播種密度對不同季節半夏生長、品質及土壤酶活性的影響

周武先 李夢歌 譚旭輝 汪友元 王 華 蔣小剛 段媛媛 張美德

（1湖北省農業科學院中藥材研究所，445000，湖北恩施；2天門市農業科學院，431700，湖北天門）

播種密度是影響作物生長發育的重要因素之一。播種密度的變化會影響單位面積內植株數量，使作物對水分、礦質營養和光照的競爭程度發生改變，從而影響作物的產量和品質[1-3]。合理密植是促進作物高產增質的重要途徑，可提高作物對土壤養分和光能的利用效率，構建合理的種群密度可以最大程度地發揮作物的生產潛能[4-7]。播種密度過低或過高均不利于作物的生長發育和生產性能。播種密度過低會導致作物無法充分利用土壤養分和光能，且容易滋生雜草，經濟效益較低；反之則會導致群體過于擁擠，通風和透光性較差，作物對光、水和土壤養分等的競爭加劇，群體的光合生產能力下降，產量不僅得不到提升，還容易爆發病蟲害而導致產量下降。因此，合理的播種密度有利于發揮作物最大的生產效能，提高作物產量和經濟效益[5-7]。

土壤酶是存在于土壤中專一性很強的生物催化劑，參與土壤中幾乎所有的生物化學反應，在養分循環、能量代謝和動植物殘體降解等過程中發揮著重要作用[8]。土壤酶主要來源于植物根系分泌物、土壤微生物活動以及動植物殘體腐解等過程，其與土壤類型、土壤理化性質、施肥用藥以及農業栽培措施等密切相關，可以反映土壤中養分轉化能力，是代表土壤肥力的有效生物學指標[9]。土壤酶活性大小反映土壤生態系統中生物化學過程的相對強度，測定土壤酶活性可以間接了解某類物質在土壤中的轉化情況，指導農業生產實踐[8]。土壤脲酶（URE）能促進土壤中尿素轉化為植物可利用的氮素，可通過URE活性了解土壤氮素代謝情況[10]。土壤磷酸酶可促進土壤中有機磷化合物的礦化和水解，生成可供植物吸收利用的無機態磷，土壤有效磷水平與土壤磷酸酶活性大小密切相關[11]。土壤蔗糖酶（SAC）主要參與土壤有機質的分解和轉化，是表征土壤生物化學活性的重要酶[12]。土壤過氧化氫酶（SCAT）主要參與過氧化氫（H2O2）的分解，減輕H2O2對植物的毒害，且與土壤中的有機質含量和微生物數量密切相關[13]。

半夏[Pinellia ternata(Thunb.)Breit]為天南星科多年生草本植物，以干燥球莖入藥，具有燥濕化痰、降逆止嘔和消痞散結等功效，是我國常用的中藥材之一[14]。目前關于播種密度對半夏生長發育、產量和品質影響的研究較多[15-20]，但播種密度對耕層土壤酶活性影響的研究卻鮮見報道。因此，本研究采用大田試驗，觀察播種密度對不同季節半夏生長發育、品質形成和土壤酶活性的影響，為半夏高效優質栽培提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料為湖北省天門市野生轉家植半夏（Pinellia ternata），為天門市地理標志保護品種，購自天門市汪場鎮當地農戶，材料直徑約1cm。

1.2 試驗地概況

試驗于天門市汪場鎮半夏規范化栽培示范基地（113°3′40″E，30°36′46″N，海拔 19m）進行。試驗地屬北亞熱帶季風氣候，光照充足，氣候濕潤，四季分明。年均溫度17.5℃～18.2℃，相對濕度78%，日照時數1966h，無霜期242～263d，年均降水量1300mm。試驗地土壤為棕褐色壤土，pH 7.82，有機質21.4g/kg、堿解氮108.1mg/kg、速效磷18.8mg/kg、速效鉀209.2mg/kg。

1.3 試驗設計

根據天門市當地藥農的播種用量習慣（2000～6000kg/hm2），設置6個播種密度，分別為2250、3000、3750、4500、5250 和 6000kg/hm2，每個處理重復4次（小區），每個小區6m2，中間做橫隔，將小區分成2個3m2地塊，小區隨機排列。2019年1月翻耕均勻，施入3000kg/hm2有機肥（pH 7.80，有機質≥45%，N+P2O5+K2O≥5%，購自湖北田頭生物科技有限公司）作為基肥，將半夏種莖均勻撒播后覆土2～3cm，其他田間管理統一參照當地進行。分別于春季（4月底）和秋季（10月底）開始倒苗時取樣，每次取樣3m2，測定半夏株高、葉片形態特征和產量，并取耕層（10～20cm）土壤，帶回實驗室陰干后測定土壤酶活性。半夏樣品帶回實驗室后洗凈切片，于50℃烘干后測定生物堿、黃酮、總蛋白和可溶性糖含量等品質指標。

1.4 測定項目及方法

1.4.1 形態特征、葉綠素相對含量（SPAD）和產量 用鋼卷尺測量株高，參照周武先等[21]的方法測定葉片形態特征和SPAD。每個小區隨機選取6株半夏進行測定，然后取平均值作為單個小區的整體水平。將小區其中1個3m2地塊的半夏全部采挖，抖凈泥土，使用30公斤級金旺電子秤（HY-809）稱重，換算成每公頃產量，產量增量=產量-播種量。

1.4.2 品質指標 參考張楠等[22]的方法稍作修改進行半夏生物堿含量的測定，精密稱取粉碎并過65目篩的半夏粉末0.2g到25mL磨口具塞試管中，依次加入濃氨水1mL和甲醇10mL，充分搖勻、渦旋，超聲30min后取出樣品，再次搖勻、渦旋，然后繼續超聲30min。超聲結束后將上清液使用定性濾紙過濾于直徑為90mm的蒸發皿中，濾液置于85℃水浴鍋中蒸干。取50mL三角瓶，加入蒸餾水5mL，0.1mol/L的檸檬酸-檸檬酸鈉緩沖液（pH 5.4）5mL，0.05%的溴麝香草酚藍溶液1mL，充分搖勻形成顯色液。然后在蒸干甲醇的蒸發皿中分多次累計加入氯仿10mL，充分搖勻、渦旋，轉入上述顯色液中。將混合液振搖1min后轉入分液漏斗，靜置后待分層，取氯仿層，使用UV-1800紫外分光光度計（日本島津，Shimadzu）測定其OD416的吸光度值。總黃酮含量的測定參考何書美等[23]的方法稍作修改，將0.2g半夏粉置于10mL的離心管中，用10mL 50%乙醇超聲提取30min。然后10000轉/min離心25min。取上清液5mL置于100mL的燒杯中，加入1.5% AlCl3溶液8mL和0.1mol/L乙酸-乙酸鈉緩沖液（pH 5.5）4mL，充分混勻，使用50%乙醇水溶液定容到25mL容量瓶。30min后，用分光光度計在415nm波長下測量混合溶液的吸光度值。參照張楠[24]的方法測定總蛋白和可溶性糖含量。

1.4.3 土壤酶活性 土壤酶活性指標包括URE、SAC、堿性磷酸酶（ALP）和SCAT，參照關松蔭[25]的方法進行測定。采用苯酚鈉-次氯酸鈉比色法測定URE活性，用24h后1g土壤中NH3-N的毫克數表示；采用3,5-二硝基水楊酸（DNS）比色法測定SAC活性，用24h后1g干土生成葡萄糖毫克數表示；采用磷酸苯二鈉比色法測定ALP活性，以2h后1g土壤中生成的游離酚毫克數表示；采用高錳酸鉀滴定法測定SCAT活性，用20min后滴定1g土壤消耗0.02mol/L高錳酸鉀的毫升數表示。

1.5 數據處理

采用Excel 2007和SPSS 20.0軟件對數據進行統計分析和單因素方差分析（one-way ANOVA），采用新復極差法（Duncan）進行多重比較（α=0.05）。利用Pearson法對半夏生理、生長性狀及其土壤酶活性進行相關性分析。采用Origin 8.5作圖，圖表中數據均為平均值±標準偏差（SD）。

2 結果與分析

2.1 不同播種密度對半夏形態特征和SPAD值的影響

從圖1可知，無論是春季還是秋季，播種密度≤3750kg/hm2時，半夏的株高沒有顯著差異。春季播種密度為6000kg/hm2時，半夏株高相比于低密度處理（2250kg/hm2）顯著降低14.8%。秋季播種密度≥4500kg/hm2時，半夏株高相比于低密度處理均顯著降低，降幅分別為10.2%、16.5%和17.7%。春季不同播種密度處理間葉長沒有顯著差異；秋季播種密度為3750kg/hm2時，葉長顯著高于5250kg/hm2處理，其他處理間沒有顯著差異。在春季，隨著播種密度的增加，葉寬基本呈先增加后下降的趨勢，并以4500kg/hm2處理葉寬最大；在秋季，隨著播種密度的增加，葉寬呈逐漸下降的趨勢，播種密度≥5250kg/hm2時，葉寬顯著低于低密度處理。隨著播種密度的增加，葉片SPAD值總體呈下降趨勢，但不同播種密度處理間沒有顯著性差異。綜上表明，播種密度對半夏的形態特征有一定的影響，但總體影響不大。

圖1 不同播種密度對半夏株高、葉片形態特征和SPAD值的影響Fig.1 Effects of different sowing densities on plant height,leaf characteristic and SPAD value of P.ternata

2.2 不同播種密度對半夏產量的影響

由圖2可知，隨著播種密度的增加，半夏產量無論在春季還是秋季均呈逐漸上升的趨勢。半夏產量在播種密度為6000kg/hm2時最高，春季和秋季產量分別為10 491和14 138kg/hm2。但隨著播種密度的增加，半夏產量增量在春季和秋季均呈先上升后下降的趨勢。當播種密度為3750～4500kg/hm2時，產量增量在春季和秋季均保持相對較高的水平，分別為5486～5592和9410～9652kg/hm2。由于產量增量直接影響半夏的經濟效益，因此并不是播種密度越高，獲得的經濟效益就越高，適當密植才能使半夏獲得更高的經濟效益。

圖2 不同播種密度對半夏產量的影響Fig.2 Effects of different sowing densities on yield of P.ternata

2.3 不同播種密度對半夏品質的影響

如圖3所示，不同播種密度處理對春季半夏生物堿和黃酮含量沒有顯著影響。隨著播種密度的增加，秋季生物堿和黃酮含量呈逐漸下降的趨勢。當播種密度≥5250kg/hm2時，秋季半夏生物堿含量顯著低于其他播種密度處理；播種密度≥3750kg/hm2時，秋季半夏黃酮含量顯著低于其他低密度處理。隨著播種密度的增加，蛋白質含量呈逐漸下降的趨勢，當播種密度為2250kg/hm2時，蛋白質含量在春季和秋季均最大，分別為27.2和28.5mg/g；當播種密度為6000kg/hm2時，蛋白質含量在春季和秋季均最小，分別為23.5和26.4mg/g。可溶性糖含量隨著播種密度的增加呈逐漸上升的趨勢。當播種密度為2250kg/hm2時，可溶性糖含量在春季和秋季均最小，分別為13.1和14.1mg/g；當播種密度為6000kg/hm2時，可溶性糖含量在春季和秋季均最大，分別為14.0和15.1mg/g。綜上可知，半夏的營養品質指標會隨著生長時期和播種密度的不同而發生改變。

圖3 不同播種密度對半夏品質的影響Fig.3 Effects of different sowing densities on quality of P.ternata

2.4 不同播種密度對半夏土壤酶活性的影響

如圖4所示，隨著播種密度的提升，土壤ALP活性在春季基本呈逐漸上升的趨勢，并在播種密度為5250kg/hm2時達到最大；而在秋季則呈先上升后下降的趨勢，并在播種密度為3750kg/hm2時達到最大。URE活性在春季隨著播種密度的增加呈先上升后下降的趨勢，并在播種密度為4500kg/hm2時達到最大；而秋季URE活性隨著播種密度的增加沒有表現出特定的規律，在播種密度為3750kg/hm2時最高。SAC活性無論在春季還是秋季，均隨著播種密度的增加而增加，且均以播種密度為6000kg/hm2時達到最大。隨著播種密度的增加，SCAT活性在春季基本呈先下降后上升的趨勢，并在播種密度為5250kg/hm2時達到最大；而在秋季基本呈逐漸上升的趨勢，并在播種密度為6000kg/hm2時達到最大。在半夏的不同生長階段，春季與秋季土壤酶活性存在較大差異。春季時ALP、URE和SCAT活性顯著高于秋季，而春季SAC活性顯著低于秋季。由此可見，不同季節和播種密度均會影響半夏土壤酶活性，進而影響土壤中生物化學反應的強度和方向。

圖4 不同播種密度對半夏土壤酶活性的影響Fig.4 Effects of different sowing densities on soil enzyme activities of P.ternata

2.5 半夏的產量、品質和土壤酶活性與播種密度和生長時期的相關性分析

從表1可知，無論在春季還是秋季，半夏株高、葉長、葉寬和SPAD值均與播種密度呈負相關關系。產量與播種密度呈顯著（P＜0.01）正相關關系，但產量增量與其呈負相關關系。春季半夏蛋白質含量與播種密度呈顯著負相關關系。無論在春季還是秋季，可溶性糖含量均與播種密度呈顯著正相關關系。秋季生物堿、黃酮和蛋白質含量與播種密度呈顯著負相關關系。在春季，ALP、SAC和SCAT活性與播種密度均呈顯著正相關關系，而URE活性與播種密度呈顯著負相關關系。在秋季，URE、SAC和SCAT活性與播種密度均呈顯著正相關關系，而ALP活性與其呈負相關關系。由此可見，播種密度對半夏生長發育、品質形成和土壤酶活性有重要影響。

表1 不同生長時期播種密度與半夏形態特征、產量、品質和土壤酶活性的相關性Table 1 Pearson correlation coefficients between sowing densities and morphological characteristics,yield,quality and soil enzyme activities of P.ternata in different growth stages

由表2可知，不同播種密度和季節均會顯著影響半夏的產量、品質和土壤酶活性。播種密度和季節的交互作用對半夏產量、產量增量和可溶性糖含量沒有顯著影響（P＞0.05），但極顯著影響生物堿、黃酮、蛋白質含量和土壤酶活性。說明半夏產量、品質和土壤酶活性與半夏播種密度及其生長時期存在密切聯系。

表2 基于方差分析的P值檢驗生長時期、播種密度及其交互作用對半夏產量、品質和土壤酶活性的影響Table 2 P-values from ANOVA testing effects of growth stage,sowing density and their interaction on P.ternata yield,quality and soil enzyme activities

半夏生長性狀、品質與土壤酶活性的冗余分析（RDA）見圖5，春季（圖5a）和秋季（圖5b）的RDA第1排序軸分別解釋了變量的76.6%和70.4%，第2排序軸分別解釋了變量的19.8%和26.5%，前2個排序軸均解釋了變量的95%以上，說明選定的土壤酶活因子可以很好地解釋半夏生理生長的變化。不同播種密度處理樣本在RDA平面上分散聚集，說明不同播種密度處理的半夏生理生長性狀存在較大差異。不同土壤酶活因子按照對半夏生理、生長性狀的影響從大到小排列，在春季為ALP（62.5%，P=0.002）＞SAC（61.7%，P=0.002）＞URE（44.7%，P=0.004）＞SCAT（33.0%，P=0.010）；在秋季為SCAT（54.1%，P=0.002）＞SAC（49.9%，P=0.002）＞ALP（28.8%，P=0.006）＞URE（17.8%，P=0.046）。由此可見，半夏在不同生長時期受土壤酶活性的影響存在顯著差異。

圖5 春季(a)和秋季(b)半夏生長性狀、品質與土壤酶活性的冗余分析Fig.5 The redundancy analysis of growth trait,quality and soil enzyme activity of P.ternata in spring(a)and autumn(b)

3 討論

3.1 半夏的生長發育與播種密度和生長時期的關系

葉片形態特征是植物重要的葉功能性狀，對植物的生長發育有一定的指示作用[21,26]，葉綠素是植物進行光合作用的物質基礎，與光合速率和營養狀況密切相關[27]，而產量是評價植物生長狀態的最佳指標。播種密度能引起生長資源的強制分配，密度的增加會導致作物種群內部的競爭加劇，從而影響種群中植株形態特征和生物量[28-29]，這在以往的研究[2-3]中已經得到了驗證。本研究結果表明，無論在春季還是秋季，隨著播種密度的增加，半夏株高、葉長、葉寬和SPAD值總體呈逐漸下降的趨勢，這可能是半夏的一種“耐受”策略，通過減緩自身的生長速度加強對外界脅迫的耐受力，以保證現有的植株最大程度存活，這與馮銀平等[30]研究播種密度對苜蓿生長影響的結果類似。本研究還表明，無論春季還是秋季，隨著播種密度的增加，半夏產量首先呈上升的趨勢，當播種密度達到4500kg/hm2以后，產量逐漸趨于平穩并基本保持不變，產量增量也逐漸減小，這與阮培均等[4]、梅艷等[18]和黃曉楊等[17]研究播種密度對半夏產量影響的結果類似，表明合理密植才能達到最佳的生產效益。半夏經過充分的生長后，群體達到了最大的資源利用率，單位面積生物量不再隨著播種密度增加而增加，符合最終產量恒定法則[31]。此外，半夏的產量不僅取決于播種密度（F=345），更取決于半夏的生長時期（F=3859），只有獲得充分生長的時間和空間，才能獲得更高的生產力。

3.2 半夏的品質與播種密度和生長時期的關系

生物堿是半夏的主要藥效成分之一，可以鎮咳、降脂和止嘔，還具有消炎抑菌和抑制腫瘤的作用[32-33]。黃酮也是半夏的重要活性成分，在治療癌癥、冠心病和保護免疫系統等方面具有十分重要的作用[34]。半夏總蛋白具有明顯的生物化學活性，其主要有抗癌和抗早孕作用[24]。半夏可溶性糖可增加體內酶活性，有效消除自由基，同時對人體也具有一定的抗腫瘤作用[35]。本研究結果表明，春季半夏除了生物堿和黃酮含量沒有顯著變化外，隨著播種密度的增加，生物堿、黃酮和蛋白質含量均呈逐漸下降的趨勢，這與阮培均等[36]、王海玲等[19]和趙明勇等[20]研究播種密度對半夏總生物堿含量影響的結果類似。這可能是因為播種密度增加導致半夏對光照、空間和土壤養分資源的競爭加劇，光合作用減弱，合成藥效活性成分的底物不足，從而限制了生物堿、黃酮和蛋白質的生成[37]。在不同播種密度處理下，春季半夏生物堿和黃酮含量沒有發生顯著的變化，這可能是因為生物堿和黃酮屬于次級代謝產物，而蛋白質和可溶性糖屬于初級代謝產物，因此相比于蛋白質和可溶性糖，半夏生物堿和黃酮受播種密度的影響較為滯后。半夏可溶性糖含量無論在春季還是秋季均隨著播種密度的增加呈逐漸上升的趨勢，這可能與半夏為了適應復雜的生存環境而將體內的蛋白質降解轉化成蔗糖和葡萄糖等小分子可溶性糖有關。本研究只測定了生物堿、黃酮、蛋白質和可溶性糖總量的變化，其具體組分的變化和相關作用機制還有待進一步研究。

3.3 半夏的土壤酶活性與播種密度和生長時期的關系

研究[38]表明，不同播種密度條件下土壤酶活性會發生改變，這可能是由于不同群體密度造成植株生長發育不同，致使土壤中根系生物量及分泌物等產生差異而引起的。在不同群體密度條件下，光合代謝的差異也會造成光合產物向根部的輸送量發生改變，而相當一部分的光合產物在轉移至根部后會隨著根系分泌物進入土壤[39]。因而群體密度的變化會間接影響土壤中有機質和分解底物的供給，進而影響微生物的生長及土壤胞外酶的分泌[40]。本研究結果顯示，除了秋季的ALP和春季的URE活性外，其他土壤酶活性在半夏的整個生長過程中基本呈上升的趨勢。這可能是因為半夏個體間的競爭情況隨著播種密度的增加而愈加激烈，高群體密度條件下半夏需要吸收更多的土壤養分，從而導致了土壤養分的可獲得性降低，進而通過促進土壤微生物和植物釋放更多的胞外酶來獲得養分。此外，高群體密度條件下半夏根系生物量和分泌物較多，給土壤微生物提供了豐富的有機質和分解底物，從而使土壤胞外酶的分泌增加。春季ALP、URE和SCAT活性整體高于秋季，這可能是由于春季半夏的代謝活動旺盛，需要消耗大量的養分，因此促使根系向土壤分泌較多的胞外酶以滿足自身對養分的需求和對環境的適應。而秋季半夏臨近采收，代謝活動減弱，對養分的需求降低，根系分泌物減少，土壤微生物活性也相應降低，因此3種酶活性下降。春季SAC活性顯著低于秋季，這可能是因為秋季半夏體內生成更多的可溶性糖需要消耗大量的小分子有機物，因而刺激根系向土壤分泌更多的SAC。

3.4 半夏的產量、品質和土壤酶活性與播種密度和生長時期的關系

從不同生長時期播種密度對半夏產量、品質和土壤酶活性的影響來看，半夏產量、品質和土壤酶活性不僅受播種密度的影響（P＜0.001），與生長發育階段也息息相關（P＜0.001），且生長時期和播種密度的交互作用也會對生物堿、黃酮、蛋白質含量和土壤酶活性產生極顯著的影響（P＜0.001）。從半夏產量、品質與土壤酶活性的RDA來看，在不同生長階段，不同的土壤酶發揮著相應的主導作用，使半夏始終處于相對較好的生長狀態。因此，合理安排半夏的播種密度及掌握采收時間可以使土壤發揮較大的生產潛力。

4 結論

在不同的播種密度處理下，半夏可通過調整植株和葉片形態特征，使群體更加適應因播種密度增加而導致生存資源匱乏的生長環境。隨著播種密度的增加，半夏的產量呈先增加后趨于平緩的趨勢，符合最終產量恒定法則。半夏生長發育、品質和土壤酶活性不僅與半夏的播種密度有關，與生長發育階段也存在密切聯系，在保障半夏品質不受太大影響的情況下，3750～4500kg/hm2的播種密度結合秋季采收可以使土地發揮較高的生產效能，半夏產量增量達到相對較佳的水平。