不同灌溉量对蒙古黄芪土壤水分、生长发育及产量品质的影响

The Influence of Different Irrigation Amounts on Soil Moisture，Growth and Development, Yield，and Quality of Astragalus mongholicus

摘要

为明确陕北旱区蒙古黄芪高产优质栽培的灌溉制度，探究不同灌溉量对蒙古黄芪品质及产量的影响，以蒙古黄芪为试验材料，设置灌溉量分别为5 240（W1）、4 190（W2）、3 140（W3）、2 090（W4）、1 040（W5）、0（CK） m³/hm²共6个处理，分析土壤含水量及蒙古黄芪的干物质量及根冠比、农艺性状、产量、品质的差异性变化。结果表明，0~60 cm，W1、W2、W3、W4、W5处理下的土壤含水量较CK分别提高50.1%、30%、19.8%、19.6%、14.6%；W2、W3、W5处理下的收获期根冠比较CK分别提高61%、38%、36%；荚果期蒙古黄芪株高、茎粗、冠幅随灌溉量的增加而增加，在W2处理时达到最高，随后开始下降；W2处理产量较CK显著提高53%；在黄芪品质方面，W3处理黄芪甲苷含量为0.131%，毛蕊异黄酮葡萄糖苷含量为0.22%，均高于其他处理。相关性分析结果发现，根干质量、根鲜质量、茎叶干质量、冠幅均与产量呈显著正相关。综上，陕北旱区平栽蒙古黄芪高产优质的适宜灌溉量为3 140~4 190 m³/hm²。

Abstract

In order to clarify the irrigation system of high yield and high quality cultivation of Astragalus mongholicus in arid regions in northern Shaanxi, explore the influence of different irrigation amounts on the quality and yield of Astragalus mongholicus. In this study, with Astragalus mongholicus as the experimental material, six treatments of irrigation amounts including 5 240(W1), 4 190(W2), 3 140(W3), 2 090(W4), 1 040(W5), and 0(CK) m³/ha were set, and the differences in soil water content, dry matter mass, root crown ratio, agronomic traits, yield, and quality of Astragalus mongholicus were analyzed. The results indicated that 0-60 cm, the soil water content in the treatments of W1, W2, W3, W4, and W5 increased by 50.1%, 30%, 19.8%, 19.6%, and 14.6%, respectively compared with CK. Root crown ratio at harvest stage in the treatments of W2, W3, and W5 increased by 61%, 38% and 36% compared with CK, respectively. The plant height, stem thickness and crown amplitude of Astragalus mongholicus increased with the increase of irrigation amount, the values reached the maximum at W2 treatment, then declined. Yield in the treatments of W2 increased by 53% compared with CK. In terms of the quality of Astragalus mongholicus, in treatment W3, the Astragalus methylside content was 0.131%, the Myislavone glucoside content was 0.22%, they were higher than those in other treatments. The correlation analysis found that root dry weight, root fresh weight, stem and leaf dry weight, and crown amplitude were siginificantly positively correlated with yield. In conclusion, the suitable irrigation amounts of high yield and high quality of Astragalus mongholicus planted in the arid regions in northern Shaanxi was 3 140-4 190 m³/ha.

Graphical abstract

关键词

蒙古黄芪 / 灌溉量 / 膜际栽培 / 土壤含水量 / 产量 / 品质

Key words

Astragalus mongholicus / irrigation amounts / intermembrane cultivation / soil water content / yield / quality

蒙古黄芪（Astragalus membranaceus mongholicus（Bge.）Hsiao）为豆科黄芪属植物，是常用的大宗药材，药用历史悠久，始载于《神农本草经》，应用广泛，素有“十药八芪”之称^[1-2]。蒙古黄芪的主要产地分布在甘肃、内蒙古、宁夏等省份，这些省份大多属于半干旱区，自然降雨量较少。根类药材的生长与土壤中的水分有着十分密切的联系，水分的多少直接决定根类药材的生长及其有效成分的积累^[3]。目前，蒙古黄芪在陕北地区的种植过程中缺乏合理的灌溉制度，灌溉的不合理不仅会造成水资源的浪费，而且影响品质与产量。因此，将合理的灌溉制度引入到中药材规范化生产的实际中去，能够有助于实现优质高效生产^[4]。

已有研究表明，水分缺失会导致作物植株弱小，叶片萎靡，进而影响光合作用，对产量造成影响；水分过多会造成地上部分过度生长，延迟成熟，并引起根系病害^[5-8]。李金娟等^[9]在宁夏中宁县以2年生黄芪为试验对象，融合灌溉量、灌溉定额、灌溉次数、灌溉时期进行黄芪耗水量试验，发现宁夏地区灌溉量为1 125 m³/hm²时黄芪株高达到最大，灌溉量为5 700 m³/hm²时黄芪产量最高。杨祎辰^[10]2014年在榆林横山县以蒙古黄芪为对象，在大田试验中采用抽水灌溉的方法研究蒙古黄芪的适宜灌溉量后，发现年灌溉量少于1 400 m³/hm²时会影响蒙古黄芪产量、农艺性状和有效物质含量。贾鑫^[11]以蒙古黄芪为试验对象，于2013年在内蒙古大学采用盆栽种植研究持续性干旱胁迫对蒙古黄芪生长的影响时发现，干旱程度越重，黄芪生长越受到抑制，黄芪甲苷含量会随着干旱程度的增加而增加，并在12 d干旱时达到顶点，随后开始下降。榆林全市水资源总量为3.201×10⁹ m³，可利用总量为1.207×10⁹ m³，人均水资源量为949.77 m³，是我国平均水平的43%，低于世界公认的缺水线1 000 m³/人，属资源型缺水地区。灌溉用水是用水大户，其用水量占全市总用水量的70%以上，但目前全市灌溉水利用系数平均仅为0.45，距用水效率规定红线0.55还有一定差距。在水资源缺乏的自然环境下，陕北旱区蒙古黄芪种植还未形成一个明确的灌溉规范，如何在有限的水资源下探索出一个合理的灌溉范围，使蒙古黄芪的规模化种植能够优质优产，是一个亟待解决的问题。因此，找出适合陕北旱区蒙古黄芪合理的灌溉机制变得尤为重要。

本研究通过探究榆林地区适合蒙古黄芪生长的灌溉量，并引入膜际栽培技术，在不同水分梯度下对土壤含水量及蒙古黄芪的干物质量、根冠比、农艺性状、产量、品质进行测定，旨在为陕北旱区的蒙古黄芪合理灌溉、并获得优质高产提供理论依据和数据支撑。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

试验在陕西省榆林市榆阳区榆林国家现代农业科技示范园进行。试验区（109°79´61´´E，38°38´08´´N）平均海拔为1 200 m，年平均气温为8.5 ℃，年降水量为411.35 mm，7—9月为主要降雨时期，年均蒸发量为1 211 mm，≥10 ℃有效积温在2 100 ℃以上，年平均日照时间为2 593.5~2 914.4 h，气候为温带半干旱大陆性季风气候，四季分明，日差较大，无霜期为134~169 d。试验地土壤为黄绵土，土壤基础肥力特征详见表1。

蒙古黄芪生育期5月1日至10月31日的气温和降雨量变化如图1所示。

1.2 试验材料

普通白地膜采用厚度0.01 mm、宽50 cm的聚乙烯农用地膜（靖边县华伟塑业有限公司）。试验材料为蒙古黄芪种苗，由陕西省榆林市广济堂中药开发有限责任公司提供。

1.3 试验设计

试验于2023年进行，设置6个不同灌溉量：5 240（W1）、4 190（W2）、3 140（W3）、2 090（W4）、1 040（W5）、0(CK）m³/hm²，每个处理之间预留一条宽度50 cm的隔离带，3次重复，小区面积9 m²（3 m×3 m），24个小区。行距30 cm、株距18 cm，施肥量为N 103 kg/hm²、P 156 kg/hm²、K 132 kg/hm²。其余田间管理与当地保持一致。黄芪不同生育期各处理灌溉量见表2。

1.4 测定项目及方法

1.4.1 土壤含水量测定

返青期、花期、荚果期、收获期进行测量，每隔15 d测定一次，运用土钻法在0~60 cm深的土层，每隔10 cm取一次样。取样后用铝盒分装并称质量，后放入烘箱105 ℃烘干，再称量。

W=（M1-M2）/（M2-M）×100%（1）

式中，W为土壤含水量（%），M1为鲜土质量和铝盒质量之和（g），M2为干土质量和铝盒质量之和（g），M为铝盒质量（g）。

1.4.2 株高、茎粗和冠幅测定

株高用钢尺在返青期、花期、荚果期测定，间隔期为15 d，每个处理选取5株长势一致的蒙古黄芪进行测定。茎粗用游标卡尺在返青期、花期、荚果期测定，每15 d测定一次，每个处理选取5株长势一致的蒙古黄芪进行测定。冠幅是用米尺或钢尺在返青期、花期、荚果期测定，每15 d测定一次，对蒙古黄芪苗的南北和东西方向宽度的平均值，每个处理选长势一致的5株苗进行测定。

1.4.3 茎叶鲜/干质量测定

于返青期、花期、荚果期、收获期4个时期取样，每个处理采样长势近似的5株，用塑封袋装，实验室内进行植株分离茎叶和根并称茎叶鲜质量。用烘干法测定干质量，将其装入牛皮纸袋放入烘箱，105 ℃杀青1 h，再在80 ℃下烘至恒质量，称量干质量。

1.4.4 根鲜/干质量测定

将蒙古黄芪根冲洗干净，用吸水纸吸干表面的水分，称量根鲜质量，然后105 ℃杀青1 h，80 ℃烘至恒质量或自然阴干称量其干质量。

1.4.5 产量测定

整个试验田按照处理进行分类采样，每个处理取3个小区的产值，计算平均值作为对应处理的产量。

1.4.6 品质测定

品质指标包括黄芪甲苷含量、毛蕊异黄酮葡萄糖苷含量。将烘干的蒙古黄芪样品粉碎过0.25 mm筛。黄芪甲苷采用高效液相色谱法测定，以十八烷基硅烷键合硅胶为填充剂，以乙睛-水（32∶68）为流动相，然后利用蒸发光散射检测器检测。理论板数按黄芪甲苷峰计算应不低于4 000，含黄芪甲苷不少于0.080%。毛蕊异黄酮葡萄糖苷用紫外分光光度仪进行测定，波长为260 nm，理论数按照毛蕊异黄酮葡萄糖苷计算应不低于3 000，含毛蕊异黄酮葡萄糖苷不得少于0.020%。

1.5 数据处理与分析

采用SPSS 23.0单因素检验进行统计分析，双变量分析进行相关性分析；用Origin 2022进行折线图、柱状图绘制。

2 结果与分析

2.1 不同灌溉量对蒙古黄芪土壤含水量的影响

由表3可知，将0~60 cm（将3个土层的土壤含水量数据进行综合比较分析），W1~W5全生育期土壤含水量呈下降趋势，W1、W2、W3、W4、W5处理较CK分别增加50.1%、30%、19.8%、19.6%、14.6%，与各处理灌溉量趋势一致。0~20 cm，返青期、花期、荚果期各处理的土壤含水量间没有显著性差异，收获期W1、W2、W3、W4处理的含水量显著高于CK（P<0.05）。20~40 cm，返青期、花期、收获期W1处理的土壤含水均显著高于CK（P<0.05）。相比其他3个时期，荚果期各处理的土壤含水量偏低，可能是由于天气干旱， 降雨量较少，水分无法渗入土壤深层。同时，返青期、花期、收获期相比同时期0~20 cm的土壤含水量更高，原因是平栽蒙古黄芪根部吸水层在0~20 cm，且土壤更深，水分蒸发量相比0~20 cm更少。40~60 cm，返青期、花期W1处理的土壤含水量均显著高于CK（P<0.05），收获期W5处理的土壤含水量均显著高于CK（P<0.05）。返青期—荚果期，各处理的土壤含水量呈下降趋势，收获期各处理的土壤含水量又开始升高，说明收获期蒙古黄芪耗水量减少。

2.2 不同灌溉量对蒙古黄芪干物质量及根冠比与农艺性状的影响

由表4可知，收获期根鲜质量、根干质量W1、W2、W3处理均与CK有显著性差异（P<0.05），与根系含水量趋势一致，W2处理对比CK分别增加129%、155%、73%；茎叶鲜质量、茎叶干质量W1、W2处理与CK有显著性差异（P<0.05），其余处理与CK无显著性差异。从图2可以看出，根冠比W2、W3、W5处理对比CK分别显著增加61%、38%、36%（P<0.05）。

从表5可以看出，荚果期W1、W2处理与CK相比株高分别显著增加14%、16%（P<0.05），在返青期、花期、荚果期中，W2处理株高均最高；花期、荚果期W1、W2、W3、W4、W5处理茎粗与CK间均有显著性差异（P<0.05），其中，在荚果期比CK分别增加41%、48%、35%、26%、24%；各处理返青期W1、W2、W3、W4处理冠幅与CK间有显著性差异（P<0.05），花期W1、W5处理冠幅与CK间有显著性差异（P<0.05），荚果期W2处理冠幅比CK显著增加21%（P<0.05）。

2.3 不同灌溉量对蒙古黄芪产量和品质的影响

从表6可以看出，W2处理的黄芪产量对比CK显著增加53%（P<0.05）。W1、W3、W4、W5处理的黄芪产量与CK无显著差异。

随着灌溉量的减少，蒙古黄芪甲苷、毛蕊异黄酮葡萄糖苷含量呈先增加后减少的趋势。其中，W3处理含量最高，黄芪甲苷含量为0.131%，毛蕊异黄酮葡萄糖苷含量为0.22%；黄芪甲苷含量W1、W2、W3、W4、W5处理对比CK分别增加37%、41%、43%、26%、7%。这些结果表明适度的减少灌溉量可以促进黄芪甲苷、毛蕊异黄酮葡萄糖苷的累积。CK黄芪甲苷含量为0.091%，毛蕊异黄酮葡萄糖苷含量为0.014%，可知在蒙古黄芪生长过程中，不进行灌溉会对蒙古黄芪品质造成影响。

2.4 相关性分析

由表7可知，相关性分析发现根干质量、根鲜质量、茎叶干质量、冠幅与产量均呈显著正相关（P<0.05）；茎叶鲜质量、冠幅、茎粗均与根鲜质量呈显著正相关（P<0.05）；根干质量、茎叶干质量、株高均根鲜质量呈极显著正相关（P<0.01）。

3 结论与讨论

灌溉量与土壤含水量有紧密联系。梁建萍等^[12]用干旱胁迫的方法对蒙古黄芪的生长及次生代谢进行研究，发现水分的缺失会降低蒙古黄芪的苗高及生物量，但会刺激根部生长和次生代谢物的积累。高佩等^[13]通过研究冬小麦在不同干旱胁迫下的水分利用效率发现，冬小麦各生育阶段耗水量随干旱加重而减少，重旱减少趋势最显著。田清龙等^[14]通过马铃薯水分试验发现，短时间地减少土壤含水量可以刺激马铃薯的根系活力，增加根系体积与根鲜质量。蒙古黄芪的耗水时期集中在花期至荚果期^[15]。土壤含水量40~60 cm低于0~40 cm，原因是土壤逐渐由黄绵土转变为沙土，水分渗透速度快，保水能力低，田间持水量低^[3]。0~60 cm全生育期土壤含水量与灌溉量趋势一致，W1处理灌溉量最多，土壤含水量最大，W3、W4处理灌溉量不同，土壤含水量相近，原因是吸水量随着干旱程度加深而减弱^[13]。W2处理在产量上最高，W3处理可以刺激蒙古黄芪根系有效成分的累积，综合来看，适宜的灌溉量在3 140~4 190 m³/hm²的动态范围内。

水分胁迫会对植物的生理生态过程、生长、形态产生影响，水分匮乏将直接影响到植物的形态建成^[16]。马凤江等^[17]对紫花苜蓿进行干旱胁迫试验，发现其株高、分枝数、叶面积、主根长度、根体积均呈现下降趋势，说明水分的缺失会严重影响紫花苜蓿的生长状态。杨平飞等^[18]通过对天冬的水分胁迫试验发现，4个不同梯度水分胁迫处理下，株高、主茎粗、块根质量随水分胁迫时间的延长而升高，成正比关系。杨祎辰^[10]通过对水分干旱胁迫试验发现，由干旱胁迫转变为正常供水，能够显著改善蒙古黄芪的株高、茎粗、根长、根粗。韩凯^[19]通过设置三个梯度的蒙古黄芪水分胁迫试验发现，蒙古黄芪在35%~40%的田间持水量株高受到显著抑制，生物量在70%~75%的田间持水量最高。株高、茎粗和冠幅是蒙古黄芪重要的农艺性状指标，其干物质的积累与转运直接影响到蒙古黄芪的产量和品质^[20]。说明适度的干旱胁迫可以促进蒙古黄芪生物量增加，使干物质量、农艺性状得到提升。本试验中，W1、W2处理灌溉量多，农艺性状和干物质量高于其余各处理；根冠比W2处理最高，W3处理仅次于W2处理；说明蒙古黄芪在水分充足的条件下，会促进地上部分的生长；适度的干旱胁迫，会促进地下部分的生长。

水分是重要的生态因子之一，是植物进行生理生化活动必需的介质^[21]。中药材的种植和其他主要粮食作物如玉米、大豆的种植相比处于落后阶段。蒙古黄芪在我国虽然被作为主要经济中草药被农户广泛种植，但和其他主要粮食作物和经济作物相比，产业化程度和科研基础设施仍有较大差距^[22]。由于蒙古黄芪等中草药没有统一的生产管理制度，田间管理操作如灌溉不规范，导致蒙古黄芪的产量、质量不能达到高标准，蒙古黄芪种子也出现了混杂现象，使其品质逐渐退化，种植的农户无法有效确保蒙古黄芪品质^[23-24]。蒙古黄芪成分黄芪甲苷、毛蕊异黄酮葡萄糖苷和蒙古黄芪总多糖是评价蒙古黄芪品质的指标性成分^[25-26]。在植物生长发育期间，水分具有决定性作用，特别是对根系的生长发育具有调控作用；植物内部有效成分的积累与其所处环境的水分含量关系更为紧密^[3]。在生长时给予适宜的灌溉量，有利于蒙古黄芪根系生长，产量高，但不利于药效成分的合成。适度的干旱胁迫可以诱导防御与适应机制，增强次生代谢，提高药效成分含量^[27]。孟繁莹等^[28]通过对西洋参的研究发现，土壤相对含水量在80%的时候对其根的生长最有利，高于（如100%）或低于（如40%~60%）这个值对根系的质量增加都有明显影响。李金娟等^[9]、杨祎辰^[10]、韩凯^[19]分别通过盆栽试验和大田试验在榆林、宁夏等西北干旱地区进行不同水分梯度试验，结果表明蒙古黄芪的产量、品质与灌水量紧密相关。在一定的灌溉范围内，作物的产量和灌溉量呈正相关^[29]。本试验中，产量与土壤含水量无相关性，原因是产量在W2处理处出现拐点，W1处理灌溉量多，土壤含水量多，导致产量下降。不同灌溉量对蒙古黄芪品质和产量有明显影响。通过对蒙古黄芪产量统计分析可以得出，W2处理高于各项处理，与W4、W5、CK有显著性差异，与农艺性状、干物质量趋势一致。当灌溉量超过W2处理时，土壤水分过多，对根部产生影响，造成产量下降。黄芪甲苷、毛蕊异黄酮葡萄糖苷作为蒙古黄芪品质的主要指标，由表5可知，W3处理含量最高，在轻度干旱条件下，根系为了寻找水分，将生长中心下移到根部，促成了根系同化物的合成^[30]。

本试验中，在不同的灌溉量下，蒙古黄芪的产量、品质、生长发育以及土壤水分呈现出不同的变化趋势。产量、农艺性状、干物质量、根冠比随着灌溉量的增加而增加，在W2处理（4 190 m³/hm²）时达到最大，随后增加灌溉量则降低；干旱的环境有利于黄芪品质的积累，当灌溉量在W3处理（3 140 m³/hm²）时，黄芪甲苷和毛蕊异黄酮葡萄糖苷的积累量高于其他各个处理；土壤含水量与灌溉量的趋势保持一致。综上，陕北旱区的黄芪种植中，将灌溉量控制在3 140~4190 m³/hm²的动态范围内，可以兼顾蒙古黄芪的产量与品质。

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基金资助

中央引导地方科技发展基金陕西省工程技术研究中心项目(2022ZY2-GCZX-05)

陕西省农业农村厅科技创新驱动项目(2022NYT01)

榆林市科技局产学研合作项目(CXY-2021-83)

府谷县旱作农业科技成果转移转化示范基地建设项目(H2023060049)

府谷县主要粮食作物膜际栽培技术推广项目(H2023060048)