不同施肥处理对当归土壤养分变化的影响

Effects of different fertilizers on soil nutrient changes in Angelica sinensis

摘要

目的 探明不同施肥处理对当归土壤养分变化的影响，为当归合理施肥和生态种植提供科学依据和重要参考。 方法 在化肥、生物菌肥和有机肥的基础上设置7个不同处理［T₁（磷酸二铵750 kg/hm²）、T₂（生物菌肥2250 kg/hm²）、T₃（生物菌肥2 250 kg/hm²+有机肥6 000 kg/hm²）、T₄（有机肥12 000 kg/hm²）、T₅（有机肥18 000 kg/hm²）、T₆（有机肥24 000 kg/hm²）和T₇（有机肥30 000 kg/hm²）］，以不施肥为对照（CK），收获期测定当归种植后土壤养分（全N、全P、全K、速效N、有效P、速效K、有机质和pH值）的变化。 结果 不同施肥处理对当归种植后土壤养分变化具有显著影响。不施肥CK处理下碱解N、有效P、全K和速效K分别降低66.5%、63.1%、0.85%、12.3%；T₁处理有机质降低17.6%，但不利于N、P和K吸收；T₂处理全N、全K、速效K和有机质分别降低17.3%、4.98%、52.1%、5.29%，但不利于全P和有效P吸收；T₃处理全N、全P、有效P、速效K和有机质分别降低17.5%、11.5%、60.4%、7.16%、14.8%；随着单一有机肥施用量增加（T₄~T₇），整体呈现全N和碱解N降低量减少，而全P、有效P、全K、速效K和有机质显著降低。CK、T₄~T₇处理pH值增加，而T₁~T₃处理降低。 结论 T₃处理（生物菌肥2 250 kg/hm²+有机肥6 000 kg/hm²）最有利于当归对土壤养分的吸收利用，可以在种植栽培中推广应用。

Abstract

Objective To elucidate the effect of different fertilizers on soil nutrients and uptake of Angelica sinensis，and to provide a scientific basis and important reference for rational fertilization and ecological planting of A.sinensis. Method Seven different fertilizers [T₁ (diammonium phosphate 750 kg/hm²)，T₂ (bacterial manure 2 250 kg/hm²),T₃(bacterial manure 2 250 kg/hm²+organic fertilizer 6 000 kg/hm²)，T₄ (organic fertilizer 12 000 kg/ hm2)，T₅ (organic fertilizer 18 000 kg/hm²),T₆(organic fertilizer 24 000 kg/hm²) and T₇ (organic fertilizer 30 000 kg/hm²)] were designed on the basis of chemical fertilizer，bacterial manure and organic fertilizer without fertilization as the control (CK) and the soil nutrients (total N,P and K,alkali-hydro N,available P and K，soil organic matter and pH value) were determined at the harvest stage. Result There were significant effects of different fertilizers on soil nutrient changes of A.sinensis.The alkali-hydro N，available P，total K and available K decreased by 66.5%，63.1%，0.85% and 12.3% respectively under the CK.The soil organic matter decreased by 17.6% while the N，P and K were opposite under T₁ treatment.The total N and K，available K and soil organic matter decreased by 17.3%，4.98%，52.1% and 5.29% respectively while the P was opposite under T₂ treatment.The total N and P，available P and K，and soil organic matter decreased by 17.5%，11.5%，60.4%，7.16% and 14.8% under the T₃ treatment，respectively.In general，the uptake of total N and alkali-hydro N were significantly decreased，while the uptake of total P and K，available P and K，and soil organic matter were significantly increased with the increase of organic fertilizer application (T₄ to T₇).The pH value increased in the CK，T₄ to T₇ treatments，while it decreased in the T₁ to T₃ treatments. Conclusion The T₃ treatment (bacterial manure 2 250 kg/hm²+organic fertilizer 6 000 kg/hm²) is the most favorable for to the absorption and utilization of soil nutrients by A.sinensis，which can be promoted and applied in the planting and cultivation of A.sinensis.

Graphical abstract

关键词

当归 / 化肥 / 生物菌肥 / 有机肥 / 合理施肥 / 养分变化

Key words

Angelica sinensis / cchemical fertilizer / bacterial manure / organic fertilizer / rational fertilization / nutrient change

Author summay

李金娟，助理研究员，主要从事农业质量安全与检测工作。E-mail：[e-mail]

当归Angelica sinensis （Oliv.） Diels为伞形科多年生草本植物，干燥肉质根具有补血活血、调经止痛和润肠通便等传统功效，也具有增强免疫功能、调节心脑血管、抗氧化等现代药理作用^［1-2］。目前，当归主产于甘肃、青海和云南等省，种植面积约4.3×10⁴ hm²，年需求量约3×10⁴ t^［3-4］。为了提高产量，过量化肥的施用已造成主产区土壤结构破坏，理化性状恶化，病虫害加剧，严重影响了当归品质^［5］。

土壤供给植物生长发育所必须的水分和养分，其肥力状况直接影响植物产量和品质，其中，有机质、N、P、K等是不可缺少的营养元素^［6］。通过合理施肥可以改良土壤理化特性，提高土壤C、N储量及土壤酶活性，增加土壤有机质含量，提高养分利用效率，还能够增强植物抗病性^［7］。当归为喜肥中药材，合理施肥可以促进植株对营养成分的吸收、活性成分的合成和积累^［8-9］。研究发现，有机质、N、P、K、Zn、Mn等对当归产量和品质影响较大^［10-11］；其中，不同施肥条件对N、P的吸收规律存在差异，整体呈现N需求量大于P和K^［12-13］。将有机肥、微生物肥、新型肥料等作为基肥，可以提高当归产量和品质；同时，合理的施肥配比和施肥量可显著促进N和P的利用率、有效促进植株生长、减少病虫害、提高成药根的产量和活性物质（如阿魏酸、藁本内酯和挥发油含量）的积累^［14-17］。其中，大量研究表明有机肥可以提高土壤肥力^［18-20］。这是因为有机肥本身总体养分含量较高，并且可以增加土壤微生物丰富度，不仅直接为植物生长提供所需营养元素，还可间接释放土壤养分，为植物提供有利的生长条件，从而增强土壤肥力。有机肥替代部分化肥与单施化肥相比，可对作物氮、磷、钾养分吸收规律产生不同程度的影响。另外，生物菌肥作为新型肥料，具有高吸附的性能，能够固定大量水分和养分，提高土壤向植物提供养分的能力，从而增强作物对土壤养分的吸收^［21］。

近年来，受气候变暖和连作障碍的影响，主产区当归种植区域不断由水肥条件较好的川台地转移到有机质含量较低、有机肥源缺乏、腐熟程度较低的干旱和半干旱山坡地^［5］；因此，减施化肥、有机肥替代化肥、添加微生物肥混合配施等合理施肥，将是提高当归产量和品质的有效途径^［22-24］。为此，本研究在前期不同类型肥料（化肥、生物菌肥和有机肥）对当归产量和品质影响分析的基础上，对各处理种植当归前后土壤肥力变化进行深入测定与分析，旨在揭示当归需肥类型及规律，为提升其产量和品质、规范化施肥和生态种植提供理论依据和技术参考。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验地点位于甘肃省甘南藏族自治州临潭县长川乡千家寨村（海拔2 870 m，N 34°69′10"、E 103°41′47″），属高寒干旱区，年均气温5.6 ℃，年降水量约650 mm，年均日照时数约2 200 h，年均无霜期约65 d。试验地土壤为砂壤土，土壤肥力状况见表1。

1.2 施肥试验设计

在试验地土壤肥力基础上，分别设置7个施肥处理，具体见表2。7个施肥处理于2021年4月9日一次性做基肥施用，深翻25~30 cm，保证耙耱与土壤充分均匀混合，并起垄覆1 m宽膜。设对照处理CK（不施肥），每个处理设置3个小区重复，每个小区面积为长25 m×宽8 m。其中，磷酸二铵（N 18%和P₂O₅ 46%）购自于中化化肥控股有限公司，生物菌肥购自于神州汉邦北京生物技术有限公司，有机肥［有机质（以烘干基计）≥49%、总养分（N+P+K，以烘干基计）≥6.5%、水分（鲜样）≤29.9%、pH 8.3］购自于甘南藏族自治州临潭县弘正有机肥有限责任公司。

1.3 土壤样品测定

2021年4月9日，当归种植时采集土壤；2021年10月25日，当归成药根采挖时采集土壤。每个肥料处理的3个重复小区内采用5点取样法采集土壤，具体方法为：清除土壤表面杂物，用土钻垂直向下取 20 cm 的土壤样品于保鲜袋；带回实验室后，按照四分法取舍，按20目、60目筛分处理后分别保留 1.0 kg土壤样品。然后，对所采的土壤样品进行土壤肥力测定，具体指标包括：有机质、腐殖酸、全N、全P、全K、碱解N、有效P、速效K、缓效K；测定方法及使用仪器见表3。

1.4 不同施肥处理土壤养分变化量的计算

以当归种植前土壤肥力基准，计算种植后土壤养分（有机质、pH值、全N、全P、全K、碱解N、有效P、速效K）的变化，计算公式如下：

V（%）=［（A－P）/A］×100%

式中：V代表不同施肥处理种植当归后土壤养分的变化量（variation）；P代表当归种植前土壤养分（pre-planting）；A代表当归种植后土壤养分（after planting）。

1.5 数据分析处理

每个试验重复 3 次，采用 SPSS 22.0 软件进行 One-Way ANOVA Duncan 数据差异显著性分析；采用 Microsoft Office Excel 2007 进行制图。

2 结果与分析

2.1 不同施肥对土壤全N和碱解N变化的影响

图1结果显示，不同施肥处理对当归种植后土壤中全N和碱解N的变化具有显著差异。全N减少量依次为T₃>T₂>T₁>T₄>T₅>T₆>CK>T₇，T₃和T₂减少量达到17.3%以上，显著高于其他处理；T₃~T₇处理变化量显著降低，其中T₃相对于T₇降低12.4%（图1-A）。碱解N减少量依次为CK>T₃>T₄>T₂>T₁>T₅>T₆>T₇，CK减少量达到66.5%，显著高于其他处理；尽管T₂、T₃和T₄之间无显著差异，但显著高于T₅~T₇；T₃~T₇处理变化量显著降低，其中T₃相对于T₇降低18.6% （图1-B）。以上结果表明：T₂和T₃处理当归种植后土壤中全N变化量高于单施有机肥处理且差异显著（P<0.05），不施肥CK处理下碱解N变化量高于其他处理且差异显著（P<0.05），T₄~T₇处理全N和碱解N变化量均显著下降。

2.2 不同施肥对土壤全P和有效P变化的影响

图2结果显示，不同施肥对当归种植后土壤中全P和有效P的变化具有显著差异。全P减少量依次为T₃>CK>T₁>T₆>T₅>T₇>T₄>T₂，T₃减少量达到11.5%，显著高于其他处理，相对于T₂降低9.9%；T₄~T₇范围内，T₆减少量最为显著，其中T₆相对于T₄降低4.1%（图2-A）。有效P减少量依次为CK>T₃>T₆>T₅>T₄>T₁>T₇>T₂，CK和T₃减少量达到60%以上，显著高于其他处理，相对于T₂分别降低50.2%和47.5%；T₄~T₇范围内，T₆减少量最为显著，其中T₆相对于T₄降低4.1% （图2-B）。以上结果表明：T₃处理当归种植后土壤中全P变化量高于其他处理且差异显著（P<0.05），不施肥CK和T₃处理有效P变化量高于其他处理且差异显著（P<0.05），T₄~T₆处理全P和有效P降低量均显著增加。

2.3 不同施肥对土壤全K和速效K变化的影响

图3结果显示，不同施肥对当归种植后土壤中全K和速效K的变化具有显著差异。就全K而言，CK和T₂分别减少0.85%和1.48%；其他处理均呈现增加，依次为T₇>T₆>T₅>T₄>T₁>T₃，其中T₃相对于T₇降低3.8%（图3-A）。速效K呈现为减少量T₂>CK>T₃，增加量为T₇>T₆>T₅>T₄>T₁，其中T₄相对于T₇降低37.6%（图3-B）。以上结果表明：CK和T₂处理当归种植后土壤中全K显著降低（P<0.05），CK、T₂和T₃处理速效K均显著降低（P<0.05），T₄~T₇处理全K和速效K含量均显著增加。

2.4 不同施肥对土壤有机质和pH值变化的影响

图4结果显示，不同施肥对当归种植后土壤中有机质和pH值的变化具有显著差异。有机质变化量呈现为CK、T₅、T₆和T₇增加，依次为T₇>T₆>T₅>CK，其中T₇相对于CK增加24.9%；T₁~T₄呈现为减少，依次为T₁>T₃>T₂>T₄，其中T₁相对于T₄减少13.7%（图4-A）。pH值变化量呈现为CK、T₄~T₇增加，依次为CK>T₇>T₆>T₅>T₄，CK相对于T₄增加1.8%；T₁~T₃呈现为减少，依次为T₁>T₂>T₃，其中T₁相对于T₃减少5.5%（图4-B）。以上结果表明：T₁~T₃处理当归种植后土壤中有机质较其他处理显著降低（P<0.05），T₅~T₇处理有机质含量显著增加；T₁~T₃处理当归种植后土壤中pH值均显著下降，CK以及T₄~T₇处理均增加。

3 讨论

影响土壤肥力变化的因素众多，但大量研究表明，施肥和植物吸收利用是影响土壤肥力的主要因素^［27-29］。目前，由于当归施肥不当或过度依赖化肥，已造成土壤营养失衡或有机质缺乏，导致土壤板结僵硬、通气性差，严重降低了产量和品质^［31］。研究发现，通过施用生物菌肥或有机肥，可以改良土壤微环境，增加土壤养分含量及肥力水平，从而为药用植物生长发育造就优异的微生态环境^{［22- 23］}。当归栽培研究表明，施加有机肥和微生物菌肥能显著提高当归产量^［31-32］，且当归药用有效成分含量与土壤中营养元素呈显著相关关系^［33］。本研究发现，不同施肥处理当归种植后土壤养分发生了显著变化，结合本研究在前期不同类型肥料（化肥、生物菌肥和有机肥）对当归产量和品质影响分析发现，合理搭配施用生物菌肥+有机肥，相对于单一施用化肥、生物菌肥、或有机肥，更有利于当归对土壤养分的吸收、营养水平的改善。

3.1 不同施肥对当归土壤N素的影响

研究发现，施用有机肥土壤0~20 cm全N、硝态N和铵态N含量均降低^［34］；长期不施肥、非均衡施肥或单独施用有机肥条件下，土壤全N含量会有降低趋势，无论施N肥与否碱解N都有一个明显降低的过程，不施N肥的碱解N含量最低^［35］；缓释肥部分替代普通化肥并配施生物有机肥处理，可显著提高土壤中N肥的利用率^［36］；添加生物菌剂后的有机肥，由于功能微生物加快分解土壤外源有机物，达到了释放N、P、K的目的，提高了土壤向植物提供氮、磷、钾养分的能力，进而提高肥料利用率^［37-39］。以上研究表明，有机肥与生物菌肥配施条件下提高了植物对N素的利用率，施肥处理后土壤全N和碱解N被消耗而表现为含量明显降低。这解释了本研究中T₂（生物菌肥）和T₃（生物菌肥+有机肥）处理下当归种植后土壤中全N被吸收量最高的原因。研究表明，不施肥和不施N肥土壤中，由于作物吸收大量的N素使得土壤含N量显著下降^［40］。这解释了本研究中不施肥CK处理当归种植后对碱解N吸收量最高的的原因。另外，本研究中T₄~T₇处理，随着有机肥施用量的增加，全N和碱解N被吸收变化量均显著下降，则可能是因为随着有机肥使用量的增加，使得有机肥在促使当归植株对土壤中氮素的吸收利用率提高的同时，向当归种植土壤及时补充了大量氮素养分，呈现全N和碱解N变化量均显著下降。

3.2 不同施肥对当归土壤P素的影响

P素在土壤中作为难溶性化合物，不能直接被植物吸收利用；施用有机肥，一方面以有机P的形态补充土壤P库，另一方面，有机肥自身矿化过程所产生的有机酸离子参与竞争土壤固相表面的专性吸附点，从而降低对P的吸附固定，使土壤P的有效性得到提高，也即施有机肥不仅增大了土壤P库，更增强了土壤向植物的供P能力^［41-42］。另外，生物菌肥中大量的有益微生物，有助于分解土壤中难溶的P。研究发现，单施有机肥和配施有机肥，土壤中有效P含量较施肥前均为降低^{［34，43］}；施用生物菌肥可提高土壤中有效P含量^［44］。对当归研究发现，施用微生物菌剂使得有益活性菌增多，显著提高酶活性，增加当归根际土壤养分含量，加速土壤中养分的吸收转化，促进根系生长^［45-46］。以上研究充分表明，生物菌肥+有机肥可提高土壤全P向有效P转化，有效P被植物高效吸收利用后而表现为含量降低。这正是本研究中T₃处理当归种植后土壤中全磷和有效磷被吸收量最高的原因。研究发现，未施P的稻田土壤中，有效P含量急剧下降，最终导致土壤缺P^［47］。这也解释了本研究中不施肥CK处理当归种植后有效磷被吸收量最高这一结果。另外，本研究中T₄~T₆处理全P和有效P被吸收量均显著增加，可能是因为随着有机肥使用量的增加，在以有机P的形态补充土壤P库的同时，通过自身矿化过程而释放出更多的P，使土壤磷的有效性得到提高，从而加速了当归植株对土壤中P素的吸收利用，呈现全P和有效P变化量均显著下降。

3.3 不同施肥对当归土壤K素的影响

研究发现，施用有机肥对土壤全K、速效K、缓效K和矿物K含量的增加有明显促进作用^［48-50］；单施低量有机肥降低了土壤K素有效性及土壤K素长期供应的能力，然而单施高量有机肥则相反^［51］。以上研究结论证实了与本研究中T₄~T₇处理全K和速效K含量均显著增加这一结果，表明有机肥的施入对各形态K素含量的提高具有重要的作用；一方面是有机肥中含有丰富的K源，利于各形态K素的形成，另一方面是有机肥的施入提高了土壤微生物活性，促进各形态钾K的形成^［52］。研究表明，生物菌肥可以能提高土壤所含各种速效养分，当生物肥料施入土壤后，微生物群组会随着植物根系的生长而繁殖，促进植物根系对土壤中养分的吸收^［53］。这也解释了本研究中T₂处理当归种植后土壤中全K被显著吸收，且T₂和T₃处理速效K均被显著吸收这一结果。另外，本研究中未施肥的CK处理全K和速效K均被显著吸收，可能是因为当归生长过程中对K的吸收利用降低了土壤中水溶性K和交换性K的浓度，打破了K素平衡，发生钾的释放^［54］，而此时由全K释放转换所形成的速效K作为在未施肥条件下当归生长所需K素的唯一来源，则被当归植株吸收利用，表现为土壤中全K和速效K含量降低。

3.4 不同施肥对当归土壤有机质的影响

很多研究表明，在土壤自身含有较多有机质的情况下，施用化肥会造成有机质含量的下降，原因可能是施用化肥降低了土壤中微生物的活性并使其数量减少，影响土壤有机质的分解和土壤中C、N、P、S的循环，造成土壤C/N比失调，使微生物和植物对C源的需求增加，反而加速了土壤有机质的矿化损失^［55-56］。这同样是本研究中T1处理当归种植后土壤中有机质被显著吸收的原因。研究发现，与施用化肥相反，有机肥可显著提高土壤耕层有机质含量^［57-58］。本研究发现，T₅~T₇处理随着有机肥施用量的增加，土壤有机质含量显著增加。究其原因，一是有机肥中富含有机质，施用有机肥增加了外源有机物的直接输入量；二是施用有机肥可改善土壤环境，来自作物残留物和根系分泌物的碳源增加，有机质的输入量大于输出量^［59］。另外，有机肥低施入量的T₄处理种植当归后有机质含量降低则可能是有机质的输入量小于输出量造成。研究表明，生物菌肥具有增加土壤代谢C的含量、调节土壤N素平衡、促进腐殖质合成和有机质矿化等能力^［37-38］。综合研究显示，有机肥施入提高了土壤中有机质的含量，生物菌肥促进了有机质向植物的输送效率，这解释了本研究T₂和T₃处理当归种植后土壤中有机质被显著吸收的原因。

3.5 不同施肥对当归土壤pH的影响

长期施用化肥会导致土壤pH值降低，比如，过量施入氮肥后，其硝化作用产生的H⁺是导致土壤酸化加速的主要原因^{［37，60］}。有机肥部分替代化肥可促使土壤pH值升高，其含有的-OH和-COOH等有机官能团能对土壤中的Al³⁺产生络合作用，从而使由Al³⁺水解产生的H⁺含量减少^{［57，61］}。而生物菌肥可使得土壤pH值降低^［62］。这正解释了本研究T₁和T₂处理pH值显著下降，而T₄~T₇处理均增加的结果。研究还发现，连续增施生物菌肥+有机肥能够显著降低土壤pH值，且随着肥料用量的增加，降低程度也增加^［63］。这也证实了本研究T₃处理种植当归后土壤pH值显著下降的这一结果。这可能是由于生物菌肥+有机肥中富含有益微生物，在植物生长过程中会产生大量有机酸和CO²释放到土壤中，所以土壤的pH会降低。而未施肥CK处理下pH值增加，这是因为当归植株在生长过程中消耗了大量的养分，土壤中有机酸含量降低、H⁺含量减少而引起的。

4 结论

通过对比不同施肥处理下，当归土壤肥力差异，发现单施化肥不利于当归对N、P和K的吸收；单施生物菌肥有利于当归对全N、全K、速效K和有机质的吸收，但不利于全P和有效P吸收；随着有机肥单施用量的增加，会导致土壤盐碱化。然而通过合理配施生物菌肥+有机肥（2 250+6 000 kg/hm²）可显著促进当归植株对土壤中养分（N、P和K）的吸收、维持土壤有机质较高含量、调节土壤pH值，为当归生长提供有利的生长条件。该研究结果将为当归种植栽培过程中合理施肥、生态种植提供科学依据和重要参考。

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基金资助

甘肃省科技计划项目(21JR7RA731)

甘南藏族自治州科学技术科技计划项目(2020-2-05)

国家自然科学基金项目(32160083)

干旱生境作物学国家重点实验室主任基金项目(GSCS-2021-Z03)

道地药材生态种植与质量保障项目(202103003)