膜下滴灌調虧綠洲菘藍農藝性狀與產量的通徑分析

王澤義，張恒嘉，王玉才，張萬恒，高 佳

(甘肅農業大學 水利水電工程學院，甘肅 蘭州 730070)

1 研究背景

近年來，人們的健康理念已發生巨大的變化，從以往的重治療逐漸轉變為通過積極預防和保健來維持健康。這些變化為具有這方面特點和優勢的中醫藥學的發展帶來了機遇。同時與西藥相比，中藥副作用較小也為其提供了廣闊的市場空間。菘藍(IsatisindigoticaFortune)作為傳統的中藥材，在大部分的感冒藥中均有配伍[1]，其根葉皆可入藥[2-3]，具有多種藥用功效[4-6]，是當下市場潛力較高、人工種植面積較大的傳統中藥材之一。

菘藍耐寒怕澇，對水分的反應較為敏感，在生長過程中灌水的時間和數量對其生長有明顯影響。調虧灌溉技術是以節水和損失最小為目標的灌溉方式[7]。國內外學者對糧食作物[8-10]和經濟作物[11-13]的研究結論顯示，該技術能夠在作物不顯著減產的前提下省水調質。在藥用植物栽培方面雖亦有研究，但大多集中在藥用活性成分方面[14-15]。通徑分析是通徑系數分析的簡稱，是由賴特(Sewall Wright)于20世紀初期首先提出，后經各領域學者不斷修正，最終形成的一種統計學方法。作物相關性狀間的因果關系可通過該模型得以揭示，尤其是各性狀對產量的影響，且該影響的大小能被直觀、精確地反映。研究表明，對產量影響因子的通徑分析，不僅可以顯示各因子間的相關關系，而且還能夠將相關系數分解為直接和間接通徑系數，體現出產量受各因子的直接或間接影響程度[16-17]。部分學者利用該方法對菘藍進行了相關研究：王恩軍等[16]用18份國內菘藍的種質資源作為試材，探究主要農藝性狀之間的關系，發現葉片數、葉鮮重、根鮮重和側根數為不同種質菘藍葉產量形成的決定性因子，而根長和根鮮重為菘藍根產量形成的決定性因子；郭巧生等[18]以甘肅隴西、安徽亳州等13個地區的菘藍為試材，結合相關及通徑分析方法分析表明，菘藍育種時應選取葉片外形長且窄的株系，此外還要考慮其葉片數與根長；郭慶海[19]通過對12個不同栽培居群菘藍和3個變異類型進行相關分析后認為，菘藍獲得高產的培育核心是協調株高和莖粗并提高葉面積。由此可見，前人的研究主要集中于不同種質的菘藍形態學性狀與產量關系的統計分析，而有關調虧菘藍農藝性狀與其產量間的相關性研究鮮有報道。本試驗采用膜下滴灌技術，設置調虧灌溉菘藍大田試驗，借助通徑分析方法探討了膜下滴灌調虧菘藍農藝性狀因子對藥材產量的影響，以期為菘藍種植過程中水分的合理調控提供一些理論指導。

2 材料與方法

2.1 試驗區概況

本試驗設置在甘肅省張掖市民樂縣益民灌溉試驗站(100°43′E，38°39′N，海拔約2 000 m)，試驗區極端溫度的最高和最低值分別為37℃和-33℃，年氣溫均值約6.0℃，無霜期為109～174 d，多年平均日照時數約3×103h，多年平均降雨量約200 mm，蒸發量為1 680～2 270 mm；田間土壤為中性(pH=7.20)輕質壤土，容積密度為1.46 g/cm3，其最大持水量約為24%。

2.2 試驗設計

本試驗開展于2018年5-10月間，采用平作全膜覆蓋栽培種植，供試用種選用上一年度優質菘藍種子，種子純度為96%，于5月9日播種，10月12日鏟葉后挖根。用種量為35 kg/hm2，種植密度為80×104株/hm2。播前1周機械深翻20～30 cm，同時施入基肥(硫酸鉀復合肥)4 500～6 000 kg/hm2；施肥后整平土地并鋪設滴灌帶(間距60 cm)，滴水器的流量和間距分別為2.0 L/h和30 cm；之后覆蓋無色塑料地膜(寬120 cm，厚0.008 mm)；3～5 d后人工用穴播盤在每條滴灌管兩側雙行進行條播(株距6～8 cm，行距10～15 cm)，種植小區面積為10 m×4 m=40 m2。

根據《灌溉試驗規范》(SL 13-2015)中作物生長期劃分標準，結合當地菘藍實際生長情況，把全生育期分為苗期、營養生長期、肉質根生長期、肉質根成熟期。在生育期內每隔5～7 d，用烘干法測1次菘藍各小區膜下0～80 cm土層的含水率(即0～10 cm采樣1次，20～80 cm深度每間隔20 cm采樣1次，測算其土壤含水率)，并以0～60 cm土壤含水率的平均值作為計算灌水量的依照，當小區實測含水率值低于或等于設計下限值時，立即實施水表計量灌水。本試驗為單因素隨機區組試驗，根據菘藍不同的控水階段和程度，F0為充分供水處理，F1～F9為不同的調虧處理，每個處理重復3次。各試驗處理不同生長期的土壤設計含水率詳見表1。

2.3 測定項目

菘藍生育期的肉質根成熟期初，在各試驗處理小區挑選生長狀況相近的15株菘藍定苗，待收獲時，提前將這15株收回試驗室，洗后晾干，測算其株高(x1)、葉片數(x2)、葉長(x3)、葉寬(x4)、葉片厚度(x5)、側根數(x6)、主根長(x7)、主根直徑(x8)、根冠比(x9)、葉面積指數(x10)、菘藍單株葉產量(Y1)、菘藍單株根產量(Y2)，取均值作為最終結果。

2.4 數據處理

用 SPSS20.0和Microsoft Excel 2007分別進行相關性分析與數據處理并制表。

3 結果與分析

3.1 膜下滴灌調虧灌溉菘藍農藝性狀的變異特征

表2為膜下滴灌調虧灌溉菘藍各項農藝性狀的統計分析。由表2可看出，調虧菘藍的農藝性狀指標變化幅度較小。單個指標的變異系數(CV)從小到大依次為根冠比、主根直徑、株高、葉寬、葉長、主根長、葉產量、葉片數、側根數、葉片厚度、根產量、葉面積指數，各項農藝性狀的CV值在5.45%～17.19%之間，菘藍葉和菘藍根產量的CV值分別為13.14%、16.28%。表明在菘藍不同生育階段虧水處理對藥材產量存在一定程度的影響。

表1 各試驗處理不同生育期的土壤設計含水率 %

表2 膜下滴灌調虧灌溉菘藍農藝性狀表現

3.2 膜下滴灌調虧灌溉菘藍單項農藝性狀間的相關性分析

表3為菘藍各項農藝性狀間的相關性分析結果。由表3可知，菘藍單株葉產量與其株高(0.961**)、葉片數(0.955**)、葉長(0.930**)、葉寬(0.952**)、葉片厚度(0.973**)、側根數(0.910**)、主根長(0.987**)、主根直徑(0.954**)、葉面積指數(0.773**)均呈極顯著正相關，與根冠比相關但未達到顯著水平。菘藍單株根產量與其株高(0.889**)、葉片數(0.825**)、葉長(0.839**)、葉寬(0.833**)、葉片厚度(0.789**)、側根數(0.771**)、主根長(0.765**)、主根直徑(0.789**)、葉面積指數(0.763**)均呈極顯著正相關，同樣與根冠比相關(0.438)，但未達到顯著水平。表明在虧水條件下，植株高、葉片數多、葉長和葉寬大、葉片厚、側根數多、根粗及主根長均對菘藍高產的形成有利。

某一性狀對作物產量的影響大小，若僅以產量與各性狀之間的簡單相關系數來確定，性狀本身彼此的影響將容易被忽視，從而其內部規律較難在本質上得以反饋。所以，須依靠通徑分析來進一步探究各性狀對作物產量的作用[16-20]。

3.3 膜下滴灌調虧灌溉菘藍產量和農藝性狀的通徑分析

3.3.1 正態性檢驗 表4為因變量(即菘藍葉和根產量)的正態性檢驗結果。由表4可以看出，夏皮羅-威爾克檢驗法得出的菘藍葉產量Y1和根產量Y2的統計量分別為0.901、0.931，P值均大于0.05，其分布滿足正態性要求。故調虧菘藍葉和根產量與其農藝性狀間關系可以應用逐步回歸分析[21]。

Y1=0.185x1+1.033x7-11.343x8+3.081

(1)

Y2=1.306x1+0.368x3-1.340x7-6.964

(2)

表6為相關系數分解得到的菘藍葉和根產量的直接通徑系數。由表6可知，菘藍葉產量中x1、x7、x8以及菘藍根產量中x1、x3、x7的P值均小于0.05，即因子與響應變量間存在顯著差異，有統計學意義。因此，膜下滴灌調虧菘藍的10個農藝性狀中，株高、主根長、主根直徑是影響菘藍葉產量的關鍵性狀，而影響菘藍根產量的則為株高、葉長、主根長。具體的影響大小，需對其相關系數進行深入分解。

表3 膜下滴灌調虧灌溉菘藍單項農藝性狀間相關分析

表4 因變量菘藍葉產量和根產量正態性檢驗

表5 菘藍產量與農藝性狀之間構建的3種回歸模型結果

3.3.3 間接通徑系數 由表3可知，性狀x1、x7、x8之間的相關系數為r17=r71=0.963、r18=r81=0.963、r78=r87=0.986；由表6可知，模型3葉產量的直接通徑系數分別為p1y=0.309，p7y=1.574，p8y=-0.896。

riy=piy+所有xiy

(3)

xiy=rij·piy

(4)

式中[16,23-24]：r為相關系數；i和y分別為自變量x和因變量Y；piy和xiy分別為xi與Y的直接和間接通徑系數。

表7和8分別為菘藍葉和根產量的間接通徑系數。根據表7、8，由公式(3)可算得x1、x7、x8與葉產量間相關系數r1y、r7y、r8y分別為0.961、0.987、0.954，與表3中的數值(r1y=0.961、r7y=0.987、r8y=0.954)相同。由公式(4)可計算出x7、x8分別對x1的間接通徑系數，x17、x18分別為1.515、-0.863。

表6 菘藍葉和根產量的直接通徑系數

表7 菘藍葉產量與農藝性狀指標的間接通徑系數

表8 菘藍根產量與農藝性狀指標的間接通徑系數

3.3.4 決策系數 若通徑分析中的決策系數(R2)為正，則自變量增進因變量，反之則抑制因變量[25-27]，其計算公式如下：

(5)

公式中各字母代表的含義同上，計算結果詳見表7、8。

由表7可知，在虧缺灌水處理下，自變量x1、x7、x8對菘藍單株葉產量Y1的直接影響中，主根長x7影響最大，株高x1次之，而主根直徑x8的影響為負。分析各個間接通徑系數發現，主根直徑x8和株高x1經主根長x7對Y1的間接通徑系數分別為1.552、1.515；主根長x7和主根直徑x8經株高x1對Y1的間接通徑系數分別為0.297、0.298。將間接通徑系數求和可知，單株根直徑、株高、主根長對Y1影響依次減弱，而由決策系數來看，由大到小影響Y1的次序為單株主根長、株高、根直徑。由決策系數可得，單株株高、單株主根長對菘藍葉產量均有促進作用，而單株根直徑則為抑制作用。

由表8可知，在虧缺灌水處理下，自變量x1、x3、x7對菘藍單株根產量Y2的直接影響中，株高x1影響最大，葉長x3次之。同理分析間接通徑系數可知，葉長x3與主根長x7經株高x1對Y2的間接通徑系數分別為1.773和1.858；主根長x7經葉長x3對Y2的間接通徑系數為0.717。同上求和可知，單株主根長對Y2的影響最大，單株葉長次之。但從決策系數分析來看，影響最大的卻是單株葉長，它對菘藍根產量起主導作用。

4 討 論

作物地上和地下部分互相依賴，彼此影響，且對水分等環境因子的反映有著不同表現，如何通過對環境因素調控，并協同調整上、下部分，使其向有利于提高效益方向傾斜，這對農業生產具有較為重要的意義[28]。鄭健等[17]對溫室小型西瓜的虧水試驗表明，根干質量、莖粗和葉面積指數與產量間相關系數均為極顯著水平差異。本試驗測算調虧菘藍的10個主要農藝性狀指標，其CV的變化范圍為5.45%～17.19%，菘藍葉和菘藍根產量的CV分別為13.14%和16.28%，說明調虧灌溉對菘藍農藝性狀存在一定程度的影響。通過對菘藍10項主要農藝性狀及根葉產量間的相關分析可知，影響菘藍根葉產量的各農藝性狀間存在一定程度的相關性，且產量與除根冠比外的其余性狀間的簡單相關系數均達到顯著和極顯著影響水平，說明各農藝性狀因子與菘藍產量之間以及各單項因子之間共同作用，彼此影響。

本文以菘藍為研究對象，采用通徑分析模型對不同控水處理菘藍的農藝性狀指標與產量進行了綜合分析，從相關分析的結果來看，在一定程度上，通徑分析模型揭示了產量的影響因子之間及各因子與產量間的相互作用，探明了構成作物高產的主要因子。張旭東等[29]對水稻在生育階段虧水條件下經通徑分析方法研究發現，協調提升水稻有效穗數、單穗粒數、實粒數對實現水稻高產的目標有利。施關正等[30]試驗結果顯示，玉米在中度干旱脅迫環境下，單穗粒數與葉面積(LA)之間相關關系達極顯著水平，而與株高、行粒數均為顯著，其中穗位高和單穗粒重的直接通徑系數最大，其次是葉面積、百粒重、行粒數。許海霞等[31]對小麥進行水分脅迫試驗發現，穗粒數、單株穗數、千粒重、穗長和株高等指標均會直接影響小麥單株產量，影響作用依次減小。本研究結果顯示，菘藍農藝性狀對根葉產量均有不同程度的作用，且該作用分別由直接作用和間接作用構成。將各農藝性狀與菘藍葉、根產量的相關系數分解，得到其直接、間接通徑系數，進而求得決策系數，結果表明：株高和主根長對菘藍葉產量起促進作用，而葉長則對菘藍根產量有正向作用。因此，株高、主根長和葉長為評判菘藍產量的重要農藝性狀，這與袁偉玲等[32]的研究結論相近且較為一致。同時也表明對菘藍進行階段虧水處理，在干旱脅迫下協調植株各部分的生物量分配，增加菘藍植株的株高、葉長和主根長，有利于產量的增加。

5 結 論

(1)在虧水條件下，菘藍主要農藝性狀指標的變異系數介于5.45%～17.19%之間，說明菘藍不同生育期控水處理對其農藝性狀有一定的影響。

(2)在虧水條件下，菘藍主要農藝性狀指標的簡單相關分析結果顯示，除根冠比外，其他性狀與根、葉產量間均為顯著正相關。

(3)通徑分析結果表明，在菘藍的某個生育期適當的進行虧水處理，增加株高和主根長可獲得較高的產量；而根直徑和葉長對菘藍葉產量和根產量的影響則是通過對株高、主根長的作用間接作用于產量。

綜上所述，在菘藍的栽培過程中，要適時觀測各項農藝性狀的變化，特別是對菘藍產量起關鍵作用的因子，從而依照菘藍的需水規律來調節其生長的農田環境，用土壤水分狀況調控菘藍的農藝性狀及生長指標，從而獲得較高的產量效益，這對于藥用作物菘藍的人工種植具有十分重要的意義。然而，通過相對或復合農藝性狀指標等來實現對菘藍葉、根產量間接影響的評定，以及具體生育階段虧水和土壤水分含量對菘藍葉、根產量的影響作用，還有待于今后進一步地分析研究。