不同施肥和灌溉水平对三七生长特性和发病率的影响

刘艳伟，周 潇，杨启良，茶品元

(昆明理工大学 农业与食品学院，云南 昆明 650500)

三七是一种名贵中药材，其花、叶、根茎均可入药[1]。合理的水肥调控不仅能减少水和肥料的使用，提高水肥利用率，还能提高作物的产量和品质，减少环境的污染。作物在不同生育阶段对矿质元素的需求有所差异[2]，根据需肥规律来施肥才能实现肥料的利用最大化。韦美丽等[3]认为，3年生三七在不同生长期对氮、磷、钾的吸收数量和吸收比例不同。王朝梁等[4]的研究确定了三七施肥适宜量。杜彩艳等[5]研究认为，合理的氮肥施用量可以显著提高三七的净光合速率(net photosynthetic rate，Pn)。不同的肥料施用水平对三七生长特性和品质的影响较大[6-7]。水分的高低直接影响作物的生长发育、产量和品质，水分过低或者过高都会引起光合速率下降[8]，不利于三七生长。赵宏光等[9]通过盆栽试验得出，随着土壤水分的增加，三七根腐病发病率也增高。

水和肥对三七生长和光合作用的单一影响已有较多研究，水肥耦合与根据三七不同生理阶段的需肥要求制定施肥量的相关研究较少，尤其是水肥耦合对三七发病率的影响鲜有报道。本研究以3年生三七为对象，在遮荫和微喷灌施肥(水肥一体化施肥)条件下研究生育期不同比例施肥与灌溉处理对三七生长特性、光合特性、干物质积累和发病率的影响，探索微喷灌施肥条件下适宜三七生长的最佳灌溉和施肥模式，以期为三七在微喷灌施肥条件下灌溉施肥制度的制定提供理论依据和技术参考。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2018年11月至2019年11月在云南省红河哈尼彝族自治州泸西县昆明理工大学三七控水减排提质增效关键技术研究与示范基地(103°57′ E，24°26′ N)进行。试验基地平均海拔1 842 m，属北亚热带低纬高原山地季风气候。供试土壤为微酸性红壤土，pH为6.0，土壤平均容重为1.29 g·cm-3，田间持水量(FC)43.22%。土壤全氮0.96 g·kg-1，全磷0.88 g·kg-1，全钾14.65 g·kg-1，硝态氮8.45 mg·kg-1，碱解氮68.56 mg·kg-1，铵态氮19.04 mg·kg-1，速效磷11.49 mg·kg-1，速效钾318.7 mg·kg-1。供试植株为3年生三七。

1.2 试验设计

将三七的生育期划分为根增重期(12月至次年2月)、苗期(3月—5月)、花期(6月—8月)和果期(9月—11月)。试验设置4个施肥水平F1、F2、F3、F4，施肥总量均为96 kg·667m-2，根增重期∶苗期∶花期∶果期的施肥比例分别为25%∶25%∶25%∶25%、20%∶25%∶30%∶25%、15%∶30%∶30%∶25%和10%∶40%∶20%∶30%。3个灌溉水平分别为W1(0.5FC)、W2(0.7FC)和W3(0.9FC)。采用完全组合设计，共12个处理。每个处理2垄地，每垄地长15 m，宽2 m，垄高30 cm，垄距30 cm。垄面用5 mm厚度的松针覆盖，垄间道路铺设松针，植株间距10 cm。为了避免各垄土地之间水分互渗，在各处理之间埋设塑料布。具体设计见表1。

表1 灌溉施肥设计Table 1 Irrigation and fertilization treatments

1.3 灌水施肥控制和农艺措施

试验基地为塑料温室，采取3层遮阳网进行遮荫处理，透光率为8.3%。试验基地每垄安装1根有控制阀的支管，毛管接有微喷头，灌水量用水表控制。水溶肥选用四川什邡德美实业有限公司的水溶肥料(21%N-21%P2O5-21%K2O+6%小分子有机碳+微量元素)，通过以色列TEFEN公司生产的MixRite2502施肥器控制灌溉施肥，实现微喷灌水肥一体化施肥。试验期间保持大棚内通风流畅，发现患病植株将地上部分剪除或清除，若黑斑病伤及根部则对患病植株附近土壤喷洒稀释500倍的25%多菌灵可湿性粉剂液，撒生石灰，防止病情蔓延。其他田间管理措施均保持一致。

1.4 指标测定

1.4.1 生长指标

苗期(3月20日)和果期(11月20日)每个处理随机选取3株长势一致的健康植株用游标卡尺测定株高和茎粗。

收获时每个处理取3棵植株，将植株地上、地下部进行分离。三七根系用清水洗净晾干水分后，采用STD4800SCANNER根系扫描仪(日本EPSON公司)进行全根扫描，然后用WINRHIZOPRO2007根系分析系统对扫描的根系图片进行根系总长度、根系总表面积、根系总体积、根系平均直径的分析。

1.4.2 干物质积累

2019年11月20日采新鲜三七，每个处理3次重复。将三七植株地上、地下部分进行分离，用精度为0.01 g的天平测量地上部分鲜重；三七根系用清水清洗干净，用吸水纸擦干根系上的水分后测根鲜重。之后将各处理三七地上、地下部分标记好后装入纸袋放入烘箱，105 ℃杀青20 min后，55 ℃烘干至质量恒定，对各部分进行称量获得三七地上、地下部分干重。

1.4.3 光合特性

分别在2个生殖高峰后，于2019年7月21日(花期末T1)和11月20日(果期末T2)选择长势一致的健康植株用便携光合仪Li-6400测定三七叶片的光合特性，包括Pn、气孔导度(stomatal conductance，GS)、蒸腾速率(transpiration rate，Tr)、叶片瞬时水分利用效率(WUE)和光能利用效率。每个处理3个重复，11：00和14：30各测1次。

1.4.4 发病率

每个处理选定3个1 m×1 m的小区，以小区内的平均发病率为该处理的发病率。6月20日、7月20日、8月20日各测1次发病率。

发病率(%)=发病区内发病植株数/发病区内调查植株总数×100。

1.5 数据处理

采用SPSS 25软件进行方差分析(ANOVA)和多重比较(Duncan法)(P=0.05)，采用Origin2017进行绘图。

2 结果与分析

2.1 水肥耦合对三七生长特性的影响

生育期不同比例施肥与灌溉耦合对三七苗期和果期的株高、茎粗影响显著(P<0.05)。由表2可以看出，苗期和果期株高和茎粗最大的都为W2F4处理；茎粗增量较大的为W1F3和W2F3处理，分别增长了31.4%和29.4%；株高增长量最大的为W2F3和W2F4处理，分别增长了51.0%和47.3%。F3处理下，随着灌水量的增加，三七的茎粗逐渐增大，株高先增大后减小；F4处理下，随着灌水量的增加，三七的茎粗和株高都先增大后减小。W2处理下，苗期株高、茎粗从大到小依次为F4>F2>F1>F3，果期株高、茎粗从大到小依次为F4>F3>F2>F1。

表2 水肥耦合对三七株高茎粗的影响Table 2 Effect of water and fertilizer coupling on height and diameter of Panax notoginseng mm

2.2 水肥耦合对三七根系结构的影响

生育期不同比例施肥和灌溉耦合对三七果期根系总长度、根系总表面积、根系总体积、根系平均直径影响显著(P<0.05)(图1)。将灌溉和施肥量作为单一因子对三七果期根系特征的影响进行分析，灌水对三七根系总长度、根系总表面积影响显著(P<0.05)，W2处理的根系总长度和根系总表面积最优，根系体积之间差异不显著(P>0.05)。W2处理下，F4根系生长形态最优，根系总长度为F4>F2>F1>F3；根系总表面积为F4>F3>F2>F1(F3和F2之间差异不显著)；各处理根系总体积差异不显著；根系平均直径为F4>F3>F1>F2。施肥量一定的条件下，根系总长度和根系总表面积随着灌水量的增加基本呈现先增大后减小的趋势，各个灌水处理的根系平均直径和根系总体积差异不明显。W2F4处理的根系总长度、根系总表面积、根系平均直径和根系总体积均为最大，分别为549.2 cm、144.49 cm2、1.49 mm和2.26 cm3。

2.3 水肥耦合对三七干物质积累的影响

生育期不同比例施肥与灌溉耦合对三七果期地上部分鲜重、地上部分干重、根鲜重和根干重影响均显著(P<0.05)(表3、表4)。将灌溉和施肥量分别作为单一因子对三七鲜、干重影响进行方差分析，水分仅对地上部分干重影响显著(P<0.05)；施肥处理对地上部分鲜重、根鲜重、根干重影响显著(P<0.05)，对地上部分干重影响不显著(P>0.05)。由表3可以看出，W2F4处理的地上部分鲜重、地上部分干重、根鲜重、根干重都最大。相同水分处理下，F1、F2、F3、F4的根干重基本依次增大。无论是W3、W2还是W1处理，F3和F4的根干重整体大于F1和F2。F4处理下，随着灌水量的增加，地上部分鲜重、地上部分干重、根鲜重和根干重基本呈现先增大再减小的规律；W2处理下，随着施肥量的变化，地上部分鲜重、地上部分干重和根干重依次为F4>F3>F2>F1，根鲜重大小依次为F4>F2>F3>F1。

表3 水肥耦合对三七鲜干重的影响Table 3 Effects of water and fertilizer coupling on fresh and dry weight of Panax notoginseng g

表4 各单因子及其耦合对三七鲜干重的显著性检验结果Table 4 Results of significant test of fresh and dry weight of Panax notoginsen under the coupling of each single factor and their coupling

不同小写字母表示差异显著(P<0.05，LSD检验)。下同。Different lowercase meant significant difference (P<0.05， LSD test) .The same as below.图1 水肥耦合对三七根系的影响Fig.1 Effect of water and fertilizer coupling on Panax notoginseng root system

2.4 水肥耦合对三七花期和果期光合特性的影响

生育期不同比例施肥与灌溉耦合对三七花期和果期的Pn、Gs、Tr、WUE和光能利用效率影响均显著(P<0.05)。由表5和表6可知，三七花期的Pn、WUE和光能利用效率均高于果期。花期和果期大多数处理上午的Pn和WUE大于下午，Gs和Tr变化趋势一致。花期上午W3F2处理的Pn最大，F2处理下，随着土壤含水率的增加，Pn呈现先减小后增大的趋势，下午W2F3处理的Pn最大，F3处理中W2和W3处理的Pn高于W1处理；果期W2F4处理的Pn最大。花期W3处理整体上Pn最大，果期W2处理整体上Pn最大。花期W3F2处理的WUE最大，F2处理下，WUE随着土壤水分的增大而增大；下午W3F3处理的WUE最大，F3处理下，WUE随着土壤水分的增大而增大。果期上午W1F4处理的WUE最大，F4处理下，WUE大小依次为W1>W2=W3；下午W2F4处理的WUE最大，F4处理下，WUE大小依次为W2>W1>W3。

表5 花期水肥耦合对三七光合特性的影响Table 5 Effects of water and fertilizer coupling on photosynthetic characteristics of Panax notoginseng in flowering stage

表6 果期水肥耦合对三七光合特性的影响Table 6 Effects of water and fertilizer coupling on photosynthetic characteristics of Panax notoginseng in fruiting stage

2.5 水肥耦合对三七发病率的影响

生育期不同比例施肥与灌溉耦合对三七发病率影响显著(P<0.05)。由图2可知，6月20日，W2F3和W2F4处理的发病率低，分别为3.89%和4.12%。7月20日，W2F4处理的发病率最低，为4.44%。8月20日，W2F3处理发病率最低，为1.49%。从灌水水平看，水分对发病率影响显著(P<0.05)，6月、7月、8月的发病率基本为W3>W1>W2。从施肥水平看，不同肥料的施用对发病率的影响显著(P<0.05)，6月发病率基本为F2>F1>F3>F4，7月发病率基本为F2>F4>F1>F3，8月发病率基本为F2>F1>F4>F3，其中F4和F3差异不显著(P<0.05)。在同一施肥水平下，发病率随灌水量增加呈现先下降再上升的趋势；灌水量为W1和W2时，发病率随施肥量的变化基本呈现先增后减的趋势。W2F4和W2F3处理的三七发病率较低。

图2 水肥耦合对三七发病率的影响Fig.2 Effect of water and fertilizer coupling on the incidence of Panax notoginseng

3 结论与讨论

水和肥对植物的影响并不是完全独立的，它

们的耦合作用可产生3种不同的结果或现象，即协同效应、叠加效应和拮抗效应[10]。本研究中，水肥耦合对三七的鲜重、干重产生了协同效应，其耦合作用大于单一的水或单一的肥。水分处理仅对地上部分干重影响显著，而施肥处理对地上部分鲜重、根鲜重、根干重影响均显著，施肥对根干重的影响大于灌溉，说明三七根干物质的形成对养分更敏感，与虞娜等[11]的研究结果一致。

根系是植物从外部环境吸收水分和养分的重要器官，根系形态特征直接影响植物的生长发育、物质代谢、产量与品质，根系的生长、发育、形态和分布特征主要受到水分、养分、土壤理化性质等环境因素的影响[12-14]。根增重期(12月至次年2月)，F4处理的施肥量相对较低，可能造成一定程度的氮素亏缺，刺激三七根系向更广和更深土层生长，寻找养分，三七植株的根长、根表面积和根体积增加[7，15]。苗期(3月至5月)F4处理的施肥量最高，当缺乏营养的植物根部得到充足的养分供应时，单位根的养分吸收通常会增加[15-16]。因此，F4处理的根系各个指标都有明显优势，由此得出，F4处理(施肥比例为：根增重期10%，苗期40%，花期20%，果期30%)最适宜三七根系的生长。本研究中高水和低水处理都不利于根系的生长。高水处理下土壤含水率较高，根系处于氧气含量较少甚至无氧状态，根系及其根区土壤微生物的呼吸受到影响，根系生长受到抑制[17]。轻度降低土壤水分能促进根系的发育，但土壤水分低于一定值后，反而会对根系生长不利[18]。

各种必需矿质元素是植物的原始营养物质，是作物生长发育、产量形成和品质提高不可或缺的物质基础，不同生育阶段对矿质营养的需求特点不同[19-20]。本研究中，花期F3处理施肥量最高，果期F4处理的施肥量最高，花期W2F3处理的Pn最强，果期W2F4处理的Pn最强。高施肥量正好与3年生三七的吸肥规律一致[3]，能满足三七的营养元素需求。最终W2F4处理的地上部分干重、根干重最大，推测是因为作物各生育期干物质积累量所占比例不同[13，15]，也可能与后期养分消耗有关，具体原因有待进一步研究。赵宏光等[9]认为，最有利于三七生长且能有效提高产量和品质的土壤含水率范围为56.4%～59%FC。本研究中，三七生长和干物质积累的最优处理是W2F4，土壤含水率为70%田间持水量，超出该取值范围。因为肥料与水分耦合更利于三七的生长，增加了作物的耗水量，进而改变了土壤水分含量[16]，导致三七生长最优含水量增大。

本研究中，三七的Pn、WUE和光能利用效率随着三七生育期的推进呈下降趋势，花期均高于果期。11月20日处于果期末期，三七已经经历了2个生育高峰期，植株基本成熟，因此Pn减小。花期，不同水量处理下，W3处理的Pn最大。本试验中Pn最大时所对应的含水率为0.9FC，高于李佳洲等[8]的盆栽试验下0.7FC的结论，推测原因有3点：一是所用三七的生长年限不同，本试验所用三七为3年生，后者所用三七为2年生，3年生三七茎粗、株高、叶面积都更占优势，在光照充足的条件下，进行光合作用的场所更大，所需原料的供给更充分，导致三七对水分的吸收利用量更大，再加上不同生长年限的三七各阶段需肥量不同[21]，可能导致水分的吸收利用也不同；二是本试验为大田试验，后者为盆栽试验，花期试验地日照充足、温度高，土壤水分的蒸发更快，导致光合速率所要求的土壤含水率稍大于盆栽试验；三是水肥耦合作用造成光合作用最优土壤含水率的改变，本试验不同生育阶段施用肥量比例不同，后者的研究在不同生育阶段施肥量相同，并未考虑三七各生育期对肥料的需求不同。

三七根腐病是三七的一种毁灭性病害，传染性强。减少根腐病的发生对三七种植至关重要。根腐病的致病原因复杂多样，与土壤理化性质、三七长势、三七生长年限、灌水量、施肥量等因素都有紧密联系。本研究发现，随着土壤含水率的增加，三七根腐病的发病率先减小再增大，与赵宏光等[9]、王朝梁等[22]的根腐病发病率随着土壤水分含量的升高而升高的结果不同。这主要是水肥耦合促进三七的生长，三七生长的需水量增大，使得低水处理的土壤水分继续下降，无法满足作物的需水要求，抑制了作物的各项生理活动[18，23]；较高含水率导致土壤通气性变差，影响了根呼吸，不利于作物生长，使作物抗病性降低，因此，较高含水率是三七根腐病发生的重要原因之一[24]，其还可能造成土壤中微生物环境变化[25]，导致土壤微生物菌群失衡。

水肥耦合对三七的鲜重、干重影响显著，施肥对干物质积累的影响远远大于水分。W2F4处理中，三七的干物质积累量最大，三七产量最高。根增重期适当减少肥量并在苗期及时补足养分，能够刺激三七根系的生长，得到更大的根系总长度、根系总表面积、根系平均直径和根系总体积。水分处理70%FC，全年施肥量一定的条件下，施肥处理比例为根增重期10%、苗期40%、花期20%、果期30%时，最有利于三七根系的生长。高水处理和低水处理都不利于三七发病率的降低。F3和F4处理的施肥比例都能有效降低三七的发病率。三七的光合作用随生育期进程逐渐下降，花期的Pn、WUE和光能利用效率均高于果期。本试验只探究了不同生育期的最优施肥量，并未考虑不同生育期的最优灌溉量，后续研究可以在本研究的基础上完善，寻找提高三七产量和品质的各生育期最优土壤含水率。