調虧滴灌下菘藍的品質綜合評價

王玉才，李福強，鄧浩亮，張恒嘉，康燕霞

(甘肅農業大學水利水電工程學院, 甘肅 蘭州 730070)

近年來，隨著人們對中草藥的需求不斷增加，對其品質的要求也逐漸提高。中藥的主要成分通常是次生代謝產物。菘藍(IsatisindigoticaFort.)別名茶藍、板藍根，為十字花科的二年生草木植物，具有清熱解毒，預防感冒、利咽之功效。菘藍的主要成分包括生物堿類、有機酸類及苷類化合物等，其中的主要有效成分有(R,S)-告依春、靛藍和靛玉紅等，還有一些營養成分，如丁酸、脯氨酸、甘氨酸、蘇氨酸等十幾種氨基酸，這使得菘藍不僅具有抗炎、抗菌、抗病毒等作用，還有增強免疫力等作用。菘藍在我國內蒙古、甘肅、河北等省份均有栽培，其中甘肅省張掖市以其獨特的地理環境和氣候條件，產出的菘藍已成為甘肅著名的道地藥材之一。由于當地灌溉不合理等，導致菘藍產量不高，極大制約了菘藍產業的可持續發展。

水分是實現作物品質改善的介質，而調虧灌溉是根據作物對干旱的適應性反應人為施加水分脅迫，在作物某些生育階段通過調控土壤水分，改善作物代謝，促進光合產物的增加，提高產量并且改善品質[1]。有研究發現，干旱條件下絞股藍植株生物量減少而葉片中的皂苷含量增加[2]；適度干旱有效提高黃芩的光合速率和藥用部位根的生物量，且提高黃芩根部黃芩苷的含量[3]。隨著中藥材規模化種植的發展，土壤水分對藥用作物的生長發育、產量和品質的調控逐漸受到重視，但對菘藍品質的研究較少。李文明等[4]通過研究不同灌水定額、灌水次數對菘藍的耗水特征、產量的影響，發現灌溉定額為2 250 m3·hm-2、灌水時間在7月上旬至8月中旬時，產量最高，效益顯著。譚勇等[5]通過研究不同水分對菘藍生長發育和主要有效成分的影響，發現當田間最大持水量為 45%～70%時，菘藍的產量與品質可以兼優。已經有多種綜合評價方法可以對作物品質進行分析研究，其中包括層次分析法[6]、模糊數學綜合評價法[7]、灰色關聯度分析法[8]、主成分分析法[9]和因子分析法等[10]。目前，利用膜下滴灌調虧灌溉對菘藍生長、產量和品質的綜合研究很少，因此，膜下滴灌調虧對菘藍生長、產量形成、水分利用的影響及改善品質機理已成為當前菘藍種植的重要問題。

通過研究調虧灌溉對菘藍根部的主要有效成分靛藍、靛玉紅和(R,S)-告依春的影響規律，結合菘藍有效成分靛紅、靛玉藍和告依春以及產量構成要素，進行水分虧缺對膜下滴灌菘藍有效成分影響的綜合評價，尋求該地區調虧灌溉下高產優質的菘藍種植灌溉模式。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2016年和2017年4-10月在張掖市民樂縣益民灌溉試驗站(100°43′E，38°39′N)進行。該試驗區屬半干旱區，大陸性荒漠草原氣候，海拔約為1 970 m，年均氣溫6.0℃，≥0℃積溫3 500℃，≥10℃有效積溫2 985℃，極端最高溫度37.8℃，極端最低溫度-33.3℃，年平均日照時數3 000 h，平均無霜期125 d。據1995—2015年降雨資料，該地區年平均降雨量為215 mm，降水少且變率大，供需矛盾突出，干旱頻繁。試驗地土壤為輕壤土，pH 7.22，耕層土壤田間最大持水量為24%，土壤容重1.4 g·cm-3。試驗區地下水位埋深較深，鹽堿化影響較小。

1.2 供試材料

供試品種選用甘肅農業大學中草藥系自繁的菘藍(IsatisindigoticaFort.)種子，種子粒大飽滿、均勻一致，純度96%，千粒重為9.873 g，發芽率為87.6%，發芽勢為46.4%。于4月20日播種，播種量為30.0 kg·hm-2，播前對試驗小區進行30 cm的翻耕處理，人工除去雜草，同時施入尿素(N含量46%)210 kg·hm-2，過磷酸鈣(P2O5含量12%、S含量10%、Ca含量16%)340 kg·hm-2，鉀(K2O含量25%)270 kg·hm-2，所有肥料都作為基肥在播種時一次性施入。灌溉方式采用膜下滴灌。

1.3 試驗設計

試驗為單因素隨機試驗，將菘藍生育期按其生長特點分為4個生育期：菘藍苗期(5月3日—6月7日)、營養生長期(6月8日—7月18日)、肉質根生長期(7月19日—8月28日)和肉質根成熟期(8月29日—10月13日)。土壤水分設4個梯度，分別為充分灌水(F，土壤含水量為田間持水量的75%～85%)，輕度水分虧缺(L，土壤含水量為田間持水量的65%～75%)，中度水分虧缺(M，土壤含水量為田間持水量的55%～65%)，重度水分虧缺(H，土壤含水量為田間持水量的45%～55%)。共10個水分調控處理，其中CK為對照處理，每個處理設3次重復，共30個小區，每小區面積36 m2(9 m×4 m)，采用隨機區組設計，有效試驗種植面積為1 080 m2。灌水方法為膜下滴灌，灌水整個生育期內對土壤濕度控制的土層深度為100 cm，水分控制上、下限范圍與區域實際較為吻合，具體試驗設計見表1。

1.4 測定指標及方法

1.4.1 土壤水分測定 土壤水分的測定采用烘干法。在每個小區隨機選擇取樣點，在連續兩株菘藍植株連線的中點處用土鉆分別鉆取小區土壤剖面內，0～20，20～40，40～60，60～80 cm和80～100 cm土層土壤，測定其含水率，因為菘藍的根系主要分布在0～50 cm土層內，取0～60 cm土層的土壤水分的平均值作為計劃濕潤層土壤含水量，而以0～100 cm層內土壤水分的變化來計算作物對水分消耗量。在菘藍栽種前取土測量1次，以后每隔10 d取土一次，灌水后以及降雨前后各加測1次，每次取土深度均為100 cm。

表1 不同試驗處理的土壤含水量 (占田間持水率的百分數)/%

菘藍灌溉水量的計算公式如下：

M=10γHpP(θi-θj)

式中，M為灌水量(mm)；γ為計劃濕潤層土壤容積密度(g·cm-3)；Hp為計劃濕潤層深度(60 cm)；θi為設計控制上限含水率(田間持水量乘以設計控制相對含水率上限)(%)；θj為灌水前土壤質量含水率(%)；P為滴灌設計濕潤比(65%)。

1.4.2 產量及構成要素測定 分別在菘藍不同生育期，從每個小區選取長勢一致5株菘藍植株，游標卡尺測定主根長、主根直徑等，然后分別將根、莖和葉用剪刀分離后，分別稱取鮮重，并記錄，然后分別裝入紙袋，放入烘箱后，在105℃殺青1 h后，將烘箱溫度調為85℃，烘8 h左右，烘干后分別稱量干重并記錄。

產量：待菘藍成熟后按小區單獨收獲，陰干并計產，各處理的實際產量為3次重復的平均值。

1.4.3 品質測定 靛藍、靛玉紅、(R,S)-告依春含量均采用高效液相色譜法[11]測定。

1.5 數據統計分析

運用主成分分析法[12]對不同虧缺水分處理下菘藍的品質進行綜合評判優選，篩選出較好的水分虧缺灌溉方法。

利用EXCEL 2010對所測數據進行計算，利用SPSS 19.0軟件中Duncan多重比較法比較各處理相關數據差異的顯著性，利用GraphPad Prism 5做圖，各表中出現的數據均為平均值。

2 結果與分析

2.1 不同調虧滴灌處理下菘藍產量構成要素

從表2可以看出，菘藍產量構成要素側根數量受水分虧缺程度的影響不顯著，而其他構成要素，如主根長、主根直徑和根干重等受水分虧缺程度的影響顯著(P<0.05)，輕度水分虧缺處理的主根長、主根直徑和根干重等與CK較為接近，重度水分虧缺處理的主根長、主根直徑和根干重比CK顯著減少。這主要是由于水分嚴重缺失，導致根系主動吸水作用減弱，影響光合作用進行，最終導致主根長、主根直徑和根干重等產量構成要素顯著降低。

膜下滴灌菘藍在水分虧缺條件下，菘藍產量與其構成要素之間存在相關性(表3)。可以看出， 2016年菘藍產量與側根數量、主根長、主根直徑和根干重的相關系數分別是0.565、0.968、0.964和0.944，達到極顯著水平；2017年菘藍產量與側根數量、主根長、主根直徑和根干重的相關系數分別是0.587、0.940、0.913和0.907，達到極顯著水平。主根長、主根直徑和根干重為影響菘藍產量的關鍵因子。因此，通過水分的適度適時虧缺控制可促進主根長、主根直徑和根干重等菘藍產量構成要素。

2.2 不同調虧滴灌處理對菘藍中(R,S)-告依春含量的影響

菘藍不同生育期水分調虧后對菘藍中 (R,S)-告依春含量產生不同程度的影響(圖1)。2016年水分調虧處理對(R,S)-告依春含量影響：在營養生長期重度水分調虧處理WD3和肉質根生長期連續水分虧缺的WD8 、WD9處理的(R,S)-告依春含量較CK減少8.59%、11.97%和13.23%，與CK(0.236 mg·g-1)差異顯著(P<0.05);而在營養生長期和肉質根生長期輕中度連續調虧有利于 (R,S)-告依春含量的提高，處理WD5、WD4和 WD6較CK分別增加7.04%、5.92%和1.55%;WD2和WD7處理與CK無顯著差異。

表2 各處理下菘藍產量及產量構成要素

注：同列數值后不同字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。

Note:Different letters within each column mean significant difference atP<0.05.

表3 菘藍產量構成要素間的相關性分析

注：**表示在0.01水平上顯著相關。

Note: ** indicates significant correlation at 0.01 level.

注:不同字母表示處理間差異顯著(P<0.05),下同。 Note: Different letters mean significant difference at P<0.05, the same below.圖1 調虧滴灌對菘藍(R,S)-告依春含量的影響Fig.1 Effect of regulated deficit drip-irrigation on (R,S)-goitrin

2017年水分調虧處理對(R,S)-告依春含量影響：在營養生長期重度水分調虧處理WD3和肉質根生長期連續水分虧缺的WD8 、WD9處理的(R,S)-告依春含量較CK減少11.29%、12.13%和12.97%，與CK(0.239 mg·g-1)差異顯著(P<0.05)；而在營養生長期和肉質根生長期輕中度連續調虧有利于(R,S)-告依春含量的提高，處理WD5、WD4和WD6較CK分別增加5.43%、7.94%和4.18%；WD2和WD7處理與CK無顯著差異。

從兩年的試驗結果可以看出，營養生長期的重度水分虧缺和肉質根生長期的重度水分虧缺均會嚴重影響菘藍有效成分(R,S)-告依春的積累；而這兩個生育期的中、輕度水分虧缺可以一定程度提高(R,S)-告依春的積累量。

2.3 不同調虧滴灌處理對菘藍中靛藍含量的影響

菘藍不同生育期水分調虧后對菘藍中靛藍含量產生不同程度的影響(圖2)。2016年水分調虧處理對靛藍含量影響：在營養生長期重度水分調虧處理WD3和肉質根生長期連續水分虧缺的WD8 、WD9處理的靛藍含量較CK減少6.2%、6.3%和6.6%，與CK差異顯著(P<0.05)；而在營養生長期和肉質根生長期輕中度連續調虧有利于靛藍含量的提高，處理WD4、WD5、WD6和WD7與CK相比差異顯著，增加5.7%、9.1%、5.3%和4.8%。

2017年水分調虧處理對靛藍含量影響：在營養生長期重度水分調虧處理WD3和肉質根生長期連續水分虧缺的WD8 、WD9處理的靛藍含量較CK減少6.5%、6.2%和6.6%，與CK差異顯著(P<0.05)；而在營養生長期和肉質根生長期輕中度連續調虧有利于靛藍含量的提高，處理WD4、WD5、WD6和WD7與CK相比差異顯著，增加5.5%、9.9%、4.8%和3.6%；WD1和WD2處理與CK無顯著差異。

從兩年的試驗結果可以看出，營養生長期的重度水分虧缺和肉質根生長期的重度水分虧缺均會嚴重影響菘藍有效成分靛藍的積累；而這兩個生育期的中、輕度水分虧缺可以一定程度提高靛藍的積累量。

2.4 不同調虧滴灌處理對菘藍中靛玉紅含量的影響

調虧灌溉對菘藍靛玉紅含量的影響如圖3。2016年水分調虧處理對靛玉紅含量影響：在營養生長期重度水分調虧處理WD3和肉質根生長期連續水分虧缺的WD8 、WD9處理的靛玉紅含量較對CK減少12.2%、12.6%和12.4%，與CK差異顯著(P<0.05)；而在營養生長期和肉質根生長期輕中度連續調虧有利于靛玉紅含量的提高，處理WD5、WD6和WD7與CK相比差異顯著，增加5.3%、1.6%和1.5%；WD1和WD4處理與CK無顯著差異。

2017年水分調虧處理對靛玉紅含量影響：在營養生長期重度水分調虧處理WD3和肉質根生長期連續水分虧缺的WD8 、WD9處理的靛玉紅含量較CK減少12.5%、12.6%和13.1%，與CK差異顯著(P<0.05)；而在營養生長期和肉質根生長期輕中度連續調虧有利于靛玉紅含量的提高，處理WD4、WD5和WD6與CK相比差異顯著，增加1.1%、5.2%、1.7%；WD1和WD7處理與CK無顯著差異。

從兩年的試驗結果可以看出，營養生長期的重度水分虧缺和肉質根生長期的重度水分虧缺均會嚴重影響菘藍有效成分靛玉紅的積累；而這兩個生育期的中、輕度水分虧缺能一定程度提高靛玉紅的積累量。

圖2 調虧滴灌對菘藍靛藍含量的影響Fig.2 Effect of regulated deficit drip-irrigation on indigo

圖3 調虧滴灌對菘藍靛玉紅含量的影響Fig.3 Effect of regulated deficit drip-irrigation on indirubin

2.5 調虧滴灌條件下菘藍品質綜合評價

菘藍大小形狀和藥用有效成分等各項評價指標已成為菘藍產業可持續發展的主要影響因素，其中藥用有效成分是反映菘藍品質的重要指標。其中靛紅、靛玉藍和告依春等有效成分的積累是形成菘藍有效成分的主要組成部分，結合產量構成要素，進行水分虧缺對膜下滴灌菘藍有效成分的綜合評價。

2.5.1 菘藍品質的相關性分析 通過菘藍的根部形態和菘藍有效成分靛藍、靛玉紅的相關性分析，確立其相關性及相關程度。

相關分析表明(表4)，不同水分虧缺處理下菘藍有效成分(R,S)-告依春、靛藍和靛玉紅之間呈現出顯著正相關性，主根長、主根直徑與有效成分靛藍相關性顯著，根干重與(R,S)-告依春、靛藍和靛玉紅顯著相關。表明有效成分的積累需要建立根部干物質的持續積累的基礎之上，并且由于各個指標之間相關系數較大，信息之間存在重疊，適合采用主成分分析法。

2.5.2 菘藍品質綜合評價方案 由主成分特征根和貢獻率可知(表5)，2016年特征根λ1=5.482，特征根λ2=1.089，前兩個主成分的累計方差貢獻率達93.874%，即涵蓋了大部分信息；2017年特征根λ1=5.593，特征根λ2=1.006，前兩個主成分的累計方差貢獻率達94.264%，即涵蓋了大部分信息。這表明前兩個主成分能夠代表最初的7個指標來分析該地區菘藍的品質綜合水平，故提取前兩個指標作為主成分，分別記作F1、F2。

主成分矩陣不是主成分的特征向量，主成分1和主成分2的系數分別是其向量(主成分矩陣)除以對應的主成分方差。可以求得2016年主成分1、2的函數表達式：

F1=0.389×Z告依春+0.350×Z靛藍+0.384

×Z靛玉紅+0.379×Z主根長+0.393×Z主根直徑

+0.380×Z根干重+0.369×Z側根數量

F2=0.349×Z告依春+0.534×Z靛藍+0.383

×Z靛玉紅-0.423×Z主根長-0.336×Z主根直徑

-0.384×Z根干重-0.084×Z側根數量

同理可以求得2017年主成分1、2的函數表達式：

F1=0.381×Z告依春+0.352×Z靛藍+0.399

×Z靛玉紅+0.376×Z主根長+0.386×Z主根直徑

+0.370×Z根干重+0.381×Z側根數量

F2=0.410×Z告依春+0.544×Z靛藍+0.302

×Z靛玉紅-0.423×Z主根長-0.373×Z主根直徑

-0.092×Z根干重-0.343×Z側根數量

表4 菘藍根部形態和有效成分的相關性分析

注：*表示在0.05水平上顯著相關；**表示在0.01水平上顯著相關。

Note: * means correlation is significant at the 0.05 level; ** means correlation is significant at the 0.01 level.

表5 菘藍品質的主成分特征根和貢獻率

利用以上計算公式，可以通過主成分分析法進行不同水分虧缺處理的綜合得分的計算。表6為采用主成分分析法對不同水分虧缺處理進行綜合評分對比，從表中可以看出，2016年考慮根部形態和菘藍有效成分的基礎上進行綜合評價得分由高到低的順序為WD4、WD5、WD1、CK、WD6、WD7、WD2、WD3、WD8和WD9；2017年考慮根部形態和菘藍有效成分的基礎上進行綜合評價得分的由高到低依次順序為WD5、WD4、WD1、CK、WD6、WD2、WD7、WD3、WD8和WD9。

由2016、2017年以上結果可以看出，考慮根部形態和菘藍有效成分的基礎上，對不同水分虧缺處理的情況進行綜合評價，綜合得分較高的為WD4和WD5，WD1和CK次之。計算結果表明，輕度水分虧缺處理的WD4、 WD5和WD1不僅可以獲得較高的產量和水分利用效率，同時其有效成分靛藍、靛玉紅和告依春的含量不會出現降低；相反，重度水分虧缺處理的WD3、WD8和WD9的綜合得分都較低，即重度水分虧缺降低了菘藍有效成分的積累。

表6 菘藍產量及品質綜合評價

3 討 論

中藥材品質受多因素影響，如產地、品種、土壤生態環境及栽培措施等，其中次生代謝產物是藥材中有效成分，次生代謝不同于初生代謝需要良好的生長環境。有研究表明，植物在逆境脅迫如干旱、低溫條件下次生代謝產物積累旺盛[13]，通過積累大量的次生代謝產物來提高抗逆性[14]。譚勇等[5]研究證實板藍根對水分需求最大期在7月份，并且中度水分脅迫條件下板藍根中靛玉紅含量最高。本試驗中通過利用水分虧缺研究水分對菘藍品質的影響，結果表明輕中度水分虧缺均可提高菘藍中靛藍和靛玉紅含量，且虧缺程度越高，有效成分積累越多，尤其是處理WD5比CK顯著提高了靛藍、靛玉紅和(R,S)-告依春的含量。這主要是因為在可耐受干旱脅迫條件下，體內積累大量的光合產物，植物利用這些“過剩”的光合產物合成含碳次生代謝物，使組織中次生代謝物的含量增加，這與段飛等[15]的研究結果基本一致。也有研究認為菘藍品質因收獲大青葉、分解等原因降低，菘藍中靛玉紅含量收獲一次、兩次及三次大青葉處理比未收獲大青葉處理分別降低79.73%、43.24%、72.97%[16]。本試驗在10月初收獲菘藍，對大青葉未收獲，因此靛藍和靛玉紅含量與收獲時間也有關。

水分調虧處理對(R,S)-告依春含量影響：在營養生長期重度水分調虧處理WD3和肉質根生長期連續水分虧缺的WD8、WD9處理的(R,S)-告依春含量較CK降低8.59%～13.23%，與CK差異顯著(P<0.05)；而在營養生長期和肉質根生長期輕中度連續調虧有利于 (R,S)-告依春含量的提高，處理WD4和WD5較CK顯著增加5.43%～7.94%。水分調虧處理對靛玉紅影響：在營養生長期和肉質根生長期輕中度連續調虧有利于靛玉紅含量的提高，處理WD5、WD6和WD7與CK相比差異顯著，增幅1.7%～5.7%。水分調虧處理對靛藍含量影響：在營養生長期和肉質根生長期輕中度連續調虧有利于靛藍含量的提高，處理WD4、WD5、WD6和WD7與CK相比差異顯著，增幅3.6%～9.9%。

白羿雄等[17]研究表明水分輕度虧缺有助于促進青稞根系生長，不利于青稞穗部的生長發育，導致其產量顯著降低，卻有利于籽粒中蛋白質及其組分含量的提高。張永麗[18]研究發現濟麥20在灌水180 mm和240 mm的處理比不灌水和灌水300 mm的處理顯著提高了小麥籽粒谷蛋白含量等，有效提高品質。本研究得出相近結論，不同水分虧缺處理對菘藍的(R,S)-告依春含量影響不同，且輕中度水分虧缺均可以增加菘藍中有效成分(R,S)-告依春的含量，提高菘藍品質，各處理有效成分含量均達到藥典標準[11]。在營養生長期和肉質根生長期輕中度連續調虧的處理WD4、WD5和WD6較CK均有所增加，其中以處理WD5的(R,S)-告依春的含量最高，WD4次之并與之接近。因此，在營養生長期和肉質根生長期連續輕度水分虧缺有利于菘藍中(R,S)-告依春含量的積累，但可能還與自身遺傳因素、生態環境等有關。菘藍中(R,S)-告依春含量除與水分有關外，還與自身遺傳因素、生態環境等有關。可見，土壤水分含量對作物生長、品質及產量均產生影響，且影響程度及作物對水分虧缺的響應與作物生育時期和水分虧缺程度有關。

水分調虧處理能夠增加菘藍中有效成分含量，提高菘藍品質，各處理有效成分含量均達到藥典標準，且隨著連續生育期的中輕度水分調虧程度的增加，菘藍品質有所提高，但是重度水分虧缺不利于有效成分(R,S)-告依春含量的積累。營養生長期的重度水分虧缺和肉質根生長期的重度水分虧缺均會嚴重影響菘藍有效成分(R,S)-告依春、靛藍和靛玉紅的積累；而這兩個生育期的中、輕度水分虧缺能一定程度提高有效成分的積累量。

考慮根部形態和菘藍有效成分的基礎上，對不同水分虧缺處理的情況進行綜合評價，綜合得分較高的為WD4和WD5，WD1和CK次之。計算結果表明，輕度水分虧缺處理的WD4、WD5和WD1不僅可以獲得較高的產量和水分利用效率，同時其有效成分靛藍、靛玉紅和告依春的含量不會出現降低；但是重度水分虧缺處理的WD3、WD8和WD9的綜合得分較低，水分嚴重減少使得菘藍有效成分的積累均有所降低。

4 結 論

通過調虧灌溉對菘藍的主要有效成分靛藍、靛玉紅和(R,S)-告依春的影響規律研究，得出以下結論：

1)不同處理的有效成分受到水分虧缺的影響顯著。輕中度水分虧缺均可提高菘藍中靛藍和靛玉紅含量，且虧缺程度越高，有效成分積累越多；輕中度水分虧缺有利于菘藍中(R,S)-告依春含量的積累，提高菘藍品質，各處理有效成分含量均達到藥典標準，但是重度水分虧缺不利于有效成分(R,S)-告依春含量的積累。

2)考慮根部形態和菘藍有效成分的基礎上，通過主成分分析法對不同水分虧缺處理的情況進行綜合評價，綜合得分較高的為WD4和WD5，WD1和CK次之，發現輕度水分虧缺處理不僅可以獲得較高的產量和水分利用效率，同時可提高有效成分靛藍、靛玉紅和告依春的積累，有利于提高菘藍的品質。