一种提升药用植物产量和有效成分含量的种植方法

1.本发明属于药用植物种植技术领域，尤其涉及一种提升药用植物产量和有效成分含量的种植方法。


背景技术：

2.中草药，主要由药用植物的根、茎、叶、果等组成，在医学治疗方面具有较高的特效性、安全性等优点。在我国，将药用植物运用于医学已有两千多年的历史，是我国医药学的一个重要组成部分。在药用植物中，以太子参为例进行说明：太子参，是一种常见的多年生草本药用植物，属于石竹科，其药用部位为块根，呈细长纺锤形或细长条型。主要功效包括，益气健脾，生津润肺，多用于治疗脾虚体倦、食欲不振、病后虚弱、气阴不足、自汗口渴、肺燥干咳等。基于其药用功效，现有文献将其纳入预防和治疗新型冠状病毒的代表性中药材之一(shi等，2020)。太子参多糖，是太子参所含的主要活性成分，具有重要的药理作用。我国中草药相关文献，如《中华道地药材》中，将太子参多糖含量作为评价太子参品质的一个重要指标。在香港特别行政区卫生署提出的香港中药材标准中，太子参块根总多糖含量须大于块根干重的6％。
3.上世纪70年代后，栽培太子参取代野生太子参资源成为供应主体，其主要栽培产区包括贵州施秉县、福建柘荣县、安徽宣城市等。随着太子参在保健品、化妆品等方面的广泛应用，多地将太子参作为精准扶贫推广种植的中药材之一。然而，连续多年种植太子参会造成太子参长势变弱、产量和品质下降的现象(冯业强等，2010)，其主要原因在于土壤营养元素的亏缺、土壤病原微生物的增长和植物自毒等。因此，改善种植中草药的土壤环境，提高药用植物的产量和其药用活性成分对我国中药材的供给和出口贸易等具有重要意义。
4.目前提高药用植物的产量和其药用活性成分的方法有：(1)直接施肥；常用肥料为尿素、过磷酸钙、硫酸钾等，现有研究指出施肥可以有效改善太子参根部土壤环境(刘帮艳等，2018)，吴玉香等(2017)则表示，不同氮磷钾肥对太子参产量及多糖有显著影响，建议按照施肥量(尿素668～1002kg/hm2，钙镁磷肥1167～2333kg/hm2，硫酸钾360kg/hm2)以同时提高太子参产量和多糖含量；(2)植物生长调节剂；马迎莉等(2018)研究发现适当浓度的萘乙酸(尤其10mg/l)处理可显著增加太子参块根产量，韦德群等(2019)推测在太子参不定根生长期和块根膨大期分别用适宜浓度的赤霉素和脱落酸处理，可增加太子参产量；(3)环境友好型土壤添加剂；少量文献提出了将考虑到废物循环利用的土壤添加剂运用于中草药耕种土壤，改善其性质，陈建清等(2016)研究发现单独施用生物炭对药用植物三七的株高以及根、茎、叶的生物量有明显提升的作用，但对其药用成分的影响尚未明确。专利cn107801549a号发明了利用脱硫石膏、活性炭、粉煤灰等复合添加剂提高盐碱地中黑果枸杞的成活率和产量。然而目前，此类环境友好型土壤添加剂对太子参产量及品质的影响仍然未知。
5.但是现有技术仍存在以下缺陷：(1)大量使用化肥不利于生态环境可持续发展：有研究表明，太子参对肥料较为敏感，施肥太多会导致叶片过绿、抵抗力差，有减产的趋势(吴
玉香等，2017)；其次，当施肥量超过植被吸收和土壤养分保持能力时，溶解于土壤水环境中的肥料会流入周围水源，引起水体富营养化等环境问题；除此，单一肥的大量添加容易导致土壤发生酸化或碱化等，微生物平衡也遭到破坏，进而不利于发展可持续的药用植物种植，比如，氯化钾肥的过度施用容易造成土壤板结、酸化，从而影响植物生长；磷肥中含有重金属元素(镉、砷、铅等)，长期施用加大土壤污染风险；氮肥的长期施用不仅使土壤碳氮比失调，土壤微生物平衡失调，而且氮肥中的硝酸盐还可与土壤中胺类化合物反应产生强致癌物质(亚硝胺)，从而造成土壤污染，影响植物质量；(2)植物生长调节剂使用会引起潜在的安全问题：首先，虽然生长调节剂的施用部位为植物的地上部分，但仍会不可避免的进入土壤，由于很多植物生长调节剂理化性质稳定，降解缓慢，因此会造成一定程度的土壤污染；其次，目前我国药用植物种植中，滥用调节剂问题极为突出，因此很多文献均不提倡盲目使用植物生长调节剂(谷小红等，2017)；(3)使用环境友好型添加剂对药用植物活性成分研究相对局限：相比于化肥和植物生长调节剂，考虑到废物循环利用的环境友好型土壤添加剂更具优势和应用前景，然而，目前针对此类土壤添加剂对药用植物的活性成分的研究相对匮乏和局限；此外，考虑到太子参多糖的形成多是以光合作用产物为原料，只使用土壤添加剂对光合作用效率和碳水化合物的形成的促进作用也是相对局限的。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于克服上述现有技术的不足之处，提供一种环境友好型提升药用植物产量和有效成分含量的种植方法。
7.为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种提升药用植物产量和有效成分含量的种植方法，所述种植方法包括备土、搭棚、播种、培育、收获步骤；所述备土为将生物炭与土壤混合均匀后孵化；所述搭棚为搭建药用植物种植大棚，并设定大棚内二氧化碳浓度为700-1000ppm。
8.本发明技术方案提供的一种提升药用植物产量和有效成分含量的种植方法中，采用生物炭和二氧化碳的耦合协同增效作用来促进药用植物的药用部位的产量和其活性成分的含量；其中，第一方面生物炭具有综合高效改善土壤环境的特性，将其应用于药用植物耕种土壤，生物炭本身所持有的营养元素进入土壤水环境中，可以为药用植物的生长提供必需的养分；第二方面生物炭具有发达的微孔结构和较大的比表面积，因此其对土壤孔隙水和营养元素具有较高的吸附作用，因此对养分的释放具有缓释性等特征，能够避免土壤的富营养化，也能够持续不断的为药用植物提供养分；第三方面，生物炭发达的微孔结构和相对较大的比表面积能够为微生物的生长繁殖提供场所，有利于增强土壤微生物活性和多样性，改善土壤环境，在此基础上，微生物的生长繁殖过程产生的微量元素也能够促进药用植物的生长；第四方面，生物炭中富含的含氧官能团可以有效吸附土壤污染物，起到净化土壤环境的作用，也能避免土壤污染物尤其是重金属等被药用植物吸收，降低药用植物的质量。二氧化碳为空气中常见的化合物，价格成本低，将其应用于药用植物的种植中，相对经济实用。在提升药用植物产量和有效成分含量上：一方面，二氧化碳是光合作用必要反应物，一定程度的提高二氧化碳的浓度能够安全有效的提高植物的光合作用效率，进而提高植物体内碳水化合物的合成和生物量的积累；另一方面，二氧化碳浓度的提升能够减少植物叶片的气孔导度，随之提高植物的水分利用效率，减少灌溉频率及耗水量，节约资源；
9.生物炭和二氧化碳的同时使用的耦合协同效应主要体现为：第一方面，较高的二氧化碳浓度可以促进植物根系的生长，增加根系分泌物从而促进了微生物和土壤酶的活性，因此，生物炭中的更多营养元素被溶解，土壤尤其根系的有效性营养元素的浓度得以增加；第二方面，较高的二氧化碳浓度促进了植物光合作用，因此潜在增加了植物对养分的需求，生物炭作为一种环境友好型土壤添加剂，不仅自身提供了较多植物有效性营养元素并改善土壤环境，而且在高二氧化碳浓度下，生物炭中营养元素更大程度地溶解，满足植物的生长需求；第三方面，生物炭和二氧化碳的耦合效应可以最大程度地增加光合作用效率及碳水化合物的积累，在高二氧化碳浓度下，叶片中的叶绿素含量、叶面积等成为了药用植物更大程度进行光合作用的限制因素，一方面，由于氮是叶绿素的重要组成成分，磷是光合作用尤其碳反应中的重要元素，生物炭作为土壤添加剂的应用增加了土壤中氮、磷等营养元素的供给，有利于叶绿素的合成和光合作用的提升，另一方面，生物炭中养分的供给也促进了药用植物叶片面积的扩增，进而增加了植物表面的光截获，亦可促进光合作用，生物炭的施用为光合作用提供了养分来源，进而通过协同作用加强了二氧化碳对光合作用的促进。
10.作为本发明所述种植方法的优选实施方式，所述有效成分为总多糖。
11.作为本发明所述种植方法的优选实施方式，所述设定大棚内二氧化碳浓度为1000ppm。
12.优选的大棚内二氧化碳浓度在上述范围内，能够避免由于二氧化碳浓度过高引起的药用植物叶片气孔的过度闭合，进而过多地减少蒸腾作用及养分(氮、磷、钾等)吸收的问题。
13.作为本发明所述种植方法的优选实施方式，所述药用植物包括太子参、三七、天麻、黄芪、紫草、芦荟、石斛中的任意一种。
14.上述药用植物中主要的药用部位是块根、块茎等位于土壤下的部分，或主要的药用活性成分是多糖类物质，因此，在本发明提供的技术方案下，能够很好的提升产量和有效成分的含量。
15.作为本发明所述种植方法的优选实施方式，所述药用植物包括太子参。
16.优选太子参作为本发明技术方案种植方法的药用植物，一方面是由于太子参喜好中性偏弱酸性土壤环境，生物炭相对偏高的ph有利于中和多余的土壤酸性，改善土壤环境；此外，太子参的药用部位块根生长于土壤中，属于地下部分，与土壤直接接触，因此土壤的密度和压实度等将直接影响着中草药植物地下部分根系的生长，不定根的发育以及其经济效益；生物炭的加入减小了土壤的容重，因此减小了太子参不定根在土壤中伸长和膨胀的阻力，有利于其生长发育；另一方面是由于太子参多糖是由多个单糖分子脱水聚合，以糖苷键连接而成的，因此光合作用产物为多糖合成的重要原料，本发明中在种植大棚内提高的二氧化碳浓度可以通过增加光合作用效率及其产物，使太子参多糖的合成原料得以增加，进而有效促进太子参多糖的合成；因此，优选太子参作为种植药物植物，能够显著的提升其产量和有效成分的含量。
17.作为本发明所述种植方法的优选实施方式，所述生物炭的ph值为6.9-10，比表面积为1.5-500m2/g，比重为1.5-2。
18.优选生物炭的比表面积在上述范围内，一方面能够避免生物炭的比表面积过小导致的对土壤孔隙水的持有效果减弱和对土壤污染物固定特性减弱等的问题，另一方面能够
避免生物炭的比表面积过大导致与土壤混合时，对土壤中营养元素的过度吸附，进而减少其植物有效性而影响后续药用植物的生长的现象。
19.作为本发明所述种植方法的优选实施方式，所述生物炭的制备方法包括以下步骤：称取生物炭原料烧制、冷却、过筛、收集筛下物，得生物炭；所述生物炭原料包括花生壳、竹子、水稻杆、小麦秸秆中的至少一种；所述过筛为过直径为2mm的筛网。
20.上述生物炭的制备方法中是以废弃的生物质能原料烧制而成的产物，将其进一步利用于药用植物的种植中，不仅有利于废弃物的二次利用，还能将碳以固体形式封存，成为埋在土壤中的碳汇，有利于碳中和目标。
21.作为本发明所述种植方法的优选实施方式，所述烧制的温度为500-600℃。
22.作为本发明所述种植方法的优选实施方式，所述生物炭中含有以下质量百分数的植物营养元素：氮》3％、磷》0.5％、钾》1.5％、钙》5％、铁》1.5％、镁》1％、总有机碳含量》20％。
23.作为本发明所述种植方法的优选实施方式，所述生物炭中重金属的含量不能超过相关标准(who，gb15618-2018)：镉《0.3mg/kg、汞《1.3mg/kg、砷《40mg/kg、铜《50mg/kg、铅《70mg/kg、铬《150mg/kg、镍《60mg/kg。
24.作为本发明所述种植方法的优选实施方式，所述生物炭与土壤的质量比为(1-5)：100。
25.作为本发明所述种植方法的优选实施方式，所述生物炭与土壤的质量比为(3-5)：100。
26.生物炭和土壤的质量比在上述范围内时，能够提供足够的营养元素并保持良好的缓释效果，还能更好的发挥其增加土壤持水特性、缓解土壤酸性等特点；当生物炭的加入量过多，导致可溶性离子的浓度升高，可造成潜在的盐分胁迫。除此，生物炭中可能存在的元素如氯等，可在生物炭过多添加时影响药用植物的生长，从而降低药用植物的产量和品质。
27.作为本发明所述种植方法的优选实施方式，所述土壤包括贵州红土、东北黑土、黄土或砂质土壤。
28.作为本发明所述种植方法的优选实施方式，所述土壤在于生物炭混合前先进行风干、粉碎、过筛、取筛下物，再与生物炭混合，所述过筛为过直径为4.75mm的筛网。
29.作为本发明所述种植方法的优选实施方式，所述孵化的时间为0.5-2个月。
30.作为本发明所述种植方法的优选实施方式，所述孵化的过程中保持土壤含水率为30-45％，土壤压实度为50-70％。
31.孵化过程能够有效的帮助生物炭中的营养成分在土壤中均匀分布，并促进微生物及土壤酶的活性，使得在播种的起始阶段，土壤中存在一定量的植物有效的营养成分，从而有利于种子的发芽和前期的生长，而缺少孵化过程会导致前期种子营养不足，进而导致产量和有效成分含量的减少。
32.作为本发明所述种植方法的优选实施方式，所述播种过程中播种深度为50-80mm，种间间距为50-70mm。
33.作为本发明所述种植方法的优选实施方式，所述培育过程中浇水的频率为4-8天/次。
34.作为本发明所述种植方法的优选实施方式，所述培育的过程中保持土壤含水率为
30-45％、空气湿度为50-70％、温度为10-28℃。
35.作为本发明所述种植方法的优选实施方式，所述培育过程中光照时间为12-16小时、光照时的光源强度为150-300μmol/(m2s)、波段为400-700nm。
36.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
37.第一：本发明技术方案提供的提升药用植物产量和有效成分含量的种植方法中选用生物炭和二氧化碳联合使用，能够有效的发挥两者的协同作用，经济环保高效的达到提升产量和有效成分含量的目的；
38.第二：本发明的技术方案中还提出了添加的生物炭能够改善土壤环境，其适用土壤种类广，可以适用于酸性土壤或污染土壤，比如重金属污染土壤等，并且其还能配合其他土壤添加剂或肥料使用，因此，整体的应用范围广。
具体实施方式
39.为更好的说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合具体实施例对本发明作进一步说明。
40.实施例1
41.本实施例提供一种种植方法，具体制备方法包括以下步骤：
42.(1)备土：取贵州红土，将其风干、粉碎，并过4.75mm筛，取筛下土壤颗粒备用；取花生壳，将其在500℃下烧制，得生物炭，其中生物炭的ph值为6.98，比表面积为82m2/g，比重为1.56，接着将生物炭过2mm筛，取筛下物，并将其与土壤颗粒混合，两者的质量比为生物炭：土壤颗粒为3:100；接着往土壤颗粒和生物炭的混合物中加水，使得整体的含水量为40％，最后置于25℃下孵化0.5个月；孵化结束后，将其按照压实度为65％转入植物盆中，其中，植物盆为圆柱体，直径为240mm，高为160mm，每个盆底部有6个排水孔；
43.(2)搭棚：二氧化碳棚为长方体，长宽均为1.2m，高为2m，通过钢支架支撑，用密致不透气布料外搭覆盖，大棚内壁用铝制面料包裹，以减少外界环境对大棚内光线、温度、气体环境的影响；二氧化碳由二氧化碳压缩储存罐通过连接管道输送到大棚内，在大棚内安装二氧化碳浓度监测控制器，以实时监测种植大棚内二氧化碳气体浓度，大棚内二氧化碳浓度设定为1000ppm；当大棚内二氧化碳浓度高于设定浓度值，二氧化碳供应输送通道会自动断开；当大棚内二氧化碳浓度由于植物光合作用的吸收而低于设定值时，二氧化碳供应输送通道会重新打开，使大棚内二氧化碳气体浓度保持在既定值附近；
44.(3)播种：选取大小均匀、相对饱满的黔太子参一号的种参将其平放掩埋于土壤深度60mm处，每个植物盆中均匀放置7个种参，种参放置间距为60mm。每个环境条件下，重复组为21个植株(3个植物盆)；
45.(4)培育：直立式的换气风扇通过管道连接于安装在大棚顶部中心位置的照明灯上，管道将灯周围空间与大棚内气体隔开，通过开启风机使灯周围管道内气体流通，以排出灯光产生的热效应对大棚内植物生长的影响，同时不影响大棚内气体浓度；室内照明灯至植物盆处的光强为200μmol
·
(m-2
s-1
)，波段在400-700nm；每天开灯12小时，然后关灯12小时，以模拟白天和夜晚的光强变化；大棚内湿度为60％
±
5％，温度为28℃
±
2；种植时间为4个月，期间每4-8天浇一次水，保持土壤含水量约为40％；
46.(4)收获：种植4个月后得太子参。
47.实施例2
48.本实施例提供的种植方法中与实施例1的唯一区别在于生物炭：土壤颗粒为5:100。
49.对比例1
50.本对比例提供的种植方法中与实施例1的唯一区别在于大棚内二氧化碳浓度设定为400ppm。
51.对比例2
52.本对比例提供的种植方法中与实施例1的唯一区别在于大棚内二氧化碳浓度设定为400ppm，生物炭：土壤颗粒为5:100。
53.对比例3
54.本对比例提供的种植方法中与实施例1的唯一区别在于土壤中不添加生物炭。
55.对比例4
56.本对比例提供的种植方法中与实施例1的唯一区别在于大棚内二氧化碳浓度设定为400ppm且土壤中不添加生物炭。
57.效果例
58.本效果例对实施例1-2和对比例1-4制备得到的太子参进行产量和太子参块根内多糖含量的检测，其中产量是将块根在同一条件下干燥后测其干重，多糖含量是采用同一提取方法后干燥测其含量，具体测试结果见表1；
59.表1：实施例1-2和对比例1-4制备得到的太子参的块根干重及块根中总多糖含量数据记录表
[0060][0061][0062]
从表1中可以看出，当采用本发明的技术方案时，得到的太子参的块根质量在0.25g以上，块根中总多糖的含量在42.5％以上，与对比例4相比，其中对比例4相当于普通种植，不添加生物炭且不额外在空气的基础上补充二氧化碳，可以发现，实施例1-2得到的太子参的块根质量和块根中总多糖的含量都明显高于对比例4中相应的数值，说明本发明提供的种植方法能够显著的增加太子参的产量和有效成分的含量；
[0063]
从实施例1和对比例1和对比例3的数据中可以看出，无论是对比例1中的不额外在空气中二氧化碳的基础上补充二氧化碳，还是对比例3中的不添加生物炭，对比例1中只添加生物炭，对比例3中只补充二氧化碳，取得的效果都没有实施例1中的效果好，其中，对比例1中块根的质量降低了56.8％、总多糖的含量降低了35.9％，对比例3中块根的质量降低了65.9％、总多糖的含量降低了11.2％；即单独添加任何一种都没有两者同时添加的效果好，由此说明，本发明提供的种植方法中生物炭和二氧化碳是具有协同增效的作用的。
[0064]
最后应当说明的是，以上实施例以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围
的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。