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土壤中风沙土含量对甜叶菊(Stevia rebaudiana)生长的影响



全 文 :土壤中风沙土含量对甜叶菊(Stevia
rebaudiana)生长的影响
  收稿日期:2014-12-24;改回日期:2015-02-03
  资助项目:科技部农业科技成果转化项目 (2013-683)
  作者简介:董海涛(1988—),男,甘肃敦煌人,硕士研究生,主要从事植物生态学及甜叶菊种植相关研究。E-mail:haitao_dong@yeah.net
  通信作者:孙宏义(E-mail:sunhy569@lzb.ac.cn)
董海涛1,2,孙宏义1
(1.中国科学院寒区旱区环境与工程研究所 中国生态系统研究网络临泽内陆河流域研究站,甘肃 兰州730000;2.中国科
学院大学,北京100049)
摘要:农田土壤中风沙土的含量影响土壤机械组成、养分水分含量、离子交换等土壤性质和植物的生长。通过在耕
种多年的农田土壤中添加不同比例的风沙土(风沙土/(风沙土+壤土)=0、20%、40%、60%、80%、100%),研究土
壤含沙量对甜叶菊(Stevia rebaudiana)生长的影响。结果表明:甜叶菊在沙土环境下具有较好的适应性,长势良
好,产量较高,是较为理想的沙土环境经济作物。随土壤含沙量的增加,土壤含水量逐渐减少;甜叶菊株高,叶、茎
生物量先升高后减少;根系长度逐渐变长,但基径逐渐变细,根部生物量逐渐减少;因此,土壤含沙量对甜叶菊生长
的影响可概括为“低促高抑”,即存在一个最佳土壤含沙量范围,使得甜叶菊获得最大增产,当土壤含沙量为20%~
40%(即沙粒含量68%~77%)时,甜叶菊长势最好,干叶产量显著增长5.7%。
关键词:甜叶菊(Stevia rebaudiana);光合作用;生物量分配;沙土;根冠比
文章编号:1000-694X(2016)03-0688-07   DOI:10.7522/j.issn.1000-694X.2015.00019
中图分类号:S606 文献标志码:A
0 引言
植物在农田土壤环境中的生长状况受多种因素
(土壤水分、养分、机械阻力、吸力等)的影响[1]。在
毗邻沙漠区域的土壤中,含沙量是主要因素。沙漠
附近新开垦的农田土壤中风沙土的存在改变了土壤
质地,导致土壤水分养分含量、机械阻力、吸力等发
生变化,从而影响植物的整个生长过程。有研究证
实,风沙土含量与土壤导水率呈显著正相关性[2];同
一土壤吸力条件下,土壤含水量随风沙土含量的增
加而逐渐降低[3]。土壤机械阻力与植物的株高、干
物质积累等方面具有一定相关性[2],并且土壤机械
阻力随土壤含沙量的增加呈现先增大后减少的趋
势[4]。土壤质地不但影响土壤养分状况,还影响植
物根系的生长发育、作物产量及品质;和粘土相比,
沙土透气性好,土壤不易板结,有利于土壤呼吸和植
物根系扩展;沙土具有渗透性强和阳离子交换量低
等理化特性[5-6],但不利于水分、养分的保持。
研究显示,在沙土比为1∶2的基质中,青绿苔
草的生长状况最好,株高、冠幅、分蘖和叶色指标均
较优;在沙土比为1∶5的基质中,青绿苔草的生长
量最大,干物质积累效果最佳[4]。沙土比例为1∶1
时,彩叶草在叶绿素含量、株高、生根数、根冠比、氮
含量和成活率各指标方面都优于其他处理,不仅能
使插穗保持较高的生长量,而且叶片色素含量最高,
商品价值较高[7]。沙土配比1∶5时,平邑甜茶植株
生长量(株高、茎粗和总干重)最大。沙土配比3∶
5时,全氮和15 N吸收量最大;沙土配比在1∶5到3
∶5的范围内,植物的生长量与氮素吸收、利用显著
高于不加沙和高沙处理(沙土配比>3∶5)[6]。含沙
量是影响植物在沙土环境中生长的重要因子,土壤
中风沙土的存在,导致土壤质地发生变化,土壤渗透
性增加,持水力下降,土壤呼吸、养分运移、离子交换
速率加快,同时土壤机械阻力、吸力也发生相应变
化。从而,生长在沙土环境中的植物在株高、根系扩
展、干物质积累、作物产量等表现出与老熟农田土壤
不同的变化特征。含沙量对植物生长的影响可概括
为 “低促高抑”,农田土壤中添加一定比例风沙土,
或者将植物种植到沙漠边缘的沙含量低于某一阈值
的土壤中时,植物不但生长旺盛,甚至生长态势超越
第36卷 第3期
2016年5月               
中 国 沙 漠
JOURNAL OF DESERT RESEARCH
             
Vol.36 No.3
May 2016
经多年种植的农田土壤。
甜叶菊(Stevia rebaudiana)为菊科多年生草本
植物,原产于南美洲,初始种植地为沼泽地边缘酸性
贫瘠土壤或者淤泥土壤[8],根系发达,耐干旱、抗风
沙[9];近年来,国内甜叶菊种植地由南方扩展到西北
地区,甘肃河西走廊成为国内甜叶菊的主产区之
一[10-11]。河西走廊部分种植甜叶菊的区域靠近荒
漠,其中部分新开垦的农田位于沙漠边缘,土壤中含
沙量不同导致甜叶菊生长状况不同。沙漠附近的农
田中含沙量作为种植甜叶菊的盈利界限,是种植户
关心的热点问题。基于此,本试验以甘肃河西地区
常年种植甜叶菊的老熟农田土壤为基础,掺入不同
比例的风沙土,然后移栽甜叶菊幼苗,观察其生长变
化,筛选出河西地区沙漠附近适合种植甜叶菊的最
佳土壤含沙量范围,为甜叶菊在沙漠附近地区推广
种植提供科学的理论依据和技术支持。
1 材料与方法
1.1 研究区自然概况
研究区位于甘肃省临泽县平川镇五里墩村(38°
57′—39°42′N、99°51′—100°30′E,海拔1 370~
2 200m)。北部为巴丹吉林沙漠南缘延伸带,南部
为绿洲带。该区属干旱荒漠气候,年日照时数
3 045h,年平均气温7.6℃,最高气温39.1℃,最
低气温-27℃,年降水量116.8 mm,年蒸发量
2 390mm;无霜期165d,≥10℃年积温3 088℃;
风沙活动集中在3—5月,主风向为西北风;地带性
土壤为灰棕荒漠土,南部山区分布有小面积淡灰钙
土,黑河平原的低洼地有小面积的沼泽土及大片的
草甸土和盐土,人为活动较多地方分布有大片的灌
耕土,戈壁前缘和河旁形成带状的风沙土。农作物
有小麦、制种玉米、番茄、棉花、温室蔬菜等;沙地植
被以灌木为主,有沙拐枣(Calligonum mongoli-
cum)、梭 梭 (Haloxylon ammodendron)、柽 柳
(Tamarix ramosissima)、花棒(Hedysarum scopa-
rium)、柠条(Caragana korshinskii)等,乔木有二白
杨(Populus gansuensis)、沙枣(Elaeagnus angusti-
folia)等[12-14]。
1.2 试验设计
试验于2014年5月10日至9月初,在中国科
学院临泽内陆河流域研究站内(39°20′56″N,100°07′
46″E)完成。
选用“惠农3号”甜叶菊移栽苗为试验材料,土
壤选用沙堆风沙土和远离荒漠并耕种多年的农田土
壤。耕种多年的农田土壤为对照(CK),在耕种多年
的农田土壤中加入风沙土,比例分别为20%、40%、
60%、80%、100%,即一组对照(CK),5个沙土处
理,分别为S1、S2、S3、S4、S5。各个处理的土壤机械
组成见表1,土壤养分含量见表2。
参照文献[15]中小区试验设计方案,根据试验
基质条件(土壤肥力均匀)和试验性质(微型小区试
验),将试验小区规格设计为1.5m×1.5m×0.5
m,每小区中间设有1m隔离带;小区移栽甜叶菊的
株行距依据大田种植方式和密度来确定,为25cm
×30cm,每小区移栽36株甜叶菊(133 500株·
hm-2),每处理重复3个小区,小区分布为随机区组
设计。
5月10日移栽幼苗后,将试验小区充分灌水,
之后每15d进行1次充分灌水,每小区每次灌溉水
量为0.12m3。
表1 不同土壤含沙量处理下土壤机械组成
Table 1 Mechanical composition of different ratio of sand/soil
处理
机械组成/%
1~0.5mm  0.5~0.25mm  0.25~0.1mm  0.1~0.05mm  0.05~0.002mm <0.002mm
CK  1.66a 8.78a 41.28a 13.84b  19.23a 15.21a
S1  1.20b  7.73ab  47.51b  14.21b  16.55b  12.80b
S2  0.81c  6.84b  53.90c  15.16ab  12.40c  10.90c
S3  0.81c  5.90bc  60.04d  15.31ab  9.55d  8.39d
S4  0.49d  5.35c  65.44e  15.73ab  6.84e  7.41e
S5  0.12e  3.50d  72.95f  16.29a 2.23f  4.91f
  注:不同处理间,不同字母表示差异显著,P<0.05。
986 第3期 董海涛等:土壤中风沙土含量对甜叶菊(Stevia rebaudiana)生长的影响    
表2 不同土壤含沙量处理下土壤养分含量
Table 2 Soil properties of different ratio of sand/soil
处理
有机质
/(g·kg-1)
全氮
/(g·kg-1)
碱解氮
/(mg·kg-1)
速效磷(P2O5)
/(mg·kg-1)
速效钾(K2O)
/(mg·kg-1)
CK  10.57±0.35a 0.68±0.01a 57.39±1.14a 36.47±1.59a 110.00±0.00a
S1  8.00±0.05b  0.51±0.00b  42.07±1.21b  24.71±1.19b  113.33±3.33a
S2  6.35±0.21c  0.43±0.02c  33.84±0.83c  19.86±1.11bc  126.67±3.33b
S3  4.12±0.18d  0.31±0.02d  25.20±1.81d  14.25±0.77bc  146.67±6.67c
S4  3.31±0.11e  0.27±0.00d  22.95±0.34d  13.75±1.00bc  166.67±3.33d
S5  1.13±0.08f  0.18±0.04e  11.73±0.45e  12.75±8.76c  166.67±3.33e
  注:不同处理间,不同字母表示差异显著,P<0.05。
1.3 数据获取
1.3.1 存活率测定和产量估计
移栽后,每5d观察存活数量,3次观察后数量
不再变化时可确定甜叶菊渡过缓苗期,以存活的甜
叶菊数占总移栽数的百分数为存活率。
以生长115d后的单株甜叶菊叶生物量平均干
重为计算标准,产量(kg·hm-2)=单株甜叶菊干重
(kg·株-1)×133 500(株·hm-2)×存活率。
1.3.2 生长参数测定
每15d随机从每个小区挖取整株甜叶菊,冲洗
根部泥土,首先测定其株高、根长、基径;其次,将各
处理的甜叶菊叶子、茎、根分别称取鲜重后,装入纸
袋,于105℃下杀青30min,之后85℃下烘48h,
称取每部分干重。最后计算出各处理的叶生物量
比、茎生物量比、根生物量比、根冠比等生物量分配
指标;根冠比为地下生物量与地上生物量的比值。
1.3.3 土壤含水量测定
在15d的灌溉周期里,每天测量小池距地表深
0、10、20、30、40、50cm处的土壤含水量,重复3个
周期,最后计算3个灌溉周期内,土壤50cm内每
10cm土层平均含水量。
1.4 数据统计分析
存活率、产量、株高、基径、生物量等按处理分组
取平均值,差异显著性采用方差分析法,不同处理间
多重比较采用最小显著极差法(LSD),并用小写字
母表示处理之间的差异情况。
2 结果与分析
2.1 含沙量对土壤含水量的影响
在一个灌溉周期内,对不同含沙量的土壤含水
量进行测定,结果表明,一个灌溉周期50cm深土壤
内,农田土壤(CK)的平均含水量为11.9%,其他
S1、S2、S3、S4、S5处理的土壤含水量平均值为
10.68%、9.98%、8.40%、6.93%、5.2%。S3处理
的土壤含水量已接近沙漠腹地沙层含水量[16]。土
壤含沙量与土壤含水量表现为负线性关系(图1),
即土壤风沙土含量比例越高,土壤含水量越低。
图1 不同沙土含量下土壤含水量
Fig.1 Changes in soil moisture content under
different sand/soil contents
2.2 不同含沙量的农田土壤上甜叶菊生长动态
植物生长动态不仅反映植株株高、根长、基径、
生物量等随时间的积累动态、积累规律,还可以反映
出植物在某生长阶段适应环境的特点。甜叶菊移栽
苗移栽至试验小区后,S1处理下,株高生长在前70
d内增长速度高于对照,70d后则低于对照,S2处
理在70d后株高增长高于对照,其余处理株高增长
均低于对照(图2A)。生长40d后,除S1、S2处理
外,其余处理根长生长速度均高于对照(图2B)。基
径生长在前90d内增长速度均低于对照,90d后,
S1、S2、S3处理的植株基径增长均高于对照(图
096                 中 国 沙 漠              第36卷 
2C)。各处理的叶生物量增长与对照相比,增长均
低于对照(图2D)。茎生物量增长动态除S1处理下
生长速度逐渐与对照相同外,其余处理茎生物量增
长均低于对照(图2E)。根生物量增长在前90d
内,各处理根生物量增长均低于对照,90d后,S1、
S4处理的根生物量增速高于其余处理(图2F)。
图2 不同土壤含沙量处理下甜叶菊植株生长动态
Fig.2 Stevia growth dynamics under different sand/soil contents
2.3 土壤含沙量与植株生长的关系
农田土壤中沙含量的多少,决定着土壤机械阻
力、水分、养分等土壤性质的变化,并进一步影响植
物的生长发育[17]。随土壤含沙量的增加,甜叶菊株
高,叶、茎生物量先升高后减少(图3A、D、E),表明
甜叶菊地上部生长存在最佳含沙量范围,即土壤含
沙量为20%~40%时,甜叶菊地上部株高、叶、茎
图3 土壤含沙量与甜叶菊株高(A)、根长(B)、基径(C)、叶(D)、茎(E)、根(F)生物量的关系
Fig.3 The relationship between sand/soil content and Stevia height(A),root length(B),
base diameter(C),leaf biomass(D),stem biomass(E),root biomass(F)
196 第3期 董海涛等:土壤中风沙土含量对甜叶菊(Stevia rebaudiana)生长的影响    
生物量的增长要高于沙含量大于40%的土壤,但基
径随土壤含沙量的增多逐渐变小,呈现出负线性关
系(图3C)。土壤含沙量逐渐增加时,土壤机械性质
发生变化(表1),土层松软,易于根系扩展,表现为
根长的变化与土壤含沙量呈现出正线性关系(图
3B),即土壤中沙含量越多时,根系越长;此外,土壤
水分(图1)、养分含量(表2)随土壤含沙量的增加而
逐渐减少,致使甜叶菊地下部生物量增长减缓,表现
为根部生物量随土壤含沙量的增加呈负线性关系
(图3F)。
2.4 不同含沙量的农田土壤甜叶菊存活率及产量
估算
  老熟农田(CK)的甜叶菊存活率为93.7%,S1、
S2、S3、S4、S5处理的土壤甜叶菊存活率分别为
90%、92.7%、90.3%、85.2%、62%(表3),即土壤
含沙量越高,甜叶菊存活率越低,S4、S5处理的土壤
已经不适宜甜叶菊产业化种植。
移栽后115d时,老熟农田的甜叶菊的干叶产
量为5 607kg·hm-2,S1处理下产量为5 925kg·
hm-2,高于CK 5.7%,表明甜叶菊生长在含20%风
沙土的农田土壤上,其干叶产量要优于其他土壤。
40%沙土地还有一定收益,但是,当土壤沙含量超过
60%时,甜叶菊干叶产量达不到规模经济收益了
(表3)。
2.5 土壤含沙量对甜叶菊生物量分配的影响
干旱环境下,植株生物量的变化和生物量向不
同器官分配比例的变化,反映了植株适应生态环境
的能力[18-19]。随着土壤中风沙土含量的增多,叶生
物量比呈现出先增高后降低,并且甜叶菊叶生物量
比均≥50%,说明甜叶菊通过不断增加叶生物量来
提高光合作用(表4)。根生物量比先降低后不断增
大;茎叶生物量比相应减少,但无明显变化规律;根
冠比呈现出先减少后不断增大的趋势,说明甜叶菊
对水分变化比较敏感;沙土环境中生长的甜叶菊,茎
叶部分生物量减少,有利于降低甜叶菊地上部分水
分的散失,而地下生物量的增加有利于甜叶菊积累
表3 不同土壤含沙量处理下甜叶菊存活率及产量估算
Table 3 Stevia survival and production estimates under different sand/soil content
处  理
CK  S1 S2 S3 S4 S5
存活率/% 93.7a 90a 92.7a 90.3a 85.2a 62b
产量/(kg·hm-2) 5 607a 5 925a 5 034a 4 680a 3 932a 478b
表4 土壤中含沙量对甜叶菊生物量分配(%)的影响
Table 4 The influence of sediment concentration in the soil on biomass distribution(%)of Stevia
处  理 叶生物量比 根生物量比 茎生物量比 根冠比
CK  48.656±1.28d  25.959±1.40b  25.385±1.09a 0.366±0.024a
S1  65.123±1.33a 14.696±1.46c  20.181±1.14c  0.18±0.025c
S2  62.302±1.48a 11.238±1.62b  26.46±1.26d  0.129±0.027d
S3  60.232±1.33b  13.045±1.46b  26.723±1.14c  0.152±0.025d
S4  52.135±1.48c  16.527±1.61a 31.338±1.16c  0.202±0.027c
S5  50.55±1.33c  20.891±1.46a 28.559±1.4b  0.275±0.025b
充足的光合产物,以满足甜叶菊生长发育的需要。
3 结论与讨论
农田土壤中含沙量,影响着土壤机械阻力、养分
含量、渗透势、离子交换等土壤性质,本研究中,不同
含沙量的农田土壤机械组成中,0.05~0.25mm的
颗粒含量随土壤中含沙量的增加而增加,其余颗粒
组成随土壤含沙量的增加而不断降低(表1);土壤
养分含量中速效钾含量随土壤含沙量的增加不断增
加,其余养分含量均随土壤含沙量的增加而不断降
低(表2)。农田土壤中风沙土含量越大,土壤含水
量越少,土壤含水量与土壤含沙量呈负线性关系(图
1),这与宋桂龙等[2]的研究结果类似。
甜叶菊原产地为北巴拉圭东部的Rio Monday
山谷,原始种植地为沼泽地边缘上酸性贫瘠土壤或
者淤泥土壤[8]。目前,甜叶菊之所以在世界各地广
泛种植,源于其耐贫瘠、对生长环境要求不高[20]。
舒世珍等[21]将西北地区被划分为一般产区,但是根
296                 中 国 沙 漠              第36卷 
据本文研究,西北地区耕种多年的农田土壤,甜叶菊
干叶产量为5 607kg·hm-2;含20%~40%风沙土
的农田土壤干叶产量为5 034~5 925kg·hm-2;
100%风沙土的农田土壤干叶产量为 478kg·
hm-2,对照安徽甜叶菊产量4 200kg·hm-2、山东
甜叶菊产量4 500~5 250kg·hm-2,说明西北地区
种植甜叶菊产量较高,并且甜叶菊在沙土环境下具
有较好的适应性,生长良好,是较为理想的沙土环境
经济作物。
植物生长动态在一定程度上可反映植物在某生
长阶段适应环境的特点。S1、S2处理下(即农田土
壤含沙量为20%~40%时),甜叶菊幼苗初期生长
缓慢,但后期逐渐适应这种沙土环境,生长速度逐渐
高于农田土壤沙含量比例大于40%的处理和无风
沙土处理,这可能是甜叶菊移栽苗在风沙土环境下
适应生长的特点。随土壤含沙量的增加,甜叶菊株
高、叶茎生物量先升高后减少(图3A、D、E),根系长
度逐渐增加,与土壤含沙量呈现出正线性关系(图
3B),但基径逐渐变细(图3C),根部生物量逐渐减少
(图3F),与土壤含沙量呈现出负线性关系。综上所
述,土壤含沙量对甜叶菊生长的影响可概括为“低促
高抑”,即土壤含沙量与甜叶菊产量增加存在最佳含
沙量范围,当土壤含沙量为20%~40%(即沙粒含
量68%~77%)时,甜叶菊地上部株高、叶、茎生物
量的增长要高于沙含量大于40%的土壤和未添加
风沙土的土壤。Buttery等[22]研究证实生长在高紧
实度土壤下植物的株高,地上部生物量均比低紧实
度的要低,这进一步证明通过添加一定风沙土可有
效减少土壤机械阻力,促进植物生长,并增加作物
产量。
无论土壤中含沙量的多少,甜叶菊叶生物量比
均≥50%,说明甜叶菊通过不断增加光合面积来提
高光合作用,并依此提高叶生物量。此外,沙土比例
的不断增大,土壤含水量逐渐减少,甜叶菊生物量的
分配更多地去向根部,茎叶生物量分配比明显减少,
根冠比明显增大,这可能是甜叶菊移栽苗在这种沙
土环境下生长的适应性策略,也一定程度上解释了
甜叶菊能够在恶劣环境生长、适应的原因。此外,本
研究中随着含沙量的增加,植物根系伸长速度减慢,
根系直径变粗,基径逐渐变细,根系生物量及根冠比
呈现先降低后增加的趋势,这与其他研究者的结果
一致[5,23-24]。
农田土壤中适量的风沙土含量,显著改变了土
壤质地,影响了土壤的水、肥、气、热状况,使得土壤
通透性增加,土壤养分运移、水分运输、离子交换速
率加快;适量的沙土配比处理,有利于调节甜叶菊移
栽苗生理生态指标,提高其抗性能力。
综上所述,甜叶菊移栽苗在风沙土含量为20%
~40%(即沙粒含量68%~77%)的土壤中生长,适
应性最好,长势最佳,可显著提高干叶产量5.7%。
因此,在沙区移栽种植甜叶菊,可将移栽苗移栽至土
壤沙含量低于40%的土壤,或采用客土方法为其创
造沙土配比1∶5~2∶5左右的土壤小生境,以更好
地促使甜叶菊在沙区的适应性生长,获得最大干叶
产量。
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Effect of Farmland Sediment Concentration on Stevia Rebaudiana Growth
Dong Haitao1
,2,Sun Hongyi 1
(1.Linze Inland River Basin Research Station,Cold and Arid Regions Environmental and Engineering Research Institute,
Chinese Academy of Sciences,Lanzhou 730000,China;2.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,
China)
Abstract:The sediment concentration affects the soil mechanical composition,nutrients,moisture content,
ion exchange and plant growth,but the current research on the impact of soil sediment concentration on plant
growth are rare.Stevia transplanting seedlings were used in the present study to explore the effect of differ-
ent sand/soil ratio(clay with no sand;sand/soil=20%,40%,60%,80%;pure-sand)on Stevia growth.
Results showed that Stevia was the ideal sand environment economic crops and had a good adaptability,good
shape and high yield in sandy soil environment;With the increasing of soil sediment concentration,soil
moisture reduced gradualy;stevia plant height,leaf and stem biomass increased first after reduction;root
length gradualy became longer,but base diameter became smaler gradualy,root biomass reduced gradualy;
Therefore,the effect of soil sediment concentration on the growth of stevia can be summarized aslow to
promote high suppressioneffect,namely,there was an optimum soil sediment concentration range making
Stevia obtain maximum yield,when soil sediment concentration was 20%-40% (that is,the grains of sand
content is 68%-77%)can significantly increase yield of Stevia dry leaves by 5.7%.
Key words:Stevia rebaudiana;photosynthesis;biomass alocation;sand/soil content;root-shoot ratio
496                 中 国 沙 漠              第36卷