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 土地荒漠化嚴重制約著我國干旱、半干旱、亞濕潤干旱區的生產發展，威脅地區生態環境發展，設置沙障是荒漠化防治過程中重要的工程措施之一。菊芋不僅可作為優良的飼料作物，也可作為荒漠化地區防風固沙的植物種。為探明高寒半干旱地區不同類型沙障對菊芋生長的影響，總結出適宜沙珠玉地區“沙障+菊芋種植”治理模式，本研究對沙珠玉地區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、節間、葉片數、生物量等特性進行分析。結果表明，①菊芋的株高、基徑、節間、葉片數、生物量在不同類型沙障中均表現出顯著性差異；②菊芋的株高（64.40±5.69 cm）、基徑（10.43±0.74 mm）、節間（5.60±0.32 mm）、葉片數（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“沙障+菊芋”的治理模式。

關鍵詞 沙珠玉；沙障；表型特征；生物量

中圖分類號 S157.2? ?文獻標識碼 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，以塊莖繁殖為主，在我國廣泛分布于干旱、半干旱地區，如陜西、甘肅、寧夏等地[2]。菊芋適應性較強，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膜厚度以主動響應逆境脅迫[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節血糖代謝的功能，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險，是優良的保健食品[6-7]。菊芋還可作為能源植物，因其體內富含寡糖類物質，作為非糧寡糖類能源植物具有極大的開發潛力[8-9]。菊芋因具有多種優良特性，其研究利用前景較為廣闊。趙孟良等[10]應用主成分分析法對257份菊芋種質資源進行表型形狀和遺傳多樣性研究，為菊芋種質資源的利用及品種選育提供重要支撐。呂世奇[11]系統地分析了15個不同品系菊芋高產形成機理，為半干旱雨養農業區菊芋高產栽培措施提供理論依據和技術支撐。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及營養價值的影響，以期為菊芋莖葉青貯品質、營養價值的評定提供數據支撐。

干旱、半干旱地區的荒漠化防治，一直是我國生態保護與環境治理重點關注的領域。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研究，研究發現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狀、開發利用等進行研究，提出綠洲綜合防沙治沙技術體系。馮莉莉等[17]在青海共和沙珠玉地區對不同類型防護林的生態服務功能進行評價，選擇出適應于不同荒漠化發生程度的防護林類型。自1999年起，菊芋便被應用于防風固沙植物[18]。本研究通過對不同類型沙障中菊芋的表型結構及生物量特征進行對比分析，以期選出沙珠玉地區“沙障+菊芋種植”防風固沙最佳組合模式。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

研究區位于青藏高原東北部的共和盆地沙珠玉地區，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，年蒸發量1 716.7 mm，年平均風速2.7 m/s，主風向為西風、西北風[19]。區域內沙物質豐富，分布大片沙堆、新月形沙丘、新月形沙丘鏈等，風蝕風積現象嚴重[20]。研究區植被以針茅（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、小麥沙障網格狀設置，網格規格均為1 m× 1 m，柴草條帶沙障帶狀布設，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，種植規格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；基徑采用游標卡尺測定地上基部第二莖節處的植株粗度，單位：mm；節間距采用直尺測定最長節間的長度，單位：mm；葉片數在植株成熟期統計；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、節間、葉片數測定重復30次，生物量測定重復6次，上述指標測定時間均于2021年8月進行。

1.4 數據分析

使用SPSS 24.0進行單因素數據分析，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指標之一[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間特性分析

如圖4可知，各類型沙障下菊芋節間存在顯著性差異（P<0.05），小麥沙障下菊芋節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間最大為5.60±0.32 cm，菊芋節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量存在顯著性差異（P<0.05）。其中，以小麥沙障下菊芋葉片數最多為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，可以反映植物在應對不同生長環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個主成分的指標能夠解釋不同類型沙障下菊芋的生長表現。結合表2可得，第1主成分為株高。通過因子旋轉，根據各因子對應的方差貢獻率比例為權重計算綜合得分，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 討論與結論

在荒漠化地區設置沙障可有效降低地表風速，抑制風沙流過境強度，減緩風蝕堆積現象發生[26]。通過沙障的布設，不僅能夠改善土壤養分，也能為地表植被恢復創造有利條件，促進形成土壤生物結皮發育，固定流沙[27-28]。而植物在生長發育過程中，其功能性狀指標會隨生長環境發生相應的變化[29-30]。

本研究發現，不同類型沙障下種植的菊芋在表性結構特征、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和生物量表現最佳，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區域的土壤濕度、土壤微生物生長、土壤養分起到促進作用，為區域內的植被生長提供良好的土壤環境[27，31]，柴草條帶沙障作為高立式沙障，可有效降低地表風速并攔截風沙流中所攜帶的大量土壤有機質，增加土壤養分含量為菊芋生長發育創造有利環境[32]，進而促進菊芋生長發育。有學者研究發現，在重度沙化草地上設置蘆葦高立式沙障，可增加植被蓋度，利于生物結皮發育，并攔截風沙流中所攜帶的種子，豐富地區土壤種子庫[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，對于穩定和固定流動沙面具有較強優勢[34]。由于本試驗中尼龍袋沙障、黏土沙障設置全部采用網格狀，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置任何保護性措施，菊芋為保證正常的生長發育，植物體會調整資源分配方式。SHAN[35]研究發現，在干旱缺水和養分貧瘠條件下，植物將生物量更多地分配給根系，有利于植株對水分和養分資源的獲取；安玉艷等[36]研究發現，植物在應對不同程度的干旱脅迫時會表現出不同的應對策略。本研究發現菊芋基徑在裸沙地為最大值，為適應干旱、風大的自然環境，菊芋將更多的資源分配給基徑，促進莖稈粗壯以更好地應對風沙流。

綜上所述，植物在不同的生境下在主動或被動適應過程中，不斷調整、轉移、利用內部資源，產生不同的適應方式，并通過表型或機體理化性質表現出來。本研究中，“小麥沙障+菊芋”為最適宜沙珠玉地區的“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，應進一步對菊芋、土壤的理化性質進行分析研究，使評價結果更完善科學。

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（責編：王 菁）