王玉才, 張恒嘉, 鄧浩亮, 李福強(qiáng), 黃彩霞, 薛道信

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利水電工程學(xué)院, 甘肅 蘭州 730070)

菘藍(lán)(Isatistinctoria)是常用的大宗中藥材之一，是治療感冒的常用藥材，幾乎所有的治療感冒的中藥配伍中都有菘藍(lán)。菘藍(lán)在我國(guó)廣泛引種，河北、陜西、甘肅及江蘇已成為主產(chǎn)地。但是在河西走廊一帶由于水資源短缺，灌溉方式不合理，導(dǎo)致菘藍(lán)的產(chǎn)量與水分利用效率較低。水分是干旱、半干旱地區(qū)影響生態(tài)環(huán)境變化和植物正常生長(zhǎng)的最主要因素[1]，因此，研究菘藍(lán)的耗水規(guī)律和土壤水分動(dòng)態(tài)對(duì)提高菘藍(lán)產(chǎn)量和水分利用效率至關(guān)重要。在諸多耗水量計(jì)算方法中，作物系數(shù)法因其簡(jiǎn)單準(zhǔn)確而被國(guó)內(nèi)外學(xué)者[2-3]廣泛應(yīng)用于大田作物。土壤水分適時(shí)管理和耕作技術(shù)[4]也是影響作物耗水量的重要因素，同時(shí)如果土壤水分發(fā)生較大的變化，將會(huì)直接影響作物的生長(zhǎng)狀況和產(chǎn)量。菘藍(lán)階段耗水量和全生育期耗水量與其所處的自然環(huán)境和灌溉條件等因素有關(guān)。然而目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者[5-6]對(duì)菘藍(lán)的研究主要集中在化學(xué)成分及藥理學(xué)活性等方面，忽略了不同生育期、不同水分虧缺對(duì)土壤水分、耗水量和產(chǎn)量等影響。為此，本文通過(guò)在甘肅省張掖市民樂(lè)縣的菘藍(lán)大田試驗(yàn)，探討水分調(diào)虧對(duì)膜下滴灌菘藍(lán)不同生育階段土壤水分變化和耗水特征的影響，進(jìn)一步揭示菘藍(lán)膜下滴灌的需水規(guī)律，為干旱、半干旱區(qū)菘藍(lán)的高產(chǎn)種植提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

灌溉試驗(yàn)在甘肅省張掖市民樂(lè)縣益民灌溉試驗(yàn)站進(jìn)行。試驗(yàn)站在洪水河灌區(qū)中游(東徑100°43′，北緯38°39′)，海拔為1 970 m。該地區(qū)氣候干燥，水源不足，屬大陸性荒漠草原氣候。多年平均溫度6 ℃，最高溫度37.8 ℃，最低溫度-33.3 ℃，年降雨量183～285 mm，無(wú)霜期109～174 d，年日照時(shí)數(shù)3 000 h左右。土壤屬輕壤土，田間持水量(θf(wàn))為24%(質(zhì)量含水率)，土壤容重1.4 g/cm3，地下水位為20 m左右，灌區(qū)基本不受鹽堿化影響。

1.2 供試材料及栽培方式

供試品種選用甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)中草藥系自繁的粒大飽滿、均勻一致的菘藍(lán)種子，種子純度96%，發(fā)芽率為87.6%，發(fā)芽勢(shì)為46.4%。2017年5月2日播種，10月11日收獲，播種量為30.0 kg/hm2，種植密度為700 350株/hm2，播前對(duì)試驗(yàn)小區(qū)進(jìn)行30 cm的翻耕處理，人工除去雜草，同時(shí)施入尿素(N含量46%)210 kg/hm2，過(guò)磷酸鈣(P2O5含量12%，S含量10%，Ca含量16%)340 kg/hm2，硫酸鉀(K2O含量25%)270 kg/hm2，所有肥料都作為基肥在播種時(shí)一次性施入。滴灌鋪設(shè)完畢進(jìn)行無(wú)色地膜覆蓋，地膜寬度120 cm。每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)之間用寬為60 cm的薄膜隔開(kāi)，防止水分地下相互滲流。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)為單因素隨機(jī)試驗(yàn)，將菘藍(lán)生育期按其生長(zhǎng)特點(diǎn)分為4個(gè)生育期：苗期、營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期、肉質(zhì)根生長(zhǎng)期和肉質(zhì)根成熟期，土壤水分設(shè)四個(gè)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(gè)水分調(diào)控處理，其中CK為對(duì)照處理，每個(gè)處理設(shè)3次重復(fù)，共30個(gè)小區(qū)，每小區(qū)面積36 m2(9 m×4 m)，采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，有效試驗(yàn)種植面積為1 080 m2。灌水方法為膜下滴灌，灌水整個(gè)生育期內(nèi)對(duì)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(qū)域?qū)嶋H情況較為吻合，具體試驗(yàn)設(shè)計(jì)詳見(jiàn)表1。

表1 不同試驗(yàn)處理的土壤含水量 %

注：土壤含水量為占田間持水率的百分?jǐn)?shù)； WD1為營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期輕度虧水; WD2為營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期中度虧水; WD3為營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期重度虧水; WD4為營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期和肉質(zhì)根生長(zhǎng)期輕度虧水; WD5為營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期輕度虧水和肉質(zhì)根生長(zhǎng)期中度虧水; WD6為營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期中度虧水和肉質(zhì)根生長(zhǎng)期輕度虧水; WD7為營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期和肉質(zhì)根生長(zhǎng)期中度虧水; WD8為營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期重度虧水和肉質(zhì)根生長(zhǎng)期輕度虧水; WD9為營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期重度虧水和肉質(zhì)根生長(zhǎng)期中度虧水; CK為各生育期正常供水。

1.4 測(cè)定指標(biāo)與方法

1.4.1 土壤水分 土壤水分的測(cè)定采用傳統(tǒng)方法烘干法，在每個(gè)小區(qū)隨機(jī)選擇，在連續(xù)兩株菘藍(lán)植株連線的中點(diǎn)處用土鉆分別鉆取小區(qū)土壤剖面內(nèi)，0—20 cm，20—40 cm，40—60 cm，60—80 cm和80—100 cm土層土壤，測(cè)定其含水率，因?yàn)檩克{(lán)的根系主要分布在0—50 cm內(nèi)，最后取0—60 cm土層的土壤水分的平均值作為濕潤(rùn)土層土壤內(nèi)的水分值，而以0—100 cm層內(nèi)土壤水分的變化來(lái)計(jì)算作物對(duì)土壤水分消耗量。

1.4.2 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析 利用SPSS 19.0軟件中Duncan多重比較法比較各處理相關(guān)數(shù)據(jù)差異的顯著性，GraphPad Prism 5.01做圖，各表中的數(shù)據(jù)均為平均值。

2 結(jié)果和分析

2.1 調(diào)虧灌溉下菘藍(lán)的耗水量

由表2可知，菘藍(lán)各水分調(diào)虧處理在全生育期內(nèi)的耗水量受膜下滴灌調(diào)虧灌溉的影響，其中CK的全生育期耗水量最高(381.75 mm)，其他各處理的全生育期耗水量均比CK顯著降低(p<0.05)，降低幅度為4.11%～15.71%，同時(shí)隨著調(diào)虧程度的逐漸加重，依次從輕度—中度—重度調(diào)虧，其他各處理的全生育期耗水量也呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)。因此，水分調(diào)虧程度將會(huì)影響菘藍(lán)全生育期的耗水量，且隨調(diào)虧程度的增大，全生育期消耗的水量減少的愈加明顯。2017年不同處理間各個(gè)生育期耗水量表明，在苗期除了WD6和WD7處理，其余各處理的耗水量和CK間的耗水量差異不顯著(p>0.05)；在營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期，CK的耗水量最高，達(dá)到140.89 mm，其他處理與其差異顯著(p<0.05)，其次是輕中度水分虧缺的處理，重度水分虧缺處理的耗水量最低(WD8和WD9)，較CK顯著降低16.69%和15.62%；在肉質(zhì)根生長(zhǎng)期，CK的耗水量最高，WD1，WD2和WD4處理與CK無(wú)顯著差異，重度水分虧缺處理的耗水量最低(WD9)；在肉質(zhì)根成熟期，WD5的耗水量最高，但WD1處理的耗水量最低，為57.31 mm，較CK顯著降低25.41%。在營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期和肉質(zhì)根生長(zhǎng)期隨著調(diào)虧程度的加重，各處理的耗水量呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)。

表2 菘藍(lán)不同生育階段耗水量

注：表中數(shù)值為每個(gè)處理3次重復(fù)的平均值；同列字母不同表示處理在0.05水平上差異顯著。下同。

2.2 調(diào)虧灌溉下菘藍(lán)不同生育階段耗水強(qiáng)度

2017年不同處理間耗水強(qiáng)度變化特征如表3所示。由表3可知，在苗期除了WD6和WD7處理其余各處理的耗水強(qiáng)度與CK間無(wú)顯著差異(p>0.05)；在營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期，CK的耗水強(qiáng)度最高，達(dá)到3.35 mm/d，其他處理與其差異顯著(p<0.05)，其次是WD1，WD4和WD5處理，WD8處理的耗水強(qiáng)度較CK顯著降低16.72%；在肉質(zhì)根生長(zhǎng)期，CK的耗水強(qiáng)度最高，達(dá)到3.21 mm/d，WD1，WD2和WD4處理與CK無(wú)顯著差異，WD8處理的耗水強(qiáng)度最低；在肉質(zhì)根成熟期，WD5的耗水強(qiáng)度最高，與CK無(wú)顯著差異，但WD1處理的耗水強(qiáng)度最低，為1.37 mm/d，較CK顯著降低26.74%。耗水強(qiáng)度變化規(guī)律基本呈現(xiàn)出苗期最小(約0.90 mm/d)，肉質(zhì)根成熟期較大(約1.60 mm/d)，營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期和肉質(zhì)根生長(zhǎng)期的最大(約3.00 mm/d)。

表3 菘藍(lán)各個(gè)生育階段耗水特征

2.3 調(diào)虧灌溉下菘藍(lán)不同生育階段耗水模數(shù)

從表3可以發(fā)現(xiàn)，2017年，在苗期除了WD8和WD9其余各處理的耗水模數(shù)與CK間無(wú)顯著差異(p>0.05)；在營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期，WD1處理的耗水模數(shù)最高，達(dá)到38.49%，與CK顯著差異(p<0.05)，其次為WD9；在肉質(zhì)根生長(zhǎng)期，WD3處理的耗水模數(shù)最高，其次為WD1和WD4，均與CK顯著差異；在肉質(zhì)根成熟期，WD6處理的耗水模數(shù)最高，與CK無(wú)顯著差異，而WD1處理的耗水模數(shù)最低。菘藍(lán)的各個(gè)生育期的耗水模數(shù)呈現(xiàn)出較為相似的分布規(guī)律，苗期的菘藍(lán)由于植株矮小，生長(zhǎng)緩慢，氣溫較低等原因，耗水模數(shù)在8.97%～10.60%之間，當(dāng)進(jìn)入到營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期和肉質(zhì)根生長(zhǎng)期后，菘藍(lán)的根冠發(fā)育迅速，氣溫升高，耗水模數(shù)也隨著增加至32.97%～38.49%，最后，在菘藍(lán)的肉質(zhì)根成熟期，氣溫降低，生長(zhǎng)速度也逐漸下降，耗水模數(shù)也下降至15.45%～22.22%。

2.4 調(diào)虧灌溉下菘藍(lán)產(chǎn)量和水分利用效率

菘藍(lán)產(chǎn)量是在營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期輕度水分虧缺其余生育期充分灌溉的WD1處理?xiàng)l件下最高(達(dá)到8 390.80 kg/hm2)，其他不同程度的水分虧缺處理均使菘藍(lán)產(chǎn)量有所降低，與CK相比，其他各處理產(chǎn)量降幅在1.04%～33.43%之間，在營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期輕度、肉質(zhì)根生長(zhǎng)期輕度水分調(diào)虧條件下，WD4處理的菘藍(lán)產(chǎn)量與CK無(wú)顯著(p>0.05)差異，為8 235.32 kg/hm2；而營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期重度水分虧缺和肉質(zhì)根生長(zhǎng)期中度、重度水分虧缺的WD3，WD7，WD8和WD9處理的菘藍(lán)產(chǎn)量分別與CK差異顯著(p<0.05)，分別減產(chǎn)18.29%，18.05%，31.67%和33.43%。WD1處理的水分利用效率最高〔23.62 kg/(hm2·mm)〕，比CK顯著提高8.35%，WD4處理次之，比CK提高6.74%，即營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期輕度水分調(diào)虧和肉質(zhì)根生長(zhǎng)期輕度水分調(diào)虧對(duì)菘藍(lán)的水分利用效率影響顯著。而其他處理的水分利用效率均有所降低，其中WD2，WD3，WD5，WD6，WD7，WD8和WD9處理的水分利用效率顯著低于CK，分別降低6.47%，9.22%，9.54%，8.17%，9.95%，20.73%和22.48%(表4)。結(jié)果表明菘藍(lán)在營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期和肉質(zhì)根成熟期的輕度水分調(diào)虧可提高其水分利用效率，而其他中度、重度水分調(diào)虧處理會(huì)明顯降低水分利用效率。

3 討論與結(jié)論

作物的全生育期內(nèi)各個(gè)階段的耗水量能夠代表其各個(gè)生育期的需水特性及需求，也能夠反映出不同生育階段對(duì)水分的敏感程度。孟兆江等[7]研究表明冬小麥全生育期耗水量隨水分調(diào)虧度加重而降低，降低幅度為12.8%～46.5%。楊學(xué)軍等[8]發(fā)現(xiàn)4種苔草在虧缺灌溉條件下耗水量、產(chǎn)量均顯著降低。本試驗(yàn)研究結(jié)果表明水分調(diào)虧程度將會(huì)影響菘藍(lán)全生育階段的耗水量，且隨調(diào)虧程度的增大，菘藍(lán)的全生育階段消耗的水量減少的愈加明顯。這與黃興法等[9]研究結(jié)果一致，與充分灌溉相比，蘋(píng)果樹(shù)的調(diào)虧微噴灌節(jié)約灌溉用水，同時(shí)在其生育期內(nèi)的耗水量可減少10.2%～11.2%。

表4 不同調(diào)虧灌溉處理下菘藍(lán)水分利用效率的影響

邱新強(qiáng)等[10]研究發(fā)現(xiàn)不同水分處理?xiàng)l件下，各生育階段內(nèi)的水分脅迫使夏玉米的階段耗水量和日耗水強(qiáng)度較CK處理均普遍降低，其中輕旱處理的降幅均最小，重旱處理的降幅最大。張步翀等[11]研究發(fā)現(xiàn)在小麥生長(zhǎng)旺盛的抽穗—灌漿期，日耗水強(qiáng)度達(dá)到最大，此生育期屬于水分較敏感時(shí)期。本試驗(yàn)結(jié)果表明菘藍(lán)的耗水強(qiáng)度變化規(guī)律基本呈現(xiàn)出苗期最小(約0.90 mm/d)，肉質(zhì)根成熟期次之(約1.60 mm/d)，營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期和肉質(zhì)根生長(zhǎng)期最大(約3.00 mm/d)的規(guī)律，且輕度虧水處理耗水強(qiáng)度降幅較小，重度虧水處理降幅較大。

菘藍(lán)的各個(gè)生育期的耗水模數(shù)呈現(xiàn)出較為相似的分布規(guī)律，苗期的耗水模數(shù)在8.97%～10.60%之間，當(dāng)進(jìn)入到營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期和肉質(zhì)根生長(zhǎng)期后，菘藍(lán)的根冠發(fā)育迅速，氣溫升高，耗水模數(shù)也隨著增加至32.97%～38.49%，在菘藍(lán)的肉質(zhì)根成熟期，耗水模數(shù)也下降至15.45%～22.22%。不同水分虧缺處理間的耗水模數(shù)之間并沒(méi)有隨著水分虧缺程度的加劇而出現(xiàn)有規(guī)律的變化趨勢(shì)。這主要是因?yàn)橛绊懞乃?shù)的因素諸多，如耗水強(qiáng)度、全生育期總消耗水量、環(huán)境因子和該生育階段持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)短等。

調(diào)虧灌溉不僅可以用于與果樹(shù)、梨樹(shù)等的節(jié)水增產(chǎn)，同時(shí)本研究發(fā)現(xiàn)對(duì)于菘藍(lán)也具有節(jié)水增產(chǎn)效果。雷艷等[12]研究發(fā)現(xiàn)冬小麥在返青期受水分虧缺時(shí)干物質(zhì)顯著降低了7.7%，但提高了4.95%的產(chǎn)量和7.56%的水分利用效率。時(shí)學(xué)雙等[13]研究發(fā)現(xiàn)輕度水分虧缺處理可以顯著提高春青稞的水分利用效率和收獲指數(shù)，而極度水分虧缺則會(huì)顯著降低產(chǎn)量、水分利用效率和收獲指數(shù)。本研究也得出相似結(jié)論，WD4處理的菘藍(lán)產(chǎn)量與CK無(wú)顯著(p>0.05)差異，WD1處理的水分利用效率最高，WD4處理次之且比CK提高6.74%，即WD4處理為最優(yōu)處理。菘藍(lán)的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量受輕度水分虧缺的影響不顯著，而中度和重度水分虧缺顯著降低了菘藍(lán)的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量。不同處理的水分利用效率受到水分虧缺的影響顯著，輕度水分虧缺的水分利用效率顯著增加，而其他處理的水分利用效率均有所降低。結(jié)果說(shuō)明輕度水分虧缺可以有效提高菘藍(lán)的水分利用效率，并且不會(huì)降低菘藍(lán)的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量。