不同施肥处理与保水剂互作对黄芪生理指标的影响及干旱缓解评价

宿翠翠，王振龙，施志国*，邓超超，高正睿，赵 玺，张 靖，柳 洋，魏玉杰

(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.武威市农田土壤改良与耕地保育技术创新中心，甘肃武威 733006)

甘肃作为全国中药材主产区之一，由于中药材及其保健产品的需求不断加大，黄芪等中药材栽培面积大规模扩大，黄芪种植区域已由原传统道地产区陇西、渭源等地延伸至河西地区。前期依托国家中药材产业技术体系河西综合试验站，开展了河西地区黄芪种植调查，发现河西地区全年降雨量少且时间分布不均匀，特别是黄芪苗期(5月初—6月底)降水较少，干旱胁迫较为严重，已经严重制约了该地区黄芪的产量和品质。

目前，已有研究表明，施用有机肥可以增加作物的根长、根重及地上部分生长，提高土壤水分含量，改善土壤环境，促进光合进程；施用缓释肥能显著提高作物养分含量及肥料利用率，减量使用仍可提高作物产量；保水剂和氮肥交互可提升马铃薯产量、提高小麦根系活力、改善土壤理化性状、提升土壤保肥保墒能力。该研究通过凹土棒有机肥配施缓释尿素与保水剂互作，综合评价不同施肥处理与保水剂互作对黄芪干旱的缓解效果，探究河西地区缓解黄芪干旱的最佳施肥方式，为黄芪高效经济绿色人工栽培提供科学指导。

1 材料与方法

该试验供试材料为甘肃黄芪幼苗(长约20 cm)，由渭源县天成中药材种植专业合作社提供。供试肥料：海瑞达保水剂，甘肃海瑞达生态环境科技有限公司生产；凹土棒有机肥(有机质>45%，N+PO+KO>5%)，临泽县鼎丰源凹土高新技术开发有限公司生产；缓释尿素(N含量≥44%)、尿素(N含量≥46%)、过磷酸钙(PO含量≥16%)、硫酸钾(KO含量≥40%)均为市售。

该试验在武威市凉州区黄羊镇新镇路甘肃省农业工程技术研究院试验田内进行开展，采用露天开沟斜栽方式种植，行距50 cm，株距15 cm，沟深25 cm，采用滴灌灌溉，分别在播种后、苗期、现蕾期各灌水150 m/hm。前茬作物为大麦，播种前取0～20 cm土层土壤测得种植区域土壤全氮0.88 g/kg、有效磷0.05 g/kg、速效钾0.30 g/kg、有机质18.56 g/kg，pH为7.83。

试验采用裂区试验设计，主处理为保水剂，副处理为有机肥、缓释尿素、普通尿素，设保水剂-有机肥-普通尿素(B+OM+N)、保水剂-有机肥-缓释尿素(B+OM+HN)、保水剂-普通尿素(B+N)、有机肥-普通尿素(OM+N)、有机肥-缓释尿素(OM+HN)和普通尿素(N)6个处理，以常规种植中施普通尿素和不施保水剂(N)为对照，每个处理4个重复。其中保水剂用量150 kg/hm，有机肥用量3 000 kg/hm，尿素用量326.09 kg/hm，缓释尿素341 kg/hm，其中缓释尿素(N≥44%)施氮量为普通尿素施N量的2/3；磷肥用过磷酸钙，用量1 406.3 kg/hm，钾肥用硫酸钾，用量500 kg/hm，以上有机肥、40%的氮肥和磷钾肥全部基施。剩余60%的氮肥分3次在苗期、现蕾期和花荚期分别追施。

在黄芪苗期和现蕾期，每个处理采集10株供试材料叶片，叶片经液氮速冻后放入-80 ℃冰箱中保存，用于各生理指标测定。

表型性状指标测定。对供试材料的株高、根长、芦头直径(黄芪芦头向下1 cm处的根直径)、茎根比、地上地下生物量进行测定。株高、根长用卷尺进行测量，芦头直径用千分尺测定，生物量用烘干法测定，茎根比采用称重法进行。

抗旱机理指标测定。取供试材料新鲜叶片测定叶绿素含量、叶绿素荧光参数、丙二醛含量、脯氨酸含量、可溶性糖以及叶片保护性酶超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)、过氧化物酶(POD)活性。其中，叶绿素含量用叶片SPAD计测定，叶绿素荧光参数用叶绿素荧光成像仪测定，丙二醛含量、脯氨酸含量、可溶性含量、SOD、POD、CAT抗性酶活性用索莱宝生产试剂盒测定。以上比色均用紫外可见分光光度计。

采用模糊数学隶属函数法，单项评估各处理供试材料株高、根长、茎根比、地上和地下干物质积累量、叶绿素含量、/、可溶性糖、丙二醛含量、脯氨酸含量以及叶片保护性酶超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)、过氧化物酶(POD)活性等指标，加权算术平均各指标隶属度，计算其综合隶属度。隶属函数值公式如下：

(1)

式中，()为处理指标的隶属函数值，为处理指标性状测定值，max和min分别为所有处理中第指标的最大值和最小值。若某指标与耐旱性呈负相关，则用反隶属函数进行计算，计算公式如下：

(2)

试验数据用WPS处理作图，采用SPSS 21.0进行统计分析，用Duncan法进行显著性检验。

2 结果与分析

从图1可以看出，B+OM+N处理下黄芪株高最高，对照N处理下黄芪株高最低，比B+OM+N处理低61.46%，表现差异显著(<0.05)，B+N、B+OM+HN、OM+N和OM+HN处理间黄芪株高差异不显著(>0.05)；根长B+OM+N和B+OM+HN处理表现较长，分别比对照N处理长38.56%、42.19%，各处理间差异不显著(>0.05)；芦头直径B+OM+N处理表现最大，对照N处理表现最小，差异显著(<0.05)，其他处理间无显著差异(>0.05)。

注：不同小写字母表示同一指标不同处理间差异显著(P<0.05)Note:Different lowercase letters indicate significant differences among different treatments for the same index (P<0.05)图1 不同处理对黄芪现蕾期株高、根长、芦头直径的影响Fig.1 Effects of different treatments on plant height，root length and reed diameter in squaring stage of Astragalus membranaceus

从图2可以看出，黄芪地上干物质积累量B+OM+N处理表现最高，N处理表现最低，比B+OM+N处理低50.20%，呈显著差异(<0.05)，其他处理间无显著差异(>0.05)；地下干物质积累量B+OM+HN表现最高，N处理表现最低，低42.11%，呈显著差异(<0.05)，其他处理间无显著差异(>0.05)；茎根比N处理表现最高，其次是OM+HN、B+OM+N、OM+N、B+N，B+OM+HN表现最低，比N处理低33.42%，差异显著(<0.05)。

注：不同小写字母表示同一指标不同处理间差异显著(P<0.05)Note:Different lowercase letters indicate significant differences among different treatments for the same index (P<0.05)图2 不同处理对黄芪现蕾期地上、地下干物质积累量和茎根比的影响Fig.2 Effect of different treatments on the above and underground dry matter accumulation and shoot-root ratio in squaring stage of Astragalus membranaceus

叶绿素含量。干旱环境下会抑制植物体合成叶绿素，随着干旱程度的加深，抗旱能力越强的植物，叶绿素含量的变化幅度就会越小。对比苗期和现蕾期黄芪叶绿素含量(图3)发现，2个时期施保水剂处理(B+N)比未施保水剂处理(N)黄芪叶绿素含量高，施有机肥(OM+N)比未施有机肥(N)黄芪叶绿素含量高。苗期施缓释尿素(OM+HN)黄芪叶绿素含量与施普通尿素(OM+N)差异不明显，现蕾期施缓释尿素(OM+HN)处理表现略高，可能与缓释尿素释放的氮素的速度有关。保水剂、有机肥、缓释尿素三者互作处理(B+OM+HN)黄芪叶绿素含量在苗期和现蕾期均表现显著差异(<0.05)，分别比对照(N)高22.51%和29.24%。

注：不同小写字母表示同一时期不同处理间差异显著(P<0.05)Note:Different lowercase letters indicate significant differences among different treatments in the same period (P<0.05)图3 不同处理对黄芪苗期和现蕾期叶绿素含量的影响Fig.3 Effects of different treatments on chlorophyll content in seedling stage and squaring stage of Astragalus membranaceus

荧光参数、、ETR、/、NPQ、。是初始荧光，是PSⅡ 反应中心都处于开放状态时的最小荧光，升高表示 PSⅡ 反应中心受到伤害或不可逆失活；代表最大荧光，是暗适应后执行饱和脉冲当PSⅡ 反应中心都处于关闭状态时的最大荧光，降低是光抑制过程的重要特征。从图4可以看出，苗期各处理的值无明显变化，差异不显著(>0.05)；现蕾期B+OM+HN、B+N、B+OM+N、OM+N、OM+HN处理间值差异不显著(>0.05)，与对照(N)呈显著差异(<0.05)，比N处理值低7.83%～45.60%。苗期和现蕾期B+OM+N、B+N、B+OM+HN、OM+HN处理间值无显著差异(>0.05)，但显著高于OM+N和N处理(<005)，苗期和现蕾期B+OM+HN处理分别比OM+N处理高40.20%和33.67%，分别比N处理高46.94%和43.12%。说明苗期和现蕾期OM+N和N处理的黄芪光合功能降低。

/反映植物的潜在最大光能转换效率，是光抑制或各种环境胁迫对光合作用影响的重要指标，/下降表示植物受到了逆境胁迫；ETR是光系统 Ⅱ 的相对电子传递速率，可以一定程度反映植物潜在最大光合能力。从图5可以看出，苗期其他处理的/值与对照处理(N)差异显著(<0.05)，其他处理的/值比N 处理高10.16%～28.38%，其他处理的/值之间无显著差异(>0.05)；现蕾期B+N和N处理的/值比B+OM+HN、B+OM+N、OM+N、OM+HN处理低4.80%～16.01%，其中B+OM+N和B+OM+HN处理与对照N处理差异显著(<0.05)。苗期各处理间ETR值无显著差异(>0.05);现蕾期N处理的ETR值比其他处理低9.34%～ 31.15%，与B+OM+N和B+OM+HN处理差异显著(<0.05)。

注：不同小写字母表示同一时期不同处理间差异显著(P<0.05)Note:Different lowercase letters indicate significant differences among different treatments in the same period (P<0.05)图4 不同处理对黄芪苗期和现蕾期Fo和Fm的影响Fig.4 Effects of different treatments on Fo and Fm in the seedling stage and squaring stage of Astragalus membranaceus

称之为光化学淬灭，是由光合作用引起的荧光淬灭；NPQ称之为非光化学淬灭，是由热耗散引起的荧光淬灭。叶绿素荧光产量的下降(淬灭)可以由光合作用的增加引起，也可以由热耗散的增加引起。光化学淬灭反映植物光合活性的高低；非光化学淬灭反映植物耗散过剩光能为热的能力，也就是光保护能力。从图6可以看出，苗期各处理间黄芪的值无显著差异(>0.05)；现蕾期B+OM+HN 和B+OM+N处理的值比B+N、OM+N、OM+HN、N处理的高，分别比N处理值高35.80%、18.20%，表现显著差异(<0.05)，B+N、OM+N、OM+HN、N处理间值无显著差异(>0.05)。苗期和现蕾期黄芪各处理间的NPQ值均无显著差异(>0.05)，现蕾期黄芪NPQ值与苗期相比，降低幅度很大，说明现蕾期黄芪光合强度比苗期高。

注：不同小写字母表示同一时期不同处理间差异显著(P<0.05)Note：Different lowercase letters indicate significant differences among different treatments in the same period (P<0.05)图5 不同处理对黄芪苗期和现蕾期Fv/Fm 和ETR的影响Fig.5 Effects of different treatments on Fv/Fm and ETR in the seedling stage and squaring stage of Astragalus membranaceus

注：不同小写字母表示同一时期不同处理间差异显著(P<0.05)Note：Different lowercase letters indicate significant differences among different treatments in the same period (P<0.05)图6 不同处理对黄芪苗期和现蕾期qL和NPQ的影响Fig.6 Effects of different treatments on qL and NPQ in the seedling stage and budding stage of Astragalus membranaceus

注：不同小写字母表示同一时期不同处理间差异显著(P<0.05)Note:Different lowercase letters indicate significant differences among different treatments in the same period (P<0.05)图7 不同处理对黄芪苗期和现蕾期过氧化氢酶活性的影响Fig.7 Effects of different treatments on CAT activity in the seedling stage and budding stage of Astragalus membranaceus

过氧化氢酶(CAT)活性。CAT是植物体内主要的抗氧化酶之一，可以清除植物在逆境下或衰老时由于体内活性氧代谢加强而累积的HO，其活性水平与植物的代谢强度及抗逆性密切相关。从图7可以看出，苗期B+OM+HN处理的黄芪CAT活性较其他处理低，表现显著差异(<0.05)；现蕾期黄芪CAT活性与对照N处理相比，B+OM+N、B+N、B+OM+HN、OM+N、OM+HN处理均表现显著差异(<0.05)，分别比N处理CAT活性低64.82%、68.07%、72.47%、21.61%、59.66%。

可溶性糖含量。植物体内可溶性糖不仅为植物的生长发育提供能量和代谢，也是植物受干旱胁迫的重要调节因子。从图8可以看出，苗期B+OM+N、B+N、B+OM+HN、OM+N处理的黄芪可溶性糖含量较对照N处理低20.36%～32.14%，表现显著差异(<0.05)，OM+HN和N处理间无显著差异(>0.05)；现蕾期B+OM+N处理的黄芪可溶性糖含量较其他处理低，表现显著差异(<0.05)，其他处理间无显著差异(>0.05)，说明苗期B+OM+N、B+N、B+OM+HN、OM+N均不同程度缓解黄芪干旱胁迫，现蕾期B+OM+N处理较有效缓解黄芪干旱胁迫，其他处理缓解效果不显著。

丙二醛(MDA)含量。MDA含量是反映机体抗氧化潜在能力的重要参数，植物功能器官衰老或遭受逆境迫害，体内自由基将作用于脂质，膜脂发生过氧化作用产生大量MDA，具有细胞毒性，一定浓度损伤植物生物膜结构，改变膜的通透性，是机体脂质过氧化速率和强度的直接反映，也是组织过氧化损伤程度间接表现。从图9可以看出，苗期各处理下的黄芪MDA含量无显著差异(>0.05)。现蕾期B+OM+N、B+N、B+OM+HN、OM+N处理的黄芪MDA含量比N处理含量略微降低23.62%～25.60%，差异显著(<0.05)，表现出对干旱胁迫的缓解；OM+HN处理与N处理无显著差异(>0.05)。

注：不同小写字母表示同一时期不同处理间差异显著(P<0.05)Note:Different lowercase letters indicate significant differences among different treatments in the same period (P<0.05)图8 不同处理对黄芪苗期和现蕾期可溶性糖含量的影响Fig.8 Effects of different treatments on soluble sugar content in the seedling stage and budding stage of Astragalus membranaceus

超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)活性。SOD和POD是截至目前学者发现可以专一清除超氧阴离子自由基(O·)和控制膜脂过氧化的非促活性酶，两者协同可以防止氧自由基破坏细胞的组成、结构和功能，保护细胞免受氧化损伤，并能预防治疗由其引发的相关疾病的作用。从图10可以看出，苗期和现蕾期各处理间的黄芪SOD活性表现显著差异(<0.05)，B+OM+HN处理的黄芪SOD活性水平最低，N处理的最高，分别比B+OM+HN处理增加了3.29和3.02倍，2个时期B+N、OM+N和OM+HN处理的SOD活性水平也相对较高。苗期和现蕾期各处理黄芪POD活性水平均低于N处理，苗期POD活性以B+OM+HN处理表现最低，与N处理差异显著(<005)，其他处理间均无显著差异(>0.05)；现蕾期各处理POD活性均与N处理差异显著(<0.05)，分别比N处理低1.61、1.22、1.94、1.18、0.70倍，其中B+OM+HN处理POD活性水平最低。

注：不同小写字母表示同一时期不同处理间差异显著(P<0.05)Note:Different lowercase letters indicate significant differences among different treatments in the same period (P<0.05)图9 不同处理对黄芪苗期和现蕾期MDA含量的影响Fig.9 Effects of different treatments on MAD content in the seedling stage and budding stage of Astragalus membranaceus

脯氨酸含量。从图11可以看出，苗期，B+OM+N和B+N处理黄芪脯氨酸含量高于N处理，其他处理低于N处理；现蕾期，各处理黄芪脯氨酸含量均不同程度低于N处理，表现显著差异(<0.05)，各处理比N处理低11.34%～72.15%。2个时期均以B+OM+HN处理脯氨酸含量最低。

注：不同小写字母表示同一时期不同处理间差异显著(P<0.05)Note:Different lowercase letters indicate significant differences among different treatments in the same period (P<0.05)图10 不同处理对黄芪苗期和现蕾期SOD、POD活性的影响Fig.10 Effects of different treatments on SOD and POD activity in the seedling stage and budding stage of Astragalus membranaceus

采用模糊隶属函数法，根据公式(1)、(2)计算不同处理下的黄芪各指标隶属函数值，用综合隶属度作为评价不同处理对黄芪干旱的缓解效果，分析结果见表1。从表1 可以看出，不同处理的综合隶属度为0.15～0.84，根据综合隶属度大小对不同处理缓解黄芪干旱程度进行排序，从大到小依次为B+OM+HN>B+OM+N>OM+N>B+N>OM+HN>N，耐旱性最强的处理综合隶属度比其他处理的平均值高1.11倍。

3 结论与讨论

干旱是影响作物生长的重要因素，干旱对作物产量的影响程度远远超过其他非生物因素综合引起的减产。宋利兵等对旱区夏玉米研究发现不同生育阶段不同水分胁迫处理下夏玉米的生物量和产量不同，且均低于对照。吕文河等研究不同浓度的聚乙二醇(PEG-6000)对马铃薯试管苗处理的结果显示，随着PEG-6000浓度的不断增大，马铃薯试管苗生长受到不同程度的抑制，株高、茎粗、根长等表型指标呈现逐渐下降的趋势。陈亮等研究发现对孕穗期水稻进行干旱处理，其叶片光合速率和产量呈大幅度下降趋势。河西地区全年降雨量少，特别是5—6月份，缓解苗期和现蕾期干旱是河西黄芪增产增质的关键。通过观测黄芪苗期和现蕾期表型形状发现，与普通尿素对比，增施保水剂、有机肥、缓释尿素会不同程度促进黄芪生长发育，有机肥与缓释尿素互作(OM+HN)对黄芪生长的促进作用强于其与普通尿素互作(OM+N)，但增施保水剂后，促进效果更加明显，保水剂-有机肥-缓释尿素互作(B+OM+HN)对黄芪根长、地下干物质积累量和茎根比促进作用优于其他处理，保水剂-有机肥-普通尿素(B+OM+N)对黄芪株高、地上干物质积累量、芦头直径促进作用优于其他处理。

注：不同小写字母表示同一时期不同处理间差异显著(P<0.05)Note:Different lowercase letters indicate significant differences among different treatments in the same period (P<0.05)图11 不同处理对黄芪苗期和现蕾期脯氨酸含量的影响Fig.11 Effects of different treatments on proline content in the seedling stage and budding stage of Astragalus membranaceus

表1 不同处理黄芪性状的隶属函数值及综合隶属度

干旱胁迫会引起植物生理功能失常、细胞膜损坏、光合作用减弱、光能转化效率降低、同化物产量降低等形态结构和生理变化。刘文瑜等对藜麦进行干旱胁迫和复水研究，发现干旱胁迫可使藜麦幼苗叶片、、/显著下降，NPQ显著升高，MAD和产氧速率及抗氧化活性酶显著提高，复水后各指标恢复到干旱胁迫处理前水平。水分胁迫一定程度降低植株叶绿体光下质子转移，抑制光合电子传递速率，损伤和破坏叶片 PSⅡ的结构与功能。史莹莹等研究发现，干旱胁迫45 d后，报春苣苔、/、ETR显著降低，NPQ先升高后降低，先降低后升高。前人也有研究显示，中轻度水分胁迫下，/未发生明显降低，没有对光合机构产生持久破坏。该研究发现，苗期有机肥、保水剂配施处理的黄芪相比于普通尿素处理，叶绿素含量升高，初始荧光()降低，最大荧光()升高，最大光能转换效率(/)显著升高，相对光合电子传递速率(ETR)和光化学淬灭系数()无显著变化。现蕾期各处理普通尿素处理相比，降低，、/升高，ETR升高，保水剂-有机肥-缓释尿素互作(B+OM+HN)处理和保水剂-有机肥-普通尿素互作(B+OM+N)处理显著高于普通尿素(N)处理，与前人研究结果较吻合。说明苗期和现蕾期普通尿素处理对黄芪PSⅡ 反映中心产生一定程度的破坏，光合功能降低，刺激了光破坏防御机制发挥作用。随着苗期到现蕾期，保水剂对水分的团聚，缓释尿素N素的释放，保水剂-有机肥-缓释尿素互作缓解了环境迫害，光化学反应速度加快。在整个苗期和现蕾期黄芪非光化学淬灭系数(NPQ)各处理间无显著差异，PSⅡ 反映中心潜在热耗散能力处于比较稳定的状态，反而在现蕾期光化学反应加强，升高的同时，NPQ呈大幅度降低，二者在一定程度呈相关，说明苗期和现蕾期黄芪生生长过程中过剩光能积累较少，大多用于光化学反应，热耗散能力较弱。

干旱胁迫可以使植物的生长发育受到不同程度的伤害，目前已经证实植物体内的活性氧与干旱引起植物的损伤之间有较大的关系。SOD、POD、CAT是植物活性氧代谢过程中的关键活性酶，有清除植物体内因胁迫积累的活性氧，三者相互协同促使自由基稳定在较低水平，对细胞膜结构起到保护作用，此外植物自身还会产生大量可溶性糖、MDA、合成脯氨酸来缓解胁迫环境对自身的损伤，提高防御抵抗能力，其活性变化可以反映植物对环境胁迫的适应能力。钱瑭璜等研究指出对园林地被植物控水后，叶片MDA、可溶性糖随控水量加大而升高；肖涵等对3 种宿根花卉进行盆栽水分胁迫处理后，随着胁迫时间的增多，可溶性糖和可溶性蛋白含量呈先上升后下降的趋势。田丰等研究表明，植株体内游离脯氨酸含量与其抗旱性呈现显著正相关。廖亮等研究发现干旱胁迫下桂花叶片SOD、POD、相对电导率、MAD、游离脯氨酸、可溶性糖质量分数显著上升。该研究显示，苗期除OM+HN处理，其余各处理的黄芪可溶性糖含量显著低于对照(N)，现蕾期B+OM+N处理显著低于对照；CAT、SOD、POD活性及游离脯氨酸含量在苗期和现蕾期各处理均比对照(N)低，不同程度表现出对干旱胁迫的缓解，以保水剂-有机肥-缓释尿素(B+OM+HN)表现最为显著。此结果与王铭涵等的研究结果在一致。黄芪MDA含量在苗期各处理间无显著差异，现蕾期除OM+HN处理，其余各处理显著低于对照(N)，可能是该试验环境对黄芪苗期的干旱胁迫程度并没有引起细胞质膜的破坏。

干旱胁迫对植株生长发育的影响不单单是某一因素的表现，是一个受多种因素影响的复杂生理综合状态，是多种生理机能系统反映抵御逆境的过程，故需采用隶属函数对各种特征因素进行加权算数平均，计算综合隶属度。模糊隶属函数法是广大学者采用比较可靠准确的一种综合评估方法。该研究采用模糊隶属函数法计算各处理黄芪株高、根长、芦头直径、地上地下干物质积累量、茎根比、叶绿素含量、/、可溶性糖、MDA含量、脯氨酸含量以及CAT、SOD、POD综合隶属度，比较不同处理综合隶属度，发现保水剂-有机肥-缓释尿素(B+OM+HN)互作处理对黄芪干旱缓解效果最佳。至于具体保水剂-有机肥-缓释尿素配比多少、施多少量，还需要进一步设置梯度试验进行研究。