何志貴,應(yīng) 浩,董娟娥,馬小奇,梁宗鎖,3

(1. 西北農(nóng)林科技大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，陜西楊凌 712100；2. 桂林旅游學(xué)院 食品加工與營養(yǎng)健康實驗教學(xué)中心，廣西桂林 541006； 3. 浙江理工大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，杭州 310018)

半夏[Pinelliaternata(Thunb.) Breit.]為天南星科(Araceae)半夏屬多年生草本植物[1]。目前半夏藥材主要來自人工種植，但連作會導(dǎo)致病蟲害加重、產(chǎn)量和品質(zhì)下降[2]。連作障礙在其他很多藥材種植中也存在，如地黃、人參、太子參、當(dāng)歸等，嚴(yán)重制約了中藥產(chǎn)業(yè)和當(dāng)?shù)亟?jīng)濟發(fā)展[3]。研究發(fā)現(xiàn)，引發(fā)連作障礙的原因主要有土壤化感作用、養(yǎng)分失衡、微生物群落改變、有害物質(zhì)積聚及理化性狀惡化等[4-5]。因此，本研究選用連作1 a 地、輪作2 a地和輪作3 a地種植的半夏為研究對象，測定不同時期內(nèi)的半夏生長發(fā)育指標(biāo)及有效成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)，研究不同年限連作條件下及與小麥輪作后半夏生長發(fā)育、產(chǎn)量及有效成分的變化，明確連作對半夏產(chǎn)量和品質(zhì)造成的影響，為生產(chǎn)上減輕半夏連作障礙提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

甘肅省天水市清水縣是半夏藥材主產(chǎn)地。地處東經(jīng)105°45′，北緯34°32′，海拔1 420 m，年均溫4.8 ℃，全年≥0 ℃積溫為2 313～4 001 ℃，≥10 ℃ 積溫為1 678～3 366 ℃。年日照時數(shù)2 076.9 h，無霜期169 d，年均降水量574.3 mm，高寒陰濕，地勢平坦，適宜半夏生長，試驗地土壤為中性或微酸性的沙質(zhì)黑壤土，礦質(zhì)養(yǎng)分豐富。

供試半夏種莖來源于甘肅華亭縣，經(jīng)西北農(nóng)林科技大學(xué)化學(xué)與藥學(xué)院舒志明先生鑒定為天南星科半夏屬植物半夏的塊莖。

1.2 試驗設(shè)計

試驗于2014年10月至2015年8月在清水縣永清鎮(zhèn)泰山廟塬進行，依次選擇連作1 a CCY1(-半夏-半夏)、輪作2 a CRY2(半夏-小麥-小麥-半夏)和輪作3 a CRY3(半夏-小麥-小麥-小麥-半夏)的試驗地，以前茬為連續(xù)種植4 a 小麥的地(小麥-小麥-小麥-小麥-半夏)為對照，小區(qū)面積4 m×1.5 m，重復(fù)3次。播種前施底肥農(nóng)家肥0.95 kg·m-2，復(fù)合肥83 g·m-2。播種量為2.67 kg·m-2，2014-10-16播種。2015-03-26搭建小拱棚，常規(guī)管理，2015-04-24起陸續(xù)出苗，2015-08-15采收，測定產(chǎn)量及品質(zhì)。

1.3 測定指標(biāo)與方法

1.3.1 生長指標(biāo)及產(chǎn)量的測定 葉面積、株高和倒苗率分別在5月15日、5月23日、6月5日、7月5日、7月20日、8月5日進行測定。測定樣品時，選用1 m2的繩框，在每小區(qū)中按對角線分別選取5點[6]，每點測定15株葉面積、株高及倒苗數(shù)，并分別計算1 m2內(nèi)半夏倒苗率。倒苗率=每平方倒苗數(shù)/(每平方的活苗數(shù)+每平方倒苗數(shù))×100%(每平方內(nèi)半夏植株變黃或已枯死的苗數(shù)計為倒苗數(shù))。

8月15日采收后，按小區(qū)采收藥材，測定后折算成每667 m2產(chǎn)量。

1.3.2 半夏塊莖品質(zhì)的測定 隨機選取連作1 a地、輪作2 a地、輪作3 a地和對照地中種植的半夏，去皮曬干、粉碎，重復(fù)3次。

半夏塊莖水分、總灰分、酸不溶性灰分參照中國藥典(2015版)第一部附錄ⅨK第一法進行測定[1]。水溶性浸出物參照中國藥典(2015版)第一部附錄XA浸出物測定法(冷浸法)[1]測定。還原糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用3，5-二硝基水楊酸比色法[7]測定。可溶性糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用蒽酮-濃硫酸比色法[7]測定?？偵飰A采用酸性染料比色法[8]測定。琥珀酸的測定參照《中國藥典》2015年版附錄ⅧA)，用鹽酸滴定液(0.1 mol/L)滴定，并將滴定的結(jié)果用空白試驗校正，測定琥珀酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)，每1 mL氫氧化鈉滴定液(0.1 mol·L-1)相當(dāng)于5.904 mg的琥珀酸(C4H6O4)[1]。鳥苷質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用液相色譜法測定[2,8]。

1.3.3 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計方法 采用SPSS 19.0軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，采用Duncan’s法進行各處理間顯著性差異分析(P≤0.05)，采用Excel 2010進行整理作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同年限連作和輪作對半夏株高的影響

圖1表明，半夏生長過程中株高的增長隨著不同種植處理呈現(xiàn)不同的生長趨勢。連作1 a地中半夏株高長至6月15日開始呈下降趨勢，且長勢緩慢。由于半夏生長至6月15日后受病害影響，出現(xiàn)死苗現(xiàn)象，后期塊莖又重新發(fā)芽，但仍然處于不生長狀態(tài)，差異極為顯著，與對照相比降低70.65%。2 a輪作地半夏在6月15日后基本停止生長，與對照相比降低49.26%，其后各生長時段株高基本一致；輪作3 a地半夏株高隨著生長期的延長而增高，與對照相比長勢趨于一致。至采摘期8月5日最后所測株高綜合顯示，連作1 a<輪作2 a<輪作3 a。

2.2 不同年限連作和輪作對半夏葉面積的影響

圖2表明，連作1 a半夏葉面積從5月16日至6月15日呈增大趨勢，長勢與輪作2 a基本一致。但在6月15日至8月5日期間呈下降趨勢，8月5日降至最低，與對照相比，減少了62.44%，差異顯著。輪作2 a半夏葉面積在各生長時期表現(xiàn)平穩(wěn)生長態(tài)勢，到8月5日后與對照和輪作3 a相比基本無差異。輪作3 a半夏葉面積在6月中旬達(dá)到最高值，與8月5日連作1 a和輪作2 a所測葉面積相比分別增加了201.58%和17.09%，但是輪作3 a半夏葉面積在整個生長期內(nèi)長勢與對照基本一致。綜合相比，連作1 a<輪作2 a<輪作3 a。

不同小寫字母表示同一時期不同處理差異顯著(P<0.05)，下同 Different lowercase letters in same column indicate significant difference among various treatments in the same period(P<0.05)，the same below

圖1連作與輪作對半夏株高的影響
Fig.1EffectsofcontinuouscroppingandcroprotationonplantheightofPinelliaternata

圖2 連作與輪作對半夏葉面積的影響Fig.2 Effects of continuous cropping and crop rotation on leaf area of Pinellia ternata

2.3 不同年限輪作和連作對半夏倒苗率的影響

圖3顯示，連作1 a地中半夏倒苗率非常嚴(yán)重，整個生長周期逐月遞增，在7月20日之后倒苗率達(dá)到87.97%，與對照和輪作3 a地中半夏倒苗率呈顯著差異。輪作2 a半夏倒苗率在6月15日開始增加，后期呈穩(wěn)定趨勢，8月5日所測數(shù)據(jù)顯示，輪作2 a半夏倒苗率與對照相比增加69.67%，有一半以上倒苗發(fā)生。輪作3 a在整個生長周期長勢較好，倒苗率較低，只有13.88%，與對照相近。

圖3 連作與輪作對半夏倒苗的影響Fig.3 Effects of continuous cropping and crop rotation on seedling laying rate of Pinellia ternata

2.4 不同年限連作和輪作對半夏塊莖產(chǎn)量的影響

圖4顯示，隨著半夏與小麥輪作年限延長，產(chǎn)量逐年增加，輪作3 a>輪作2 a>連作1 a。輪作3 a半夏產(chǎn)量與連作1 a相比提高509.36%，與輪作2 a相比提高91.779%。連作1 a半夏與對照相比減產(chǎn)86.72%，差異顯著，基本絕收。說明輪作小麥3 a以上半夏土壤有利于其自身的生長，對連作土壤有一定的改善。

圖4 連作和輪作小麥對半夏塊莖產(chǎn)量的影響Fig.4 Effects of continuous cropping and crop rotation on yield of Pinellia ternata tubers

2.5 連作和輪作對半夏塊莖水分、總灰分、酸不溶性灰分和浸出物的影響

對半夏連作地進行小麥2 a和3 a小麥倒茬修復(fù)后，再種植半夏。經(jīng)過一輪生長周期后，測定連作1 a和輪作2 a、輪作3 a半夏塊莖有效成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)。如表1所示，除總灰分連作1 a、輪作2 a、輪作3 a處理與對照之間無顯著差異外，其他3個指標(biāo)均與對照存在顯著差異。特別是浸出物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，連作1 a、輪作2 a和輪作3 a分別比對照降低 21.71%、14.99%和1.75%。經(jīng)輪作3 a 修復(fù)后，半夏浸出物質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高，達(dá)到18.083 7%，與對照相比無明顯差異，并超過了國家藥典標(biāo)準(zhǔn)。

2.6 連作和輪作對半夏塊莖中可溶性糖、還原糖、琥珀酸、生物堿和鳥苷質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

表2結(jié)果表明，連作1 a地中的半夏塊莖可溶性糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)與輪作2 a、輪作3 a及對照相比，分別下降51.09%、66.13%和66.63%，差異顯著。其中，輪作小麥3 a后，半夏塊莖中可溶性糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)快速積累，接近對照。連作1 a半夏中的還原糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)與對照相比降低23.81%，但輪作2 a和輪作3 a及對照相比差異不明顯。琥珀酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)各處理表現(xiàn)為：連作1 a半夏與輪作2 a、輪作3 a及對照相比分別降低12.95%、25.30%和26.77%。輪作2 a、輪作3 a中的琥珀酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本接近對照，差異性不明顯。在生物堿活性成分上，與對照相比，連作1 a和輪作2 a降幅比較明顯，分別降低17.13%和7.73%，輪作3 a與對照相比無明顯差異。連作半夏在鳥苷活性成分上，通過所測數(shù)據(jù)顯示，連作、輪作和對照無差異，基本不受連作影響。

連作條件下半夏各有效成分與對照相比，降低最大的是可溶性糖，然后依次是琥珀酸、還原糖、生物堿和鳥苷。輪作小麥3 a后半夏有效成分最接近對照的依次是生物堿、鳥苷、琥珀酸、還原糖和可溶性糖。

表1 連作和輪作對半夏塊莖質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的影響Table 1 Effects of continuous cropping and crop rotation on quality of Pinellia ternata tuber %

注：同列不同小寫字母表示同一時期不同處理差異顯著(P<0.05)。下同。

Note:Different lowercase letters in same column indicate significant difference among different treatments in the same period(P<0.05). The same below.

表2 連作和輪作對半夏塊莖有效成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響Table 2 Effects of continuous cropping and crop rotation on mass fraction of active ingredients in Pinellia ternata tuber %

3 討 論

在連作條件下的土壤生態(tài)環(huán)境對植物生長影響很大，植物根系與土壤和微生物之間會產(chǎn)生互作關(guān)系，引起一系列生理生化反應(yīng)。各營養(yǎng)元素間的拮抗作用影響到植物對某些元素的吸收，容易出現(xiàn)缺素癥狀，最終使生育受阻，產(chǎn)量和品質(zhì)下降[9]。試驗表明，連作半夏隨著與小麥輪作時間的延長，其株高和葉面積均逐漸增加，倒苗率逐漸降低；這與筆者課題組前期研究結(jié)果一致[2,10]。劉偉等[6]在研究不同年限連作對丹參生長的影響時也發(fā)現(xiàn)，丹參連作種植后的幼苗生長長勢逐漸減弱，出現(xiàn)嚴(yán)重病害，表現(xiàn)出與半夏藥材相似的連作障礙效應(yīng)。

連作半夏在5月中下旬開始倒苗，比輪作2 a的提前近1個月，這可能與連作地微生物群落發(fā)生變化[11]、養(yǎng)分失衡[12]及根際分泌有害物質(zhì)[13]有關(guān)，也因此破壞了根際土壤的生態(tài)平衡。筆者推測，輪作3 a半夏地中，土壤微生態(tài)環(huán)境可能得到了修復(fù)，因此半夏在各時段內(nèi)的株高、葉面積和倒苗率等各項生長指標(biāo)均顯著優(yōu)于連作1 a地和輪作2 a地，半夏地上部分植株健壯，病害較輕。

半夏植株生長指標(biāo)直接影響地下塊莖產(chǎn)量，這是因為地上部分長勢與地下塊莖發(fā)育繁殖有著直接的相關(guān)性[14]。連作地半夏倒苗期提前，病蟲害嚴(yán)重，6月中旬已開始大面積死苗，從而導(dǎo)致半夏株高降低、塊莖腐爛率升高，這與沈?qū)氃频萚15]在研究馬鈴薯連作生長中所表現(xiàn)出的連作障礙效應(yīng)相似[15]。通過與小麥輪作3 a，土壤中病害較連作1 a輕，植株抵抗力也變強，因而半夏產(chǎn)量接近對照。而連作時半夏繁殖系數(shù)極低，產(chǎn)量僅有播種量的1/3，這與梅艷等[14]的研究結(jié)果一致。

連作時半夏塊莖中可溶性糖、還原糖和生物堿質(zhì)量分?jǐn)?shù)均低于輪作3 a和對照，琥珀酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于國家標(biāo)準(zhǔn)。這說明植物殘體與病原物的代謝產(chǎn)物對植物有致毒作用，并連同植物根系分泌的自毒物質(zhì)一起影響植株代謝，在一定程度上抑制了有效成分的合成與積累，這與馮業(yè)強等[16]對太子參連作障礙效應(yīng)的研究結(jié)果中連作與輪作時糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)無顯著差異的結(jié)果不大一致；雖然輪作2 a處理下半夏塊莖中糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)、有機酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)與對照無明顯差異，但生物堿及水溶性浸出物質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著低于對照，這充分反映半夏連作障礙效應(yīng)是導(dǎo)致半夏塊莖品質(zhì)降低及病蟲害升高的主要原因。

綜上，研究表明半夏在連作的環(huán)境中，幼苗生長受到阻礙，死苗、倒苗大面積蔓延，產(chǎn)量和品質(zhì)急劇下降，經(jīng)輪作3 a后，半夏在整個生長周期內(nèi)各生長指標(biāo)、有效成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)與對照接近，說明適當(dāng)時間進行倒茬輪作有利于緩解半夏的連作障礙。因此，深入研究半夏連作障礙的效應(yīng)，探索消減連作障礙的生態(tài)調(diào)控措施，構(gòu)建“半夏-土壤-環(huán)境”的生態(tài)系統(tǒng)，是緩解半夏連作障礙的有力途徑。