调亏滴灌下菘蓝的品质综合评价

王玉才，李福强，邓浩亮，张恒嘉，康燕霞

(甘肃农业大学水利水电工程学院, 甘肃 兰州 730070)

近年来，随着人们对中草药的需求不断增加，对其品质的要求也逐渐提高。中药的主要成分通常是次生代谢产物。菘蓝(IsatisindigoticaFort.)别名茶蓝、板蓝根，为十字花科的二年生草木植物，具有清热解毒，预防感冒、利咽之功效。菘蓝的主要成分包括生物碱类、有机酸类及苷类化合物等，其中的主要有效成分有(R,S)-告依春、靛蓝和靛玉红等，还有一些营养成分，如丁酸、脯氨酸、甘氨酸、苏氨酸等十几种氨基酸，这使得菘蓝不仅具有抗炎、抗菌、抗病毒等作用，还有增强免疫力等作用。菘蓝在我国内蒙古、甘肃、河北等省份均有栽培，其中甘肃省张掖市以其独特的地理环境和气候条件，产出的菘蓝已成为甘肃著名的道地药材之一。由于当地灌溉不合理等，导致菘蓝产量不高，极大制约了菘蓝产业的可持续发展。

水分是实现作物品质改善的介质，而调亏灌溉是根据作物对干旱的适应性反应人为施加水分胁迫，在作物某些生育阶段通过调控土壤水分，改善作物代谢，促进光合产物的增加，提高产量并且改善品质[1]。有研究发现，干旱条件下绞股蓝植株生物量减少而叶片中的皂苷含量增加[2]；适度干旱有效提高黄芩的光合速率和药用部位根的生物量，且提高黄芩根部黄芩苷的含量[3]。随着中药材规模化种植的发展，土壤水分对药用作物的生长发育、产量和品质的调控逐渐受到重视，但对菘蓝品质的研究较少。李文明等[4]通过研究不同灌水定额、灌水次数对菘蓝的耗水特征、产量的影响，发现灌溉定额为2 250 m3·hm-2、灌水时间在7月上旬至8月中旬时，产量最高，效益显著。谭勇等[5]通过研究不同水分对菘蓝生长发育和主要有效成分的影响，发现当田间最大持水量为 45%～70%时，菘蓝的产量与品质可以兼优。已经有多种综合评价方法可以对作物品质进行分析研究，其中包括层次分析法[6]、模糊数学综合评价法[7]、灰色关联度分析法[8]、主成分分析法[9]和因子分析法等[10]。目前，利用膜下滴灌调亏灌溉对菘蓝生长、产量和品质的综合研究很少，因此，膜下滴灌调亏对菘蓝生长、产量形成、水分利用的影响及改善品质机理已成为当前菘蓝种植的重要问题。

通过研究调亏灌溉对菘蓝根部的主要有效成分靛蓝、靛玉红和(R,S)-告依春的影响规律，结合菘蓝有效成分靛红、靛玉蓝和告依春以及产量构成要素，进行水分亏缺对膜下滴灌菘蓝有效成分影响的综合评价，寻求该地区调亏灌溉下高产优质的菘蓝种植灌溉模式。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2016年和2017年4-10月在张掖市民乐县益民灌溉试验站(100°43′E，38°39′N)进行。该试验区属半干旱区，大陆性荒漠草原气候，海拔约为1 970 m，年均气温6.0℃，≥0℃积温3 500℃，≥10℃有效积温2 985℃，极端最高温度37.8℃，极端最低温度-33.3℃，年平均日照时数3 000 h，平均无霜期125 d。据1995—2015年降雨资料，该地区年平均降雨量为215 mm，降水少且变率大，供需矛盾突出，干旱频繁。试验地土壤为轻壤土，pH 7.22，耕层土壤田间最大持水量为24%，土壤容重1.4 g·cm-3。试验区地下水位埋深较深，盐碱化影响较小。

1.2 供试材料

供试品种选用甘肃农业大学中草药系自繁的菘蓝(IsatisindigoticaFort.)种子，种子粒大饱满、均匀一致，纯度96%，千粒重为9.873 g，发芽率为87.6%，发芽势为46.4%。于4月20日播种，播种量为30.0 kg·hm-2，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·hm-2，过磷酸钙(P2O5含量12%、S含量10%、Ca含量16%)340 kg·hm-2，钾(K2O含量25%)270 kg·hm-2，所有肥料都作为基肥在播种时一次性施入。灌溉方式采用膜下滴灌。

1.3 试验设计

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：菘蓝苗期(5月3日—6月7日)、营养生长期(6月8日—7月18日)、肉质根生长期(7月19日—8月28日)和肉质根成熟期(8月29日—10月13日)。土壤水分设4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较为吻合，具体试验设计见表1。

1.4 测定指标及方法

1.4.1 土壤水分测定 土壤水分的测定采用烘干法。在每个小区随机选择取样点，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，0～20，20～40，40～60，60～80 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土层内，取0～60 cm土层的土壤水分的平均值作为计划湿润层土壤含水量，而以0～100 cm层内土壤水分的变化来计算作物对水分消耗量。在菘蓝栽种前取土测量1次，以后每隔10 d取土一次，灌水后以及降雨前后各加测1次，每次取土深度均为100 cm。

表1 不同试验处理的土壤含水量 (占田间持水率的百分数)/%

菘蓝灌溉水量的计算公式如下：

M=10γHpP(θi-θj)

式中，M为灌水量(mm)；γ为计划湿润层土壤容积密度(g·cm-3)；Hp为计划湿润层深度(60 cm)；θi为设计控制上限含水率(田间持水量乘以设计控制相对含水率上限)(%)；θj为灌水前土壤质量含水率(%)；P为滴灌设计湿润比(65%)。

1.4.2 产量及构成要素测定 分别在菘蓝不同生育期，从每个小区选取长势一致5株菘蓝植株，游标卡尺测定主根长、主根直径等，然后分别将根、茎和叶用剪刀分离后，分别称取鲜重，并记录，然后分别装入纸袋，放入烘箱后，在105℃杀青1 h后，将烘箱温度调为85℃，烘8 h左右，烘干后分别称量干重并记录。

产量：待菘蓝成熟后按小区单独收获，阴干并计产，各处理的实际产量为3次重复的平均值。

1.4.3 品质测定 靛蓝、靛玉红、(R,S)-告依春含量均采用高效液相色谱法[11]测定。

1.5 数据统计分析

运用主成分分析法[12]对不同亏缺水分处理下菘蓝的品质进行综合评判优选，筛选出较好的水分亏缺灌溉方法。

利用EXCEL 2010对所测数据进行计算，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，利用GraphPad Prism 5做图，各表中出现的数据均为平均值。

2 结果与分析

2.1 不同调亏滴灌处理下菘蓝产量构成要素

从表2可以看出，菘蓝产量构成要素侧根数量受水分亏缺程度的影响不显著，而其他构成要素，如主根长、主根直径和根干重等受水分亏缺程度的影响显著(P<0.05)，轻度水分亏缺处理的主根长、主根直径和根干重等与CK较为接近，重度水分亏缺处理的主根长、主根直径和根干重比CK显著减少。这主要是由于水分严重缺失，导致根系主动吸水作用减弱，影响光合作用进行，最终导致主根长、主根直径和根干重等产量构成要素显著降低。

膜下滴灌菘蓝在水分亏缺条件下，菘蓝产量与其构成要素之间存在相关性(表3)。可以看出， 2016年菘蓝产量与侧根数量、主根长、主根直径和根干重的相关系数分别是0.565、0.968、0.964和0.944，达到极显著水平；2017年菘蓝产量与侧根数量、主根长、主根直径和根干重的相关系数分别是0.587、0.940、0.913和0.907，达到极显著水平。主根长、主根直径和根干重为影响菘蓝产量的关键因子。因此，通过水分的适度适时亏缺控制可促进主根长、主根直径和根干重等菘蓝产量构成要素。

2.2 不同调亏滴灌处理对菘蓝中(R,S)-告依春含量的影响

菘蓝不同生育期水分调亏后对菘蓝中 (R,S)-告依春含量产生不同程度的影响(图1)。2016年水分调亏处理对(R,S)-告依春含量影响：在营养生长期重度水分调亏处理WD3和肉质根生长期连续水分亏缺的WD8 、WD9处理的(R,S)-告依春含量较CK减少8.59%、11.97%和13.23%，与CK(0.236 mg·g-1)差异显著(P<0.05);而在营养生长期和肉质根生长期轻中度连续调亏有利于 (R,S)-告依春含量的提高，处理WD5、WD4和 WD6较CK分别增加7.04%、5.92%和1.55%;WD2和WD7处理与CK无显著差异。

表2 各处理下菘蓝产量及产量构成要素

注：同列数值后不同字母表示处理间差异显著(P<0.05)。

Note:Different letters within each column mean significant difference atP<0.05.

表3 菘蓝产量构成要素间的相关性分析

注：**表示在0.01水平上显著相关。

Note: ** indicates significant correlation at 0.01 level.

注:不同字母表示处理间差异显著(P<0.05),下同。 Note: Different letters mean significant difference at P<0.05, the same below.图1 调亏滴灌对菘蓝(R,S)-告依春含量的影响Fig.1 Effect of regulated deficit drip-irrigation on (R,S)-goitrin

2017年水分调亏处理对(R,S)-告依春含量影响：在营养生长期重度水分调亏处理WD3和肉质根生长期连续水分亏缺的WD8 、WD9处理的(R,S)-告依春含量较CK减少11.29%、12.13%和12.97%，与CK(0.239 mg·g-1)差异显著(P<0.05)；而在营养生长期和肉质根生长期轻中度连续调亏有利于(R,S)-告依春含量的提高，处理WD5、WD4和WD6较CK分别增加5.43%、7.94%和4.18%；WD2和WD7处理与CK无显著差异。

从两年的试验结果可以看出，营养生长期的重度水分亏缺和肉质根生长期的重度水分亏缺均会严重影响菘蓝有效成分(R,S)-告依春的积累；而这两个生育期的中、轻度水分亏缺可以一定程度提高(R,S)-告依春的积累量。

2.3 不同调亏滴灌处理对菘蓝中靛蓝含量的影响

菘蓝不同生育期水分调亏后对菘蓝中靛蓝含量产生不同程度的影响(图2)。2016年水分调亏处理对靛蓝含量影响：在营养生长期重度水分调亏处理WD3和肉质根生长期连续水分亏缺的WD8 、WD9处理的靛蓝含量较CK减少6.2%、6.3%和6.6%，与CK差异显著(P<0.05)；而在营养生长期和肉质根生长期轻中度连续调亏有利于靛蓝含量的提高，处理WD4、WD5、WD6和WD7与CK相比差异显著，增加5.7%、9.1%、5.3%和4.8%。

2017年水分调亏处理对靛蓝含量影响：在营养生长期重度水分调亏处理WD3和肉质根生长期连续水分亏缺的WD8 、WD9处理的靛蓝含量较CK减少6.5%、6.2%和6.6%，与CK差异显著(P<0.05)；而在营养生长期和肉质根生长期轻中度连续调亏有利于靛蓝含量的提高，处理WD4、WD5、WD6和WD7与CK相比差异显著，增加5.5%、9.9%、4.8%和3.6%；WD1和WD2处理与CK无显著差异。

从两年的试验结果可以看出，营养生长期的重度水分亏缺和肉质根生长期的重度水分亏缺均会严重影响菘蓝有效成分靛蓝的积累；而这两个生育期的中、轻度水分亏缺可以一定程度提高靛蓝的积累量。

2.4 不同调亏滴灌处理对菘蓝中靛玉红含量的影响

调亏灌溉对菘蓝靛玉红含量的影响如图3。2016年水分调亏处理对靛玉红含量影响：在营养生长期重度水分调亏处理WD3和肉质根生长期连续水分亏缺的WD8 、WD9处理的靛玉红含量较对CK减少12.2%、12.6%和12.4%，与CK差异显著(P<0.05)；而在营养生长期和肉质根生长期轻中度连续调亏有利于靛玉红含量的提高，处理WD5、WD6和WD7与CK相比差异显著，增加5.3%、1.6%和1.5%；WD1和WD4处理与CK无显著差异。

2017年水分调亏处理对靛玉红含量影响：在营养生长期重度水分调亏处理WD3和肉质根生长期连续水分亏缺的WD8 、WD9处理的靛玉红含量较CK减少12.5%、12.6%和13.1%，与CK差异显著(P<0.05)；而在营养生长期和肉质根生长期轻中度连续调亏有利于靛玉红含量的提高，处理WD4、WD5和WD6与CK相比差异显著，增加1.1%、5.2%、1.7%；WD1和WD7处理与CK无显著差异。

从两年的试验结果可以看出，营养生长期的重度水分亏缺和肉质根生长期的重度水分亏缺均会严重影响菘蓝有效成分靛玉红的积累；而这两个生育期的中、轻度水分亏缺能一定程度提高靛玉红的积累量。

图2 调亏滴灌对菘蓝靛蓝含量的影响Fig.2 Effect of regulated deficit drip-irrigation on indigo

图3 调亏滴灌对菘蓝靛玉红含量的影响Fig.3 Effect of regulated deficit drip-irrigation on indirubin

2.5 调亏滴灌条件下菘蓝品质综合评价

菘蓝大小形状和药用有效成分等各项评价指标已成为菘蓝产业可持续发展的主要影响因素，其中药用有效成分是反映菘蓝品质的重要指标。其中靛红、靛玉蓝和告依春等有效成分的积累是形成菘蓝有效成分的主要组成部分，结合产量构成要素，进行水分亏缺对膜下滴灌菘蓝有效成分的综合评价。

2.5.1 菘蓝品质的相关性分析 通过菘蓝的根部形态和菘蓝有效成分靛蓝、靛玉红的相关性分析，确立其相关性及相关程度。

相关分析表明(表4)，不同水分亏缺处理下菘蓝有效成分(R,S)-告依春、靛蓝和靛玉红之间呈现出显著正相关性，主根长、主根直径与有效成分靛蓝相关性显著，根干重与(R,S)-告依春、靛蓝和靛玉红显著相关。表明有效成分的积累需要建立根部干物质的持续积累的基础之上，并且由于各个指标之间相关系数较大，信息之间存在重叠，适合采用主成分分析法。

2.5.2 菘蓝品质综合评价方案 由主成分特征根和贡献率可知(表5)，2016年特征根λ1=5.482，特征根λ2=1.089，前两个主成分的累计方差贡献率达93.874%，即涵盖了大部分信息；2017年特征根λ1=5.593，特征根λ2=1.006，前两个主成分的累计方差贡献率达94.264%，即涵盖了大部分信息。这表明前两个主成分能够代表最初的7个指标来分析该地区菘蓝的品质综合水平，故提取前两个指标作为主成分，分别记作F1、F2。

主成分矩阵不是主成分的特征向量，主成分1和主成分2的系数分别是其向量(主成分矩阵)除以对应的主成分方差。可以求得2016年主成分1、2的函数表达式：

F1=0.389×Z告依春+0.350×Z靛蓝+0.384

×Z靛玉红+0.379×Z主根长+0.393×Z主根直径

+0.380×Z根干重+0.369×Z侧根数量

F2=0.349×Z告依春+0.534×Z靛蓝+0.383

×Z靛玉红-0.423×Z主根长-0.336×Z主根直径

-0.384×Z根干重-0.084×Z侧根数量

同理可以求得2017年主成分1、2的函数表达式：

F1=0.381×Z告依春+0.352×Z靛蓝+0.399

×Z靛玉红+0.376×Z主根长+0.386×Z主根直径

+0.370×Z根干重+0.381×Z侧根数量

F2=0.410×Z告依春+0.544×Z靛蓝+0.302

×Z靛玉红-0.423×Z主根长-0.373×Z主根直径

-0.092×Z根干重-0.343×Z侧根数量

表4 菘蓝根部形态和有效成分的相关性分析

注：*表示在0.05水平上显著相关；**表示在0.01水平上显著相关。

Note: * means correlation is significant at the 0.05 level; ** means correlation is significant at the 0.01 level.

表5 菘蓝品质的主成分特征根和贡献率

利用以上计算公式，可以通过主成分分析法进行不同水分亏缺处理的综合得分的计算。表6为采用主成分分析法对不同水分亏缺处理进行综合评分对比，从表中可以看出，2016年考虑根部形态和菘蓝有效成分的基础上进行综合评价得分由高到低的顺序为WD4、WD5、WD1、CK、WD6、WD7、WD2、WD3、WD8和WD9；2017年考虑根部形态和菘蓝有效成分的基础上进行综合评价得分的由高到低依次顺序为WD5、WD4、WD1、CK、WD6、WD2、WD7、WD3、WD8和WD9。

由2016、2017年以上结果可以看出，考虑根部形态和菘蓝有效成分的基础上，对不同水分亏缺处理的情况进行综合评价，综合得分较高的为WD4和WD5，WD1和CK次之。计算结果表明，轻度水分亏缺处理的WD4、 WD5和WD1不仅可以获得较高的产量和水分利用效率，同时其有效成分靛蓝、靛玉红和告依春的含量不会出现降低；相反，重度水分亏缺处理的WD3、WD8和WD9的综合得分都较低，即重度水分亏缺降低了菘蓝有效成分的积累。

表6 菘蓝产量及品质综合评价

3 讨 论

中药材品质受多因素影响，如产地、品种、土壤生态环境及栽培措施等，其中次生代谢产物是药材中有效成分，次生代谢不同于初生代谢需要良好的生长环境。有研究表明，植物在逆境胁迫如干旱、低温条件下次生代谢产物积累旺盛[13]，通过积累大量的次生代谢产物来提高抗逆性[14]。谭勇等[5]研究证实板蓝根对水分需求最大期在7月份，并且中度水分胁迫条件下板蓝根中靛玉红含量最高。本试验中通过利用水分亏缺研究水分对菘蓝品质的影响，结果表明轻中度水分亏缺均可提高菘蓝中靛蓝和靛玉红含量，且亏缺程度越高，有效成分积累越多，尤其是处理WD5比CK显著提高了靛蓝、靛玉红和(R,S)-告依春的含量。这主要是因为在可耐受干旱胁迫条件下，体内积累大量的光合产物，植物利用这些“过剩”的光合产物合成含碳次生代谢物，使组织中次生代谢物的含量增加，这与段飞等[15]的研究结果基本一致。也有研究认为菘蓝品质因收获大青叶、分解等原因降低，菘蓝中靛玉红含量收获一次、两次及三次大青叶处理比未收获大青叶处理分别降低79.73%、43.24%、72.97%[16]。本试验在10月初收获菘蓝，对大青叶未收获，因此靛蓝和靛玉红含量与收获时间也有关。

水分调亏处理对(R,S)-告依春含量影响：在营养生长期重度水分调亏处理WD3和肉质根生长期连续水分亏缺的WD8、WD9处理的(R,S)-告依春含量较CK降低8.59%～13.23%，与CK差异显著(P<0.05)；而在营养生长期和肉质根生长期轻中度连续调亏有利于 (R,S)-告依春含量的提高，处理WD4和WD5较CK显著增加5.43%～7.94%。水分调亏处理对靛玉红影响：在营养生长期和肉质根生长期轻中度连续调亏有利于靛玉红含量的提高，处理WD5、WD6和WD7与CK相比差异显著，增幅1.7%～5.7%。水分调亏处理对靛蓝含量影响：在营养生长期和肉质根生长期轻中度连续调亏有利于靛蓝含量的提高，处理WD4、WD5、WD6和WD7与CK相比差异显著，增幅3.6%～9.9%。

白羿雄等[17]研究表明水分轻度亏缺有助于促进青稞根系生长，不利于青稞穗部的生长发育，导致其产量显著降低，却有利于籽粒中蛋白质及其组分含量的提高。张永丽[18]研究发现济麦20在灌水180 mm和240 mm的处理比不灌水和灌水300 mm的处理显著提高了小麦籽粒谷蛋白含量等，有效提高品质。本研究得出相近结论，不同水分亏缺处理对菘蓝的(R,S)-告依春含量影响不同，且轻中度水分亏缺均可以增加菘蓝中有效成分(R,S)-告依春的含量，提高菘蓝品质，各处理有效成分含量均达到药典标准[11]。在营养生长期和肉质根生长期轻中度连续调亏的处理WD4、WD5和WD6较CK均有所增加，其中以处理WD5的(R,S)-告依春的含量最高，WD4次之并与之接近。因此，在营养生长期和肉质根生长期连续轻度水分亏缺有利于菘蓝中(R,S)-告依春含量的积累，但可能还与自身遗传因素、生态环境等有关。菘蓝中(R,S)-告依春含量除与水分有关外，还与自身遗传因素、生态环境等有关。可见，土壤水分含量对作物生长、品质及产量均产生影响，且影响程度及作物对水分亏缺的响应与作物生育时期和水分亏缺程度有关。

水分调亏处理能够增加菘蓝中有效成分含量，提高菘蓝品质，各处理有效成分含量均达到药典标准，且随着连续生育期的中轻度水分调亏程度的增加，菘蓝品质有所提高，但是重度水分亏缺不利于有效成分(R,S)-告依春含量的积累。营养生长期的重度水分亏缺和肉质根生长期的重度水分亏缺均会严重影响菘蓝有效成分(R,S)-告依春、靛蓝和靛玉红的积累；而这两个生育期的中、轻度水分亏缺能一定程度提高有效成分的积累量。

考虑根部形态和菘蓝有效成分的基础上，对不同水分亏缺处理的情况进行综合评价，综合得分较高的为WD4和WD5，WD1和CK次之。计算结果表明，轻度水分亏缺处理的WD4、WD5和WD1不仅可以获得较高的产量和水分利用效率，同时其有效成分靛蓝、靛玉红和告依春的含量不会出现降低；但是重度水分亏缺处理的WD3、WD8和WD9的综合得分较低，水分严重减少使得菘蓝有效成分的积累均有所降低。

4 结 论

通过调亏灌溉对菘蓝的主要有效成分靛蓝、靛玉红和(R,S)-告依春的影响规律研究，得出以下结论：

1)不同处理的有效成分受到水分亏缺的影响显著。轻中度水分亏缺均可提高菘蓝中靛蓝和靛玉红含量，且亏缺程度越高，有效成分积累越多；轻中度水分亏缺有利于菘蓝中(R,S)-告依春含量的积累，提高菘蓝品质，各处理有效成分含量均达到药典标准，但是重度水分亏缺不利于有效成分(R,S)-告依春含量的积累。

2)考虑根部形态和菘蓝有效成分的基础上，通过主成分分析法对不同水分亏缺处理的情况进行综合评价，综合得分较高的为WD4和WD5，WD1和CK次之，发现轻度水分亏缺处理不仅可以获得较高的产量和水分利用效率，同时可提高有效成分靛蓝、靛玉红和告依春的积累，有利于提高菘蓝的品质。