不同施肥和灌溉水平對三七生長特性和發(fā)病率的影響

劉艷偉，周 瀟，楊啟良，茶品元

(昆明理工大學(xué) 農(nóng)業(yè)與食品學(xué)院，云南 昆明 650500)

三七是一種名貴中藥材，其花、葉、根莖均可入藥[1]。合理的水肥調(diào)控不僅能減少水和肥料的使用，提高水肥利用率，還能提高作物的產(chǎn)量和品質(zhì)，減少環(huán)境的污染。作物在不同生育階段對礦質(zhì)元素的需求有所差異[2]，根據(jù)需肥規(guī)律來施肥才能實現(xiàn)肥料的利用最大化。韋美麗等[3]認為，3年生三七在不同生長期對氮、磷、鉀的吸收數(shù)量和吸收比例不同。王朝梁等[4]的研究確定了三七施肥適宜量。杜彩艷等[5]研究認為，合理的氮肥施用量可以顯著提高三七的凈光合速率(net photosynthetic rate，Pn)。不同的肥料施用水平對三七生長特性和品質(zhì)的影響較大[6-7]。水分的高低直接影響作物的生長發(fā)育、產(chǎn)量和品質(zhì)，水分過低或者過高都會引起光合速率下降[8]，不利于三七生長。趙宏光等[9]通過盆栽試驗得出，隨著土壤水分的增加，三七根腐病發(fā)病率也增高。

水和肥對三七生長和光合作用的單一影響已有較多研究，水肥耦合與根據(jù)三七不同生理階段的需肥要求制定施肥量的相關(guān)研究較少，尤其是水肥耦合對三七發(fā)病率的影響鮮有報道。本研究以3年生三七為對象，在遮蔭和微噴灌施肥(水肥一體化施肥)條件下研究生育期不同比例施肥與灌溉處理對三七生長特性、光合特性、干物質(zhì)積累和發(fā)病率的影響，探索微噴灌施肥條件下適宜三七生長的最佳灌溉和施肥模式，以期為三七在微噴灌施肥條件下灌溉施肥制度的制定提供理論依據(jù)和技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2018年11月至2019年11月在云南省紅河哈尼彝族自治州瀘西縣昆明理工大學(xué)三七控水減排提質(zhì)增效關(guān)鍵技術(shù)研究與示范基地(103°57′ E，24°26′ N)進行。試驗基地平均海拔1 842 m，屬北亞熱帶低緯高原山地季風(fēng)氣候。供試土壤為微酸性紅壤土，pH為6.0，土壤平均容重為1.29 g·cm-3，田間持水量(FC)43.22%。土壤全氮0.96 g·kg-1，全磷0.88 g·kg-1，全鉀14.65 g·kg-1，硝態(tài)氮8.45 mg·kg-1，堿解氮68.56 mg·kg-1，銨態(tài)氮19.04 mg·kg-1，速效磷11.49 mg·kg-1，速效鉀318.7 mg·kg-1。供試植株為3年生三七。

1.2 試驗設(shè)計

將三七的生育期劃分為根增重期(12月至次年2月)、苗期(3月—5月)、花期(6月—8月)和果期(9月—11月)。試驗設(shè)置4個施肥水平F1、F2、F3、F4，施肥總量均為96 kg·667m-2，根增重期∶苗期∶花期∶果期的施肥比例分別為25%∶25%∶25%∶25%、20%∶25%∶30%∶25%、15%∶30%∶30%∶25%和10%∶40%∶20%∶30%。3個灌溉水平分別為W1(0.5FC)、W2(0.7FC)和W3(0.9FC)。采用完全組合設(shè)計，共12個處理。每個處理2壟地，每壟地長15 m，寬2 m，壟高30 cm，壟距30 cm。壟面用5 mm厚度的松針覆蓋，壟間道路鋪設(shè)松針，植株間距10 cm。為了避免各壟土地之間水分互滲，在各處理之間埋設(shè)塑料布。具體設(shè)計見表1。

表1 灌溉施肥設(shè)計Table 1 Irrigation and fertilization treatments

1.3 灌水施肥控制和農(nóng)藝措施

試驗基地為塑料溫室，采取3層遮陽網(wǎng)進行遮蔭處理，透光率為8.3%。試驗基地每壟安裝1根有控制閥的支管，毛管接有微噴頭，灌水量用水表控制。水溶肥選用四川什邡德美實業(yè)有限公司的水溶肥料(21%N-21%P2O5-21%K2O+6%小分子有機碳+微量元素)，通過以色列TEFEN公司生產(chǎn)的MixRite2502施肥器控制灌溉施肥，實現(xiàn)微噴灌水肥一體化施肥。試驗期間保持大棚內(nèi)通風(fēng)流暢，發(fā)現(xiàn)患病植株將地上部分剪除或清除，若黑斑病傷及根部則對患病植株附近土壤噴灑稀釋500倍的25%多菌靈可濕性粉劑液，撒生石灰，防止病情蔓延。其他田間管理措施均保持一致。

1.4 指標(biāo)測定

1.4.1 生長指標(biāo)

苗期(3月20日)和果期(11月20日)每個處理隨機選取3株長勢一致的健康植株用游標(biāo)卡尺測定株高和莖粗。

收獲時每個處理取3棵植株，將植株地上、地下部進行分離。三七根系用清水洗凈晾干水分后，采用STD4800SCANNER根系掃描儀(日本EPSON公司)進行全根掃描，然后用WINRHIZOPRO2007根系分析系統(tǒng)對掃描的根系圖片進行根系總長度、根系總表面積、根系總體積、根系平均直徑的分析。

1.4.2 干物質(zhì)積累

2019年11月20日采新鮮三七，每個處理3次重復(fù)。將三七植株地上、地下部分進行分離，用精度為0.01 g的天平測量地上部分鮮重；三七根系用清水清洗干凈，用吸水紙擦干根系上的水分后測根鮮重。之后將各處理三七地上、地下部分標(biāo)記好后裝入紙袋放入烘箱，105 ℃殺青20 min后，55 ℃烘干至質(zhì)量恒定，對各部分進行稱量獲得三七地上、地下部分干重。

1.4.3 光合特性

分別在2個生殖高峰后，于2019年7月21日(花期末T1)和11月20日(果期末T2)選擇長勢一致的健康植株用便攜光合儀Li-6400測定三七葉片的光合特性，包括Pn、氣孔導(dǎo)度(stomatal conductance，GS)、蒸騰速率(transpiration rate，Tr)、葉片瞬時水分利用效率(WUE)和光能利用效率。每個處理3個重復(fù)，11：00和14：30各測1次。

1.4.4 發(fā)病率

每個處理選定3個1 m×1 m的小區(qū)，以小區(qū)內(nèi)的平均發(fā)病率為該處理的發(fā)病率。6月20日、7月20日、8月20日各測1次發(fā)病率。

發(fā)病率(%)=發(fā)病區(qū)內(nèi)發(fā)病植株數(shù)/發(fā)病區(qū)內(nèi)調(diào)查植株總數(shù)×100。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 25軟件進行方差分析(ANOVA)和多重比較(Duncan法)(P=0.05)，采用Origin2017進行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 水肥耦合對三七生長特性的影響

生育期不同比例施肥與灌溉耦合對三七苗期和果期的株高、莖粗影響顯著(P<0.05)。由表2可以看出，苗期和果期株高和莖粗最大的都為W2F4處理；莖粗增量較大的為W1F3和W2F3處理，分別增長了31.4%和29.4%；株高增長量最大的為W2F3和W2F4處理，分別增長了51.0%和47.3%。F3處理下，隨著灌水量的增加，三七的莖粗逐漸增大，株高先增大后減小；F4處理下，隨著灌水量的增加，三七的莖粗和株高都先增大后減小。W2處理下，苗期株高、莖粗從大到小依次為F4>F2>F1>F3，果期株高、莖粗從大到小依次為F4>F3>F2>F1。

表2 水肥耦合對三七株高莖粗的影響Table 2 Effect of water and fertilizer coupling on height and diameter of Panax notoginseng mm

2.2 水肥耦合對三七根系結(jié)構(gòu)的影響

生育期不同比例施肥和灌溉耦合對三七果期根系總長度、根系總表面積、根系總體積、根系平均直徑影響顯著(P<0.05)(圖1)。將灌溉和施肥量作為單一因子對三七果期根系特征的影響進行分析，灌水對三七根系總長度、根系總表面積影響顯著(P<0.05)，W2處理的根系總長度和根系總表面積最優(yōu)，根系體積之間差異不顯著(P>0.05)。W2處理下，F(xiàn)4根系生長形態(tài)最優(yōu)，根系總長度為F4>F2>F1>F3；根系總表面積為F4>F3>F2>F1(F3和F2之間差異不顯著)；各處理根系總體積差異不顯著；根系平均直徑為F4>F3>F1>F2。施肥量一定的條件下，根系總長度和根系總表面積隨著灌水量的增加基本呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，各個灌水處理的根系平均直徑和根系總體積差異不明顯。W2F4處理的根系總長度、根系總表面積、根系平均直徑和根系總體積均為最大，分別為549.2 cm、144.49 cm2、1.49 mm和2.26 cm3。

2.3 水肥耦合對三七干物質(zhì)積累的影響

生育期不同比例施肥與灌溉耦合對三七果期地上部分鮮重、地上部分干重、根鮮重和根干重影響均顯著(P<0.05)(表3、表4)。將灌溉和施肥量分別作為單一因子對三七鮮、干重影響進行方差分析，水分僅對地上部分干重影響顯著(P<0.05)；施肥處理對地上部分鮮重、根鮮重、根干重影響顯著(P<0.05)，對地上部分干重影響不顯著(P>0.05)。由表3可以看出，W2F4處理的地上部分鮮重、地上部分干重、根鮮重、根干重都最大。相同水分處理下，F(xiàn)1、F2、F3、F4的根干重基本依次增大。無論是W3、W2還是W1處理，F(xiàn)3和F4的根干重整體大于F1和F2。F4處理下，隨著灌水量的增加，地上部分鮮重、地上部分干重、根鮮重和根干重基本呈現(xiàn)先增大再減小的規(guī)律；W2處理下，隨著施肥量的變化，地上部分鮮重、地上部分干重和根干重依次為F4>F3>F2>F1，根鮮重大小依次為F4>F2>F3>F1。

表3 水肥耦合對三七鮮干重的影響Table 3 Effects of water and fertilizer coupling on fresh and dry weight of Panax notoginseng g

表4 各單因子及其耦合對三七鮮干重的顯著性檢驗結(jié)果Table 4 Results of significant test of fresh and dry weight of Panax notoginsen under the coupling of each single factor and their coupling

不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05，LSD檢驗)。下同。Different lowercase meant significant difference (P<0.05， LSD test) .The same as below.圖1 水肥耦合對三七根系的影響Fig.1 Effect of water and fertilizer coupling on Panax notoginseng root system

2.4 水肥耦合對三七花期和果期光合特性的影響

生育期不同比例施肥與灌溉耦合對三七花期和果期的Pn、Gs、Tr、WUE和光能利用效率影響均顯著(P<0.05)。由表5和表6可知，三七花期的Pn、WUE和光能利用效率均高于果期?；ㄆ诤凸诖蠖鄶?shù)處理上午的Pn和WUE大于下午，Gs和Tr變化趨勢一致。花期上午W3F2處理的Pn最大，F(xiàn)2處理下，隨著土壤含水率的增加，Pn呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，下午W2F3處理的Pn最大，F(xiàn)3處理中W2和W3處理的Pn高于W1處理；果期W2F4處理的Pn最大。花期W3處理整體上Pn最大，果期W2處理整體上Pn最大?；ㄆ赪3F2處理的WUE最大，F(xiàn)2處理下，WUE隨著土壤水分的增大而增大；下午W3F3處理的WUE最大，F(xiàn)3處理下，WUE隨著土壤水分的增大而增大。果期上午W1F4處理的WUE最大，F(xiàn)4處理下，WUE大小依次為W1>W2=W3；下午W2F4處理的WUE最大，F(xiàn)4處理下，WUE大小依次為W2>W1>W3。

表5 花期水肥耦合對三七光合特性的影響Table 5 Effects of water and fertilizer coupling on photosynthetic characteristics of Panax notoginseng in flowering stage

表6 果期水肥耦合對三七光合特性的影響Table 6 Effects of water and fertilizer coupling on photosynthetic characteristics of Panax notoginseng in fruiting stage

2.5 水肥耦合對三七發(fā)病率的影響

生育期不同比例施肥與灌溉耦合對三七發(fā)病率影響顯著(P<0.05)。由圖2可知，6月20日，W2F3和W2F4處理的發(fā)病率低，分別為3.89%和4.12%。7月20日，W2F4處理的發(fā)病率最低，為4.44%。8月20日，W2F3處理發(fā)病率最低，為1.49%。從灌水水平看，水分對發(fā)病率影響顯著(P<0.05)，6月、7月、8月的發(fā)病率基本為W3>W1>W2。從施肥水平看，不同肥料的施用對發(fā)病率的影響顯著(P<0.05)，6月發(fā)病率基本為F2>F1>F3>F4，7月發(fā)病率基本為F2>F4>F1>F3，8月發(fā)病率基本為F2>F1>F4>F3，其中F4和F3差異不顯著(P<0.05)。在同一施肥水平下，發(fā)病率隨灌水量增加呈現(xiàn)先下降再上升的趨勢；灌水量為W1和W2時，發(fā)病率隨施肥量的變化基本呈現(xiàn)先增后減的趨勢。W2F4和W2F3處理的三七發(fā)病率較低。

圖2 水肥耦合對三七發(fā)病率的影響Fig.2 Effect of water and fertilizer coupling on the incidence of Panax notoginseng

3 結(jié)論與討論

水和肥對植物的影響并不是完全獨立的，它

們的耦合作用可產(chǎn)生3種不同的結(jié)果或現(xiàn)象，即協(xié)同效應(yīng)、疊加效應(yīng)和拮抗效應(yīng)[10]。本研究中，水肥耦合對三七的鮮重、干重產(chǎn)生了協(xié)同效應(yīng)，其耦合作用大于單一的水或單一的肥。水分處理僅對地上部分干重影響顯著，而施肥處理對地上部分鮮重、根鮮重、根干重影響均顯著，施肥對根干重的影響大于灌溉，說明三七根干物質(zhì)的形成對養(yǎng)分更敏感，與虞娜等[11]的研究結(jié)果一致。

根系是植物從外部環(huán)境吸收水分和養(yǎng)分的重要器官，根系形態(tài)特征直接影響植物的生長發(fā)育、物質(zhì)代謝、產(chǎn)量與品質(zhì)，根系的生長、發(fā)育、形態(tài)和分布特征主要受到水分、養(yǎng)分、土壤理化性質(zhì)等環(huán)境因素的影響[12-14]。根增重期(12月至次年2月)，F(xiàn)4處理的施肥量相對較低，可能造成一定程度的氮素虧缺，刺激三七根系向更廣和更深土層生長，尋找養(yǎng)分，三七植株的根長、根表面積和根體積增加[7，15]。苗期(3月至5月)F4處理的施肥量最高，當(dāng)缺乏營養(yǎng)的植物根部得到充足的養(yǎng)分供應(yīng)時，單位根的養(yǎng)分吸收通常會增加[15-16]。因此，F(xiàn)4處理的根系各個指標(biāo)都有明顯優(yōu)勢，由此得出，F(xiàn)4處理(施肥比例為：根增重期10%，苗期40%，花期20%，果期30%)最適宜三七根系的生長。本研究中高水和低水處理都不利于根系的生長。高水處理下土壤含水率較高，根系處于氧氣含量較少甚至無氧狀態(tài)，根系及其根區(qū)土壤微生物的呼吸受到影響，根系生長受到抑制[17]。輕度降低土壤水分能促進根系的發(fā)育，但土壤水分低于一定值后，反而會對根系生長不利[18]。

各種必需礦質(zhì)元素是植物的原始營養(yǎng)物質(zhì)，是作物生長發(fā)育、產(chǎn)量形成和品質(zhì)提高不可或缺的物質(zhì)基礎(chǔ)，不同生育階段對礦質(zhì)營養(yǎng)的需求特點不同[19-20]。本研究中，花期F3處理施肥量最高，果期F4處理的施肥量最高，花期W2F3處理的Pn最強，果期W2F4處理的Pn最強。高施肥量正好與3年生三七的吸肥規(guī)律一致[3]，能滿足三七的營養(yǎng)元素需求。最終W2F4處理的地上部分干重、根干重最大，推測是因為作物各生育期干物質(zhì)積累量所占比例不同[13，15]，也可能與后期養(yǎng)分消耗有關(guān)，具體原因有待進一步研究。趙宏光等[9]認為，最有利于三七生長且能有效提高產(chǎn)量和品質(zhì)的土壤含水率范圍為56.4%～59%FC。本研究中，三七生長和干物質(zhì)積累的最優(yōu)處理是W2F4，土壤含水率為70%田間持水量，超出該取值范圍。因為肥料與水分耦合更利于三七的生長，增加了作物的耗水量，進而改變了土壤水分含量[16]，導(dǎo)致三七生長最優(yōu)含水量增大。

本研究中，三七的Pn、WUE和光能利用效率隨著三七生育期的推進呈下降趨勢，花期均高于果期。11月20日處于果期末期，三七已經(jīng)經(jīng)歷了2個生育高峰期，植株基本成熟，因此Pn減小?；ㄆ?，不同水量處理下，W3處理的Pn最大。本試驗中Pn最大時所對應(yīng)的含水率為0.9FC，高于李佳洲等[8]的盆栽試驗下0.7FC的結(jié)論，推測原因有3點：一是所用三七的生長年限不同，本試驗所用三七為3年生，后者所用三七為2年生，3年生三七莖粗、株高、葉面積都更占優(yōu)勢，在光照充足的條件下，進行光合作用的場所更大，所需原料的供給更充分，導(dǎo)致三七對水分的吸收利用量更大，再加上不同生長年限的三七各階段需肥量不同[21]，可能導(dǎo)致水分的吸收利用也不同；二是本試驗為大田試驗，后者為盆栽試驗，花期試驗地日照充足、溫度高，土壤水分的蒸發(fā)更快，導(dǎo)致光合速率所要求的土壤含水率稍大于盆栽試驗；三是水肥耦合作用造成光合作用最優(yōu)土壤含水率的改變，本試驗不同生育階段施用肥量比例不同，后者的研究在不同生育階段施肥量相同，并未考慮三七各生育期對肥料的需求不同。

三七根腐病是三七的一種毀滅性病害，傳染性強。減少根腐病的發(fā)生對三七種植至關(guān)重要。根腐病的致病原因復(fù)雜多樣，與土壤理化性質(zhì)、三七長勢、三七生長年限、灌水量、施肥量等因素都有緊密聯(lián)系。本研究發(fā)現(xiàn)，隨著土壤含水率的增加，三七根腐病的發(fā)病率先減小再增大，與趙宏光等[9]、王朝梁等[22]的根腐病發(fā)病率隨著土壤水分含量的升高而升高的結(jié)果不同。這主要是水肥耦合促進三七的生長，三七生長的需水量增大，使得低水處理的土壤水分繼續(xù)下降，無法滿足作物的需水要求，抑制了作物的各項生理活動[18，23]；較高含水率導(dǎo)致土壤通氣性變差，影響了根呼吸，不利于作物生長，使作物抗病性降低，因此，較高含水率是三七根腐病發(fā)生的重要原因之一[24]，其還可能造成土壤中微生物環(huán)境變化[25]，導(dǎo)致土壤微生物菌群失衡。

水肥耦合對三七的鮮重、干重影響顯著，施肥對干物質(zhì)積累的影響遠遠大于水分。W2F4處理中，三七的干物質(zhì)積累量最大，三七產(chǎn)量最高。根增重期適當(dāng)減少肥量并在苗期及時補足養(yǎng)分，能夠刺激三七根系的生長，得到更大的根系總長度、根系總表面積、根系平均直徑和根系總體積。水分處理70%FC，全年施肥量一定的條件下，施肥處理比例為根增重期10%、苗期40%、花期20%、果期30%時，最有利于三七根系的生長。高水處理和低水處理都不利于三七發(fā)病率的降低。F3和F4處理的施肥比例都能有效降低三七的發(fā)病率。三七的光合作用隨生育期進程逐漸下降，花期的Pn、WUE和光能利用效率均高于果期。本試驗只探究了不同生育期的最優(yōu)施肥量，并未考慮不同生育期的最優(yōu)灌溉量，后續(xù)研究可以在本研究的基礎(chǔ)上完善，尋找提高三七產(chǎn)量和品質(zhì)的各生育期最優(yōu)土壤含水率。