不同滴灌量對(duì)荒漠區(qū)栽培甘草根品質(zhì)成分的影響

阿布都克尤木·阿不都熱孜克，吐爾遜·吐爾洪，古麗米拉·艾克拜爾，阿依夏木·沙吾爾

（1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，烏魯木齊 830052；2.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)作物品種資源研究所，烏魯木齊 830091；3.新疆土壤與植物生態(tài)過程實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊 830052）

0 引言

【研究意義】甘草（Glycyrrhiza）是豆科（Leguminosae）蝶形花亞科（PailiantaeTaub）甘草屬植物的干燥根及根莖[1]。甘草不僅是我國(guó)廣泛應(yīng)用的傳統(tǒng)藥材、優(yōu)良牧草，也是食品加工及化妝品生產(chǎn)等多種輕工業(yè)的優(yōu)良材料。甘草根系發(fā)達(dá)，覆蓋度高，具有耐旱、耐堿[2]和耐瘠的特性，適宜在干旱、半干旱地區(qū)砂質(zhì)偏堿性的鈣質(zhì)土壤上生長(zhǎng)，是半干旱荒漠地區(qū)優(yōu)良的防風(fēng)固沙植物[3]。近年來，國(guó)內(nèi)外藥材市場(chǎng)對(duì)甘草的需求量增大[4]。我國(guó)適宜甘草生長(zhǎng)的干旱半干旱地區(qū)均屬溫度干旱半干旱地區(qū)，荒漠氣候，降水稀少，土壤干旱缺水。灌水在甘草栽培中起到關(guān)鍵作用[4-5]。新疆荒漠區(qū)水資源明顯短缺，而近年來甘草種植面積不斷擴(kuò)大，而品質(zhì)卻在明顯下降[6]。急需建立干旱荒漠地區(qū)甘草高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)節(jié)水的灌水技術(shù)，灌水量是其核心問題[7]?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】土壤水分過多過少均會(huì)導(dǎo)致甘草徒長(zhǎng)或枯死，直接影響其品質(zhì)成分[8-10]；當(dāng)土壤水分含量保持在甘草最適生長(zhǎng)范圍時(shí)，才能保持其體內(nèi)水分和養(yǎng)分的平衡，維持甘草生長(zhǎng)發(fā)育良好，可避免因水分不足或過多帶來品質(zhì)問題[11]。輕度的干旱脅迫可提高人工種植甘草的產(chǎn)量甚至是品質(zhì)成分。甘草苗對(duì)土壤水分含量比較敏感，在種植中需掌握即能滿足苗基本需求，又能促進(jìn)根品質(zhì)成分積累的滴灌量[11-12]?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】尚未發(fā)現(xiàn)膜下滴灌對(duì)干旱荒漠區(qū)栽培甘草在苗期品質(zhì)成分積累影響方面的研究報(bào)道。需研究不同水平的膜下滴灌量對(duì)荒漠地區(qū)栽培甘草苗根不同器官品質(zhì)成分的影響。【擬解決的關(guān)鍵問題】以天山北麓昌吉州荒漠地區(qū)栽培甘草為材料，設(shè)X0（0 m3/hm2）、X1（2 500 m3/hm2）、X2（5 000 m3/hm2）、X3（7 500 m3/hm2）和X4（10 000m3/hm2）等5種滴灌水平，為干旱荒漠地區(qū)確定膜下滴管定額，為生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)甘草提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

田間試驗(yàn)于2019年在新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)科研實(shí)習(xí)基地新疆昌吉州地三坪農(nóng)場(chǎng)（86°24′，43°06′）進(jìn)行，地處典型內(nèi)陸荒漠氣候區(qū)，也是溫帶干旱區(qū)；冬季嚴(yán)寒，夏季炎熱，降水稀少，年平均降水量180 mm，降水集中在冬秋季節(jié)，地下水埋深大于4 m，礦化度高，地面蒸發(fā)強(qiáng)烈，年蒸發(fā)量3 500 mm以上，蒸降比為15.5倍，大氣干燥度大于14。氣溫年較差和日照差都較大，全年日照時(shí)數(shù)為3 800 h，年平均氣溫6.6℃，極端低溫-30℃，極端表高溫46℃。年活動(dòng)積溫3 580℃，無霜期166～180 d[13]。植被覆蓋度低，大多是稀疏矮小的荒漠植被及鹽生植被。試驗(yàn)區(qū)自然植被有野生草甸及鹽生植物，有蘆葦（Phragmitesaustralis）和苦豆子（SophoraalopecuroidesL）等草甸植物，如矮蘆葦（Phragmitesaustralis），角果黎（CeratocarpusarenariusLinn。）和鹽碎木（Halocnemumstrobilaceum）等鹽生植物，還有苔草、珠芽蓼（Polygonumviviparum L）、鵝冠草（Monacrosporiumlongiphoides）、羽衣草（Alchemilla vulgaris）及雀麥（Bromusremotiflorus）等自然野生植被，且以矮蘆葦（Phragmitesaustralis）、角果黎（Podocarpus）、鹽碎木（Salt-wood）及羽衣草（Pennisetum）等占優(yōu)勢(shì)。土壤類型屬鹽化草甸土，開墾年限為8年，上茬苜蓿，為礫質(zhì)中粘土。自然植被覆蓋度30%～60%。地下水埋深大于4 m，地面風(fēng)力頻繁，5～8月常持續(xù)干熱風(fēng)。土壤質(zhì)地為粘質(zhì)輕壤土，石塊含量較高，為20%～30%，pH值平均8.56。

采用摸下滴灌，滴灌材料由烏魯木齊市草上飛園林有限公司提供，塑料薄膜由烏魯木齊市沙依巴克區(qū)南昌路新綠園林節(jié)水綠化設(shè)備商行提供。甘草種子由新疆天博草業(yè)有限種子公司提供（購自內(nèi)蒙古野生甘草種子公司，經(jīng)新疆中藥民族藥研究所李曉懂研究員鑒定為烏拉爾紅皮甘草（Glycyrrhizauralensis Fisch），種子千粒重18.68 g。播種前對(duì)種子進(jìn)行濃硫酸處理，濃硫酸：種子比例為50 ml∶1 000 g。

1.2 方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用隨機(jī)排列，根據(jù)試驗(yàn)地土壤水分參數(shù)和土壤理化特性、試驗(yàn)區(qū)自然降水量、地下水位、甘草不同階段需水量[14]，結(jié)合潛水蒸發(fā)法[15]計(jì)算甘草需水量，設(shè)計(jì)滴灌定額分別為（CK或X0：0 m3/hm2）、少量滴水（X1：2 500 m3/hm2）、中量滴水（X2：5 000 m3/hm2）、偏高量灌水（X3：7 500 m3/hm2）和高灌水（X4：10 000 m3/hm2）等5種不同水平，分別按0、2、4、6和8次滴灌，設(shè)置3次重復(fù)；小區(qū)面積7 m×19 m=133 m2，小區(qū)之間留1.5 m的保護(hù)行。采用膜下滴灌方式[16]，每個(gè)處理之間挖開70 cm[17]深垂直方向埋塑料膜隔開，阻止區(qū)組間水分的橫向交流。滴灌時(shí)間取決于滴灌帶鋪設(shè)間距、滴頭流量和滴頭間距。試驗(yàn)區(qū)滴灌帶鋪設(shè)間距為1 m，滴頭間距30 cm，滴頭流量為2.35 L/h；流水量或流水速度（L/h）=滴灌面積（hm2）÷滴灌帶間距（m）÷滴頭間距（m）×滴頭流量（L），即133 m2÷1 mm÷0.3 m×2 L，算得1 041.83 L/h=1m3/h，可以算得每次滴水的時(shí)長(zhǎng)。表1，表2

表1 試驗(yàn)區(qū)土壤基本狀況Table 1 Soil characteristics of study area

表2 滴灌定額Table 2 Drip irrigation quota

1.2.2 測(cè)定指標(biāo)

試驗(yàn)地前茬為高粱，4月翻耕后整地，頂棍拉繩區(qū)分小區(qū)和保護(hù)行。小區(qū)之間留1.5 m保護(hù)行，保護(hù)行土壤挖70 cm深處用塑料薄膜隔開，阻止區(qū)組間水分的橫向交流，以0～20 cm、20～40 cm及40～70 cm 3個(gè)深度取土樣，風(fēng)干測(cè)定其主要營(yíng)養(yǎng)成分。5月20日播種，膜下滴灌，膜寬90 cm，1膜1管，毛管距離100 cm，滴孔間距30 cm；1膜播2行，行距50 cm，播深2～3 cm，下種量15 kg/hm2。因土壤商情不良，播后膜下滴灌450 m3/hm2。6月初觀測(cè)到幼芽發(fā)芽出土，開始每天記載出苗率，等到出苗率達(dá)60%～90%時(shí)放苗。開始觀測(cè)記錄小苗生長(zhǎng)指標(biāo)。苗長(zhǎng)出第3～6對(duì)復(fù)葉（苗高30～50 cm）后停止滴管，進(jìn)行“蹲苗”；每隔1周選擇具有代表性甘草苗數(shù)株。6～7月小區(qū)隨機(jī)拔出10顆，8～9月甘草基本成活，株數(shù)基本穩(wěn)定，每小區(qū)隨機(jī)拔出5～7株，到10月甘草基本成株，每個(gè)小區(qū)選擇樣地0.5 m2挖出根，觀測(cè)記錄平均值，拿回室內(nèi)洗凈用濾紙擦干凈，放入信封105℃殺青15 min，65℃烘干，粉粹過篩測(cè)定品質(zhì)成分[18]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)地土壤含水量參數(shù)在新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)草環(huán)學(xué)院土壤與植物營(yíng)養(yǎng)研究室測(cè)定[19]；在新疆農(nóng)大新疆環(huán)撿中心測(cè)定品質(zhì)成分，甘草酸、甘草苷和總黃酮用高效液相色譜分析法[20]、多糖含量用蒽酮—硫酸比色法[21]、粗蛋白含量用紫外分光光度法[21]測(cè)定。數(shù)據(jù)匯總于Excel2017表格，用SPSS19.0統(tǒng)計(jì)分析，各指標(biāo)的分析采用單因素方差分析（one-way ANOVA），Duncan′s新復(fù)極差法多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同滴灌量對(duì)甘草酸含量的影響

研究表明，不同滴灌量對(duì)甘草苗根甘草酸含量有不同程度的影響。甘草酸含量為0.35%～3.98%，平均值為1.86%，從6～10月連續(xù)不斷增加，10月達(dá)最大值。不同滴灌處理之間差異達(dá)極顯著（P＜0.01）。甘草酸含量表現(xiàn)為X2＞X1＞X3＞X0＞X4；不同處理10月含量對(duì)比有3.983%＞3.163%＞2.271%＞1.998%＞1.434%，分別比X0高1.985%＞1.165%＞0.273%＞-0.564%，增率為99.34%＞58.31%＞13.66%＞-28.22%。在X0至X4范圍內(nèi)，滴灌量與根甘草酸含量之間沒有相關(guān)性（R2=0.010 6），在X0至X2范圍內(nèi)，苗根甘草酸含量隨著滴灌量增加而明顯增加，兩者呈極顯著正相關(guān)（R2=0.903 2）；而在X2至X4范圍內(nèi)，苗根甘草酸含量隨著滴灌量增加而明顯下降，兩者呈極顯著負(fù)相關(guān)（R2=-0.959 3）。圖1

圖1 不同滴灌量下甘草苗根甘草酸含量變化Fig.1 Effects of different drip irrigation rates on Glycyrrhizic Acid Content in roots of Glycyrrhizauralensis seedlings

2.2 不同滴灌量對(duì)甘草苷含量的影響

研究表明，不同滴灌量對(duì)甘草苗甘草苷含量有不同程度的影響。甘草苷含量為0.166%～1.056%，平均值為0.54%；甘草苷含量6月至10月連續(xù)不斷增加，10月達(dá)最高值。不同滴灌處理之間差異達(dá)極顯著（P＜0.01）在根里甘草苷含量表現(xiàn)為X2＞X1＞X3＞X0＞X4，最 高 達(dá)1.056%＞0.883%＞0.646%＞0.522%＞0.365%，分別比X0高0.534%＞0.361%＞0.124%＞-0.157%，增率為102.30%＞69.16%＞23.75%＞-30.08%。在X0至X3滴灌量范圍內(nèi)，根中甘草苷含量與滴灌量之間呈極顯著正相關(guān)，R2=0.960 3，而至X4滴灌量范圍內(nèi)，相關(guān)性均明顯降低到R2=0.098 9。滴灌量對(duì)甘草苗根莖葉甘草苷含量影響極顯著（P＜0.01），完全不灌水或灌水過高也都不利于甘草苗葉中甘草苷含量的積累。圖2

圖2 不同滴灌量下甘草根甘草苷含量變化Fig.2 Effects of different drip irrigation rates on the content of glycyrrhizin in licorice roots

2.3 不同滴灌量對(duì)總黃酮含量的影響

研究表明，不同滴灌量對(duì)甘草根苗總黃酮含量有不同程度的影響。總黃酮含量為1.733%～6.993%，平均值為3.35%；在甘草苗根總黃酮含量在6～8月不斷增加，9～10月有所下降。不同滴灌處理之間差異達(dá)顯著（P＜0.01）。在根里總黃酮 含 量 表 現(xiàn) 為X2＞X1＞X3＞X0＞X4，最 高 含 量 達(dá)1.173%＞0.934%＞0.741%＞0.505%＞0.452%，分別比X0高0.668%＞0429%＞0.236%＞-0.053%，增率為133.60%＞84.95%＞46.73%＞-10.49%。在X0至X2滴灌量范圍內(nèi)，根苗總黃酮含量與滴灌量之間呈正相關(guān)，R2=-0.477 2，而X0至X4滴灌量范圍內(nèi)兩者相關(guān)性明顯降低，R2=-0.001 3。完全不灌水或灌水過高也都不利于甘草苗不同中總黃酮含量的積累。圖3

圖3 不同滴灌量對(duì)甘草根總黃酮含量變化Fig.3 Effects of different drip irrigation rates on the content of total flavonoids in licorice seedlings

2.4 不同滴灌量對(duì)多糖含量的影響

研究表明，不同滴灌量對(duì)甘草根多糖含量有不同程度的影響。多糖在甘草根苗的含量為5.32%～16.92%，平均值為10.78%，從6～8月明顯增加，8月到最高值，9～10月有所下降。多糖含量在不同滴灌處理之間差異達(dá)顯著（P＜0.01）。在甘草苗根中多糖含量表現(xiàn)均為X1＞X2＞X3＞X0＞X4。根中最高達(dá)16.924%＞14.026%＞12.001%＞8.976%＞7.451%，分別比X0高9.473%＞6.575%＞4.550%＞1.525%，增 率 為127.13%＞88.24%＞61.07%＞20.47%。在X1至X4滴灌量范圍內(nèi)，根中多糖含量與滴灌量均呈極顯著負(fù)相關(guān)，R2=-0.998 3；而X0至X4滴灌量范圍內(nèi)負(fù)相關(guān)性顯著降低，R2=-0.180 5。在X1至X4滴灌量范圍內(nèi)，甘草苗根多糖含量隨著滴灌量增加而明顯下降，即滴灌量增加顯著抑制甘草苗多糖含量的積累。圖4

圖4 不同滴灌量對(duì)甘草根苗多糖含量變化Fig.4 Effects of different drip irrigation rates on polysaccharide content of Glycyrrhizauralensis seedlings

2.5 不同滴灌量對(duì)粗蛋白含量的影響

研究表明，不同滴灌量對(duì)甘草粗蛋白含量有不同程度的影響。粗蛋白在甘草苗根的含量為6.88%～20.70%，平均值為14.07%，從6～8月明顯下降，9～10月有所增高；根中粗蛋白含量在不同滴灌處理之間差異達(dá)極顯著（P＜0.01）在甘草苗根中粗蛋白含量均表現(xiàn)為X2＞X3＞X1＞X4＞X0。在根中最高含量達(dá)15.235%＞12.136%＞10.757%＞8.451%＞6.766%，分別比X0高8.469%＞5.370%＞3.991%＞1.685%，增 率 為125.17%＞79.37%＞58.99%＞24.90%。在X0～X3滴灌量范圍內(nèi)，根中粗蛋白含量與滴灌量之間呈極顯著正相關(guān)，R2=0.967 9；而至X4滴灌量范圍內(nèi)正相關(guān)性明顯減弱，R2=0.123 5。在X0～X3滴灌量范圍內(nèi)，隨著滴灌量增加根莖葉中粗蛋白含量也明顯增加，隨著滴灌量增加，其含量增加的比率也開始下降；在5 000 m3/hm2滴灌量范圍內(nèi)，滴灌量增加顯著增加甘草根苗粗蛋白含量積累，完全不灌水或灌水過高也不利于粗蛋白積累。圖5

圖5 不同滴灌量下甘草根苗粗蛋白含量變化Fig.5 Effects of different drip irrigation rates on crude protein content of licorice roots and seedlings

3 討論

研究結(jié)果表明，當(dāng)?shù)喂嗔靠刂圃? 000 m3/hm2范圍內(nèi)時(shí)，隨著滴灌量增加，甘草苗根中甘草酸、甘草苷、總黃酮和粗蛋白含量也明顯增加，兩者呈極顯著正相關(guān)。當(dāng)?shù)喂嗔砍^5 000 m3/hm2后，隨著滴灌量的增加，甘草苗根中甘草酸、甘草苷、總黃酮和粗蛋白含量均明顯下降，兩者呈顯著負(fù)相關(guān)；即完全不灌水或過高灌水時(shí)均不利于甘草根品質(zhì)成分的積累。杜茜[22]進(jìn)行的水分和肥料對(duì)甘草產(chǎn)量及品質(zhì)的影響研究結(jié)果表明，在一定土壤水分含量范圍內(nèi)，甘草的品質(zhì)成分含量與土壤水分呈顯著負(fù)相關(guān)。張益民[23]進(jìn)行的土壤水分下限對(duì)甘草生長(zhǎng)、品質(zhì)和光合生理特性的影響研究。

結(jié)果表明，隨著土壤含水量的增加，甘草酸含量先升高后下降，即土壤水分超過一定含量范圍時(shí)與甘草品質(zhì)成分體現(xiàn)負(fù)相關(guān)性。適度干旱脅迫調(diào)控甘草次級(jí)代謝分子機(jī)制的初步研究表明[24]，適度干旱脅迫可以促進(jìn)甘草中甘草苷、甘草酸等有效成分的積累，提高藥材品質(zhì)。李莉等[25]甘草野生撫育技術(shù)研究灌溉和地下莖長(zhǎng)度對(duì)成活率、藥材產(chǎn)量及質(zhì)量的影響研究結(jié)果表明，不同灌溉對(duì)根莖甘草酸含量的影響均未達(dá)到顯著水平，但質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)2.12%和3.03%，遠(yuǎn)高于常規(guī)栽培含量，適當(dāng)灌溉有利于甘草酸等品質(zhì)成分的提高。結(jié)果表明，甘草根多糖含量隨著灌水量增加而明顯下降，兩者呈極顯著負(fù)相關(guān)；即滴灌量增加顯著抑制甘草根苗多糖含量的積累。唐曉敏[26]進(jìn)行的水分和鹽分處理對(duì)甘草藥材質(zhì)量的影響研究結(jié)果表明，適量增加土壤水分可以促進(jìn)甘草酸、甘草苷和總黃酮含量的積累，卻抑制了多糖含量的積累，與研究結(jié)果一致。周雪潔[27]進(jìn)行的干旱對(duì)甘草酸含量的影響研究結(jié)果表明，隨著旱脅迫程度的加劇，一年生甘草幼苗根中的甘草酸含量呈增加趨勢(shì)。研究結(jié)果表明，當(dāng)?shù)喂嗔靠刂圃? 500～5 000 m3/hm2時(shí)，有利于甘草根苗不品質(zhì)成分的積累，當(dāng)?shù)喂嗔砍^5 000 m3/hm2水平時(shí)，明顯不利于品質(zhì)成分的積累。趙莉[28]在新疆進(jìn)行的產(chǎn)地和栽培條件對(duì)甘草多糖和甘草酸含量的影響研究結(jié)果也表明，對(duì)于栽培烏拉爾甘草的最優(yōu)灌溉量，以甘草酸含量為評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)定4 500 m3/hm2，以多糖為評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)定3 000 m3/hm2，與本研究推薦的滴灌量為2 500～5 000 m3/hm2基本吻合。王瑞芳[29]農(nóng)藝措施對(duì)甘草生長(zhǎng)發(fā)育的影響研究結(jié)果表明，總灌水量為4 500～5 400 m3/hm2時(shí)，無論是甘草的農(nóng)藝性狀還是干物質(zhì)積累量或產(chǎn)量，均表現(xiàn)出最好。在天山北麓干旱荒漠地區(qū)用滴灌方式栽培甘草生產(chǎn)中，欲提高甘草苗根中甘草酸、甘草苷、總黃酮、粗蛋白和多糖等品質(zhì)成分含量，取用2 500 m3/hm2的滴灌量，將滴灌量控制在2 500～5 000 m3/hm2。

4 結(jié)論

在X0（0 m3/hm2）、X1（2 500 m3/hm2）、X2（5 000 m3/hm2）、X3（7 500 m3/hm2）和X4（100 000 m3/hm2）滴灌量條件下，在0～5 000 m3/hm2滴灌量范圍內(nèi)，隨著滴灌量增加，甘草苗根中甘草酸、甘草苷、總黃酮和粗蛋白含量也明顯增加，兩者呈極顯著正相關(guān)，而超過5 000 m3/hm2滴灌量，隨著滴灌量增加5項(xiàng)品質(zhì)成分含量均明顯下降，兩者呈顯著負(fù)相關(guān)；甘草酸和甘草苷含量X2＞X1＞X3，粗蛋白含量X2＞X3＞X1，總黃酮含量X2＞X1＞X3，多糖含量X1＞X2＞X3；均在X0和X4都最低，即完全不灌水或過高灌水時(shí)均不利于甘草根5項(xiàng)品質(zhì)成分的積累。在荒漠地區(qū)滴灌栽培甘草中，2 500 m3/hm2滴灌量能提高甘草根中的甘草酸、甘草苷、總黃酮、粗蛋白和多糖等品質(zhì)成分含量，并將滴灌量控制在2 500～5 000 m3/hm2。