黑土区坡地环境因子对紫斑牡丹生长和产量的影响

    张瑜 刘肃 徐子棋 杨献坤

    

    

    

    摘 要：本研究揭示黑土區坡地地形因子、土壤因子对不同苗龄紫斑牡丹存活、生长和产量的影响，为紫斑牡丹在东北黑土区栽植、应用提供理论支持。本文通过紫斑牡丹室外栽植试验，观测植物指标及土壤指标，从而获得数据，并利用SPSS 17.0和Canoco 4.5进行数据分析。结果表明： ①苗龄为2 a的紫斑牡丹，其存活和生长状况由优到劣排序为：阴坡坡下、阴坡坡上、阴坡坡中、阳坡坡中（P<0.05）。②苗龄为2 a的紫斑牡丹具有一定的耐寒性，阴坡低温未对其生长造成显著抑制，而阳坡的阳光直射和高温显著降低其生长量。③研究区土壤理化性状由优到劣排序为：阴坡坡下、阴坡坡上、阴坡坡中、阳坡坡中（P<0.05），土壤理化性状显著影响苗龄为2 a的紫斑牡丹存活和生长状况，CCA分析表明，影响黑土区坡地紫斑牡丹生长的主要土壤环境因子为土壤水分含量、土壤容重和土壤全氮含量。④苗龄为5 a的紫斑牡丹对黑土区坡地环境具有良好的适应性，存活率极高，能够正常地生长、结籽，其在坡度为8°适应性优于坡度为5°（P<0.05）。2019年坡度为5°和8°的紫斑牡丹株高分别为43.2 cm和55.0 cm。⑤苗龄为5 a的紫斑牡丹栽植第3年生长、产量状况优于第2年，差异显著（P<0.05）。苗龄为2 a和5 a的紫斑牡丹能够很好地适应黑土区坡地环境，其更适于栽植在阴坡，苗龄为5 a的紫斑牡丹栽植第3年产量状况良好，适宜在黑土区坡地进行推广、利用。

    关键词：黑土区;坡地;紫斑牡丹;CCA分析;环境因子

    Abstract：This study aims at exploring the effects of the terrain factors and the soil factors on the survival status， the growth status， and the yield status of the Paeonia rockii seedlings with different ages on the slope in the black soil area， and providing theoretical support for the planting and the utilization of the Paeonia rockii in the Northeast black soil area. In this study， the plant indicators and the soil indicators were observed and the data were acquired during the Paeonia rockii field planting experiment， and SPSS17.0 and Canoco4.5 were used for the data analyzing. Result showed that： ① The survival status and the growth status order of the 2 a seedling of Paeonia rockii was： the bottom of the shady slope > the top of the shady slope > the middle of the shady slope > the middle of the sunny slope （P the top of the shady slope > the middle of the shady slope > the middle of the sunny slope （P<0.05）. The CCA analysis result showed that the most important factors that affected the growth status of the Paeonia rockii seedlings were soil water content， the soil bulk density， and the soil total nitrogen content. ④ The 5a Paeonia rockii seedlings adapted the environment of the slope well in the black soil area， the survival ratio was extremely high， and the growth and the yield status were good. The 5 a Paeonia rockii seedlings adapted better on the 8° slope than on the 5° slope （P<0.05）. For example， in 2019， the plant height of the 5 a Paeonia rockii seedlings on the 5° and 8° slope were 43.2 cm and 55.0 cm，

    0 引言

    我国东北地区是世界三大黑土分布区之一，东北黑土区总面积约为103万km2，黑土地由于其性状好、肥力高，且非常适合作物生长，因此是我国重要的商品粮基地[1-2]。但是从自然因素方面分析，由于黑土区冬季干冷，夏季暴雨多，地形多为波形起伏的漫岗丘陵，土质又多为粗粉砂和黏粒，使得该地区的抗蚀能力较差[3];从人为因素方面分析，由于我国对黑土进行了大规模、高强度和非理性的开发，黑土区的水土流失状况日益严重，据黑龙江省水土保持科学研究所对土壤侵蚀情况的遥感结果显示，东北黑土区侵蚀面积占总面积的37.9%[2]。因此，如何在黑土区坡地耕种适合的植物，对其进行经济利用的同时又能起到减轻水土流失作用，这些问题已成为近年来的研究热点。紫斑牡丹（Paeonia rockii）属于毛茛科芍药属，其作为一种用于观赏、药用的经济作物，耐旱性和耐寒性较强，病虫害较少，具有较强的生态适应性[4-5]。且其植株高大、根系发达，具有水土保持利用价值[4，6]。因此紫斑牡丹适合在黑土区坡地耕种。

    相关人员对紫斑牡丹在我国东北地区引种作了许多研究。山昌林等[7]归纳总结了紫斑牡丹在东北地区的引种分布现状和物候表现。于玲等[8]、闫中园等[9]和朱月等[10]研究了室内条件下低温对紫斑牡丹种子萌发、幼苗生长和生理（包括细胞膜透性、渗透物质、代谢产物和保护性酶等）的影响。许多学者在东北地区（哈尔滨市、长春市等）室外条件下研究了紫斑牡丹物候、生长节律、抗寒形态变化和生理响应（包括细胞膜透性、渗透物质、代谢产物、保护性酶和光合特征等）[4，11-16]。然而，有关东北黑土区坡地不同环境因子对紫斑牡丹存活、生长和产量影响的研究却鲜有报道。

    本研究通过分析黑土区坡地不同环境因子下苗龄为2 a和5 a的紫斑牡丹存活、生长和产量状况，研究地形因子、土壤因子对紫斑牡丹适应性和产量的影响，以期为紫斑牡丹在东北黑土区坡地栽植应用提供参考。

    1 材料与方法

    1.1 研究区概况

    研究区位于吉林省东辽县安石镇杏木小流域，地理坐标为：125°22′40″～ 125°26′10″ E， 42°58′05″～ 43°01′40″ N。杏木小流域属温带季风气候，四季分明，冬季漫长严寒，夏季高温多雨。年平均气温5.2 ℃，最高气温38 ℃，最低气温-40 ℃，≥10 ℃的积温2 900 ℃，无霜期137 d，年平均日照时数为2 497.9 h。杏木小流域地处典型东北黑土区，坡耕地土壤多为黑土、暗棕壤、草甸土及白浆土。

    1.2 供试材料

    供试材料为原产地甘肃省中川镇苗龄为2 a和5 a的紫斑牡丹实生苗，栽植时间为2016年5月5日。所选试验田位于为坡度5°和8°的直线型黑土坡地，5 a的苗栽植于阳坡坡中，2 a的苗分别栽植于阳坡的坡中和阴坡的坡上、坡中、坡下，栽植株行距为1 m×1 m。栽植土壤不进行施肥处理，每30 d浇一次水。

    1.3 测定方法

    1.3.1 生长指标测定

    苗龄为2 a的紫斑牡丹苗存活和生长指标的测定时间为2019年9月20日—25日。每个坡位（阳坡坡中和阴坡的坡上、坡中、坡下）各选择5株紫斑牡丹进行生长状况测定，同时测定5排紫斑牡丹存活率（SR，每排50株）。叶长（LL）、叶宽（LW）、株高（PH）用卷尺测定，精确度为0.1 cm;当年生枝粗（DAS）、地径（GD）用游标卡尺测定，精确度为0.01 mm。并观测记录选定株的叶片量（LQ）、分枝数（BN）。上述生长指标每个坡位均测定5株。

    苗龄为5 a的紫斑牡丹苗存活率于2018年7月1日、2019年7月1日测定，观测5排（每排50株）。地上、地下生长指标、生物量和产量指标分别于2018年9月15日和2019年9月15日测定，坡度为5°和8°上各选5株进行观测。

    1.3.2 土壤指标测定

    2019年9月26日—28日在阳坡坡中和阴坡的坡上、坡中、坡下苗龄为2 a的紫斑牡丹试验田（每個坡位5个样点）和5°、8°苗龄为5 a的紫斑牡丹试验田（每个坡度5个样点）S形取土，5次重复。利用烘干称重法测定土壤容重（WV）、土壤含水量（WC）、土壤总孔隙度（TPO）。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。土壤温度（T）用土壤温度计进行测定，测定时间为2019年9月29日。

    1.4 数据处理及分析

    利用Excel进行数据整理、统计，利用SPSS 17.0进行方差分析，利用Canoco 4.5进行典范对应分析（CCA）及相关图的绘制。

    2 结果与分析

    2.1 地形因子、土壤因子对苗龄为2 a的紫斑牡丹存活和生长的影响

    由表1可知，阴坡不同坡位的土壤温度由大到小顺序为：坡上、坡中、坡下，且阳坡坡中土温大于阴坡坡中土温，差异显著（P<0.05）;阴坡土壤的容重由大到小顺序为：坡中、坡上、坡下;土壤总孔隙度和土壤水分含量由大到小顺序为：坡下、坡上、坡中;不同坡向坡中的土壤容重由大到小顺序为：阳坡坡中、阴坡坡中;土壤总孔隙度和土壤水分含量由大到小顺序为：阴坡坡中、阳坡坡中，各指标差异显著（P<0.05）;阴坡土壤的TN、TP、TK含量由大到小顺序均为坡下、坡上、坡中，且阴坡坡中大于阳坡坡中，差异显著（P<0.05）。这说明研究区阳坡土壤温度显著高于阴坡，阴坡存在逆温现象;土壤理化性质由优到劣顺序为：阴坡坡下、阴坡坡上、阴坡坡中、阳坡坡中。

    由表2可知，苗龄为2 a的紫斑牡丹生长指标的数值由大到小顺序均为：阴坡坡下、阴坡坡上、阴坡坡中、阳坡坡中，且除叶片量、当年生枝粗、分枝数和地径4个指标方差分析结果不显著外，其他指标均差异显著（P<0.05）。例如，阴坡坡上、阴坡坡下和阳坡坡中紫斑牡丹的株高分别为阴坡坡中的102.20%、144.95%、83.21%，且阴坡紫斑牡丹的存活率高达73%～86%，而阳坡坡中紫斑牡丹存活率仅为39%。这说明苗龄为2 a的紫斑牡丹对研究区阴坡适应状况较好，但阳坡适应状况较差，阴坡坡下更有利于苗龄为2 a的紫斑牡丹存活和生长。

    紫斑牡丹存活和生长状况，与研究区環境因子进行CCA分析，见表3。由表3可知，在第1排序轴和第2排序轴中，紫斑牡丹生长因子与环境因子的相关性分别为0.96和0.92。在前2个排序轴中，生长因子与环境因子的变化累计分别62.2%和84.5%。结合图1、表4可知，环境因子与第1轴相关系数绝对值变化范围为0.414 2～0.516 9，绝对值超过0.45的环境因子有3个，分别是土壤水分含量（0.516 9 ）、土壤全氮含量（0.498 3）和土壤容重（-0.492 5）。环境因子与第2轴相关系数绝对值变化范围为0.218 7～0.603 1，绝对值超过0.45的环境因子有3个，即为土壤总磷含量（-0.454 9）、容重（0.603 1）和温度（0.503 5）。因此，影响黑土区坡耕地紫斑牡丹生长的主要土壤环境因子为土壤水分含量、土壤容重和土壤全氮含量。

    2.2 地形因子对苗龄为5 a的紫斑牡丹生长和产量的影响

    由表5可见，苗龄为5 a的紫斑牡丹苗在试验区适应性较好，2018年坡度为5°和8°的紫斑牡丹成活率分别高达93%和97%，2019年存活率分别为80.02%和88.66%，差异显著（P<0.05）。苗龄为5 a紫斑牡丹在坡度为8°的生长状况显著优于5°的（P<0.05），例如，2019年5°和8°紫斑牡丹的株高分别为43.2 cm和55.0 cm。

    各坡度牡丹苗2019年的生长状况均优于2018年，差异显著（P<0.05）。例如，5°紫斑牡丹苗2018年和2019年株高分别为23.6 cm和43.2 cm，地径分别为1.2 cm和1.68 cm。由表6可知，8°紫斑牡丹苗的根系生长状况和产量状况优于5°，差异显著（P<0.05）。例如，2018年5°、8°紫斑牡丹苗的纵向根幅分别为28.5 cm和34.5 cm。各坡度紫斑牡丹2019年根系生长状况、产量状况显著优于2018年，差异显著（P<0.05）。例如，8°苗2018年、2019年籽粒产量分别为23.52 g和45.46 g。这说明，苗龄为5 a的紫斑牡丹对黑土区坡地环境具有良好的适应性，存活率极高，能够正常地生长、结籽，其在坡度8°适应性优于5°，且紫斑牡丹栽植第3年生长和产量状况优于第2年。

    3 讨论与结论

    土壤温度通过影响植物根系的结构、功能来影响其对植物地上部分的生长[17-21]。且植物的抗寒能力越低，低温对其生长的抑制作用就越明显[22]。本研究结果表明，试验区阴坡存在“逆温”现象，如，阴坡坡上、坡中、坡下的土壤温度分别为11.23、10.36、9.57 ℃，且阳坡坡中的土壤温度高于阴坡坡中。本研究栽植3 a时，阴坡各坡位苗龄为2 a的紫斑牡丹的存活率高于70%，阳坡坡中存活率仅为39%。紫斑牡丹生长状况由优到劣顺序为：阴坡坡下、阴坡坡上、阴坡坡中、阳坡坡中。这说明，紫斑牡丹具有一定的耐寒性，坡下的土壤低温胁迫未对其生长产生显著的抑制作用，而阳坡的高温不利于其生长。张吉平[22]、李欣[4]、李熙莉[23]的研究结果也有相似结论，即紫斑牡丹具有一定的抗寒性，在遭受低温逆境时，能够通过调节体内丙二醛、可溶性糖、可溶性蛋白质等物质来降低低温对其造成的伤害。此外，张衷华等[24]研究表明，紫斑牡丹的耐热极限为31 ℃，过多的直射光易造成温度高，导致气孔关闭、光合作用抑制及细胞生理伤害。

    土壤容重、土壤孔隙度和土壤含水量是土壤重要的物理性质，是影响土壤“水、热、气、生”的重要因子[25-33]。本研究结果显示，阴坡的土壤物理性质由优到劣排序为：坡下、坡上、坡中，且阴坡的土壤物理性质优于阳坡。原因有可能是黑土区坡面随着坡面向下的侵蚀强度规律为“弱—强—弱”，即：坡上侵蚀较轻、坡中侵蚀最严重、坡下产生堆积[3，34]。且侵蚀越严重，土层就越薄，石砾越多，容重越大。阳坡土壤水分含量较低的原因是阳坡接受的光照较阴坡多[35];土壤容重越低，孔隙度越大，含水量越高，苗龄为2 a的紫斑牡丹的存活和生长状况越好，即阴坡坡下最利于紫斑牡丹生长。CCA分析的结果为：土壤水分含量和土壤容重为影响紫斑牡丹生长最重要的土壤物理性质因子。

    土壤养分直接影响植物的生长状况[36]。本研究结果表明，阴坡不同坡位土壤全氮、全磷、全钾的含量由大到小排序为：坡下、坡上、坡中，且阴坡坡中大于阳坡坡中。原因有可能是阳坡比阴坡的水热变化大，岩石风化崩解的速度较快，使径流对坡面物质的冲蚀作用较强，土壤发育较阴坡不够充分，使得阳坡土壤养分含量低于阴坡[37]。结果是全氮、全磷、全钾对苗龄为2 a的紫斑牡丹生长起显著影响，且其含量越高，紫斑牡丹生长状况越好。CCA分析结果显示，对紫斑牡丹生长起最显著作用的土壤化学因子为土壤全氮含量。唐红等[38]也有相似结论，即紫斑牡丹大多自然分布于温暖潮湿的阴坡，坡下水热条件较好、枯落物较多，更有利于紫斑牡丹生长和群落稳定。

    有研究称紫斑牡丹根系为肉质，不耐涝，偏干的土壤更适于其生存[39]。本研究结果表明，苗龄为5 a的紫斑牡丹对黑土区坡地环境具有良好的适应性，存活率极高，能够正常地生长、结籽，其在坡度8°适应性优于5°，原因可能是坡度越大，越有利于土壤水分排出，能够减少水涝对紫斑牡丹根系的伤害。且苗龄为5 a的紫斑牡丹栽植第3年生长和产量状况优于第2年。

    综上所述，紫斑牡丹能够很好地适应黑土区坡地环境，苗龄为5 a的紫斑牡丹在黑土区坡地具有较好的生长和产量状况，适于推广。今后对紫斑牡丹防治黑土区坡地水土流失中的作用进行研究。

    【参 考 文 献】

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