袁洪超，郭鳳霞*，陳垣,2*，白剛，梁偉

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院，農(nóng)學(xué)院，甘肅省中藥材規(guī)范化生產(chǎn)技術(shù)創(chuàng)新重點實驗室，甘肅省藥用植物栽培育種工程研究中心，甘肅省干旱生境作物學(xué)重點實驗室，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅省特色藥用植物資源保護與利用工程實驗室，甘肅省特色藥材規(guī)范化可追溯栽培工程技術(shù)研究中心，甘肅天士力中天藥業(yè)有限責(zé)任公司，甘肅 定西 748100)

當(dāng)歸(Angelicasinensis)為傘形科三年生草本藥用植物，以干燥根入藥，又名岷歸，具潤腸通便、調(diào)經(jīng)止痛、補血活血等功效，是我國大宗中藥材品種之一[1]。當(dāng)歸對土壤和氣候條件的要求很嚴(yán)格，適宜排水良好，中性或微酸性、有機質(zhì)含量高的黑土類和褐土類[2]，野生資源在甘肅西南部陰濕的高海拔地帶有極少量分布[3]，藥源主要為栽培品，西北地區(qū)是我國當(dāng)歸的主產(chǎn)區(qū)。甘肅岷縣、卓尼、漳縣和宕昌一帶是我國優(yōu)質(zhì)當(dāng)歸的地道產(chǎn)區(qū)，已有1500多年栽培史，年產(chǎn)量和銷售量均占全國的90%以上[4]，所產(chǎn)當(dāng)歸品質(zhì)最佳，享譽海內(nèi)外，于2001年6月被中國特產(chǎn)之鄉(xiāng)推薦暨宣傳活動組織委員會命名為“中國當(dāng)歸之鄉(xiāng)”。

隨著中醫(yī)藥現(xiàn)代化的發(fā)展，對當(dāng)歸需求量劇增，大量種植造成連作比例不斷提高，土壤環(huán)境逐年惡化，根病加重[5]，主產(chǎn)區(qū)適宜當(dāng)歸種植的土地資源迅速退縮，道地產(chǎn)區(qū)環(huán)境出現(xiàn)變遷趨勢。前人對輪作效應(yīng)的研究廣泛而深入，研究表明由于連續(xù)種植同一種植物或者近緣植物會導(dǎo)致土壤養(yǎng)分異常積累或者過度消耗，病原微生物迅速繁衍，化感抑制物質(zhì)積累，土壤微生物種群結(jié)構(gòu)失調(diào)，引發(fā)作物品質(zhì)及產(chǎn)量下降[6-8]。張麗莉等[9]研究發(fā)現(xiàn)，輪作是影響土壤質(zhì)量以及可持續(xù)發(fā)展的重要種植模式之一，合理輪作可改變土壤理化性質(zhì)、提高土壤肥力。高菊生等[10]研究表明，在水稻(Oryzasativa)種植過程中，綠肥作物與雙季稻輪作種植可以顯著提高水稻產(chǎn)量，且長期雙季稻綠肥輪作土壤有機質(zhì)顯著增加。不同植物輪作模式還可緩解連作障礙，改善土壤微生態(tài)環(huán)境。連作會導(dǎo)致產(chǎn)量與質(zhì)量下降，病害加重[11-13]。由于同種或者同科植物有一定的親緣關(guān)系，其產(chǎn)生的代謝物質(zhì)可能會對其同科植物產(chǎn)生毒副作用。不同作物輪作具有改良土壤理化性質(zhì)，改善土壤生態(tài)環(huán)境等優(yōu)點[7]。近幾年對當(dāng)歸栽培茬口的研究也開始引起關(guān)注，王田濤等[12]在連作條件下研究了間作模式對當(dāng)歸生長特性和產(chǎn)量的影響。王華麗[14]研究了不同作物的茬口特性。梁偉等[15]在培育茬口的基礎(chǔ)上研究發(fā)現(xiàn)，高寒區(qū)在不同茬口栽培當(dāng)歸，田間雜草種群和多樣性也是引起當(dāng)歸栽培成效的主要原因，但至今尚缺對高寒區(qū)當(dāng)歸輪作栽培效應(yīng)的深入系統(tǒng)研究，當(dāng)歸高效輪作模式的選擇尚不明確，因此，在甘南州通過定向種植作物，培育輪作茬口的基礎(chǔ)上再行栽培當(dāng)歸，系統(tǒng)研究不同作物輪作栽培當(dāng)歸對土壤特性及藥材產(chǎn)量的影響具有重要意義，可探尋出高寒區(qū)適宜當(dāng)歸栽培的輪作模式，為科學(xué)合理栽培當(dāng)歸和生態(tài)優(yōu)化管理利用提供科學(xué)依據(jù)，促進(jìn)我國道地產(chǎn)區(qū)當(dāng)歸的可持續(xù)化發(fā)展。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗設(shè)在甘肅省甘南州卓尼縣扎古錄鎮(zhèn)麻路村(E 103°10′51.77″，N 34°39′18.62″)。試驗區(qū)海拔2835 m，年均氣溫4.6 ℃，年日照時長2186 h，平均降水量584 mm，無霜期90～119 d，屬于高寒陰濕區(qū)，為當(dāng)歸傳統(tǒng)道地產(chǎn)區(qū)。2015年4月至10月下旬日均最高氣溫19.77 ℃，最低氣溫6.27 ℃，試驗地2013年種植柴胡田，土壤有機質(zhì)含量為2.16%，全氮1.66 g·kg-1，全磷0.467 g·kg-1，全鉀17.5 g·kg-1[14-15]。

1.2 輪作茬口培育

輪作茬口培育試驗采用單因素隨機區(qū)組試驗設(shè)計，作物茬口因素分為3個水平，即2013年在卓尼縣扎古錄鎮(zhèn)麻路村種植藥用植物柴胡(Bupleurumchinense)勻田基礎(chǔ)上，2014年將試驗地劃分為3個區(qū)組(重復(fù)3次)，區(qū)組長10 m，寬1 m，每區(qū)組劃分為3個小區(qū), 小區(qū)面積3 m×1 m，小區(qū)間距50 cm，分別隨機種植當(dāng)歸、羌活(Notopterygiumincisum)和秦艽(Gentianamacrophylla)，以培育當(dāng)歸(DG)、羌活(QH)和秦艽(QJ)輪作茬口土壤環(huán)境[14-15]。均采用苗栽移栽，株行距均為25 cm。除種植作物不同外，其他田間管理均一致。藥材成熟期2014年10月10日用叉锨逐區(qū)采挖[14]，收獲后維持小區(qū)自然狀態(tài)越冬，備用于次年不同輪作茬口當(dāng)歸栽培試驗。

1.3 不同作物輪作茬口當(dāng)歸栽培試驗

不同作物茬口輪作當(dāng)歸均采用雙苗穴栽栽培。苗栽移栽于2015年4月22日在上述培育的對應(yīng)輪茬口小區(qū)進(jìn)行，試驗設(shè)計與茬口培育試驗一致，以當(dāng)歸連作重茬口為對照，即按上年小區(qū)編號逐區(qū)進(jìn)行當(dāng)歸移栽，穴距25 cm。除輪作茬口不同外，田間農(nóng)事操作管理均一致。移栽前每小區(qū)施復(fù)合肥料(N∶P2O5∶K2O=19∶15∶6)145.0 g，整個生育期不施除草劑，其他管理同大田。

上述輪作茬口培育和不同作物輪作茬口栽培當(dāng)歸苗均選用當(dāng)歸道地育苗基地-岷縣禾馱鄉(xiāng)紅花溝生荒地育成苗栽，秦艽和羌活苗均為卓尼縣甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)與佛賜藏中藥材有限公司育苗基地育成苗栽。

1.4 不同作物輪作當(dāng)歸田土壤取樣及分析

在不同作物茬口進(jìn)行當(dāng)歸栽培，可構(gòu)成當(dāng)歸-當(dāng)歸連作田(DG-DG)、羌活-當(dāng)歸輪作田(QH-DG)和秦艽-當(dāng)歸輪作田(QJ-DG)土壤系統(tǒng)。當(dāng)歸生長發(fā)育盛期8月28日和收獲期10月22日采用土鉆在各輪作重復(fù)小區(qū)中央分別挖取0～20 cm土樣，取樣后立即裝入鋁盒(直徑5 cm)帶回實驗室，采用稱重烘干法測定土壤含水量[16]。

2015年8月28日測定土壤含水量的同時，采用“S”形3點隨機取樣等量混合法，在各小區(qū)另挖取0～20 cm土樣，混合后作為該小區(qū)土壤樣品，裝入自封袋編號運回實驗室，在室內(nèi)攤開自然風(fēng)干后過篩，備用于土壤理化性質(zhì)測定。

土壤理化特性測定于2015年10月1日在甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)土壤化學(xué)實驗室進(jìn)行。土壤pH采用電極法(雷茲PHS-3C)測定，電導(dǎo)率采用電導(dǎo)儀(DDS-307)測定，有機質(zhì)采用重鉻酸鉀硫酸氧化-外加熱法測定，全氮采用半微量凱氏法測定，全鉀采用堿熔-火焰光度法測定，全磷采用堿熔-鉬銻抗比色法測定，速效鉀采用NH4OAc浸提-火焰光度法測定，速效磷采用碳酸氫鈉法[16]。

1.5 不同作物輪作當(dāng)歸藥材產(chǎn)量測定

苗栽返青結(jié)束按輪作重復(fù)小區(qū)依次統(tǒng)計返青成活株數(shù)，2015年10月22日土樣取樣結(jié)束，按小區(qū)采挖全部當(dāng)歸藥材，計取數(shù)量，測定藥材鮮產(chǎn)量，計算成藥株率或成藥率。

成藥率=(藥材根數(shù)/返青株數(shù))×100%

1.6 統(tǒng)計分析

采用Excel繪制圖和處理平均數(shù)間的t檢驗。采用SPSS 19.0軟件進(jìn)行方差分析、性狀間的相關(guān)分析、主成分分析和聚類分析。方差分析多重比較選用Duncan法，聚類分析采用分層聚類法(Hierarchical cluster)。

對當(dāng)歸輪作模式的綜合評價采用蘇李維等[17]的方法進(jìn)行，即首先在主成分分析基礎(chǔ)上取初始特征根大于1的各指標(biāo)主成分值，計算各指標(biāo)的權(quán)重(Wj)，然后計算隸屬函數(shù)值，最后估算綜合指數(shù)(comprehensive index, CI)。

Wj=∑(Cl,j×VPl)/∑∑(Cl,j×VPl)
R(Xij)=(Xij-Xjmin)/(Xjmax-Xjmin)
RR(Xij)=1-(Xij-Xjmin)/(Xjmax-Xjmin)
CIj=∑[R(Xij)×Wj]

式中，Cl,j表示第j個指標(biāo)的第l主成分值，VPl表示第l主成分方差的百分率，Wj表示第j個指標(biāo)的權(quán)重值。i表示不同輪作模式，j表示測定指標(biāo)。R(Xij)表示i輪作模式j(luò)指標(biāo)的隸屬函數(shù)值，RR(Xij)表示i輪作模式j(luò)指標(biāo)的反隸屬函數(shù)值；Xij表示i輪作模式j(luò)指標(biāo)的平均觀測值；Xjmin表示所有輪作模式j(luò)指標(biāo)的最小值；Xjmax所有輪作模式j(luò)指標(biāo)的最大值。CIj為第i輪作模式j(luò)個指標(biāo)的累計綜合指數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同作物輪作栽培當(dāng)歸對土壤質(zhì)地和土壤含水量的影響

圖1顯示，卓尼縣不同作物輪作栽培當(dāng)歸田0～20 cm耕作層土壤外觀具有明顯的差異，秦艽-當(dāng)歸(QJ-DG)輪作土壤和DG-DG連作土壤質(zhì)地較為細(xì)綿，色澤較深，QH-DG輪作土質(zhì)堅硬，色澤較淺。

圖2顯示，在卓尼縣不同作物輪作栽培當(dāng)歸，8月當(dāng)歸苗栽返青后進(jìn)入生長旺盛期，田間耕層土壤含水量依次為QJ-DG>DG-DG>QH-DG，其中，QJ-DG輪作田土壤含水量最高，均高于當(dāng)歸連作(DG-DG)和羌活-當(dāng)歸輪作(QH-DG)田的水平，土壤含水量較DG-DG連作田提高1.23%(P>0.05)，較QH-DG輪作田提高15.37%(P<0.05)，而QH-DG輪作田較DG-DG連作田土壤含水量極顯著降低12.26%(P<0.01)。

圖1 卓尼縣不同輪作栽培當(dāng)歸田耕作層土壤外觀的比較(郭鳳霞拍攝于2015年10月1日)Fig.1 Comparison of the cultivated layer of soils for A. sinensis in Aug. based on different rotations in Zhuoni County (Guo F X took pictures, Oct. 1, 2015) A:當(dāng)歸連作土壤DG-DG continuous-cropping soil；B:羌活-當(dāng)歸輪作土壤QH-DG rotation soil；C:秦艽-當(dāng)歸輪作土壤QJ-DG rotation soil.

圖2 卓尼縣不同輪作栽培當(dāng)歸田耕作層土壤含水量的比較Fig.2 Comparison of water content in cultivated soils for A. sinensis in August in Zhuoni County based on different rotations 不同大、小寫字母分別表示處理間差異達(dá)到0.01和0.05顯著水平。下同。Different capital or small letters indicate significant difference at 0.01 or 0.05 level respectively. The same below.

圖2還顯示，不同作物輪作模式對當(dāng)歸藥材采挖前(10月)田間土壤含水量也具有極顯著影響，影響程度因輪作模式的不同而異。與生長盛期不同的是在當(dāng)歸藥材收獲期，不同輪作模式條件下，當(dāng)歸栽培田耕作層土壤含水量依次為DG-DG>QH-DG>QJ-DG，且顯著性達(dá)到極顯著水平(P<0.01)，其中，QJ-DG當(dāng)歸輪作田耕作層土壤含水量較DG-DG連作田極顯著性下降20.14%(P<0.01)，較QH-DG輪作田土壤含水量極顯著下降13.02%(P<0.01)，QH-DG輪作田土壤含水量較DG-DG連作田顯著降低8.18%(P<0.05)。土壤含水量的季節(jié)反向變化表明，DG-DG連作模式條件下，栽培當(dāng)歸生長盛期土壤含水量低，藥材采挖期土壤水分含量卻高，而QJ-DG輪作模式條件下正好相反，當(dāng)歸生長盛期土壤含水量高，藥材采挖期含水量卻低，說明當(dāng)歸連作和羌活-當(dāng)歸輪作模式藥材生長后期土壤納水力較強。

2.2 不同作物輪作栽培當(dāng)歸對土壤酸堿度的影響

圖3 不同輪作模式對土壤pH的影響Fig.3 Effect of different rotation patterns on soil pH

pH是衡量土壤酸堿度的主要指標(biāo)，圖3顯示不同作物輪作當(dāng)歸田0～20 cm土層土壤pH具有極顯著差異，差異程度因輪作模式的不同而異。各輪作當(dāng)歸栽培田土壤pH值依次為QH-DG>QJ-DG>DG-DG，其中，QH-DG輪作模式較DG-DG和QJ-DG輪作模式土壤pH分別提高4.41%(P<0.01)和5.39%(P<0.01)，土壤pH>7.7，而QJ-DG與DG-DG輪作模式土壤pH差異性不顯著(P>0.05), 土壤pH為7.3～7.4(圖3)。

2.3 不同作物輪作栽培當(dāng)歸對土壤總養(yǎng)分含量的影響

圖4顯示，不同輪作模式下，土壤有機質(zhì)含量依次為DG-DG>QJ-DG>QH-DG。與當(dāng)歸連作相比較， QH-DG和QJ-DG輪作模式條件下，土壤有機質(zhì)含量均有降低趨勢，且降低程度均達(dá)到極顯著水平(P<0.01)，其中，QH-DG輪作模式下有機質(zhì)含量降低了18.52%(P<0.01)，QJ-DG輪作模式下降低了6.96%(P<0.01)。QJ-DG輪作栽培當(dāng)歸田土壤有機質(zhì)較QH-DG輪作田的水平提高14.19%(P<0.01)。

圖4 不同輪作模式對土壤總養(yǎng)分的影響Fig.4 Effect of different rotation patterns on soil total nutrients

土壤全氮、全磷和全鉀是衡量土壤養(yǎng)分基礎(chǔ)肥力的重要指標(biāo)。圖4還顯示，不同作物輪作當(dāng)歸條件下，藥材根發(fā)育關(guān)鍵時期土壤全氮含量依次為DG-DG>QH-DG>QJ-DG。與DG-DG連作相比較，QJ-DG和QH-DG輪作田土壤全氮含量均極顯著降低(P<0.01)，較DG-DG分別降低21.47%(P<0.01)和18.58%(P<0.01)。不同模式下土壤全磷含量依次為QH-DG>DG-DG>QJ-DG，QJ-DG輪作田土壤全磷含量均極顯著低于QH-DG輪作和DG-DG連作田的水平(P<0.01)，而DG-DG與QH-DG輪作田全磷含量無顯著差異。不同模式下土壤全鉀含量變化趨勢與全氮量基本一致，輪作田全鉀含量依次為DG-DG>QH-DG>QJ-DG， QJ-DG和 QH-DG輪作模式下全鉀含量均有降低趨勢，較DG-DG連作田土壤分別降低了9.32%(P<0.01)和3.90%。

2.4 不同作物輪作栽培當(dāng)歸對土壤速效養(yǎng)分含量的影響

圖5表明，不同作物輪作栽培當(dāng)歸田土壤速效磷含量依次為DG-DG>QH-DG>QJ-DG。與DG-DG連作田相比較，QH-DG和QJ-DG輪作田土壤有效磷含量均有極顯著性降低趨勢(P<0.01)，QJ-DG輪作田較DG-DG降低了21.86%(P<0.01)，QH-DG輪作田較DG-DG降低了13.99%(P<0.01)。不同輪作模式下土壤速效鉀含量變化趨勢與速效磷相似，DG-DG連作田土壤有效鉀含量最高，但QH-DG和QJ-DG輪作田土壤有效鉀含量間的差異性不顯著，兩者均極顯著低于DG-DG連作田的水平(P<0.01)。各輪作田土壤有效鉀含量依次為DG-DG>QJ-DG>QH-DG。其中，QJ-DG輪作田土壤有效鉀含量較DG-DG連作田降低了38.56%(P<0.01)，QH-DG輪作田較DG-DG連作降低了42.51%(P<0.01)。

圖5 不同輪作模式對土壤速效養(yǎng)分的影響Fig.5 Effect of different rotation patterns on readily available nutrients of soils

2.5 不同作物輪作栽培當(dāng)歸成藥率和藥材產(chǎn)量的影響

圖6顯示，不同作物輪作對當(dāng)歸返青株成藥率和藥材產(chǎn)量均具有顯著影響(P<0.05)。各輪作田當(dāng)歸成藥株率依次為QJ-DG>DG-DG>QH-DG，其中QJ-DG模式下當(dāng)歸死亡率和早期抽薹率均最低，成藥率在50%以上，較DG-DG連作田成活率提高94.10%(P<0.01)，較QH-DG輪作田提高183.77%(P<0.01)。羌活茬輪作當(dāng)歸死苗率最高，田間缺苗斷垅明顯。各輪作田當(dāng)歸單根產(chǎn)量和藥材總產(chǎn)量變化均與成藥株率趨勢基本一致，依次為QJ-DG>DG-DG>QH-DG。QJ-DG輪作下當(dāng)歸藥材根個體大，個體產(chǎn)量高，單根重較DG-DG連作提高53.46%，較QH-DG提高59.03%。QJ-DG輪作當(dāng)歸藥材鮮產(chǎn)量較DG-DG連作提高125.56%，較QH-DG輪作提高145.25%，同科QH-DG輪作和DG-DG連作下當(dāng)歸藥材單根鮮重和鮮藥材產(chǎn)量差異性均不顯著(P>0.05)。

相關(guān)分析表明(表1)，不同作物輪作條件下，8月當(dāng)歸生長盛期土壤含水量與季節(jié)水分變化量呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)，與pH負(fù)相關(guān)不顯著(P>0.05)。10月當(dāng)歸藥材采挖期土壤含水量與土壤含水量季節(jié)變化量呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，與全鉀、速效鉀呈顯著性正相關(guān)(P<0.05)，與全氮、全磷、速效磷均呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，而與成藥率和單根鮮重均呈顯著(P<0.05)負(fù)相關(guān)，與藥材鮮產(chǎn)量的負(fù)相關(guān)達(dá)極顯著水平(P<0.01)。土壤水分季節(jié)變化量與單根鮮重呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)，與成藥率和藥材鮮產(chǎn)量均呈較大負(fù)相關(guān)。pH與產(chǎn)量因子均呈負(fù)相關(guān)，與成藥率相關(guān)性達(dá)顯著水平(P<0.05)，與有機質(zhì)呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01),與全磷呈顯著正相關(guān)(P<0.05)。土壤有機質(zhì)與全氮和速效鉀呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，與全鉀、速效磷含量及產(chǎn)量因子均呈正相關(guān)。全氮與全鉀呈顯著性正相關(guān)(P<0.05)，與速效磷和速效鉀均呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)。全磷與全鉀、速效磷呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，與單根重呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)，與成藥率和藥材產(chǎn)量呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)。全鉀與速效磷呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)。速效磷與速效鉀呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，兩者均與產(chǎn)量因子呈較大負(fù)相關(guān)。成藥率與單根重呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，與藥材產(chǎn)量呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，單根重與藥材產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)(P<0.05)。

圖6 不同輪作模式對當(dāng)歸藥材根單根鮮重與藥材產(chǎn)量的影響Fig.6 Effect of different rotation patterns on fresh weight of A. sinensis single and medical yield

性狀 Indicatorsx1x2x3x4x5x6x7x8x9x10x11x12x13x11x2-0.1701x3-0.739*0.790*1x4-0.2110.2850.3261x50.2060.2450.039-0.845**1x6-0.1110.838**0.642-0.2360.691*1x7-0.0440.844**0.6040.656*-0.1850.5051x80.1120.760*0.450-0.1890.2030.693*0.696*1x9-0.0210.872**0.610-0.0100.5040.938**0.691*0.826**1x10-0.0500.777*0.563-0.2800.711*0.954**0.4510.6130.913**1x110.062-0.689*-0.509-0.742*0.377-0.278-0.877**-0.598-0.510-0.3311x120.392-0.753*-0.759*-0.6500.251-0.430-0.714*-0.445-0.496-0.3980.731*1x130.112-0.811**-0.624-0.6330.184-0.450-0.872**-0.647-0.634-0.4540.913**0.766*1

n=9，R0.05=0.666，R0.01=0.798.x1:8月含水量Water content in Aug.;x2:10月含水量Water content in Oct.;x3:水分變化量Water content variable;x4:pH;x5:有機質(zhì) Organic matter;x6:全氮 Total N;x7:全磷 Total P;x8:全鉀 Total K;x9:速效磷 Available P;x10:速效鉀 Available K;x11:成藥率 Medicine rate;x12:單根重 Single root fresh weight;x13:藥材鮮產(chǎn)量 Medical fresh weight. *:P<0.05,**P<0.01.

2.6 不同作物輪作栽培當(dāng)歸土壤理化特性與產(chǎn)量性能的綜合因子分析

基于10個土壤理化特性和當(dāng)歸3個產(chǎn)量性狀指標(biāo)的主成分分析表明(表2)，前2個主成分的特征根均大于1，其貢獻(xiàn)率分別為62.513%和37.487%，累積貢獻(xiàn)率達(dá)100%，故提取第1～2主成分值的特征根和貢獻(xiàn)率計算各指標(biāo)的權(quán)重值。根據(jù)各指標(biāo)隸屬度值與權(quán)重，通過加乘法則，對各指標(biāo)合成運算，對各作物輪作當(dāng)歸模式綜評指數(shù)估算表明，不同作物輪作模式條件下當(dāng)歸藥材綜合評價指數(shù)大小依次為秦艽-當(dāng)歸輪作>羌活-當(dāng)歸輪作>當(dāng)歸-當(dāng)歸連作(表3)。

表2 不同作物輪作栽培當(dāng)歸田土壤理化性質(zhì)與當(dāng)歸產(chǎn)量因子的主成分分析Table 2 Principal component analysis based on soil physicochemical properties and yield factors of A. sinensis cultivated in different crop rotations

表3 不同作物輪作栽培當(dāng)歸土壤特性與產(chǎn)量因子的隸屬度值及綜評指數(shù)Table 3 Memberships and comprehensive index of soil properties and yield factors of A. sinensis in different crop rotations

為了進(jìn)一步明確3種輪作當(dāng)歸模式的差異性，將各輪作模式3個重復(fù)小區(qū)作為類，共9類，對測定指標(biāo)系統(tǒng)聚類表明(圖7)，不同輪作模式被劃分為三大類，QJ-DG模式與DG-DG連作模式間的距離最遠(yuǎn)，QH-DG模式與DG-DG連作模式間的距離較近，各輪作模式內(nèi)重復(fù)小區(qū)最為接近，這也進(jìn)一步驗證了隸屬綜合因子分析的結(jié)果。

圖7 不同作物輪作當(dāng)歸模式的聚類分析Fig.7 Hierarchical cluster analysis of the different crop rotation patterns of A. sinensis Case1-3：當(dāng)歸連作模式DG-DG rotation pattern；Case4-6：羌活輪作當(dāng)歸模式QH-DG rotation pattern；Case7-9：秦艽輪作當(dāng)歸模式QJ-DG rotation pattern.

3 討論

3.1 不同輪作模式可有效調(diào)控當(dāng)歸栽培田土壤含水量

土壤是各種環(huán)境綜合因子長期作用的結(jié)果[18]。植物輪作可以改變土壤環(huán)境[19]。土壤水分變化量顯著影響生物量的積累效率，一般在田間最大持水量的60%范圍內(nèi)，土壤含水量越高，植株生物量積累就越高。在一定范圍內(nèi)，水分含量升高對土壤微生物的活性也有顯著影響，從而利于植物的生長發(fā)育[20]。本研究表明，不同作物輪作栽培當(dāng)歸田土壤持水力不同，秦艽輪作當(dāng)歸可有效調(diào)控土壤水分含量，在當(dāng)歸生長發(fā)育盛期土壤納水力強，并有效阻礙水分蒸發(fā)，使土壤含水量維持在較高的水平，對植株生物量積累和當(dāng)歸藥材根的膨大發(fā)育起著重要作用，但到當(dāng)歸生長發(fā)育后期，土壤含水量顯著降低，有利于藥材內(nèi)含物的積累和分配，并增強抗逆性，而在相同的生態(tài)氣候及田間管理條件下，當(dāng)歸連作土壤和羌活輪作當(dāng)歸土壤對水分的調(diào)控能力均較差，當(dāng)歸生長旺盛期土壤含水量低，成藥后期土壤含水量卻高，這可能也是羌活-當(dāng)歸輪作和連作條件下當(dāng)歸返青后死苗率高，成藥率低的根源所在，因為營養(yǎng)生長期的干旱脅迫可誘發(fā)當(dāng)歸物候的轉(zhuǎn)變，即從營養(yǎng)生長及早進(jìn)入生殖生長，完成生活史而死亡。

3.2 不同輪作模式可改善當(dāng)歸栽培田土壤理化特性

土壤理化性質(zhì)是土壤環(huán)境的重要指標(biāo)，對植物的生長發(fā)育起著重要的作用。一般情況下有機碳含量增加，土壤結(jié)構(gòu)改善，土壤營養(yǎng)元素也會隨之增加，土壤肥力相應(yīng)升高[21]。土壤有機質(zhì)是土壤固相部分的重要組分，它與土壤礦物質(zhì)共同作為植物營養(yǎng)的來源，直接影響和改變土壤的一系列物理、化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)[22]，是微生物的碳源和氮源[23]，秸稈還田和輪作向土壤提供大量豐富多樣的有機質(zhì)[24]。土壤有機碳含量與土壤碳、氮、磷含量呈顯著正相關(guān)，與土壤pH和容重呈顯著負(fù)相關(guān)[25]。土壤理化性質(zhì)也是評價土壤肥力的重要指標(biāo)，如果土壤中這些指標(biāo)出現(xiàn)降低趨勢，說明土壤質(zhì)量下降[26]。本研究發(fā)現(xiàn)，在連作當(dāng)歸模式下，土壤有機質(zhì)含量雖高，但對養(yǎng)分的吸收效率最低，因為土壤全氮、全磷、全鉀及速效磷和速效鉀在營養(yǎng)生長旺盛期均處于最高水平，但當(dāng)歸藥材產(chǎn)出性能并沒有提高，當(dāng)歸成藥率和藥材產(chǎn)量均較低，說明作為可以直接被植物吸收利用的速效養(yǎng)分在此模式下沒有發(fā)揮其營養(yǎng)作用，相反，土壤在營養(yǎng)期富含的磷反而促進(jìn)了植物物候從營養(yǎng)生長向生殖生長的躍進(jìn)，這也從當(dāng)歸連作和羌活輪作栽培當(dāng)歸的模式中得到進(jìn)一步說明，情況不同的是羌活輪作當(dāng)歸田土壤有機質(zhì)含量低，對土壤調(diào)控能力差，pH增高，這樣土壤因素可能也是引起該模式下當(dāng)歸成藥率低的原因之一，當(dāng)歸死亡率較高，反過來可能導(dǎo)致土壤有機質(zhì)降低，因為土壤有機質(zhì)的分解與光照強度有關(guān)，由于當(dāng)歸田間死亡率增加，株葉覆蓋面積減少，土壤裸露面增加，使該模式下有機質(zhì)分解加速。這也從秦艽-當(dāng)歸輪作模式中得到印證，該輪作模式條件下當(dāng)歸田土壤有機質(zhì)積累最為明顯，較王華麗[14]在秦艽田測定的土壤有機質(zhì)顯著增加。

3.3 合理輪作可有效提高當(dāng)歸成藥株率和藥材產(chǎn)量

生物量是衡量植物生長發(fā)育狀況的重要指標(biāo)，是研究植物生長規(guī)律的重要參數(shù)[22]，建立合理的栽培模式是傳統(tǒng)改良土壤環(huán)境提高作物產(chǎn)量的方法之一。于高波等[11]研究表明，小麥(Triticumaestivum)和毛苕子(Viciavillosa)與黃瓜(Cucumissativus)輪作有利于緩解黃瓜連作障礙，改善土壤微生態(tài)環(huán)境，提高黃瓜產(chǎn)量。時安東等[27]研究表明，年內(nèi)間作，年間就地輪作系統(tǒng)有利于減輕烤煙(Nicotianatabacum)連作障礙。合理的輪作倒茬可以有效地減緩或者降低連作障礙的危害，從而實現(xiàn)作物的高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)[28]。馬偉明等[29]采用岷縣不同茬口土壤進(jìn)行當(dāng)歸盆栽育苗發(fā)現(xiàn)，豆科藥用植物黃芪(Astragalusmembranaceus)茬口當(dāng)歸苗栽根系最為發(fā)達(dá)，具有潛在的抗逆基礎(chǔ)。張新慧等[30]通過生產(chǎn)調(diào)查也發(fā)現(xiàn)，黃芪茬口栽培當(dāng)歸品質(zhì)與產(chǎn)量最佳。本研究中，秦艽輪作當(dāng)歸條件下，當(dāng)歸成藥株率、單根重和藥材產(chǎn)量均最高。當(dāng)歸死亡主要是根腐病和早期抽薹所致，因為當(dāng)歸連作條件下病原菌富集，導(dǎo)致根病率提高，早期抽薹也引發(fā)當(dāng)歸植株完成生活史而凋亡，由于同科植物親緣關(guān)系較近，對病原菌的環(huán)境壓力較小，這與前茬作物在生長發(fā)育、成熟到死亡過程中積累的代謝產(chǎn)物相似有關(guān)。

4 結(jié)論

土壤水分的利用與土壤理化性質(zhì)對生物量的積累有重要作用，秦艽—當(dāng)歸輪作模式下對土壤調(diào)控力強，土壤水分利用效率高，當(dāng)歸成藥率和產(chǎn)出性能高，羌活輪作當(dāng)歸和當(dāng)歸連作條件下，土壤對水分及養(yǎng)分的調(diào)控力差，當(dāng)歸成藥率和產(chǎn)量均低，說明在甘南州秦艽輪作當(dāng)歸模式可以有效緩解當(dāng)歸連作障礙，改善當(dāng)歸產(chǎn)出性能。當(dāng)歸根病發(fā)病部位主要在根頭部，秦艽—當(dāng)歸輪作模式生態(tài)效應(yīng)明顯，可有效減少土壤毒副作用，奠定作物生長發(fā)育的良好生態(tài)環(huán)境。QJ-DG模式下當(dāng)歸成藥率在50%以上，較當(dāng)歸連作和羌活—當(dāng)歸輪作分別提高94.10%和183.77%。說明適宜作物輪作當(dāng)歸模式可改善農(nóng)田小氣候環(huán)境，促進(jìn)土壤可持續(xù)化生態(tài)利用。

致謝：卓尼縣佛賜藏中藥材公司楊育峰提供試驗地和幫助。甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)碩士生齊浩、周傳猛、楊慧珍、王華麗參與輪作茬口培育，碩士生王小琴、金彥博和郭一青參與當(dāng)歸栽培試驗及土壤理化特性測定。在此一并致謝。