施用鉀肥對蘄春蘄艾產(chǎn)量、出絨率及品質(zhì)的影響

陳昌婕，馬琳，苗玉煥，郭蘭萍，劉大會*

（1.湖北中醫(yī)藥大學中藥資源中心，武漢 430065；2.中國中醫(yī)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（ArtemisiaargyiLévl.et Van）為菊科蒿屬多年生草本植物，全國大部分地區(qū)均有分布，是我國傳統(tǒng)的中藥材和民俗植物。艾以葉部入藥，其性辛、苦、溫，有小毒，含有揮發(fā)油、黃酮及酚酸等多種藥用活性物質(zhì)，具有溫經(jīng)止血、散寒止痛、祛濕止癢等功效，被廣泛應用于中藥方劑、艾灸、日化及養(yǎng)殖行業(yè)［1］。近年來，隨著艾葉及相關艾制品需求量大增，艾已被人工馴化栽培，在湖北、河南、河北、四川、安徽、江西、甘肅、寧夏等地廣為種植，面積達數(shù)萬公頃。湖北省蘄春縣是優(yōu)質(zhì)艾葉產(chǎn)區(qū)，自明朝以來就廣受推崇，該產(chǎn)地艾葉被李時珍命名為“蘄艾”，是我國著名道地藥材，現(xiàn)全縣艾葉種植面積已逾1.2萬hm2。但艾葉人工種植歷史較短，對其規(guī)范化種植的相關研究較少，生產(chǎn)上套用大田作物的施肥方式導致栽培艾葉藥材的產(chǎn)量和品質(zhì)均較低，因此有必要對其科學施肥進行系統(tǒng)研究。

鉀是植物生長發(fā)育過程中的必需營養(yǎng)元素，能夠有效提高藥材的產(chǎn)量和品質(zhì)。已有研究表明，施用鉀肥能夠促進甜菊生長并提高其干葉產(chǎn)量［2］，提高甘草中甘草苷和甘草素等有效成分的含量［3］；鉀素營養(yǎng)對棉花和煙草等纖維作物的產(chǎn)量及品質(zhì)也起著關鍵作用，施用鉀肥有利于提高煙草的吸濕性和燃燒性［4］，增加棉花的纖維長度、強度、伸長率和可紡系數(shù)［5］；土壤中鉀素含量高能提高煙葉酸性和中性香氣成分含量，增加碳水化合物的合成與積累［6］。但鉀肥對蘄艾生長及產(chǎn)量品質(zhì)影響的研究鮮見報道。因此，本研究以湖北蘄春縣蘄艾為研究對象，通過2年的田間試驗研究鉀肥施用量對蘄艾產(chǎn)量和品質(zhì)的影響，為蘄艾規(guī)范化種植、科學施肥提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

于2018和2019年在國家中藥材產(chǎn)業(yè)技術(shù)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(nóng)場和赤東鎮(zhèn)蘄艾種植基地。蘄春縣屬亞熱帶季風氣候，江淮小氣候區(qū)，年平均氣溫16.8℃，降雨量1 341.7 mm。八里湖試驗地土壤肥力狀況為：有機質(zhì)19.64g·kg-1，全氮1.01g·kg-1，堿解氮96.44mg·kg-1，全磷1.30 g·kg-1，速效磷 57.68 mg·kg-1，全鉀 29.63 g·kg-1，速效鉀120.76 mg·kg-1，pH 4.55。赤東鎮(zhèn)試驗地土壤肥力狀況為：有機質(zhì)21.80 g·kg-1，全氮1.12 g·kg-1，堿解氮 123.94 mg·kg-1，全磷 0.56 g·kg-1，速效磷 31.57 mg·kg-1，全鉀 23.04 g·kg-1，速效鉀 197.59 mg·kg-1，pH 5.12。

1.2 試驗設計

試驗共設5個鉀肥施用量處理，分別為0（K0）、60（K60）、120（K120）、180（K180）、240 kg·hm-2（K240），除鉀肥外，每個處理均施氮120 kg·hm-2，磷120 kg·hm-2，設置4個重復，共20個小區(qū)，每小區(qū)面積為10 m2（1.5 m×6.2 m），溝距30 cm。2018年蘄春縣八里湖農(nóng)場田間試驗為新種蘄艾地，選取蘄艾優(yōu)良母株上未發(fā)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1日將60%的氮肥、全部的磷肥和鉀肥作為基肥撒施于小區(qū)畦面，并用畦溝土將撒施的肥料淺覆蓋，4月5日和5月5日分別追施20%氮肥；3月15日后新栽蘄艾根莖陸續(xù)出苗。2019年蘄春縣赤東鎮(zhèn)田間試驗是在2年生蘄艾種植基地進行（蘄艾為多年生宿根植物），待頭年冬季蘄艾地上部分枯萎清理干凈后，于2019年1月15日將60%的氮肥和全部磷肥、鉀肥作為基肥撒施于小區(qū)畦面，并用畦溝土將撒施的肥料淺覆蓋，2月25日和3月25日各追施20%氮肥；2月10日田間蘄艾老株陸續(xù)發(fā)新芽。各試驗小區(qū)田間管理按照蘄艾常規(guī)種植的農(nóng)事操作。供試肥料為尿素（N，46%）、過磷酸鈣（P2O5，15%）和氯化鉀（K2O，60%）。

1.2 測定項目和方法

分別于2018年6月10日和2019年6月15日在每個小區(qū)選取具有代表性的30株蘄艾植株進行相關農(nóng)藝性狀的測定。其中株高為地面基部至植株莖頂端高度；莖粗為植株高度1/2處莖稈直徑；枯葉高為植株莖稈中下部枯葉處高度；統(tǒng)計主稈葉片數(shù)；測定中部3片葉片的葉寬和葉長。每小區(qū)選取長1.5 m、寬1 m的采樣點，于當年6月5日采收，采收后進行陰干處理并稱量蘄艾葉片干重，計算每公頃葉片產(chǎn)量。

出絨率：將10 g艾葉干品置于轉(zhuǎn)速為28 000 r·min-1的高速萬能粉碎機中粉碎 30 s，將粉碎后的混合物置于一號篩中，篩凈全部粉末，即得艾絨，稱重并計算艾絨所占比例。

揮發(fā)油含量：參照2015年版《中國藥典（四部）》通則 2204“揮發(fā)油測定法”［7］測定揮發(fā)油含量。

揮發(fā)性成分含量：采用ThermoFisher Trace 1310型氣相質(zhì)譜聯(lián)用儀（美國）測定艾葉揮發(fā)油中桉油精、α-側(cè)柏酮、樟腦、龍腦、α-石竹烯、β-丁香烯和石竹素的含量［8］。

總黃酮含量：參照2015年版《中國藥典（四部）》的分光光度法［7］，以芹菜素作為對照品測定艾葉中總黃酮含量。

黃酮及酚酸類成分含量：采用戴安UltiMate 3000高效液相色譜儀測定綠原酸、新綠原酸、隱綠原酸、異綠原酸B、異綠原酸A、異綠原酸C、山奈酚、棕矢車菊素和異澤蘭黃素的含量［9-10］。

礦質(zhì)元素測定：氮（N）用凱氏定氮法測定，磷（P）用鉬銻抗比色法測定，鉀（K）、鎂（Mg）、鈣（Ca）、鐵（Fe）、鋅（Zn）、錳（Mn）等元素采用火焰法-原子吸收分光光度法測定，銅（Cu）元素采用石墨爐法-原子吸收分光光度法測定［11］。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Excel 2010和SPSS 25.0軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計和分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同鉀肥施用量對蘄艾農(nóng)藝性狀及產(chǎn)量的影響

2年試驗均表現(xiàn)為隨著鉀肥施用量的增加，蘄艾的密度呈先增大后降低的趨勢（表1）。與K0處理相比，2018年和2019年K180處理蘄艾的密度分別增加了53.0%和61.0%。施用鉀肥對蘄艾地上部干物質(zhì)積累有顯著的促進作用，隨著鉀肥施用量的增加，蘄艾的莖粗、葉片數(shù)和葉片大小均有增加趨勢；但株高與枯葉高隨著施鉀量的增加無明顯變化。2年試驗中不同鉀肥施用量對蘄艾產(chǎn)量的影響也基本一致，當鉀肥施用量較低（K60）時，蘄艾的葉片產(chǎn)量雖有所增加，但與K0處理無顯著差異；隨著鉀肥施用量的增加，蘄艾的葉片產(chǎn)量呈上升趨勢，當施鉀量達到180 kg·hm-2時產(chǎn)量顯著增加，較K0處理顯著增產(chǎn)47.2%（2018）和53.6%（2019）；繼續(xù)增大鉀肥施用量，蘄艾的產(chǎn)量無顯著變化，反而有下降趨勢。上述結(jié)果表明，施用鉀肥對蘄艾的密度及葉片產(chǎn)量均有顯著影響。

表1 不同施鉀量下蘄艾的農(nóng)藝性狀及葉片產(chǎn)量Table 1 Agronomic traits and leaf yield of Artemisia argyi under different K application rates

為更加明確鉀肥施用量與蘄艾葉片產(chǎn)量的關系，以鉀肥施用量為變量X、以蘄艾葉片產(chǎn)量為因變量Y，對其進行曲線擬合，分別得出2018年和2019年蘄艾葉片產(chǎn)量隨鉀肥施用量變化的一元二次方程分別為：Y2018=-0.105X2+42.051X+3 149.921；Y2019=-0.094X2+35.113X+2 800.502。即蘄艾葉片產(chǎn)量均表現(xiàn)為隨著鉀肥施用量的增加呈先升高后降低的趨勢，在施鉀量為199.29（2018）和 187.17 kg·hm-2（2019）時，蘄艾的葉片產(chǎn)量最高，分別為 7 340.15（2018）和 6 086.54 kg·hm-2（2019）。

2.2 不同鉀肥施用量對蘄艾葉片出絨率的影響

2年試驗均表明，隨著鉀肥施用量的增加，蘄艾葉片出絨率呈上升趨勢（圖1）。施用鉀肥后，蘄艾葉片出絨率較K0增長1.3%～23.1%（2018）和11.1%～40.6%（2019）。2018年鉀肥施用量達到180 kg·hm-2（K180）時，葉片出絨率顯著提高，繼續(xù)增加施鉀量葉片出絨率無明顯增長；2019年鉀肥施用量達到120 kg·hm-2（K120）時，蘄艾葉片出絨率顯著增大，繼續(xù)增加施鉀量出絨率無明顯增長。

圖1 不同施鉀量下蘄艾葉片出絨率Fig.1 Output rates of moxa in the leaves of Artemisia argyi under different K application rates

2.3 不同鉀肥施用量對蘄艾葉片中總揮發(fā)油及揮發(fā)性組分的影響

2年試驗均表現(xiàn)為隨著鉀肥施用量的增加，蘄艾葉片中總揮發(fā)油含量呈降低趨勢，降幅分別為2.4%～15.5%（2018）和5.2%～13.6%（2019），但僅K240處理較K0處理顯著降低，其余處理間差異不顯著（表2）。隨著施鉀量的增加，揮發(fā)性組分中的桉油精、樟腦、龍腦和α-石竹烯含量呈下降趨勢，同K0處理相比，2018年施用鉀肥后，4種成分的降幅分別為16.1%～90.2%、29.7%～73.0%、5.6%～88.9%和10.3%～34.5%；2019年的降幅分別為31.4%～87.3%、26.3%～38.6%、8.7%～87.0%和12.9%～35.8%；而艾葉中α-側(cè)柏酮、β-丁香烯和石竹素含量隨鉀肥施用量增加無顯著變化。上述結(jié)果表明，不施或少施鉀肥，蘄艾葉片中揮發(fā)油的含量較高；而過量施用鉀肥會影響艾葉中揮發(fā)性成分的積累。

表2 不同施鉀量下蘄艾葉片中總揮發(fā)油及揮發(fā)性組分的含量Table 2 Contents of total volatile oil and seven volatile components in the leaves of Artemisia argyi under different K application rate

2.4 不同鉀肥施用量對蘄艾葉片中黃酮及酚酸類成分的影響

增施鉀肥能影響蘄艾葉片中總黃酮的含量，但不同年份間存在一定差異（表3）。2018年僅K240處理葉片總黃酮含量較K60顯著下降6.8%，其他各處理間均無顯著差異；2019年，葉片總黃酮含量隨鉀肥施用量增加呈降低趨勢，K240處理較K0、K60、K120和 K180分別顯著下降 20.6%、20.4%、19.5%和17.5%；其他處理間差異不顯著。2年試驗均表明，過量施入鉀肥，葉片中異綠原酸A、棕矢車菊素和異澤蘭黃素含量呈顯著下降趨勢；與K0相比，3種成分在2018年的降幅分別為11.4%～16.9%、8.3%～50.0%和15.1%～47.9%，在2019年的降幅分別為3.1%～25.8%、4.3%～24.2%和4.6%～33.6%；除此之外，當施鉀量高于180 kg·hm-2（K180）時，葉片中綠原酸和隱綠原酸含量顯著降低，K240處理葉片中綠原酸和隱綠原酸含量分別較K0顯著降低42.8%（2018）和22.2%（2019）。上述結(jié)果表明，少量施鉀肥對蘄艾葉片中總黃酮及9種黃酮和酚酸類成分含量的影響較小，但過量施入會影響艾葉中黃酮及酚酸類成分的積累。

表3 不同施鉀量對蘄艾葉片中黃酮及酚酸類成分的影響Table 3 Effects of K application rates on the flavonoids and phenolic acids in the leaves of Artemisia argyi

2.6 不同施鉀處理對蘄艾葉片中礦質(zhì)元素含量的影響

2年試驗均表現(xiàn)為施用鉀肥對蘄艾葉片中礦物質(zhì)元素的含量產(chǎn)生影響（表4）。隨著鉀肥施用量的增加，蘄艾葉片中N和Cu元素含量呈下降趨勢，K、Ca、Mg、Fe和Zn元素含量呈上升趨勢，其中N、K、Ca、Fe和Zn元素含量在各處理間存在顯著差異。施用鉀肥后，N元素降幅分別為2.4%～16.7%（2018）和3.1%～9.7%（2019）；K、Ca、Fe和Zn元素的增幅在2018年分別為14.9%～21.3%、48.3%～66.4%、7.8%～57.5%和7.5%～11.6%，在2019年增幅分別為7.2%～17.3%、16.4%～612.4%、5.9%～88.0%和13.3%～75.9%。上述結(jié)果表明，不同鉀肥施用量下，蘄艾葉片所含礦質(zhì)元素含量存在明顯差異，施鉀量越高，葉片中K、Ca、Fe和Zn元素含量越高，有利于植物更好地進行光合作用。而隨著鉀肥施用量的增加，葉片中N/K呈下降趨勢，Ca/K呈先升高后降低的趨勢，Mg/K無顯著變化。

表4 不同施鉀量下蘄艾葉片中9種礦質(zhì)元素含量及比例Table 4 Contents of 9 mineral elements and the ratios of N/K，Ca/K，Mg/K in the leaves of Artemisia argyi under different K application rates

2.7 蘄艾葉片產(chǎn)量、出絨率、化學成分及礦物質(zhì)元素含量之間的關系

運用Heatmapper對2年試驗中不同鉀肥施用量下蘄艾的葉片產(chǎn)量、出絨率、總揮發(fā)油和7種揮發(fā)性成分含量、總黃酮和9種黃酮、酚酸類化合物含量及9種礦質(zhì)元素含量進行相關矩陣分析。結(jié)果（圖2）顯示，各因子間的相關性在2年中基本一致，葉片產(chǎn)量、出絨率與K、Ca、Mg、Fe、Zn元素含量間均呈顯著正相關關系（P＜0.05），與除山奈酚、α-側(cè)柏酮、石竹素和β-丁香烯外的其他化學成分含量間呈顯著負相關；化學成分含量多與N、Mn元素含量呈顯著正相關，而與K、Ca、Mg、Fe、Zn元素呈顯著負相關。由此表明，蘄艾葉片產(chǎn)量和出絨率與不同化學成分和礦物質(zhì)元素間存在著相互協(xié)同或拮抗作用，當K、Ca、Mg、Fe和Zn元素含量升高時，蘄艾的葉片產(chǎn)量和出絨率呈上升趨勢，但化學成分含量呈下降趨勢。

圖2 2018年和2019年蘄艾產(chǎn)量、葉片出絨率、化學成分及礦質(zhì)元素含量的相關性Fig.2 Correlation between yield，output rate of moxa，chemical components and mineral elements in the leaves of Artemisia argyi in 2018 and 2019

3 討論

合理施肥是提高藥用植物產(chǎn)量和品質(zhì)的重要措施，蘄艾作為近年來大面積人工栽培的藥用植物，關于其施肥方法的研究尚未見報道，且沒有相應規(guī)范，在生產(chǎn)過程中多以藥農(nóng)的種植經(jīng)驗為主，具有一定的盲目性。鉀是植物光合作用必不可少的礦質(zhì)元素之一，被認為是作物生長的品質(zhì)元素。合理施用鉀肥有利于提高植物品質(zhì)，保障植物呼吸作用和光合作用的正常進行，增強植物抗逆能力，保證植株個體的正常發(fā)育和群體的協(xié)調(diào)發(fā)展［12］。本研究2年試驗中蘄艾的產(chǎn)量差異較大，可能是由于2018年供試材料為新種蘄艾，2019年的供試材料是由頭年種植的蘄艾宿根發(fā)育而成，因此2018年蘄艾的長勢更佳，2019年蘄艾由于更為密集，造成通風不良，導致植株矮、莖桿細、葉片少、枯葉位高［13］，影響了蘄艾的葉片產(chǎn)量。隨著鉀肥用量的增加，蘄艾的密度增大，進而提高了葉片總產(chǎn)量，當鉀肥施用量達到180 kg·hm-2時增產(chǎn)效果顯著，與前人增施鉀肥可以提高烤煙干物質(zhì)積累量的研究結(jié)果［14］相一致。繼續(xù)增大鉀肥施用量后蘄艾產(chǎn)量無顯著增加，與譚杰等［15］對川中丘陵高產(chǎn)玉米的研究和包亞英等［16］對甜菊的研究結(jié)果具有相似性。Judel等［17］研究表明，葉片N/K比值在適宜范圍內(nèi)能促進作物的光合作用及同化物的運輸，提高作物產(chǎn)量；汪順義等［18］研究表明，N/K比較低時甘薯產(chǎn)量較高。本研究也表明，隨著鉀肥施用量的增加，蘄艾葉片的N/K比降低，地上部干物質(zhì)的積累量增加，與前人研究結(jié)果相一致。

艾葉曬干碾磨去除部分葉肉組織后即為艾絨，艾葉出絨率越高，經(jīng)濟效益越好。艾絨的主要成分為T形毛［19］，是一種特殊形態(tài)的非腺毛，它是植物表皮細胞分化而成的一種不具有分泌功能的特殊毛狀附屬物，主要分布于艾葉的背部。夏季干旱時節(jié)，濃密的非腺毛能在艾葉表皮與環(huán)境之間形成天然的物理屏障，有利于降低植物的蒸騰作用，保持正常的生理代謝［20］。有研究表明，鈣離子有助于促進非腺毛的生長發(fā)育［21］；赤霉素（gibberellin，GA）對于非腺毛的伸長和分支起正調(diào)控作用［22］。本研究表明，隨著鉀肥施用量的增加，蘄艾葉片中鈣元素含量上升。研究表明，施用鉀肥促進了大豆葉片中赤霉素的累積［23］。由此推斷，隨著鉀肥施用量的增加，蘄艾葉片中鈣離子和赤霉素的含量均有所增加，促進了非腺毛的生長發(fā)育，提高了艾葉出絨率。

揮發(fā)油為艾葉中主要的活性成分，其化學成分復雜，主要為單萜、倍半萜及其衍生物，有特殊香氣，具有抗過敏、鎮(zhèn)痛消炎、驅(qū)蟲抗菌和鎮(zhèn)咳平喘等藥理活性［24］。除此之外，艾葉中還含有豐富的黃酮及酚酸類物質(zhì)，主要為棕矢車菊素、異澤蘭黃素和綠原酸類化合物，具有抗氧化、抗炎和抗腫瘤等功能［25］。這些物質(zhì)是艾葉生長過程中的次生代謝產(chǎn)物，具有抵御不良環(huán)境的作用。然而本研究發(fā)現(xiàn)，隨著鉀肥施用量的增加，蘄艾葉片中的有效成分含量卻明顯降低。盧麗蘭等［26］研究發(fā)現(xiàn)，廣藿香中揮發(fā)油含量隨施氮量的增加而降低；曹藝雯等［27］證實了菘藍中總黃酮含量也隨施氮量的升高而下降；張鋒等［28］發(fā)現(xiàn)，增施鉀肥后白花丹參的有效成分降低；王千等［29］研究表明，供鉀過量會影響番茄葉片中總酚和類黃酮等次生代謝產(chǎn)物的合成。本研究表明，艾葉中的鉀元素和氮元素間存在明顯的拮抗作用，而艾葉中的低氮量又會進一步影響次生代謝產(chǎn)物的合成和累積［30］。研究發(fā)現(xiàn)，施入過量鉀肥會抑制菊花次生代謝的能力，降低菊花葉片中含氮量及氮鉀比，導致黃酮等次生代謝產(chǎn)物含量降低［31］；薛啟等［32］研究發(fā)現(xiàn)，隨著藿香中含氮量的下降，揮發(fā)油含量呈下降趨勢，與本研究蘄艾在高鉀環(huán)境中次生代謝產(chǎn)物含量下降的結(jié)果相一致。

本研究發(fā)現(xiàn)，艾葉中鉀元素與氮元素產(chǎn)生拮抗作用，但與鈣、鎂元素產(chǎn)生協(xié)同作用。隨著鉀肥施用量的增加，艾葉中氮鉀比降低，鈣鉀比上升，而鎂鉀比無顯著變化。菊花在高鉀條件下鈣鉀比降低，產(chǎn)量下降［31］，與本研究結(jié)果一致。藥材中礦物質(zhì)元素的含量差異對于其產(chǎn)量及次生代謝產(chǎn)物的形成和累積具有一定影響［33］，但具體機理有待于進一步研究。