2019, Vol. 36
2. 云南农业大学西南中药材种质创新与利用国家地方联合工程研究中心, 昆明 650201;
3. 米易县湾丘彝族乡农业综合服务中心, 四川 攀枝花 617000
2. Local Joint Engineering Research Center on Gemplasm Utilization & Innovation of Chinese Medicinal Materials in Southwest China, Yunnan Agricultural University, Kunming 650201, China;
3. Agricultural Integrated Service Center of Wanqiu Yi Town, Miyi County, Panzhihua 617000, China
三七[Panax notoginseng（Burk）F.H. Chen]是五加科（Araliaceae）人参属（Panax L.）多年生草本植物，根、根茎、花和叶均可入药，具有消肿定痛、散瘀止血的疗效，主要用于治疗心脑血管疾病、血液系统疾病和中枢神经系统疾病[1]。三七是我国人工栽培较早的传统名贵中药材，云南是三七的道地产区，其种植面积和产量均占全国98%以上[2]。栽培技术是保障栽培药材产量和品质的核心要素之一，而施肥是栽培技术的关键环节[3-4]。
施肥调查显示，部分农户施肥量严重超过三七生长养分需求，且存在过于偏施钾肥的现象[5]。当前对三七的施肥研究更多关注单因素（氮、磷或钾）营养的影响[6-9]，对于氮磷钾三因素综合肥效方面的研究较少[10]。然而，肥料投入中的营养元素间存在明显的互作效应，即氮磷钾肥料三要素在各自发挥作用的同时，两两之间还通过互作效应，促进或者拮抗养分的肥效，相关研究已在党参[11]、黄芪[12]、灯盏花[13]等药材上开展。此外，施肥会影响三七产量和有效成分含量，而前期报道缺乏综合产量和品质等方面（如单位面积总皂苷产量）的研究，这对当前大部分用作有效成分提取的三七而言，难以提供有效的种植指导。因此，明确氮磷钾营养对三七产量和品质的影响及互作效应，开展基于有效成分产量最大化的三七施肥研究，对指导当前三七种植有重要意义。
“3414”肥料效应试验方案是农业部《测土配方施肥技术规范（试行）修订稿》中推荐采用的方案设计，既有回归最优设计处理少、效率高的优点，又符合肥料试验和施肥决策的专业要求，可运用肥料效应函数法、土壤养分丰缺指标法、养分平衡法等进行施肥量的推荐，依据土壤供肥能力、作物需肥规律和肥料效应，合理确定氮磷钾的施用量[14]。本研究通过“3414”肥效试验，将肥料三因素、产量、品质相互结合起来，同时还基于单位面积有效成分产量最大化分析了最优的施肥量，以期为生产出产量高、品质好的三七提供科学依据，为三七栽培施肥理论与实践提供数据支撑，推进三七产业的健康持续发展。
1 材料与方法 1.1 试验地概述连续两年大田试验在云南省文山州砚山县盘龙乡苗乡三七科技园（23°53″ N，104°32″ E）进行，海拔1500 m，地属低纬北亚热带高原季风气候，立体气候明显。年平均气温16.1℃，年降雨量1008 mm，全年无霜期250~320 d，四季不明显，干湿分明，具有春暖秋凉、夏无酷暑、冬无严寒、四季温和的特点。土质为疏松肥沃的沙壤土，pH 6.70，有机质11.09 g·kg-1，碱解氮124.05 mg ·kg-1，速效磷74.85 mg ·kg-1，速效钾261.01 mg·kg-1。
1.2 试验设计试验为两年连续试验，第1年为二年生三七（简称二年七），经过1年生长到第2年即为三年生三七（简称三年七），小区试验采用“3414”随机区组设计，即氮、磷、钾3个因素，4个施肥水平，共14个处理，每个处理设3次重复，小区面积1.8 m2（1.5 m×1.2 m）。二年七基础施肥水平为N 225 kg·hm-2，P2O5 225 kg·hm-2，K2O 450 kg·hm-2，三七基础施肥水平为N 270 kg·hm-2，P2O5 225 kg·hm-2，K2O 540 kg·hm-2。4个水平的施肥量如表 1所示。
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表 1 三七“3414”肥效试验N、P、K因素水平 Table 1 The levels of N, P and K factors in the "3414" fertilizer efficiency of Panax notoginseng |
试验用氮肥为尿素（含纯N>46%），磷肥为普钙（含P2O5>14%），钾肥为硫酸钾（含K2O>50%）。氮、钾肥分于2014年4月8日（30%）、6月18日（35%）、8月22日（35%）三次施入，磷肥在2014年4月8日一次性全部施入土壤；施肥方式为表土撒施，将肥料与细土混匀后撒施，并扫尽叶面上残留肥料和土粒。三七在两年的生长过程中均不留花苔，其他田间管理（浇水、除草、病虫害防治等）与当地生产管理相同。
1.3 样品采集与分析三七开花期（8月）在田间原位测定三七茎粗、株高、中叶长和中叶宽。12月三七采收时，在田间原位测定存苗率，采收后测定单株产量、小区产量及5种皂苷（三七皂苷R1、人参皂苷Rg1、人参皂苷Rb1、人参皂苷Rd、人参皂苷Re）的含量并计算总皂苷含量和单位面积总皂苷产量。参照《中国药典》2015版所规定的方法[1]，用HPLC测定三七块根中5种主要皂苷的含量。单株产量是指平均每株三七地下部药用根的干质量（g·株-1），产量是指单位面积三七根茎的干质量（kg·hm-2）。
1.4 数据统计与分析采用Excel 2010对数据进行统计和分析；采用SPSS 18.0进行处理间差异显著性检验（α=0.05），并进行单因素方差分析和回归分析。采用一元二次和三元二次方程对产量进行拟合，分析确定三七最佳产量和有效成分产量下的氮磷钾施用量。
1.5 计算方法空白区相对产量= N0P0K0产量÷N2P2K2产量×100%
缺氮的相对产量＝N0P2K2产量÷N2P2K2产量×100%
缺磷的相对产量＝N2P0K2产量÷N2P2K2产量×100%
缺钾的相对产量＝N2P2K0产量÷N2P2K2产量×100%
缺氮区相对增产量=（N2P2K2产量-N0P2K2产量）÷ N0P2K2产量×100%
缺磷区相对增产量=（N2P2K2产量-N2P0K2产量）÷ N2P0K2产量×100%
缺钾区相对增产量=（N2P2K2产量-N2P2K0产量）÷ N2P2K0产量×100%
空白区相对增产量=（N2P2K2产量-N0P0K0产量）÷ N0P0K0产量×100%
施肥依存度（%）=100%-相对产量（%）
全肥区的施肥依存度（%）=100%-空白区相对产量（%）
总皂苷产量=总皂苷含量×产量
皂苷含量=（HPLC读数÷进样量）×定容体积÷称样量
总皂苷含量=皂苷R1+皂苷Rg1+皂苷Rb1+皂苷Rd+皂苷Re
2 结果与分析 2.1 氮磷钾配施对三七农艺性状、产量与品质的影响 2.1.1 不同施肥处理对三年七植株农艺性状的影响从表 2可以看出，与不施肥（N0P0K0）相比，施肥总体上提高了三年七株高、叶长、茎粗和单株产量，N2P2K3处理单株产量最高，为14.22 g·株-1。但施肥降低三年七存苗率，除N2P3K2、N2P2K3处理外，其他处理存苗率均低于不施肥处理。
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表 2 不同施肥处理下三年七植株农艺性状、存苗率和单株产量 Table 2 Agronomic properties, survival rate and root weight of the three-year-old Panax notoginseng under the different fertilizer treatments |
当磷、钾肥施用水平为中等水平（P2K2）时，与不施氮肥处理（N0P2K2）相比，施氮分别增加了三年七株高、茎粗、叶长和叶宽，以株高和叶长增幅最为明显。单株产量随施氮量的增加呈增加趋势，在N2水平时达到最高单株产量13.62 g·株-1。施氮较不施氮平均增加了3.32 g·株-1，平均增长率为25.66%。施氮能增加单株产量，但是降低存苗率，这可能与施氮加重病害有关。当氮、钾肥施用水平为中等水平（N2K2）时，与不施磷肥（N2P0K2）相比，施磷能够增加株高、叶宽。单株产量随施磷量的增加呈增加趋势，到P2水平最高，之后增加磷肥施用量单株产量逐渐降低，而施磷对存苗率影响不明显。当氮、磷肥施用水平为中等水平（N2P2）时，与不施钾肥（N2P2K0）相比，施钾肥能增加株高、茎粗、叶长和叶宽。三年七单株产量随施钾量的增加而增加，存苗率的变化不明显，在K3水平时单株产量与存苗率均最高。
2.1.2 不同施肥处理下三七产量和品质由表 3和表 4数据计算得到，无肥区二年七的相对产量和相对总皂苷产量为100.28%、105.52%，三年七为55.20%、53.64%。二年七的缺氮、磷、钾区的相对产量分别为95.14%、95.71%、87.85%，相对总皂苷产量分别为96.19%、83.01%、103.15%。三年七的缺氮、磷、钾区的相对产量分别为71.84%、101.77%、115.44%，相对总皂苷产量分别为68.67%、106.43%、114.49%，均表现为空白区产量<缺氮区产量<缺磷区产量<缺钾区产量。表明该试验地二年七时土壤肥力较高，尤其是碱解氮和速效钾含量相对较高，三年七时试验地速效磷、速效钾均较高，而碱解氮含量较低。二年七对钾的依赖性相对较氮磷肥强，而三年七对氮的依赖性最强，施肥依存度为28.16%，对磷和钾的依存度较弱；氮磷钾配施时，施肥依存度为45.79%。说明氮肥对三七产量起着重要作用，磷和钾对三七产量的影响不大，当氮磷钾配合施用时，效果最好。
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表 3 二年七产量、皂苷含量和总皂苷产量（平均值±标准差，n=3） Table 3 Yield, saponin contents and output of the two-year-old Panax notoginseng(Mean±SD, n=3) |
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表 4 三年七产量、总皂苷含量和总皂苷产量（平均值±标准差，n=3） Table 4 Yield, saponin contents and output of the three-year-old Panax notoginseng(Mean±SD, n=3) |
由表 4可知，三年七产量水平最低为N0P0K0、最高为N1P1K2，三年七总皂苷产量水平最低为N0P0K0、最高为N1P2K1。产量和总皂苷产量排前三的处理为N1P1K2、N1P2K1、N2P2K0，产量分别比空白区N0P0K0增加了121.67%、119.25%和109.11%，总皂苷产量较空白区增加了118.44%、130.39%、113.45%。
施氮能够显著增加二年七和三年七的产量，从总皂苷产量来看，施氮能显著提高三七总皂苷产量，在低氮水平时可获得最高总皂苷产量；同时施氮利于三年七总皂苷含量的积累；磷肥明显增加二年七产量、总皂苷含量和总皂苷产量，但对三年七产量、总皂苷含量和总皂苷产量影响较弱。施钾显著增加二年七产量，但对三年七产量影响不明显；钾素对三年七产量、总皂苷含量和总皂苷产量的影响较弱，不施钾肥处理的三项指标均高于施钾处理，这可能是由三七品种、土壤肥力及其他环境因素导致的。
2.2 氮磷钾肥的互作效应 2.2.1 磷钾肥施用对氮肥效果的影响氮磷钾肥三者分别在三七生长中发挥着各自的作用，同时，氮磷钾肥效的发挥还受三者彼此间互作的影响。从图 1可看出，当钾肥施用量在K2水平时，二年七和三年七产量在低氮和中氮处理均表现为随施磷量的增加而降低，二年七分别减产248.97、319.30 kg·hm-2，减产率为10.84%、15.86%，三年七分别减产548.73、219.60 kg ·hm-2，减产率为14.14%、6.48%。二年七总皂苷含量在低氮水平时随施磷量的增加而减少，中氮水平时随施磷量的增加而增加，增长率为10.33%；三年七总皂苷含量在低氮和中氮处理随施磷量的增加而增加，增长率为1.15%、1.20%。
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图 1 不同磷钾肥用量对氮肥效果的影响 Figure 1 Effect of phosphorus and potassium fertilizer on nitrogen efficiency |
当磷肥施用量在P2水平时，随施钾量的增加，二年七和三年七产量在低氮和中氮处理均表现为随施钾量的增加而降低，二年七减产431.41、338.92 kg·hm-2，减产率为17.41%、16.67%，三年七产量减少506.38、257.41 kg·hm-2，减产率为13.19%、7.51%。二年七、三年七总皂苷含量在低氮水平时随施钾量的增加而减少，减产率为12.91%、5.17%；中氮水平时随施钾量的增加而增加，增长率为4.49%、8.43%。由此可见，在中磷、中钾水平时的产量低于其他施肥水平，各处理间总皂苷含量差别不大，这说明低磷、中钾水平利于氮肥效果的发挥。
2.2.2 氮钾肥施用对磷肥效果的影响如图 2所示，当钾为K2水平时，低磷和中磷处理的二年七、三年七产量随施氮量的增加而减少，二年七产量减少283.14、353.54 kg ·hm-2，减产率为12.33%、17.27%，三年七产量分别减少490.01、160.88 kg·hm-2，减产率为10.67%、4.83%。二年七总皂苷含量在低磷水平下随施氮量的增加而减少8.72%，在中磷水平下随施氮量的增加而增加1.88%；三年七总皂苷含量在低、中磷水平下均随施氮量的增加而增加，总皂苷含量分别增加0.42%、0.43%，增长率为3.24%、3.29%。
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图 2 不同氮钾肥用量对磷肥效果的影响 Figure 2 Effect of nitrogen and potassium fertilizer on phosphorus efficiency |
当氮为N2水平时，低磷处理中二年七、三年七产量随施钾量增加而增加，分别增加89.87、164.55 kg· hm-2，增长率为4.67%、5.10%；在中磷水平时，二年七、三年七产量随施钾量增加而减少，分别减产338.94、257.41 kg·hm-2，减产率为16.68%、7.51%。二年七总皂苷含量在低磷水平时随施钾量增加而降低，减产率为4.84%，在中磷水平时则随施钾量的增加而增加，增长率为4.42%；三年七总皂苷含量随施钾量的增加而增加，增长率为4.70%、11.75%。
因此，氮钾肥施用对磷肥的增产增质效应不明显，中氮、中钾水平时，产量和总皂苷含量均未达到最大，反而产量最低，在低氮、中钾水平时，低磷处理的产量最高，而对总皂苷含量的影响不明显，说明低氮、中钾水平利于磷肥效果的发挥。
2.2.3 氮磷肥施用对钾肥效果的影响如图 3所示，磷肥为P2水平时，低钾、中钾水平处理的二年七、三年七产量随施氮量的增加而减少。二年七产量分别减少446.03、353.54 kg·hm-2，减产率为17.99%、17.27%，三年七产量分别减少409.85、160.88 kg·hm-2，减产率为10.68%、4.83%。二年七、三年七总皂苷含量在低磷水平下随施氮量的增加而降低，减产率为15.03%、9.67%，二、三年七在中钾水平下随施氮量增加而增加。
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图 3 不同氮磷肥用量对钾肥效果的影响 Figure 3 Effect of nitrogen and phosphorus fertilizer on potassium efficiency |
氮肥为N2水平时，二年七、三年七产量在低钾水平时随施磷量的增加分别增加109.42、202.36 kg· hm-2，增长率为5.69%、6.27%；在中钾水平时随施磷量的增加而减少，分别减少319.37、219.60 kg·hm-2，减产率为15.86%、6.48%。二年七总皂苷含量在低钾、中钾水平时均随磷肥施入量的增加而增加；三年七总皂苷含量则是在低钾水平上随施磷量的增加而降低，中钾水平反之。低钾、中钾水平处理的二年七、三年七产量和总皂苷含量的变化不明显，在低氮、中磷、低钾水平下三七的产量和总皂苷含量均为最高，说明低氮、中磷水平有利于钾肥效果的发挥。
2.3 三因素肥料与三七产量、品质的综合函数拟合以三七的产量和总皂苷产量作为因变量，氮、磷、钾施肥量作为自变量进行三元二次回归分析，结果如表 5所示。二年七试验数据结果分析显示，当N 88.61 kg ·hm-2、P2O5 227.56 kg ·hm-2、K2O 191.43 kg · hm-2时，可得到最高三七产量2 341.71 kg·hm-2；当N 312.57 kg·hm-2、P2O5 96.94 kg·hm-2、K2O 748.50 kg·hm-2时，可得到最高总皂苷产量100.89 kg·hm-2。
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表 5 肥料效应函数的拟合结果 Table 5 The fitting result of effect function of fertilizer |
三年七试验数据结果显示，当N 364.33 kg·hm-2、P2O5 373.07 kg·hm-2、K2O 749.10 kg·hm-2时，可得到最高三七产量3 625.83 kg·hm-2；当N 348.69 kg·hm-2、P2O5 357.98 kg·hm-2、K2O 791.44 kg·hm-2时，可得到最高总皂苷产量474.68 kg·hm-2。
根据三年七产量、总皂苷产量的三元二次回归方程，且按照二年七施氮和钾肥用量占45%、三年七占55%、磷肥二年七和三年七各占50%计算，建议在与本试验环境（土壤、气候等）相似条件下，合理的二年七施肥量为N 157~164 kg ·hm-2、P2O5 179~187 kg · hm-2、K2O 337~356 kg·hm-2，三年七施肥量为N 192~ 200 kg·hm-2、P2O5 179~187 kg·hm-2、K2O 412~435 kg· hm-2。
3 讨论本研究采用农业部推荐的“3414”肥料效应试验，试验设计的独特优势是试验结果既可以用二元或一元二次肥料效应函数拟合，还可以用三元二次肥料效应函数拟合，符合肥料试验和施肥决策的专业要求[15]。试验结果显示，施肥影响三七的植株农艺性状，施肥总体上能够提高三七株高、叶长和茎粗，这与前人的研究结果[4]一致。
肥料种类对三七相对产量的影响表现为空白区 < 缺氮区 < 缺磷区 < 缺钾区。试验中全肥区（N2P2K2）三七产量相对较低，这可能是试验设置的基础水平过高引起的。试验区三七从二年生到三年生时，土壤肥力由高碱解氮、高速效磷、中速效钾含量变化为低碱解氮、高速效磷、高速效钾含量，三年七对氮的依赖性最强，对磷和钾的依存度较弱，而氮磷钾三者配合施用，产量效果达最佳。崔秀明等[16]的研究显示，氮磷钾三因素中，三七吸收养分最多的是钾素，其次为氮和磷，本试验结果与此结论不一致，可能是由试验地土壤肥力状况不同或三七品种差异造成的。因此，在不同地力条件下开展更多的试验来进一步考证是非常有必要的。
植物次生代谢产物是许多中药材的主要药效成分，是保持药材质量及其有效性的基础。碳素/营养平衡假说指出，在植物体内以C为基础的次生代谢物质（如酚类、萜烯类以及其他一些仅以C、H、O为主要结构的化合物），随植物体内C/N（碳素/营养）增加而增加[17]。有研究指出，开花的灯盏花植株中黄酮含量随施氮量的增加而下降[17]。另外，研究显示，在一定的钾素施用范围内，短亭飞蓬单株生物量、总咖啡酸酯和灯盏乙素产量随施钾量增加而增加，而植株总咖啡酸酯和灯盏乙素的含量则呈先升高后降低的趋势；植株中N含量与总咖啡酸酯和灯盏乙素的含量呈线性负相关关系，这与碳素/营养平衡假说相呼应[18]。研究指出，萜类等次生代谢产物与转录因子调控、转录后或翻译水平的调控等有关，但这些研究更多集中在光照、大气、温度等非生物胁迫[19]。养分供应是影响药用植物次生代谢的重要因素[18]，但基于分子层面解析营养供应的影响机制尚缺乏研究，这将成为今后研究中需要重点关注的领域[20]。三七皂苷为萜类化合物，氮磷钾肥对三七皂苷的影响不断被证实，籍此进一步探讨养分供应调控与次生代谢物质的途径对明确养分调控皂苷形成的机理至关重要。
氮磷钾肥三者不仅在三七生长中发挥着各自的作用，同时，氮磷钾肥效的发挥还受三者彼此间互作的影响[21]。本试验针对三七产量和品质探讨了氮磷钾三因素之间的互作效应，低磷、中钾水平利于氮肥效果的发挥，低氮、中钾水平利于磷肥效果的发挥，低氮、中磷水平有利于钾肥效果的发挥。而三七在这方面的研究尚少，且不同地力条件下，可能判定出不同施肥量，因此还需更多的试验进行考证和深入研究。
长期以来，对三七的研究多注重施肥对三七的产量或品质的影响，而产量与品质综合作用的研究较少。本试验将产量与品质结合，在同一试验地连续开展两年试验（二年七、三年七）。试验中，虽根据二年七试验结果推荐了二年七最佳施氮量，但是在实际生产中一般不采收二年七，而主要以采挖三年七为主。前人推荐的施肥量或高[22]或低[23]，与本试验推荐量之间存在的差异可能是试验种植区基础地力条件不同及之前的研究只考虑了产量而忽略了品质引起的。本试验在考虑产量的同时考虑了品质，达到产量和品质的平衡。三七的产量和品质除了受施肥的影响外，还受人工栽培措施、自然环境因素（土壤、气候等）、病虫害、三七品种等其他因素的多重影响，因此在今后还需在这些方面进行更深入的研究和探讨。
4 结论（1）施肥是保障三七较高产量和总皂苷产量的基础，对三七株高、叶长、茎粗和存苗率等农艺性状有较大影响，同时也是保障三七较高产量和总皂苷产量的基础。二年七对钾的依赖性较氮磷肥强，而三年七对氮的依赖性最强；施氮能显著提高三七单位面积总皂苷产量，磷、钾肥对皂苷含量及总皂苷产量的影响不明显。
（2）氮磷钾三者之间有互作效应，低磷、中钾条件利于氮肥肥效发挥，低氮、中钾条件促进磷肥肥效发挥，而低氮、中磷条件利于钾肥肥效发挥。
（3）本实验结合三七的产量和品质，根据三年七产量、品质的三元二次回归方程，且按照二年七施氮和钾肥用量占45%、三年七占55%、磷肥二年七和三年七各占50%，建议在与本试验环境相似条件下，合理的二年七施肥量为N 157~164 kg·hm-2、P2O5 179~ 187 kg·hm-2、K2O 337~356 kg·hm-2，三年七施肥量为N 192~200 kg·hm-2、P2O5 179~187 kg·hm-2、K2O 412~ 435 kg·hm-2。适当控制氮肥和钾肥施用量，增加施磷量，同时将三者进行合理配比，对提高三七总皂苷产量有重要意义。
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