水氮耦合對蒙古黃芪干物質積累及產量的影響

魏廷邦,魏玉杰,魏域斌,蘇毓杰,常 瑛,邴 晶,陳志國,陳 芳，龔永福，毋玲玲，張兆萍，臧廣鵬，張英英

(1.甘肅省農業工程技術研究院，甘肅 武威 733006；2.甘肅省特種藥源植物種質創新與安全利用重點實驗室，甘肅 武威 733006；3.武威市祁連山區道地中藥材生態栽培技術創新中心，甘肅 武威 733006；4.武威市疾病控制中心，甘肅 武威 733000)

黃芪為豆科植物蒙古黃芪(Astragalusmembranaceusvar.Mongholicus)和膜莢黃芪(A.membranaceus)的干燥根[1-2]，具有提高機體免疫力、增強細胞代謝、調節血糖等多種功效，在蒙古、甘肅、陜西等貧瘠地域生長較為普遍[3-5]。目前，因黃芪藥材需求量大量增加，致使野生黃芪被過度采挖，導致黃芪野生資源和生態環境受到嚴重破壞，而人工栽培黃芪成為緩解藥材供給不足與需求量過大矛盾的關鍵所在[6]。黃芪已成為藥食同源植物，因此需求量逐年增大，河西綠洲灌區土壤類型和氣候資源適宜黃芪藥材大面積種植且產量優勢顯著。目前，中藥材生產已開始由過去的資源消耗型向資源減投型和環境友好型新型產業發展方向轉變，故資源減投型的中藥材生態栽培理論和技術研究亟待開展。

水肥耦合技術具有保持農田土壤肥力、改善農田生態環境的效果，對藥材黃芪根系的生長和發育具有明顯的調控作用，近年來圍繞灌水量和施肥量的耦合效應優化黃芪等大宗藥材品質和產量的研究已經逐步展開。藥材黃芪地下部的生物產量是決定黃芪產量高低的關鍵，其品質由藥材黃芪根部的有效成分含量所決定，通過量化灌水量和施肥量不僅能夠有效增加黃芪的產量、提高黃芪甲苷等有效成分的含量，且具有顯著的生態效益、經濟效益和社會效益[7]。王渭玲等[8]研究發現，施肥對膜莢黃芪生育后期根生長、產量形成及有效成分的累積提供了充足的營養基礎，有效增加黃芪個體根長、根粗及重量，且增產效果顯著。趙亞蘭等[9]研究發現黃芪生育期施肥量為6 000 kg·hm-2時，黃芪藥材個體質量優異，產量和經濟效益較好。秦夢等[10]發現施用尿素900 kg·hm-2、過磷酸鈣360 kg·hm-2、硫酸鉀240 kg·hm-2時，對黃芪產量和多糖含量均有顯著的提高作用，而程萌萌[11]分析肥效函數發現，施用氮肥95.7 075～98.4 45 kg·hm-2、磷肥124.7 625～134.0 663 kg·hm-2、鉀肥77.265～97.425 kg·hm-2時，可顯著提高蒙古黃芪的產量、增加黃芪甲苷及多糖等有效成分的含量。魏廷邦等[12]開展蒙古黃芪水肥耦合試驗研究表明，生育期減量20%灌水與中施氮耦合能夠顯著提高開花期蒙古黃芪的凈光合速率、蒸騰速率和葉綠素含量，增強蒙古黃芪開花期的光合作用，有助于促進光合產物向地下部分的轉移。因此，通過合理優化藥材黃芪生育期內的水、肥需求規律，可有效實現藥材黃芪優質、高效生態栽培。

傳統水肥管理模式使得生產成本較高、單位耕地產出率降低、生態環境惡化等問題日益顯現，隨著數字化滴灌技術的應用，使得藥材黃芪生長發育水肥需求與土壤水肥供給間的時空吻合度大幅度提高，對促進干旱半干旱地區中藥材的生長具有重要意義[13]。河西綠洲灌區氣候條件和土壤類型適合中藥材黃芪的規模化種植，而關于水肥耦合技術對黃芪藥材干物質積累特征、產量性能及有效成分含量的協同調控互利增產增效機理鮮見報道。因此，探尋適合綠洲灌區黃芪生長的最優水肥耦合模式，是中藥材生態栽培領域研究的熱點問題。為實現綠洲灌區藥材黃芪產量和有效成分含量顯著增加，本試驗通過研究不同灌水水平、施氮水平及其互作效應下黃芪干物質積累、產量特征及其有效成分含量的變化規律，明確適用于綠洲灌區黃芪生長的最優水肥管理模式，以期為實現綠洲灌區中藥材黃芪高產、優質栽培提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

本研究于2018年3月—10月在甘肅省武威市涼州區黃羊鎮國家中藥材產業技術體系河西綜合試驗站試驗基地進行。試驗基地位于河西走廊東端(102°51′1″E，37°40′26″ N)，平均海撥1 744.5 m，年平均氣溫約7.5 ℃，多年平均降水量約155 mm，年蒸發量約2 400 mm。降水年內分布不均，主要集中在5—9月份。試區土壤為厚層灌漠土，土壤容重1.62 g·cm-3，0～30 cm土層全氮含量0.97 g·kg-1、堿解氮68.10 mg·kg-1、有效磷48.0 mg·kg-1、速效鉀284.10 mg·kg-1，有機質19.60 g·kg-1，pH值8.39。

1.2 試驗材料

選用一年生蒙古黃芪為供試材料，種苗為定西市岷縣農戶培育的種苗，種苗采挖后去除大苗和小苗，留下大小基本一致的中等苗移栽。種苗平均根長(34.28±5.17) cm，根粗(0.58±0.09) cm，單根質量(3.94±2.18) g。2018年4月1日移栽，10月22日收獲。氮肥施用尿素(純氮約46.6%)，磷肥為過磷酸鈣(P2O5約14%)，鉀肥為氧化鉀(K2O約25%)。

1.3 試驗設計

試驗采用裂區設計，以灌水量作主區，施氮量為副區。設生育期減量20%灌水2 320 m3·hm-2(W1)、生育期減量10%灌水2 610 m3·hm-2(W2)、常規灌水2 900 m3·hm-2(W3)3種灌水水平(如表1)。設施純氮(N0) 0 kg·hm-2、(N1) 50 kg·hm-2、(N2) 100 kg·hm-2和(N3)150 kg·hm-24種施氮量，按基肥∶中期追肥=2∶1分施，施用有機肥3 000 kg·hm-2、純磷150 kg·hm-2、純鉀40 kg·hm-2作基肥。試驗共設12個處理，每個處理重復3次，小區面積為40 m2(5 m×8 m)，小區間走道1 m，保護行寬4 m。黃芪采用等行距種植，移栽密度為222 000株·hm-2，行距30 cm，株距為15 cm，溝深15 cm。各處理平作栽培，種苗移栽前均施基肥。

表1 蒙古黃芪不同生育時期的灌水量/(m3·hm-2)

1.4 測定項目與方法

干物質積累量：黃芪藥材移栽發芽破土后，每隔30 d，在每小區內隨機取樣，苗期取樣10 株，起身期以后每次取樣5株，將地上部、地下部分別稱取鮮質量后裝入牛皮紙袋，于105℃下殺青15～30 min后80℃恒溫烘至恒重，最后稱量計算干物質積累量(kg·hm-2)。群體干物質積累量=成熟期單株總干質量×成熟期實收株數

采用Logistic方程y=k/(1+ea-rt)擬合黃芪全生育期干物質積累過程，通過對Logistic方程求導數，可得黃芪藥材全生育期的干物質積累速率、干物質最大積累速率[13]。y代表干物質積累量，k代表干物質容量，e為自然常數，a代表k與y的有關參數，r代表增長速率，t代表出苗后天數。

產量及產量構成：黃芪采收期，在每小區去除邊行后，按各處理小區依次采挖，采挖后分別稱量地上部與地下部鮮質量。并測定植株個體指標，包括單株藥材莖稈長、莖稈干質量、根長、根粗、單根干質量、側根數和產量性狀指標。

黃芪品質測定：按照2015年版《中國藥典》一部[2]中規定的黃芪質量檢測項對各處理黃芪甲苷含量(%)進行測定。

1.5 數據處理與分析

采用Microsoft Excel 2007整理匯總數據，使用SPSS 17.0統計分析軟件擬合Logistic方程，并進行方差分析、回歸分析，文中數據均為平均值。

2 結果與分析

2.1 水氮耦合對黃芪群體干物質積累動態的影響

如圖1所示，灌水量和施氮量能夠顯著影響藥材黃芪生育期的群體干物質積累。結果分析表明：灌水水平和施氮水平及其互作效應對黃芪生育期群體干物質積累量具有顯著影響(p<0.05)。

在相同灌水條件下，中施氮水平的黃芪生育期群體干物質積累量顯著高于不施氮、低施氮和高施氮水平；在相同施氮條件下，生育期減量20%灌水水平的群體干物質積累量顯著高于生育期減量10%灌水水平和常規灌水水平。說明在生育期減量20%灌水條件下，適量增加施氮量可顯著提高藥材黃芪生育期的干物質積累量，為地下部分干質量的顯著增加奠定基礎。

2.2 Logistic方程擬合不同處理下黃芪群體干物質最大增長速率及其持續天數

干物質積累速率Logistic方程計算參考魏廷邦等[13]的方法。如表2所示，灌水量、施氮量及其互作效應對黃芪干物質最大增長速率及其出現的天數具有顯著影響(p<0.05)。

表2 不同處理黃芪群體干物質積累速率的Logistic方程回歸分析

在相同灌水條件下，W1N2處理的干物質最大增長速率較W1N0、W1N1和W1N3處理分別提高16.08%、9.96%和7.75%，W1N2處理的干物質最大增長速率出現天數較W1N0、W1N1和W1N3處理分別縮短6.07、8.14 d和8.15 d；W2N2處理的干物質最大增長速率較W2N0、W2N1和W2N3處理無顯著差異，但W2N2處理的干物質最大增長速率出現天數較W2N3處理縮短2.5 d。常規灌水條件下，W3N2處理的干物質最大增長速率較W3N0、W3N1和W3N3處理分別提高45.71%、25.28%和34.40%，W3N2處理的干物質最大增長速率出現天數較W3N0和W3N3處理分別縮短1.90 d和延長2.27 d，說明常規灌水條件下過量的增施氮肥不利于黃芪干物質積累量的增加。

在相同施氮條件下，W1N1處理的干物質最大增長速率較W3N1處理提高28.36%，W1N1處理的干物質最大增長速率出現天數較W2N1和W3N1處理分別延長4.0 d和1.4 d。W1N2處理的干物質最大增長速率較W2N2和W3N2處理分別提高8.41%和12.65%，W1N2處理的干物質最大增長速率出現天數較W2N2和W3N2處理分別縮短5.4 d和6.9 d；W1N3處理的干物質最大增長速率較W3N3處理提高40.52%，W1N3處理的干物質最大增長速率出現天數較W3N3處理延長3.5 d。說明生育期減量20%灌水(W1)與中施氮量(N2)耦合能夠顯著提高黃芪群體干物質積累速率，促進干物質積累量的增加，增大地下部分干物質的積累量。

2.3 水氮耦合對黃芪產量的影響

如表3所示，灌水量對黃芪根粗和地下部干質量具有顯著影響(p<0.05)，施氮量對黃芪根長、根粗、地上部干質量、地下部干質量及產量具有顯著影響(p<0.05)。不同灌水水平間比較，W1處理的根粗、地上部干質量的均值較W3處理分別提高16.24%和7.65%，但W1與W2處理間無顯著差異。說明過量灌水會影響黃芪根粗和地上部干質量的增加，不利于藥材黃芪的正常生長。

不同施氮處理間比較，N2處理的根長和根粗較N0 (對照)、N1、N3分別提高49.24%和42.97%、2.60%和4.81%、6.67%和6.68%；N2處理的地上部干質量、地下部干質量較N0 (對照)、N1和N3分別提高59.46%和109.43%、40.61%和25.54%、23.37%和5.15%；N2處理的產量較N0 (對照)、N3分別提高165.5%和17.83%。說明增加施氮量有助于促進黃芪地上部干質量、根長、根粗及地下部干質量的增加，可顯著提高產量，但過量的氮肥施用會加速黃芪的莖葉徒長，影響生育后期的地下部分產量形成。

灌水量與施氮量的互作效應對黃芪地上部干質量、地下部干質量和產量具有顯著影響(p<0.05)。在W1灌水條件下，N2處理的黃芪地上部干質量和地下部干質量較N0 (對照)、N1、N3分別提高89.50%和178.9%、85.54%和55.25%、25.74%和19.2%；N2處理的黃芪產量較N0 (對照)、N1和N3分別提高186.32%、11.99%和33.11%。

在W2灌水條件下，N2處理的黃芪地上部干質量和地下部干質量較N0 (對照)、N1、N3分別提高78.16%和95.47%、20.35%和19.37%、25.89%和5.89%；N2處理的黃芪產量較N0 (對照)和N3分別提高152.08%和11.52%。在W3灌水條件下，N2處理的黃芪地上部干質量和地下部干質量較N0 (對照)、N1、N3分別提高42.99%和73.06%、17.03%和9.62%、17.86%和4.13%；N2處理的黃芪產量較N0 (對照)和N3分別提高156.12%和8.66%。結果表明，生育期減量20%灌水與中施氮量耦合可顯著促進地上部干質量、根長和根粗的增加，有助于地上部有機物向地下部干質量的積累，顯著提高黃芪產量。

表3 水氮耦合對黃芪產量的影響

2.4 水氮耦合對黃芪甲苷含量的影響

如圖2所示，灌水量、施氮量及其互作效應均對黃芪甲苷含量具有顯著影響(p<0.05)。生育期減量20%灌水處理的黃芪甲苷含量較生育期減量10%灌水和常規灌水處理分別提高5.91%和26.51%。中施氮處理的黃芪甲苷含量較不施氮、低施氮和高施氮處理分別提高104.68%、16.85%和17.08%。

在相同灌水條件下，W1N2處理的黃芪甲苷含量較W1N0、W1N1和W1N3處理分別提高167.03%、50.93%和24.94%，W2N2處理的黃芪甲苷含量較W2N0、W2N1和W2N3處理分別提高113.92%、18.91%和20.64%；在常規灌水條件下，各施氮處理的黃芪甲苷含量無顯著差異。在相同施氮條件下，W1N2處理的黃芪甲苷含量較W2N2和W3N2處理分別提高17.11%和74.82%，W1N3處理的黃芪甲苷含量較W2N3和W3N3處理分別提高了13.08%和41.97%。說明生育期減量20%灌水與中施氮量耦合能夠顯著提高黃芪甲苷的含量，進一步優化收獲期黃芪的品質。

2.5 水氮耦合條件下黃芪主要指標間的相關性分析

如表4所示，在黃芪合理施肥和灌水條件下，通過水肥耦合可顯著影響黃芪生育期內的群體干物質最大增長速率(X1)和群體干物質最大增長速率出現天數(X2)，從而優化藥材黃芪的根長(X3)、根粗(X4)、單株地上部干質量(X5)、單株地下部干質量(X6)，最終通過各指標的綜合效應來影響黃芪產量(X7)和黃芪甲苷含量(X8)。

表4 水氮耦合條件下黃芪主要指標間的相關性分析

黃芪產量(X7)與根長(0.882**)、根粗(0.832**)、單株地上部干質量(0.709**)、單株地下部干質量(0.843**)和黃芪甲苷含量(0.838**)均呈現極顯著正相關關系。說明合理的水氮耦合能夠調控黃芪生育期根長、根粗等產量指標，進一步影響黃芪的產量形成，為優化和改善黃芪品質提高理論依據。

黃芪甲苷含量(X8)與根長(0.810**)、根粗(0.941**)、單株地上部干質量(0.874**)、單株地下部干質量(0.935**)均呈現極顯著正相關關系，說明合理的水肥耦合可顯著調控黃芪的根長、根粗和干物質積累，最終促進黃芪甲苷的積累。

3 討 論

中藥材的產量和品質可通過合理的栽培技術和農藝措施進行優化。合理的水肥調控措施可實現“以水調肥、以肥促水”的目的，不合理的水肥措施將抑制藥用植物的生長和發育[14]。水分是影響藥用植物生長發育的生態因子之一，對藥材產量及品質影響較大，適當的水分脅迫可降低作物的凈光合速率、蒸騰速率及葉綠素含量，但及時的增施肥料可緩解水分脅迫對作物生長發育的影響，利于有機物質的積累[15]。曹倩、張銀鎖等[16-17]研究發現，水分脅迫下作物的光合速率及干物質積累量顯著降低，但及時增加灌溉量能夠顯著提高夏玉米的光合速率、產量及WUE。李鐵男等[18]發現，生育期過量灌水會顯著降低葉片的光合作用，但通過增施肥料能夠改善葉片葉肉細胞的生理活性，延長光合作用的持續時期，充分保障作物生育后期有機物的積累和轉運。徐博瓊等[19]研究發現，最優移栽株行距30 cm×14 cm(密度23. 81 萬株·hm-2)下蒙古黃芪生長發育健壯，主莖較粗，根冠比較大，產量較高，質量優異。不同的水肥耦合配比，使得植株所擁有的營養配比不同，導致植物個體發育上的差異，會直接影響作物產量和質量，從而影響藥材產量的提高。有研究表明，在氮肥30～60 kg·hm-2、磷肥90 kg·hm-2、鉀肥30 kg·hm-2配方施肥條件下蒙古黃芪產量及經濟效益達到最大[20]。王振[21]研究礦質營養對膜莢黃芪的影響時發現，施氮可促進黃芪地上部分的生長，從而為生育后期膜莢黃芪根生長、產量形成及有效成分的累積提供充足的營養基礎。高星等[22]研究發現，氮、磷、鉀合理配比，有助于提高黃芪株高，促進根系的生長發育，顯著提高蒙古黃芪皂苷和多糖的質量分數。張豆豆等[23]研究發現，氮、磷、鉀肥單施對甘草產量的影響均呈拋物線型，而氮磷鉀配施對甘草酸等活性成分含量無顯著影響。馬中森等[24]發現，施30%凹凸棒礦化復合肥3 000 kg·hm-2處理時，蒙古黃芪經濟純收益和黃芪甲苷含量均達到最高，且黃芪甲苷含量較(對照)常規施肥處理顯著提高55.3%。

本試驗通過研究藥材黃芪生育期減量20%灌水(3 200 m3·hm-2)與中施氮量(100 kg·hm-2)耦合發現，該處理能夠顯著提高黃芪生育期的干物質最大增長速率，縮短干物質最大增長速率出現的天數，延長干物質積累速率持續的天數，有效增加黃芪群體干物質積累量及產量，顯著促進黃芪甲苷有效成分的積累。因此，針對藥用植物栽培現代化面臨的機遇和挑戰，本研究通過開展水肥耦合滴灌黃芪栽培技術的研究，將對改進中國藥用植物栽培技術具有一定的參考價值。

4 結 論

生育期減量20%灌水與中施氮量耦合處理能夠有效提高黃芪生育期的干物質最大增長速率，縮短干物質最大增長速率出現的天數，有效增加黃芪群體干物質積累量及產量，顯著促進黃芪甲苷等有效成分的積累，為增產增效奠定基礎。因此，采用黃芪生育期減量20%灌水(3 200 m3·hm-2)與中施氮量(100 kg·hm-2)處理的最優耦合模式，可為有效實現綠洲灌區中藥材黃芪高產、優質栽培提供技術支撐。