吉林省西部菊芋品質及耐鹽堿性優選研究

　　摘 要：為豐富蘇打鹽堿化土地生態經濟植物種，提供菊芋在蘇打鹽堿化土地栽植的理論支持，本研究利用主成分分析法和聚類分析法對吉林省西部本地菊芋品種生長、生物量特點進行描述、分類，并在該區域蘇打鹽堿化淡黑鈣土上進行“南芋1號”栽植試驗，研究其適應性及產量性狀。結果表明：①本地品種菊芋均自然分布于pH≤8.05、電導率≤0.159 ms/cm的土壤上;②主成分分析可知，影響該區域菊芋生長、產量狀況的主要正向因子包括塊莖鮮重、塊莖顏色和塊莖平均直徑等;③聚類分析可知，該區域菊芋品種分為3大類，第2類和第3類推廣前景較好;④“南芋1號”在pH為8.82、電導率為0.261 ms/cm的蘇打鹽堿化淡黑鈣土存活、生長狀況良好，栽植第2a紫色塊莖植株和白色塊莖植株的塊莖鮮重分別可達到本地菊芋塊莖鮮重平均值147.83%和119.59%。綜上所述，吉林省西部本地菊芋品種產量差異較大，耐鹽性較差，“南芋1號”對蘇打鹽堿化土壤的適應范圍廣于本地菊芋品種，且產量較高，適宜在蘇打鹽堿化土壤上種植、推廣。

　　關鍵詞：菊芋;吉林省西部;蘇打鹽堿化土地;引種

　　基金項目：吉林省財政廳項目(吉林省西部鹽漬化草地恢復技術研究)

　　《森林與人類》是中國第一家大眾綠色科普期刊，創刊于1981年的《森林與人類》雜志。2002年，《森林與人類》被中宣部、科技部和中國科協聯合命名為“全國科普先進集體”。

　　0 引言

　　蘇打鹽堿地是以NaHCO3和Na2CO3為主的鹽堿化土地[1]。吉林省西部位于世界三大蘇打鹽堿地分布區之一的松嫩平原中南部，由于自然因素和人為因素，該區域的土地鹽堿化越來越嚴重[2]。20世紀50年代吉林省西部蘇打鹽堿地面積為1.13×106 hm2，占該區域面積的24.26%[3-4]。2018年數據顯示，該區域蘇打鹽堿地的面積已達2.2×106 hm2[1]。土地鹽堿化不僅對該區域的生態環境造成的威脅，而且降低土地生產力，對農業和農村經濟發展具有較大的阻礙作用[5-6]。因此，選擇適宜植物種，在恢復該區域生態環境的同時又能取得較好的經濟效益成為近年來的研究熱點。

　　菊芋(Helianthus tuberosus L.)，又名鬼子姜，洋姜，是一種菊科向日葵屬的多年生草本，對干旱、鹽堿和貧瘠等不利環境都有較好的抗性，是一種生態效益、經濟效益兼優的植物。眾多學者對菊芋的耐鹽堿性作了室內試驗研究。研究表明，NaCl脅迫顯著影響菊芋地上、地下部分生長、生物量積累、糖分積累和光合作用，且NaCl濃度越高，抑制作用越明顯，不同菊芋耐鹽堿能力差異較大，灌溉液中0.4%NaCl為臨界點，是篩選菊芋耐鹽性的參考濃度[7-12]。蘇打鹽(NaHCO3、Na2CO3)濃度20 mmol/L是顯著分界線，高于此濃度時Na2CO3對菊芋生長、生物量和光合作用的抑制作用顯著提升，且菊芋對堿度的響應明顯于鹽度[13-14]。海水脅迫試驗表明，海水濃度越高，菊芋體內Na+和Cl-積累得越多，光合作用越差，海水濃度超過75%后菊芋生物量積累劇烈下降[15-16]。地上部分鮮重、脯氨酸含量和植株干重可作為評價菊芋品種耐鹽性的主要因子，混合鹽脅迫下菊芋主要提高超氧化物歧化酶、滲透調節物質含量等方式抵御傷害[17-19]。同時，也有學者在松嫩平原[20-22]、山西省鹽堿地[23-24]、山東省黃河三角洲鹽堿地[25]和江蘇省海水灌溉田[26-27]等多地進行菊芋室外栽植試驗，結果表明，上述研究區室外條件下菊芋在中度(pH8.66)及以下蘇打鹽堿度上生長、生物量及生理(離子代謝、光合作用等)狀況良好，且對土壤理化性狀具有較好的改良作用，但對重度蘇打鹽堿土適應性較差。此外，多位學者對提高菊芋抗鹽性措施進行了研究。研究表明，添加KNO3能夠提高菊芋體內K+/Na+比，促進光合作用，緩解鹽害[28]。施用鈣離子能夠減輕菊芋脂質過氧化，提高葉綠素含量，從而減輕鹽分對其生物量積累的影響[29-30]。外源磷、氮能夠提高菊芋保護性酶活性、提高其光合能力，改善營養供應，從而提高菊芋耐鹽性[31-34]。施用水楊酸能夠提高菊芋光合能力，抑制Na+離子在植株體內積累，提高菊芋抗鹽能力[35]。壟作比平作更有利于菊芋對營養的吸收，減少了鹽分對菊芋生物量積累的抑制影響[36]。然而，蘇打鹽堿地原生菊芋品種生長、生物量、耐鹽性品質分類和耐鹽、高產優良菊芋品種在蘇打鹽堿地栽培試驗研究卻鮮有報道。

　　本研究對吉林省西部本地菊芋品種的生長、產量特征進行了分類研究，提出推廣潛質較好的菊芋品種，并在該區域鹽堿化淡黑鈣土上開展了“南芋1號”的栽植試驗，觀測其存活、生長及生物量積累狀況，同時比較“南芋1號”與本地菊芋品種的產量和耐鹽堿性，以期為菊芋在蘇打鹽堿化土壤上栽植、利用提供理論支持。

　　1 材料與方法

　　1.1 研究區域概況

　　吉林省西部本地菊芋品種調查區為吉林省白城市通榆縣，具體地理坐標范圍為E122°22′49.47″-123°15′20.00″，N44°35′40.71″-45°08′45.03″，“南芋1號”栽培試驗區為通榆縣鴻興鎮聚富村，地理坐標為E123°12′12″，N45°02′11″。通榆縣地形較為平緩，地勢西北高東南低，最低海拔與最高海拔相差約40 m，平均海拔160 m。通榆縣屬北溫帶大陸性季節天氣，年平均相對濕度為56%，年平均氣溫6 ℃，年平均降水370.6 mm，年平均風速3.7 m/s，年極大風速31 m/s，出現在6月，年主導風向為西熏風和西冬風，最大凍土深度125 cm。主要土壤類型包括淡黑鈣土、風沙土草甸土和鹽堿土等。

　　1.2 供試材料

　　1.2.1 吉林省西部本地菊芋品種調查

　　通過咨詢當地相關部門及當地居民，選取12處自然分布的、生長品質和生物量品質較有代表性的菊芋進行相關調查研究，土壤類型均為淡黑鈣土。本研究利用手持GPS(任我游集思寶A5)對12個樣點經緯度進行測定(表1)。2017年11月收獲自然生長菊芋的塊莖，2018年5月初在各品種相應自然分布處旁邊進行人工栽植，栽植株行距為0.65 m×0.65 m，每處栽植10排，每排10株，每30 d澆水一次。

　　1.2.2 “南芋1號”蘇打鹽堿化淡黑鈣土栽培試驗

　　選擇原產地江蘇省南京市的、耐鹽堿性和產量均較好的“南芋1號”菊芋塊莖作為供試材料，分別于2017年5月初和2018年5月初栽植，當年11月初收獲(其中，2018年栽植塊莖為2017年收獲所得)。栽植株行距為0.65 m×0.65 m，共栽植20排，每排10株，每30 d澆水一次。

　　1.3 測定方法

　　1.3.1 吉林省西部本地菊芋品種調查

　　指標的選擇參考莊舜堯等[36]、孔濤等[37]、高凱等[38]、呂世奇等[39]的研究方法。在2018年10月份期間，每個菊芋樣地選擇5株具有代表性的植株進行1次調查測定。用卷尺測定株高、塊莖平均分布深度和塊莖平均橫向分布幅度，精確到0.1 cm。用游標卡尺測定地徑和塊莖平均直徑，精確到0.01 mm。

　　1.3.2 “南芋1號”蘇打鹽堿化淡黑鈣土栽培試驗

　　分別于2017年6月和2018年6月觀測“南芋1號”栽培成活率，共統計10排(每排10株)。同時選取10株長勢具有代表性的植株掛牌，觀測其生長、生物量指標。同年9月份測定其葉片量、地徑和分枝數。11月份測定其塊莖鮮重、塊莖個數、地上部分鮮重和根系鮮重，并將塊莖帶回實驗室，用烘箱105 ℃烘干24 h至恒重并稱量。并且分別在2017年和2018年5月-10月期間，每15 d測定一次株高和冠幅。冠幅參考史元春等[40]研究方法，取東西、南北冠長的平均值。

　　土壤指標的選擇參考郭興等和范亞文等的研究[41-42]。2018年11月份進行土壤取樣。本地菊芋在相應調查田塊S形取土混合，取土深度為20 cm。在“南芋1號”試驗田采用四分法取土。環刀取表層土，用作物理性質測定，土壤物理性質(容重、總孔隙度和含水量)參考喬勝英等的方法[43]。化學性質測定取土深度為20 cm，土壤全氮量(TN)用半微量開氏法測定，土壤全磷量(TP)用NaOH熔融-鉬銻抗比色法，土壤全鉀量(TK)用NaOH熔融法測定，土壤有機質含量測定用重鉻酸鉀容量法(外加熱)[25]，土壤pH值測定用美國Spectrum pH400，土壤電導率用浙江托普儀器有限公司的TZS-PHW-4G土壤多參數測定儀測定。

　　1.4 數據處理及分析

　　利用Excel進行數據整理，使用SPSS 25.0軟件進行方差分析(ANOVA單因素方差分析Duncan法)、主成分分析及聚類分析(系統聚類分析法)。

　　2 結果與分析

　　2.1 吉林省西部本地菊芋品種特點及分類

　　2.1.1 吉林省西部本地菊芋品種生長量、產量品質描述性分析

　　本研究對吉林省西部本地菊芋品種生長、產量品質進行觀測(表2)。所有生長量、產量指標的變異系數都超過10%，因此，本研究菊芋品種間的生長量、產量指標差異較大，且具有一定的廣泛性和代表性。其中，變異系數最大的指標為：根系鮮重、地上部分鮮重和塊莖鮮重，說明這幾個指標是區分研究區菊芋品種的主要指標。中值與均值差異較大的指標分別為：地上部分鮮重和塊莖鮮重，說明這幾個指標分布的離散性較大。由于所調查的植株所處環境條件相似，因此，各指標差異的主要原因是品種不同。

　　在本研究調查的12處菊芋中，位于同一處的菊芋塊莖顏色相同，其中7處菊芋的塊莖為紫色，4處為白色，1處為粉白色。本研究對不同顏色塊莖菊芋生長量、生物量進行觀測(表3)。3種顏色塊莖菊芋的株高、地徑有顯著差異(P<0.05)，大小排序為：粉白色，白色，紫色;3種顏色菊芋的地上、塊莖和根系鮮重差異極顯著(P<0.01)，塊莖鮮重大小排序為：紫色，粉白色，白色。這說明：吉林省西部本地菊芋品種間生長、生物量狀況差異較大，粉白色塊莖菊芋地上生長狀況最佳，紫色塊莖菊芋地下生長及生物量最佳。

　　2.1.2 吉林省西部本地菊芋品種生長量、產量品質主成分分析

　　為研究各指標在研究區菊芋生長、生物量品質特征中所占主導作用，對菊芋9個生長、生物量指標進行主成分分析(表4)。由表4可知，特征值大于等于1的主成分有2個(累計方差貢獻率68.811%)，按照累計方差貢獻率大于等于85%的標準計算，包含的主成分為4個，且第4個主成分的特征值(0.826)接近1。

　　研究對主成分分析因子負荷矩陣進行統計分析(表5)。由表5可知，第1主成分特征值為3.85，方差貢獻率為42.775%，主要反映的是塊莖鮮重、塊莖平均直徑和塊莖顏色，是塊莖生物量及形態因子，其中塊莖平均分布深度負荷數值較大且為負值，育種時應適當減小;第2主成分特征值為2.343，方差貢獻率為26.036%，主要反映株高、地徑和地上部分鮮重，是地上部分生長、生物量因子，其中塊莖橫向分布幅度負荷數值較大且為負值，因此，為保證地上部分良好生長，育種時應適當減小。

　　在4個主成分中，負荷較大的指標包括塊莖鮮重、塊莖顏色、塊莖平均直徑、株高、地徑和根系鮮重，因此，為改善菊芋生長、產量狀況，選育過程中應提高這些指標;負荷為負且數值較大的指標包括塊莖平均分布深度和塊莖橫向分布幅度，因此，在選育過程中應盡量降低這兩個指標的數值。

　　2.1.3 吉林省西部本地菊芋品種生長量、產量品質聚類分析

　　對本地菊芋品種生長量、產量品質進行聚類分析(圖1)。在類間距為3時，本研究菊芋的生長、生物量品質分為3類：

　　第1類：(樣地編號1、4、5、6、7、9、11、12)株高較高(264.15～353.8 cm)，地徑較細(18.37～30.92 mm)，地上生部分鮮重較小(320.29～752.87 g)，塊莖產量較少(165.29～659.23 g)，根系鮮重較小(185.42～226.98 g)，即生長、生物量品質較差，利用價值較低。

　　第2類：(樣地編號2、8)地徑較粗(35.65～40.13 mm)，地上部分鮮重大(986.25～1696.18 g)，塊莖鮮重大(1200.47～1596.19 g)，即抗風及防治風蝕潛力較大、經濟效益高。

　　第3類：(樣地編號3)塊莖鮮重較大(1100.92～1421.23 g)，根系鮮重大(790.23～825.15 g)，即經濟效益高，由于根系較發達，其養分吸收、抗逆性及改良土壤潛力較大。