內(nèi)蒙古河套灌區(qū)糧飼兼用高粱和谷子拔節(jié)期農(nóng)藝性狀對土壤鹽分梯度的響應(yīng)*

倪世存, 梁紅柱, 付同剛, 高 會, 韓立樸, 劉金銅**

內(nèi)蒙古河套灌區(qū)糧飼兼用高粱和谷子拔節(jié)期農(nóng)藝性狀對土壤鹽分梯度的響應(yīng)*

倪世存1,2?, 梁紅柱1,2,3?, 付同剛1, 高 會1, 韓立樸1, 劉金銅1**

(1. 中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心 石家莊 050022; 2. 中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049; 3. 河北師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 石家莊 050024)

糧飼兼用作物種植模式對內(nèi)蒙古河套地區(qū)的農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。本研究以糧飼兼用的2個高粱品種(‘F438’和‘2562’)和2個谷子品種(‘張雜19號’和‘張雜13號’)為試驗(yàn)材料, 在內(nèi)蒙古河套灌區(qū)五原縣進(jìn)行大田試驗(yàn), 研究2種作物拔節(jié)期的農(nóng)藝性狀對不同土壤鹽堿水平的響應(yīng)特征, 并探討作物不同農(nóng)藝性狀與土壤電導(dǎo)率(EC)的相關(guān)性。結(jié)果表明: 以播種前樣地的土壤EC為對照, 至拔節(jié)期2個谷子品種土壤EC低于高粱品種; 隨土壤EC升高, 谷子‘張雜13號’和‘張雜19號’的可見葉片數(shù)量、高粱‘F438’和‘2562’的葉片數(shù)均顯著減少, 表明高土壤含鹽量顯著抑制了2種作物的生長; 高鹽堿土壤顯著限制了2種作物的株高和莖粗, 谷子比高粱對土壤鹽堿度的耐受能力更高; 2種作物的葉面積對土壤鹽堿水平都較敏感, 低鹽堿水平條件下葉面積已顯著降低; 隨土壤鹽堿程度增加, 2種作物葉片葉綠素含量均呈下降趨勢, 2個高粱品種葉綠素含量受土壤鹽堿梯度干擾相對較小。相關(guān)性分析結(jié)果表明, 拔節(jié)期2種作物的莖粗、株高、葉面積和可見葉片數(shù)與土壤EC呈顯著負(fù)相關(guān)。比較4個作物品種, 谷子品種‘張雜19號’對土壤鹽堿度的耐受能力較高, 具有更強(qiáng)的鹽堿地種植適應(yīng)潛力。本研究結(jié)果對探明糧飼兼用作物在鹽堿地種植模式的適應(yīng)機(jī)制提供了科學(xué)依據(jù), 對內(nèi)蒙古河套地區(qū)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)種植模式優(yōu)化和畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

鹽堿地; 土壤電導(dǎo)率(EC); 糧飼兼用; 高粱; 谷子; 農(nóng)藝性狀

糧飼兼用作物是指籽粒成熟期葉片仍然為綠色,籽粒收獲后莖稈和葉片可以作為飼料的作物。糧飼兼用作物能夠有效利用水、光、氣和熱等自然資源, 增加了作物用途, 尤其在畜牧養(yǎng)殖方面, 在獲得籽粒產(chǎn)量情況下, 能夠保證畜牧發(fā)展的飼料來源, 增加秋冬飼草供應(yīng), 緩解全球普遍存在的秋冬飼草短缺的難題。糧飼兼用措施已廣泛應(yīng)用于全球多個國家地區(qū), 一定程度上促進(jìn)了畜牧業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展。發(fā)展糧飼兼用作物還可以調(diào)整農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu), 促進(jìn)農(nóng)牧結(jié)合[1]。目前糧飼兼用作物的種類主要包括玉米()、高粱()、谷子()和燕麥()等[2-6]。糧飼兼用作物多為C4植物(如玉米、高粱、谷子等), 具有抗旱、耐瘠薄特性, 并能在一定鹽分范圍的鹽堿地上生長, 因而適應(yīng)性比較強(qiáng)[7-8]。

內(nèi)蒙古河套地區(qū)位于40°15′~41°18′N, 106°20′~ 109°19′E, 總面積約為17 000 km2, 是亞洲最大的自流引水灌區(qū), 我國三個特大型灌區(qū)之一。灌區(qū)位居黃河內(nèi)蒙古段北部的“幾”字彎上, 北靠陰山, 與蒙古國接壤; 南臨黃河, 與鄂爾多斯隔河相望; 東連包頭市; 西鄰阿拉善盟與烏海市。該區(qū)域?qū)儆跍貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候, 夏季干旱高溫, 冬季嚴(yán)寒少雪。內(nèi)蒙古河套灌區(qū)由于氣候干燥, 降水少, 墾殖率高, 土地沙化、退化、鹽堿化明顯。20世紀(jì)后期以來, 受全球氣候變化影響, 灌區(qū)干旱加劇, 一系列生態(tài)環(huán)境問題日益凸顯[9]。河套灌區(qū)的農(nóng)作物主要為玉米, 且以提供糧食為主, 飼用為輔, 其種植區(qū)的土壤狀況良好。但河套灌區(qū)也是土壤鹽堿化最為嚴(yán)重的地區(qū), 150萬hm2耕地中近1/3的土地有不同程度鹽堿化, 利用程度較低。河套地區(qū)歷來是內(nèi)蒙古地區(qū)的糧食基地, 隨著近代農(nóng)業(yè)發(fā)展, 土地鹽堿化、沙化等生態(tài)問題逐漸凸顯, 嚴(yán)重限制了河套地區(qū)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[10]。內(nèi)蒙古同時是我國最大的畜牧發(fā)展基地之一, 對飼料需求量較高。該區(qū)內(nèi)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式粗放, 土地資源和水資源利用率低, 傳統(tǒng)的種植模式亟待調(diào)整。發(fā)展糧飼兼用作物, 以糧促牧、農(nóng)牧結(jié)合, 有利于改善農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu); 同時種植糧飼兼用作物, 可解決本區(qū)飼料不足的瓶頸, 為畜牧養(yǎng)殖的發(fā)展提供飼料支撐, 對內(nèi)蒙古河套灌區(qū)畜牧業(yè)發(fā)展意義重大。

農(nóng)作物對鹽分梯度變化的響應(yīng)研究很多, 但多集中于幼苗期, 且耐鹽梯度下谷子農(nóng)藝性狀變化規(guī)律研究較少。高粱的耐鹽農(nóng)藝性狀研究較多, 但研究結(jié)論尚不一致, 尤其是不同鹽分梯度下高粱拔節(jié)期農(nóng)藝性狀變化規(guī)律機(jī)制不清楚。拔節(jié)期是作物生長最快的時期, 根莖葉等器官都發(fā)生了較為明顯的變化, 尤其是主莖開始出現(xiàn)莖節(jié), 節(jié)間也在伸長。拔節(jié)期也是作物從營養(yǎng)生長轉(zhuǎn)化為生殖生長的過度時期, 極容易受土壤鹽分的影響[11]。前人已經(jīng)對鹽堿地谷子和高粱引種和耐鹽篩選進(jìn)行了研究。金寶森等[12]研究了能源高粱在鹽堿地的適應(yīng)性, 篩選出適宜鹽堿地種植的高粱雜交種。田伯紅[13]研究10個谷子品種的農(nóng)藝性狀差異, 發(fā)現(xiàn)不同品種間差異性較大。韓飛等[14]研究了63份谷子品種的耐鹽性, 篩選出‘濟(jì)谷16’ ‘汾特11’ ‘峰紅谷’ ‘晉谷57’ ‘晉汾106’等5個品種。

目前, 河套灌區(qū)鹽堿區(qū)少有糧飼兼用作物引種和種植, 作物對鹽堿地土壤鹽分的響應(yīng)特性也鮮見報道。研究發(fā)現(xiàn), 農(nóng)作物拔節(jié)期對土壤鹽分梯度的響應(yīng)及生長特性, 更能夠反映農(nóng)作物在鹽堿地種植的適應(yīng)性[15]。本文以糧飼兼用的兩個谷子品種(‘張雜13號’和‘張雜1號’)和兩個高粱品種(‘F438’和‘2562’)為研究對象, 重點(diǎn)研究了拔節(jié)期其農(nóng)藝性狀對土壤鹽分的響應(yīng)特性, 旨在為解決內(nèi)蒙古河套灌區(qū)農(nóng)作物種植模式的轉(zhuǎn)變、保障糧食供應(yīng), 以及當(dāng)?shù)匦竽翗I(yè)可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)和理論支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2018年在內(nèi)蒙古河套灌區(qū)五原縣榮義村(41°02′N, 108°17′E)進(jìn)行。試驗(yàn)區(qū)屬溫帶大陸性氣候。年降雨量為139~222 mm, 年蒸發(fā)量為1999~ 2346 mm, 降雨量主要集中在6—8月。10 ℃以上活動積溫3000~3280 ℃, 無霜期120~130 d。試驗(yàn)地土壤質(zhì)地為粉砂壤土, 土壤全鹽量5.28 g?kg-1, 有機(jī)質(zhì)10.31 g?kg-1, 堿解氮56.21 mg?kg-1, 速效磷3.86 mg?kg-1, 速效鉀81.65 mg?kg-1, 土壤pH 8.6, 屬中重度鹽堿地。區(qū)域內(nèi)以野生蘆葦()和堿蓬()為主, 主要的農(nóng)作物為玉米, 經(jīng)濟(jì)作物為油葵(), 總體上作物品種較為單一, 作物產(chǎn)量受到土壤鹽堿化程度影響。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計與取樣方法

1.2.1 供試品種

試驗(yàn)用高粱品種為‘F438’和‘2562’?！瓼438’株高400 cm左右, 莖粗2.3 cm, 生育期145 d, 土壤條件良好地塊生物量可達(dá)75~105 t?hm-2, 含糖量15%; ‘2562’株高560 cm, 莖粗2.5 cm, 生育期140 d, 再生能力強(qiáng), 灌區(qū)可以收割2次, 生物量可達(dá)105~ 135 t?kg-1。試驗(yàn)用谷子品種為‘張雜13號’和‘張雜19號’?！畯堧s13號’生育期113~116 d, 綠苗黃鞘, 分蘗0~2個, 株高140 cm左右, 穗長24 cm, 千粒重3 g, 單株分蘗2~4個, 單穗重24.2 g, 穗粒重18.3 g, 出谷率75.6%, 抗病抗倒抗旱, 產(chǎn)量可達(dá)6000~ 9000 kg?hm-2; ‘張雜19號’生育期116 d, 株高121.99 cm, 穗長25.3 cm, 千粒重3 g, 單株分蘗3~6個, 單穗重25.20 g, 穗粒重18.27 g, 出谷率72.5%, 抗病抗倒抗旱, 產(chǎn)量可達(dá)6000~9000 kg?hm-2。

1.2.2 試驗(yàn)方法和田間管理

播種時間2018年6月1日, 播種方式為機(jī)械覆膜后人工點(diǎn)播, 高粱每穴6~8粒, 谷子每穴10~15粒, 高粱的播種密度為81 000穴?hm?2, 谷子的播種密度約為67 500穴?hm?2。播種前施底肥磷酸二氫銨600 kg?hm-2; 拔節(jié)期追肥尿素和硫銨, 按比例1∶1進(jìn)行追施, 其中尿素300 kg?hm-2, 硫銨300 kg?hm-2, 共計600 kg?hm-2。

高梁和谷子每個品種分別播種在面積為15 m× 4 m的小區(qū)。播種前在每個小區(qū)隨機(jī)選取8個點(diǎn)位測定20 cm深度的土壤電導(dǎo)率(EC)作為對照; 在作物拔節(jié)期, 每個小區(qū)內(nèi)均勻選擇點(diǎn)位15個, 用PNT3000土壤鹽分速測儀測定每個點(diǎn)位20 cm深度土壤的EC, 每個點(diǎn)位測定4個重復(fù)。根據(jù)15個點(diǎn)位土壤EC值, 從低到高對15個點(diǎn)位的EC值依次編號為1-15。同時按每5個一組, 根據(jù)EC值分成3個處理組, 分別代表EC值低、中、高3個梯度水平(表1)。

表1 不同谷子和高粱品種的不同鹽堿水平土壤的電導(dǎo)率

谷子和高粱生育期內(nèi)進(jìn)行不間斷除草, 拔節(jié)期利用機(jī)械中耕松土并施肥, 播前灌水, 谷子和高粱生育期無灌溉。

1.2.3 調(diào)查內(nèi)容和調(diào)查方法

拔節(jié)期(2018年7月27日)調(diào)查谷子和高粱15個點(diǎn)位植株的農(nóng)藝性狀, 每個處理組調(diào)查5個點(diǎn)位, 每個點(diǎn)位調(diào)查4次重復(fù)。調(diào)查內(nèi)容包括株高(cm)、莖粗(mm)、可見葉片數(shù)、葉長和葉寬(cm)、莖數(shù)和葉綠素含量。株高和莖粗直接反映作物生長狀況。株高采用皮尺測量植株自基部至葉片自然伸展最高處的距離; 莖粗的測定采用游標(biāo)卡尺測量植株基部的直徑?？梢娙~片數(shù)能夠反映作物的生育進(jìn)程, 測定方法為自下至上計數(shù)展開葉片數(shù)。葉面積采用長寬積系數(shù)法計算, 谷子和高粱的葉面積()計算公式如下[16-17]:

式中:和代表谷子、高粱葉片的葉長和葉寬, 分別測定谷子和高粱第一展開葉片的最長和最寬處。

莖數(shù)可以反映作物的分蘗能力, 適宜的分蘗能提高作物生物量。莖數(shù)的測定為計數(shù)作物單株的分蘗數(shù)量。葉綠素采用SPAD-502葉綠素儀進(jìn)行測定, 在拔節(jié)期選取作物的成熟葉片進(jìn)行原位測定。

1.3 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)處理和做圖采用Excel 2010, 單因素方差分析、多重比較和相關(guān)分析采用SPSS 20.0。

2 結(jié)果與分析

2.1 作物生長過程中土壤電導(dǎo)率的變化

播種前, 測定了各試驗(yàn)小區(qū)的土壤EC值作為對照(表1)。結(jié)果顯示, 播種前4個作物品種20 cm深度土壤EC值均明顯低于拔節(jié)期, 平均值均低于5 mS·cm-1。其中高粱‘F438’的EC均值為4.56 mS·cm-1, 其他3個作物品種的試驗(yàn)小區(qū)均接近或低于2 mS·cm-1。至拔節(jié)期, 4個作物品種的土壤EC值均大幅升高, 其中對照值最高的高粱‘F438’土壤EC升幅最大, 2個高粱品種土壤EC升幅高于2個谷子品種。

2.2 土壤鹽分對拔節(jié)期高粱和谷子農(nóng)藝性狀的影響

2.2.1 莖數(shù)的變化

隨著土壤EC的增加, ‘張雜13號’和‘張雜19號’拔節(jié)期的莖數(shù)先波動后下降并趨于穩(wěn)定, 其中‘張雜19號’波動幅度較‘張雜13號’更大; 總體趨勢來看, 兩種谷子的莖數(shù)隨著土壤EC值的升高而降低, 當(dāng)EC為32 mS·cm-1后, 谷子莖數(shù)趨向于穩(wěn)定(圖1a)。兩種谷子在土壤EC為28 mS·cm-1時, 同時出現(xiàn)較高峰值, 說明在此土壤鹽分條件下, 更利于谷子分蘗的形成。隨著土壤EC的增加, 高粱‘2562’莖數(shù)波動較大, 而‘F438’莖數(shù)相對穩(wěn)定(圖1b)。高粱‘2562’莖數(shù)在土壤EC升至55 mS·cm-1時達(dá)峰值, 在EC位于55~ 65 mS·cm-1區(qū)間時出現(xiàn)較高分蘗, 說明該品種的分蘗能力對土壤鹽分的適應(yīng)能力更高, 較高的鹽分利于其分蘗。高粱‘F438’莖數(shù)隨著土壤EC升高無顯著變化, 說明土壤EC對該品種分蘗的影響不顯著。

2.2.2 可見葉片數(shù)的變化

由圖2可見, 隨土壤EC的增加, 高粱和谷子可見葉片數(shù)均呈下降趨勢, 說明土壤鹽分的升高抑制了這兩種作物的生長發(fā)育。其中‘張雜13號’的可見葉片數(shù)高于‘張雜19號’, 隨著EC的升高, 其可見葉片數(shù)量降幅也高于‘張雜19號’, 表明其生長受土壤鹽分影響更為明顯。高粱‘2562’的可見葉片數(shù)量隨EC升高而降低, 而‘F438’的可見葉片數(shù)隨EC的升高先增加再降低, 表明土壤鹽分對高粱‘2562’的生育進(jìn)程抑制更為顯著。

由表2可知, 不同土壤EC水平下, 兩種作物的可見葉片數(shù)具有不同的差異。其中, 谷子‘張雜19號’在低鹽堿水平可見葉片的數(shù)量顯著高于中、高水平, 而中、高水平間差異不顯著, 表明土壤鹽堿水平對其可見葉片數(shù)量抑制較明顯, 但土壤鹽堿升至中高水平, 葉片數(shù)量的降低不再顯著; ‘張雜13號’的葉片數(shù)在土壤鹽堿低、中、高水平均具有顯著差異, 說明該品種葉片數(shù)持續(xù)受土壤鹽堿水平的抑制。高粱的2個品種可見葉片數(shù), 在土壤中、低鹽堿水平顯著區(qū)別于高鹽堿水平, 說明隨著土壤鹽堿度升高, 對高粱生育進(jìn)程的抑制加劇。

表2 不同谷子和高粱品種拔節(jié)期在不同土壤鹽堿水平下的單株葉片數(shù)

不同小寫字母表示不同鹽堿水平間差異顯著(<0.05)。Different lowercase letters indicate significant difference among different salinity levels (<0.05).

2.2.3 株高的變化

圖3表明, ‘張雜19號’的株高一直低于‘張雜13號’, 隨著土壤EC的升高, ‘張雜19號’的株高由70.13 cm降至11.50 cm, 而‘張雜13號’的株高由99.75 cm降至17.50 cm, 后者降幅明顯高于‘張雜19號’, 說明其對土壤鹽堿水平的敏感性高于前者, 其株高更容易受土壤EC的影響。當(dāng)EC超過30 mS?cm-1后, ‘張雜19號’株高急劇下降; EC超過52 mS?cm-1, ‘張雜13號’的株高急劇下降, 表明較高的土壤鹽堿水平對谷子的株高抑制較為顯著。高粱‘F438’和‘2562’株高受土壤電導(dǎo)率的影響也較明顯, 其中‘2562’隨著EC升高呈持續(xù)下降趨勢, 由167.67 cm降至21.50 cm; ‘F438’的株高隨EC升高先升后降, 當(dāng)EC超過40 mS?cm-1后, 其株高急劇下降, 由194.00 cm降至20.33 cm, 表明其株高受土壤鹽堿水平影響更明顯。

從表3可知, 2種作物的株高隨土壤EC的升高均受到顯著抑制; 其中, ‘張雜13號’在中、低土壤鹽堿水平下株高差異不明顯, 高土壤鹽堿水平下株高顯著降低。其他3個作物品種的株高隨土壤EC的升高降低, 在低、中和高土壤鹽堿水平下差異顯著。

表3 不同谷子和高粱品種拔節(jié)期在不同土壤鹽堿水平下的株高

不同小寫字母表示不同鹽堿水平間差異顯著(<0.05)。Different lowercase letters indicate significant difference among different salinity levels (<0.05).

2.2.4 莖粗的變化

莖粗是反映莖稈的粗壯、抗倒伏能力和向上部運(yùn)輸能力的指標(biāo)。由圖4表明, 隨土壤EC升高, 4個作物品種的莖粗均呈下降趨勢。谷子‘張雜19號’的莖粗在中、低EC水平下下降明顯, 當(dāng)EC升至42 mS?cm-1之后, 莖粗維持相對穩(wěn)定, 表明中、低鹽堿水平對其莖粗影響明顯; ‘張雜13號’的莖粗隨EC升高持續(xù)降低, 當(dāng)EC達(dá)到52 mS?cm-1以上, 莖粗急劇下降, 表明高土壤鹽堿水平對其莖粗抑制依然明顯。高粱‘F438’的莖粗多高于‘2562’, 且其莖粗降幅(由60.81 mm降至9.25 mm)略高于后者(由58.85 mm降至10.85 mm), 說明‘2562’受土壤鹽堿水平影響更明顯。高粱‘2562’和‘F438’土壤EC分別超過35 mS?cm-1和40 mS?cm-1時莖粗急劇下降, 表明中、高土壤鹽堿水平對該作物的莖粗抑制較為明顯。

從表4可知, 不同土壤EC水平下, 隨著土壤鹽堿水平的升高, 2種作物的莖粗均明顯降低。其中, 谷子‘張雜19號’在低、中、高鹽堿水平的莖粗均有顯著差異, 而‘張雜13號’的莖粗在高鹽堿水平下顯著區(qū)別于中、低鹽堿水平, 表明‘張雜13號’的莖粗受高鹽堿水平的影響更為明顯; 2個高粱品種的莖粗在低、中、高鹽堿水平下均具有顯著差異, 表明其莖粗持續(xù)受到土壤鹽堿水平的影響。

表4 不同谷子和高粱品種拔節(jié)期在不同土壤鹽堿水平下的莖粗

不同小寫字母表示不同鹽堿水平間差異顯著(<0.05)。Different lowercase letters indicate significant difference among different salinity levels (<0.05).

2.2.5 葉面積的變化

葉面積能夠反映作物接受光能輻射的多少。圖5表明, 隨著土壤EC的增加, 2種作物的葉面積總體均呈現(xiàn)下降趨勢。其中谷子‘張雜19號’的葉面積在EC高于30 mS·cm-1之后急劇下降; 而‘張雜13號’的葉面積則在EC達(dá)到25 mS·cm-1時急劇下降, 之后維持相對穩(wěn)定, 在EC高于53 mS·cm-1后葉面積再次急劇下降, 表明‘張雜13號’的葉面積對土壤鹽堿水平更為敏感。高粱‘F438’和‘2562’的葉面積受土壤EC的影響也較明顯, 在低鹽堿水平時, 2個品種的葉面積均急劇降低, 表明高粱對土壤EC較為敏感。

由表5可知, 不同土壤EC水平下, 2種作物葉面積有較大的差異。其中2個谷子品種在中、高鹽堿水平的葉面積沒有顯著差異, 而低鹽堿水平的葉面積則顯著高于中、高水平, 說明谷子的葉面積隨著土壤EC的升高, 受抑制程度加大。在中、高鹽堿水平下, 高粱‘2562’的葉面積差異不顯著, 但均顯著低于低鹽堿水平; 高粱‘F438’的葉面積隨EC升高呈持續(xù)顯著降低趨勢, 表明持續(xù)受到土壤鹽堿水平的影響。

表5 不同谷子和高粱品種拔節(jié)期在不同土壤鹽堿水平下的葉面積

不同小寫字母表示不同鹽堿水平間差異顯著(<0.05)。Different lowercase letters indicate significant difference among different salinity levels (<0.05).

2.2.6 葉綠素含量的變化

作物葉綠素含量直接影響光合作用的大小。如圖6所示, 隨著土壤EC的增加, 2種作物葉片葉綠素含量總體呈現(xiàn)下降的趨勢。谷子‘張雜19號’葉綠素含量比‘張雜13號’低, 說明其光合作用能力弱于后者; 隨EC的增加, 后者的葉綠素含量降幅則更大,說明其更容易受EC脅迫。高粱‘F438’及‘2562’葉綠素含量隨土壤EC增加呈波動變化, 總體呈下降趨勢?！瓼438’葉綠素含量隨EC增加的下降幅度大于‘2562’, 表明‘F438’受EC脅迫的影響更大, 而‘2562’的適應(yīng)土壤鹽堿脅迫能力較強(qiáng)。

從表6可知, 不同土壤EC水平下, 2種作物的葉綠素含量變化趨勢不同。2個谷子品種的葉綠素含量隨EC增加而降低, 其中‘張雜19號’在低土壤鹽堿水平顯著高于中、高水平, 中、高水平間葉綠素含量差異不顯著; ‘張雜13號’的葉綠素含量則在高土壤鹽堿水平顯著低于低、中水平。高粱的2個品種隨EC增加, 其葉綠素變化趨勢不同, ‘F438’在高土壤鹽堿水平下葉綠素顯著下降, 而‘2562’的葉綠素下降幅度較小, 說明后者對土壤鹽堿水平具有更強(qiáng)的適應(yīng)能力。

2.3 土壤電導(dǎo)率與拔節(jié)期谷子和高粱農(nóng)藝性狀的相關(guān)性

對土壤EC與2種作物的農(nóng)藝性狀進(jìn)行相關(guān)性分析(表7)。結(jié)果表明: 谷子‘張雜13號’和‘張雜19號’的株高、莖粗、葉面積和葉片數(shù)在<0.01水平與土壤EC負(fù)相關(guān), 說明谷子4個農(nóng)藝指標(biāo)受土壤鹽堿度影響較大。高粱‘F438’和‘2562’的株高、莖粗、葉片數(shù)和葉面積與土壤EC在<0.01水平呈顯著負(fù)相關(guān), 表明高粱4個性狀受土壤鹽堿度影響顯著。谷子和高粱的莖數(shù)與土壤EC的相關(guān)性均不顯著, 表明該性狀不受土壤鹽堿度的影響; 此外, 谷子‘張雜19號’和高粱‘2562’的葉綠素含量與土壤EC的相關(guān)性也不顯著, 說明這兩個品種的光合能力不受土壤鹽堿度的脅迫, 具有適應(yīng)鹽堿地種植的更大潛力。

表6 不同谷子和高粱品種拔節(jié)期在不同土壤鹽堿水平下的葉綠素含量

不同小寫字母表示不同鹽堿水平間差異顯著(<0.05)。Different lowercase letters indicate significant difference among different salinity levels (<0.05).

表7 土壤電導(dǎo)率與拔節(jié)期不同谷子和高粱品種農(nóng)藝性狀相關(guān)關(guān)系

*表示在<0.01水平顯著相關(guān)。* indicates significant correlations at<0.01.

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

土壤鹽堿度是影響農(nóng)作物農(nóng)藝性狀、生長發(fā)育和生物量的重要因素。田伯紅等[18]研究發(fā)現(xiàn)谷子苗期受高鹽分的影響, 株高明顯降低, 并且谷子苗期的株高相對鹽害率和第1片真葉葉面積相對鹽害率也提高, 干物質(zhì)的積累明顯降低。朱元剛等[19]研究了鹽脅迫下高粱農(nóng)藝性狀的變化, 結(jié)果顯示高濃度鹽分下株高變矮, 莖粗變細(xì), 產(chǎn)量下降。任根增等[20]和馮國郡等[21]研究均得出類似的結(jié)論。本研究發(fā)現(xiàn), 與播種前對照EC相比(表1), 谷子種植小區(qū)的土壤EC升幅更小, 高粱則較高。

作物的可見葉片數(shù)量可反映其植株的生育階段,不同生育期的作物葉片數(shù)具有一定差異。研究發(fā)現(xiàn), 不同土壤鹽堿水平對谷子葉片數(shù)的影響較大, 隨著EC升高, 谷子的葉片數(shù)顯著降低, 表明土壤鹽堿度可以顯著抑制谷子的生長發(fā)育。對2個品種高粱葉片數(shù)的研究發(fā)現(xiàn), 中、低水平的土壤鹽堿度, 對高粱葉片數(shù)有抑制作用, 但不顯著; 當(dāng)土壤EC達(dá)到高鹽堿水平, 高粱葉片數(shù)量顯著下降, 說明高粱生育進(jìn)程對中、低水平土壤鹽堿度適應(yīng)能力更強(qiáng), 當(dāng)土壤鹽堿度繼續(xù)加大, 對高粱的生長抑制進(jìn)一步加劇。從2種作物生育進(jìn)程的特征來看, 高粱適應(yīng)鹽堿地種植的能力較之谷子品種更強(qiáng)。

作物的植株數(shù)量、株高、莖粗等是構(gòu)成其生物量的主要性狀, 對耐鹽糧飼作物而言, 生物量也是反映該作物耐鹽性的直觀和綜合表現(xiàn)。2種作物的株高隨土壤EC升高而降低, 谷子品種‘張雜13號’在中、低鹽堿水平下, 株高降低不顯著, 隨EC繼續(xù)升高, 其株高顯著下降?！畯堧s19號’和2個高粱品種的株高, 在由低到高土壤EC水平下均顯著下降。綜合來說, 谷子對EC升高的耐受能力更高, 具有比高粱更強(qiáng)的適應(yīng)能力。2種作物的莖粗隨土壤EC升高均呈下降趨勢(表4), 谷子‘張雜13號’在中、低鹽堿水平下莖粗下降不顯著; 其他3個作物品種在不同土壤EC水平下, 均呈現(xiàn)顯著差異, 表明對莖粗性狀而言, 谷子對土壤鹽堿度的耐受能力較高粱更強(qiáng)。

作物葉面積和葉綠素含量是評價作物光合特性和光合能力的重要指標(biāo)。葉面積越大, 葉片越容易截獲光能進(jìn)行光合作用; 而葉綠體是作物進(jìn)行光合作用的場所, 葉綠素含量直接影響光合作用能力的大小, 從而影響葉片合成有機(jī)物的潛能。研究發(fā)現(xiàn), 過高的土壤鹽分可引起作物葉綠素含量降低, 從而導(dǎo)致作物產(chǎn)量損失[22-23]。本研究發(fā)現(xiàn), 對作物葉面積性狀, 在低土壤鹽堿水平時, 2種作物即出現(xiàn)顯著下降, 說明葉面積對土壤鹽堿度較為敏感; 對葉綠素含量的影響表現(xiàn)為(表6), 2個高粱品種對土壤鹽堿度的耐受能力更強(qiáng), 不同土壤鹽堿水平下維持較為穩(wěn)定的葉綠素含量, 而谷子隨EC升高葉綠素含量顯著降低。從葉面積和葉綠素含量性狀來看, 高粱對土壤鹽堿度的耐受能力較強(qiáng), 具有鹽堿地種植更高的潛力。

相關(guān)分析表明, 谷子和高粱的莖數(shù)與土壤鹽堿度無顯著相關(guān)性(表7), 其分蘗性狀特征可能與作物本身遺傳特性有關(guān)。土壤EC與2種作物的莖粗、株高、葉面積和可見葉片數(shù)顯著負(fù)相關(guān), 這與劉淑瑤[24]對高粱和谷子的耐鹽性研究結(jié)果一致, 表明隨土壤鹽堿水平增大, 谷子和高粱的生長受抑制程度加重。

3.2 結(jié)論

本文通過對內(nèi)蒙古河套灌區(qū)拔節(jié)期高粱和谷子農(nóng)藝性狀對土壤鹽分響應(yīng)的研究, 隨土壤EC的升高, 2種作物的可見葉片數(shù)均顯著減少, 株高和莖粗均受到抑制, 說明土壤高鹽堿梯度抑制了作物的生長發(fā)育; 相對于高粱, 谷子品種具有更強(qiáng)的土壤鹽堿度耐受能力。綜合來看, 隨著土壤鹽堿度升高, 2種作物的生長發(fā)育均受到了明顯的抑制。對比拔節(jié)期2個谷子品種的農(nóng)藝性狀特征對土壤鹽分的響應(yīng), ‘張雜19號’對土壤鹽堿度的耐受力更高, 具有較強(qiáng)的鹽堿地種植適應(yīng)能力, 因此更適宜于鹽堿地種植。本研究集中體現(xiàn)了拔節(jié)期2種作物農(nóng)藝性狀對土壤不同鹽堿程度的響應(yīng)特征, 而土壤鹽堿程度的變化存在于作物的整個生育期, 作物抽穗期和成熟期農(nóng)藝性狀的變化規(guī)律及適應(yīng)機(jī)制尚不清楚, 有待于進(jìn)一步研究。

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The agronomic traits of dual-purpose sorghum and millet at the jointing stage in response to soil salinity gradients in the Hetao Irrigation District of Inner Mongolia*

NI Shicun1,2?, LIANG Hongzhu1,2,3?, FU Tonggang1, GAO Hui1, HAN Lipu1, LIU Jintong1**

(1. Center for Agricultural Resources Research, Institute of Genetics and Developmental Biology, Chinese Academy of Sciences, Shijiazhuang 050022, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 3. College of Life Science, Hebei Normal University, Shijiazhuang 050024, China)

The planting of grain-forage crops is important for the sustainable development of agriculture and animal husbandry in the Hetao Irrigation District of Inner Mongolia. In this study, two sorghum varieties (‘F438’ and ‘2562’) and two millet varieties (‘Zhangza 19’ and ‘Zhangza 13’) were used as experimental materials to study the agronomic traits at the jointing stage in response to different soil salinity gradients in Wuyuan County, in Hetao Irrigation District, Inner Mongolia. Gradient analysis and correlation analysis were used to examine the relationships between the agronomic characteristics and soil electrical conductivity (EC). The results showed that the EC of soil planted millet was lower than that of soil planted sorghum at the jointing stage. With increased soil EC, the number of visible leaves of millet varieties and sorghum varieties decreased significantly, indicating that soil EC inhibited the both crops growth. A high level of soil EC significantly also inhibited the plant height and stem diameter of both crops. Furthermore, with increased soil EC, the chlorophyll content of the leaves of both crops decreased, but the chlorophyll content of sorghum was less affected by soil EC than that of millets. Correlation analysis showed that the stem diameter, plant height, leaf area, and leaves number of both crops were significantly negatively correlated with soil EC at the elongation stage. The millet variety ‘Zhangza 19’ had a higher tolerance to soil salinity and stronger potential adaptability for planting in saline-alkali land. This study provides a scientific basis for exploring the adaptive mechanisms of dual-purpose crops planted in saline-alkali land. This study also provides important theoretical guidance for the optimization of traditional agricultural planting patterns and the sustainable development of animal husbandry in the Hetao Irrigation District of Inner Mongolia.

Saline-alkali land; Soil electrical conductivity; Dual-purpose crops; Sorghum; Millet; Agronomic traits

10.13930/j.cnki.cjea.210089

倪世存, 梁紅柱, 付同剛, 高會, 韓立樸, 劉金銅. 內(nèi)蒙古河套灌區(qū)糧飼兼用高粱和谷子拔節(jié)期農(nóng)藝性狀對土壤鹽分梯度的響應(yīng)[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(中英文), 2021, 29(4): 649-658

NI S C, LIANG H Z, FU T G, GAO H, HAN L P, LIU J T.The agronomic traits of dual-purpose sorghum and millet at the jointing stage in response to soil salinity gradients in the Hetao Irrigation District of Inner Mongolia[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2021, 29(4): 649-658

S184

* 國家重點(diǎn)研發(fā)計劃課題(2016YFC0501308)資助

劉金銅, 主要從事生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)管理與生態(tài)工程研究。E-mail: jtliu@sjziam.ac.cn

? 同等貢獻(xiàn)者: 倪世存, 主要從事糧飼兼用作物耐鹽適應(yīng)性研究, E-mail: nishicun341@163.com; 梁紅柱, 主要從事植物群落生態(tài)學(xué)研究, E-mail: lhzeco@163.com

2020-12-25

2021-02-18

* This study was supported by the National Key Research and Development Project of China (2016YFC0501308).

, E-mail: jtliu@sjziam.ac.cn

? Equivalent contributors

Dec. 25, 2020;

Feb. 18, 2021