水肥耦合對快速生長期北沙參生長及品質的影響

郭嚴冬，房海靈，湯興利，周義峰,3，張明霞

（1江蘇省中國科學院植物研究所/江蘇省植物資源研究與利用重點實驗室，南京210014；2南京農業大學園藝學院，南京210014；3中國科學院南京分院東臺灘涂研究院，江蘇東臺224237）

0 引言

北沙參為傘形科(Umbelliferae)珊瑚菜屬(Glehnia)植物珊瑚菜(Glehnia littoralis)的干燥根，是中醫臨床常用藥材，具有養陰清肺、祛痰止咳、養胃舒肝之功效[1]。北沙參的傳統道地產區在山東萊陽，別名有“萊陽沙參”“萊胡參”[2]。除藥用外，北沙參還具有較高的營養和保健價值，經常作為保健食品[3]。野生珊瑚菜在遼寧、河北、山東、江蘇、浙江、福建、臺灣、廣東等地均有分布[4]。商品藥材歷史上主產于江蘇、山東的沿海地區，后遷移至內蒙內陸鹽堿地區。

關于北沙參的研究主要集中在化學成分提取及其藥理活性分析等方面[5-7]，其中化學成分中又主要以多糖為提取目標[8-9]；李彩峰等和王輝明等還對影響化學成分含量及種類的因素進行了分析，如產地[10-12]、采收時期[13]以及提取方法[14]等。近年來，江蘇、山東地區擬在沿海新圍墾灘涂恢復北沙參生產，而淡水資源和土壤保肥能力是該類地區農業生產的主要制約因素，目前，水肥耦合管理在農作物中的應用和研究已較為普遍[15-16]；而水、肥互作對北沙參種植產量和品質的影響有待研究。Nasir等[17]研究結果顯示，不合理的施肥會破壞植物體內各種代謝過程，還會導致土壤退化、藥材品質降低和產量下降。前期有研究表明，氮、鉀肥可促進北沙參植株生長、根系增粗，提高北沙參產量。本團隊在收獲前期水鉀耦合施用對北沙參生長及活性成分進行了研究，結果顯示，輕度水分脅迫結合鉀肥施用有利于北沙參生長以及干物質等積累[18]。由此可見，合理的水肥管理對于提高中藥材品質至關重要，可以產生和積累有效成分以及營養成分[19]。植物快速生長期是營養積累的關鍵時期，對藥用植物次生代謝的形成和積累具有重要的影響。本研究以北沙參快速生長期為切入點，研究水肥耦合對其株高、抗氧化酶活性指標、滲透調節物質及活性成分的影響，以期初步探明北沙參在快速生長期水肥的需求情況，為建立濱海鹽堿地北沙參種植科學的水肥管理標準，以及節水減肥施用、提高水肥利用效率提供一定的理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2016年5—10月在南京中山植物園日光溫室內進行，透光率80%左右。供試材料為北沙參當年生且生長一致的直播種子苗。盆栽試驗土壤為砂質潮土，砂粒含量67.60%，粉粒含量24.30%，黏粒含量8.10%，土壤pH 8.42，土壤持水量320 g/kg，有機碳含量7.04 g/kg，堿解氮含量55.4 mg/kg，有效磷含量9.33 mg/kg，速效鉀含量174.8 mg/kg。

1.2 試驗方法

試驗于6月上旬—8月中旬進行。設土壤水分和施氮鉀肥量2個試驗因子，采用二因素裂區隨機區組設計，氮鉀肥為主，土壤水分為副區。氮肥采用尿素CO(NH2)2，鉀肥采用K2O。施肥量設N-K2O配比不同的3個施肥水平，即120～180 kg/hm2（F1，低肥）、180～270 kg/hm2（F2，中肥）、240～360 kg/hm2（F3，高肥）。所有處理均于定植前施入等量的基肥(N 45 kg/hm2，P2O545 kg/hm2，K2O 75 kg/hm2)，不同處理以追肥方式穴施。土壤水分用土壤相對含水量計，設置80%～90%（W1，水分充足）、60%～70%（W2，輕度水分脅迫）、40%～50%（W3，中度水分脅迫）3個水平，同時設對照處理(CK)施肥量為0 kg/hm2、W1供水。試驗共9個處理（表1），每個處理重復3次，每個重復6盆，每盆種植3株。氮肥、鉀肥分別于6月上旬和8月中旬分2次追施，其他生育期水肥施用各處理相同。水肥試驗于6月10日開始，9月1日結束，氮鉀肥隨水施入。在處理的20、40、60、80天測定植株高度、抗氧化酶活性及滲透調節物質含量，收獲時測定根中活性成分香豆素類（補骨脂素、歐前胡素和異歐前胡素）的含量。

表1 快速生長期水肥耦合試驗方案

1.3 檢測指標

1.3.1 植株株高的測定 于7月1日起每20天測定株高（最長的一個側枝的長度）。隨機選取3株測定，取平均值進行數據統計。

1.3.2 北沙參葉片中抗氧化酶活性及其他生理指標的測定 參考文獻[13]的方法，采用氮藍四唑(NBT)法測定超氧化物岐化酶(SOD)；采用愈創木酚法測定過氧化物酶(POD)；采用CAT紫外吸收法測定過氧化氫酶(CAT)；采用硫代巴比妥酸(TBA)法測定丙二醛(MDA)；采用水合茚三酮法測定游離脯氨酸(Pro)；采用蒽酮比色法測定可溶性糖含量；采用考馬斯亮蘭比色法測定可溶性蛋白質含量。

1.3.3 北沙參補骨脂素、歐前胡素、異歐前胡素含量測定 參考文獻[13]中的方法測定北沙參根中補骨脂素、歐前胡素和異歐前胡素的含量。

2 結果與分析

2.1 水肥施用對北沙參株高的影響

圖1結果顯示，在中度水分脅迫條件（W3處理組）下，北沙參株高顯著低于水分充足條件（W1處理組）。在水分充足和輕度水分脅迫條件（W2處理組）下，增施肥料能顯著增加北沙參植株株高。水分適宜條件下，F2（中肥）和F3（高肥）處理組北沙參株高分別較F1（低肥）處理組顯著增加15.95%和18.16%，F2和F3處理組北沙參株高差異較小，表明在水分適宜條件下，過量肥料對北沙參株高增加并無益處。輕度水分脅迫下，施肥量增加促使株高增加幅度增大，表明肥用量和水分管理存在明顯互作效應，在合理控制水分的同時，增施肥效果更佳。中度水分脅迫下，株高降幅明顯。

圖1 水肥耦合對快速生長期北沙參株高的影響

2.2 水肥耦合對北沙參抗氧化酶活性的影響

2.2.1 水肥耦合對超氧化物歧化酶(SOD)活性的影響圖2結果顯示，北沙參葉片中SOD活性在處理20天時最低，為12.213～26.179 U/(g·FW)；處理40、60天維持在較高水平，分別為18.709～38.246和23.515～37.641 U/(g·FW)；處理80天下降到13.793～25.092 U/(g·FW)。

圖2 快速生長期水肥耦合對北沙參葉片SOD活性的影響

總體上看，在相同水分條件下，水分充足和輕度水分脅迫處理組葉片中SOD活性均隨施肥量的增加而增加，W3處理組葉片中SOD活性均隨施肥量的增加呈先增加后降低的趨勢，3個施肥水平處理間葉片中SOD活性差異達到顯著水平。在相同施肥條件下，葉片中SOD活性均隨土壤水分含量的降低呈升高的趨勢。以上結果說明，合理的施肥量和適宜的土壤水分含量對于提高北沙參葉片中超氧化物歧化酶活性和促進膜系統的穩定性具有重要作用，而土壤水分含量過低耦合高肥(W3F3)會降低葉片中SOD活性并對膜系統穩定性造成潛在的危害。

2.2.2 水肥耦合對過氧化氫酶(CAT)活性的影響 圖3結果顯示，在處理80天內，不同處理組葉片中CAT活性表現為先升高后降低的趨勢。處理40天達到最大值，隨后開始下降，降幅存在差異，其中，W3處理組降幅較大，W2處理組降幅次之，W1處理組降幅較小。相同水分條件下，W1和W2處理組葉片中CAT活性在處理的20～40天基本表現為隨著施肥量的增加而增加的趨勢；在處理的60～80天，葉片中CAT活性呈波動變化的趨勢，W3處理組葉片中處理間達到顯著水平，其中，土壤水分含量過低耦合高肥(W3F3)條件下，葉片中CAT活性呈降低趨勢。

圖3 快速生長期水肥耦合對北沙參葉片中CAT活性的影響

2.2.3 水肥耦合對過氧化物酶(POD)活性的影響 圖4結果顯示，在北沙參生長的不同時期，不同的水肥處理對其葉片中POD的影響不同。處理20天時，相同水分條件下，隨施肥量增加北沙參葉片中POD值呈升高的趨勢，并且各處理間差異均達到顯著水平。在施肥量相同時，北沙參葉片中POD值隨土壤水分的降低呈升高趨勢，但提高幅度不如水分條件一致情況下施肥處理間大。

圖4 快速生長期水肥耦合對北沙參葉片中POD活性的影響

處理40天時，葉片中POD活性表現為W3F2處理組最大，W1F1處理組最小。在中度水分脅迫條件下，F2處理組葉片中POD活性較F1處理組升高了3.69%～12.63%，F3處理組葉片中POD活性呈下降趨勢；與W3處理組相比，W2處理組在中肥處理后葉片中POD活性降低了6.18%～24.84%，說明隨著水分條件的改善，肥料的溶解促進了北沙參葉片的生長，緩解了植株受脅迫的程度。

與處理40天相比，水肥處理60天葉片中POD活性呈顯著增加的趨勢。隨著生育期的延長，北沙參對水分的需求越來越高，各處理所處的干旱脅迫加重，導致植株體內的活性氧含量增多，進而促進POD活性的增加。特別是在中度水分脅迫下，葉片中POD活性顯著增加，且隨著施肥量的增加增幅減小，可能是由于中度脅迫供應水分無法滿足北沙參生長所需，即使通過增施肥料，改變其滲透勢也不能緩解干旱脅迫帶給植株的損傷。

處理80天為北沙參收獲前期，此時植株地上部分生長處于緩慢期，葉片趨于衰老，其中營養物質開始向地下部分轉移。各處理組中POD活性出現顯著下降，推測可能是由于長期干旱脅迫下植物機能受到過度損傷，合成POD能力下降，使有害自由基積累或超過傷害閾值，導致北沙參體內活性氧的形成和清除系統之間的平衡被打破，直接或間接促進膜質過氧化反應使含量增加，膜系受損。

2.3 水肥耦合對北沙參滲透調節物質的影響

2.3.1 水肥耦合對丙二醛(MDA)含量的影響 圖5結果顯示，W1處理組葉片中MDA含量低于W2和W3處理組。施肥量高的處理組葉片中MDA含量低于施肥量低的處理組，但差異不明顯，增施氮肥降低葉片中MDA含量的效果減弱。

圖5 快速生長期水肥耦合對北沙參葉片中MDA含量的影響

輕度水分脅迫條件下，各施肥處理組葉片中MDA含量較水分充足條件下有所升高，其中F2處理組中MDA含量降幅大于F1處理組，隨施肥量增加北沙參葉片中MDA含量下降明顯?；钚匝跚宄到y的功能逐漸恢復，增強蛋白質的穩定性，減輕水分脅迫對生物膜的傷害延緩葉片衰老。土壤水分狀況的改善，有利于增加氮鉀肥施用效果。

中度水分脅迫條件下，各施肥處理組葉片中MDA含量是水分充足條件下各處理的2.5～3.0倍，且隨著施肥量的增加，葉片中MDA含量迅速增加，可見，在水分虧缺條件下，增施肥進一步加劇了北沙參的水分脅迫，導致葉片膜脂過氧化加深，加速了植株衰老。

2.3.2 水肥耦合對北沙參中可溶性糖含量的影響 圖6結果顯示，各施肥處理組北沙參葉片中可溶性糖含量隨著土壤相對含水量的降低而增加。在土壤相對含水量低的條件下，施肥使葉片中可溶性糖含量降低。

圖6 快速生長期水肥耦合對北沙參葉片中可溶性糖含量的影響

W3處理組葉片中可溶性糖含量是W1處理組的1.05～1.59倍。此水分條件下F3處理組葉片中可溶性糖含量較F1處理組降低了31.93%，原因可能是北沙參受到土壤水分含量脅迫和過量肥料的共同脅迫，正常生理功能遭到破壞，光合產物積累減少。

W2處理組葉片中可溶性糖含量較W3處理組有所降低。此水分條件下，F3處理組葉片中可溶性糖含量較F1處理組提高了26.60%。增施的氮肥提高了葉片中可溶性糖含量，從而降低了細胞的滲透勢，有利于北沙參從土壤中吸收更多的水分，可溶性糖含量隨施肥量的增加而增加。

2.3.3 水肥耦合對北沙參游離脯氨酸含量的影響 圖7結果顯示，相同水分條件下，隨著施肥量增加北沙參葉片中游離脯氨酸含量逐漸升高；施肥量相同條件下，隨土壤供水量增加葉片中游離脯氨酸含量表現為下降的趨勢，在中度水分脅迫條件下，施肥使葉片中游離脯氨酸含量降低。在供水量相同、施肥量不同的處理組間和施肥量相同、供水量不同處理組間差異均達到顯著水平。

圖7 快速生長期水肥耦合對北沙參葉片中脯氨酸的影響

W3處理組葉片中脯氨酸含量變化趨勢與可溶性糖含量變化趨勢相似，分析原因可能是水分和肥料雙重脅迫，導致葉片滲透勢失調，正常生理功能受到影響。

W2處理組葉片中脯氨酸含量相對W3處理組所降低。此水分條件下，F3處理組比F1處理組提高了11.93%～36.95%。增加施肥量提高了葉片中脯氨酸的含量，從而降低了細胞的滲透勢，有利于北沙參從土壤中吸收更多的水分。

由此可見，北沙參葉片對水分和肥料較敏感，應保證水分和養分的供應以確保北沙參正常生長發育。北沙參根系遭受干旱脅迫后，根系自身通過合成和積累滲透調節物質來降低根細胞內的滲透勢，使根細胞維持正常膨壓，保持根系細胞進行正常的生理活動。

2.3.4 水肥耦合對北沙參可溶性蛋白質含量的影響 圖8結果顯示，在不同水分條件下，北沙參葉片中可溶性蛋白質含量隨施肥量的增加變化有所不同。W1處理組葉片中可溶性蛋白含量隨著施肥量的增加而升高，WIF3處理組葉片中可溶性蛋白含量較W1F1處理組提高50.73%～73.38%。在W2處理組，增加施肥量對于葉片中可溶性蛋白含量的提高效果更明顯，且隨著施肥量的增加呈上升的趨勢。W2F2處理組葉片中可溶性蛋白質含量較W2F1處理組提高47.11%～90.47%。W3處理組，由于水分虧欠嚴重，高肥加劇了水分脅迫對植株清除活性氧能力的破壞，使蛋白質分解加強，合成減慢，降低了葉片可溶性蛋白質的含量，加速了葉片的衰老。

圖8 快速生長期水肥耦合對北沙參葉片可溶性蛋白含量的影響

2.4 水肥耦合對北沙參香豆素類成分的影響

2.4.1 補骨脂素含量 圖9結果顯示，水分充足(W1)、輕度水分脅迫(W2)和中度水分脅迫(W3)條件下，高肥(F3)、高肥(F3)和中肥(F2)處理組根中補骨脂素含量分別為各水分條件下的最高值；W3處理組根中補骨脂含量均高于相應施肥水平的W1和W2處理組，說明中度水分脅迫下適度氮鉀營養能提高補骨脂素含量，水分充足下提高氮鉀水平能有效提高補骨脂素含量，輕度水分脅迫下隨著氮鉀水平的提高補骨脂素含量呈現上升趨勢。低肥(F1)、F2和F3條件下，W3處理組根中補骨脂素含量分別為各施肥條件下的最高值，說明中度水分脅迫能有效地提高根中補骨脂素含量。在所有處理組中，W3F2處理組根中補骨脂素含量最高，說明中度水分脅迫耦合中肥有可能極大地刺激了北沙參根中補骨脂素的合成。

圖9 水肥耦合對北沙參中活性成分含量的影響

2.4.2 歐前胡素含量 W1、W2和W3條件下，F2、F2和F3處理組根中歐前胡素含量分別為各水分條件下的最高值，除W3F3處理組外，W2處理組的各施肥水平均高于相應的W1和W3組，說明輕度水分脅迫下適度氮鉀營養能提高歐前胡素含量，中度水分脅迫下高肥水平能有效地提高歐前胡素含量，水分充足下隨著氮鉀水平的提高歐前胡素含量呈現先上升后降低的趨勢。F1、F2和F3條件下，W2、W2和W3處理組根中歐前胡素含量分別為各施肥條件下的最高值，說明在同樣施肥水平下，輕度水分脅迫能有效提高北沙參內根中歐前胡素含量。在所有處理組中，W2F2處理組根中歐前胡素含量最高，說明輕度水分脅迫耦合適量氮鉀營養可能極大地刺激了北沙參根中歐前胡素的合成。

2.4.3 異歐前胡素含量 W1、W2和W3條件下，F1、F2和F1處理組根中異歐前胡素含量分別為各水分條件下的最高值，W3處理組的各施肥水平均高于相應的W1和W2處理組，與補骨脂素一致，說明中度水分脅迫下適度氮鉀營養能提高異歐前胡素含量。F1、F2和F3條件下，W3、W2和W3處理組根中異歐前胡素含量分別為各施肥條件下最高，說明在同樣施肥水平下，中度和輕度水分脅迫能有效地提高北沙參內歐前胡素含量。在所有處理中，W3F1處理組根中異歐前胡素含量最高，說明輕度和中度水分脅迫適度肥料可能極大地促進了北沙參根中異歐前胡素的合成。

3 結論

3.1 水肥耦合對北沙參生長發育的影響

在北沙參一年生長過程中，株高在6月中旬—8月上旬增長最快，這一時期以營養生長為主，到8月中下旬增長變緩，9月進入成熟期后基本不再提高。水肥耦合對北沙參植株生長具有顯著影響，水分充足條件下，增施肥料能顯著增加北沙參植株株高。

3.2 水肥耦合對北沙參葉片中抗氧化酶活性的影響

在水分脅迫條件下，適當的增施氮肥，北沙參葉片中SOD、CAT和POD活性均呈升高的趨勢，降低了北沙參葉片膜脂過氧化程度，減輕了對葉片的傷害。在施肥量相同時，北沙參葉片中SOD、CAT和POD活性隨土壤水分含量的增加呈降低趨勢，特別是在中度水分脅迫下3種酶活性顯著增加，且隨著施肥量的增加增幅較小，可能是由于中度水分脅迫供應水分無法滿足北沙參生長所需，即使通過增施肥料改變其滲透勢都不能緩解干旱脅迫帶給植株的損傷。

3.3 水肥耦合對北沙參葉片中滲透調節物質的影響

北沙參根系遭受干旱脅迫后，根系自身通過合成和積累滲透調節物質來降低根細胞內的滲透勢，使根細胞維持正常膨壓，保持根系細胞進行正常的生理活動。在相同水分條件下，葉片可溶性糖、可溶性蛋白和游離脯氨酸含量均隨施肥量的增加而增加。在相同施肥條件下，葉片可溶性糖、可溶性蛋白和游離脯氨酸含量均隨土壤水分含量的增加呈下降的趨勢，中度水分脅迫結合高肥處理導致葉片滲透勢失調，影響正常生理功能。

3.4 水肥耦合對北沙參葉片中香豆素類物質的影響

香豆素是北沙參的主要活性成分之一，也是傘形科植物化學分類的特征性成分，具有抗癌、抗腫瘤、抗炎抗菌等藥理作用。該類成分中的歐前胡素、異歐前胡素和補骨脂素含量的高低是近年來評價北沙參藥材品質的重要指標[7,10]。綜合考慮3種香豆素對水肥耦合的響應可看出，輕度水分脅迫耦合適量氮鉀營養極大地刺激了北沙參藥材內香豆素類成分的合成。

綜合研究表明，在輕度和中度水分脅迫條件下，增施氮鉀肥有利于北沙參中抗氧化酶活性的提高以及滲透調節物質和香豆素類成分的積累，對于植物在非生物脅迫下生長具有重要意義。

4 討論

胡小京等[20]對水分脅迫下藥食兩用植物野百合(Lilium brownie)的生理特性進行了研究，發現水分脅迫下，野百合的生長會受到不同程度的影響；且隨著土壤相對含水量的降低，植物體內的游離脯氨酸和可溶性糖含量以及SOD、POD活性先升高后降低。王霞等[21]、范蘇魯等[22]和馬劍等[23]的研究也得出了類似的結論。本研究中，在相同施肥條件下，葉片中可溶性糖和游離脯氨酸含量以及SOD和POD活性均隨土壤水分含量的降低呈升高的趨勢，前期的變化趨勢與前人的研究結果一致，后面未出現降低的趨勢可能是由于本研究為水肥耦合試驗，增加施肥量可提高葉片中脯氨酸和可溶性糖含量，從而降低了細胞的滲透勢，有利于北沙參從土壤中吸收更多的水分，有利于植物生長。

多糖[24]和香豆素類[25]化合物是北沙參莖葉中的主要成分。馮子晉等[25]測定了補骨脂素、花椒毒素、歐前胡素和異歐前胡素4種香豆素成分，發現香豆素的含量在不同產地的北沙參中具有明顯的差異。本研究中的北沙參均來自同一個產地，但由于施肥和水分管理措施的不同，如中度水分脅迫耦合中肥可刺激北沙參根中補骨脂素的合成，輕度水分脅迫耦合適量氮鉀營養可刺激北沙參根中歐前胡素的合成，輕度和中度水分脅迫結合適度肥料可促進北沙參根中異歐前胡素的合成。說明影響北沙參中化學成分含量的影響因素較多，除自身的遺傳因素外，灌溉施肥、土壤質地和當地氣候等環境因子也是影響藥材品質的重要原因[26]，在實際生產和應用中應根據具體的目標選擇合適的種源地和水肥管理措施。此外，本試驗僅考慮了水、肥對當歸品質的影響，后續研究可對土壤因子和氣候條件對當歸產量和品質的影響展開進一步深入分析。