佛手（Citrus medica L. var. sarcodactylis Swingle）为芸香科柑橘属常绿小乔木,具有疏肝理气、和胃止痛、燥湿化痰[1]的功效,研究表明其可用于缓解胃痛、胸胁痛和呕吐等消化系统症状和治疗肝炎[2]。佛手因其具有理气作用而被核准列入抗肿瘤中药[3]。佛手因产地不同名称也有差异,产于广东和广西的佛手称为“广佛手”,产于福建称“闵佛手”,产于浙江金华称“金佛手”,产于四川等地称“川佛手”[2]。广佛手在广东各地栽种,具有生长快、果型大、产量高的特点,且肇庆佛手又被视为道地药材。佛手属于药食两用的药材,果实中含有橙皮苷[4]等黄酮类成分,具有维持渗透压、增强毛细血管韧性、缩短出血时间、降低胆固醇等作用[5,6,7];除药用外,可被加工成佛手糖、果脯蜜饯、佛手酒、解酒茶、戒烟糖等保健食品,其提取物还可被开发为洗护产品[2]。
土壤的理化性质以及土壤中所含的各种化学元素种类和比例对药用植物的生长发育及药用活性成分的形成和积累都有一定作用[8]。根际土壤有效态元素是植物生长需求的主要来源[9,10,11],通过改良种植模式,可以改善土壤肥力,并产生积极的效应[12,13]。近年来关于柑橘属植物土壤有效态元素方面的研究大多数集中在单个元素指标的分析及地区变异方面[14,15,16],对理化性质综合评价研究较少。广佛手作为我国传统名贵南药,在扦插后1~2年内通常不能挂果,为实现对土地资源的合理利用,降低田间管理成本,会套种岭南道地药材广藿香、广金钱草、穿心莲。广藿香和穿心莲都有化感作用,研究表明这些化感物质可以抑制杂草萌发[17,18]、促进植物过氧化物酶和膜脂过氧化产物的活性、增强植物的抗逆性[19];广金钱草匍匐生长,可抑制杂草,减轻病害。本研究主要针对套种该3种药材对广佛手根际土壤理化性质和有效态元素以及产量、经济效益的影响进行探讨,筛选出较好的种植模式,以期为广佛手套种其他药材的选择提供参考和理论依据。
1 材料与方法
1.1 研究区概况
研究区位于广东省罗定市苹塘镇桐油村广佛手种植基地（北纬22°46′,东经111°45′）,处于广佛手的道地产区中。该地为亚热带季风气候,年平均气温22.1 ℃,年均降水量1250 mm,年平均相对湿度80.5%,无霜期345 d,属喀斯特地貌、石灰岩地区。
1.2 材料
2018年1月,在广东省云浮市南岭药业种植基地内布置试验田,试验田有长期种植水稻的历史,按照标准3 m×3 m种植一年生广佛手（经广东药科大学杨全教授鉴定）扦插种苗,种植前施农家肥500 kg/667 m2。2018年5月选择土壤质地相似的4个地块,分别套种唇形科植物广藿香[Pogostemon cablin (Blanco) Benth]、豆科植物广金钱草[Desmodium styracifolium (Osb.) Merr.]、爵床科植物穿心莲[Andrographis paniculata (Burm. f.) Nees],广藿香小区广藿香的株行距为50 cm×50 cm,广金钱草小区广金钱草的株行距为50 cm×50 cm,穿心莲小区株行距为20 cm×50 cm,同时设计广佛手单作小区,用做阳性对照。
1.3 方法
1.3.1 取样方案设计 种植前采用五点取样法采集研究区未种植广佛手前的土壤（0~20 cm）进行检测,于2018年9月广金钱草、穿心莲采收前使用五点取样法采集各小区广佛手根际土壤,采用“抖根法”[20],将根部松散的土壤甩掉,收集根部残余的土壤,除去杂质,将采集土壤混匀,采用四分法取土样约600 g,编号后带回实验室,风干,磨细,过2 mm筛后进行检测,每个点3次重复。
1.3.2 土壤性质测定 对未种植前土壤（CK）、广佛手单作组（FF）、广佛手-广藿香套种组（FH）、广佛手-广金钱草套种组（FJ）、广佛手-穿心莲套种组（FC）中广佛手根际土壤的理化性质和有效态元素进行测定。土壤pH测定采用电位法[21];土壤有机质含量采用重铬酸钾氧化-容量法[22];碱解氮采用碱解扩散法[22];有效磷采用盐酸-氟化铵提取-钼锑抗比色法[22];速效钾采用乙酸铵提取-火焰原子吸收分光光度法[22];交换性钙、交换性镁采用乙酸铵提取-火焰原子吸收分光光度法[22];有效铜、锌、铁、锰采用DTPA提取-火焰原子吸收分光光度法[22],有效硼采用沸水提取-姜黄素比色法[22]。
1.4 数据处理
使用Excel 2013软件对数据进行处理;使用SPSS软件进行方差分析、Duncan新复极差法多重比较;使用Canoco 5.0的PCA主成分分析作图分析土壤理化性质与土壤微量元素的相关性。
2 结果与分析
2.1 不同套种模式下广佛手根际土壤理化性质分析
综上所述,在3种不同套种模式下,广佛手根际土壤有机质、碱解氮的含量均降低,FH组、FJ组有效磷、速效钾含量与FF组相比显著降低,而FC组有效磷、速效钾较FF组均显著增加,说明与穿心莲套种后可以有效地提高广佛手根际土壤中有效磷、速效钾的含量。
2.2 不同套种模式下广佛手根际土壤有效态元素分析
图2B中显示交换性镁含量大小顺序为FF>CK>FH>FC>FJ,FF组交换性镁的含量比CK中的含量增多了2.41%,FH、FC、FJ组较FF组分别低4.56%、13.43%、22.93%,说明套种广藿香、广金钱草和穿心莲后土壤交换性镁含量较广佛手单作低,套种广藿香组下降幅度最小。
图2C展示了不同种植模式下广佛手根际土壤中有效铜的含量,大小顺序为CK>FF>FC> FH>FJ,FC组与FF组有效铜含量无显著差异,FC、FH、FJ组较FF组分别低0.46%、0.69%、22.3%,说明3种套种模式下土壤有效铜的含量均有所降低,其中套种穿心莲组下降幅度最小。
不同套种模式下广佛手根际土壤中有效锌含量如图2D所示,大小顺序为CK>FH>FC>FF>FJ,FH组、FC组比FF组分别高20.31%、1.56%,FJ组比FF组低12.5%,说明套种广藿香、穿心莲后有效锌的含量增加,套种广金钱草后有效锌含量降低。
图2E中显示有效铁含量大小顺序为CK> FH>FC>FF>FJ,FH组、FC组有效铁含量比FF组分别高17.91%、6.46%,FJ组比FF组低15.86%,说明套种广藿香、穿心莲后有效铁含量增加,套种广金钱草后有效铁含量降低。
如图2F所示有效锰含量大小顺序为FH>FJ> FF>FC>CK,FJ组与FF组有效锰含量无显著性差异,FF组有效锰含量比CK组高87.67%,FH组有效锰含量最高,说明套种广藿香和广金钱草显著增加了土壤有效锰的含量,套种穿心莲后广佛手根际土壤有效猛含量降低。
图2G表明有效硼含量大小顺序为CK>FH> FC>FJ>FF,FJ组与FF组有效硼的含量无显著性差异,FH组、FC组有效硼含量比FF组分别高26.67%、20.00%,说明3种套种模式均提高了有效硼含量,套种广藿香、穿心莲后有效硼含量增加最多。
综合分析结果,套种广藿香后广佛手根际土壤的交换性钙、镁、有效铜的含量降低,有效锌、铁、锰、硼的含量增加;套种穿心莲后广佛手根际土壤的交换性钙、镁、有效铜、锰的含量降低,有效锌、铁、硼的含量增加;套种广金钱草后广佛手根际土壤的交换性钙、镁,有效铜、锌、铁的含量降低,有效锰、硼的含量增加。3种套种模式显著影响了广佛手根际土壤的有效态元素结构。
2.3 不同套种模式下广佛手根际土壤有效态元素与土壤基本理化性质的PCA分析
主成分分析技术广泛应用于土壤中的有效态元素与理化性质分析[23]。使用PCA分析不同套种模式下广佛手根际土壤中有效态元素与土壤理化性质的关系,结果如表1和图3所示。表1显示前2个主成分方差的累计贡献。前2个主成分（特征值>1的前2个主成分）可以解释原始数据中总变异的88.805%,PC1、PC2分别占总方差的72.847%和15.958%,前2个主成分表明有机质、碱解氮、有效磷、速效钾、有效铜、有效锌、有效铁的贡献率最高,因此被认为是影响不同套种模式下广佛手生长的特征元素。研究表明土壤有机质是影响微量元素有效性和植物生长的重要因素[24],同时氮、磷、钾是植物生长所需要的大量元素[9],因此在广佛手生长过程中具有较高的贡献率。锌、铁、铜元素与植物光合作用和叶片中某些酶的合成有关[9],因此是影响不同套种模式下广佛手生长的特征元素。
表1 广佛手根际土壤的有效态元素和理化性质的累积贡献Tab. 1 Cumulative contribution of effective elements and physical and chemical properties of rhizosphere soil of C. medica L. var. sarcodactylis Swingle |
| 类别 Items | 主成分 Principal component | |||
|---|---|---|---|---|
| 1 | 2 | |||
| pH | -0.119 | 0.936 | ||
| 有机质Organic matter | 0.957 | 0.023 | ||
| 碱解氮Alkaline nitrogen | 0.987 | 0.074 | ||
| 有效磷Effective phosphorus | 0.942 | 0.135 | ||
| 速效钾Quick-acting potassium | 0.932 | 0.011 | ||
| 交换性钙Exchangeable calcium | 0.757 | 0.574 | ||
| 交换性镁Exchangeable magnesium | 0.691 | 0.459 | ||
| 有效铜Effective copper | 0.991 | 0.093 | ||
| 有效锌Effective zinc | 0.936 | -0.233 | ||
| 有效铁Effective iron | 0.918 | -0.234 | ||
| 有效锰Effective manganese | -0.827 | 0.041 | ||
| 有效硼Effective boron | 0.803 | -0.595 | ||
| 变异系数Coefficient of variation/% | 72.847 | 15.958 | ||
| 累加值Accumulated value/% | 72.847 | 88.805 | ||
图3表明不同套种模式下,广佛手土壤理化性质与有效态元素存在明显的相关性,交换性钙、交换性镁、有效锰与pH呈正相关关系,交换性钙、交换性镁、有效铜、有效铁、有效锌、有效硼与有效磷、碱解氮、速效钾呈正相关。有机质与有效锰呈负相关,与交换性钙、交换性镁、有效铜、有效铁、有效锌、有效硼呈正相关。
2.4 不同套种模式下的产量分析
在不同套种模式下（表2）,广藿香的产量约490 kg/667 m2（干重）,与常规产量相比降低了18%~38.75%;广金钱草的产量约359.31 kg/ 667 m2,与常规产量相比降低了20.15%~25.14%;穿心莲产量约为252.41 kg/667 m2,与常规产量相比降低了15.86%~27.88%;套种药材产量降低是由于与常规种植相比实际种植面积减少。套种组与广佛手单作组相比,套种与常规种植地之间的有效利用率提高了80%~90%。不同套种模式下,根据中药材天地网提供的市场价格（干重）,广藿香、广金钱草和穿心莲的经济效益分别约为6840.40、2993.05、1130.80元。在广佛手种植的第1年中,由于存在较大行间距,仅有支出费用用于田间管理,合理套种广藿香、广金钱草、穿心莲之后,在减少除草工作频率的同时,较广佛手单作组增加了大量的经济效益。
表2 不同套种模式下药材产量及收益Tab. 2 Yield and income of medicinal materials under different intercropping patterns |
| 套种品种 Interplanting variety | 套种面积 Interplanting area/m² | 量产预估（干重） Production forecast (dry weight)/g | 常规产量（干重） Conventional yield (dry weight)/kg | 价格 Price/(yuan·kg-1) | 总收益 Total revenue /yuan |
|---|---|---|---|---|---|
| 广金钱草 D. styracifolium (Osb.) Merr. | 240.12 | 359.31 | 450~480 | 8.33 | 2993.05 |
| 穿心莲 S. paniculate (Burm. f.) Nees | 240.12 | 252.41 | 300~350 | 4.48 | 1130.80 |
| 广藿香 P. cablin (Blanco) Benth. | 240.12 | 490.00 | 600~800 | 13.96 | 6840.40 |
3 结论
广佛手与不同药材进行套种,由于管理模式和植物本身特性的影响,造成了广佛手根际土壤理化性质和有效态元素含量的显著差异。土壤pH、有机质、碱解氮、有效磷、速效钾是土壤的基本理化性质,受到根际分泌物、自然环境[25,26]、土壤微量元素[27]等因素的影响。本研究中土壤pH表现为FF>FJ>CK>FC>FH,土壤有机质含量表现为CK>FF>FH>FC>FJ,土壤碱解氮含量表现为CK>FF>FC>FH>FJ,土壤有效磷、速效钾含量表现为CK>FC>FF>FH>FJ。结果表明广佛手套种广金钱草、广藿香后土壤有效态元素含量减少幅度最大,土壤pH降低;套种穿心莲后土壤pH降低,土壤有效磷、速效钾含量升高,有机质、碱解氮含量降低。可见3种套种植物与广佛手之间存在不同程度的养分竞争,影响了广佛手对此类养分的吸收,其中广藿香、广金钱草与广佛手的竞争更激烈。3种套种模式土壤基本理化性质的改变与植物本身生长特性相契合,广藿香、广金钱草、穿心莲生长过程中根际分泌了大量的有机酸类化合物[28],可能是导致土壤pH降低的因素之一;生长过程中茎叶的生长和光合作用对植物酶的需求[29,30,31],造成了有机质等养分的消耗,广金钱草叶片枝蔓的大量生长是造成土壤有机质等养分较其他组别低的可能因素之一。套种穿心莲后有效磷、速效钾含量升高可能与土壤pH降低加剧了土壤有机质的降阶有关。
土壤有效态元素在植物生长发育过程中起到重要的作用[32,33,34,35],研究表明无机元素可能是决定中药性味或药性的物质基础或关键成分[36]。本研究中广佛手与广藿香套种根际土壤交换性钙、镁、有效铜的含量降低,有效锌、铁、锰、硼的含量增加;套种广金钱草后广佛手根际土壤的交换性钙、镁,有效铜、锌、铁的含量降低,有效锰、硼的含量增加;广佛手与穿心莲套种土壤根际土壤交换性钙、镁、有效铜、锰的含量降低,有效锌、铁、硼的含量增加。广佛手根际土壤微量元素的变化与土壤理化性质和植物生理需求密切相关,由于土壤有机质与交换性钙、镁的含量呈正相关[37,38],广藿香、广金钱草、穿心莲生长过程中消耗了大量的土壤有机质和对光合作用酶的需求可能导致了根际土壤交换性钙、镁、有效铜的含量降低。由于土壤pH在3~9时,土壤有效硼含量与pH呈负相关[39],因此3种套种模式下土壤有效硼的含量升高。由于土壤pH相对较高导致土壤中的游离态锰元素相对减少,因此套种穿心莲后有效锰含量降低,而套种广金钱草后由于土壤pH降低加强了结合态锰的溶解,因此土壤有效锰的含量增加,由于某些植物对土壤有效锰具有较高的富集作用[40],套种广藿香后可能是由于广藿香根际分泌的有机酸类促进了土壤锰元素的解离,因此土壤有效锰含量增加。寒凉药物在生长过程大量吸收锌、铁元素[41],导致套种广金钱草后土壤有效锌、铁的含量降低,同时由于套种广藿香、穿心莲后土壤pH降低,增加了土壤中锌、铁元素的淋溶,导致土壤有效锌、铁的含量升高。
综上所述,广佛手套种广藿香、广金钱草、穿心莲对广佛手根际土壤的影响是多方面的,显著影响了土壤pH和碱解氮、有效磷、速效钾、交换性钙、镁、有效铜、铁、锌、锰、硼的含量,同时提高了广佛手田间的土地利用率和经济效益。广佛手与广藿香套种时,应注意氮、磷、钾肥以及钙、镁、铜等微肥的施加;与广金钱草套种时应注意氮、磷、钾肥以及钙、镁、铜、锌、铁等微肥的补充;与穿心莲套种时,应注意氮肥和钙、镁、铜、锰等微肥的施加。同时3种套种模式下应注意有机质的积累补充和pH的调节,以改善土壤的养分状况。3种套种模式下对广佛手药材质量的影响有待进一步研究。