郭彧　杨恒华　赵雪彬　羊秀本　赵孟良　范文秀　赵天悦

摘要 土地荒漠化严重制约着我国干旱、半干旱、亚湿润干旱区的生产发展，威胁地区生态环境发展，设置沙障是荒漠化防治过程中重要的工程措施之一。菊芋不仅可作为优良的饲料作物，也可作为荒漠化地区防风固沙的植物种。为探明高寒半干旱地区不同类型沙障对菊芋生长的影响，总结出适宜沙珠玉地区“沙障+菊芋种植”治理模式，本研究对沙珠玉地区5种不同类型沙障（柴草条带沙障、尼龙袋沙障、黏土沙障、燕麦沙障、小麦沙障，以裸沙地为对照）下菊芋的株高、基径、节间、叶片数、生物量等特性进行分析。结果表明，①菊芋的株高、基径、节间、叶片数、生物量在不同类型沙障中均表现出显著性差异；②菊芋的株高（64.40±5.69 cm）、基径（10.43±0.74 mm）、节间（5.60±0.32 mm）、叶片数（27.33±2.23个）、生物量（地上部分549.60±39.09 g；地下部分562.27±28.24 g）均以小麦沙障下的表现最佳；③通过主成分分析，得出“小麦沙障+菊芋”种植模式是更适宜沙珠玉地区“沙障+菊芋”的治理模式。

關键词 沙珠玉；沙障；表型特征；生物量

中图分类号 S157.2   文献标识码 A

文章编号 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），菊科向日葵属多年生宿根性草本植物，俗名洋姜、鬼子姜[1]。主起源于北美温带地区，以块茎繁殖为主，在我国广泛分布于干旱、半干旱地区，如陕西、甘肃、宁夏等地[2]。菊芋适应性较强，具有很好的抗寒、抗旱、耐盐碱、耐贫瘠等特性[3-4]。菊芋受到干旱胁迫时会通过增加叶片及角质膜厚度以主动响应逆境胁迫[5]。菊芋块茎中富含果聚糖，果聚糖的存在使菊芋不仅具有调节血糖代谢的功能，还可以增强机体免疫力，降低人类患糖尿病和心血管疾病及肥胖症的风险，是优良的保健食品[6-7]。菊芋还可作为能源植物，因其体内富含寡糖类物质，作为非粮寡糖类能源植物具有极大的开发潜力[8-9]。菊芋因具有多种优良特性，其研究利用前景较为广阔。赵孟良等[10]应用主成分分析法对257份菊芋种质资源进行表型形状和遗传多样性研究，为菊芋种质资源的利用及品种选育提供重要支撑。吕世奇[11]系统地分析了15个不同品系菊芋高产形成机理，为半干旱雨养农业区菊芋高产栽培措施提供理论依据和技术支撑。吴涛等[12]以成熟期菊芋茎叶为材料，研究不同添加剂对其茎叶青贮品质及营养价值的影响，以期为菊芋茎叶青贮品质、营养价值的评定提供数据支撑。

干旱、半干旱地区的荒漠化防治，一直是我国生态保护与环境治理重点关注的领域。第五次中国荒漠化和沙化状况公报显示，截至2014年底，青海省荒漠化土地19.04 万km²，沙化土地面积12.17 万km²，分别占全省国土面积的26.36%、16.85%[13]。青海地处青藏高原，气候类型独特，生境严酷，植被脆弱，在高寒荒漠化方面已形成一套综合的具有青海特色的荒漠化防治技术体系[14]。铁生年等[15]对青海湖周边沙化土地开展沙粒表面性质研究，研究发现沙粒表层具有一定量的物理吸附物，可利用这一特性采取化学固沙进行荒漠化治理。陈明[16]通过对青海都兰县察汗乌苏绿洲的水资源现状、开发利用等进行研究，提出绿洲综合防沙治沙技术体系。冯莉莉等[17]在青海共和沙珠玉地区对不同类型防护林的生态服务功能进行评价，选择出适应于不同荒漠化发生程度的防护林类型。自1999年起，菊芋便被应用于防风固沙植物[18]。本研究通过对不同类型沙障中菊芋的表型结构及生物量特征进行对比分析，以期选出沙珠玉地区“沙障+菊芋种植”防风固沙最佳组合模式。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

研究区位于青藏高原东北部的共和盆地沙珠玉地区，海拔2 800 ～2 895 m，气候干旱寒冷，年均气温2.4 ℃，年降水量246.3 mm，年蒸发量1 716.7 mm，年平均风速2.7 m/s，主风向为西风、西北风[19]。区域内沙物质丰富，分布大片沙堆、新月形沙丘、新月形沙丘链等，风蚀风积现象严重[20]。研究区植被以针茅（Stipa capillata）、芨芨草（Achnatherum splendens）、柠条（Caragana korshinskii）、乌柳（Salix cheilophila）等为主[21]。

1.2 试验材料及方法

试验所选沙障类型有柴草条带沙障、尼龙袋沙障、黏土沙障、燕麦沙障、小麦沙障，设置时间为2019—2020年。其中尼龙袋沙障、黏土沙障、燕麦沙障、小麦沙障网格状设置，网格规格均为1 m× 1 m，柴草条带沙障带状布设，带与带的间距为1 m。图表中柴草条带沙障简写为CT、尼龙袋沙障简写为NLD、黏土沙障简写为NT、燕麦沙障简写为YM、小麦沙障简写为XM、裸沙地简写为LSD。试验所用菊芋品种为青芋5号，将菊芋块茎种植于沙障内，种植规格1 m×1 m，每穴中央种植菊芋块茎2块，种植时间2021年（图1）。

1.3 项目测定

株高采用卷尺测定地上基部至植株顶端的长度，单位：cm；基径采用游标卡尺测定地上基部第二茎节处的植株粗度，单位：mm；节间距采用直尺测定最长节间的长度，单位：mm；叶片数在植株成熟期统计；生物量测定使用电子天平称量，单位：g。测定株选取采用“Z”字型取样法，测定生长良好、无病害的菊芋植株。株高、基径、节间、叶片数测定重复30次，生物量测定重复6次，上述指标测定时间均于2021年8月进行。

1.4 数据分析

使用SPSS 24.0进行单因素数据分析，利用LSD法检验差异显著性，各处理的显著性差异检验水平为P=0.05，使用OriginPro 2021作图。

2 结果与分析

2.1 不同类型沙障下菊芋株高、基徑特性分析

植物株高是影响植物体获取光能的最重要的补偿构型之一[22]，基径是影响植物体水分吸收、机械支持力等的重要形态指标之一[23]。由图2、3可知，各类型沙障下菊芋株高、基径均存在显著性差异（P<0.05）。菊芋株高以小麦沙障最佳为64.40±5.69 cm，裸沙地最低为19.43±1.27 cm，由高到低依次表现为小麦沙障>柴草条带沙障>燕麦沙障>尼龙袋沙障>黏土沙障>裸沙地。菊芋基径由大到小依次表现为小麦沙障>燕麦沙障>柴草条带沙障>尼龙袋沙障>黏土沙障>裸沙地。

2.2 不同类型沙障下菊芋节间特性分析

如图4可知，各类型沙障下菊芋节间存在显著性差异（P<0.05），小麦沙障下菊芋节间长度显著大于其他类型，较尼龙袋沙障、柴草条带沙障、黏土沙障、裸沙地、燕麦沙障下菊芋节间长度分别大0.62、1.27、1.28、1.48、1.70 mm，其中小麦沙障中菊芋节间最大为5.60±0.32 cm，菊芋节间最小的在燕麦沙障中为3.90±0.23 cm。

2.3 不同类型沙障下菊芋叶片数特性分析

叶片是植物进行光合作用的主要器官，叶片中含有丰富的叶绿素，叶绿素是植物进行光合作用的主要色素[24]。植物体拥有的健康叶片数量越多，其光合作用也越强。由图5可知，各类型沙障下菊芋叶片数量存在显著性差异（P<0.05）。其中，以小麦沙障下菊芋叶片数最多为27.33±2.23片，其次为燕麦沙障23.33±1.25片，柴草条带沙障22.03±1.20片，黏土沙障14.40±0.66片，尼龙袋沙障14.20±0.64片，裸沙地最低菊芋叶片数仅为8.17±0.54片。

2.4 不同类型沙障下菊芋生物量特性分析

植株在生长过程中对生物量的分配方式，可以反映植物在应对不同生长环境时对自然资源的利用能力及资源分配方式[25]。由图6可知，各类型沙障下菊芋生物量分配存在显著性差异（P<0.05）。地上、地下部分生物量均为小麦沙障最大，分别为549.60±39.09、562.27±28.24 g，尼龙袋沙障最小，分别为50.73±13.90、58.82±16.82 g。地上部分生物量由小麦沙障、柴草条带沙障、燕麦沙障、裸沙地、黏土沙障、尼龙袋沙障依次表现为下降趋势。地下部分生物量由小麦沙障、柴草条带沙障、黏土沙障、燕麦沙障、裸沙地、尼龙袋沙障依次呈现递减趋势。

2.5 主成分分析

由表1可知，前2个主成分贡献率分别为49.29%、25.38%，且特征根大于1，总贡献率达74.67%，说明前2个主成分的指标能够解释不同类型沙障下菊芋的生长表现。结合表2可得，第1主成分为株高。通过因子旋转，根据各因子对应的方差贡献率比例为权重计算综合得分，将各得分排序得到表3。综合得分排序依次为小麦沙障>燕麦沙障>柴草条带沙障>尼龙袋沙障>黏土沙障>裸沙地。

3 讨论与结论

在荒漠化地区设置沙障可有效降低地表风速，抑制风沙流过境强度，减缓风蚀堆积现象发生[26]。通过沙障的布设，不仅能够改善土壤养分，也能为地表植被恢复创造有利条件，促进形成土壤生物结皮发育，固定流沙[27-28]。而植物在生长发育过程中，其功能性状指标会随生长环境发生相应的变化[29-30]。

本研究发现，不同类型沙障下种植的菊芋在表性结构特征、生物量等方面存在显著差异。其中以小麦沙障中菊芋的表型特征指标和生物量表现最佳，其次为燕麦沙障和柴草条带沙障。这主要是由于小麦沙障、燕麦沙障作为生物沙障对沙障布设区域的土壤湿度、土壤微生物生长、土壤养分起到促进作用，为区域内的植被生长提供良好的土壤环境[27，31]，柴草条带沙障作为高立式沙障，可有效降低地表风速并拦截风沙流中所携带的大量土壤有机质，增加土壤养分含量为菊芋生长发育创造有利环境[32]，进而促进菊芋生长发育。有学者研究发现，在重度沙化草地上设置芦苇高立式沙障，可增加植被盖度，利于生物结皮发育，并拦截风沙流中所携带的种子，丰富地区土壤种子库[33]。

相对于生物沙障，尼龙袋沙障、黏土沙障作为半隐蔽式机械沙障可有效增大地表粗糙度，对于稳定和固定流动沙面具有较强优势[34]。由于本试验中尼龙袋沙障、黏土沙障设置全部采用网格状，且其孔隙度低于生物沙障，易在障格的凹曲面形成堆积，对菊芋幼苗造成沙割、沙埋危害，进而使菊芋表型特征、生物量受到影响。在裸沙地中没有为菊芋生长设置任何保护性措施，菊芋为保证正常的生长发育，植物体会调整资源分配方式。SHAN[35]研究发现，在干旱缺水和养分贫瘠条件下，植物将生物量更多地分配给根系，有利于植株对水分和养分资源的获取；安玉艳等[36]研究发现，植物在应对不同程度的干旱胁迫时会表现出不同的应对策略。本研究发现菊芋基径在裸沙地为最大值，为适应干旱、风大的自然环境，菊芋将更多的资源分配给基径，促进茎秆粗壮以更好地应对风沙流。

综上所述，植物在不同的生境下在主动或被动适应过程中，不断调整、转移、利用内部资源，产生不同的适应方式，并通过表型或机体理化性质表现出来。本研究中，“小麦沙障+菊芋”为最适宜沙珠玉地区的“沙障+菊芋”组合模式，但本研究仅对表型特征及生物量进行分析，为更好进行评价，应进一步对菊芋、土壤的理化性质进行分析研究，使评价结果更完善科学。

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（责编：王 菁）