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(duì)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(duì)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(duì)照）下菊芋的株高、基徑、節(jié)間、葉片數(shù)、生物量等特性進(jìn)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(gè)）、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(hào) S157.2? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

文章編號(hào) 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(qiáng)，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(shí)會(huì)通過增加葉片及角質(zhì)膜厚度以主動(dòng)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(qiáng)機(jī)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(xiǎn)，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(duì)257份菊芋種質(zhì)資源進(jìn)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(gè)不同品系菊芋高產(chǎn)形成機(jī)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(duì)其莖葉青貯品質(zhì)及營養(yǎng)價(jià)值的影響，以期為菊芋莖葉青貯品質(zhì)、營養(yǎng)價(jià)值的評(píng)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(hù)與環(huán)境治理重點(diǎn)關(guān)注的領(lǐng)域。第五次中國荒漠化和沙化狀況公報(bào)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(dú)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(duì)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(jìn)行荒漠化治理。陳明[16]通過對(duì)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(jìn)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(duì)不同類型防護(hù)林的生態(tài)服務(wù)功能進(jìn)行評(píng)價(jià)，選擇出適應(yīng)于不同荒漠化發(fā)生程度的防護(hù)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(duì)不同類型沙障中菊芋的表型結(jié)構(gòu)及生物量特征進(jìn)行對(duì)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(yàn)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?yàn)槲黠L(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(yàn)材料及方法

試驗(yàn)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(shí)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(jiǎn)寫為CT、尼龍袋沙障簡(jiǎn)寫為NLD、黏土沙障簡(jiǎn)寫為NT、燕麥沙障簡(jiǎn)寫為YM、小麥沙障簡(jiǎn)寫為XM、裸沙地簡(jiǎn)寫為LSD。試驗(yàn)所用菊芋品種為青芋5號(hào)，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(shí)間2021年（圖1）。

1.3 項(xiàng)目測(cè)定

株高采用卷尺測(cè)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(cè)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(cè)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(jì)；生物量測(cè)定使用電子天平稱量，單位：g。測(cè)定株選取采用“Z”字型取樣法，測(cè)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(cè)定重復(fù)30次，生物量測(cè)定重復(fù)6次，上述指標(biāo)測(cè)定時(shí)間均于2021年8月進(jìn)行。

1.4 數(shù)據(jù)分析

使用SPSS 24.0進(jìn)行單因素?cái)?shù)據(jù)分析，利用LSD法檢驗(yàn)差異顯著性，各處理的顯著性差異檢驗(yàn)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(bǔ)償構(gòu)型之一[22]，基徑是影響植物體水分吸收、機(jī)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(jìn)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(jìn)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(qiáng)。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(duì)生物量的分配方式，可以反映植物在應(yīng)對(duì)不同生長環(huán)境時(shí)對(duì)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(shì)。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(shì)。

2.5 主成分分析

由表1可知，前2個(gè)主成分貢獻(xiàn)率分別為49.29%、25.38%，且特征根大于1，總貢獻(xiàn)率達(dá)74.67%，說明前2個(gè)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(duì)應(yīng)的方差貢獻(xiàn)率比例為權(quán)重計(jì)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(qiáng)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(jìn)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(huì)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(duì)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(jìn)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(jī)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(jìn)而促進(jìn)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(duì)于生物沙障，尼龍袋沙障、黏土沙障作為半隱蔽式機(jī)械沙障可有效增大地表粗糙度，對(duì)于穩(wěn)定和固定流動(dòng)沙面具有較強(qiáng)優(yōu)勢(shì)[34]。由于本試驗(yàn)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(duì)菊芋幼苗造成沙割、沙埋危害，進(jìn)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(hù)性措施，菊芋為保證正常的生長發(fā)育，植物體會(huì)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(duì)水分和養(yǎng)分資源的獲取；安玉艷等[36]研究發(fā)現(xiàn)，植物在應(yīng)對(duì)不同程度的干旱脅迫時(shí)會(huì)表現(xiàn)出不同的應(yīng)對(duì)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(jìn)莖稈粗壯以更好地應(yīng)對(duì)風(fēng)沙流。

綜上所述，植物在不同的生境下在主動(dòng)或被動(dòng)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(jī)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(duì)表型特征及生物量進(jìn)行分析，為更好進(jìn)行評(píng)價(jià)，應(yīng)進(jìn)一步對(duì)菊芋、土壤的理化性質(zhì)進(jìn)行分析研究，使評(píng)價(jià)結(jié)果更完善科學(xué)。

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（責(zé)編：王 菁）