9個艾草種源的生長節律與生物量

董 鵬, 楊立軒, 李 民, 曹宗鵬*, 王 偉, 王清華

(1.南陽市農業科學院, 河南 南陽 473000; 2.河南省科學院 天然產物創新研究中心, 河南 鄭州 450000)

0 引言

【研究意義】艾草(Artemisiaargyi)是我國傳統藥用植物,隨著研究的深入,用途也越來越廣泛[1]。艾草生存能力極強,適應范圍非常廣泛,在我國大部分地區都有分布[2-3],其中,河南、湖北和河北的艾葉為公認的道地藥材[4]。河南南陽是國內艾草栽培面積最大的地區,其在栽培過程中存在品種雜亂、采收期較隨意,不利于產量和質量的把控。目前,國內外許多研究都把植物生長節律作為引種馴化與育種研究的重要內容[5]。因此,摸清不同品種艾草的生長節律,探明不同品種的適宜采收期,可對南陽艾草產業的可持續健康發展具有重要現實意義。【前人研究進展】近年來,國內外學者對艾草栽培的研究主要集中在化學成分、采收期、抗逆性及病蟲害防治等方面。羅國慶[3]探究不同生長時期和采收期艾草的生長發育特征,總結出艾草生育期需肥規律和較適宜的采收期,認為5月27日左右為第1茬艾適宜采收期。陳昌婕等[6]研究認為,不同艾葉資源的出絨率和有效成分差異較大,但不能僅根據單一成分的含量高低衡量艾葉質量的優劣,應根據用途選擇合適的品種進行種植。薛紫鯨等[7]利用色譜法對祁艾不同采收期進行研究表明,以第3個采收時期(6月18日)的總黃酮和總酚酸含量最高。植物生長節律主要由遺傳基因和環境條件共同決定,且遺傳基因起主導作用[8]。【研究切入點】目前植物生長節律的研究已經相對成熟,但艾草的生長節律尚不明確。【擬解決的關鍵問題】以9個艾草種源為供試材料,采用田間數據結合建立Logistic生長模擬曲線的方法,探明不同種源艾草的生長節律、葉片數及地上部干物質積累量的差異,明確艾草的適宜采收期,以期為南陽地區生產上艾草品種的選擇和適期收獲提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗在南陽市農業科學院潦河鎮試驗基地進行(112°42′57″E,32° 90′47″N),屬典型的季風大陸性半濕潤氣候,年均日照時數1 897.9～2 120.9 h,年均氣溫14.4～15.7 ℃,年均降雨量703.6～1 173.4 mm,無霜期220～245 d。試驗地土壤類型為黃棕壤,肥力中等。

1.2 試驗材料

2020年,收集河南省南陽市9個艾草主栽品種和野生艾草種源的根莖,各品種及種源信息詳見表1。其均于2020年3月5日栽種,管理措施與大田生產管理相同。

表1 9個艾草種源的基本信息

1.3 試驗方法

1.3.1 試驗設計 從2021年3月5日艾草萌發開始,每隔7 d采集單位面積艾草植株樣品,曬干后稱重獲得干物質積累量動態變化;同時,選取10株長勢均勻的連續植株,測量株高,直至5月21日頭茬艾收獲時結束。從4月9日開始每隔7 d記錄有效葉片數和無效葉片數,直至5月21日頭茬艾收獲時結束。分別于艾草生育期的5月21日、8月7日和11月23日各采收1次,采收時對各種源艾草進行測產。地上部干物質積累量為生育期3次采收地上部全草干物質量之和。

1.3.2 模型建立與物候期參數計算 采用廣泛應用于作物生長模擬的Logistic模型[9-10]擬合艾草從出苗起135 d的生長模擬曲線。對Logistic曲線方程進行三階求導,計算物候期參數的3個時間拐點值[11-12]:速生點(t0)、速生期起始點(t1)和速生期結束點(t2)。

y=k/(1+eb-at)

t0=b/a

t1=(b-1.317)/a

t2=(b+1.317)/a

式中,y為株高或地上部干物質積累量,t為艾出苗后的生長時間(d),k為生長極限值,a、b為待定系數。

1.4 數據處理

用Excel 2010計算基礎數據及制作圖表,用SPSS 19.0進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 不同艾草種源株高的生長節律

由圖1可知,9個種源艾草株高從出苗起135 d的生長均呈慢-快-慢的S型生長曲線,生長后期擬合曲線與X軸趨于平行。不同種源艾草的株高生長量、進入速生期時間和速生期持續時間均具有明顯的差異,TB、NX、WA2和WA1后期株高明顯高于其他種源。其中,5月21日時各種源株高為122.2～178.6 cm,依次為TB>NX>WA2>WA1>XY2>HB>XY1>WA3>WY。

圖1 不同種源艾草株高的擬合曲線

由表2可知,不同種源艾草株高擬合方程的決定系數為0.972～0.996,因此,用Logistic方程的理論值可對實際值進行準確的估測。不同種源艾草株高生長量在出苗后33～50 d達高峰期,其速生期起始點t1、速生期結束點t2及速生點t03個重要物候點的差異較大。各種源株高的快增期持續時間為28～64 d,其中,NX快增期持續時間最長,為64 d;XY1快增期持續時間最短,僅28 d,快增期持續時間依次為NX>TB>WA2>XY2>WA1>HB>WA3>WY>XY1。雖然株高快增期持續時間較短,但各種源在快增期的生長量達71.26～120.25 cm,依次為TB>NX>WA2>WA1>XY2>HB>XY1>WA3>WY,其分別占生育期總生長量的58.31%～70.73%,占比較大。

表2 不同種源艾草的株高模擬方程及參數

2.2 不同艾草種源地上部干物質積累量的生長節律

由圖2可知,9個種源艾草地上部干物質積累量從出苗起135 d的生長均呈慢-快-慢的S型生長曲線,但不同種源間差異明顯,TB、WA2和NX后期地上部干物質積累量明顯高于其余種源,WA1后期地上部干物質積累量明顯較低。其中,5月21日時地上部干物質積累量為571.35～793.68 kg/667m2,依次為TB>XY2>NX>WA2>WA3>HB>WY>XY1>WA1。

圖2 不同種源艾草地上部干物質量的擬合曲線

由表3可知,不同種源艾草地上部干物質積累量擬合方程的決定系數為0.946～0.998,地上部干物質積累量達高峰期為出苗后38～47 d,干物質積累的快增期持續24～37 d,不同種源間地上部干物質積累量的3個重要物候點,即快增期起始點t1、快增期結束點t2和快增點t0差異較大,其中,WA2種源快增期持續時間最長,為37 d,WA3和NX種源次之,分別為32 d和31 d,XY1和XY2最短,僅24 d。各種源在快增期地上部干物質積累量分別達4 995.93～7 097.59 kg/hm2,占總干物質量的57.90%～62.42%。

表3 不同種源艾草的地上部干物質積累模擬方程及參數

2.3 不同種源艾草葉片的數量動態變化

艾草萌發5周后下部葉片開始出現干葉(無效葉片),因此本試驗從第6周開始(4月9日)記錄艾草的總葉片數、有效葉數和無效葉數。從圖3看出不同種源艾草葉片的數量動態變化。

圖3 不同種源艾草的葉片總數、有效葉數和無效葉數

2.3.1 總葉數 隨著生育期延長,9個種源艾草葉片的總葉數均呈直線增加趨勢,從4月9日至5月21日總葉數從14片增至35.6片。不同種源艾草的總葉數前期差異不大,中后期差異逐漸明顯,4月19日總葉數為13.5～16.3片,差異在3片以內,依次為NX>WA2>WA3>TB=XY2=WY>XY1>WA1>HB;5月21日總葉數為27.7～35.6片,依次為WA2>NX>TB=XY2>XY1>WA1>HB>WA3>WY,其中,WA2和NX的總葉數明顯高于其余種源,WY和WA3的總葉數明顯較低。

2.3.2 有效葉數 9個種源艾草4月9日的有效葉數為11.0～13.7片,依次為NX>WA2=WA3>XY1=WY>TB>XY2>HB>WA1;5月21日時有效葉數為14.2～18.2片,依次為NX>WA2=XY2>TB=WA1>XY1>HB>WY>WA3。雖然艾草葉片總葉數隨著生育期延長呈增長趨勢,但有效葉數未明顯增加或增加較緩慢,且種源間差異也不大。

2.3.3 無效葉數 隨著生育期延長,9個種源艾草的無效葉數呈直線上升趨勢。無效葉數從4月9日的2.0～3.1片增至5月21日的12.5～17.8片,無效葉數占總葉數的比例也從15.95%～20.68%增至43.08%～49.47%,增幅和占比均較大。5月21日9個種源的無效葉數依次為WA2>NX>HB>XY1>TB>WA3=XY2>WA1>WY,其中,WA2和NX的無效葉數明顯高于其他種源,分別達17.8片和15.9片。

2.4 不同種源艾草的地上部干物質積累量

從表4看出,不同種源艾草生育期3次采收地上部全草干物質量和艾葉干重差異明顯,全草干物質量為23 030.85～29 112.60 kg/hm2,依次為NX>XY2>TB>WA2>WA3>WY>HB>XY1>WA1,其中,NX、XY2和TB 間差異不顯著,但均顯著高于其他種源。艾葉干重為7 556.85～9 570.75 kg/hm2,依次為NX>TB>XY2>WA3>HB>WA2>XY1>WY>WA1,其中,NX、XY2和TB間差異不顯著,但均顯著高于其余種源。不同種源艾葉收獲量占全草干物質量的比例為31.72%～33.52%,依次為XY1>HB>WA3>NX>WA1>TB>XY2>WY>WA2,各種源間差異不大。

表4 不同種源艾草的地上部干物質積累量

3 討論

采用Logistic曲線可以很好地模擬植物生長[10]。谷小紅等[13]認為,植物生長早期葉面積小,光合作用產生的養分無法供應其生長,因此植物生長較緩慢,經過一段時期養分積累后,植株進入快速生長期,后期則從營養生長進入生殖生長,因此,用Logistic方程的理論值可以對實際值進行準確估測。各種源艾草的株高和地上部干物質積累量的生長階段及持續時間存在很大差異,與其遺傳特性有關[14]。研究結果表明,9個種源艾草干物質積累速生期持續時間為24～37 d,而生長量卻達總生長量的1/2以上,與半夏[5]、任豆[8]、花櫚木[11]及文冠果[14]等的試驗結果一致。說明,速生期是艾草干物質積累的關鍵時期,也是水肥管理的重點時期,一般決定了艾草生育期的生長量。

根據模型擬合結果,最佳采收期應在靠近t2時間點(50～65 d)而不超過t2節點,因此,各種源艾草最晚應在出苗后65 d(5月初)完成第1茬艾采收,與高麗等[15]的研究結果一致,比傳統的端午節采收提前近30 d。傳統認為,艾草采收以端午節為佳,洪宗國等[16-18]以艾葉揮發油含量和化學成分為指標,確定6月上旬端午前后為艾葉的最佳采收期。然而,羅國慶等[3]認為,從總黃酮、總萜類和桉油精3個有效成分含量出發,端午當天采收的艾葉有效成分含量均為最低值。結合艾葉產量和土地綜合利用情況,第1茬艾在端午節前后采收,每年只能采收2次,但提前至5月初采收第1茬艾,每年可采收3次,與南陽當地的實際情況相符。說明,應用Logistic模型預測艾草采收期合理可行。

研究結果表明,隨著生育期延長,艾草的有效葉數增加緩慢,無效葉數增加較快,可能與艾草田郁閉有關。陳昌婕等[19]研究表明,壟作有利于田間通風透光,減少枯葉率,增加葉莖干重比,有助于提高產量和品質。艾草為平地種植,根蘗大量萌發導致艾草田郁閉,可能是導致中下部葉片干枯甚至脫落的主因。另外,不同種源艾草種植于同一生態條件下,其葉片產量仍呈現較大差異,與不同種源的遺傳基因有關[20]。試驗結果可為艾種質資源綜合評價、采收以及優良品種的選育提供參考。

4 結論

利用Logistic曲線方程可以很好地擬合艾草株高和地上部干物質積累量,以及劃分各生長階段;株高的擬合決定系數為0.972～0.996,地上部干物質積累量的擬合決定系數為0.953～0.998,均呈現較好的S型曲線,Logistic模型預測艾草最佳采收期最晚在出苗后65 d完成第1茬采收。不同種源艾草地上部干物質積累量和艾葉產量差異明顯,NX、XY2和TB種源均顯著高于其他種源,WA1種源最低。