吉林省西部菊芋品质及耐盐碱性优选研究

    徐子棋 张瑜 杨献坤

    

    

    

    摘?要：为丰富苏打盐碱化土地生态经济植物种，提供菊芋在苏打盐碱化土地栽植的理论支持，本研究利用主成分分析法和聚类分析法对吉林省西部本地菊芋品种生长、生物量特点进行描述、分类，并在该区域苏打盐碱化淡黑钙土上进行“南芋1号”栽植试验，研究其适应性及产量性状。结果表明：①本地品种菊芋均自然分布于pH≤8.05、电导率≤0.159 ms/cm的土壤上;②主成分分析可知，影响该区域菊芋生长、产量状况的主要正向因子包括塊茎鲜重、块茎颜色和块茎平均直径等;③聚类分析可知，该区域菊芋品种分为3大类，第2类和第3类推广前景较好;④“南芋1号”在pH为8.82、电导率为0.261 ms/cm的苏打盐碱化淡黑钙土存活、生长状况良好，栽植第2a紫色块茎植株和白色块茎植株的块茎鲜重分别可达到本地菊芋块茎鲜重平均值147.83%和119.59%。综上所述，吉林省西部本地菊芋品种产量差异较大，耐盐性较差，“南芋1号”对苏打盐碱化土壤的适应范围广于本地菊芋品种，且产量较高，适宜在苏打盐碱化土壤上种植、推广。

    关键词：菊芋;吉林省西部;苏打盐碱化土地;引种

    中图分类号：S632.9文献标识码：A???文章编号：1006-8023（2019）06-0006-10

    Optimization Research of Quality and Saline-alkaline Resistance

    of Helianthus tuberosus L. Species in the Western Jilin Province

    XU Ziqi*， ZHANG Yu， YANG Xiankun

    （Institute of Soil and Water Conservation of Jilin Province， Changchun 130033）

    Abstract：In order to enrich the plant species with high economic and ecological benefits and provide theoretical support for the plantation of Helianthus tuberosus L. on the soda saline-alkaline land， in this research， the principal component analysis and the cluster analysis were used for the growth and the biomass feature description and classification of the local Helianthus tuberosus L. species in the Western Jilin Province. And planting experiment of “Nanyu No.1” was carried out on the soda salinized light chernozem soil in this area to study its adaptability and yield characters. The results show that： （1） Local Helianthus tuberosus L. species all distribute in the soil with the pH≤8.05 and the conductivity ≤0.159ms/cm; （2）According to the results of the principal component analysis， the main positive factors affecting the growth and the yield of the local Helianthus tuberosus L. species include fresh weight of tuber， tuber color and average diameter of tuber， etc.; （3）The results of the cluster analysis show that the local Helianthus tuberosus L. species can be divided into three categories： the second category and the third category have better promotion prospects; （4） “Nanyu No.1” survives and grows well on the soda salinized light chernozem soil with the pH of 8.82 and the conductivity of 0.261 ms/cm， and in the second year of planting， the fresh tuber weight of the purple tuber plant and the white tuber plant of “Nanyu No.1” can reach the 147.83% and the 119.59% of that of the local species respectively. In conclusion， the yields of the local Helianthus tuberosus L. species in the Western Jilin Province differ a lot， and their salt tolerances are poor， and “Nanyu No.1” has a wider range of adaptability for the soil salinization than that of the local species in the Western Jilin Province， and its yield is relative high， so it is suitable to be planted and promoted on the soda salinized soil.

    Keywords：Helianthus tuberosus L.; Western Jilin Province; soda saline-alkaline land; introduction

    收稿日期：2019-08-04

    基金项目：吉林省财政厅项目（吉林省西部盐渍化草地恢复技术研究）

    第一作者简介：徐子棋，硕士，助工。研究方向：水土保持生態修复研究。E-mail： [email protected]

    引文格式：徐子棋，张瑜，杨献坤. 吉林省西部菊芋品质及耐盐碱性优选研究[J].森林工程，2019，35（6）：6-15.

    0?引言

    苏打盐碱地是以NaHCO3和Na2CO3为主的盐碱化土地[1]。吉林省西部位于世界三大苏打盐碱地分布区之一的松嫩平原中南部，由于自然因素和人为因素，该区域的土地盐碱化越来越严重[2]。20世纪50年代吉林省西部苏打盐碱地面积为1.13×106 hm2，占该区域面积的24.26%[3-4]。2018年数据显示，该区域苏打盐碱地的面积已达2.2×106 hm2[1]。土地盐碱化不仅对该区域的生态环境造成的威胁，而且降低土地生产力，对农业和农村经济发展具有较大的阻碍作用[5-6]。因此，选择适宜植物种，在恢复该区域生态环境的同时又能取得较好的经济效益成为近年来的研究热点。

    菊芋（Helianthus tuberosus L.），又名鬼子姜，洋姜，是一种菊科向日葵属的多年生草本，对干旱、盐碱和贫瘠等不利环境都有较好的抗性，是一种生态效益、经济效益兼优的植物。众多学者对菊芋的耐盐碱性作了室内试验研究。研究表明，NaCl胁迫显著影响菊芋地上、地下部分生长、生物量积累、糖分积累和光合作用，且NaCl浓度越高，抑制作用越明显，不同菊芋耐盐碱能力差异较大，灌溉液中0.4%NaCl为临界点，是筛选菊芋耐盐性的参考浓度[7-12]。苏打盐（NaHCO3、Na2CO3）浓度20 mmol/L是显著分界线，高于此浓度时Na2CO3对菊芋生长、生物量和光合作用的抑制作用显著提升，且菊芋对碱度的响应明显于盐度[13-14]。海水胁迫试验表明，海水浓度越高，菊芋体内Na+和Cl-积累得越多，光合作用越差，海水浓度超过75%后菊芋生物量积累剧烈下降[15-16]。地上部分鲜重、脯氨酸含量和植株干重可作为评价菊芋品种耐盐性的主要因子，混合盐胁迫下菊芋主要提高超氧化物歧化酶、渗透调节物质含量等方式抵御伤害[17-19]。同时，也有学者在松嫩平原[20-22]、山西省盐碱地[23-24]、山东省黄河三角洲盐碱地[25]和江苏省海水灌溉田[26-27]等多地进行菊芋室外栽植试验，结果表明，上述研究区室外条件下菊芋在中度（pH8.66）及以下苏打盐碱度上生长、生物量及生理（离子代谢、光合作用等）状况良好，且对土壤理化性状具有较好的改良作用，但对重度苏打盐碱土适应性较差。此外，多位学者对提高菊芋抗盐性措施进行了研究。研究表明，添加KNO3能够提高菊芋体内K+/Na+比，促进光合作用，缓解盐害[28]。施用钙离子能够减轻菊芋脂质过氧化，提高叶绿素含量，从而减轻盐分对其生物量积累的影响[29-30]。外源磷、氮能够提高菊芋保护性酶活性、提高其光合能力，改善营养供应，从而提高菊芋耐盐性[31-34]。施用水杨酸能够提高菊芋光合能力，抑制Na+离子在植株体内积累，提高菊芋抗盐能力[35]。垄作比平作更有利于菊芋对营养的吸收，减少了盐分对菊芋生物量积累的抑制影响[36]。然而，苏打盐碱地原生菊芋品种生长、生物量、耐盐性品质分类和耐盐、高产优良菊芋品种在苏打盐碱地栽培试验研究却鲜有报道。

    本研究对吉林省西部本地菊芋品种的生长、产量特征进行了分类研究，提出推广潜质较好的菊芋品种，并在该区域盐碱化淡黑钙土上开展了“南芋1号”的栽植试验，观测其存活、生长及生物量积累状况，同时比较“南芋1号”与本地菊芋品种的产量和耐盐碱性，以期为菊芋在苏打盐碱化土壤上栽植、利用提供理论支持。

    1?材料与方法

    1.1?研究区域概况

    吉林省西部本地菊芋品种调查区为吉林省白城市通榆县，具体地理坐标范围为E122°22′49.47″-123°15′20.00″，N44°35′40.71″-45°08′45.03″，“南芋1号”栽培试验区为通榆县鸿兴镇聚富村，地理坐标为E123°12′12″，N45°02′11″。通榆县地形较为平缓，地势西北高东南低，最低海拔与最高海拔相差约40 m，平均海拔160 m。通榆县属北温带大陆性季节天气，年平均相对湿度为56%，年平均气温6 ℃，年平均降水370.6 mm，年平均风速3.7 m/s，年极大风速31 m/s，出现在6月，年主导风向为西熏风和西冬风，最大冻土深度125 cm。主要土壤类型包括淡黑钙土、风沙土草甸土和盐碱土等。

    1.2?供试材料

    1.2.1?吉林省西部本地菊芋品种调查

    通过咨询当地相关部门及当地居民，选取12处自然分布的、生长品质和生物量品质较有代表性的菊芋进行相关调查研究，土壤类型均为淡黑钙土。本研究利用手持GPS（任我游集思宝A5）对12个样点经纬度进行测定（表1）。2017年11月收获自然生长菊芋的块茎，2018年5月初在各品种相应自然分布处旁边进行人工栽植，栽植株行距为0.65 m×0.65 m，每处栽植10排，每排10株，每30 d浇水一次。

    1.2.2?“南芋1号”苏打盐碱化淡黑钙土栽培试验

    选择原产地江苏省南京市的、耐盐碱性和产量均较好的“南芋1号”菊芋块茎作为供试材料，分别于2017年5月初和2018年5月初栽植，当年11月初收获（其中，2018年栽植块茎为2017年收获所得）。栽植株行距为0.65 m×0.65 m，共栽植20排，每排10株，每30 d浇水一次。

    1.3?测定方法

    1.3.1?吉林省西部本地菊芋品种调查

    指标的选择参考庄舜尧等[36]、孔涛等[37]、高凯等[38]、吕世奇等[39]的研究方法。在2018年10月份期间，每个菊芋样地选择5株具有代表性的植株进行1次调查测定。用卷尺测定株高、块茎平均分布深度和块茎平均横向分布幅度，精确到0.1 cm。用游标卡尺测定地径和块茎平均直径，精确到0.01 mm。

    1.3.2?“南芋1号”苏打盐碱化淡黑钙土栽培试验

    分别于2017年6月和2018年6月观测“南芋1号”栽培成活率，共统计10排（每排10株）。同时选取10株长势具有代表性的植株挂牌，观测其生长、生物量指标。同年9月份测定其叶片量、地径和分枝数。11月份测定其块茎鲜重、块茎个数、地上部分鲜重和根系鲜重，并将块茎带回实验室，用烘箱105 ℃烘干24 h至恒重并称量。并且分别在2017年和2018年5月-10月期间，每15 d测定一次株高和冠幅。冠幅参考史元春等[40]研究方法，取东西、南北冠长的平均值。

    土壤指标的选择参考郭兴等和范亚文等的研究[41-42]。2018年11月份进行土壤取样。本地菊芋在相应调查田块S形取土混合，取土深度为20 cm。在“南芋1号”试验田采用四分法取土。环刀取表层土，用作物理性质测定，土壤物理性质（容重、总孔隙度和含水量）参考乔胜英等的方法[43]。化学性质测定取土深度为20 cm，土壤全氮量（TN）用半微量开氏法测定，土壤全磷量（TP）用NaOH熔融-钼锑抗比色法，土壤全钾量（TK）用NaOH熔融法测定，土壤有机质含量测定用重铬酸钾容量法（外加热）[25]，土壤pH值测定用美国Spectrum pH400，土壤电导率用浙江托普仪器有限公司的TZS-PHW-4G土壤多参数测定仪测定。

    1.4?数据处理及分析

    利用Excel进行数据整理，使用SPSS 25.0软件进行方差分析（ANOVA单因素方差分析Duncan法）、主成分分析及聚类分析（系统聚类分析法）。

    2?结果与分析

    2.1?吉林省西部本地菊芋品种特点及分类

    2.1.1?吉林省西部本地菊芋品种生长量、产量品质描述性分析

    本研究对吉林省西部本地菊芋品种生长、产量品质进行观测（表2）。所有生长量、产量指标的变异系数都超过10%，因此，本研究菊芋品种间的生长量、产量指标差异较大，且具有一定的广泛性和代表性。其中，变异系数最大的指标为：根系鲜重、地上部分鲜重和块茎鲜重，说明这几个指标是区分研究区菊芋品种的主要指标。中值与均值差异较大的指标分别为：地上部分鲜重和块茎鲜重，说明这几个指标分布的离散性较大。由于所调查的植株所处环境条件相似，因此，各指标差异的主要原因是品种不同。

    在本研究调查的12处菊芋中，位于同一处的菊芋块茎颜色相同，其中7处菊芋的块茎为紫色，4处为白色，1处为粉白色。本研究对不同颜色块茎菊芋生长量、生物量进行观测（表3）。3种颜色块茎菊芋的株高、地径有显著差异（P<0.05），大小排序为：粉白色，白色，紫色;3种颜色菊芋的地上、块茎和根系鲜重差异极显著（P<0.01），块茎鲜重大小排序为：紫色，粉白色，白色。这说明：吉林省西部本地菊芋品种间生长、生物量状况差异较大，粉白色块茎菊芋地上生长状况最佳，紫色块茎菊芋地下生长及生物量最佳。

    2.1.2?吉林省西部本地菊芋品种生长量、产量品质主成分分析

    为研究各指标在研究区菊芋生长、生物量品质特征中所占主导作用，对菊芋9个生长、生物量指标进行主成分分析（表4）。由表4可知，特征值大于等于1的主成分有2个（累计方差贡献率68.811%），按照累计方差贡献率大于等于85%的标准计算，包含的主成分为4个，且第4个主成分的特征值（0.826）接近1。

    研究对主成分分析因子负荷矩阵进行统计分析（表5）。由表5可知，第1主成分特征值为3.85，方差贡献率为42.775%，主要反映的是块茎鲜重、块茎平均直径和块茎颜色，是块茎生物量及形态因子，其中块茎平均分布深度负荷数值较大且为负值，育种时应适当减小;第2主成分特征值为2.343，方差貢献率为26.036%，主要反映株高、地径和地上部分鲜重，是地上部分生长、生物量因子，其中块茎横向分布幅度负荷数值较大且为负值，因此，为保证地上部分良好生长，育种时应适当减小。

    在4个主成分中，负荷较大的指标包括块茎鲜重、块茎颜色、块茎平均直径、株高、地径和根系鲜重，因此，为改善菊芋生长、产量状况，选育过程中应提高这些指标;负荷为负且数值较大的指标包括块茎平均分布深度和块茎横向分布幅度，因此，在选育过程中应尽量降低这两个指标的数值。

    2.1.3?吉林省西部本地菊芋品种生长量、产量品质聚类分析

    对本地菊芋品种生长量、产量品质进行聚类分析（图1）。在类间距为3时，本研究菊芋的生长、生物量品质分为3类：

    第1类：（样地编号1、4、5、6、7、9、11、12）株高较高（264.15～353.8 cm），地径较细（18.37～30.92 mm），地上生部分鲜重较小（320.29～752.87 g），块茎产量较少（165.29～659.23 g），根系鲜重较小（185.42～226.98 g），即生长、生物量品质较差，利用价值较低。

    第2类：（样地编号2、8）地径较粗（35.65～40.13 mm），地上部分鲜重大（986.25～1696.18 g），块茎鲜重大（1200.47～1596.19 g），即抗风及防治风蚀潜力较大、经济效益高。

    第3类：（样地编号3）块茎鲜重较大（1100.92～1421.23 g），根系鲜重大（790.23～825.15 g），即经济效益高，由于根系较发达，其养分吸收、抗逆性及改良土壤潜力较大。

    因此，研究区应尽量选用第2类和第3类菊芋进行培育和利用。

    2.2?“南芋1号”在苏打盐碱化淡黑钙土上栽培试验

    2.2.1?“南芋1号”在淡黑钙土上的存活、生长状况

    本研究对淡黑钙土上“南芋1号”的存活、生长状况进行观测（表6）。可知，“南芋1号”在研究区淡黑钙土上存活率极高，成活率高达100.0%。紫色块茎菊芋的生长指标优于白色块茎菊芋（P<0.05），例如，2017年紫色块茎菊芋叶片量是白色块茎菊芋的1.19倍。2018年栽植的紫色块茎菊芋、白色块茎菊芋的各生长指标状况均优于2017年（P<0.05），例如，紫色块茎菊芋2018年地径是2017年的1.06倍。本研究对“南芋1号”株高、冠幅生长进行动态观测（图2）。紫色块茎菊芋和白色块茎菊芋株高、冠幅在生长周期内的生长速度趋势均为“慢—快—慢”，且速生期为7月14日-9月12日，紫色块茎菊芋2017年、2018年速生期株高生长量分别占当年总生长量的71.4%和73.5%，白色块茎菊芋2017年、2018年速生期株高生长量分别占当年总生长量的75.8%和73.4%;紫色块茎菊芋2017年、2018年速生期冠幅生长量分别占当年总生长量的64.4%和68.2%，白色块茎菊芋2017年、2018年速生期冠幅生长量分别占当年总生长量的64.3%和67.6%。整个生长过程中，紫色块茎菊芋的株高、冠幅都显著大于白色块茎菊芋（P<0.05）。两种颜色块茎菊芋2018年株高、冠幅生长状况优于2017年（P<0.05），例如，紫色块茎菊芋2017年株高是2018年的58.42%，2017年冠幅是2018年的74.17%。这说明：紫色块茎菊芋的生长状况优于白色块茎菊芋，且在试验区经过一年环境驯化菊芋块茎长成的植株生长状况优于未经过驯化块茎长成的植株。

    2.2.2?“南芋1号”在淡黑钙土上的生物量状况

    本研究对“南芋1号”生长量状况进行测定（表7）。紫色块茎菊芋的生物量显著大于白色块茎（P<0.05），例如，2017年紫色菊芋块茎鲜重、根系鲜重分别为2017年白色块茎菊芋的116.35%、131.40%。两种颜色块茎菊芋2018年栽植植株生物量均显著大于2017年（P<0.05），例如，2018年白色块茎菊芋块茎鲜重、地上部分鲜重分别为2017年的146.12%和125.30%。这说明：紫色块茎菊芋的生物量状况优于白色块茎菊芋，且在试验区经过一年环境驯化菊芋块茎长成的植株生物量积累状况优于未经过驯化块茎长成的植株。

    2.3?吉林省西部本地菊芋与“南芋1号”适应性、产量性状对比

    本研究对“南芋1号”淡黑钙土试验田土壤理化性质进行测定（表8）。由上述可知，本研究“南芋1号”菊芋存活、生长状况良好，因此，“南芋1号”能够适应pH为8.82、电导率为0.261 ms/cm的苏打盐碱化淡黑钙土。由表1可知，吉林省西部本地菊芋栽植处土壤pH范围为7.75～8.05，电导率范围为0.145～0.195 ms/cm。本地栽植菊芋处土壤盐碱化程度明显低于本研究“南芋1号”试验田（表8）。而且本地菊芋块茎鲜重均值为971.92 g，最高值为1 596.19 g，2018年“南芋1号”紫色块茎植株和白色块茎植株的块茎鲜重分别可达到本地菊芋产量均值的147.83%和119.59%，分别可达本地菊芋最高产量的90.01%和72.82%。这说明：“南芋1号”的引种扩大了菊芋在吉林省西部盐碱化土壤上的栽植范围，且产量在本地菊芋品种平均水平之上。

    3?结论与讨论

    近年来，主成分分析和聚类分析在多样本多指标的品质差异研究中应用的越来越广泛[44]。目前，相关研究尚未建立评价菊芋生长、产量性状的指标体系。因此，本研究选取菊芋生长、生物量常规指标，对吉林省西部现有菊芋品种的生态、经济品质进行评价和分类。研究表明，吉林省西部本地菊芋品种均分布在土壤pH≤8.05、电导率≤0.159 ms/cm的土壤上。张捷等[20]、沈光等[21]研究表明，松嫩平原本地菊芋品种在轻度苏打盐碱化土壤（pH <8.5或全盐8.5或全盐>1%）。主成分分析表明，吉林省西部菊芋生长、生物量性状的指標主要包括块茎鲜重、块茎颜色、块茎平均直径、株高、地径和根系鲜重。聚类分析结果显示，按照生长、生物量性状来分，该地区菊芋主要分为三类：第一类生长、生物量品质较差，利用价值较低;第二类地上部分粗壮，且块茎产量高;第三类块茎产量较高，且根系较为发达。因此，第二类和第三类菊芋具有更高的育种价值和更好的推广前景。

    影响植物引种成功的主要环境因子包括气候、土壤和地形等[45]。吉林省西部本来就存在菊芋，因此，引种“南芋1号”的主要限制因子为土壤盐碱化程度。本研究表明，“南芋1号” 耐盐碱性比本地品种菊芋强，能够很好地适应吉林省西部pH为8.82、电导率为0.261 ms/cm的淡黑钙土，且在淡黑钙土上存活、生长状况较好，产量高于本地菊芋平均水平，且经过一年环境驯化后，菊芋生长、生物量状况优于第一年。故“南芋1号”在苏打盐碱地具有较好的推广前景。前人研究也证明菊芋具有一定的耐盐碱性。阎秀峰[46]等的研究结果表明，菊芋对苏打盐碱化胁迫具有一定耐受性，在中度苏打盐碱化草地上能够正常生长。滕美瑶[22]等的研究显示，“南芋1号”能够显著改良苏打盐碱化淡黑钙土、以沙压减土容重、孔隙度和pH等理化性状。吴成龙等[47]的研究认为，盐分胁迫下，菊芋能够通过增加根冠比保证根系对养分和水分的吸收。多位学者认为，菊芋的耐盐碱生理响应主要包括以下几个方面：通过提高叶绿素含量来维持光合作用水平，保证植株生长;提高脯氨酸保证渗透调节作用、保证细胞膜结构完整;提高抗氧化酶、保护性酶活性来降低盐分胁迫对细胞伤害;增加体内脱落酸含量，从而通过促进气孔关闭、增强根系透性来保证体内水分含量;通过提高调节基因表达蛋白含量来影响植株的物质代谢和能量代谢[17，24，48]。

    综上所述，本地菊芋品种生长、生物量差异较大，存在产量较大、根系发达的品种，但整体耐盐碱性较低，可挑选优良品种在盐碱化程度较低的土壤上栽植，“南芋1号”是一种耐盐碱、产量性状良好的菊芋品种，其拓宽了菊芋在苏打盐碱地上的利用范围，丰富了吉林省西部的经济生态植物种。今后，应对“南芋1号”在不同类型、不同程度苏打盐碱化土壤上的适应性、栽培技术及抗风蚀效益等方面进行进一步研究。

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