不同類型沙障對菊芋生長影響的研究

郭彧　楊恒華　趙雪彬　羊秀本　趙孟良　范文秀　趙天悅

摘要 土地荒漠化嚴(yán)重制約著我國干旱、半干旱、亞濕潤干旱區(qū)的生產(chǎn)發(fā)展，威脅地區(qū)生態(tài)環(huán)境發(fā)展，設(shè)置沙障是荒漠化防治過程中重要的工程措施之一。菊芋不僅可作為優(yōu)良的飼料作物，也可作為荒漠化地區(qū)防風(fēng)固沙的植物種。為探明高寒半干旱地區(qū)不同類型沙障對菊芋生長的影響，總結(jié)出適宜沙珠玉地區(qū)“沙障+菊芋種植”治理模式，本研究對沙珠玉地區(qū)5種不同類型沙障（柴草條帶沙障、尼龍袋沙障、黏土沙障、燕麥沙障、小麥沙障，以裸沙地為對照）下菊芋的株高、基徑、節(jié)間、葉片數(shù)、生物量等特性進行分析。結(jié)果表明，①菊芋的株高、基徑、節(jié)間、葉片數(shù)、生物量在不同類型沙障中均表現(xiàn)出顯著性差異；②菊芋的株高（64.40±5.69 cm）、基徑（10.43±0.74 mm）、節(jié)間（5.60±0.32 mm）、葉片數(shù)（27.33±2.23個）、生物量（地上部分549.60±39.09 g；地下部分562.27±28.24 g）均以小麥沙障下的表現(xiàn)最佳；③通過主成分分析，得出“小麥沙障+菊芋”種植模式是更適宜沙珠玉地區(qū)“沙障+菊芋”的治理模式。

關(guān)鍵詞 沙珠玉；沙障；表型特征；生物量

中圖分類號 S157.2? ?文獻標(biāo)識碼 A

文章編號 1007-7731（2023）10-0081-06

Contrastive study on growth of Helianthus tuberosus by different types sand-barriers

GUO Yu YANG Henghua ZHAO Xuebin YANG Xiuben ZHAO Mengliang FAN Wenxiu ZHAO Tianyue

（1Qinghai Desert Control Experiment Station， Qinghai Xining 810008;

（2Academy of Agriculture and Animal Husbandry， Qinghai University， Qinghai Xining 810016）

Abstract Land desertification seriously restricts the development of social production in arid， semi-arid and dry sub-humid area of China， and threatens the good development of regional ecological environment. Sand barrier is one of the important engineering measures in the process of desertification control. Helianthus tuberosus can not only be used as an excellent forage crop， but also as a plant for wind-break and sand-fixation in desertification areas. In order to explore the effects of different types of sand barriers on the growth of Helianthus tuberosus in the cold and semi-arid region， the appropriate control mode of "sand barrier + Helianthus tuberosus planting" was concluded in Shazhuyu region. In this study， the plant height， basic diameter， internodes lengths， blades number and biomass of Helianthus tuberosus were analyzed under 5 different types of sand barriers in Shazhuyu region （firewood strip sand barrier， Nylon bag sand barrier， clay sand barrier， Avena sativa sand barrier and Triticum aestivum sand barrier， with bare sandy land as the control）. The results showed that：①The plant height， basic diameter， internodes length， blades number and biomass of Helianthus tuberosus showed significant differences among different types of sand barriers. ②The plant height（64.40±5.69 cm）， basic diameter（10.43±0.74 mm）， internodes length （5.60±0.32 mm）， blades number （27.33±2.23）and biomass （aboveground part 549.60±39.09 g; underground part 562.27±28.24 g）were both of the best on Triticum aestivum sand barrier.③Through principal component analysis， it is concluded that "Triticum aestivum sand barrier+Helianthus tuberosus planting" mode is more suitable for "sand barrier+Helianthus tuberosus planting" control mode in Shazhuyu region.

Keywords Shazhuyu region; sand barrier; phenotype characteristic; biomass

菊芋（Helianthus tuberosus），菊科向日葵屬多年生宿根性草本植物，俗名洋姜、鬼子姜[1]。主起源于北美溫帶地區(qū)，以塊莖繁殖為主，在我國廣泛分布于干旱、半干旱地區(qū)，如陜西、甘肅、寧夏等地[2]。菊芋適應(yīng)性較強，具有很好的抗寒、抗旱、耐鹽堿、耐貧瘠等特性[3-4]。菊芋受到干旱脅迫時會通過增加葉片及角質(zhì)膜厚度以主動響應(yīng)逆境脅迫[5]。菊芋塊莖中富含果聚糖，果聚糖的存在使菊芋不僅具有調(diào)節(jié)血糖代謝的功能，還可以增強機體免疫力，降低人類患糖尿病和心血管疾病及肥胖癥的風(fēng)險，是優(yōu)良的保健食品[6-7]。菊芋還可作為能源植物，因其體內(nèi)富含寡糖類物質(zhì)，作為非糧寡糖類能源植物具有極大的開發(fā)潛力[8-9]。菊芋因具有多種優(yōu)良特性，其研究利用前景較為廣闊。趙孟良等[10]應(yīng)用主成分分析法對257份菊芋種質(zhì)資源進行表型形狀和遺傳多樣性研究，為菊芋種質(zhì)資源的利用及品種選育提供重要支撐。呂世奇[11]系統(tǒng)地分析了15個不同品系菊芋高產(chǎn)形成機理，為半干旱雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)菊芋高產(chǎn)栽培措施提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。吳濤等[12]以成熟期菊芋莖葉為材料，研究不同添加劑對其莖葉青貯品質(zhì)及營養(yǎng)價值的影響，以期為菊芋莖葉青貯品質(zhì)、營養(yǎng)價值的評定提供數(shù)據(jù)支撐。

干旱、半干旱地區(qū)的荒漠化防治，一直是我國生態(tài)保護與環(huán)境治理重點關(guān)注的領(lǐng)域。第五次中國荒漠化和沙化狀況公報顯示，截至2014年底，青海省荒漠化土地19.04 萬km²，沙化土地面積12.17 萬km²，分別占全省國土面積的26.36%、16.85%[13]。青海地處青藏高原，氣候類型獨特，生境嚴(yán)酷，植被脆弱，在高寒荒漠化方面已形成一套綜合的具有青海特色的荒漠化防治技術(shù)體系[14]。鐵生年等[15]對青海湖周邊沙化土地開展沙粒表面性質(zhì)研究，研究發(fā)現(xiàn)沙粒表層具有一定量的物理吸附物，可利用這一特性采取化學(xué)固沙進行荒漠化治理。陳明[16]通過對青海都蘭縣察汗烏蘇綠洲的水資源現(xiàn)狀、開發(fā)利用等進行研究，提出綠洲綜合防沙治沙技術(shù)體系。馮莉莉等[17]在青海共和沙珠玉地區(qū)對不同類型防護林的生態(tài)服務(wù)功能進行評價，選擇出適應(yīng)于不同荒漠化發(fā)生程度的防護林類型。自1999年起，菊芋便被應(yīng)用于防風(fēng)固沙植物[18]。本研究通過對不同類型沙障中菊芋的表型結(jié)構(gòu)及生物量特征進行對比分析，以期選出沙珠玉地區(qū)“沙障+菊芋種植”防風(fēng)固沙最佳組合模式。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

研究區(qū)位于青藏高原東北部的共和盆地沙珠玉地區(qū)，海拔2 800 ～2 895 m，氣候干旱寒冷，年均氣溫2.4 ℃，年降水量246.3 mm，年蒸發(fā)量1 716.7 mm，年平均風(fēng)速2.7 m/s，主風(fēng)向為西風(fēng)、西北風(fēng)[19]。區(qū)域內(nèi)沙物質(zhì)豐富，分布大片沙堆、新月形沙丘、新月形沙丘鏈等，風(fēng)蝕風(fēng)積現(xiàn)象嚴(yán)重[20]。研究區(qū)植被以針茅（Stipa capillata）、芨芨草（Achnatherum splendens）、檸條（Caragana korshinskii）、烏柳（Salix cheilophila）等為主[21]。

1.2 試驗材料及方法

試驗所選沙障類型有柴草條帶沙障、尼龍袋沙障、黏土沙障、燕麥沙障、小麥沙障，設(shè)置時間為2019—2020年。其中尼龍袋沙障、黏土沙障、燕麥沙障、小麥沙障網(wǎng)格狀設(shè)置，網(wǎng)格規(guī)格均為1 m× 1 m，柴草條帶沙障帶狀布設(shè)，帶與帶的間距為1 m。圖表中柴草條帶沙障簡寫為CT、尼龍袋沙障簡寫為NLD、黏土沙障簡寫為NT、燕麥沙障簡寫為YM、小麥沙障簡寫為XM、裸沙地簡寫為LSD。試驗所用菊芋品種為青芋5號，將菊芋塊莖種植于沙障內(nèi)，種植規(guī)格1 m×1 m，每穴中央種植菊芋塊莖2塊，種植時間2021年（圖1）。

1.3 項目測定

株高采用卷尺測定地上基部至植株頂端的長度，單位：cm；基徑采用游標(biāo)卡尺測定地上基部第二莖節(jié)處的植株粗度，單位：mm；節(jié)間距采用直尺測定最長節(jié)間的長度，單位：mm；葉片數(shù)在植株成熟期統(tǒng)計；生物量測定使用電子天平稱量，單位：g。測定株選取采用“Z”字型取樣法，測定生長良好、無病害的菊芋植株。株高、基徑、節(jié)間、葉片數(shù)測定重復(fù)30次，生物量測定重復(fù)6次，上述指標(biāo)測定時間均于2021年8月進行。

1.4 數(shù)據(jù)分析

使用SPSS 24.0進行單因素數(shù)據(jù)分析，利用LSD法檢驗差異顯著性，各處理的顯著性差異檢驗水平為P=0.05，使用OriginPro 2021作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同類型沙障下菊芋株高、基徑特性分析

植物株高是影響植物體獲取光能的最重要的補償構(gòu)型之一[22]，基徑是影響植物體水分吸收、機械支持力等的重要形態(tài)指標(biāo)之一[23]。由圖2、3可知，各類型沙障下菊芋株高、基徑均存在顯著性差異（P<0.05）。菊芋株高以小麥沙障最佳為64.40±5.69 cm，裸沙地最低為19.43±1.27 cm，由高到低依次表現(xiàn)為小麥沙障>柴草條帶沙障>燕麥沙障>尼龍袋沙障>黏土沙障>裸沙地。菊芋基徑由大到小依次表現(xiàn)為小麥沙障>燕麥沙障>柴草條帶沙障>尼龍袋沙障>黏土沙障>裸沙地。

2.2 不同類型沙障下菊芋節(jié)間特性分析

如圖4可知，各類型沙障下菊芋節(jié)間存在顯著性差異（P<0.05），小麥沙障下菊芋節(jié)間長度顯著大于其他類型，較尼龍袋沙障、柴草條帶沙障、黏土沙障、裸沙地、燕麥沙障下菊芋節(jié)間長度分別大0.62、1.27、1.28、1.48、1.70 mm，其中小麥沙障中菊芋節(jié)間最大為5.60±0.32 cm，菊芋節(jié)間最小的在燕麥沙障中為3.90±0.23 cm。

2.3 不同類型沙障下菊芋葉片數(shù)特性分析

葉片是植物進行光合作用的主要器官，葉片中含有豐富的葉綠素，葉綠素是植物進行光合作用的主要色素[24]。植物體擁有的健康葉片數(shù)量越多，其光合作用也越強。由圖5可知，各類型沙障下菊芋葉片數(shù)量存在顯著性差異（P<0.05）。其中，以小麥沙障下菊芋葉片數(shù)最多為27.33±2.23片，其次為燕麥沙障23.33±1.25片，柴草條帶沙障22.03±1.20片，黏土沙障14.40±0.66片，尼龍袋沙障14.20±0.64片，裸沙地最低菊芋葉片數(shù)僅為8.17±0.54片。

2.4 不同類型沙障下菊芋生物量特性分析

植株在生長過程中對生物量的分配方式，可以反映植物在應(yīng)對不同生長環(huán)境時對自然資源的利用能力及資源分配方式[25]。由圖6可知，各類型沙障下菊芋生物量分配存在顯著性差異（P<0.05）。地上、地下部分生物量均為小麥沙障最大，分別為549.60±39.09、562.27±28.24 g，尼龍袋沙障最小，分別為50.73±13.90、58.82±16.82 g。地上部分生物量由小麥沙障、柴草條帶沙障、燕麥沙障、裸沙地、黏土沙障、尼龍袋沙障依次表現(xiàn)為下降趨勢。地下部分生物量由小麥沙障、柴草條帶沙障、黏土沙障、燕麥沙障、裸沙地、尼龍袋沙障依次呈現(xiàn)遞減趨勢。

2.5 主成分分析

由表1可知，前2個主成分貢獻率分別為49.29%、25.38%，且特征根大于1，總貢獻率達74.67%，說明前2個主成分的指標(biāo)能夠解釋不同類型沙障下菊芋的生長表現(xiàn)。結(jié)合表2可得，第1主成分為株高。通過因子旋轉(zhuǎn)，根據(jù)各因子對應(yīng)的方差貢獻率比例為權(quán)重計算綜合得分，將各得分排序得到表3。綜合得分排序依次為小麥沙障>燕麥沙障>柴草條帶沙障>尼龍袋沙障>黏土沙障>裸沙地。

3 討論與結(jié)論

在荒漠化地區(qū)設(shè)置沙障可有效降低地表風(fēng)速，抑制風(fēng)沙流過境強度，減緩風(fēng)蝕堆積現(xiàn)象發(fā)生[26]。通過沙障的布設(shè)，不僅能夠改善土壤養(yǎng)分，也能為地表植被恢復(fù)創(chuàng)造有利條件，促進形成土壤生物結(jié)皮發(fā)育，固定流沙[27-28]。而植物在生長發(fā)育過程中，其功能性狀指標(biāo)會隨生長環(huán)境發(fā)生相應(yīng)的變化[29-30]。

本研究發(fā)現(xiàn)，不同類型沙障下種植的菊芋在表性結(jié)構(gòu)特征、生物量等方面存在顯著差異。其中以小麥沙障中菊芋的表型特征指標(biāo)和生物量表現(xiàn)最佳，其次為燕麥沙障和柴草條帶沙障。這主要是由于小麥沙障、燕麥沙障作為生物沙障對沙障布設(shè)區(qū)域的土壤濕度、土壤微生物生長、土壤養(yǎng)分起到促進作用，為區(qū)域內(nèi)的植被生長提供良好的土壤環(huán)境[27，31]，柴草條帶沙障作為高立式沙障，可有效降低地表風(fēng)速并攔截風(fēng)沙流中所攜帶的大量土壤有機質(zhì)，增加土壤養(yǎng)分含量為菊芋生長發(fā)育創(chuàng)造有利環(huán)境[32]，進而促進菊芋生長發(fā)育。有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，在重度沙化草地上設(shè)置蘆葦高立式沙障，可增加植被蓋度，利于生物結(jié)皮發(fā)育，并攔截風(fēng)沙流中所攜帶的種子，豐富地區(qū)土壤種子庫[33]。

相對于生物沙障，尼龍袋沙障、黏土沙障作為半隱蔽式機械沙障可有效增大地表粗糙度，對于穩(wěn)定和固定流動沙面具有較強優(yōu)勢[34]。由于本試驗中尼龍袋沙障、黏土沙障設(shè)置全部采用網(wǎng)格狀，且其孔隙度低于生物沙障，易在障格的凹曲面形成堆積，對菊芋幼苗造成沙割、沙埋危害，進而使菊芋表型特征、生物量受到影響。在裸沙地中沒有為菊芋生長設(shè)置任何保護性措施，菊芋為保證正常的生長發(fā)育，植物體會調(diào)整資源分配方式。SHAN[35]研究發(fā)現(xiàn)，在干旱缺水和養(yǎng)分貧瘠條件下，植物將生物量更多地分配給根系，有利于植株對水分和養(yǎng)分資源的獲??；安玉艷等[36]研究發(fā)現(xiàn)，植物在應(yīng)對不同程度的干旱脅迫時會表現(xiàn)出不同的應(yīng)對策略。本研究發(fā)現(xiàn)菊芋基徑在裸沙地為最大值，為適應(yīng)干旱、風(fēng)大的自然環(huán)境，菊芋將更多的資源分配給基徑，促進莖稈粗壯以更好地應(yīng)對風(fēng)沙流。

綜上所述，植物在不同的生境下在主動或被動適應(yīng)過程中，不斷調(diào)整、轉(zhuǎn)移、利用內(nèi)部資源，產(chǎn)生不同的適應(yīng)方式，并通過表型或機體理化性質(zhì)表現(xiàn)出來。本研究中，“小麥沙障+菊芋”為最適宜沙珠玉地區(qū)的“沙障+菊芋”組合模式，但本研究僅對表型特征及生物量進行分析，為更好進行評價，應(yīng)進一步對菊芋、土壤的理化性質(zhì)進行分析研究，使評價結(jié)果更完善科學(xué)。

參考文獻

[1] 趙孟良. 青海根莖類蔬菜生產(chǎn)與應(yīng)用[M]. 北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，2020.

[2] 烏日娜，朱鐵霞，于永奇，等. 菊芋的研究現(xiàn)狀及開發(fā)潛力[J]. 草業(yè)科學(xué)，2013，30（8）：1295-1300.

[3] 朱鐵霞，高陽，高凱，等. 干旱脅迫下菊芋各器官生物量及物質(zhì)分配規(guī)律[J]. 生態(tài)學(xué)報，2019，39（21）：8021-8026.

[4] 呂世奇，寇一翾，楊彬，等. 半干旱地區(qū)菊芋品系植株表型與光合特性分析[J]. 作物學(xué)報，2014，40（10）：1857-1864.

[5] 趙孟良. 干旱脅迫下菊芋細胞結(jié)構(gòu)觀察研究[J]. 青海農(nóng)林科技，2020（3）：6-8，53.

[6] 趙孟良. 菊芋塊莖果聚糖研究進展[J]. 分子植物育種，2019，17（2）：650-654.

[7] 趙孟良，任延靖. 菊芋生長發(fā)育特征及其塊莖果糖含量變化分析[J]. 植物生理學(xué)報，2020，56（9）：1899-1909.

[8] 呂世奇，寇一翾，楊彬. 半干旱地區(qū)菊芋品系植株表型與光合特性分析[J]. 作物學(xué)報，2014，40（10）：1857-1864.

[9] 劉鵬，王秀飛，張維東，等. 非糧能源植物菊芋對改良吉林西部鹽堿沙地的作用及應(yīng)用前景[J]. 北方園藝，2013（24）：199-202.

[10] 趙孟良，王麗慧，任延靖，等. 257份菊芋種質(zhì)資源表型性狀的遺傳多樣性[J]. 作物學(xué)報，2020，46（5）：712-725.

[11] 呂世奇. 半干旱區(qū)非糧能源植物菊芋高產(chǎn)形成機制及豐產(chǎn)栽培措施研究[D]. 蘭州：蘭州大學(xué)，2019.

[12] 吳濤，柳永麗，趙芳芳. 不同添加劑對菊芋莖葉青貯品質(zhì)及營養(yǎng)價值的影響[J].草業(yè)科學(xué)，2022，39（4）：770-777.

[13] 國家林業(yè)和草原局.第五次中國荒漠化和沙化狀況公報[R]. 2015.

[14] 張登山. 青海高原綜合防沙治沙技術(shù)研究[C]//中國治沙暨沙業(yè)學(xué)會，中國林業(yè)教育學(xué)會. 《聯(lián)合國防治荒漠化公約》第十三次締約大會“防沙治沙與精準(zhǔn)扶貧”邊會論文集.《聯(lián)合國防治荒漠化公約》第十三次締約大會“防沙治沙與精準(zhǔn)扶貧”邊會論文集.鄂爾多斯2017：13-19.

[15] 鐵生年，馬麗莉，楊興學(xué). 青海湖周邊沙漠化沙粒表面性質(zhì)研究[J]. 青海大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2011，29（5）：17-20.

[16] 陳明. 都蘭綠洲水資源利用規(guī)劃研究與防沙治沙技術(shù)[D]. 北京：北京林業(yè)大學(xué)，2011.

[17] 馮莉莉，賈志清，李清雪，等. 高寒沙地優(yōu)勢防護林篩選研究[J].林業(yè)資源管理，2017（5）：45-51，73.

[18] 王之國，楊晉彬. 土地荒漠化和治沙植物菊芋[J].北方園藝，2002（5）：31.

[19] 田麗慧，張登山，彭繼平，等. 高寒沙地人工植被恢復(fù)區(qū)地表沉積物粒度特征[J]. 中國沙漠，2015，35（1）：32-39.

[20] 董光榮，高尚玉，金炯，等. 青海共和盆地土地沙漠化與防治途徑[M]. 北京：科學(xué)出版社，1993.

[21] 尹書樂. 共和盆地典型人工灌木群落生態(tài)特性與土壤碳研究[D]. 北京：中國林業(yè)科學(xué)研究院，2015.

[22] 楊曉東，閻恩榮，張志浩，等. 浙江天童常綠闊葉林演替階段共有種的樹木構(gòu)型[J]. 植物生態(tài)學(xué)報，2013，37（7）：611-619.

[23] 李利平，安尼瓦爾·買買提，王襄平. 新疆山地針葉林喬木胸徑-樹高關(guān)系分析[J]. 干旱區(qū)研究，2011，28（1）：47-53.

[24] 曹林，吳玉環(huán)，章藝，等. 外源水楊酸對鋁脅迫下菊芋光合特性及耐鋁性的影響[J]. 水土保持學(xué)報，2015，29（4）：260-266.

[25] 楊明秀. 荒漠草原人工檸條林地灌草量質(zhì)動態(tài)及其約束因子研究[D]. 銀川：寧夏大學(xué)，2014.

[26] 袁立敏. 模塊沙障的構(gòu)建及其防護效益研究[D]. 呼和浩特：內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)，2014.

[27] 王逸敏，劉康，屈建軍. 沙障對流沙地植被和土壤養(yǎng)分的影響[J]. 中國沙漠，2019，39（3）：56-65.

[28] 陳志超，李寧，劉昌華. 古爾班通古特沙漠草方格沙障對土壤養(yǎng)分的影響[J]. 草業(yè)科學(xué)，2013，30（5）：699-702.

[29] 曹鶴，楊新兵，劉煜光，等. 河北省六種藤蔓植物石灰?guī)r礦山環(huán)境栽種適應(yīng)性[J]. 北方園藝，2020（17）：74-79.

[30] RONZHINA D A，IVANOVA L A，IVANOV L A. Leaf functional traits and biomass of wetland plants in forest and steppe zones[J]. Russian Journal of Plant Physiology，2019，66（3）：393-402.

[31] 靳虎甲，王繼和，李毅，等. 騰格里沙漠南緣沙漠化逆轉(zhuǎn)過程中的土壤化學(xué)性質(zhì)變化特征[J]. 水土保持學(xué)報，2008，22（5）：119-124.

[32] 曹子龍，趙廷寧，鄭翠玲，等. 帶狀高立式沙障防治草地沙化機理的研究[J]. 水土保持通報，2005（4）：15-19.

[33] 趙廷寧，曹子龍，鄭翠玲，等.平行高立式沙障對嚴(yán)重沙化草地植被及土壤種子庫的影響[J]. 北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報，2005，27（2）：34-37.

[34] 屈建軍，凌裕泉，俎瑞平，等. 半隱蔽格狀沙障的綜合防護效益觀測研究[J]. 中國沙漠，2005（3）：329-335.

[35] SHAN L S，ZHANG X M，WANG Y K，et al. Influence of moisture on the growth and biomass allocation in Haloxylon ammodendron and Tamarix ramosissima seedlings in the shelterbelt along the Tarim Desert Highway，Xinjiang，China[J]. Chinese Science Bulletin，2008，53（2）：93-101.

[36] 安玉艷，梁宗鎖.植物應(yīng)對干旱脅迫的階段性策略[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，2012，23（10）：2907-2915.

（責(zé)編：王 菁）