金银花(Lonicera japonica)又名忍冬，为多年生半常绿或落叶灌木，具有清热解毒、抗菌消炎和抗氧化等功效^[1]。金银花在我国分布范围广泛，山东、河南、河北、湖北、江西等地均有种植，其中以山东临沂、河南封丘和河北巨鹿等地最为著名^[2]。

中药材质量与土壤、地形、气象和生物等因素密切相关^[3-5]，土壤质量直接或间接影响金银花的品质^[6-7]。金银花作为重要的中药材，所含化学成分复杂，主要起活性成分的物质是绿原酸和木犀草苷，这两种成分常作为评判金银花品质优劣的指标。近些年有关金银花土壤理化性质与其品质之间的关系成为研究热点^[8]。已有研究表明金银花产区土壤主要受母质影响，最适合金银花的土壤类型是中性或稍碱性的砂质壤土^[9]，另外，土壤环境干旱也会影响金银花花蕾中的绿原酸含量^[10-11]。施肥对金银花品质的影响主要表现在磷肥可提高绿原酸的含量，过量施氮会降低花中绿原酸的含量^[12-13]。

山东临沂市是我国金银花种植的主要区域之一，2013年种植面积约7.23万hm²，总产约3.36万t，收入逾20亿元，已成为临沂市优势特色产业^[14]。综合来看，前人对金银花的研究多集中于其药用价值、生物学特性和施肥管理^[15-17]等方面，只是从外在环境对影响金银花品质的因素进行探讨，并没有对金银花立地土壤状况进行系统的调查，无法探寻影响金银花生长的主要土壤限制因子，利用统计学方法综合评价金银花种植区土壤肥力方面的文献更是鲜有。本研究以山东临沂市的金银花种植区————平邑县和费县为研究对象，通过采集代表性样点土壤，分析土壤肥力多项指标，用土壤综合肥力指数评价土壤肥力，通过土壤-金银花对应调查和分析，探究土壤肥力指标与金银花生长及品质之间的关系，为研究区金银花合理区划、规范化种植和养分管理提供参考依据。

1 材料与方法 1.1 研究区概况

研究区位于山东省临沂市平邑县和费县，整个区域山地、丘陵和平原居多，平均海拔在400 m以下，是山东省重要的金银花种植区。该区自然条件较好，属暖温带季风大陆性气候，四季分明，年平均气温14.1℃，极端最高气温36.5℃，最低气温-11.1℃，年平均降水量849 mm。研究区土壤母质多为经风化作用使岩石破碎形成的碎屑，土壤质地较砂。因独特的自然环境和土壤理化性质，尤其适合金银花等药用植物的种植。

1.2 样品采集

2018年7月进行了目标样株的调查与选择，根据不同土壤类型、地理位置、种植规模并遵循空间上相对均匀的原则，在研究区共布设了100个样点(图 1)，其中流域镇32个样点，郑城镇42个样点，新庄镇24个样点。用土钻在植株根系外围采集3 ~ 5钻0 ~ 20 cm表层土样，去杂、混匀、风干、研磨后制备土样供土壤理化性质的测定。并于2019年5月采收各样点植株花蕾。由于金银花采收时间较长，又分不同花茬，农户很难将单株花蕾收集完整，且样点分布零散、范围广，花蕾主要依赖各家农户代为收集，产量数据的准确性无法保证，故根据采集的植株冠幅和枝条数作为生长指标，一定意义上能够反映金银花的产量。

1.3 测定指标及方法

土壤粒径分析采用吸管法，质地采用USDA制，pH测定用电位法(水土质量比为2.5∶1)，阳离子交换量(CEC)测定用乙酸钠-乙酸铵-乙醇浸提-火焰光度法，有机质测定用重铬酸钾氧化-容量法，有效磷测定用碳酸氢钠浸提-钼锑抗显色法，速效钾测定用醋酸铵浸提-火焰光度法，有效态铁、锰、铜和锌测定用DTPA浸提ICP-AES法，有效硼测定用热水浸提ICP-AES法^[18]，土壤全量养分测定用HNO₃- HCLO₄-HF消化法^[19]；金银花全量养分测定用H₂SO₄- H₂O₂消化法，绿原酸和木犀草苷含量测定采用高效液相色谱法^[20]。

1.4 土壤综合肥力评价

土壤综合肥力指数(integrated fertility index, IFI)计算公式如下：

$IFI = \sum\limits_{i = 1}^n {Fi \times Wi} $

(1)

式中：Fi为第i项评价指标的隶属度值；Wi为第i项评价指标的权重；IFI取值范围在0 ~ 1，该值越接近于1，土壤肥力越高。

1) 肥力指标隶属度值的确定。确定各个肥力指标的隶属度函数模型，计算隶属度值^[21]，常见的隶属度函数模型有抛物线型和S型。其中，土壤pH、砂粒含量和粉粒含量等指标通常应用抛物线型隶属度函数，相应的隶属度函数为：

$f(x) = \left\{ {\begin{array}{*{20}{l}} {9(x - {x_3})/({x_4} - {x_3}) + 0.1}&{{x_3} < x < {x_4}}\\ {1.0}&{{x_2} < x < {x_3}}\\ {0.9(x - {x_1})/({x_2} - {x_1}) + 0.1}&{{x_1} < x < {x_2}}\\ {0.1}&{x \le {x_1}或 x \ge {x_4}} \end{array}} \right. $

(2)

土壤有机质、全氮、全磷、全钾、有效磷、速效钾含量及CEC等应用S型隶属度函数，相应的隶属度函数为：

$f(x) = \left\{ {\begin{array}{*{20}{l}} {1.0}&{x \ge {x_2}}\\ {0.9(x - {x_1})/({x_2} - {x_1}) + 0.1}&{{x_1} < x < {x_2}}\\ {0.1}&{x \le {x_1}} \end{array}} \right. $

(3)

式(2)和(3)中的x₁、x₂、x₃、x₄代表两种隶属度函数在不同转折点的值。本研究根据作物土壤特征及相关研究结果^[22]，确定了本文中隶属度函数转折点的取值(表 1)。

2) 土壤肥力指标权重的计算。通过各项肥力指标之间的相关分析，得到对应的相关系数，获得某一指标与所有指标相关系数的平均值(不包括该指标自身的相关系数)，将该平均值与所有肥力指标相关系数平均值总和的比值作为该肥力指标的权重，又叫相关系数法^[23-24]。本研究为了明确适宜金银花生长的土壤肥力指标，对土壤各项肥力指标的权重确定方法进行了改进，具体方法是将各项土壤肥力指标分别与金银花的生长及品质指标如冠幅、枝条数量、绿原酸及木犀草苷含量的相关系数平均值总和的比值作为该肥力指标的权重，这样得到的土壤肥力指数可能更好地反映土壤质量与金银花生长和品质的关系。

1.5 数据处理与分析

试验数据采用Microsoft Excel 2016软件进行处理，采用IBM Statistics SPSS 22.0、Origin 8.0软件进行数据统计分析，结果采用LSD法在P < 0.05水平上进行显著性分析。

2 结果与分析 2.1 土壤肥力指标描述性统计

对100个调查样点土壤肥力指标进行统计(表 2)，结果显示，土壤pH介于4.52 ~ 8.06，平均为5.93；CEC介于7.12 ~ 44.27 cmol/kg，平均为18.4 cmol/kg；有机质含量介于4.24 ~ 39.43 g/kg，平均为14.94 g/kg；全氮含量介于0.27 ~ 2.33 g/kg，平均为1.03 g/kg；全磷含量介于0.24 ~ 2.84 g/kg，平均为0.87 g/kg；有效磷含量介于2.08 ~ 55.03 mg/kg，平均为11.05 mg/kg；全钾含量介于7.67 ~ 28.96 g/kg，平均为19.51 g/kg；速效钾含量介于23.7 ~ 141.3 mg/kg，平均为31.25 mg/kg；土壤有效态铁、锰、铜、锌、硼含量分别介于5.96 ~ 718、7.84 ~ 126.5、0.54 ~ 9.35、0.72 ~ 20.86、0.03 ~ 1.53 mg/kg，平均分别为118、35.23、2.04、2.65、0.18 mg/kg。土壤颗粒组成以砂粒和粉粒为主，平均含量分别为540 g/kg和330 g/kg。从变异系数看，pH、CEC、有机质、有效磷、全氮、全磷、全钾、有效铁、有效锰、颗粒组成为中等变异(变异系数介于10% ~ 100%)，速效钾、有效锌和有效硼为强度变异(变异系数≥100%)。

参考全国第二次土壤普查制定的土壤养分分级标准(表 3)，研究区85% 土壤样点有机质含量处于中等以下水平；13% 样点土壤全氮含量处于极度缺乏水平，18% 处于很缺乏水平，21% 处于一般缺乏水平，35% 和13% 分别处于中等和很丰富水平；66% 样点土壤全磷含量处于中等及以上水平，其中极丰富水平占24%；93% 样点土壤全钾含量处于中等及以上水平；64% 样点土壤有效磷含量处于中等水平以上；所有土壤样点速效钾含量处于中等及中等水平以下，其中62% 样点处于极缺乏水平；中微量元素有效态铁、锰含量丰富，有效态铜、锌含量处于中等水平，有效硼含量整体偏低。

2.2 金银花绿原酸和木犀草苷含量

绿原酸和木犀草苷含量是金银花重要的品质指标。研究区金银花绿原酸含量为2.00% ~ 4.50%(表 4)，全部符合国家药典标准(≥1.5%)^[20]，其中以郑城镇含量最高，新庄镇含量最低，分别为3.22%和2.67%；木犀草苷含量范围为0.025% ~ 0.090%，其中约有45.8% 符合药典标准(≥0.05%)^[20]。

2.3 土壤综合肥力指标值特征

对金银花的长势、品质与土壤肥力指标进行相关分析，得到相关系数矩阵(表 5)。根据改进后的相关系数法，得到最终的IFI值，IFI介于0.20 ~ 0.75，平均为0.45。根据等距法将该研究区土壤肥力水平划分为差、较差、中等、良好、优5个等级(表 6)^[25]。其中，IFI中等及以上的样点占89%。将各肥力指标平均隶属值与土壤肥力的关系做成雷达图(图 2)可以直观反映研究区肥力状况。各个指标的隶属度值距离中心原点越远，代表其属性状态越好，相反，距离原点越近，属性状态就越差^[26]。从图 2可以看出，土壤有效硼是影响该研究区土壤肥力的主要限制因素，土壤有效硼含量几乎都低于缺硼临界值(0.5 mg/kg)。土壤全钾和砂粒含量隶属值在0.6以上，具有较好的表现状态；其他指标在0.3 ~ 0.6范围内，处于中间状态。由15项肥力指标组成的闭合多边形，整体偏向右下方，比最佳的多边形面积要小很多。

2.4 金银花冠幅、木犀草苷含量与土壤综合肥力的关系

将IFI与金银花冠幅、枝条数、绿原酸和木犀草苷含量做相关分析(表 7)，结果显示，金银花冠幅与IFI存在显著的线性正相关，随着IFI增加，冠幅也相应地增加，一定程度上能够反映金银花生物量与土壤肥力的密切相关；木犀草苷含量与IFI呈现显著线性负相关，当木犀草苷含量在≥0.05%(药典标准)范围时对应的土壤肥力水平总体上也是较低的，表明土壤综合肥力较高不利于木犀草苷含量的累积。

2.5 影响金银花品质的土壤主导因子

绿原酸和木犀草苷含量与土壤理化性质有一定的关联性。从简单相关系数看，土壤粉粒、全磷含量与绿原酸含量呈显著正相关，土壤有效锌含量与绿原酸含量呈显著负相关，土壤有机质、全氮含量与木犀草苷含量呈显著负相关。考虑到影响金银花品质的土壤因子非单独影响，为了挑选其中的主导因子，以pH(X₁)、CEC(X₂)、有机质(X₃)、有效磷(X₄)、速效钾(X₅)、有效铁(X₆)、有效锰(X₇)、有效铜(X₈)、有效锌(X₉)、有效硼(X₁₀)、全氮(X₁₁)、全磷(X₁₂)、全钾(X₁₃)、砂粒(X₁₄)、粉粒(X₁₅)为自变量，金银花中绿原酸含量(Y₁)和木犀草苷含量(Y₂)为因变量，应用逐步回归剔除对目标变量影响小的因子，分别建立了金银花绿原酸含量和木犀草苷含量与土壤主导因子的回归方程：Y₁ = 2.870 + 0.279 X₁₂，Y₂ = 0.063 - 0.011 X₁₁。从回归方程可以看出，绿原酸含量主要与土壤全磷含量呈正相关关系，木犀草苷含量与土壤全氮含量呈负相关关系。

3 讨论

对道地金银花产区土壤质量进行评价，有助于了解土壤管理程度及利用现状，探究金银花种植的限制性肥力因子以及影响金银花品质的土壤环境因子，从而为当地金银花的合理种植、养分管理以及土壤的可持续利用提供数据支撑^[27-28]。土壤速效养分变异程度高而稳定性低，可能受施肥和耕作方式的影响较大，这在相关研究结果中也有体现^[29]。土壤综合肥力法是常用的一种定量化评价土壤肥力的方法，将评价结果转化为0 ~ 1之间的数值，值越靠近1，代表土壤肥力越高。本研究所调查区域土壤综合肥力指数为0.20 ~ 0.75，平均值0.45，土壤肥力整体处于中等水平。根据15项土壤肥力指标的结果发现，所研究区域土壤主要呈弱酸性，土壤全氮和有效磷含量较丰富，土壤有机质和速效钾含量较为缺乏。从田间调查得知，农户田间管理粗放、零散，向金银花田块投入的肥料种类和数量差异较大，有的样点靠近村庄，水源供应及时，施肥种类多以植物残体和家禽粪便为主；有的样点则位于陡峭山坡地带，不利于管理。

研究区土壤砂粒含量隶属度最高，从简单相关系数看，粉粒含量与绿原酸含量呈正相关关系，说明粉粒含量较高的砂壤土更有利于提高绿原酸含量，提升金银花的品质。这与张重义等^[9]和朱小强等^[30]的研究结果相似。土壤有效硼含量是限制土壤肥力的主要因子，该研究区域土地结构多为山地、丘陵，容易形成土地养分流失，土壤有效硼淋失严重，从而使金银花质量下降，所以要注重水土的保持，可以通过物理措施改变土壤结构。金银花所含化学成分复杂，常以绿原酸和木犀草苷含量作为标志性成分，本研究土壤有机质含量与速效钾、有效磷、绿原酸和木犀草苷含量呈负相关关系，而土壤速效钾含量与绿原酸和木犀草苷含量呈负相关关系。本研究结果表明，土壤肥力较低有利于金银花品质指标的提升，但土壤全磷和全氮分别对金银花品质有正效应和负效应作用，根据土壤肥力与冠幅的相关关系能够得到，施肥有利于植物生物量的形成，因此，只有合理施肥才能提高金银花的品质和产量。农户在田间管理时，需要注意氮磷肥的合理配比，避免施肥比例不当导致金银花品质的下降。本研究所有采样点分布在相同气候区内，避免了区域尺度广、跨度大，生态环境差异等原因造成的差异。在测定的样品中有一半木犀草苷含量不符合国家药典标准，目前的研究多从金银花不同产地、品种、干燥方式等方面分析关于含量差异的原因，所以在金银花的GAP生产管理中应首先考虑这方面的问题，以提高金银花的产量和品质。

4 结论

本研究通过大规模调查，揭示了我国金银花主要种植区山东省临沂市平邑县和费县土壤肥力指标与金银花生长及品质之间的关系。研究区土壤全氮和有效磷含量较丰富，土壤有机质、速效钾、有效硼含量较为缺乏；土壤速效钾、有效铁、有效锌和有效硼含量属于强变异性，其他指标属于中等变异性；土壤综合肥力指数IFI介于0.20 ~ 0.75，平均为0.45，总体偏低。总体上土壤肥力指标较低的砂壤土有利于金银花品质的提升，因此当地金银花种植应尽可能选择此类土壤或适当控制肥料施用量。