魏廷邦,魏玉杰,魏域斌,苏毓杰,常 瑛,邴 晶,陈志国,陈 芳，龚永福，毋玲玲，张兆萍，臧广鹏，张英英

(1.甘肃省农业工程技术研究院，甘肃 武威 733006；2.甘肃省特种药源植物种质创新与安全利用重点实验室，甘肃 武威 733006；3.武威市祁连山区道地中药材生态栽培技术创新中心，甘肃 武威 733006；4.武威市疾病控制中心，甘肃 武威 733000)

黄芪为豆科植物蒙古黄芪(Astragalusmembranaceusvar.Mongholicus)和膜荚黄芪(A.membranaceus)的干燥根[1-2]，具有提高机体免疫力、增强细胞代谢、调节血糖等多种功效，在蒙古、甘肃、陕西等贫瘠地域生长较为普遍[3-5]。目前，因黄芪药材需求量大量增加，致使野生黄芪被过度采挖，导致黄芪野生资源和生态环境受到严重破坏，而人工栽培黄芪成为缓解药材供给不足与需求量过大矛盾的关键所在[6]。黄芪已成为药食同源植物，因此需求量逐年增大，河西绿洲灌区土壤类型和气候资源适宜黄芪药材大面积种植且产量优势显著。目前，中药材生产已开始由过去的资源消耗型向资源减投型和环境友好型新型产业发展方向转变，故资源减投型的中药材生态栽培理论和技术研究亟待开展。

水肥耦合技术具有保持农田土壤肥力、改善农田生态环境的效果，对药材黄芪根系的生长和发育具有明显的调控作用，近年来围绕灌水量和施肥量的耦合效应优化黄芪等大宗药材品质和产量的研究已经逐步展开。药材黄芪地下部的生物产量是决定黄芪产量高低的关键，其品质由药材黄芪根部的有效成分含量所决定，通过量化灌水量和施肥量不仅能够有效增加黄芪的产量、提高黄芪甲苷等有效成分的含量，且具有显著的生态效益、经济效益和社会效益[7]。王渭玲等[8]研究发现，施肥对膜荚黄芪生育后期根生长、产量形成及有效成分的累积提供了充足的营养基础，有效增加黄芪个体根长、根粗及重量，且增产效果显著。赵亚兰等[9]研究发现黄芪生育期施肥量为6 000 kg·hm-2时，黄芪药材个体质量优异，产量和经济效益较好。秦梦等[10]发现施用尿素900 kg·hm-2、过磷酸钙360 kg·hm-2、硫酸钾240 kg·hm-2时，对黄芪产量和多糖含量均有显著的提高作用，而程萌萌[11]分析肥效函数发现，施用氮肥95.7 075～98.4 45 kg·hm-2、磷肥124.7 625～134.0 663 kg·hm-2、钾肥77.265～97.425 kg·hm-2时，可显著提高蒙古黄芪的产量、增加黄芪甲苷及多糖等有效成分的含量。魏廷邦等[12]开展蒙古黄芪水肥耦合试验研究表明，生育期减量20%灌水与中施氮耦合能够显著提高开花期蒙古黄芪的净光合速率、蒸腾速率和叶绿素含量，增强蒙古黄芪开花期的光合作用，有助于促进光合产物向地下部分的转移。因此，通过合理优化药材黄芪生育期内的水、肥需求规律，可有效实现药材黄芪优质、高效生态栽培。

传统水肥管理模式使得生产成本较高、单位耕地产出率降低、生态环境恶化等问题日益显现，随着数字化滴灌技术的应用，使得药材黄芪生长发育水肥需求与土壤水肥供给间的时空吻合度大幅度提高，对促进干旱半干旱地区中药材的生长具有重要意义[13]。河西绿洲灌区气候条件和土壤类型适合中药材黄芪的规模化种植，而关于水肥耦合技术对黄芪药材干物质积累特征、产量性能及有效成分含量的协同调控互利增产增效机理鲜见报道。因此，探寻适合绿洲灌区黄芪生长的最优水肥耦合模式，是中药材生态栽培领域研究的热点问题。为实现绿洲灌区药材黄芪产量和有效成分含量显著增加，本试验通过研究不同灌水水平、施氮水平及其互作效应下黄芪干物质积累、产量特征及其有效成分含量的变化规律，明确适用于绿洲灌区黄芪生长的最优水肥管理模式，以期为实现绿洲灌区中药材黄芪高产、优质栽培提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

本研究于2018年3月—10月在甘肃省武威市凉州区黄羊镇国家中药材产业技术体系河西综合试验站试验基地进行。试验基地位于河西走廊东端(102°51′1″E，37°40′26″ N)，平均海拨1 744.5 m，年平均气温约7.5 ℃，多年平均降水量约155 mm，年蒸发量约2 400 mm。降水年内分布不均，主要集中在5—9月份。试区土壤为厚层灌漠土，土壤容重1.62 g·cm-3，0～30 cm土层全氮含量0.97 g·kg-1、碱解氮68.10 mg·kg-1、有效磷48.0 mg·kg-1、速效钾284.10 mg·kg-1，有机质19.60 g·kg-1，pH值8.39。

1.2 试验材料

选用一年生蒙古黄芪为供试材料，种苗为定西市岷县农户培育的种苗，种苗采挖后去除大苗和小苗，留下大小基本一致的中等苗移栽。种苗平均根长(34.28±5.17) cm，根粗(0.58±0.09) cm，单根质量(3.94±2.18) g。2018年4月1日移栽，10月22日收获。氮肥施用尿素(纯氮约46.6%)，磷肥为过磷酸钙(P2O5约14%)，钾肥为氧化钾(K2O约25%)。

1.3 试验设计

试验采用裂区设计，以灌水量作主区，施氮量为副区。设生育期减量20%灌水2 320 m3·hm-2(W1)、生育期减量10%灌水2 610 m3·hm-2(W2)、常规灌水2 900 m3·hm-2(W3)3种灌水水平(如表1)。设施纯氮(N0) 0 kg·hm-2、(N1) 50 kg·hm-2、(N2) 100 kg·hm-2和(N3)150 kg·hm-24种施氮量，按基肥∶中期追肥=2∶1分施，施用有机肥3 000 kg·hm-2、纯磷150 kg·hm-2、纯钾40 kg·hm-2作基肥。试验共设12个处理，每个处理重复3次，小区面积为40 m2(5 m×8 m)，小区间走道1 m，保护行宽4 m。黄芪采用等行距种植，移栽密度为222 000株·hm-2，行距30 cm，株距为15 cm，沟深15 cm。各处理平作栽培，种苗移栽前均施基肥。

表1 蒙古黄芪不同生育时期的灌水量/(m3·hm-2)

1.4 测定项目与方法

干物质积累量：黄芪药材移栽发芽破土后，每隔30 d，在每小区内随机取样，苗期取样10 株，起身期以后每次取样5株，将地上部、地下部分别称取鲜质量后装入牛皮纸袋，于105℃下杀青15～30 min后80℃恒温烘至恒重，最后称量计算干物质积累量(kg·hm-2)。群体干物质积累量=成熟期单株总干质量×成熟期实收株数

采用Logistic方程y=k/(1+ea-rt)拟合黄芪全生育期干物质积累过程，通过对Logistic方程求导数，可得黄芪药材全生育期的干物质积累速率、干物质最大积累速率[13]。y代表干物质积累量，k代表干物质容量，e为自然常数，a代表k与y的有关参数，r代表增长速率，t代表出苗后天数。

产量及产量构成：黄芪采收期，在每小区去除边行后，按各处理小区依次采挖，采挖后分别称量地上部与地下部鲜质量。并测定植株个体指标，包括单株药材茎秆长、茎秆干质量、根长、根粗、单根干质量、侧根数和产量性状指标。

黄芪品质测定：按照2015年版《中国药典》一部[2]中规定的黄芪质量检测项对各处理黄芪甲苷含量(%)进行测定。

1.5 数据处理与分析

采用Microsoft Excel 2007整理汇总数据，使用SPSS 17.0统计分析软件拟合Logistic方程，并进行方差分析、回归分析，文中数据均为平均值。

2 结果与分析

2.1 水氮耦合对黄芪群体干物质积累动态的影响

如图1所示，灌水量和施氮量能够显著影响药材黄芪生育期的群体干物质积累。结果分析表明：灌水水平和施氮水平及其互作效应对黄芪生育期群体干物质积累量具有显著影响(p<0.05)。

在相同灌水条件下，中施氮水平的黄芪生育期群体干物质积累量显著高于不施氮、低施氮和高施氮水平；在相同施氮条件下，生育期减量20%灌水水平的群体干物质积累量显著高于生育期减量10%灌水水平和常规灌水水平。说明在生育期减量20%灌水条件下，适量增加施氮量可显著提高药材黄芪生育期的干物质积累量，为地下部分干质量的显著增加奠定基础。

2.2 Logistic方程拟合不同处理下黄芪群体干物质最大增长速率及其持续天数

干物质积累速率Logistic方程计算参考魏廷邦等[13]的方法。如表2所示，灌水量、施氮量及其互作效应对黄芪干物质最大增长速率及其出现的天数具有显著影响(p<0.05)。

表2 不同处理黄芪群体干物质积累速率的Logistic方程回归分析

在相同灌水条件下，W1N2处理的干物质最大增长速率较W1N0、W1N1和W1N3处理分别提高16.08%、9.96%和7.75%，W1N2处理的干物质最大增长速率出现天数较W1N0、W1N1和W1N3处理分别缩短6.07、8.14 d和8.15 d；W2N2处理的干物质最大增长速率较W2N0、W2N1和W2N3处理无显著差异，但W2N2处理的干物质最大增长速率出现天数较W2N3处理缩短2.5 d。常规灌水条件下，W3N2处理的干物质最大增长速率较W3N0、W3N1和W3N3处理分别提高45.71%、25.28%和34.40%，W3N2处理的干物质最大增长速率出现天数较W3N0和W3N3处理分别缩短1.90 d和延长2.27 d，说明常规灌水条件下过量的增施氮肥不利于黄芪干物质积累量的增加。

在相同施氮条件下，W1N1处理的干物质最大增长速率较W3N1处理提高28.36%，W1N1处理的干物质最大增长速率出现天数较W2N1和W3N1处理分别延长4.0 d和1.4 d。W1N2处理的干物质最大增长速率较W2N2和W3N2处理分别提高8.41%和12.65%，W1N2处理的干物质最大增长速率出现天数较W2N2和W3N2处理分别缩短5.4 d和6.9 d；W1N3处理的干物质最大增长速率较W3N3处理提高40.52%，W1N3处理的干物质最大增长速率出现天数较W3N3处理延长3.5 d。说明生育期减量20%灌水(W1)与中施氮量(N2)耦合能够显著提高黄芪群体干物质积累速率，促进干物质积累量的增加，增大地下部分干物质的积累量。

2.3 水氮耦合对黄芪产量的影响

如表3所示，灌水量对黄芪根粗和地下部干质量具有显著影响(p<0.05)，施氮量对黄芪根长、根粗、地上部干质量、地下部干质量及产量具有显著影响(p<0.05)。不同灌水水平间比较，W1处理的根粗、地上部干质量的均值较W3处理分别提高16.24%和7.65%，但W1与W2处理间无显著差异。说明过量灌水会影响黄芪根粗和地上部干质量的增加，不利于药材黄芪的正常生长。

不同施氮处理间比较，N2处理的根长和根粗较N0 (对照)、N1、N3分别提高49.24%和42.97%、2.60%和4.81%、6.67%和6.68%；N2处理的地上部干质量、地下部干质量较N0 (对照)、N1和N3分别提高59.46%和109.43%、40.61%和25.54%、23.37%和5.15%；N2处理的产量较N0 (对照)、N3分别提高165.5%和17.83%。说明增加施氮量有助于促进黄芪地上部干质量、根长、根粗及地下部干质量的增加，可显著提高产量，但过量的氮肥施用会加速黄芪的茎叶徒长，影响生育后期的地下部分产量形成。

灌水量与施氮量的互作效应对黄芪地上部干质量、地下部干质量和产量具有显著影响(p<0.05)。在W1灌水条件下，N2处理的黄芪地上部干质量和地下部干质量较N0 (对照)、N1、N3分别提高89.50%和178.9%、85.54%和55.25%、25.74%和19.2%；N2处理的黄芪产量较N0 (对照)、N1和N3分别提高186.32%、11.99%和33.11%。

在W2灌水条件下，N2处理的黄芪地上部干质量和地下部干质量较N0 (对照)、N1、N3分别提高78.16%和95.47%、20.35%和19.37%、25.89%和5.89%；N2处理的黄芪产量较N0 (对照)和N3分别提高152.08%和11.52%。在W3灌水条件下，N2处理的黄芪地上部干质量和地下部干质量较N0 (对照)、N1、N3分别提高42.99%和73.06%、17.03%和9.62%、17.86%和4.13%；N2处理的黄芪产量较N0 (对照)和N3分别提高156.12%和8.66%。结果表明，生育期减量20%灌水与中施氮量耦合可显著促进地上部干质量、根长和根粗的增加，有助于地上部有机物向地下部干质量的积累，显著提高黄芪产量。

表3 水氮耦合对黄芪产量的影响

2.4 水氮耦合对黄芪甲苷含量的影响

如图2所示，灌水量、施氮量及其互作效应均对黄芪甲苷含量具有显著影响(p<0.05)。生育期减量20%灌水处理的黄芪甲苷含量较生育期减量10%灌水和常规灌水处理分别提高5.91%和26.51%。中施氮处理的黄芪甲苷含量较不施氮、低施氮和高施氮处理分别提高104.68%、16.85%和17.08%。

在相同灌水条件下，W1N2处理的黄芪甲苷含量较W1N0、W1N1和W1N3处理分别提高167.03%、50.93%和24.94%，W2N2处理的黄芪甲苷含量较W2N0、W2N1和W2N3处理分别提高113.92%、18.91%和20.64%；在常规灌水条件下，各施氮处理的黄芪甲苷含量无显著差异。在相同施氮条件下，W1N2处理的黄芪甲苷含量较W2N2和W3N2处理分别提高17.11%和74.82%，W1N3处理的黄芪甲苷含量较W2N3和W3N3处理分别提高了13.08%和41.97%。说明生育期减量20%灌水与中施氮量耦合能够显著提高黄芪甲苷的含量，进一步优化收获期黄芪的品质。

2.5 水氮耦合条件下黄芪主要指标间的相关性分析

如表4所示，在黄芪合理施肥和灌水条件下，通过水肥耦合可显著影响黄芪生育期内的群体干物质最大增长速率(X1)和群体干物质最大增长速率出现天数(X2)，从而优化药材黄芪的根长(X3)、根粗(X4)、单株地上部干质量(X5)、单株地下部干质量(X6)，最终通过各指标的综合效应来影响黄芪产量(X7)和黄芪甲苷含量(X8)。

表4 水氮耦合条件下黄芪主要指标间的相关性分析

黄芪产量(X7)与根长(0.882**)、根粗(0.832**)、单株地上部干质量(0.709**)、单株地下部干质量(0.843**)和黄芪甲苷含量(0.838**)均呈现极显著正相关关系。说明合理的水氮耦合能够调控黄芪生育期根长、根粗等产量指标，进一步影响黄芪的产量形成，为优化和改善黄芪品质提高理论依据。

黄芪甲苷含量(X8)与根长(0.810**)、根粗(0.941**)、单株地上部干质量(0.874**)、单株地下部干质量(0.935**)均呈现极显著正相关关系，说明合理的水肥耦合可显著调控黄芪的根长、根粗和干物质积累，最终促进黄芪甲苷的积累。

3 讨 论

中药材的产量和品质可通过合理的栽培技术和农艺措施进行优化。合理的水肥调控措施可实现“以水调肥、以肥促水”的目的，不合理的水肥措施将抑制药用植物的生长和发育[14]。水分是影响药用植物生长发育的生态因子之一，对药材产量及品质影响较大，适当的水分胁迫可降低作物的净光合速率、蒸腾速率及叶绿素含量，但及时的增施肥料可缓解水分胁迫对作物生长发育的影响，利于有机物质的积累[15]。曹倩、张银锁等[16-17]研究发现，水分胁迫下作物的光合速率及干物质积累量显著降低，但及时增加灌溉量能够显著提高夏玉米的光合速率、产量及WUE。李铁男等[18]发现，生育期过量灌水会显著降低叶片的光合作用，但通过增施肥料能够改善叶片叶肉细胞的生理活性，延长光合作用的持续时期，充分保障作物生育后期有机物的积累和转运。徐博琼等[19]研究发现，最优移栽株行距30 cm×14 cm(密度23. 81 万株·hm-2)下蒙古黄芪生长发育健壮，主茎较粗，根冠比较大，产量较高，质量优异。不同的水肥耦合配比，使得植株所拥有的营养配比不同，导致植物个体发育上的差异，会直接影响作物产量和质量，从而影响药材产量的提高。有研究表明，在氮肥30～60 kg·hm-2、磷肥90 kg·hm-2、钾肥30 kg·hm-2配方施肥条件下蒙古黄芪产量及经济效益达到最大[20]。王振[21]研究矿质营养对膜荚黄芪的影响时发现，施氮可促进黄芪地上部分的生长，从而为生育后期膜荚黄芪根生长、产量形成及有效成分的累积提供充足的营养基础。高星等[22]研究发现，氮、磷、钾合理配比，有助于提高黄芪株高，促进根系的生长发育，显著提高蒙古黄芪皂苷和多糖的质量分数。张豆豆等[23]研究发现，氮、磷、钾肥单施对甘草产量的影响均呈抛物线型，而氮磷钾配施对甘草酸等活性成分含量无显著影响。马中森等[24]发现，施30%凹凸棒矿化复合肥3 000 kg·hm-2处理时，蒙古黄芪经济纯收益和黄芪甲苷含量均达到最高，且黄芪甲苷含量较(对照)常规施肥处理显著提高55.3%。

本试验通过研究药材黄芪生育期减量20%灌水(3 200 m3·hm-2)与中施氮量(100 kg·hm-2)耦合发现，该处理能够显著提高黄芪生育期的干物质最大增长速率，缩短干物质最大增长速率出现的天数，延长干物质积累速率持续的天数，有效增加黄芪群体干物质积累量及产量，显著促进黄芪甲苷有效成分的积累。因此，针对药用植物栽培现代化面临的机遇和挑战，本研究通过开展水肥耦合滴灌黄芪栽培技术的研究，将对改进中国药用植物栽培技术具有一定的参考价值。

4 结 论

生育期减量20%灌水与中施氮量耦合处理能够有效提高黄芪生育期的干物质最大增长速率，缩短干物质最大增长速率出现的天数，有效增加黄芪群体干物质积累量及产量，显著促进黄芪甲苷等有效成分的积累，为增产增效奠定基础。因此，采用黄芪生育期减量20%灌水(3 200 m3·hm-2)与中施氮量(100 kg·hm-2)处理的最优耦合模式，可为有效实现绿洲灌区中药材黄芪高产、优质栽培提供技术支撑。