調虧灌溉下菘藍耗水量變化特征

王玉才, 張恒嘉, 鄧浩亮, 李福強, 黃彩霞, 薛道信

(甘肅農業大學 水利水電工程學院, 甘肅 蘭州 730070)

菘藍(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。菘藍在我國廣泛引種，河北、陜西、甘肅及江蘇已成為主產地。但是在河西走廊一帶由于水資源短缺，灌溉方式不合理，導致菘藍的產量與水分利用效率較低。水分是干旱、半干旱地區影響生態環境變化和植物正常生長的最主要因素[1]，因此，研究菘藍的耗水規律和土壤水分動態對提高菘藍產量和水分利用效率至關重要。在諸多耗水量計算方法中，作物系數法因其簡單準確而被國內外學者[2-3]廣泛應用于大田作物。土壤水分適時管理和耕作技術[4]也是影響作物耗水量的重要因素，同時如果土壤水分發生較大的變化，將會直接影響作物的生長狀況和產量。菘藍階段耗水量和全生育期耗水量與其所處的自然環境和灌溉條件等因素有關。然而目前國內外學者[5-6]對菘藍的研究主要集中在化學成分及藥理學活性等方面，忽略了不同生育期、不同水分虧缺對土壤水分、耗水量和產量等影響。為此，本文通過在甘肅省張掖市民樂縣的菘藍大田試驗，探討水分調虧對膜下滴灌菘藍不同生育階段土壤水分變化和耗水特征的影響，進一步揭示菘藍膜下滴灌的需水規律，為干旱、半干旱區菘藍的高產種植提供理論依據。

1 研究區概況與研究方法

1.1 試驗區概況

灌溉試驗在甘肅省張掖市民樂縣益民灌溉試驗站進行。試驗站在洪水河灌區中游(東徑100°43′，北緯38°39′)，海拔為1 970 m。該地區氣候干燥，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，無霜期109～174 d，年日照時數3 000 h左右。土壤屬輕壤土，田間持水量(θf)為24%(質量含水率)，土壤容重1.4 g/cm3，地下水位為20 m左右，灌區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業大學中草藥系自繁的粒大飽滿、均勻一致的菘藍種子，種子純度96%，發芽率為87.6%，發芽勢為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，播前對試驗小區進行30 cm的翻耕處理，人工除去雜草，同時施入尿素(N含量46%)210 kg/hm2，過磷酸鈣(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一次性施入。滴灌鋪設完畢進行無色地膜覆蓋，地膜寬度120 cm。每個試驗小區之間用寬為60 cm的薄膜隔開，防止水分地下相互滲流。

1.3 試驗設計

本試驗為單因素隨機試驗，將菘藍生育期按其生長特點分為4個生育期：苗期、營養生長期、肉質根生長期和肉質根成熟期，土壤水分設四個梯度，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個水分調控處理，其中CK為對照處理，每個處理設3次重復，共30個小區，每小區面積36 m2(9 m×4 m)，采用隨機區組設計，有效試驗種植面積為1 080 m2。灌水方法為膜下滴灌，灌水整個生育期內對土壤濕度控制的土層深度為100 cm，水分控制上、下限范圍與區域實際情況較為吻合，具體試驗設計詳見表1。

表1 不同試驗處理的土壤含水量 %

注：土壤含水量為占田間持水率的百分數； WD1為營養生長期輕度虧水; WD2為營養生長期中度虧水; WD3為營養生長期重度虧水; WD4為營養生長期和肉質根生長期輕度虧水; WD5為營養生長期輕度虧水和肉質根生長期中度虧水; WD6為營養生長期中度虧水和肉質根生長期輕度虧水; WD7為營養生長期和肉質根生長期中度虧水; WD8為營養生長期重度虧水和肉質根生長期輕度虧水; WD9為營養生長期重度虧水和肉質根生長期中度虧水; CK為各生育期正常供水。

1.4 測定指標與方法

1.4.1 土壤水分 土壤水分的測定采用傳統方法烘干法，在每個小區隨機選擇，在連續兩株菘藍植株連線的中點處用土鉆分別鉆取小區土壤剖面內，0—20 cm，20—40 cm，40—60 cm，60—80 cm和80—100 cm土層土壤，測定其含水率，因為菘藍的根系主要分布在0—50 cm內，最后取0—60 cm土層的土壤水分的平均值作為濕潤土層土壤內的水分值，而以0—100 cm層內土壤水分的變化來計算作物對土壤水分消耗量。

1.4.2 數據統計分析 利用SPSS 19.0軟件中Duncan多重比較法比較各處理相關數據差異的顯著性，GraphPad Prism 5.01做圖，各表中的數據均為平均值。

2 結果和分析

2.1 調虧灌溉下菘藍的耗水量

由表2可知，菘藍各水分調虧處理在全生育期內的耗水量受膜下滴灌調虧灌溉的影響，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%，同時隨著調虧程度的逐漸加重，依次從輕度—中度—重度調虧，其他各處理的全生育期耗水量也呈現逐漸下降的趨勢。因此，水分調虧程度將會影響菘藍全生育期的耗水量，且隨調虧程度的增大，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)；在營養生長期，CK的耗水量最高，達到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%；在肉質根生長期，CK的耗水量最高，WD1，WD2和WD4處理與CK無顯著差異，重度水分虧缺處理的耗水量最低(WD9)；在肉質根成熟期，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%。在營養生長期和肉質根生長期隨著調虧程度的加重，各處理的耗水量呈現逐漸下降的趨勢。

表2 菘藍不同生育階段耗水量

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

2.2 調虧灌溉下菘藍不同生育階段耗水強度

2017年不同處理間耗水強度變化特征如表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度與CK間無顯著差異(p>0.05)；在營養生長期，CK的耗水強度最高，達到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處理的耗水強度較CK顯著降低16.72%；在肉質根生長期，CK的耗水強度最高，達到3.21 mm/d，WD1，WD2和WD4處理與CK無顯著差異，WD8處理的耗水強度最低；在肉質根成熟期，WD5的耗水強度最高，與CK無顯著差異，但WD1處理的耗水強度最低，為1.37 mm/d，較CK顯著降低26.74%。耗水強度變化規律基本呈現出苗期最小(約0.90 mm/d)，肉質根成熟期較大(約1.60 mm/d)，營養生長期和肉質根生長期的最大(約3.00 mm/d)。

表3 菘藍各個生育階段耗水特征

2.3 調虧灌溉下菘藍不同生育階段耗水模數

從表3可以發現，2017年，在苗期除了WD8和WD9其余各處理的耗水模數與CK間無顯著差異(p>0.05)；在營養生長期，WD1處理的耗水模數最高，達到38.49%，與CK顯著差異(p<0.05)，其次為WD9；在肉質根生長期，WD3處理的耗水模數最高，其次為WD1和WD4，均與CK顯著差異；在肉質根成熟期，WD6處理的耗水模數最高，與CK無顯著差異，而WD1處理的耗水模數最低。菘藍的各個生育期的耗水模數呈現出較為相似的分布規律，苗期的菘藍由于植株矮小，生長緩慢，氣溫較低等原因，耗水模數在8.97%～10.60%之間，當進入到營養生長期和肉質根生長期后，菘藍的根冠發育迅速，氣溫升高，耗水模數也隨著增加至32.97%～38.49%，最后，在菘藍的肉質根成熟期，氣溫降低，生長速度也逐漸下降，耗水模數也下降至15.45%～22.22%。

2.4 調虧灌溉下菘藍產量和水分利用效率

菘藍產量是在營養生長期輕度水分虧缺其余生育期充分灌溉的WD1處理條件下最高(達到8 390.80 kg/hm2)，其他不同程度的水分虧缺處理均使菘藍產量有所降低，與CK相比，其他各處理產量降幅在1.04%～33.43%之間，在營養生長期輕度、肉質根生長期輕度水分調虧條件下，WD4處理的菘藍產量與CK無顯著(p>0.05)差異，為8 235.32 kg/hm2；而營養生長期重度水分虧缺和肉質根生長期中度、重度水分虧缺的WD3，WD7，WD8和WD9處理的菘藍產量分別與CK差異顯著(p<0.05)，分別減產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%，即營養生長期輕度水分調虧和肉質根生長期輕度水分調虧對菘藍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)。結果表明菘藍在營養生長期和肉質根成熟期的輕度水分調虧可提高其水分利用效率，而其他中度、重度水分調虧處理會明顯降低水分利用效率。

3 討論與結論

作物的全生育期內各個階段的耗水量能夠代表其各個生育期的需水特性及需求，也能夠反映出不同生育階段對水分的敏感程度。孟兆江等[7]研究表明冬小麥全生育期耗水量隨水分調虧度加重而降低，降低幅度為12.8%～46.5%。楊學軍等[8]發現4種苔草在虧缺灌溉條件下耗水量、產量均顯著降低。本試驗研究結果表明水分調虧程度將會影響菘藍全生育階段的耗水量，且隨調虧程度的增大，菘藍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]研究結果一致，與充分灌溉相比，蘋果樹的調虧微噴灌節約灌溉用水，同時在其生育期內的耗水量可減少10.2%～11.2%。

表4 不同調虧灌溉處理下菘藍水分利用效率的影響

邱新強等[10]研究發現不同水分處理條件下，各生育階段內的水分脅迫使夏玉米的階段耗水量和日耗水強度較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]研究發現在小麥生長旺盛的抽穗—灌漿期，日耗水強度達到最大，此生育期屬于水分較敏感時期。本試驗結果表明菘藍的耗水強度變化規律基本呈現出苗期最小(約0.90 mm/d)，肉質根成熟期次之(約1.60 mm/d)，營養生長期和肉質根生長期最大(約3.00 mm/d)的規律，且輕度虧水處理耗水強度降幅較小，重度虧水處理降幅較大。

菘藍的各個生育期的耗水模數呈現出較為相似的分布規律，苗期的耗水模數在8.97%～10.60%之間，當進入到營養生長期和肉質根生長期后，菘藍的根冠發育迅速，氣溫升高，耗水模數也隨著增加至32.97%～38.49%，在菘藍的肉質根成熟期，耗水模數也下降至15.45%～22.22%。不同水分虧缺處理間的耗水模數之間并沒有隨著水分虧缺程度的加劇而出現有規律的變化趨勢。這主要是因為影響耗水模數的因素諸多，如耗水強度、全生育期總消耗水量、環境因子和該生育階段持續時間長短等。

調虧灌溉不僅可以用于與果樹、梨樹等的節水增產，同時本研究發現對于菘藍也具有節水增產效果。雷艷等[12]研究發現冬小麥在返青期受水分虧缺時干物質顯著降低了7.7%，但提高了4.95%的產量和7.56%的水分利用效率。時學雙等[13]研究發現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，而極度水分虧缺則會顯著降低產量、水分利用效率和收獲指數。本研究也得出相似結論，WD4處理的菘藍產量與CK無顯著(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處理為最優處理。菘藍的經濟產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的經濟產量。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。結果說明輕度水分虧缺可以有效提高菘藍的水分利用效率，并且不會降低菘藍的經濟產量。