2. 河西学院农业与生物技术学院 张掖 734000;
3. 甘肃天士力中天药业有限责任公司/甘肃省特色药用植物资源保护与利用工程实验室/甘肃省特色药材规范化可追溯栽培工程技术研究中心 定西 748100
2. College of Agriculture and Biology, Hexi University, Zhangye 734000, China;
3. Gansu Engineering Laboratory of Resource Reservation and Utilization for Characteristic Medical Plants/Gansu Cultivated Engineering and Technology Research Center of Standardization and Traceability for Characteristic Chinese Medicine/Gansu Tasly Zhongtian Pharmaceutical Co., Ltd, Dingxi 748100, China
菘蓝(Isatis indigotica Fort.)为十字花科(Cruciferae)菘蓝属两年生草本植物, 以干燥叶和根入药, 根称板蓝根, 叶称大青叶, 加工品称青黛[1]。大青叶和板蓝根具有清热解毒等功效[2], 已广泛用于治疗感冒、抗流感和抗病毒等方面[3]。我国栽培区主要分布在甘肃、黑龙江、河北、安徽等地, 甘肃和黑龙江产量较大[4]。河西走廊民乐县2012年被中国特产之乡暨宣传活动组委会命名为“中国板蓝根之乡”。有关该地区板蓝根栽培方式的研究主要有黑膜全膜栽培技术[5], 垄作覆膜板蓝根套种王不留行[Vaccaria segetalis (Neck.) Garcke]高效栽培技术[6], 平作覆黑膜穴播栽培技术[7-8]等。目前对药材栽培方式的研究多集中在表观的产量增减方面, 而有关农艺性状指标、根系的生长等理论层面模拟研究较少。Logistic生长曲线广泛应用于作物栽培和生态等方面的模拟研究中[9], 用于描述植物的生长周期、产量预估、干物质积累、果实、种群生长动态等[10-12]。但由于根系生长环境的不可视性以及测量技术的局限性, 对根系的模拟研究发展迟缓[13]。陈亚楠等[14]研究表明, 用Logistic曲线可较好地拟合丹参(Salvia miltiorrhiza Bunge)根部生长量与定植时间的关系。张文辉等[15]研究表明, 泡沙参[Adenophora tetraphylla (Thunb.) Fisch]种群根系生物量累积过程符合Logistic增长规律。王文康等[16]研究表明, 亚麻(Linum usitatissimum L.)根系体积和干重的增长符合Logistic生长方程。本研究结合前人研究方法, 综合生产中实际用到的栽培方式, 设置栽培模式和覆膜方式二因素随机区组田间试验, 设置6个不同栽培方式, 通过研究不同栽培方式对菘蓝根系农艺性状、板蓝根产量及板蓝根品质指标(R, S)-告依春含量的影响, 明确不同栽培方式下菘蓝根农艺性状的累积动态、板蓝根产量高低和有效成分含量的多少, 同时建立基于Logistic方程的菘蓝根系主根长、主根直径和单株根干重的模型, 从理论上分析不同栽培方式下生物量各指标的变化特征, 为河西走廊菘蓝最佳栽培方式的选择提供一定的理论依据。
1 材料与方法 1.1 供试材料与试验区概况试验用种子2014年7月采自甘肃省民乐县六坝镇诚泰药业种植基地。试验于2015年5—11月在甘肃省民乐县六坝镇农业高科技园区进行。试验区位于100°43′28″E, 38°38′36″N, 海拔1 824 m; 气候干燥, 初霜期10月25日, 无霜期140 d, 作物生长期(4—8月)日照时数1 300 h, 年太阳辐射总量587.58 kJ·cm-2。2015年5—11月日均最高温22.26 ℃, 降雨量125.4 mm。试验期间具体的降水量和气温变化如图 1。试验地土壤为灌淤土, 土质为砂质壤土, 肥力中等, 前茬为马铃薯(Solanum tuberosum L.)。耕作层0~20 cm土壤有机质17.8 g∙kg-1, 有效氮98.6 mg·kg-1, 有效磷10.7 mg·kg-1, 有效钾157.5 mg·kg-1。
试验为栽培模式和覆膜方式二因素随机区组设计, 栽培模式为平作和垄作, 覆膜方式为不覆膜、覆白膜和覆黑膜, 试验包括:平作不覆膜(PN)、平作覆白膜(PW)、平作覆黑膜(PB)、垄作不覆膜(LN)、垄作覆白膜(LW)、垄作覆黑膜(LB)6个处理组合, 具体田间操作见表 1。每个处理设3次重复, 共18个小区。小区面积3 m×5 m=15 m2。小区间距为40 cm, 四周保护行宽1 m。黑色和白色塑料膜(PE膜)膜宽80 cm, 膜厚0.008 mm, 株行距为10 cm×15 cm。
于播种前20 d按照450 m3·hm-2灌水, 播种前10 d深翻并平整土地, 按照纯N 180 kg·hm-2、P2O5 100 kg·hm-2、K2O 85 kg·hm-2, 作为基肥一次性翻入土壤。于8月20日和9月20日灌水两次, 每次600 m3·hm-2, 栽培期间结合除草中耕两次, 8月份作好菜青虫的化学防治, 未发现病害。于5月10日播种, 播量为75 kg·hm-2, 覆膜播种采取膜上穴播, 不覆膜播种直接穴播。6月5日出苗, 6月15日结合间苗一次性定苗, 11月5日收获。
1.4 测定项目和方法分别于播种后45 d、75 d、105 d、135 d、165 d及收获后, 进行一次破坏性取样, 每个小区随机选取植株10株, 共6次, 每次完整挖取植株根系, 净土后立即带回实验室, 用自来水清洗干净后晾干水分, 分别测定单株根长(cm)、根直径(cm)、根干重(g), 以其平均值作为实测值。11月5日按照小区收获根, 净土、杂质后在通风干燥处自然晾干, 即为板蓝根, 测定小区根产量, 折算成公顷产量(kg·hm-2)。将每次测完干重后的板蓝根粉碎, 过60目筛, 装于试剂瓶中备用。待全部测定结束后按照2015版《中华人民共和国药典》中规定板蓝根的(R, S)-告依春含量的测定方法测定[1]。
利用Logistics生长模型定量描述菘蓝根系农艺性状的动态累积过程:主根长、主根直径和单株根干重。各指标生长进程按照下述方程[17]拟合:
$ \bar y = K/(1 + {{\rm{e}}^{A + Bx}}) $ | (1) |
式中:
令:
$ y' = \ln [(K - \bar y){\rm{ /}}\bar y] $ | (2) |
$ K = [{\bar y_2}^2({\bar y_1} + {\bar y_3})-2{\bar y_1}{\bar y_2}{\bar y_3}]/({\bar y_2}^2 -{\bar y_1}{\bar y_3}) $ | (3) |
式中:
$ y' = A + Bx $ | (4) |
利用方程估算根系各指标生长高峰起始时间、生长高峰结束时间、增长结束时间、最快增长到达时间、最大增长速率、快速增长持续天数和缓慢增长持续天数[18-19], 见表 2。
采用Microsoft Excel 2003和SPSS 17.0进行数据整理与统计分析, 使用Origin 8.0软件作图。
2 结果与分析 2.1 不同栽培方式下菘蓝根系各指标动态变化 2.1.1 主根根长动态变化在不同栽培方式下, 菘蓝主根长的实际测定结果均呈现“S”型增长趋势, 见图 2A。菘蓝在幼苗期主根长增加较为缓慢; 而随着生长进程加快, 出苗后75~105 d出现增长高峰, 日增量以处理LB最高, 达到0.22 cm·d-1·株-1; 随后, 主根长增加趋于变缓, 在收获期各处理都达到最大根长值。
根据实际测量值采用Logistic生长模型进行拟合, 结果见表 3。并根据方程按照生长天数为自变量, 对不同生长天数的主根长值进行估算, 得出理论值并绘制理论主根长增加动态(图 2B), 各处理根长都呈现典型的Logistic生长趋势。由表 3分析可知, 不同栽培方式下菘蓝主根长随生育进程的Logistic模型拟合效果良好(R2 > 0.9, P < 0.01), 且处理间菘蓝主根长理论最大值表现为LB > PW > PB > LW > PN > LN。主根长快速增长期起始于播后34~39 d, 快速增长累积持续时间为50~63 d, 最大根长增长速率为0.28~0.34 cm·d-1, 最大根长增长速率到达时间为63~86 d, 缓慢增长持续天数为61~78 d, 根长增长结束时间为152~176 d。各处理间比较, LB主根长增加天数最大, 且主根长的理论值最大, 说明垄作覆黑膜延长了主根长增长日期, 有利于高产。PN和LN主根长增加天数差别较小, 且理论根长最小, 说明覆膜对根长增长的贡献大于不覆膜; 但平作方式下, 覆白膜的效益大于覆黑膜, 在垄作方式下, 覆黑膜的效益大于覆白膜。整体而言, 垄作覆黑膜更加有利于主根长的增加。
不同栽培方式下, 菘蓝主根直径的实测值均呈“S”型增长趋势(图 3A)。各处理根直径在45~75 d处在增长启动期, 75~105 d出现快速增长, 由0.52 cm增加到1.07 cm, 生长105 d后逐渐进入缓慢增长期, 到165 d左右达到增长最大值。出苗后105 d, 各处理的主根直径稳定在0.98~1.17 cm, 其后仍然在增加, 但增加幅度较小, 收获期菘蓝主根直径达到最大值, 以处理LB主根直径最大(1.17 cm), 且与其他处理差异显著(P < 0.05), 其他处理间差异不显著(P > 0.05)。
根据实际测量值采用Logistic生长模型进行拟合, 结果见表 4。并根据方程以生长天数为自变量, 绘制理论根直径生长动态, 如图 3B, 各处理根直径都呈现典型的Logistic生长趋势。由表 4分析可知, 不同栽培方式下菘蓝根直径随生育进程的Logistic模型拟合效果良好(R2 > 0.9, P < 0.01), 且处理间菘蓝根直径理论最大值表现为LB > PN > PW > PB > LW=LN。根直径快速增长期起始于播后31~47 d, 快速增长累积持续时间为42~60 d, 最大根长增长速率为0.017~0.02 cm·d-1, 最大直径增长速率到达时间59~72 d, 缓慢增长持续天数为53~75 d, 根长增长结束时间为141~176 d。
各处理间, LB根直径生长天数最大, 且根直径的理论值最大, 说明垄作覆黑膜延长了根直径生长日期, 有利于形成高产; LW和LN根直径理论值最小, 说明垄作覆白膜和垄作不覆膜都不利于主根直径的生长。相比较垄作, 平作根直径的增长优于垄作。从实际测定结果和理论值分析, 垄作覆黑膜对菘蓝主根直径的贡献明显大于其他栽培方式, 表现为主根直径最大, 快速增长速率最大, 增长时间最长, 最大增长速率最大等特征。说明垄作覆黑膜更有利于菘蓝根系的生长, 促进主根直径的增加, 延长根系生长日期。相比较垄作, 平作栽培方式也有利于根系的生长, 但最终根直径的增加略差于垄作覆黑膜。
2.1.3 单株根干重动态累积不同栽培方式下, 菘蓝单株根干重的实际测定结果变化趋势一致, 都呈现“S”型的增长趋势(图 4A)。生长期内, 各处理单株根干重从0.27 g增加到7.51 g; 出苗后105 d之前, 单株根干重增加迅速, 从0.27 g增加到6.46 g, 平均日增量0.06~0.09 g∙d-1; 出苗后135 d开始各处理单株根干重增加缓慢, 各处理间日增量维持在0.02~0.03 g∙d-1, 收获期时, 各处理单株根干重都达到最大值。不同栽培方式下, 菘蓝单株根干重差异显著, 处理LB最大, 与其他处理均达到显著性差异(P < 0.05)。
根据实测值采用Logistic生长模型进行拟合, 得到单株根干重方程及参数特征值(表 5)。并根据方程以生长天数为自变量, 绘制理论单株根干重生长动态图(图 4B)。各处理单株根干重都呈典型的Logistic生长趋势。由表 4分析可知, 不同栽培方式下菘蓝单株根干重随生育进程的Logistic模型拟合效果良好(R2 > 0.9, P < 0.01), 且处理间菘蓝单株根干重理论最大值表现为LB > PB > LW > PW > LN > PN。单株根干重快速增长期起始于播后60~69 d, 快速增长累积持续时间为37~43 d, 最大单株根干重增长速率为0.062~0.90 g·d-1, 最大单株根干重增长速率到达时间76~86 d, 缓慢增长持续天数为46~53 d, 单株根干重增长结束时间为143~164 d。
各处理间, LB单株根干重理论值最大, 说明垄作覆黑膜的单株根产量最高, 平作不覆膜单株根干重的理论值最小, 产量最低。整体表现为覆黑膜 > 覆白膜 > 不覆膜。说明黑膜对单株根干重的贡献最大, 不覆膜明显表现为单株根干重较小, 不利于产量的提高。
2.2 不同栽培方式对板蓝根产量的影响从图 5可知, 栽培方式对板蓝根产量的影响明显。方差分析表明, 板蓝根栽培模式和覆膜的F值分别为6.503和100.48, P值均小于0.05, 达显著性水平。栽培模式和覆膜间的交互作用F值为80.552, sig.=0.000, 也达到极显著水平。说明栽培模式和覆膜情况都对板蓝根的产量产生较大影响。各处理产量为LB > PB > PN > PW > LN > LW, 垄作覆黑膜产量最高, 达4 514 kg·hm-2, 垄作覆白膜产量最低, 为3 116 kg·hm-2。平作不覆膜与平作覆黑膜和垄作覆白膜间产量差异不显著(P > 0.05)。
从图 6可知, 栽培方式对板蓝根(R, S)-告依春含量的影响明显。方差分析表明, 各处理间差异显著, 栽培模式和覆膜方式都对板蓝根中告依春含量产生影响。栽培模式和覆膜的F值分别为11.764和256.481, P值均小于0.05, 达到显著水平; 同时栽培模式和覆膜之间的交互作用F=338.765, sig.=0.000, 达极显著水平, 说明栽培模式和覆膜方式都对板蓝根的(R, S)-告依春含量影响极大。各处理中, 垄作覆白膜(R, S)-告依春含量最高, 平作覆黑膜和垄作覆黑膜含量次之, 垄作不覆膜含量最低。平作覆白膜和垄作覆黑膜差异不显著(P > 0.05)。
植物在生长进程中, 各器官的发育符合“慢-快-慢”的“S”型生长曲线。赵亚兰等[20]提出了党参[Codonopsis pilosula (Franch.) Nannf.]种子出苗进程变化趋势呈“S”型曲线, 符合Logistic方程。陈宇航等[21]对不同密度下菘蓝的生长动态研究表明, 菘蓝的各器官生长动态符合“慢-快-慢”的“S”型生长曲线。刘倩倩[4]对菘蓝根长生长趋势研究也表明, 其根长呈现“S”型趋势。本研究表明, 菘蓝主根长、根直径和根干重增长均呈“S”型生长趋势。在不同栽培方式下, 菘蓝的根系各指标都能很好地拟合Logistic生长曲线, 和前人的研究结果相一致。生长前期由于田间通风透光良好, 菘蓝叶片产生的光合产物大量运输到地下部, 促进了根部性状的快速建成; 随着植株新叶不断产生, 植株空间逐步缩小, 单株光合能力及植株生长受到抑制, 导致在生长后期主根长、根直径和根干重增长速率变缓, 至采收前10 d达到一生中最大值。通过对各处理的根系各指标进行模型拟合, 得出根长、根直径及单株根干重都能很好地拟合Logistic曲线, 都呈现快速生长期、渐增期、缓增期和结束期4个时期。垄作覆黑膜更有利于主根直径和根干重的增加, 垄作形成了立体的田间结构, 提高了群体的光合能力, 延长了菘蓝地上部分的生长期, 防止早衰, 为后期板蓝根的产量提高提供了更好的田间条件; 覆膜有利于增加地温, 改善土壤结构, 为后期菘蓝根的干物质积累创造了有利条件, 为高产奠定了基础。
相比较平作栽培模式, 起垄和覆盖都对作物的生长、产量和品质产生一定的影响。有关起垄和覆盖对作物生长的影响, 前人作了大量研究。杨长刚等[22]指出, 覆膜能提高产量是建立在高生长量, 高耗水量的基础上。段义忠等[23]指出, 覆膜能提高土壤含水率。付鑫等[24]提出覆膜能改良土壤结构。Jiang等[25]提出覆膜使作物出苗早、出苗率高、产量高、品质好。庞晓攀等[26]提出覆膜能够改善盐碱地作物的生长, 利于高产的形成。姜净卫等[27]提出, 地膜覆盖促进了籽粒产量的显著提高。李小刚等[28]认为地膜覆盖沟垄栽培模式的集水抑制土壤蒸发效果非常显著。林雁冰等[29]研究表明, 覆盖能大幅度增加根区细菌、真菌和放线菌的数量, 强化小麦(Triticum aestivum L.)根区根外细菌和真菌的数量差异。也有研究表明, 覆膜不利于产量的提高, 范士杰等[30]对马铃薯不同栽培方式的研究, 结果显示地膜覆盖栽培马铃薯的块茎产量比对照降低15.8%。本研究表明, 覆黑膜有利于菘蓝产量的增加, 这和前人的研究结果相一致。覆黑膜的增产效果最好。这是因为一方面黑膜改善了土壤环境、提高地温; 另一方面黑膜相比较白膜和不覆膜能够防止杂草的生长, 降低了土壤养分的消耗, 同等条件下能为菘蓝的生长提供更加有利的生长环境。
垄作可以为作物生长创造有利的微生态环境, 促进作物的生长。前人研究表明, 垄作具有增产作用[31-32]; 增产的原因一是提高了土壤呼吸作用[33]; 二是垄作栽培延长了叶片功能期, 促进光合产物的积累及向籽粒的转移, 有利于后期籽粒充实, 千粒重显著高于平作[34]。本研究表明, 垄作有利于菘蓝根部干物质的积累, 为高产奠定了基础。整体表现为垄作产量高于平作。在不同栽培方式下, 以垄作覆黑膜产量最高。垄作覆黑膜改善了群体结构, 提高了光能利用率, 创造了最佳的生长环境, 提高了产量。
药用植物中次生物质的积累是一个非常复杂的生理代谢过程, 受到植物本身特性、外界环境条件、不同生长发育阶段等因素的多方面影响[35]。王连喜等[36]认为药材品质优良的核心评价指标是能够客观表征临床功效的药用化学物质组成和量。本研究中, 不同栽培方式对板蓝根(R, S)-告依春含量具有显著影响。垄作覆白膜(R, S)-告依春含量最高, 平作覆黑膜和垄作覆黑膜含量次之, 垄作不覆膜含量最低。栽培模式和覆膜方式二因素综合分析, 垄作覆白膜栽培有利于(R, S)-告依春积累, 垄作不覆膜效果最差。垄作和覆膜同时对(R, S)-告依春含量产生影响, 一方面垄作有利于地温的提高, 为根系的生长创造了有利条件; 另一方面, 白膜有利于太阳光的透射, 提高了光能利用率, 为(R, S)-告依春的积累提供了有利条件, 因此垄作覆白膜(R, S)-告依春含量最高。但是, (R, S)-告依春的合成是一个十分复杂的过程, 不同栽培方式对板蓝根(R, S)-告依春合成途径的影响, 目前尚不清楚, 有待于进一步研究。另外, 药用植物是以提供原料药材为栽培目的, 药材检测成分的多少最终决定药用价值的高低, 不能仅以追求产量为目的。段金廒等[37]提出在考虑产量和品质的前提下, 按照单位面积有效成分的产量去评价, 本研究综合产量和质量考虑, 河西地区垄作覆黑膜栽培菘蓝产量和药材品质均最佳, 垄作不覆膜最差。
4 结论菘蓝根系各指标随生育进程的动态变化符合Logistic生长模型。各处理间比较, 覆膜的各指标理论值大于不覆膜, 快速累积期提前, 持续时间较长, 垄作覆黑膜的栽培方式下, 根长、根直径和单株根干重的理论值都明显高于其他处理, 平作不覆膜和垄作不覆膜的各指标理论值最小, 说明覆黑膜和垄作的增产效应明显。不同栽培方式下单位面积板蓝根的产量以垄作覆黑膜最高。不同栽培方式下垄作覆白膜的告依春含量最高。综合板蓝根产量和告依春含量, 垄作覆黑膜为最佳栽培方式。
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