中藥材附子套作水稻對土壤性狀及附子產量的影響

任品安，黃 晶，陳 鑫，余 馬，侯大斌

（西南科技大學生命科學與工程學院，四川綿陽 621010）

附子是川產道地名貴中藥材，為毛茛科植物烏頭（Aconitum carmichaelii Debeaux）的子根（根據農戶習慣，栽培學上用附子代指毛茛科植物烏頭）。近年來，隨著醫藥行業的發展，國內外對附子的需求量日益增長。四川江油市是公認的附子道地產區，已有一千多年的栽培歷史[1]。江油附子一般于每年冬至前栽種，第二年夏至后收獲，其生育期跨越當地主要小春作物（小麥、油菜）和大春作物（玉米、水稻）的部分生育期。因此，江油附子傳統的種植模式主要為附子套作玉米、花生等旱地作物或在附子收獲后接茬一季生育期短的蔬菜，并每2至3年進行輪作倒茬。附子的種植模式較為雜亂，連作障礙嚴重，導致其產量穩定性差、種植效益低[2]。然而，目前關于江油附子連作障礙的原因尚不明確，相關防治措施研究也極其薄弱。因此，明確附子連作障礙的影響因素及其作用機理，將有利于進一步研究和應用相應的防治措施。

水旱輪作是國內外公認的克服作物連作障礙的重要栽培措施[3-4]。江油附子道地產區也是水稻宜栽區。近年來，西南科技大學等科研單位在總結藥農種植經驗的基礎上，創新附子種植模式，將附子與水稻套作實現年內水旱輪作，有效克服了附子的連作障礙，提高了附子的產量及效益[5]。然而，附子/水稻模式與傳統的附子/旱地作物模式相比較，其克服連作障礙的機制尚不清楚。本研究通過分析附子不同種植模式下農田土壤性狀、根際微生物群落結構及附子產量，以期明確附子/水稻模式的土壤生態及產量效益。研究對于進一步構建附子高產高效栽培模式及促進附子產業可持續發展具有重要意義。

1 材料和方法

1.1 取樣地及取樣方法

取樣地為位于四川江油附子道地產區涪江一級階地的太平鎮橋樓村附子種植基地（30°71′84.08″N，104°70′68.06″E），該基地于 2011 年獲得中藥材GAP認證。該區域屬于亞熱帶濕潤季風氣候，年均日照時數1 362 h，年均降雨量1 100 mm，無霜期280 d，年平均氣溫16℃。該區域土壤的成土母質主要是晚更新世河流沖積層，土壤類型為砂壤土。

2015年6月下旬附子收獲時，在附子基地分別選取連續種植3年以上附子/旱地作物模式及附子/水稻模式的田塊進行取樣，不同種植模式見表1。每種模式取6個田塊，每個田塊按照5點取樣法取附子根際土壤與非根際土壤，分別用于測定根際土壤微生物與土壤肥力等性狀。根際土壤采集方法為：每個田塊選取5個樣方，每個樣方內取10株附子，用鏟子挖出完整附子塊根，用力抖動去除根表面疏松土壤，再用干凈刷子刷取緊貼附子塊根表面的土壤，裝入無菌聚乙烯密封袋，避光放于裝有冰袋的泡沫箱，迅速送回實驗室待處理；非根際土壤采集方法為：在附子與套作作物之間（如附子與水稻行間）用土鉆取0～30 cm土層土樣，裝入密封袋，避光放于泡沫箱，送回實驗室待處理。取樣田塊自種植基地獲得中藥材GAP認證以來，附子種植過程中所用品種及灌溉、施肥、打頂、修根等田間栽培管理措施基本一致。

1.2 測定方法

1.2.1 土壤性狀測定

對采集的土壤帶回實驗室自然風干后進行土壤性狀測定，主要指標包括pH、有機質、全氮、有效氮、全磷、有效磷、全鉀、有效鉀。分別采用電位法測pH[6]165、重鉻酸鉀容量法測有機質[6]30、半微量開氏法測全氮[6]42、堿解擴散法測有效氮[6]56、鉬銻抗比色法測全磷[6]76、0.5 mol/L NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法測有效磷[6]81、NaOH熔融-火焰光度法測全鉀[6]101、冷的2 mol/L HNO3溶液浸提-火焰光度法[6]108測有效鉀。

1.2.2 微生物多樣性測定

將田間取得的根際土壤樣品過2 mm土壤篩，去除土壤中的附子須根、秸稈、砂粒等雜質，裝入無菌聚乙烯密封袋，在-20℃下冷凍保存。稱取相當于5 g干土重的新鮮土壤，通過浸提、層析、甲脂化等過程。然后采用Agilent氣質聯用儀GC-MS（6890N-5973N）對甲基化脂肪酸進行氣相色譜分析。色譜柱為 HP 5-MS（30 m×0.25 mm×0.25 μm）石英毛細管柱，測試過程中涉及的樣口溫度、流速等參數參見文獻[7-8]。脂肪酸含量通過峰面積和內標曲線計算獲得，PLFAs含量用ng/g表示，指示微生物不同群落的脂肪酸見表2。

表1 附子不同種植模式Table1 Different cropping patterns of Aconitum carmichaelii Debeaux

表2 指示微生物不同群落的脂肪酸Table2 Fatty acids indicating different microbial communities

1.2.3 附子產量測定

每個田塊按5點取樣法，每個點取10株附子，去除須根及較小的子根，只保留達到商品標準大小的附子。記錄附子個數，單株附子重量，按照基本苗數量計算附子理論畝產量。

1.3 數據分析

利用Microsoft Excel 2016整理數據，通過SPSS 22.0進行統計分析，采用Sigmaplot 12.5進行作圖。

2 結果與分析

2.1 附子不同種植模式下土壤pH與肥力狀況比較

附子/水稻與附子/旱地作物兩種模式下土壤性狀差異較大（見表3）。附子/水稻模式顯著提高了土壤 pH 值（P＜0.05），緩解了土壤酸化；附子/水稻模式顯著提高了土壤中有機質、全氮和有效氮的含量（P＜0.05）；附子/水稻模式下土壤中全磷、有效磷含量高于附子/旱地作物模式，但差異不顯著；兩種模式下土壤中全鉀含量差異不顯著，但附子/水稻模式顯著增加了土壤中有效鉀的含量（P＜0.05）。

表3 附子不同種植模式下土壤pH與肥力狀況Table3 Soil pH and fertility conditions under different cultivation conditions of Aconitum carmichaelii Debeaux

2.2 附子不同種植模式下土壤微生物群落結構特征分析

附子/水稻與附子/旱地作物兩種模式下土壤微生物群落結構特征差異較大。附子/水稻模式下土壤微生物數量高于附子/旱地作物模式，其微生物總PLFA含量比附子/旱地作物模式高27%，差異顯著（P＜0.05）（見表4）。

表4 附子不同種植模式土壤總磷脂脂肪酸（PLFA）含量Table4 Total phospholipid fatty acid(PLFA)content in soil under different cultivation conditions of Aconitum carmichaelii Debeaux

附子不同種植模式下土壤微生物各菌群PLFA含量差異與土壤微生物總PLFA含量差異較為一致（見圖1）。附子/水稻模式下土壤細菌、放線菌及原生動物的PLFA含量均顯著高于附子/旱地作物模式（P＜0.05），分別高 24%、32%、56%，而真菌 PLFA含量在兩種種植模式下差異不顯著；附子/水稻與附子/旱地作物兩種栽培模式下，細菌PLFA與真菌PLFA的比值分別為6.56和5.78，差異顯著（P＜0.05）。

圖1 附子不同種植模式土壤各菌群磷脂脂肪酸（PLFA）含量及細菌與真菌比率Figure1 The phospholipid fatty acid(PLFA)contents of various bacterial flora and the ration of bacteria and fungi in the soil under different cultivation conditions of Aconitum carmichaelii Debeaux

進一步分析細菌類型（見圖2），結果發現。附子/水稻模式下G+與G-的PLFA含量均顯著高于傳統的附子/旱地作物模式（P＜0.05），分別高出 17%、33%；但兩種模式下G+與G-PLFA含量的比值差異不顯著。

圖2 附子不同種植模式土壤G+、G-磷脂脂肪酸（PLFA）含量及比率Figure2 Contents and rations of G+and G-under different cultivation conditions of Aconitum carmichaelii Debeaux

2.3 不同種植模式下附子產量分析

分析附子不同種植模式下產量及其構成因素的影響可以看出（見表5），附子/水稻模式能提高附子產量。附子/水稻模式下單株附子重量顯著高于附子/旱地作物模式（P＜0.05），平均高出 16.17 g/株；附子/水稻模式下單株附子個數亦高于附子/旱地作物模式，但差異不顯著；相應的，附子/水稻模式下附子理論產量較高，比傳統栽培模式高2 425.05 kg/hm2，增產約45.12%。

表5 附子不同種植模式產量比較Table5 Yield comparison of aconite under different cultivation conditions of Aconitum carmichaelii Debeaux

3 討論與結論

3.1 不同附子種植模式對土壤pH與肥力狀況的影響

土壤中有機質、礦質元素的分解和利用以及微生物的活動都與土壤酸堿度有關。目前關于水旱輪作對土壤pH值影響的報道結果不一致，有研究指出水旱輪作降低了土壤pH值[18]，而熊永明等[19]研究則表明水旱輪作下土壤pH值有所提高。其結果間的差異可能與土壤類型、施肥等的差異有關。本研究發現附子/水稻種植模式下土壤pH值要顯著高于附子/旱地作物模式，表明附子/水稻模式可以有效緩解土壤酸化。前人研究表明，土壤pH值的降低會抑制作物的生長發育[20]，張歡強等[2]指出土壤pH值降低會影響附子的正常生長，是附子連作的重要限制因子。因此，附子/水稻模式提高了土壤pH值，對土壤酸化的緩解，可能是其緩解附子連作障礙的重要原因。另外，張重義[21]、周潔等[22]提出中藥材生長過程中產生的生物堿、酚酸類等有害化感物質，釋放到土壤中，會對作物產生化感抑制作用，是中藥材連作障礙的主要成因。并且，隨著中藥材種植年限的增加，大量有害化感物質積累，毒害作用加大。馬云華[23]、鞠會艷等[24]研究表明，作物連作其根系分泌的化感物質長期積累，會影響根際土壤的pH值，造成土壤酸堿度失去平衡，而土壤酸堿度失衡會進一步影響土壤中化感物質等有機質的分解和利用，形成惡性循環。因此推測，附子/水稻模式在水旱轉換過程中，土壤pH值的提高緩解了土壤酸堿失衡，可能對降低有毒物質的積累有一定的促進作用。但附子/水稻模式對附子有害化感物質的產生和積累抑制效應及其機理還有待進一步研究。

目前關于水旱輪作等不同耕作制度對土壤性狀的影響研究較多。王子芳等[18]在研究小麥-水稻/油菜-水稻年內水旱輪作對土壤肥力的影響發現，油菜-水稻、小麥-水稻不同輪作模式均可以增加土壤有機質、全氮等的含量，認為水旱輪作有利于改善土壤物理性狀，提高土壤肥力。黃國勤等[25]通過對水稻與黑麥草、紫云英等不同作物實行水旱輪作的研究發現，水稻與不同作物輪作均不同程度提高了土壤有機質、有效氮、有效磷、有效鉀的含量，表明水旱輪作對土壤理化性狀有積極的改善作用。本研究發現，附子/水稻模式下土壤有機質、全氮、有效氮、有效鉀等的含量均顯著高于附子/旱地作物模式?？赡苁且驗楦阶?水稻模式形成年內水旱輪作，較附子/旱地作物模式，改善了土壤生態環境，有助于土壤微生物對土壤中養分的分解和利用，進而促進和提高土壤養分的有效性。因此，附子/水稻模式較附子/旱地作物模式更有利于提高土壤肥力。

3.2 不同附子種植模式對土壤微生物群落結構的影響

土壤微生物群落是土壤的重要活體成分，其數量是土壤質量和土壤生態系統修復的一個重要指標，易受人類活動、土壤類型、肥力、pH值、水分等的影響。蘇婷[26]、陳曉娟等[27]的研究表明，水旱輪作相對于旱地種植模式，能夠增加土壤總PLFA含量、細菌、真菌、放線菌等的含量，降低G-與G+PLFA含量的比值，這些結論與本研究結果較為一致。本研究表明附子/水稻模式下，根際土壤微生物總PLFA含量及微生物各菌群如細菌、放線菌、原生動物PLFA含量均顯著高于傳統的附子/旱地作物模式。特定PLFA生物標記代表特定的微生物種群，其含量在一定程度上可反映該微生物種群的數量[28]，PLFA總量高代表微生物種類多，數量大。因此，附子/水稻模式下，土壤微生物群落結構更豐富，數量更多。真菌PLFA含量在附子兩種種植模式下變化不大，而附子/水稻模式下細菌與真菌的PLFA含量比值顯著高于附子/旱地作物模式，可能是由于附子/水稻模式改善了土壤的通氣性，有利于氨化細菌、硝化細菌等細菌數量的增加[29]，而根際土壤中細菌等的生長以及土壤肥力的提高，對真菌的生長具有一定的抑制作用[30]，導致土壤中細菌與真菌的比例結構發生改變。孟品品[31]、馬云華等[32]研究表明土壤微生物群落結構、數量的改變是導致作物產量變化的重要原因。張新慧等[33]研究不同植齡啤酒花根際微生物區系的變化與啤酒花產量的關系表明，土壤微生物多樣性低的啤酒花品種其產量也低。段紅平等[34]亦發現水稻根際土壤中微生物越豐富，水稻產量越高。綜上所述，可推斷附子/水稻模式通過實現年內水旱輪作改善土壤微生物數量與群落結構，可能是該模式提高附子產量、有效緩解附子連作障礙的又一重要因素。

本研究通過比較江油道地產區附子不同種植模式下土壤性狀、土壤微生物群落結構及附子產量，發現相較于傳統的附子/旱地作物模式，附子/水稻模式顯著提高了土壤pH值以及土壤有機質、全氮、有效氮、有效鉀的含量；附子/水稻模式下附子根際土壤微生物PLFA總量、細菌、原生動物、放線菌、G+與G-PLFA含量以及細菌與真菌PLFA含量的比值均顯著高于附子/旱地作物模式；附子/水稻模式顯著增加了單株附子產量，提高了附子畝產量。結果表明，附子/水稻模式能在一定程度上緩解土壤酸化、提高土壤肥力、增加附子根際土壤微生物數量、改善微生物群落結構；這些因素可能是該模式提高附子產量、有效緩解附子連作障礙的重要原因。