生態(tài)因子對林地參和農(nóng)田參質(zhì)量差異的影響

摘要：生態(tài)環(huán)境是導(dǎo)致林地參和農(nóng)田參質(zhì)量差異的重要影響因素，以林地參和農(nóng)田參中人參皂苷含量為指標(biāo)分析其質(zhì)量差異，測定根際土壤理化性質(zhì)，并對測定結(jié)果進(jìn)行相關(guān)性、多元逐步回歸、變異系數(shù)、偏最小二乘法判別和層次分析法綜合評價(jià)。結(jié)果顯示，林地參和農(nóng)田參中人參皂苷含量及其根際土壤理化性質(zhì)差異顯著；變異系數(shù)分析顯示，農(nóng)田參中大部分生態(tài)因子指標(biāo)變異系數(shù)大于林地參；相關(guān)性、多元逐步回歸和偏最小二乘法判別分析顯示最高氣溫、最低氣溫、pH、堿解氮、有效磷等土壤因子與人參皂苷的相關(guān)性顯著；層次分析結(jié)果顯示，不同栽培模式的土壤質(zhì)量差異顯著。多項(xiàng)統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，最高氣溫、最低氣溫、pH是影響人參皂苷含量的主要因子，其次為堿解氮、有效磷和土壤含水量。以上結(jié)果表明，最高氣溫、最低氣溫、pH、堿解氮、有效磷和土壤含水量是影響林地參和農(nóng)田參質(zhì)量的重要原因，研究結(jié)果為解析人參質(zhì)量形成和種植生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：林地參；農(nóng)田參；人參皂苷；生態(tài)因子；質(zhì)量評價(jià)

doi：10.13304/j.nykjdb.2023.0081

中圖分類號：S567.5+1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1008‐0864（2024）09‐0213‐11

人參（Panax ginseng C. A. Mey.）為五加科多年生宿根植物，是東北三寶之一，主產(chǎn)于吉林、遼寧、黑龍江等地，具有大補(bǔ)元?dú)狻采褚嬷恰⑸蝠B(yǎng)血的功效[1-2]。人參的栽培種植歷史悠久，我國傳統(tǒng)栽培人參的方式是伐林栽參，這種栽參模式不僅生產(chǎn)效率低下，且對森林環(huán)境造成極大破壞[3]。在1998年國家啟動(dòng)的天然林保護(hù)工程中被明令禁止伐林栽參，栽參的方向進(jìn)而轉(zhuǎn)向農(nóng)田栽參與林下栽參[4]。

土壤質(zhì)量是影響藥用植物品質(zhì)的重要因素，土壤能為植物提供生長發(fā)育所必需的營養(yǎng)元素，而營養(yǎng)元素對植物的生長發(fā)育、感病性和抗病性等均有影響。人參主要生長于濕潤、少光、通風(fēng)良好、腐殖土層較厚的陰坡密林下，弱酸性、營養(yǎng)充足的疏松土壤環(huán)境有益于人參生長和干物質(zhì)積累[5]。林地土壤由于多為森林土，養(yǎng)分充足，因而林地栽培的人參質(zhì)量高、產(chǎn)量也高；農(nóng)田土壤存在總孔隙度偏小、土壤容重偏大、有機(jī)質(zhì)和營養(yǎng)元素含量偏低等弊端[6]，對生產(chǎn)高品質(zhì)和高產(chǎn)量人參造成諸多限制[7]。

土壤養(yǎng)分含量直接影響人參產(chǎn)量和品質(zhì)。蘭藝鳴等[8]研究發(fā)現(xiàn)，人參皂苷Rg1對土壤化學(xué)性質(zhì)響應(yīng)較強(qiáng)，土壤中的鉀可以促進(jìn)人參光合產(chǎn)物的運(yùn)輸轉(zhuǎn)化，并增強(qiáng)人參莖的韌性使之不易倒伏，還能增加人參根部淀粉和糖的積累[9]。因此，人參的品質(zhì)不僅取決于其本身的遺傳特性，還與其生長的生態(tài)環(huán)境和栽培方式有關(guān)。在生態(tài)環(huán)境保護(hù)和人參產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展理念下，農(nóng)田栽參逐漸成為人參產(chǎn)業(yè)的主要發(fā)展模式，探究高品質(zhì)人參的栽培模式在實(shí)現(xiàn)友好、協(xié)調(diào)的綠色轉(zhuǎn)型發(fā)展和農(nóng)業(yè)提質(zhì)增效等方面有重要的現(xiàn)實(shí)意義。目前，評價(jià)土壤肥力指標(biāo)的選擇大多局限于土壤大量元素養(yǎng)分[10-12]，而土壤結(jié)構(gòu)和氣候條件對人參質(zhì)量也有重要影響，因此，本研究通過分析林地和農(nóng)田栽培的人參（下分簡稱“林地參”和“農(nóng)田參”）中人參皂苷Rg1、Re、Rb1和總皂苷含量以及相應(yīng)栽培環(huán)境的氣候因子和土壤因子，揭示人參皂苷積累對生態(tài)因子的響應(yīng)規(guī)律，為解析人參質(zhì)量形成和種植生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地位于遼寧省丹東市寬甸滿族自治縣，屬溫帶半濕潤季風(fēng)氣候，年均氣溫7.1 ℃，四季分明，光照充足，雨量充沛，年均降水量1 100 mm，年均無霜期135 d，平均海拔400 m。研究區(qū)分別位于鎮(zhèn)江鎮(zhèn)、太平哨鎮(zhèn)、下露河和青椅山鎮(zhèn)，2021年5—10月人參生長期氣候因子數(shù)據(jù)如圖1所示，來自中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)數(shù)據(jù)查詢系統(tǒng)（https：//data.cma.cn/data）。

1.2 樣品的采集與指標(biāo)測定

試驗(yàn)所用的人參來自同一種質(zhì)，均為5年生林地參（L1～L3）和農(nóng)田參（N1～N3），樣品于2021年10月20日采集，五點(diǎn)取樣法采集人參樣品，每個(gè)試驗(yàn)地均采集10～20株人參樣品。將人參整個(gè)根系完整采挖，收集根周圍土（與主根距離≤5 cm），除去根際土壤中的植物殘?bào)w、雜草和石塊等，分組裝入無菌自封袋。采集后的人參樣品根據(jù)生長狀況、鮮重大小等條件篩選出長勢良好、個(gè)體差異較小且無病蟲害的3株用去離子水沖洗除去泥沙，濾紙吸去表面水分，用于性狀和人參皂苷含量分析；剩余部分用濾紙吸去表面水分后置封口袋中存于4 ℃冰箱備用。樣品具體信息見表2，所有人參樣品經(jīng)長春中醫(yī)藥大學(xué)陳長寶教授鑒定均為五加科植物人參。

1.3 指標(biāo)的測定

采用電位法（水土比為2.5∶1）測定土壤pH，使用電導(dǎo)率儀測定土壤電導(dǎo)率，采用高效液相色譜法（high performance liquid chromatography， HPLC）測定人參皂苷Rg1、Re和Rb1的含量[13]，人參總皂苷和土壤水分含量測定方法參照2020版《中國藥典》[1]。土壤容重（bulk density，BD）、有機(jī)質(zhì)（organic matter，OM）、堿解氮（N）、速效磷（P）、速效鉀（K）、有效硅（Si）、有效鐵（Fe）、全量鈦（Ti）和活性鋁（Al）的含量測定方法參照《土壤農(nóng)化分析》[14]；鋰（Li）、釩（V）、鉻（Cr）、鉬（Mo）、鋇（Ba）、鎳（Ni）、銅（Cu）、鋅（Zn）、鉛（Pb）和鎘（Cd）的含量測定參照楊瑋瑋[15]的方法；砷（As）和汞（Hg）的含量測定參照王昌宇等[16]的方法；鈷（Co）、錳（Mn）和銻（Sb）的含量測定參照何芳[17]的方法；鈣（Ca）和鎂（Mg）的含量測定參照段勤等[18]的方法；錫（Sn）的含量測定參照鄒福林[19]的方法。所有樣品指標(biāo)均測定3個(gè)生物學(xué)重復(fù)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

使用Excel 2016對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，通過GraphPad Prism 8.2 進(jìn)行繪圖，使用IBM SPSSStatistics 21.0軟件進(jìn)行分析，使用SIMCA 14.1進(jìn)行偏最小二乘法判別（partial least squaresdiscriminant analysis， PLS-DA）分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 林地參和農(nóng)田參外觀性狀及人參皂苷含量分析

林地參和農(nóng)田參的外觀存在一定的差異（圖2），林地參的人參須根數(shù)量明顯多于農(nóng)田參，且3組林地參樣品的參紋較3組農(nóng)田參樣品明顯；林地參主根上均未生長側(cè)根，農(nóng)田參組主根在不同程度上生長有側(cè)根。

2020版《中國藥典》[1]規(guī)定，人參主要藥效檢測指標(biāo)為Rg1+Re 不少于0.30%，Rb1 不少于0.20%，因此本研究主要分析以上3種皂苷以及總皂苷含量。由圖3 可知，農(nóng)田參與林地參Rg1、Re、Rb1和總皂苷含量均差異顯著（Plt;0.05），農(nóng)田參Rg1含量高于林地參，林地參Re、Rb1和總皂苷含量均高于農(nóng)田參。

2.2 根際土壤物理特性分析

2.2.1 水分含量

土壤水分能夠影響土壤通氣性、營養(yǎng)物質(zhì)的有效性以及植物的光合能力，因此其能夠直接或間接影響植物根系的生長發(fā)育[9]。由圖4可知，不同樣品的根際土壤含水量表現(xiàn)為L2gt;L1gt;L3、N1gt;N2gt;N3，其中L3與N1之間差異不顯著。

2.2.2 容重

土壤松實(shí)狀況可以通過土壤容重來反映，容重越大，土壤越緊實(shí)，容重越小，土壤越疏松多孔，人參生長需要根區(qū)土壤疏松的物理狀態(tài)[6]。由圖5可知，N3的根際土壤容重最大，L2的根際土壤容重最小；其中，L1與N1之間、L3與N2之間的根際土壤容重差異不顯著，其他各樣品根際土壤容重之間差異顯著（Plt;0.05）。

2.3 根際土壤化學(xué)特性分析

2.3.1 酸堿度

土壤pH可以直觀地反映土壤酸堿度變化，其通過影響土壤養(yǎng)分的存在形態(tài)、有效性、轉(zhuǎn)化及土壤生物活性從而間接影響土壤肥力[12]。由圖6可知，各樣品的根際土壤pH表現(xiàn)為N1

2.3.2 電導(dǎo)率和有機(jī)質(zhì)

土壤電導(dǎo)率可以反映土壤鹽分高低，土壤鹽分越高，電導(dǎo)率越大，但過高的鹽分不利于植物吸收營養(yǎng)元素，進(jìn)而阻礙植物正常生長發(fā)育[20]。由圖7可知，各樣品根際土壤電導(dǎo)率表現(xiàn)為N1、N3gt;L2＞N2gt;L3、L1，其中L1與L3之間、N1與N3之間差異不顯著。

土壤中的有機(jī)質(zhì)是土壤中各種營養(yǎng)元素的重要來源，是“土壤養(yǎng)分儲(chǔ)藏庫”，在改善土壤理化性質(zhì)、保證植物正常生長方面有著重要作用[8]。各樣品根際土壤有機(jī)質(zhì)表現(xiàn)為L2gt;L1gt;L3、N1gt;N3、N2，其中L3與N1之間差異不顯著，N2與N3之間差異不顯著。

2.3.3 元素含量

土壤中無機(jī)元素不僅可以影響植物的根系營養(yǎng)及生理代謝活動(dòng)，還可以影響藥用植物化學(xué)成分的形成和積累[8]。農(nóng)田參和林地參根際土壤元素含量如圖8所示，Co、P、Zn、Ca、V、Cr、Mg、K、Mn、Ti、Fe 和Hg 的含量均為N3 最高，As、Pb、Mo、Cd和Sb的含量均為L3最高，表明N3和L3處理是無機(jī)元素相對富足的樣地。

2.4 人參皂苷含量和生態(tài)因子的變異系數(shù)分析

變異系數(shù)是衡量觀測值變異程度的統(tǒng)計(jì)量，變異系數(shù)能表明研究對象分析指標(biāo)的均勻程度。變異性評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為變異系數(shù)在0%～15%、16%～35%和35%以上分別表示弱變異、中等變異和強(qiáng)變異[20]。由表2可知，林地參和農(nóng)田參皂苷Rg1、Re、Rb1和總皂苷含量均為弱變異。農(nóng)田參中大部分生態(tài)因子指標(biāo)變異系數(shù)大于林地參；林地參的生態(tài)因子指標(biāo)中K的變異系數(shù)最低，為0.21%，電導(dǎo)率的變異系數(shù)最高，為82.04%；農(nóng)田參的生態(tài)因子指標(biāo)中人參皂苷Re 的變異系數(shù)最低，為3.36%，Si的變異系數(shù)最高，為96.56%。

2.5 生態(tài)因子與人參皂苷含量的相關(guān)性分析

生態(tài)因子與人參中皂苷含量的相關(guān)性分析如圖9所示，Ba、最高氣溫、pH、最低氣溫、P、土壤含水量、Li和N與人參皂苷含量相關(guān)性顯著（Plt;0.05）。

2.6 人參皂苷含量與生態(tài)因子的多元逐步回歸分析

在相關(guān)性分析的基礎(chǔ)上，使用逐步回歸分析將不顯著變量剔除，將35個(gè)本試驗(yàn)分析的生態(tài)因子作為自變量，分別為Li（X1）、Co（X2）、Ni（X3）、Cu（X4）、As（X5）、Sn（X6）、Sb（X7）、Mg （X8）、Si（X9）、Ca（X10）、Zn（X11）、Ba（X12）、K（X13）、Al（X14）、Ti（X15）、Fe（X16）、Mo（X17）、V（X18）、Cr（X19）、Mn（X20）、Pb（X21）、Cd（X22）、Hg（X23）、土壤含水量（X24）、N（X25）、P（X26）、pH（X27）、電導(dǎo)率（X28）、容重（X29）、有機(jī)質(zhì)（X30）、10 月最高氣溫（X31）、10 月最低氣溫（X32）、10 月平均氣溫（X33）、10 月平均濕度（X34）、10 月平均降水量（X35），人參皂苷Rg1、Re、Rb1 和總皂苷為因變量，得到回歸方程（表3）。由表3 可見，人參皂苷與各生態(tài)因子呈現(xiàn)良好的多元相關(guān)性，回歸模型相關(guān)系數(shù)rgt;0.5，表明多元逐步回歸的方法可較好地模擬人參皂苷與各生態(tài)因子之間的關(guān)系。

對多元逐步回歸所確定的生態(tài)因子進(jìn)行通徑分析，可以進(jìn)一步明確其對人參皂苷含量作用的大小，由表4可知，Rg1與K、Fe、N呈顯著負(fù)相關(guān)，Re與最高氣溫、最低氣溫呈顯著正相關(guān)，Rb1與最低氣溫呈顯著正相關(guān)，總皂苷與最高氣溫呈顯著正相關(guān)，與相關(guān)性分析的結(jié)果一致。

2.7 偏最小二乘法判別分析

使用有監(jiān)督的偏最小二乘法判別分析（PLSDA）模型[21]分析6個(gè)樣地生態(tài)因子差異，結(jié)果如圖10A所示，6個(gè)人參種植樣地生態(tài)因子在95%的置信區(qū)間內(nèi)具有一定的差異，依據(jù)6個(gè)點(diǎn)的位置分布，林地參與農(nóng)田參種植樣地可很好地被區(qū)分為2類。

VIP值指的是重要性投影值，變量的VIP值越大，表明對樣品分類貢獻(xiàn)越大[22]，一般認(rèn)為變量VIP≥1時(shí)該變量對于分組區(qū)分的貢獻(xiàn)率較大，是組間的特征性成分[23]。由圖10B可知，最高氣溫、最低氣溫、pH、N、P和土壤含水量的VIP值＞1，說明上述氣候和土壤指標(biāo)是區(qū)分人參種植樣地環(huán)境差異的主要影響因素，同時(shí)也是影響林地參與農(nóng)田參質(zhì)量差異的重要因素。最高氣溫的VIP值最大，為1.647，說明在分析的指標(biāo)中最高氣溫的貢獻(xiàn)最大。

2.8 層次分析法綜合評價(jià)分析

層次分析法（analytic hierarchy process，AHP）是一種實(shí)用性強(qiáng)、計(jì)算過程簡便以及多準(zhǔn)則的科學(xué)決策方法[24]。根據(jù)前期測定土壤中各指標(biāo)對植物生長發(fā)育的重要程度[25]，進(jìn)行權(quán)重指標(biāo)量化，將其分為5個(gè)層次，土壤水分、有機(jī)質(zhì)、pH和生長發(fā)育必需的大量營養(yǎng)元素（N、P、K）歸類為T1并將其相對重要性計(jì)為1分，電導(dǎo)率、容重和中量營養(yǎng)元素（Ca、Mg）歸類為T2并計(jì)為3分，微量營養(yǎng)元素（Fe、Mn、Zn、Cu、Mo、Ni）歸類為T3并計(jì)為5分，非生命活動(dòng)必需元素的有益元素（Al、Ti、Si、Co、V、Li）歸類為T4并計(jì)為7分，非生命活動(dòng)必需甚至對生長發(fā)育有害的元素（Hg、Cd、Pb、Sn、Sb、Cr、Ba、As）歸類為T5并計(jì)為9分，構(gòu)建成對比較的優(yōu)先判斷矩陣（表5）。

通過層次分析方法計(jì)算公式算得不同土壤指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)，T1為0.151 2，T2為0.050 4，T3為0.030 2，T4為0.021 6，T5為0.016 8。隨機(jī)一致性比率=0lt;0.1，可以認(rèn)為計(jì)算所得層次排序權(quán)重是正確、合理的。使用AHP層次分析軟件對土壤質(zhì)量評價(jià)指標(biāo)的含量和權(quán)重系數(shù)進(jìn)行分析評價(jià)，結(jié)果如表6所示，綜合評分結(jié)果表明， 林地參和農(nóng)田參土壤指標(biāo)存在差異。

3 討 論

本研究以林地參和農(nóng)田參中人參皂苷含量為指標(biāo)分析其質(zhì)量差異，并測定林地參與農(nóng)田參栽培環(huán)境的生態(tài)因子數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性、逐步回歸、PLS-DA 和AHP 綜合評價(jià)分析，從多個(gè)角度闡釋了氣候因子和土壤因子對林地參與農(nóng)田參皂苷含量的影響。溫度對人參皂苷的積累具有重要作用，楊林林[26]研究發(fā)現(xiàn)，溫度對人參根中皂苷合成關(guān)鍵酶基因的表達(dá)有促進(jìn)作用；Zhang等[27]研究發(fā)現(xiàn)，短期的低溫脅迫可以提高人參皂苷合成關(guān)鍵酶基因的表達(dá)水平。不同pH條件下土壤養(yǎng)分以不同的化學(xué)形態(tài)存在，進(jìn)而影響植物對土壤養(yǎng)分的吸收利用，在pH 6～7的條件下，土壤養(yǎng)分的有效性最好，最有利于植物生長[9]。N和P是維持作物生長必需的重要礦質(zhì)營養(yǎng)元素，N可以促進(jìn)植物生長、幫助群體發(fā)育及調(diào)節(jié)水分利用率，P在植物新陳代謝和遺傳信息傳送方面起著重要作用[14]。土壤中的水分可影響土壤通氣性、營養(yǎng)物質(zhì)的有效性、細(xì)胞膨壓和植物的光合能力，直接或間接地影響植物根系的生長發(fā)育[14]。本研究綜合多項(xiàng)數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，最高氣溫、最低氣溫、pH是影響人參皂苷含量的主要因子，N、P和土壤含水量是次要因子，Ba和Li的影響作用未得到一致性支持。藥用植物的品質(zhì)是多種生態(tài)因子共同作用的結(jié)果，各生態(tài)因子相互影響，協(xié)同發(fā)揮重要作用，生態(tài)因子通過調(diào)控合成途徑關(guān)鍵酶基因表達(dá)促進(jìn)人參皂苷的生物合成，本研究篩選得到的主要影響因子是影響林地參和農(nóng)田參質(zhì)量差異的重要原因，為解決農(nóng)田地栽培人參的技術(shù)瓶頸問題和實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量農(nóng)田參規(guī)范化生產(chǎn)提供理論指導(dǎo)。人參皂苷的生物合成受到遺傳和環(huán)境因素的共同影響，后續(xù)可進(jìn)一步開展人參皂苷生物合成途徑的相關(guān)研究，進(jìn)一步揭示人參藥材質(zhì)量形成機(jī)制。

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