基于產(chǎn)量品質(zhì)及水肥利用效率的三七水肥耦合方案優(yōu)選

劉艷偉，周 瀟，韓煥豪，楊啟良，劉小剛

基于產(chǎn)量品質(zhì)及水肥利用效率的三七水肥耦合方案優(yōu)選

劉艷偉，周 瀟，韓煥豪，楊啟良※，劉小剛

（昆明理工大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，昆明 650500）

為了實(shí)現(xiàn)三七增產(chǎn)、提質(zhì)和綠色生產(chǎn)，探究適宜的水肥耦合方案，以2年生三七為研究對(duì)象進(jìn)行大田試驗(yàn)，設(shè)置3種灌水水平，分別為W1（0.5FC，F(xiàn)C為田間持水量）、W2（0.7FC）、W3（0.9FC）；4種施肥水平，全年施肥總量為1 440 kg/hm2，根據(jù)各個(gè)生育期設(shè)置不同的施肥比例，劃分為F1（苗期∶花期∶果期∶根增重期比例為25%∶25%∶25%∶25%）、F2（25%∶30%∶25%∶20%）、F3（30%∶30%∶25%∶15%）和F4（40%∶20%∶30%∶10%），共12種處理，分析水肥及其耦合效應(yīng)，對(duì)三七產(chǎn)量、品質(zhì)、水分利用效率（Water Use Efficiency，WUE）和肥料偏生產(chǎn)力（Partial Factor Productivity of fertilizer，PFP）的影響，應(yīng)用優(yōu)劣解距離法對(duì)三七皂苷含量進(jìn)行綜合品質(zhì)評(píng)價(jià)，并運(yùn)用綜合評(píng)分法對(duì)各處理進(jìn)行基于產(chǎn)量、品質(zhì)、水肥利用效率的綜合評(píng)價(jià)，探究三七生長(zhǎng)與生產(chǎn)管理的綜合最優(yōu)處理。結(jié)果表明：水肥耦合對(duì)發(fā)病率影響最大，灌水對(duì)WUE影響最大，生育期不同比例施肥對(duì)產(chǎn)量和PFP影響最大；5種皂苷中，W2F4處理的三七皂苷R1、人參皂苷Rg1、人參皂苷Re和人參皂苷Rd的積累量都顯著（＜0.05）高于其他處理，W2F4處理的三七皂苷R1含量最高，W1F4處理的人參皂苷Rb1含量最高；通過(guò)綜合評(píng)分法求得最優(yōu)處理為W2F4處理，發(fā)病率為12.97%、產(chǎn)量為2 976.42 kg/hm2、WUE為1.65 kg/m3、PFP為1.09 kg/kg；TOPSIS品質(zhì)分析W2F4處理得分最高，為0.815。該研究結(jié)果可為三七合理水肥管理提供科學(xué)依據(jù)。

灌水；施肥；產(chǎn)量；水肥耦合；水分利用效率；肥料偏生產(chǎn)力；三七

0 引 言

三七（）是一種名貴中藥材，主要活性成分為皂苷，對(duì)心腦血管系統(tǒng)[1]、免疫系統(tǒng)[2]、神經(jīng)系統(tǒng)等具有一定的藥理作用[3]。在其傳統(tǒng)種植過(guò)程中，常常過(guò)量灌溉和施肥，導(dǎo)致水肥資源浪費(fèi)，三七病害高發(fā)，品質(zhì)和產(chǎn)量下降，甚至造成環(huán)境污染，限制三七種植產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。因此，進(jìn)行合理的水肥調(diào)控對(duì)三七綠色生產(chǎn)意義重大，具有極高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和環(huán)保效益。

適宜的土壤水分和施肥對(duì)三七的生長(zhǎng)發(fā)育、皂苷形成以及發(fā)病率的減少至關(guān)重要。研究表明，較低的土壤水分可以促進(jìn)三七根系生長(zhǎng)并降低發(fā)病率[4]，適宜的水分能夠維持葉片細(xì)胞膨壓，促進(jìn)光合作用和干物質(zhì)積累[5]。Liao等[6]研究發(fā)現(xiàn)，水分脅迫通過(guò)提高皂苷合成途徑關(guān)鍵基因的表達(dá)使三七皂苷含量增加，但不同皂苷含量對(duì)土壤水分的響應(yīng)不同[4]。適度的氮素虧缺條件下三七產(chǎn)生更多維持自身生存的皂苷類防御物質(zhì)[7]，適宜的鉀肥供應(yīng)可以提高葉片中的酚類及黃酮類等次生代謝物相關(guān)酶的活性，促進(jìn)次生代謝物的合成[8]。作物在不同生育階段對(duì)養(yǎng)分的吸收有所差異[9-10]，在不同生育期合理分配施肥量能更好地促進(jìn)其對(duì)養(yǎng)分的吸收[11]。合理分期施氮對(duì)于促進(jìn)氮肥的吸收和實(shí)現(xiàn)更高的氮回收效率至關(guān)重要[12]。鉀肥的分期施用能促進(jìn)光合特性以及代謝酶活性，調(diào)控根系的生長(zhǎng)，以達(dá)到增產(chǎn)提質(zhì)的效果[13]。在施肥量一定的情況下，調(diào)控施肥時(shí)間可以顯著提高果實(shí)的外觀品質(zhì)，提高產(chǎn)量[14]，提高灌溉水利用效率[11]，降低施肥對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響[15]。水肥耦合根據(jù)作物不同的需水、需肥條件，將灌溉與施肥在時(shí)間、數(shù)量和方式上合理配合，以水促肥、以肥調(diào)水，提高水分和養(yǎng)分的利用效率[16-17]。

三七含有多種活性皂苷成分，其品質(zhì)評(píng)價(jià)并不是單一指標(biāo)，各指標(biāo)對(duì)品質(zhì)的影響也不盡相同，運(yùn)用優(yōu)劣解距離法將多指標(biāo)轉(zhuǎn)換為一個(gè)綜合品質(zhì)指標(biāo)，提高品質(zhì)評(píng)價(jià)的科學(xué)性與準(zhǔn)確性。該方法已經(jīng)廣泛應(yīng)用于中藥材的品質(zhì)評(píng)價(jià)并取得較好的分析成果[18]，對(duì)原始數(shù)據(jù)的利用比較充分，信息損失比較少。產(chǎn)量、品質(zhì)、水分利用效率和肥料偏生產(chǎn)力之間的差異較大又具有相關(guān)性，所以采用綜合評(píng)分法進(jìn)行計(jì)算，該方法能消除量綱不同所造成的影響，利用客觀賦權(quán)的變異系數(shù)法計(jì)算各評(píng)價(jià)指標(biāo)所占權(quán)重，求得綜合得分。在較優(yōu)施肥量下，探究合理的生育期的施肥量對(duì)提高三七產(chǎn)量、品質(zhì)和水肥利用效率意義重大。本文在已有研究建議的氮磷鉀肥施用基礎(chǔ)上，根據(jù)三七生育期養(yǎng)分吸收規(guī)律，選擇4種生育期施肥比例與高中低3種土壤水分處理相結(jié)合，在遮蔭和微噴灌（水肥一體化）施肥條件下，進(jìn)行大田試驗(yàn)，探究水肥耦合對(duì)三七產(chǎn)量、品質(zhì)、水分利用效率、肥料偏生產(chǎn)力和發(fā)病率的影響，結(jié)合優(yōu)劣解距離法對(duì)三七品質(zhì)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，并利用綜合評(píng)分法求得最優(yōu)處理，探究更優(yōu)的三七生長(zhǎng)與生產(chǎn)管理方式。本研究旨為探究微噴灌體條件下適宜三七的水肥施用模式，為三七增產(chǎn)、提質(zhì)和綠色化生產(chǎn)提供技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2018年3月—2019年11月在云南省紅河哈尼彝族自治州瀘西縣昆明理工大學(xué)三七控水減排提質(zhì)增效關(guān)鍵技術(shù)研究與示范基地（103°57′E，24°26′N）溫室內(nèi)進(jìn)行。試驗(yàn)基地平均海拔1 842 m，屬北亞熱帶低緯高原山地季風(fēng)氣候。供試土壤為微酸性紅壤土，pH值為6.0，土壤平均容重為1.29 g/cm3，田間持水量43.28%。其中有機(jī)質(zhì)組分為14.33 g/kg，全氮0.98 g/kg，全磷0.87 g/kg，全鉀14.79 g/kg，硝態(tài)氮約8.35 mg/kg，堿解氮約68.59 mg/kg，銨態(tài)氮約19.15 mg/kg，速效磷約11.65 mg/kg，速效鉀約316.8 mg/kg。供試植株為購(gòu)買于瀘西縣的三七苗，并在2017年底移栽至試驗(yàn)基地。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

三七的生育期劃分為苗期（3—5月）、花期（6—8月）和果期（9—11月）、根增重期（12—次年2月）。參照前人研究結(jié)果[9]，結(jié)合當(dāng)?shù)胤N植水肥管理經(jīng)驗(yàn)和研究目的，試驗(yàn)設(shè)置4個(gè)施肥水平，全年施肥總量設(shè)置為1 440 kg/hm2，按照不同比例施加到三七的各個(gè)生育期，根據(jù)苗期∶花期∶果期∶根增重期的施肥比例，設(shè)置為F1（25%∶25%∶25%∶25%）、F2（25%∶30%∶25%∶20%）、F3（30%∶30%∶25%∶15%）和F4（40%∶20%∶30%∶10%）；3個(gè)灌水水平，分別為W1（0.5FC，F(xiàn)C為田間持水量）、W2（0.7FC）和W3（0.9FC）。采用完全組合設(shè)計(jì)，共12個(gè)處理。每個(gè)處理兩壟地，每壟地長(zhǎng)15 m，寬2 m，壟高30 cm，壟距30 cm，壟面用5 mm厚度的松針覆蓋，壟間道路鋪設(shè)松針，種植密度約為5×105株/hm2。為了避免各壟土地之間水分互滲，在各處理之間埋設(shè)塑料布。具體灌溉設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。

1.3 灌水施肥控制和農(nóng)藝措施

試驗(yàn)基地為塑料溫室，上方采取三層遮陽(yáng)網(wǎng)進(jìn)行遮蔭處理，透光率為8.3%。試驗(yàn)基地每壟安裝一根有控制閥的支管，毛管接有微噴頭，灌水量用水表控制。水溶肥選用四川什邡德美實(shí)業(yè)有限公司的水溶肥料（N∶P2O5∶K2O=1∶1∶1），通過(guò)以色列TEFEN公司生產(chǎn)的MixRite2502施肥器控制灌水施肥，實(shí)現(xiàn)微噴灌水肥一體化施肥。試驗(yàn)期間保持大棚內(nèi)通風(fēng)流暢，發(fā)現(xiàn)患病植株將地上部分剪除或清除，若黑斑病傷及根部則對(duì)患病植株附近土壤噴灑稀釋500倍的25%多菌靈可濕性粉劑液，撒生石灰，防止病情蔓延，其他田間管理措施均保持一致。灌水每周進(jìn)行一次，肥料隨每月第一次灌水施入。每次灌水前先采用烘干法測(cè)定土壤含水率，通過(guò)計(jì)算求得灌水量。

表1 各處理灌溉施肥設(shè)計(jì)

注：FC為田間持水量。

Note: FC is field water holding capacity.

1.4 測(cè)定指標(biāo)與測(cè)定方法

1.4.1 產(chǎn) 量

2019年11月底三七收獲期，將三七根系用清水洗凈后裝入放入烘箱，105 ℃殺青30 min，再調(diào)溫至55 ℃烘干至恒質(zhì)量，用精度為0.01 g的天平稱量干質(zhì)量。產(chǎn)量由單株產(chǎn)量及發(fā)病率折算。

1.4.2 發(fā)病率

每個(gè)處理隨機(jī)選定3個(gè)1 m×1 m的小區(qū)為發(fā)病區(qū)，以3個(gè)小區(qū)內(nèi)的平均發(fā)病率作為該處理的發(fā)病率。

1.4.3 品質(zhì)（根系皂苷含量）

三七最主要的活性成分為皂苷，皂苷的含量與積累量越高，三七藥用價(jià)值越高。采用日本島津公司生產(chǎn)的型號(hào)LC-20AB液相色譜儀對(duì)收獲三七的根系進(jìn)行三七皂苷R1、人參皂苷Rg1、人參皂苷Re、人參皂苷Rb1、人參皂苷Rd含量的測(cè)定。文中品質(zhì)由各皂苷含量進(jìn)行TOPSIS分析得到。皂苷積累量的計(jì)算公式如下：

=·（2）

式中為皂苷積累量，mg/株；為皂苷含量，mg/g；單株根干質(zhì)量，g/株。

1.4.4 水肥利用效率

水肥利用效率由水分利用效率和肥料偏生產(chǎn)力表示，計(jì)算公式[11]如下：

WUE=/（3）

PFP=/（4）

式中WUE為水分利用效率，kg/m3；為總產(chǎn)量，kg/hm2；為種植期間總灌水量，m3/hm2；PFP為肥料偏生產(chǎn)力，kg/kg；為種植期間總施肥量，kg/hm2。

1.5 評(píng)價(jià)方法

1.5.1 基于TOPSIS法的三七綜合品質(zhì)分析

優(yōu)劣解距離法（Technique for Order Performance by Similarity to an Ideal Solution, TOPSIS）法充分利用原始數(shù)據(jù)的信息，精確地反映各評(píng)價(jià)方案之間的差距。本試驗(yàn)對(duì)5種皂苷含量進(jìn)行TOPSIS分析得出綜合品質(zhì)，計(jì)算步驟[19]如下：

1）構(gòu)建原始評(píng)價(jià)參數(shù)矩陣：設(shè)有個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象，個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，原始數(shù)據(jù)可表示為原始矩陣=(X)×n（X為第個(gè)處理的第個(gè)指標(biāo)的原始數(shù)據(jù)）。對(duì)指標(biāo)進(jìn)行歸一化，即

式中=(1, 2, …,)，=(1, 2, …,)。本試驗(yàn)中，=12，=5。

2）得到歸一化矩陣=(Z)×n，其各列最大值最小值構(gòu)成的最優(yōu)、最劣向量分別記為

+=(max1,max2, …,maxn) （6）

?=(min1,min2, …,minn) （7）

3）第個(gè)處理與最優(yōu)、最劣方案的距離分別為

4）第個(gè)處理與最優(yōu)方案的貼合度C為

1.5.2 基于綜合評(píng)分法的三七生長(zhǎng)綜合評(píng)分

綜合評(píng)分法先分別按不同指標(biāo)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)分，然后采用加權(quán)相加，求得總分。本試驗(yàn)基于三七產(chǎn)量、品質(zhì)、水分利用效率和肥料偏生產(chǎn)力進(jìn)行綜合評(píng)分，計(jì)算步驟[20]如下：

1）設(shè)有個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象，個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，X為第個(gè)處理的第個(gè)指標(biāo)，本試驗(yàn)中=12，=4，對(duì)各指標(biāo)實(shí)測(cè)值消除量綱處理得到歸一化指標(biāo)Y。

2）計(jì)算指標(biāo)的平均值與方差

3）計(jì)算指標(biāo)的變異系數(shù)Z

4）計(jì)算指標(biāo)權(quán)重W

5）計(jì)算處理的綜合得分C

1.6 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 25軟件進(jìn)行方差分析（ANOVA）和多重比較（Duncan法，=0.05）；采用Origin2017進(jìn)行繪圖分析；采用Microsoft Excel進(jìn)行TOPSIS法和綜合評(píng)分法的計(jì)算。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施肥和灌水處理對(duì)三七發(fā)病率和產(chǎn)量的影響

施肥、灌水以及水肥耦合對(duì)三七發(fā)病率的影響都極顯著（<0.01），影響大小依次為水肥耦合、灌水、施肥（表2）。W1和W2處理下，F(xiàn)2處理的發(fā)病率顯著高于其他處理；W3處理下，F(xiàn)1、F2和F4處理的發(fā)病率顯著高于F3處理（<0.05）。同一施肥水平下，W2處理的發(fā)病率顯著低于W1和W3處理。在所有處理中，W2F3和W2F4處理發(fā)病率較低，分別為10.44%和12.97%，但二者間差異不顯著。

表2 水肥耦合對(duì)三七產(chǎn)量、發(fā)病率和水肥利用效率的影響

注：不同小寫字母表示不同處理間在=0.05水平差異顯著，*表示顯著性差異（＜0.05），**表示極顯著差異（＜0.01）。WUE為水分利用效率，PFP為肥料偏生產(chǎn)力，W表示水，F(xiàn)表示肥。下同。

Note: Different lowercase letters indicate significant differences between different treatments (=0.05), * indicates a significant difference (<0.05), ** indicates a very significant difference (<0.01). WUE is water use efficiency, PFPis partial factor productivity of fertilizer, W is water and F is fertilizer. The same below.

施肥和水肥耦合對(duì)三七產(chǎn)量的影響極顯著，灌水對(duì)產(chǎn)量影響不顯著，施肥對(duì)產(chǎn)量的影響大于水肥耦合。W2F4與W2F3處理的產(chǎn)量較高，分別為2 976.42和2 718.31 kg/hm2，但二者間差異不顯著，相比其他處理，產(chǎn)量增長(zhǎng)了9.5%～90.4%。W1和W2處理下，F(xiàn)3和F4的產(chǎn)量大于F1和F2，F(xiàn)3與F4處理之間、F2與F1處理之間差異不顯著；W3處理下，各施肥處理的產(chǎn)量差異不顯著。

2.2 不同施肥和灌水處理對(duì)三七水肥利用效率的影響

水肥耦合對(duì)三七水分利用效率（WUE）影響極顯著（<0.01），對(duì)肥料偏生產(chǎn)力（PFP）影響顯著（<0.05）；灌水處理對(duì)WUE影響極顯著，對(duì)PFP影響顯著；施肥處理對(duì)PFP影響極顯著，對(duì)WUE影響不顯著。灌水對(duì)WUE的影響大于水肥耦合，不同生育期施肥對(duì)PFP的影響大于灌水和水肥耦合。W1處理下，W1F2處理的WUE較大，為1.70kg/m3；W2和W3處理下，不同施肥處理間WUE差異不顯著；同一施肥處理下，W3處理的WUE顯著低于W1和W2處理，W1和W2處理間差異不顯著。W2F4處理的PFP較大，為1.09 kg/kg，同一施肥處理下，不同水分處理間PFP大多差異不顯著。

2.3 不同施肥和灌水處理對(duì)根系皂苷含量與積累量的影響

水肥耦合對(duì)三七根系皂苷含量和積累量的影響極顯著（<0.01），不同灌水對(duì)皂苷含量影響極顯著，不同施肥對(duì)皂苷積累量影響極顯著，對(duì)皂苷含量影響顯著（<0.05）。W2F4處理下，三七皂苷R1含量為20.41 mg/g，積累量為139.16 mg/株，人參皂苷Rg1積累量為231.45 mg/株，人參皂苷Re積累量為46.23 mg/株，人參皂苷Rd積累量為56.99 mg/株，都顯著高于其他處理。W1F4處理的人參皂苷Rb1含量為31.28 mg/g，顯著高于其他處理。同一施肥水平下，W2處理的三七皂苷R1含量和人參皂苷Rg1含量顯著高于W1和W3處理，W1處理的人參皂苷Rb1含量顯著高于W2和W3處理，見(jiàn)表3。

表3 水肥耦合對(duì)三七根系皂苷含量與積累量的影響

注：R1 為三七皂苷；Rg1、Re、Rb1、Rd 為不同種類人參皂苷。

Note: R1 is notoginsenoside; Rg1, Re, Rb1, and Rd are different kinds of ginsenosides.

2.4 基于TOPSIS法的三七綜合品質(zhì)評(píng)價(jià)

不同皂苷含量最大的處理并不相同，需要通過(guò)計(jì)算得出最優(yōu)品質(zhì)處理。將三七皂苷含量實(shí)測(cè)值進(jìn)行歸一化處理，利用TOPSIS法計(jì)算各處理三七的綜合品質(zhì)與最優(yōu)方案的貼合度C值。C值越大，說(shuō)明該處理三七的綜合品質(zhì)越好。相同灌水處理下，C值從大到小依次為F4、F3、F1、F2，三七綜合品質(zhì)的優(yōu)劣依次為F4、F3、F1、F2；相同施肥處理下，隨著灌水的變化C值先增大再減小，三七綜合品質(zhì)的優(yōu)劣依次為W2、W1、W3。W2F4處理的C值最大為0.815，W2F3處理的C值次之為0.747，W3F2處理的C值最低為0，如表４。

表4 基于TOPSIS法的不同水肥處理下三七綜合品質(zhì)評(píng)價(jià)及排序

注：C為貼合度，＋為理想解、-為逆理想解；D＋為各處理與理想解的距離，D-為各處理與逆理想解的距離。

Note:Cis the fit degree,＋is the ideal solution,-is the inverse ideal solution;D＋is the distance between each treatment and the ideal solution, andD-is the distance between each treatment and the inverse ideal solution.

2.5 水肥調(diào)控下三七產(chǎn)量、品質(zhì)、水肥利用的綜合評(píng)價(jià)

由于分別考慮產(chǎn)量、品質(zhì)和水肥利用效率的最優(yōu)水肥用量各不相同，因此需要綜合分析。不同水肥處理下，以三七產(chǎn)量、品質(zhì)、水分利用效率和肥料偏生產(chǎn)力為評(píng)價(jià)指標(biāo)，運(yùn)用綜合評(píng)分法對(duì)各試驗(yàn)處理進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。第一步，利用客觀賦權(quán)的變異系數(shù)法，計(jì)算各評(píng)價(jià)指標(biāo)所占權(quán)重，品質(zhì)所占權(quán)重最高，達(dá)到0.486；其次為水分利用效率權(quán)重0.267；產(chǎn)量權(quán)重占0.131；肥料偏生產(chǎn)力所占權(quán)重最小，為0.115。第二步，為了消除不同量綱之間的影響，將各指標(biāo)單獨(dú)進(jìn)行得分處理，計(jì)算出不同隸屬度。最后將處理的各指標(biāo)隸屬度與所占權(quán)重相乘后求和，計(jì)算出綜合得分，綜合得分越高，說(shuō)明處理越優(yōu)。所得結(jié)果如表5所示。W2F4處理綜合得分最高，為0.988，是所有處理中的最優(yōu)處理。

表5 基于綜合評(píng)分法的不同水肥處理下三七綜合得分

3 討 論

三七病害，尤其是根腐病，嚴(yán)重影響三七產(chǎn)量和品質(zhì)[21]，根腐病的發(fā)生與海拔、灌水頻率[22]、肥料配比、蔭棚透光率、土壤理化性質(zhì)、土壤微生物[23]等多種因子有關(guān)。趙宏光等[4]研究表明，三七根腐病發(fā)病率隨著土壤水分的增大而增大，本研究結(jié)果與此存在差異，隨著土壤含水率的增加，三七根腐病的發(fā)病率先減小再增高，因?yàn)楸驹囼?yàn)在前者的基礎(chǔ)上增加了肥料這一變量，適宜肥料的施用有利于莖粗、葉面積的增長(zhǎng)[12,24]，使得光合作用的場(chǎng)所增大，水分的輸送更加及時(shí)，促進(jìn)三七的生長(zhǎng)，三七耗水量增大。因此可能導(dǎo)致W1處理過(guò)度水分虧缺，無(wú)法為三七生長(zhǎng)提供充足水分，葉片細(xì)胞膨壓下降[5]，抑制三七的生長(zhǎng)，三七抗病性減弱；W3處理根區(qū)土壤通氣性較差, 抑制了根的呼吸，根系活力降低。已有研究表明，W3造成土壤微生物菌群失衡，更易引起根腐病[25]。

提高產(chǎn)量是實(shí)際生產(chǎn)中最直接的追求，根據(jù)作物不同生育期的吸肥規(guī)律合理分配不同生育期的施肥量，能及時(shí)有效地滿足植株各生育期對(duì)養(yǎng)分的需求[11]。本研究發(fā)現(xiàn)，同一水分處理下，F(xiàn)3、F4的產(chǎn)量整體大于F1和F2，可能因?yàn)镕3和F4處理正好在三七兩個(gè)吸肥高峰（苗期前期和果期中后期）[9]提供了更充足的養(yǎng)分，也可能因?yàn)殁浄试诓煌诜质┱{(diào)節(jié)營(yíng)養(yǎng)器官和收獲器官的生長(zhǎng)及干物質(zhì)分配，促進(jìn)莖葉中的干物質(zhì)向塊莖中轉(zhuǎn)運(yùn)，增加塊莖中干物質(zhì)的積累量及分配比例，改善作物葉片光合特性，以及改善代謝酶的活性，促進(jìn)光合產(chǎn)物在塊根中的積累，提高光合產(chǎn)物分配到生殖器官的比例和同化效率[13]。同一施肥處理下，W2基本上為產(chǎn)量最高且發(fā)病率最低的處理，這是因?yàn)檫^(guò)高和過(guò)低的水分都會(huì)抑制三七的光合作用[5,26]。本研究中，施肥和水肥耦合對(duì)三七產(chǎn)量的影響均達(dá)極顯著水平（＜0.01），且不同生育期施肥的影響大于水肥耦合，灌水處理對(duì)產(chǎn)量影響不顯著，與前人的研究[27-28]一致。

水分利用效率和肥料偏生產(chǎn)力是決定三七綠色生產(chǎn)的重要指標(biāo)，只有適宜的灌溉與施肥耦合才能產(chǎn)生協(xié)同作用，促進(jìn)水分和養(yǎng)分的吸收利用[22,29-30]。本研究發(fā)現(xiàn)，灌溉和水肥耦合對(duì)水分利用效率影響極顯著（＜0.01），各生育期施肥比例的差異對(duì)水分利用效率影響不顯著，與李歡歡等[14]對(duì)溫室番茄的研究結(jié)果相反，可能因?yàn)椴煌魑飳?duì)水分的敏感性有所差異，也可能因?yàn)樵囼?yàn)區(qū)地理位置不同導(dǎo)致的氣候差異，造成大田蒸發(fā)量的區(qū)別較大，具體原因有待進(jìn)一步研究。同一施肥處理下，水分過(guò)高水分利用效率會(huì)降低。WEI等[30]研究發(fā)現(xiàn)，適度養(yǎng)分虧缺下的植物，在根部得到足夠的養(yǎng)分供應(yīng)時(shí)，單位根的養(yǎng)分吸收通常會(huì)增加[30-31]，施肥比例的差異使得三七根系間歇養(yǎng)分虧缺再獲得足夠的養(yǎng)分補(bǔ)足，因此，不同生育期的施肥比例的差異促進(jìn)肥料的吸收。而F3和F4處理在根增重期施肥比例較低，苗期施肥比例較高，營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期正好與養(yǎng)分虧缺后補(bǔ)足養(yǎng)分時(shí)期有重合，養(yǎng)分吸收增大，因此這兩種施肥處理的PFP整體更大。

水肥調(diào)控對(duì)藥用植物次生代謝產(chǎn)物的積累息息相關(guān)[32]，適宜的水分、適度的氮虧缺[7]、適當(dāng)?shù)拟浄适┯肹8]都有利于三七根系中皂苷含量的提升。本研究發(fā)現(xiàn)，隨著土壤含水率的增大，三七皂苷R1、人參皂苷Rg1、人參皂苷Re和人參皂苷Rd的含量先增大后減小，人參皂苷Rb1的含量逐漸降低，說(shuō)明不同皂苷含量對(duì)土壤水分的敏感度不同，與趙宏光等[4,32]研究一致。在研究皂苷的合成中，灌水對(duì)皂苷含量的影響更大，說(shuō)明皂苷含量對(duì)水分更敏感，適宜的土壤水分不僅能提高抗氧化酶活性，還能使皂苷合成途徑關(guān)鍵酶的基因表達(dá)更穩(wěn)定[33]，更有利于皂苷的合成；施肥對(duì)皂苷積累量的影響更大，是因?yàn)楦少|(zhì)量的差異造成，說(shuō)明單株干質(zhì)量對(duì)皂苷積累量的影響較大。W3處理下，三七皂苷含量最低，可能土壤通氣性差導(dǎo)致中藥材的根系活力降低[34]，不利于根中皂苷的積累。

水分較充足地區(qū)，建議按0.7FC灌溉，采用F4（苗期∶花期∶果期∶根增重期施肥比例為40%∶20%∶30%∶10%）施肥方式。水分較虧缺時(shí)，調(diào)控施肥能達(dá)到不同目的。若追求品質(zhì)，建議采用F4施肥方式，若綜合考慮產(chǎn)量、品質(zhì)與水肥利用，建議采用F3（苗期∶花期∶果期∶根增重期施肥比例為=30%∶30%∶25%∶15%）施肥方式。

4 結(jié) 論

本研究以2年生三七為研究對(duì)象，設(shè)置3種灌水水平，分別為W1（0.5FC，F(xiàn)C為田間持水量）、W2（0.7FC）、W3（0.9FC）；4種施肥水平，全年施肥總量為1 440 kg/hm2，根據(jù)各個(gè)生育期設(shè)置不同的施肥比例，劃分為F1（苗期∶花期∶果期∶根增重期比例為25%∶25%∶25%∶25%）、F2（25%∶30%∶25%∶20%）、F3（30%∶30%∶25%∶15%）和F4（40%∶20%∶30%∶10%），共12種處理，分析水肥及其耦合效應(yīng)，應(yīng)用優(yōu)劣解距離法和綜合評(píng)分法，探究三七生長(zhǎng)與生產(chǎn)管理的綜合最優(yōu)處理。結(jié)果表明：

1）水肥耦合對(duì)三七發(fā)病率、產(chǎn)量、皂苷含量與積累量和水分利用效率的影響都極顯著（<0.01）。W2F3處理的發(fā)病率較低，僅為10.44%；W2F4處理的產(chǎn)量較高，為2 976.42 kg/hm2、肥料偏生產(chǎn)力較高，為1.09 kg/kg；W1F4處理水分利用效率較高，為1.70 kg/m3。

2）通過(guò)綜合得分法對(duì)各處理評(píng)分，W2F4處理得分最高。通過(guò)TOPSIS法進(jìn)行三七品質(zhì)分析，W2F4處理品質(zhì)最優(yōu)。合理的生育期施肥，在不增加肥料投入的條件下，能實(shí)現(xiàn)三七增產(chǎn)提質(zhì)，同時(shí)提高三七水肥利用效率，該方法可對(duì)三七綠色種植提供參考。

3）W1F4處理的綜合得分僅次于W2F4和W2F3，當(dāng)三七種植區(qū)域缺水時(shí)，可采用W1F4處理實(shí)現(xiàn)水肥利用最大化。

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Coupling scheme optimization ofconsidering yield, quality and water-fertilizer use efficiency

Liu Yanwei, Zhou Xiao, Han Huanhao, Yang Qiliang※, Liu Xiaogang

(,,650500)

Excessive irrigation and fertilization in the traditional planting ofhave often caused the direct waste of water and fertilizer resources, high incidence of diseases, the decline in quality and yield, even environmental pollution. These also limit the sustainable development ofplanting in modern agriculture. In this study, an optimal coupling scheme of water and fertilizer was therefore proposed to realize green production ofusing yield, quality, and use efficiency. Three irrigation levels (low water W1:0.5 of field capacity, medium water W2:0.7 of field capacity, high water W3:0.9 of field capacity) and four fertilization levels (Annual fertilizer application was 1 440 kg/hm2. According to the different fertilization ratios in each breeding period, set as F1 (the ratio of seedling period: flowering period: fruiting period: root weight gaining period is 25%: 25%: 25%: 25%), F2 (25%: 30%: 25%: 20%), F3 (30%: 30%: 25%: 15%) and F4 (40%: 20%: 30%: 10%) were set up with two-year-oldas experiment materials in a field experiment. Each treatment was performed on two field blocks, each of which was about 15 m long and 2 m wide. The surface of the block was covered with 5mm thick pine needles, where the blocks were separated by plastic films buried underground to prevent the cross penetration of water and fertilizer. An analysis was made to clarify the effects of water and fertilizers, and their coupling effects on the yield, quality, and Water Use Efficiency (WUE) and Partial Factor Productivity of Fertilizer (PFP) of. Technique for Order Preference by Similarity to Ideal Solution (TOPSIS) was also used to evaluate the comprehensive quality of saponins content. A scoring method was applied to evaluate the comprehensive performance in the growth and management model of each treatment. The results showed that the appropriate increases in the water stress and fertilizer during the seedling and fruit periods were beneficial to improve the yield, the content of notoginseng saponins, but reduce the incidence of disease. Nevertheless, the low-water treatment was not conducive to the yield, whereas, high-water treatment was not conducive to the quality of. More importantly, the greatest impact of irrigation presented on the WUE during the growth period, while the fertilization in different proportions performed the greatest impact on PFP. The effects ofquality were ranked in the order of water and fertilizer coupling, moisture, as well as fertilizer. Additionally, the accumulation of notoginsenoside R1, ginsenoside Rg1, ginsenoside Re and ginsenoside Rd treated with W2F4 were significantly higher than others among the five saponins. Specifically, the content of notoginsenoside R1 treated with W2F4 was the highest, while the content of ginsenoside Rb1 treated with W1F4 was the highest. In comprehensive scoring, the W2F4 treatment presented the highest comprehensive score, where the incidence rate was 12.97 %, the yield was 2 976.42 kg/hm2, WUE was 1.65 kg/m3, and PFP was 1.09 kg/kg. The W2F4 treatment also scored the highest of 0.815 in the TOPSIS quality analysis. Consequently, the optimal mode of coupling between variable fertilization at different growth stages and irrigation was achieved, where the irrigation level of 0.5 FC, the fertilization ratio in the seedling, flowering, fruiting, and root gaining period of 40%: 20%: 30%: 10%. The finding can provide a strong theoretical basis and technical reference for the formulation of irrigation and fertilization system duringplanting.

irrigation; fertilization; yield; water and fertilizer coupling; water use efficiency; partial factor productivity of fertilizer;

劉艷偉，周瀟，韓煥豪，等. 基于產(chǎn)量品質(zhì)及水肥利用效率的三七水肥耦合方案優(yōu)選[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2021，37(19)：139-146.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.19.016 http://www.tcsae.org

Liu Yanwei, Zhou Xiao, Han Huanhao, et al.Coupling scheme optimization ofconsidering yield, quality and water-fertilizer use efficiency[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(19): 139-146. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.19.016 http://www.tcsae.org

2021-06-07

2021-09-20

國(guó)家自然科學(xué)基金（51779113，51979134）；云南省基礎(chǔ)研究計(jì)劃項(xiàng)目（202101AT070125）；云南省高校特色作物高效用水與綠色生產(chǎn)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（KKPS201923009）

劉艷偉，博士，副教授，研究方向?yàn)楣?jié)水灌溉理論與新技術(shù)。Email：1104296611@qq.com

楊啟良，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)節(jié)水與生態(tài)環(huán)境效應(yīng)。Email：yangqilianglovena@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.19.016

S-3; S567.23+6

A

1002-6819(2021)-19-0139-08