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Effects of application of N, P and K and plant density on growth of Artemisia annua and yield of artemisinin

氮磷钾肥和密度对青蒿生长和青蒿素产量的影响



全 文 :氮磷钾肥和密度对青蒿生长和青蒿素产量的影响
杨水平1,杨宪1,2,黄建国1,李隆云3
(1.西南大学 资源环境学院,重庆400716;
2.重庆大学 生物工程学院,重庆400044;3.重庆市中药研究院,重庆400065)
[摘要] 目的:试验研究氮磷钾肥、种植密度及其组合对青蒿生长、青蒿素含量与产量的效应,为青蒿栽培青蒿素生产提供
理论依据。方法:采用L16(4
5)正交设计田间试验。结果:在合理用量范围氮磷钾肥显著增加青蒿生物量、叶产量、青蒿素含量和
产量,氮钾对青蒿素含量提升效应较磷强;高量的氮有利于叶产量,但过量的氮容易引起青蒿素含量降低,从而不利青蒿素产量;
高磷钾用量虽没有负效应,但进一步正效应并不显著。密度的增加显著降低青蒿单株生物量、叶产量和青蒿素产量,但适度密度
能显著提高群体生物量、叶产量和青蒿素产量,并有利光合产物形成叶产量;过高的密度会显著降低青蒿素含量而不利群体青蒿
素产量。本试验16个组合处理间,青蒿叶产量、青蒿素含量和产量相差很大,其中处理12(N肥3P肥4K肥2密度3)为最优组合,
可以获得最高小区叶产量和青蒿素产量,且青蒿品质最优。结论:合理施用氮磷钾肥和采用适度密度对青蒿优质高产栽培至关
重要,在试验所在青蒿产区,适宜的施肥为氮300kg·hm-2、磷(P2O5)150~300kg·hm
-2、钾(K2O)210kg·hm
-2,密度为2.5万
株/hm2。
[关键词] 青蒿;青蒿素;氮;磷;钾;密度;产量
[收稿日期] 20090325
[基金项目] 国家科技部攻关项目(2004BA721A32)
[通信作者]  黄建国,教授,主要从事植物营养研究。Tel:
13883177872,Email:huangjg@swau.edu.cn
[作者简介] 杨水平,副教授,主要从事药用植物培育与利用研究。
Tel:13036379503,Email:yangsp@163.com
  青蒿ArtemisiaannuaL.又名黄花蒿,为菊科蒿属
一年生草本,传统中药,具有清热解暑、除蒸、截疟的
作用[12]。其叶片及花蕾提取青蒿素,为目前青蒿素
类药物的唯一原料来源[1,34]。
绝大部分的商用青蒿素为栽培青蒿所提供。因
此,青蒿药材单位面积产量和青蒿素含量水平决定了
青蒿素类药物的生产成本。提高单位面积的产量,将
减少青蒿栽培的土地面积,节省青蒿生产的劳动力成
本;提高原料中青蒿素含量,将大大提高工业提取环
节的效益,据报道,青蒿素质量分数每提高1%将降
低60%~70%的工业成本[5]。
重庆酉阳是我国青蒿主产区,于20世纪80年代
初最早开始青蒿的人工种植,2000年开始种植规模
化,至2006年,提供了世界80%的商用青蒿素原料,
被称为“世界青蒿之都”。其优势在于高品质的种质
资源和较适宜的配套农艺栽培措施。
然而,青蒿种植历史还短,青蒿栽培技术更
多停留在传统农作物种植经验基础上,相关农艺
措施对青蒿产量和青蒿素含量的影响规律缺乏
试验研究和理论积累,有关施肥和密度少量零星
的研究[1,67]也难以适应青蒿主产区的情况,这制
约我国青蒿种植业的持续健康发展。本研究在
重庆青蒿主产区,通过田间试验,研究氮磷钾肥
和种植密度及其组合对青蒿生长量、青蒿素含量
与产量的作用规律,以期为产区青蒿的优质、高
产、高效种植提供依据。
1 材料和方法
1.1 试验地概况
试验地设在重庆西南大学试验农场。年平均气
温15℃,年降雨量1150~1384mm,年日照1104~
1369h。试验土壤为侏罗纪沙溪庙组砂页岩发育而
成的灰棕紫泥,微酸性壤土,有机质121g·kg-1,
全氮103g·kg-1,碱解氮981mg·kg-1,速效磷
136mg·kg-1,速效钾 788mg·kg-1,CEC210
cmol·kg-1。
1.2 试验样品
供试青蒿品种:华立1号,由重庆华立控股有限
公司提供。于2007年12月上旬播种,2008年3月
10日按设计密度移栽。
肥料来自市场:尿素(含N46%)、过磷酸钙(含
P2O512%)和氯化钾(含K2O60%)。
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1.3 试验方案
试验采用L16(4
5)正交设计,氮、磷、钾和密度4
个试验因子,每因子4水平,各水平数据参照上年度
产区生产情况而设置(表1)。16个处理,4次重复,
共64个小区,每小区面积20m2,随机排列。氮肥分
2次施入,分别于定植成活后(3月20日)、分枝封
行期(5月15日)各1/2,磷肥、1/2钾肥按各处理方
案作底肥于移栽前5d施入,另1/2钾肥于分枝封
行期(5月15日)与第2次施氮时同时施入。
表1 试验因素和水平
水平
尿素(N)
/kg·hm-2
过磷酸钙(P2O5)
/kg·hm-2
氯化钾(K2O)
/kg·hm-2
密度/
株/hm2
1 0(0)  0(0) 0(0) 15000
2 325(150) 1250(150) 175(105) 20000
3 650(300) 2500(300) 350(210) 25000
4 975(450) 3750(450) 525(315) 30000
1.4 测定指标与方法
1.4.1 生物量 青蒿现蕾前(8月25日)分地上、
地下部分分别采样,每小区采5株。地上部分晒干,
打落叶片混匀于40℃减压烘干称重、测青蒿素含
量,其余部分置75℃烘干称重,分别按单株和小区
计算:经济生物量(叶产量)、地上部的干重 =经济
生物量+枝干干重,总生物量 =根干重 +地上部的
干重,经济系数=经济生物量/总生物量×100%。
1.4.2 青蒿素含量 青蒿叶研磨过筛(40℃减压
烘干),超声萃取,高效液相色谱蒸发光散射检测器
(HPLCELSD)法测定[8]。
1.4.3 青蒿素产量 分别按单株青蒿和小区群体
计算。青蒿素产量=青蒿素含量×经济生物量。
1.5 数据分析
采用Excel和DPS软件进行统计分析。
2 结果与分析
2.1 对青蒿生长的影响
氮肥、磷肥、钾肥和种植密度4个试验因素对单
株青蒿、小区群体的总生物量和叶产量的影响都极
为显著(表2)。
表2 氮磷钾肥和密度对青蒿生物量影响显著性和极差
因素
单株/g
总生物量
P 极差
叶产量
P 极差
小区/kg·hm-2
总生物量
P 极差
叶产量
P 极差
经济系数/%
P 极差
N肥 <0001 174 0001 522 <0001 3425 <0001 1065 <0001 249
P肥 <0001 67 0002 193 0005 1085 002 335 0130 095
K肥 <0001 94 0001 267 0001 1740 0001 470 0073 109
密度 <0001 229 0001 51 <0001 3850 <0001 1015 0027 176
2.1.1 单株生物量 单株生物量反映青蒿的个体
生长状况,是群体生物量的基础。随着施肥水平的
提高,单株青蒿的总生物量和叶产量明显增加,总生
物量增加到水平3时都达到最大,叶产量到水平4
仍略有上升(图1)。表明就青蒿个体生长而言,氮
磷钾的合理施肥水平都应以水平3为宜,即 N300
kg·hm-2,P2O5500kg·hm
-2,K2O210kg·hm
-2。
种植密度的增加,则大幅度降低单株青蒿的生物量,
总生物量以最低密度(15万株/hm2)为最大,叶产
量以两低密度即水平 1(15万株/hm2)和 2(2万
株/hm2)并列最高。
从显著性P值、各水平间变幅和极差等指标综
合来看,影响单株青蒿生物量最大的因素是氮肥和
密度,其次为钾肥和磷肥。
2.1.2 小区群体生物量 小区群体生物量反映一
定土地面积上青蒿的群体生产特征,更能代表大田
生产实际状况(图1)。随着氮、磷、钾用量提高和种
植密度增加,小区群体的总生物量和叶产量均显著
增加,至水平3时达到或接近最大值,到水平4时或
缓慢回落或继续略有增加(如N的叶产量和密度的
总生物量)。表明就小区群体青蒿生长而言,比较
适宜的施肥和种植密度分别都为水平 3,即 N300
kg·hm-2,P2O5300kg·hm
-2,K2O210kg·hm
-2
和密度25万株/hm2,特别地,高水平施氮能生产
更多的叶产量。
与单株的情况相近似,4个试验因素中,氮肥和
密度对小区群体的总生物量和叶产量的影响较钾
肥、磷肥更大。
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A,C.单株;B,D.小区。
图1 氮磷钾肥用量、种植密度对青蒿总生物量和叶产量的影响
2.1.3 经济系数 叶是青蒿种植最终收获的部分,
本研究用经济系数即叶产量占总生物量的百分比这
一指标,来考察试验因素对青蒿生长过程中光合产
物在叶与其他部位(枝、茎、根)分配的影响。结果
表明,氮肥和密度能够改变青蒿光合产物的分配,分
别达到极显著、显著水平,而磷钾肥作用效应不显著
(表3)。随氮肥用量的增加,经济系数不断增大,表
明施氮肥有利于青蒿将更多光合产物转化形成叶产
量。密度的效应则呈抛物线的变化,密度过低(水
平1)和过高(水平4)下经济系数相对较低,而适度
的密度(水平3、水平2)有利于更多的光合产物形
成叶产量(图2)。
图2 不同氮磷钾肥用量和种植密度条件下的经济系数
2.2 对青蒿素含量和产量的影响
2.2.1 青蒿素含量 与传统农作物种植目标不同
的是,青蒿种植不仅追求经济部分的产量,更追求产
  表3 氮磷钾肥和密度对青蒿素含量和产量的影响
因素 水平
青蒿素质量分数
/g·kg-1
青蒿素产量
单株
/g
小区
/kg·hm-2
N肥 1 834b 0926d 209d
  2 886a 119c 250c
  3 871a 144a 309a
  4 807c 131b 287b
  P <0001 <0001 <0001
  极差 078 051 100
P肥 1 827b 109b 243b
  2 854a 122ab 262ab
  3 856a 127a 273a
  4 862a 129a 278a
  P 0002 0004 002
  极差 034 020 35
K肥 1 804c 101c 229c
  2 849b 121b 259b
  3 875a 132a 286a
  4 873a 133a 281a
  P <0001 0001 <0001
  极差 071 032 57
密度 1 853a 139a 209c
  2 863a 139a 278ab
  3 854a 117b 294a
  4 827b 091c 274b
  P 0002 <0001 <0001
  极差 036 048 87
品的品质即叶片中青蒿素含量水平,因为它决定后
续提取加工环节的成本和效益,在生产上有着极重
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要的意义。
氮、磷、钾肥和密度对青蒿素含量的影响极显
著,其中,氮、钾肥的影响较磷肥和密度更大(表3)。
适度施氮能显著提高青蒿素含量,施氮水平 2(N
150kg·hm-2)和水平3(N300kg·hm-2)青蒿素
含量显著高于不施氮水平1,但过量施氮(水平4,N
450kg·hm-2)青蒿素含量则大幅度下降至最低,显
著低于不施氮,这与 AyanogluF等结果[6]近似。施
钾能显著而持续提高青蒿素含量,高用量水平的钾
表现出一定的奢侈效应,对青蒿素含量没有明显的
负效应。施磷与施钾的情况近似,即施磷能提高青
蒿素含量,并且似乎不会产生过量的负效应;施磷各
水平之间不显著,说明施磷比钾更早和更容易出现
奢侈效应,即高水平磷用量进一步提高青蒿素含量
的意义不大。密度水平1~水平3青蒿素含量差异
并不显著,但过大过密的种植密度(水平4,3万株/
hm2)则显著降低青蒿素含量,这可能是过大密度使
叶片互相荫蔽影响青蒿素合成,映证了文献有关
“良好光照条件有利于青蒿素合成”[1]的观点。
本试验研究中,最有利于青蒿素含量优化方案
为施氮水平2(N150kg·hm-2)~水平3(N300kg
·hm-2),施磷≥水平 2(P2O5150kg·hm
-2),施
钾≥水平3(K2O210kg·hm
-2),种植密度≤水平3
(25万株/hm2)。
2.2.2 单株青蒿素产量 单株青蒿素产量由叶
的青蒿素含量和单株叶产量所决定。氮、磷、钾
肥和密度对单株青蒿素产量的影响都达到极显
著水平,其中,氮肥和密度的影响较磷钾肥更强。
施氮和随着氮肥用量增加,单株青蒿素产量因含
量和叶产量的同步提高而显著增加,但过高的用
氮(水平4)却因含量较大幅度下降而导致青蒿
素产量显著减少。磷、钾的效应相近,施肥能提
高青蒿素单株产量,但高水平施肥对产量难有进
一步明显提升,却也没有负效应。密度增大特别
是中高密度下,因叶产量和青蒿素含量同时下降
而单株青蒿素产量显著下降。
2.2.3 小区群体青蒿素产量 生产实践中,人们追
求的是一定种植面积上的青蒿素产量,即小区群体
青蒿素产量才是青蒿种植效益的最终评价指标。
小区群体青蒿素产量取决于叶的青蒿素含量和
小区叶产量。表3数据表明,氮肥、钾肥和密度对该
指标的影响达到极显著水平,磷肥达到显著水平。
氮肥的效应规律与对单株的结果相同,即施氮和一
定范围随着氮肥用量增加,小区群体青蒿素因含量
和叶产量的同步提高而产量显著增加,到水平3达
到最大值,但过多氮肥施(水平4)青蒿素产量因含
量降低而显著减少。适量的磷、钾施用能显著提高
小区青蒿素产量,高水平的磷钾既没有显著的进一
步增产效应,也没有明显过量负效应。合理的密度
有利于提高小区群体青蒿素产量,而过低和过高的
密度都有显著负效应。
按小区群体青蒿素产量最优的的方案为施氮水
平3(N300kg·hm-2),施磷≥水平2(P2O5150kg
·hm-2),施钾≥水平3(K2O210kg·hm
-2),种植
密度界于水平2(2万株/hm2)~水平3(25万株/
hm2)。
2.3 各处理组合比较与优选
试验方案中16个处理叶产量、青蒿素含量和青
蒿素产量的平均值及其多重比较。上述指标在不同
处理间高低相差悬殊,因此选优在生产上意义巨大
(表4)。
叶产量,小区最高为处理14,12,13,最低为处
理1,高低相差近28倍;单株最高为处理15,是最
低处理5的2倍多。
青蒿素含量各处理间差异相对较小,但高低相
差也超12倍,最高含量为处理8,10,7,12,9。
青蒿素产量,小区最高为处理12,14,最低为处
理1,高低相差大于32倍;单株最高为处理10、处
理9,高低也达23倍。
小区产量比单株更具有生产上的实践意义,因
此选择青蒿素含量和小区产量作为指标进行优选,
结果表明处理12(N肥3P肥4K肥2密度3,即 N300
kg·hm-2,P2O5450kg·hm
-2,K2O105kg·hm
-2,
密度25万株/hm2)能够获得最高的小区青蒿素产
量、小区青蒿叶产量,同时青蒿品质含量最好,因此
为最优试验组合,可以推荐运用于青蒿种植生产中。
3 结论与讨论
3.1 单因素效果
氮磷钾肥和种植密度对青蒿生物量积累、青蒿
素含量与产量都有较大影响,表明合理的肥料用量
和密度对青蒿种植十分重要。其中氮肥和密度对青
蒿个体和群体的生物量作用效果较磷、钾肥大,
氮、钾肥对叶片青蒿素含量的影响比磷肥和密度更
为突出。
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表4 试验处理的多重比较
处理
叶产量
小区/kg·hm-2 单株/g/株
青蒿素质量分数
/g·kg-1
青蒿素产量
小区/kg·hm-2 单株/g/株
1 1486g 99hi 767g 114g 076h
2 2520f 126fg 864cde 217f 109f
3 2975def 119fg 875bcd 261def 104f
2954def 98hi 833ef 246ef 082gh
5 2700f 90i 831ef 224ef 075h
6 2881ef 115gh 823ef 237ef 095fg
7 3360cde 168cd 907ab 305bcd 152b
8 2513f 168cd 923a 232ef 154b
9 3580bc 179abc 891abc 319b 159ab
10 2831ef 189ab 918a 260def 173a
11 3518c 117fgh 837def 294bcd 098f
12 4063ab 163cd 897abc 364a 146bc
13 3838abc 154de 821ef 315bc 126de
14 4095a 137ef 810f 333ab 111ef
15 2865ef 191a 805fg 231ef 154b
16 3405cd 170bcd 793fg 270cde 135cd
  氮肥增加青蒿生物量积累,提高叶产量,并随氮
肥用量的增加而促进更多光合产物转化形成叶产
量;适度的氮肥显著提高青蒿素含量和产量,但容易
过量,过量的氮会大幅度降低叶片青蒿素含量,从而
降低青蒿素产量,因而把握氮肥用量很重要。综合
群体产量和青蒿品质含量而言,最适宜的施氮水平
为尿素650(N300)kg·hm-2(水平3)。
磷肥增加高青蒿生物量积累和叶产量,提高叶
片青蒿素含量和产量,不会因过量而产生负效应,但
高水平施磷对生物量积累、叶产量、青蒿素含量和产
量的进一步提升效应并不显著,磷对青蒿光合产物在
叶和其他部位间的分配也没有明显效果。综合磷肥
效应和肥料效益,最适宜的施磷水平为过钙
1250~2500(P2O5150~300)kg·hm
-2(水平2~水
平3)。
钾肥与磷肥相似效应,但提高青蒿素含量的作
用较磷更强。最适宜的施钾水平为氯化钾350(K2O
210)kg·hm-2(水平3)。
青蒿个体植株的总生物量和叶产量随种植密度
增大而显著减少,但适当增大密度能提高群体总生
物量和叶产量,也有利光合产物形成叶产量;过高的
密度会显著降低青蒿素含量,因而降低群体青蒿素
产量。适宜的种植密度为25万株/hm2(水平3)。
3.2 试验组合优选
本试验16个组合处理彼此间的叶产量、青蒿素
含量与产量高低差异大,其中,处理12(N肥3P肥4K
肥2密度3,即N300kg·hm
-2,P2O5450kg·hm
-2,
K2O105kg·hm
-2,密度25万株/hm2)为最优试验
组合,可以获得最高小区叶产量和青蒿素产量,青蒿
品质最优。建议进一步试验比较处理12与各单因
素最优的组合(即N肥3P肥2K肥3密度3,N肥3P肥3
K肥3密度3),并推广到酉阳青蒿产区生产实践中。
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EfectsofapplicationofN,PandKandplantdensityongrowthof
Artemisiaannuaandyieldofartemisinin
YANGShuiping1,YANGXian1,2,HUANGJianguo1,LILongyun3
(1.ColegeofResourceandEnvironment,SouthwestUniversity,Chongqing400716,China;
2.BioengineeringColege,ChongqingUniversity,Chongqing400044,China;
3.ChongqingAcademyofChineseMateriaMedica,Chongqing400065,China)
[Abstract] Objective:TostudytheefectsofdiferentdosesoffertilizerN,PandKanddiferentplantdensitiesonthegrowth
ofArtemisiaannuaandtheyieldofartemisininwhichprovidesascientificbasisfortheAannuacultivationandartemisininproduc
tion.Method:FieldexperimentwithanorthogonalexperimentaldesignL16(45)wasapplied.Result:N,PandKinmoderatesup
pliesincreasedsignificantlytotalbiomass,leafyield,artemisinincontentinleafandartemisininyieldunderbothperplantandper
plot,withNandKhavingmoreefectiveontheartemisinincontentinleavesthanP.AmpleNbenefitedtheformationofleafyield,but
excessNhadasignificantnegativeefectonartemisinincontent.ExtrasupplyofPorKhadhardlyobviousfatherpositiveeficiency,
nornegativeonartemisinincontent.Theplantdensityhadstrongnegativeefectsontotalbiomass,leafoutputandartemisininyieldof
singleplant(perplant),butobviouspositiveefectsonthesameindicesofpopulation(perplot)withthemoderatedensitiesdueto
theenlargingnumbersofthepopulation;overcrowdeddensitysignificantlydecreasedartemisinincontentandartemisininyieldper
plot.Bymultiplecomparison,thetreatment12(N3P4K2density3)whichproducedthehighestyieldsofartemisininandartemisinin-
richleafperplotwasselectedasthebestintheexperiment.Conclusion:FertilizationquantitiesofN,PandKfertilizerandmoderate
densitywereessentialforAannuagrowthandartemisininproduction.TheoptimalapplicationofN,PandKwererespectively300
(N),150300(P2O5),210(K2O)kg·hm
-2andtheoptimumdensitywas25000plant·hm-2nearbythetestareainChongqing.
[Keywords] Artemisiaannua;artemisinin;nitrogen;phosphorus;potassium;density;yield
[责任编辑 吕冬梅]
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第34卷第18期
2009年9月
                           
Vol.34,Issue 18
 September,2009