调亏灌溉下菘蓝耗水量变化特征

王玉才, 张恒嘉, 邓浩亮, 李福强, 黄彩霞, 薛道信

(甘肃农业大学 水利水电工程学院, 甘肃 兰州 730070)

菘蓝(Isatistinctoria)是常用的大宗中药材之一，是治疗感冒的常用药材，几乎所有的治疗感冒的中药配伍中都有菘蓝。菘蓝在我国广泛引种，河北、陕西、甘肃及江苏已成为主产地。但是在河西走廊一带由于水资源短缺，灌溉方式不合理，导致菘蓝的产量与水分利用效率较低。水分是干旱、半干旱地区影响生态环境变化和植物正常生长的最主要因素[1]，因此，研究菘蓝的耗水规律和土壤水分动态对提高菘蓝产量和水分利用效率至关重要。在诸多耗水量计算方法中，作物系数法因其简单准确而被国内外学者[2-3]广泛应用于大田作物。土壤水分适时管理和耕作技术[4]也是影响作物耗水量的重要因素，同时如果土壤水分发生较大的变化，将会直接影响作物的生长状况和产量。菘蓝阶段耗水量和全生育期耗水量与其所处的自然环境和灌溉条件等因素有关。然而目前国内外学者[5-6]对菘蓝的研究主要集中在化学成分及药理学活性等方面，忽略了不同生育期、不同水分亏缺对土壤水分、耗水量和产量等影响。为此，本文通过在甘肃省张掖市民乐县的菘蓝大田试验，探讨水分调亏对膜下滴灌菘蓝不同生育阶段土壤水分变化和耗水特征的影响，进一步揭示菘蓝膜下滴灌的需水规律，为干旱、半干旱区菘蓝的高产种植提供理论依据。

1 研究区概况与研究方法

1.1 试验区概况

灌溉试验在甘肃省张掖市民乐县益民灌溉试验站进行。试验站在洪水河灌区中游(东径100°43′，北纬38°39′)，海拔为1 970 m。该地区气候干燥，水源不足，属大陆性荒漠草原气候。多年平均温度6 ℃，最高温度37.8 ℃，最低温度-33.3 ℃，年降雨量183～285 mm，无霜期109～174 d，年日照时数3 000 h左右。土壤属轻壤土，田间持水量(θf)为24%(质量含水率)，土壤容重1.4 g/cm3，地下水位为20 m左右，灌区基本不受盐碱化影响。

1.2 供试材料及栽培方式

供试品种选用甘肃农业大学中草药系自繁的粒大饱满、均匀一致的菘蓝种子，种子纯度96%，发芽率为87.6%，发芽势为46.4%。2017年5月2日播种，10月11日收获，播种量为30.0 kg/hm2，种植密度为700 350株/hm2，播前对试验小区进行30 cm的翻耕处理，人工除去杂草，同时施入尿素(N含量46%)210 kg/hm2，过磷酸钙(P2O5含量12%，S含量10%，Ca含量16%)340 kg/hm2，硫酸钾(K2O含量25%)270 kg/hm2，所有肥料都作为基肥在播种时一次性施入。滴灌铺设完毕进行无色地膜覆盖，地膜宽度120 cm。每个试验小区之间用宽为60 cm的薄膜隔开，防止水分地下相互渗流。

1.3 试验设计

本试验为单因素随机试验，将菘蓝生育期按其生长特点分为4个生育期：苗期、营养生长期、肉质根生长期和肉质根成熟期，土壤水分设四个梯度，分别为充分灌水(F，土壤含水量为田间持水量的75%～85%)，轻度水分亏缺(L，土壤含水量为田间持水量的65%～75%)，中度水分亏缺(M，土壤含水量为田间持水量的55%～65%)，重度水分亏缺(H，土壤含水量为田间持水量的45%～55%)。共10个水分调控处理，其中CK为对照处理，每个处理设3次重复，共30个小区，每小区面积36 m2(9 m×4 m)，采用随机区组设计，有效试验种植面积为1 080 m2。灌水方法为膜下滴灌，灌水整个生育期内对土壤湿度控制的土层深度为100 cm，水分控制上、下限范围与区域实际情况较为吻合，具体试验设计详见表1。

表1 不同试验处理的土壤含水量 %

注：土壤含水量为占田间持水率的百分数； WD1为营养生长期轻度亏水; WD2为营养生长期中度亏水; WD3为营养生长期重度亏水; WD4为营养生长期和肉质根生长期轻度亏水; WD5为营养生长期轻度亏水和肉质根生长期中度亏水; WD6为营养生长期中度亏水和肉质根生长期轻度亏水; WD7为营养生长期和肉质根生长期中度亏水; WD8为营养生长期重度亏水和肉质根生长期轻度亏水; WD9为营养生长期重度亏水和肉质根生长期中度亏水; CK为各生育期正常供水。

1.4 测定指标与方法

1.4.1 土壤水分 土壤水分的测定采用传统方法烘干法，在每个小区随机选择，在连续两株菘蓝植株连线的中点处用土钻分别钻取小区土壤剖面内，0—20 cm，20—40 cm，40—60 cm，60—80 cm和80—100 cm土层土壤，测定其含水率，因为菘蓝的根系主要分布在0—50 cm内，最后取0—60 cm土层的土壤水分的平均值作为湿润土层土壤内的水分值，而以0—100 cm层内土壤水分的变化来计算作物对土壤水分消耗量。

1.4.2 数据统计分析 利用SPSS 19.0软件中Duncan多重比较法比较各处理相关数据差异的显著性，GraphPad Prism 5.01做图，各表中的数据均为平均值。

2 结果和分析

2.1 调亏灌溉下菘蓝的耗水量

由表2可知，菘蓝各水分调亏处理在全生育期内的耗水量受膜下滴灌调亏灌溉的影响，其中CK的全生育期耗水量最高(381.75 mm)，其他各处理的全生育期耗水量均比CK显著降低(p<0.05)，降低幅度为4.11%～15.71%，同时随着调亏程度的逐渐加重，依次从轻度—中度—重度调亏，其他各处理的全生育期耗水量也呈现逐渐下降的趋势。因此，水分调亏程度将会影响菘蓝全生育期的耗水量，且随调亏程度的增大，全生育期消耗的水量减少的愈加明显。2017年不同处理间各个生育期耗水量表明，在苗期除了WD6和WD7处理，其余各处理的耗水量和CK间的耗水量差异不显著(p>0.05)；在营养生长期，CK的耗水量最高，达到140.89 mm，其他处理与其差异显著(p<0.05)，其次是轻中度水分亏缺的处理，重度水分亏缺处理的耗水量最低(WD8和WD9)，较CK显著降低16.69%和15.62%；在肉质根生长期，CK的耗水量最高，WD1，WD2和WD4处理与CK无显著差异，重度水分亏缺处理的耗水量最低(WD9)；在肉质根成熟期，WD5的耗水量最高，但WD1处理的耗水量最低，为57.31 mm，较CK显著降低25.41%。在营养生长期和肉质根生长期随着调亏程度的加重，各处理的耗水量呈现逐渐下降的趋势。

表2 菘蓝不同生育阶段耗水量

注：表中数值为每个处理3次重复的平均值；同列字母不同表示处理在0.05水平上差异显著。下同。

2.2 调亏灌溉下菘蓝不同生育阶段耗水强度

2017年不同处理间耗水强度变化特征如表3所示。由表3可知，在苗期除了WD6和WD7处理其余各处理的耗水强度与CK间无显著差异(p>0.05)；在营养生长期，CK的耗水强度最高，达到3.35 mm/d，其他处理与其差异显著(p<0.05)，其次是WD1，WD4和WD5处理，WD8处理的耗水强度较CK显著降低16.72%；在肉质根生长期，CK的耗水强度最高，达到3.21 mm/d，WD1，WD2和WD4处理与CK无显著差异，WD8处理的耗水强度最低；在肉质根成熟期，WD5的耗水强度最高，与CK无显著差异，但WD1处理的耗水强度最低，为1.37 mm/d，较CK显著降低26.74%。耗水强度变化规律基本呈现出苗期最小(约0.90 mm/d)，肉质根成熟期较大(约1.60 mm/d)，营养生长期和肉质根生长期的最大(约3.00 mm/d)。

表3 菘蓝各个生育阶段耗水特征

2.3 调亏灌溉下菘蓝不同生育阶段耗水模数

从表3可以发现，2017年，在苗期除了WD8和WD9其余各处理的耗水模数与CK间无显著差异(p>0.05)；在营养生长期，WD1处理的耗水模数最高，达到38.49%，与CK显著差异(p<0.05)，其次为WD9；在肉质根生长期，WD3处理的耗水模数最高，其次为WD1和WD4，均与CK显著差异；在肉质根成熟期，WD6处理的耗水模数最高，与CK无显著差异，而WD1处理的耗水模数最低。菘蓝的各个生育期的耗水模数呈现出较为相似的分布规律，苗期的菘蓝由于植株矮小，生长缓慢，气温较低等原因，耗水模数在8.97%～10.60%之间，当进入到营养生长期和肉质根生长期后，菘蓝的根冠发育迅速，气温升高，耗水模数也随着增加至32.97%～38.49%，最后，在菘蓝的肉质根成熟期，气温降低，生长速度也逐渐下降，耗水模数也下降至15.45%～22.22%。

2.4 调亏灌溉下菘蓝产量和水分利用效率

菘蓝产量是在营养生长期轻度水分亏缺其余生育期充分灌溉的WD1处理条件下最高(达到8 390.80 kg/hm2)，其他不同程度的水分亏缺处理均使菘蓝产量有所降低，与CK相比，其他各处理产量降幅在1.04%～33.43%之间，在营养生长期轻度、肉质根生长期轻度水分调亏条件下，WD4处理的菘蓝产量与CK无显著(p>0.05)差异，为8 235.32 kg/hm2；而营养生长期重度水分亏缺和肉质根生长期中度、重度水分亏缺的WD3，WD7，WD8和WD9处理的菘蓝产量分别与CK差异显著(p<0.05)，分别减产18.29%，18.05%，31.67%和33.43%。WD1处理的水分利用效率最高〔23.62 kg/(hm2·mm)〕，比CK显著提高8.35%，WD4处理次之，比CK提高6.74%，即营养生长期轻度水分调亏和肉质根生长期轻度水分调亏对菘蓝的水分利用效率影响显著。而其他处理的水分利用效率均有所降低，其中WD2，WD3，WD5，WD6，WD7，WD8和WD9处理的水分利用效率显著低于CK，分别降低6.47%，9.22%，9.54%，8.17%，9.95%，20.73%和22.48%(表4)。结果表明菘蓝在营养生长期和肉质根成熟期的轻度水分调亏可提高其水分利用效率，而其他中度、重度水分调亏处理会明显降低水分利用效率。

3 讨论与结论

作物的全生育期内各个阶段的耗水量能够代表其各个生育期的需水特性及需求，也能够反映出不同生育阶段对水分的敏感程度。孟兆江等[7]研究表明冬小麦全生育期耗水量随水分调亏度加重而降低，降低幅度为12.8%～46.5%。杨学军等[8]发现4种苔草在亏缺灌溉条件下耗水量、产量均显著降低。本试验研究结果表明水分调亏程度将会影响菘蓝全生育阶段的耗水量，且随调亏程度的增大，菘蓝的全生育阶段消耗的水量减少的愈加明显。这与黄兴法等[9]研究结果一致，与充分灌溉相比，苹果树的调亏微喷灌节约灌溉用水，同时在其生育期内的耗水量可减少10.2%～11.2%。

表4 不同调亏灌溉处理下菘蓝水分利用效率的影响

邱新强等[10]研究发现不同水分处理条件下，各生育阶段内的水分胁迫使夏玉米的阶段耗水量和日耗水强度较CK处理均普遍降低，其中轻旱处理的降幅均最小，重旱处理的降幅最大。张步翀等[11]研究发现在小麦生长旺盛的抽穗—灌浆期，日耗水强度达到最大，此生育期属于水分较敏感时期。本试验结果表明菘蓝的耗水强度变化规律基本呈现出苗期最小(约0.90 mm/d)，肉质根成熟期次之(约1.60 mm/d)，营养生长期和肉质根生长期最大(约3.00 mm/d)的规律，且轻度亏水处理耗水强度降幅较小，重度亏水处理降幅较大。

菘蓝的各个生育期的耗水模数呈现出较为相似的分布规律，苗期的耗水模数在8.97%～10.60%之间，当进入到营养生长期和肉质根生长期后，菘蓝的根冠发育迅速，气温升高，耗水模数也随着增加至32.97%～38.49%，在菘蓝的肉质根成熟期，耗水模数也下降至15.45%～22.22%。不同水分亏缺处理间的耗水模数之间并没有随着水分亏缺程度的加剧而出现有规律的变化趋势。这主要是因为影响耗水模数的因素诸多，如耗水强度、全生育期总消耗水量、环境因子和该生育阶段持续时间长短等。

调亏灌溉不仅可以用于与果树、梨树等的节水增产，同时本研究发现对于菘蓝也具有节水增产效果。雷艳等[12]研究发现冬小麦在返青期受水分亏缺时干物质显著降低了7.7%，但提高了4.95%的产量和7.56%的水分利用效率。时学双等[13]研究发现轻度水分亏缺处理可以显著提高春青稞的水分利用效率和收获指数，而极度水分亏缺则会显著降低产量、水分利用效率和收获指数。本研究也得出相似结论，WD4处理的菘蓝产量与CK无显著(p>0.05)差异，WD1处理的水分利用效率最高，WD4处理次之且比CK提高6.74%，即WD4处理为最优处理。菘蓝的经济产量受轻度水分亏缺的影响不显著，而中度和重度水分亏缺显著降低了菘蓝的经济产量。不同处理的水分利用效率受到水分亏缺的影响显著，轻度水分亏缺的水分利用效率显著增加，而其他处理的水分利用效率均有所降低。结果说明轻度水分亏缺可以有效提高菘蓝的水分利用效率，并且不会降低菘蓝的经济产量。