不同滴灌量對荒漠區栽培甘草根品質成分的影響

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.新疆農業大學草業與環境科學學院，烏魯木齊 830052；2.新疆農業科學院農作物品種資源研究所，烏魯木齊 830091；3.新疆土壤與植物生態過程實驗室，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]。甘草不僅是我國廣泛應用的傳統藥材、優良牧草，也是食品加工及化妝品生產等多種輕工業的優良材料。甘草根系發達，覆蓋度高，具有耐旱、耐堿[2]和耐瘠的特性，適宜在干旱、半干旱地區砂質偏堿性的鈣質土壤上生長，是半干旱荒漠地區優良的防風固沙植物[3]。近年來，國內外藥材市場對甘草的需求量增大[4]。我國適宜甘草生長的干旱半干旱地區均屬溫度干旱半干旱地區，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鍵作用[4-5]。新疆荒漠區水資源明顯短缺，而近年來甘草種植面積不斷擴大，而品質卻在明顯下降[6]。急需建立干旱荒漠地區甘草高產優質節水的灌水技術，灌水量是其核心問題[7]。【前人研究進展】土壤水分過多過少均會導致甘草徒長或枯死，直接影響其品質成分[8-10]；當土壤水分含量保持在甘草最適生長范圍時，才能保持其體內水分和養分的平衡，維持甘草生長發育良好，可避免因水分不足或過多帶來品質問題[11]。輕度的干旱脅迫可提高人工種植甘草的產量甚至是品質成分。甘草苗對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，又能促進根品質成分積累的滴灌量[11-12]。【本研究切入點】尚未發現膜下滴灌對干旱荒漠區栽培甘草在苗期品質成分積累影響方面的研究報道。需研究不同水平的膜下滴灌量對荒漠地區栽培甘草苗根不同器官品質成分的影響。【擬解決的關鍵問題】以天山北麓昌吉州荒漠地區栽培甘草為材料，設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，為干旱荒漠地區確定膜下滴管定額，為生產優質高產甘草提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 材料

田間試驗于2019年在新疆農業大學科研實習基地新疆昌吉州地三坪農場（86°24′，43°06′）進行，地處典型內陸荒漠氣候區，也是溫帶干旱區；冬季嚴寒，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，地下水埋深大于4 m，礦化度高，地面蒸發強烈，年蒸發量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，全年日照時數為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。試驗區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）等占優勢。土壤類型屬鹽化草甸土，開墾年限為8年，上茬苜蓿，為礫質中粘土。自然植被覆蓋度30%～60%。地下水埋深大于4 m，地面風力頻繁，5～8月常持續干熱風。土壤質地為粘質輕壤土，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南昌路新綠園林節水綠化設備商行提供。甘草種子由新疆天博草業有限種子公司提供（購自內蒙古野生甘草種子公司，經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。播種前對種子進行濃硫酸處理，濃硫酸：種子比例為50 ml∶1 000 g。

1.2 方法

1.2.1 試驗設計

采用隨機排列，根據試驗地土壤水分參數和土壤理化特性、試驗區自然降水量、地下水位、甘草不同階段需水量[14]，結合潛水蒸發法[15]計算甘草需水量，設計滴灌定額分別為（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，設置3次重復；小區面積7 m×19 m=133 m2，小區之間留1.5 m的保護行。采用膜下滴灌方式[16]，每個處理之間挖開70 cm[17]深垂直方向埋塑料膜隔開，阻止區組間水分的橫向交流。滴灌時間取決于滴灌帶鋪設間距、滴頭流量和滴頭間距。試驗區滴灌帶鋪設間距為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長。表1，表2

表1 試驗區土壤基本狀況Table 1 Soil characteristics of study area

表2 滴灌定額Table 2 Drip irrigation quota

1.2.2 測定指標

試驗地前茬為高粱，4月翻耕后整地，頂棍拉繩區分小區和保護行。小區之間留1.5 m保護行，保護行土壤挖70 cm深處用塑料薄膜隔開，阻止區組間水分的橫向交流，以0～20 cm、20～40 cm及40～70 cm 3個深度取土樣，風干測定其主要營養成分。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月初觀測到幼芽發芽出土，開始每天記載出苗率，等到出苗率達60%～90%時放苗。開始觀測記錄小苗生長指標。苗長出第3～6對復葉（苗高30～50 cm）后停止滴管，進行“蹲苗”；每隔1周選擇具有代表性甘草苗數株。6～7月小區隨機拔出10顆，8～9月甘草基本成活，株數基本穩定，每小區隨機拔出5～7株，到10月甘草基本成株，每個小區選擇樣地0.5 m2挖出根，觀測記錄平均值，拿回室內洗凈用濾紙擦干凈，放入信封105℃殺青15 min，65℃烘干，粉粹過篩測定品質成分[18]。

1.3 數據處理

試驗地土壤含水量參數在新疆農業大學草環學院土壤與植物營養研究室測定[19]；在新疆農大新疆環撿中心測定品質成分，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]測定。數據匯總于Excel2017表格，用SPSS19.0統計分析，各指標的分析采用單因素方差分析（one-way ANOVA），Duncan′s新復極差法多重比較。

2 結果與分析

2.1 不同滴灌量對甘草酸含量的影響

研究表明，不同滴灌量對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月連續不斷增加，10月達最大值。不同滴灌處理之間差異達極顯著（P＜0.01）。甘草酸含量表現為X2＞X1＞X3＞X0＞X4；不同處理10月含量對比有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，滴灌量與根甘草酸含量之間沒有相關性（R2=0.010 6），在X0至X2范圍內，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（R2=0.903 2）；而在X2至X4范圍內，苗根甘草酸含量隨著滴灌量增加而明顯下降，兩者呈極顯著負相關（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 不同滴灌量對甘草苷含量的影響

研究表明，不同滴灌量對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月連續不斷增加，10月達最高值。不同滴灌處理之間差異達極顯著（P＜0.01）在根里甘草苷含量表現為X2＞X1＞X3＞X0＞X4，最 高 達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，根中甘草苷含量與滴灌量之間呈極顯著正相關，R2=0.960 3，而至X4滴灌量范圍內，相關性均明顯降低到R2=0.098 9。滴灌量對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 不同滴灌量對總黃酮含量的影響

研究表明，不同滴灌量對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顯著（P＜0.01）。在根里總黃酮 含 量 表 現 為X2＞X1＞X3＞X0＞X4，最 高 含 量 達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，根苗總黃酮含量與滴灌量之間呈正相關，R2=-0.477 2，而X0至X4滴灌量范圍內兩者相關性明顯降低，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 不同滴灌量對多糖含量的影響

研究表明，不同滴灌量對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顯著（P＜0.01）。在甘草苗根中多糖含量表現均為X1＞X2＞X3＞X0＞X4。根中最高達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，根中多糖含量與滴灌量均呈極顯著負相關，R2=-0.998 3；而X0至X4滴灌量范圍內負相關性顯著降低，R2=-0.180 5。在X1至X4滴灌量范圍內，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 不同滴灌量對粗蛋白含量的影響

研究表明，不同滴灌量對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極顯著（P＜0.01）在甘草苗根中粗蛋白含量均表現為X2＞X3＞X1＞X4＞X0。在根中最高含量達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，根中粗蛋白含量與滴灌量之間呈極顯著正相關，R2=0.967 9；而至X4滴灌量范圍內正相關性明顯減弱，R2=0.123 5。在X0～X3滴灌量范圍內，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，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

研究結果表明，當滴灌量控制在5 000 m3/hm2范圍內時，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。當滴灌量超過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，兩者呈顯著負相關；即完全不灌水或過高灌水時均不利于甘草根品質成分的積累。杜茜[22]進行的水分和肥料對甘草產量及品質的影響研究結果表明，在一定土壤水分含量范圍內，甘草的品質成分含量與土壤水分呈顯著負相關。張益民[23]進行的土壤水分下限對甘草生長、品質和光合生理特性的影響研究。

結果表明，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與甘草品質成分體現負相關性。適度干旱脅迫調控甘草次級代謝分子機制的初步研究表明[24]，適度干旱脅迫可以促進甘草中甘草苷、甘草酸等有效成分的積累，提高藥材品質。李莉等[25]甘草野生撫育技術研究灌溉和地下莖長度對成活率、藥材產量及質量的影響研究結果表明，不同灌溉對根莖甘草酸含量的影響均未達到顯著水平，但質量分數達2.12%和3.03%，遠高于常規栽培含量，適當灌溉有利于甘草酸等品質成分的提高。結果表明，甘草根多糖含量隨著灌水量增加而明顯下降，兩者呈極顯著負相關；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]進行的水分和鹽分處理對甘草藥材質量的影響研究結果表明，適量增加土壤水分可以促進甘草酸、甘草苷和總黃酮含量的積累，卻抑制了多糖含量的積累，與研究結果一致。周雪潔[27]進行的干旱對甘草酸含量的影響研究結果表明，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。研究結果表明，當滴灌量控制在2 500～5 000 m3/hm2時，有利于甘草根苗不品質成分的積累，當滴灌量超過5 000 m3/hm2水平時，明顯不利于品質成分的積累。趙莉[28]在新疆進行的產地和栽培條件對甘草多糖和甘草酸含量的影響研究結果也表明，對于栽培烏拉爾甘草的最優灌溉量，以甘草酸含量為評價指標時定4 500 m3/hm2，以多糖為評價指標時定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]農藝措施對甘草生長發育的影響研究結果表明，總灌水量為4 500～5 400 m3/hm2時，無論是甘草的農藝性狀還是干物質積累量或產量，均表現出最好。在天山北麓干旱荒漠地區用滴灌方式栽培甘草生產中，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，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，而超過5 000 m3/hm2滴灌量，隨著滴灌量增加5項品質成分含量均明顯下降，兩者呈顯著負相關；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均不利于甘草根5項品質成分的積累。在荒漠地區滴灌栽培甘草中，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成分含量，并將滴灌量控制在2 500～5 000 m3/hm2。