甘草水氮效應(yīng)研究及基于有效成分的水氮方案

呂學(xué)蓮,李 明,白海波,惠 建,李樹(shù)華,郭生虎,李云翔,馬海軍,許 興

(1.寧夏大學(xué) 農(nóng)學(xué)院,銀川 750021;2.寧夏農(nóng)林科學(xué)院 農(nóng)業(yè)生物技術(shù)研究中心,銀川 750002;3.寧夏農(nóng)林科學(xué)院 林業(yè)與草地生態(tài)研究所,銀川 750002,銀川 750002;4.寧夏農(nóng)林科學(xué)院植物保護(hù)研究所,銀川 750002;5.北方民族大學(xué) 生物科學(xué)與工程學(xué)院,銀川 750021)

甘草(GlycyrrhhizauralensisFisch.),多年生豆科草本植物,是中醫(yī)藥寶庫(kù)中的珍品,也是鮮為人知的大宗中藥材。甘草“渾身是寶”,其根莖部位具有清熱解毒、抗癌消炎、調(diào)和諸藥等醫(yī)學(xué)功效,地上部分是優(yōu)質(zhì)的飼草及功能飼料來(lái)源[1]。

20世紀(jì)末,由于野生甘草不合理采挖,導(dǎo)致野生資源儲(chǔ)量急劇減少。人工種植甘草的興起,解決了一時(shí)的燃眉之急,但也伴隨著新的問(wèn)題,即藥用成分含量較低。通過(guò)對(duì)全國(guó)甘草產(chǎn)區(qū)采集的大量甘草樣品檢測(cè)發(fā)現(xiàn),野生甘草的甘草酸含量平均為4.43%,遠(yuǎn)高于栽培甘草的1.51%[2]。隨著甘草應(yīng)用越來(lái)越廣,市場(chǎng)需求不斷擴(kuò)大,在當(dāng)前野生資源不足的情況下,人工栽培甘草也是一種很有效的解決手段,關(guān)鍵是通過(guò)何種途徑能將人工栽培甘草的品質(zhì)提高。甘草中主要的活性成分是三萜類(lèi)及黃酮類(lèi),而甘草酸及甘草苷分別是這兩大類(lèi)物質(zhì)中的代表性物質(zhì),也是《中國(guó)藥典》中評(píng)價(jià)甘草質(zhì)量?jī)?yōu)劣的依據(jù)[3]。據(jù)報(bào)道,甘草藥用成分含量的高低與遺傳因素[4-5]、產(chǎn)地[6]及生長(zhǎng)階段[7]和栽培條件[8]有關(guān)。因此,在現(xiàn)有栽培條件下,如何平衡好各影響因素,使其對(duì)甘草品質(zhì)起到正向的調(diào)控作用,是值得研究的關(guān)鍵問(wèn)題。

人工甘草栽培過(guò)程中,最直接的農(nóng)藝措施是灌水和施肥。研究發(fā)現(xiàn)氮、磷、鉀對(duì)甘草酸含量影響為施氮>施磷>施鉀[9];適度的水肥耦合對(duì)甘草產(chǎn)量具有明顯的促進(jìn)作用[10];氮、磷、鉀肥料不同配比對(duì)甘草中甘草酸和甘草苷含量影響不同[11];施磷量對(duì)甘草產(chǎn)量的影響呈現(xiàn)先增加后增產(chǎn)不顯著的趨勢(shì)[12];單施氮肥有利于甘草地上部分生長(zhǎng),單施磷肥主要促進(jìn)根系生長(zhǎng),混施氮磷不僅能促進(jìn)甘草生長(zhǎng),還能提高甘草酸含量[13]。灌水與氮肥對(duì)甘草生長(zhǎng)指標(biāo)和藥用成分含量之間關(guān)系的研究鮮見(jiàn)報(bào)道,且目前甘草栽培缺乏有效的水肥指導(dǎo)依據(jù)。本試驗(yàn)以烏拉爾甘草為研究對(duì)象,在寧夏中部干旱帶沙生土壤進(jìn)行水肥試驗(yàn),設(shè)立不同梯度的灌水和氮肥組合,研究水氮效應(yīng)對(duì)甘草生長(zhǎng)及有效成分含量的影響,并優(yōu)化出寧夏中部干旱帶沙生土壤甘草灌水施氮方案,為甘草種植的高質(zhì)量發(fā)展提供科學(xué)的栽培依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2019年4月-2020年11月在寧夏中部干旱帶鹽池縣沙邊子甘草種植基地 (106°30′～107°41′E,37°04′～38°10′N(xiāo))進(jìn)行,該區(qū)域?qū)僦袦貛Т箨懶詺夂?干旱少雨,風(fēng)沙大,2019和2020年平均降水量分別為323 mm和201 mm,分布不均,2019年主要集中在6、7和8月,2020年主要集中在 8 月,年均蒸發(fā)量為2 180 mm,遠(yuǎn)大于降水量。年均氣溫大于20 ℃的月份為6-8月(圖1)。此區(qū)域能代表寧夏甘草道地產(chǎn)區(qū)的典型氣候特征。試驗(yàn)地上年閑置,未施肥。土壤類(lèi)型為砂質(zhì)土,全鹽為0.1 g/kg,pH 8.52。1 m深土壤平均有機(jī)質(zhì)為2.16～4.39 g/kg,全氮為0.20～0.55 g/kg,有效磷為1.30～9.34 mg/kg,速效鉀為56.8～85.7 mg/kg,堿解氮為4.79～10.19 mg/kg。

圖1 2019(左)和2020年(右)鹽池縣月平均氣溫、日照時(shí)數(shù)及降水量Fig.1 Monthly average temperature,sunshine duration and rainfall in Yanchi county in 2019(left) and 2020(right)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)4個(gè)水分處理(W)和4個(gè)氮肥水平(N),裂區(qū)設(shè)計(jì),主區(qū)設(shè)置水分處理,分次灌水,灌水定額為750 m3/hm2,用水表控制灌水定額。不同水分處理生育期內(nèi)分別灌1水(W1,灌溉定額750 m3/hm2)、2水(W2,灌溉定額1 500 m3/hm2)、3水(W3,灌溉定額2 250 m3/hm2)和4水(W4,灌溉定額3 000 m3/hm2),各水分處理之間設(shè)置5 m 隔離區(qū),于4月底灌第1水,之后大概每間隔1個(gè)月灌1次水。在各水分處理內(nèi),設(shè)置4個(gè)氮肥水平,3次重復(fù),隨機(jī)區(qū)組排列。共48個(gè)小區(qū),小區(qū)面積15 m2(5 m×3 m)。供試肥料為:尿素,含N 46%;磷酸二銨,含N 16%,含P2O544%;硫酸鉀,含K2O 50%。全生育期施基礎(chǔ)鉀肥100 kg/hm2,磷酸二銨100 kg/hm2,氮肥隨第2水一次性施入。因基肥磷酸二銨中含N 16%,實(shí)際氮肥用量為每個(gè)水平增加 N 16 kg/hm2,即N1:16 kg/hm2,N2:86 kg/hm2,N3:156 kg/hm2,N4:226 kg/hm2。于2019年4月中下旬移栽1 a生烏拉爾甘草實(shí)生苗,只進(jìn)行水、肥處理,正常田間管理和農(nóng)事操作,不測(cè)定性狀。2020年繼續(xù)同樣試驗(yàn)處理,測(cè)定性狀。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

1.3.1 生長(zhǎng)指標(biāo)測(cè)定 于9月中旬進(jìn)行甘草生長(zhǎng)指標(biāo)測(cè)定。每個(gè)小區(qū)隨機(jī)挖取5株,調(diào)查株高、側(cè)枝數(shù)、根長(zhǎng)、根鮮質(zhì)量、根干質(zhì)量。株高(plant hight,PH):從植株基部至頂端的高度;側(cè)枝數(shù)(branch number,B):主莖萌發(fā)出的側(cè)枝數(shù)量;根長(zhǎng)(root length,RL):從蘆頭至根尖頂端的長(zhǎng)度;根鮮質(zhì)量(root fresh mass,RFM):根部鮮物質(zhì)質(zhì)量;根干質(zhì)量(root dry mass,RDM):根部烘干后的干物質(zhì)質(zhì)量。

1.3.2 有效成分含量測(cè)定 樣品制備:于甘草采收季10月中旬采收試驗(yàn)處理的甘草植株根部,沖洗干凈,烘干,用GT 300 型球磨儀對(duì)樣品進(jìn)行研磨,過(guò)60目篩。稱(chēng)取樣品粉末0.1 g于10 mL容量瓶中,純甲醇溶解定容后,稱(chēng)量,超聲(250 W,40 kHz)提取30 min,放冷,再稱(chēng)量,用甲醇補(bǔ)足減失的質(zhì)量,搖勻,用微孔濾膜(0.22 μm膜)過(guò)濾,取濾液,即得。于 4 ℃中保存,備用。

甘草酸(glycyrrhizic acid,GA)和甘草苷(liquiritin,L)含量測(cè)定:采用安捷倫1260液相色譜儀進(jìn)行測(cè)定。色譜柱規(guī)格為C18,250 mm× 4.6 mm,流動(dòng)相組成為0.1%甲酸水(A)和純甲醇(B)。甘草苷檢測(cè)波長(zhǎng)276 nm,甘草酸檢測(cè)波長(zhǎng)254 nm,柱溫40 ℃,流速為1.0 mL/min,進(jìn)樣量10 μL。梯度洗脫程序如表1。圖2為甘草苷、甘草酸(A)標(biāo)準(zhǔn)品及樣品(B)的色譜圖。

表1 甘草酸、甘草苷色譜條件Table 1 Chromatographic condition of glycyrrhizic acid and glycyrrhizin

圖2 甘草酸、甘草苷及甘草樣品色譜圖Fig.2 Chromatogram chart of glycyrrhizic acid,liquiritin and licorice sample

總黃酮(total flavonoids,TF)提取與檢測(cè):準(zhǔn)確稱(chēng)取0.250 g制備好的甘草樣品粉末于25 mL容量瓶中,用含0.2%氨水的80%乙醇溶液溶解定容,超聲提取( 250 W,40 kHz)90 min,用濾紙過(guò)濾,即得總黃酮提取液,重復(fù)3次。吸取提取液5 mL于25 mL容量瓶中,加入300 μL 5% NaNO2溶液,搖勻后靜置6 min,加入300 μL 10% Al(NO3)3溶液,搖勻并靜置 6 min,再加入2 mL 4% NaOH溶液反應(yīng)20 min,用 50% 乙醇定容,在510 nm測(cè)定吸光度,計(jì)算含量(%)。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用SPSS 23.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行方差分析,用Origin 2021軟件繪圖,利用DPS 7.05軟件進(jìn)行回歸模型的建立及Topsis綜合評(píng)價(jià)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同水氮組合對(duì)甘草生長(zhǎng)的影響

由表2可知,灌水對(duì)株高具有極顯著影響 (P<0.01)(表2)。灌水處理下,平均株高為 55.54～65.21 cm,相對(duì)于W1,W2、W3和W4灌水條件下的株高分別增加17.4%、17.1%和 16.1%。施氮對(duì)株高具有極顯著影響。施氮處理下,株高隨著氮肥水平先增加后降低,表現(xiàn)為 N3>N4>N2>N1,N2、N3和N4相對(duì)于N1,增幅分別為7.3%、10.5%和9.0%。水氮交互作用對(duì)株高影響顯著(P<0.05)。水氮交互下,W2N4、W3N3、W2N3和W4N3的株高最高。

表2 不同水氮組合甘草生長(zhǎng)性狀Table 2 Licorice growth traits under different water and nitrogen combination

灌水對(duì)側(cè)枝數(shù)影響極顯著。灌水處理下,側(cè)枝數(shù)隨著灌水定額的增加而增加,表現(xiàn)為W4>W3>W2>W1,相對(duì)于W1,W2、W3和W4灌水條件下的側(cè)枝數(shù)增幅依次為3.5%、10.2%和 20.0%。說(shuō)明灌水可以增加側(cè)枝數(shù)。施氮對(duì)側(cè)枝數(shù)影響顯著。施氮處理下,側(cè)枝數(shù)隨著氮肥施用量增加而增加,至N4稍有所降低,相對(duì)于N1,N2、N3和N4增幅依次為6.4%、10.7%和 9.1%。水氮交互作用對(duì)側(cè)枝數(shù)影響不顯著。水氮交互下,W4N3、W4N2和W4N4的側(cè)枝數(shù)最多,分別為10.17、9.83和9.73。

灌水對(duì)根長(zhǎng)具有極顯著影響。灌水處理下,平均根長(zhǎng)為26.81～37.65 cm,均隨著灌水定額增加而增加,表現(xiàn)為W4>W3>W2>W1,相對(duì)于W1,W2、W3和W4灌水條件下的根長(zhǎng)增幅依次為8.6%、12.7%和40.0%。施氮對(duì)根長(zhǎng)影響顯著。施氮處理下,根長(zhǎng)隨著氮肥水平先增加后降低,表現(xiàn)為N3>N4>N2>N1,相對(duì)于N1,N2、N3和N4增幅依次為3.6%、7.3%和3.5%。水氮交互作用對(duì)根長(zhǎng)影響顯著。水氮交互下,W4中各氮肥處理根長(zhǎng)均較長(zhǎng)。

灌水對(duì)根鮮質(zhì)量具有極顯著影響。灌水處理下,平均根鮮質(zhì)量為17.24～21.01 g,相對(duì)于W1,W2、W3和W4灌溉定額分別使根鮮質(zhì)量增加21.9%、19.7%和16.7%。施氮對(duì)根鮮質(zhì)量具有極顯著影響。施氮處理下,根鮮質(zhì)量隨著氮肥施用量先增加后降低,相對(duì)于N1,N2、N3和N4增幅分別為9.2%、15.9%和11.6%。水氮交互作用對(duì)根鮮質(zhì)量影響顯著。水氮交互下,W3N3和W2N4根鮮質(zhì)量最大。

灌水對(duì)根干質(zhì)量影響極顯著(表2)。灌水處理下,平均根干質(zhì)量為8.97～10.16 g,相對(duì)于W1,W2、W3和W4灌溉定額分別使根干質(zhì)量增加了13.3%、12.8%和8.4%。說(shuō)明灌水可以增加甘草根干質(zhì)量。施氮對(duì)根干質(zhì)量具有非常顯著影響。施氮處理下,根干質(zhì)量隨著氮肥水平先增加后降低,相對(duì)于N1,N2、N3和N4增幅依次為11.7%、17.9%和10.2%。水氮交互作用對(duì)根干質(zhì)量影響顯著。水氮交互下,W2N3、W2N4和W3N3的根干質(zhì)量最大。

2.2 不同水氮組合對(duì)甘草根部有效成分含量的影響

對(duì)不同水氮組合下甘草根部有效成分甘草酸含量的研究表明,灌水對(duì)甘草酸含量具有極顯著影響(表3)。灌水處理下,甘草酸平均含量為 0.811%～1.206%,均隨著灌溉定額增加而升高,相對(duì)于W1,W2、W3和W4灌水條件下的增幅依次為15.2%、34.1%和48.8%。施氮對(duì)甘草酸含量具有極顯著影響。施氮處理下,平均甘草酸含量為0.962%～1.063%,相對(duì)于N1,N2、N3和N4增幅分別為9.1%、10.5%和0.2%。水氮交互作用對(duì)甘草酸含量影響顯著(P<0.05)。水氮交互下,W4N2和W4N3甘草酸含量最高。

表3 不同水氮組合下甘草根部有效成分含量Table 3 Active ingredients contents in root under different water and nitrogen combination %

灌水對(duì)甘草苷含量具有極顯著影響(表3)。灌水處理下,平均甘草苷含量為0.353%～ 0.655%,甘草苷含量均隨著灌水定額增加而升高,相對(duì)于W1,W2、W3和W4灌水條件下的增幅依次為35.8%、56.9%和85.5%。施氮對(duì)甘草苷含量影響不顯著。水氮交互作用對(duì)甘草苷含量影響極顯著。水氮交互下,W4N3、W4N4和W4N2甘草苷含量最高,分別為0.701%、0.670%和0.651%。

灌水對(duì)總黃酮含量具有極顯著影響(表3)。灌水處理下,總黃酮含量為5.566%～7.101%,相對(duì)于W1,增幅依次為-5.2%、15.4%和 21.0%。施氮對(duì)總黃酮含量具有極顯著影響。施氮處理下,平均總黃酮含量為6.101%～ 6.756%,為N3>N4>N2>N1,相對(duì)于N1,N2、N3和N4增幅依次為1.4%、10.7%和2.8%。水氮交互作用對(duì)總黃酮含量影響顯著。水氮交互下,W3N3、W4N1和W4N2總黃酮含量最高,分別為7.913%、7.331%和7.195%。

2.3 基于甘草酸、甘草苷及總黃酮含量的水氮因子優(yōu)化

藥用成分含量的高低是評(píng)價(jià)甘草質(zhì)量?jī)?yōu)劣的最重要指標(biāo)。為進(jìn)一步探明水氮組合與甘草酸、甘草苷及總黃酮含量之間的關(guān)系,以灌溉定額和氮肥施用量為自變量,甘草酸、甘草苷和總黃酮含量為因變量,進(jìn)行回歸模擬分析,分別得到甘草酸、甘草苷和總黃酮與灌水定額(X1)和氮肥施用量(X2)、Y1、Y2和Y3的二次回歸方程式。對(duì)回歸方程的顯著性檢驗(yàn)表明:甘草酸Y1和甘草苷Y2的P<0.01,達(dá)到極顯著水平,總黃酮Y3的P<0.05,達(dá)到顯著水平,說(shuō)明方程的擬合度較好,能夠反映真實(shí)情況(表4)。

表4 灌溉定額、氮肥用量與甘草酸、甘草苷和總黃酮含量的回歸方程Table 4 Regression equation of irrigation quota,fertilization amount and glycyrrhizic acid,liquiritin and total flavonoids

由灌溉定額、氮肥施量與甘草酸含量的回歸模型可知,甘草酸含量隨著灌溉定額和氮肥施量的增加呈先增加后減小的趨勢(shì),最高點(diǎn)坐標(biāo)為 (3 000,108.86),此時(shí)對(duì)應(yīng)甘草酸含量最高,為1.270%(圖3)。在灌溉定額、氮肥施量與甘草苷含量的回歸模型中,當(dāng)灌溉定額為3 000 m3/hm2、純氮施量為134.20 kg/hm2時(shí),對(duì)應(yīng)的甘草苷含量最高,為0.670%,當(dāng)純氮施量再繼續(xù)增加時(shí),甘草苷含量又有所降低(圖4);在灌溉定額、氮肥施量與總黃酮含量的回歸模型中,當(dāng)灌溉定額為3 000 m3/hm2、純氮施量為144.28 kg/hm2時(shí),對(duì)應(yīng)的總黃酮含量最高,為7.173% (圖5)。

圖3 水氮組合與甘草酸的回歸模型Fig.3 Regression model of water nitrogen combination and glycyrrhizic acid

圖4 水氮組合與甘草苷的回歸模型Fig.4 Regression model of water nitrogen combination and liquiritin

圖中*表示P<0.05;**表示P<0.01;***表示P<0.001。圓點(diǎn)顏色表示相關(guān)性值,大小表示相關(guān)性大小;圖中 PH、B、RL、RFM、RDM、GA、L和TF分別代表株高、側(cè)枝數(shù)、根長(zhǎng)、根鮮質(zhì)量、根干質(zhì)量、甘草酸、甘草苷和總黃酮* indicates P<0.05;** indicates P<0.01;*** indicates P<0.001;color scheme indicates pearson correlation values.The size indicates the correlation.PH,B,RL,RFM,RDM,GA,L and TF indicate plant height,branch number,root length,root fresh mass,root dry mass,glycyrrhizic acid,liquiritin and total flavonoids圖6 甘草生長(zhǎng)指標(biāo)與活性成分的相關(guān)性Fig.6 Correlation coefficients between growth traits and active ingredients of licorice

2.4 基于Topsis 綜合評(píng)價(jià)的甘草高效水氮組合方案

利用Topsis 綜合評(píng)價(jià)法對(duì)基于甘草酸、甘草苷和總黃酮含量的各處理進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),3個(gè)因變量指標(biāo)權(quán)重都設(shè)為1,評(píng)價(jià)結(jié)果如表5所示。

表5 Topsis 綜合評(píng)判結(jié)果Table 5 Topsis comprehensive evaluation

根據(jù)Topsis 綜合評(píng)判結(jié)果C進(jìn)行排序,W4N2排名第1,W4N3排名第2,即灌溉定額為3 000 m3/hm2,氮肥施量分別為86 kg/hm2和156 kg/hm2。而回歸分析優(yōu)化得到的灌溉定額與Topsis綜合評(píng)價(jià)法的結(jié)果一致,氮肥施量范圍也正好在Topsis法評(píng)判的最優(yōu)的兩個(gè)處理結(jié)果范圍內(nèi)。進(jìn)一步證實(shí)寧夏人工栽培甘草有效成分積累的最適宜的灌溉定額為3 000 m3/hm2,氮肥施量為108.86～144.28 kg/hm2。

2.5 甘草生長(zhǎng)指標(biāo)與有效成分的相關(guān)性

由圖 6 可知,株高(PH)、側(cè)枝數(shù)(B)及根長(zhǎng)(RL)均與甘草酸(GA)、苷草苷(L)及總黃酮(TF)之間呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01);根鮮質(zhì)量(RFM)與甘草酸(GA)、甘草苷(L)及總黃酮(TF)呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01);根干質(zhì)量(RDM)與甘草酸(GA)呈極顯著正相關(guān)關(guān)系 (P<0.01),與甘草苷(L)及總黃酮(TF)呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)。株高、側(cè)枝數(shù)及根長(zhǎng)與甘草有效成分含量相關(guān)性比較高,可作為甘草有效成分篩選的重要指標(biāo)。

3 討 論

3.1 水氮組合對(duì)甘草生長(zhǎng)的影響

氮素是植物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中必需的大量元素之一,也是促進(jìn)植物生長(zhǎng)和提高作物產(chǎn)量的重要原因[15]。本研究中氮肥用量從16 kg/hm2(N1)增加到86 kg/hm2(N2)時(shí),能夠使甘草株高、側(cè)枝數(shù)、根長(zhǎng)、根鮮質(zhì)量和根干質(zhì)量分別增加 7.31%、6.40%、3.63%、9.24%和8.69%,說(shuō)明氮素在促進(jìn)植株生長(zhǎng)方面發(fā)揮了重要作用。但是氮素供給與植物生長(zhǎng)需求并非呈直線(xiàn)關(guān)系,氮素過(guò)多會(huì)造成氮肥利用率下降,產(chǎn)投比降低[16]。如N3(156kg/hm2)相對(duì)于N1,能夠使甘草株高、側(cè)枝數(shù)、根長(zhǎng)、根鮮質(zhì)量和根干質(zhì)量分別增加 10.52%、10.68%、7.25%、15.91%和15.41%,但N4(226 kg/hm2)相對(duì)于N1,能夠使甘草株高、側(cè)枝數(shù)、根長(zhǎng)、根鮮質(zhì)量和根干質(zhì)量分別增加 9.01%、9.13%、3.49%、11.59%和9.24%,反而有所下降,原因可能是在N4處理下,由于氮濃度過(guò)高,試驗(yàn)區(qū)土壤中的氮處于“極豐”狀態(tài),超過(guò)了甘草生長(zhǎng)所需要的范圍,冗余的氮?jiǎng)t留在了土壤中。這與前人對(duì)三七[17]、何首烏[18]的研究結(jié)論一致。

水也是植物生長(zhǎng)發(fā)育及新陳代謝不可或缺的部分,植物必須有足夠的水分才能完成各種生理生化過(guò)程,最終形成產(chǎn)量[19]。本研究灌溉定額從750 m3/hm2(W1)增加到1 500 m3/hm2(W2)時(shí),能夠使甘草株高、側(cè)枝數(shù)、根長(zhǎng)、根鮮質(zhì)量和根干質(zhì)量分別增加17.41%、3.49%、8.58%、 21.85%和10.66%,說(shuō)明灌水能夠使植株生長(zhǎng)茂盛,根系發(fā)達(dá)。但水分也并非越多越好,本研究W3(灌溉定額2 250 m3/hm2)相對(duì)于W1處理,株高、根鮮質(zhì)量和根干質(zhì)量分別增加17.08%、19.71%和10.12%,W4(灌溉定額3 000 m3/hm2)處理相對(duì)于W1,株高、根鮮質(zhì)量和根干質(zhì)量分別增加16.14%、16.75%和6.40%,稍有所下降。但側(cè)枝數(shù)和根長(zhǎng),均是隨著灌溉定額的增加有所增加,說(shuō)明水分對(duì)甘草各生長(zhǎng)指標(biāo)的影響也有一定的適宜范圍。

氮素和水對(duì)作物的生長(zhǎng)發(fā)育及產(chǎn)量的形成是相輔相成,又相互影響的[20]。適量的氮肥可以促進(jìn)植物根系生長(zhǎng),有利于根系吸收土壤深層的水分,從而提高植物的水分利用效率。但施氮過(guò)量時(shí),會(huì)導(dǎo)致氮利用效率降低,對(duì)水分利用效率沒(méi)有促進(jìn)作用。水分則影響植物對(duì)氮的吸收、同化、利用及轉(zhuǎn)運(yùn)分配[21]。本研究結(jié)果表明,W2N4和W3N3的株高、根鮮質(zhì)量及根干質(zhì)量的值最大,W4N3和W4N2側(cè)枝數(shù)最多,W4水分處理下的根長(zhǎng)均較長(zhǎng),說(shuō)明適宜的水氮配比能夠促進(jìn)植株生長(zhǎng),利于根部干物質(zhì)積累,水分對(duì)根系的伸長(zhǎng)至關(guān)重要。這也證實(shí)了一定水分范圍內(nèi),根系生長(zhǎng)與土壤水分狀況之間呈正相關(guān)關(guān)系,當(dāng)土壤水分較少時(shí),植物根系會(huì)尋找更多的水源,增加地上部向地下部運(yùn)輸?shù)耐镔|(zhì)量,從而根系生長(zhǎng)快于地上部分[22]。

3.2 水氮組合對(duì)甘草有效成分含量的影響

中藥材的活性成分主要是藥用植物積累的次生代謝產(chǎn)物,其含量高低與栽培環(huán)境密切相關(guān),通過(guò)調(diào)整栽培措施,可以有效改善藥材質(zhì)量,提高產(chǎn)量及藥效成分[23-25]。研究表明,不同地區(qū)生長(zhǎng)的甘草的甘草酸及甘草苷含量有很大差異[26],這與當(dāng)?shù)氐脑耘鄺l件密切相關(guān)。施用300 kg/hm2磷酸二銨與不施用相比,可以使甘草經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量增加37.99%,生物產(chǎn)量增加43.02%,有效成分含量增加80.80%,經(jīng)濟(jì)效益增加62.45%[27]。目前生產(chǎn)上商品甘草多以烏拉爾甘草為主,因其產(chǎn)量高,品質(zhì)好,深受市場(chǎng)喜愛(ài)。本研究中,氮肥用量從N1增加到N2,烏拉爾甘草中甘草酸、甘草苷及總黃酮含量分別增加9.05%、6.09%和 1.35%,說(shuō)明使用氮肥可以提高甘草有效成分含量。當(dāng)?shù)视昧繌腘3增加到N4,甘草酸、甘草苷及總黃酮含量均下降。說(shuō)明氮肥用量應(yīng)控制在合理范圍內(nèi),施用過(guò)多不但會(huì)影響有效成分的積累,還會(huì)造成經(jīng)濟(jì)效益及生態(tài)效益的降低。

前人研究表明,適度的干旱脅迫有利于甘草活性成分的積累[28]。本研究中,隨著灌溉定額的增加,甘草酸、甘草苷及總黃酮含量均呈現(xiàn)增加的趨勢(shì),W4相比于W1,3種成分含量分別增加 48.75%、85.47%和20.99%,說(shuō)明灌水對(duì)于甘草有效成分含量的積累具有直接的促進(jìn)作用。該結(jié)果與前人結(jié)論中適度干旱促進(jìn)活性成分積累的觀(guān)點(diǎn)有所差別,主要原因是本試驗(yàn)立足于寧夏中部干旱帶鹽池縣沙生土壤,此區(qū)域?yàn)槿珖?guó)西鎮(zhèn)甘草的主產(chǎn)區(qū),所產(chǎn)甘草色紅皮細(xì),品質(zhì)優(yōu)良,深受市場(chǎng)歡迎。但該區(qū)域氣候比較干旱,地下水位較低,降雨量少,缺水是制約當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)的瓶頸問(wèn)題。甘草根系發(fā)達(dá),生命力頑強(qiáng),耐逆性強(qiáng),適宜在這樣的生境生存。本研究結(jié)果表明在W4灌溉定額下,甘草的水分利用效率較高,有效成分含量積累較快。

3.3 基于甘草有效成分含量的灌水和施氮方案

中藥材的藥用成分是植物與生長(zhǎng)環(huán)境相互作用過(guò)程中,積累的能夠提高自身保護(hù)和生存競(jìng)爭(zhēng)力的次生代謝產(chǎn)物[29]。相對(duì)于農(nóng)作物而言,中藥材更注重于質(zhì)量的提升,而衡量中藥材質(zhì)量好壞的依據(jù),即藥用成分含量。合理的水肥方案,能夠促進(jìn)有效成分積累,提高藥材質(zhì)量[30]。本研究利用二次回歸模型研究因變量灌水、施氮與甘草中甘草酸、甘草苷及總黃酮含量之間的關(guān)系,擬合出灌溉定額為3 000 m3/hm2,氮肥施量為108.86～144.28 kg/hm2時(shí),3種成分含量均達(dá)到最高,分別為1.270%,0.670%,和7.173%。此結(jié)果與前人[11,24]研究結(jié)論中氮肥效應(yīng)的結(jié)果一致,即中等氮肥條件下有利于甘草活性成分的積累。高灌溉定額3 000 m3/hm2最有利于活性成分積累的結(jié)論,與試驗(yàn)區(qū)干旱的土壤水分狀況,及砂性土壤不保水的特點(diǎn)相吻合。由于該地區(qū)屬干旱地帶,供水能力有限,3 000 m3/hm2已是最大用水限額,因此,灌溉定額最大只設(shè)定到3 000 m3/hm2。說(shuō)明該地區(qū)對(duì)水分的需求量比較大,研究結(jié)果與當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況一致。該研究中甘草酸含量最高僅為1.27%,并未達(dá)到《中華人民共和國(guó)藥典》規(guī)定的2.0%的標(biāo)準(zhǔn),因在寧夏栽培模式下,人工甘草需移栽培3 a以上,而本研究是對(duì)移栽2 a的甘草所做的成分檢測(cè)。