4 結論

不論新老艾田，蘄艾的產量對氮肥施用量的響應基本一致，綜合考慮葉片產量和出絨率，適宜的氮肥施用量為120～180 kg/hm2。在該施氮量下，施用氮肥促進了艾葉中總揮發油、β-丁香烯和石竹素成分的合成，促進了蘄艾葉片中桉油精、α-側柏酮、樟腦、龍腦、α-石竹烯及酚酸和黃酮類成分的積累；而當氮肥施用量在120 kg/hm2左右時，蘄艾葉片的氮肥利用效率較高。通過擬合計算，新蘄艾以葉片產量為目標氮肥用量為170 (168～172) kg/hm2。老蘄艾以艾絨產量為目標，生產上建議氮肥用量為144 (141～147) kg/hm2；以提取揮發油及其組分為目標，生產上建議氮肥用量在180 kg/hm2左右；以提取酚酸和黃酮類成分為目標，生產上建議氮肥用量為 60～120 kg/hm2。