摘 要:【目的】研究中国西北罗布麻能否引入辽西北风沙地，揭示罗布麻的生长特性和固土作用。【方法】以罗布红麻和大花白麻为研究对象，研究3个种植密度下罗布麻的生长指标、根系力学性能以及土壤改良效果。【结果】随着生长周期的延长，罗布红麻和大花白麻的株高、冠幅、分枝数、地上部生物量均增加，长势良好，地上部生物量最大值可达133.56g/m2（M1）和103.64g/m2（M2）；罗布红麻和大花白麻的根系生物量分别为61.32g/cm2（M1）、27.39g/cm2（M2）、23.12g/cm2（M3）和72.84g/cm2（M1）、34.95g/cm2（M2）、36.1g/cm2（M3），根系抗拉力分别为24.62N（M1）、32.67N（M2）、22.39N（M3）和32.54N（M1）、30.64N（M2）、31.77N（M3），根系抗拉强度分别为6.08MPa（M1）、6.31MPa（M2）、5.20MPa（M3）和5.32MPa（M1）、5.81MPa（M2）、5.30MPa（M3）；罗布麻根系抗拉力、抗拉强度与根系直径呈幂函数关系，回归效果达到极显著水平，决定系数分别为0.866、0.880和0.305、0.625。罗布红麻和大花白麻的土壤体积质量、最大持水量、毛管持水量、稳定入渗率均无显著差异，其数值大小与罗布麻种植密度呈正比，与土层深度呈反比。【结论】罗布麻在辽西北风沙地长势良好，成活率较高，能够越冬，根系具有一定的蓄水保土功能，但由于种植时间短，罗布麻对风沙土的改良效果一般。
关键词:罗布麻；辽西北风沙地；生态学特性；抗拉强度；土壤改良
引言
【研究意义】罗布麻（Apocynum venetum），又称野麻、茶叶花，属夹竹桃科多年生直立草本或半灌木[1]，因罗布泊而得名。罗布麻喜光、耐旱、耐贫瘠、抗逆性强、根系发达、抗风蚀，再生性和适应性强，多生长于沙漠边缘、盐碱荒地、河流沿岸冲积平原，是防沙治沙的优良植物，对区域防风固沙和生态修复具有重要意义。【前人研究进展】以往关于罗布麻的研究主要集中在其药理作用[2]、形态学特征[3]、生理特性[4]、化学成分[5]、纤维材料[6]等方面，研究地域多集中在新疆、青海、宁夏、甘肃、内蒙古等地。近年来，部分学者研究了罗布麻的固沙效果。平晓燕等[7]研究了新疆阿勒泰地区1年和2年生罗布麻的固碳增汇、防风固沙和水土保持等生态系统服务功能。雷春英等[8]以罗布麻为研究对象，研究无灌溉情况下罗布麻的固沙效果。韩占江等[9]分析了2种罗布麻的抗旱特性，为干旱地区植被筛选提供参考。甄熙等[10]研究了野生罗布麻的土壤理化性质，分析不同区域罗布麻叶片的生态化学计量特征。【本研究切入点】辽西北风沙地水资源短缺，土地沙化和植被破坏严重，生态环境极其脆弱，降雨量少、分布不均匀且蒸发量大，加之人类活动导致区域生态破坏严重，形成以水力侵蚀和风力侵蚀为主的水蚀风蚀交错带，大量的土壤细颗粒随径流和风力流失，加剧土壤养分流失，极大程度地限制植被恢复与重建。罗布麻抗逆性强、耐旱、耐贫瘠，适宜于在盐碱、沙漠、风沙等恶劣的自然条件下生长，是防沙治沙、改良盐碱地的优良植物，在东北地区具有较好的适应性[11-12]。因此，罗布麻的引入和种植可以有效防治土地荒漠化，响应国家退耕还草政策和生态文明建设，对区域可持续发展具有重要的理论意义和现实意义。【拟解决的关键问题】本研究从甘肃省武威市民勤治沙站引入罗布红麻（Apocynum venetum）和大花白麻（Poacynum hendersonii）1年生幼苗，在辽宁省沙地治理与利用研究所试验基地种植，分析3个种植密度条件下2种罗布麻的生长指标、根系力学性能和土壤物理性质，以期为辽西北风沙地治理与植被恢复提供科学依据。
1 材料与方法
1.1 研究区概括
研究区为辽宁省沙地治理与利用研究所，位于辽宁省彰武县章古台镇（E122°22′,N42°43′），地处科尔沁沙地东南端，地貌类型为流动沙地、半流动和固定沙地。气候属暖温带亚湿润气候区，年均降水量约为500mm，多集中于6~8月，年蒸发量约为降水量的3倍。土壤以风沙土为主，土壤剖面基本无层次划分，土壤结构质地很差，疏松且养分量低，氮、磷缺乏，土壤质量和土地生产力偏低。地下水资源量约为3.76×108m3，分布不均匀，地下水位在2m以下。研究区为蒙古植被与华北植物区系交汇地带，有维管束植物89科338属，570多个种，植被多为抗旱性较强的沙生植物，地带性植被主要有代山里红、家榆、胡枝子、中华隐子草、狗尾草、猪毛蒿等，林地主要造林树种为樟子松、彰武松、油松、小叶锦鸡儿、白丁香等。研究区水土流失严重，土壤侵蚀以水力侵蚀和风力侵蚀为主。
1.2 试验设计
供试作物为罗布红麻和大花白麻，从甘肃省武威市民勤治沙站引入1年生幼苗。为研究不同种植密度条件下罗布麻的生长特性及其对土壤改良效果，共布置20个试验小区（罗布红麻9个小区+大花白麻9个小区+2个荒地作为试验对照小区），每个小区30m2（长5m，宽6m）。通过查阅相关文献，罗布麻种植密度设计为4株/m2（M1）、3株/m2（M2）、2株/m2（M3）3个梯度，于2019年4月下旬种植，栽植完成后，地表5cm处平茬，再定期进行灌溉、施肥、除草、病虫害防治等后期管护，于2019年10月下旬开展实验。
1.3 测定指标与方法
1.3.1 生长指标
罗布麻地上生长指标主要包括成活率、株高、冠幅、分枝数、生物量、根系尺寸等指标。成活率通过人工查数、计算获得；株高、冠幅采用钢尺定期测量（精度1cm），分枝数现场定期人工查数获得；试验后期，每个小区随机抽取3个1m×1m的小样方，采集罗布麻地上部分，利用电子天平测量鲜重，再烘干（80℃）后测量其干质量（精度0.01g）；同时，采集罗布麻根系，洗净后利用WinRHIZO根系扫描系统对根系进行扫描，记录根系总长度、总根表面积、总根体积、总分枝数、平均根系直径等指标。
1.3.2 力学指标
在试验小区随机选取长势良好的罗布麻，采用韦度电子拉力计测量根系所受到的力。在罗布麻主根、侧根选5个点位，以所测根系点位为中间，将长度剪为15cm一段，用电子游标卡尺分别测量根系中间直径，再将拉力计黏挂在所要进行根系抗拉的罗布麻根上一端，一人拿起电子拉力计并与地面保持垂直，另一端有人匀速力量垂直向下拉，直到根系从中间断开，记录表盘上所显示的数值。每个种植密度测定15个样本。
1.3.3 土壤物理指标
土壤物理指标主要包括土壤体积质量、持水能力、入渗能力等指标。土壤体积质量和孔隙度采用环刀法测量，并利用土壤体积质量和饱和含水率与毛管持水量计算土壤持水能力；土壤入渗能力采用室内单环入渗法测量，记录入渗过程，计算稳定入渗率，单位时间内的渗透量区域稳定时的入渗速率为稳定入渗率。对照样地0~10cm土层和10~20cm土层的土壤体积质量、最大持水量、毛管持水量、稳定入渗率分别为1.51g/cm3、18.36%、17.69%、1.39mm/min和1.54g/cm3、17.95%、17.42%、1.32mm/min。
1.4 数据分析
采用Excel 2020软件作图，采用Origin 2019软件进行回归分析。
2 结果与分析
2.1 罗布麻生长指标分析
由表1可知，罗布红麻和大花白麻的株高均随着生长周期的延长而增加，2种罗布麻之间无显著差异；随着进入生长中期（8月4日和8月23日），罗布麻株高持续增加，且M1处理的增加幅度最大；当进入生长末期（9月16日），2种罗布麻的株高分别为14.92cm（M1）、14.25cm（M2）、13.38cm（M3）和15.77cm（M1）、17.01cm（M2）、15.41cm（M3）。对比2种罗布麻株高可知，罗布红麻的株高略低于大花白麻，说明在水肥充足的情况下大花白麻长势较好。罗布红麻和大花白麻在生长末期（9月16日）的冠幅分别为29.43cm（M1）、35.04cm（M2）、42.15cm（M3）和22.21cm（M1）、31.01cm（M2）、36.94cm（M3）。尽管罗布红麻的株高略小于大花白麻，但冠幅却大于大花白麻，表现为横向生长。生长末期（9月16日）罗布红麻和大花白麻的分枝数均表现为M1（4株/m2）和M2（3株/m2）处理大于M3（2株/m2）处理，罗布红麻和大花白麻的的地上部生物量分别为133.56g/m2（M1）、91.05g/m2（M2）、53.44g/m2（M3）和103.64g/m2（M1）、46.05g/m2（M2）、37.94g/m2（M3），表现为罗布红麻大于大花白麻。此外，通过现场调查发现，罗布红麻和大花白麻的成活率分别为95.0%和91.7%，说明引入罗布麻的成活率相对较高，长势较好，且越冬后的第二年罗布红麻和大花白麻均已萌发。
表1 罗布麻地上生长指标
注：“—”表示无数据。不同小写字母表示相同种植密度、相同采样时间条件下不同品种罗布麻之间差异显著（P＜0.05）。
由表2可知，罗布红麻和大花白麻的根系长度分别为1098.44cm（M1）、1231.2cm（M2）、1155.85cm（M3）和1256.38cm（M1）、1170.4cm（M2）、1089.87cm（M3），罗布红麻表现为M2处理最大、M1处理最小，而大花白麻则表现为随种植密度的减小而减小；罗布红麻和大花白麻的根系直径分别为1.09~1.19mm和1.19~1.25mm，相同种植密度下大花白麻略大于罗布红麻，罗布麻的根系表面积和体积的变化规律与根系长度相一致，罗布红麻表现为随种植密度的减小呈现先增大后减小，而大花白麻则表现为减小趋势。罗布麻根系具有较强的根蘖性，罗布红麻和大花白麻的根系分叉数分别为3813.56~4813.44和4990~5848.89，其侧根和须根发达。根系生物量是最为直观反映根系生长状况的指标，罗布红麻和大花白麻的根系生物量分别为61.32g/cm2（M1）、27.39g/cm2（M2）、23.12g/cm2（M3）和72.84g/cm2（M1）、34.95g/cm2（M2）、36.1g/cm2（M3），其中M1处理显著大于M2和M3处理。
表2 罗布麻根系指标
注：不同小写字母表示相同种植密度条件下不同品种罗布麻之间差异显著（P＜0.05）。
2.2 罗布麻根系力学性能分析
由图1可知，罗布红麻和大花白麻的根系直径为0.6~5.4mm和1.3~4.9mm，根系抗拉力变化范围为1.75~117.5N和9~76.2N，3个种植密度的平均值依次为24.62N（M1）、32.67N（M2）、22.39N（M3）和32.54N（M1）、30.64N（M2）、31.77N（M3），根系抗拉强度变化范围为3.1~12.44MPa和3.31~11MPa，平均值依次为6.08MPa（M1）、6.31MPa（M2）、5.20MPa（M3）和5.32MPa（M1）、5.81MPa（M2）、5.30MPa（M3）。由图1可知，罗布红麻和大花白麻的根系直径与抗拉力呈显著正相关关系，与抗拉强度呈显著负相关关系，说明罗布麻的粗根系具有较强的抗拉力，两者回归方程均达到极显著水平（P＜0.01）。
图1 罗布麻根系抗拉性
2.3 罗布麻改良土壤效果分析
由表3可知，0~10cm土层罗布红麻和大花白麻的土壤体积质量分别为1.46g/cm3（M1）、1.49g/cm3（M2）、1.45g/cm3（M3）和1.46g/cm3（M1）、1.43g/cm3（M2）、1.45g/cm3（M3），10~20cm土层分别为1.42~1.48g/cm3和1.44~1.49g/cm3，大花白麻0~10cm土层的土壤体积质量略低于10~20cm土层，而罗布红麻的M2和M3处理却与之相反，但各样地、各土层之间无显著差异；土壤最大持水量和毛管持水量的数值较为接近，整体上表现为随土层深度的增加而减小，随种植密度的减小而减小，但各样地、各土层之间仍无显著差异；土壤稳定入渗率反映土壤入渗能力，罗布红麻0~10cm和10~20cm土层的稳定入渗率为1.55~1.75mm/min和1.51~1.70mm/min，大花白麻0~10cm和10~20cm土层的稳定入渗率为1.49~1.71mm/min和1.50~1.66mm/min，表现为随土层深度的增加而减小，随种植密度的减小而减小，但各样地、各土层间无显著差异。罗布麻对风沙土的改良效果偏低，对土壤物理性质的影响程度不明显，这与罗布麻种植时间短关系密切。
表3 土壤物理性质
注：不同小写字母表示相同种植密度、相同土层条件下不同品种罗布麻之间差异显著（P＜0.05）。
3 讨论
辽西北风沙地生态环境脆弱，加之不合理的人为活动导致土地沙化、退化严重。因此，如何有效控制区域荒漠化是亟需解决的问题。罗布麻具有耐旱、耐贫瘠、抗逆性强、根系发达、抗风蚀等优点，广泛应用于中国西北地区的防风固沙工程[7-8,13-15]。本研究将西北罗布麻人工引入辽西北风沙地，罗布红麻和大花白麻长势良好，成活率较高，可用于辽西北风沙地的防风固沙工程。研究表明，新疆阿勒泰地区3年生罗布麻的株高和一级分枝数为70~100cm和11~23条[3]，1~2年生罗布麻的株高也在20~30cm[7]，高于本研究结果，这是由于研究区降雨量低于新疆阿勒泰地区，研究周期偏短，仅对罗布麻进行定期灌溉。罗布红麻的株高表现为随种植密度的增大而增加，说明各株罗布红麻之间为良性竞争，需要不断长高来吸收更多阳光以进行光合作用；而对于罗布麻的冠幅却表现为种植密度越小，冠幅数值越大，说明罗布麻有足够的水平空间生长。尽管罗布红麻和大花白麻的成活率均在90%以上，且成功越冬，但后续仍需连续监测罗布麻的成活率、越冬情况、生长状况等生态学指标以及干旱、低温等生境胁迫下罗布麻的生理指标。
罗布麻根系指标可以反映其生长状况和固沙能力。由本研究结果可知，罗布红麻和大花白麻最佳种植密度为M2（3株/m2）和M1（4株/m2）。相关研究表明，1年生罗布麻的侧根、须根系发达，多年生的主根系发达，根系分布情况符合耐干旱的生物学特性[16]。罗布红麻和大花白麻的根系分叉数高达4813.44和5848.89，表明侧根和须根发达，根系发育程度高，与辽西北风沙土充分接触、穿插、固结，形成抗侵蚀能力更强的根土复合体，从而降低水土流失。平晓燕等[7]研究结果也表明，新疆阿勒泰地区2年和1年生罗布麻种植地的土壤风蚀模数为37.65t/(hm2·a)和14.58t/(hm2·a)，土壤可蚀性K值降低14%和18%。根系指标的差异不仅影响植物吸收水分和养分的能力和效率，也反映了不同品种、不同种植密度的罗布麻对环境适应能力的差异性[17]。以往关于罗布麻力学特性的研究主要以罗布麻纤维结构与力学性能为主，而关于罗布麻根系的力学性能方面研究鲜见。刘晨阳等[18]以新疆罗布麻茎秆为研究对象，揭示罗布麻茎秆、木质部、韧皮部的力学特性，定量分析含水率对罗布麻茎秆拉伸、压缩、弯曲等力学特性以及剥麻效果的影响，为后续机械设计和降低杂质提供数据支持，但该研究也并未涉及根系力学特性。从本研究结果来看，罗布红麻和大花白麻根系的抗拉力介于1.75~117.5N和9~76.2N，抗拉强度介于3.1~12.44MPa和3.31~11MPa，罗布红麻根系的抗拉力小于大花白麻，而抗拉强度大于大花白麻。截止目前，关于罗布麻根系力学性能的研究相对较少，未来应开展罗布麻根系构型、根土复合体抗剪强度、根系增强土壤抗冲性效应等方面研究，加强罗布麻地上、地下植被对水力侵蚀和风力侵蚀的抑制作用，构建辽西北风沙地水蚀风蚀交错带水土流失防治体系。
在辽西北风沙地种植罗布红麻和大花白麻能够改良风沙土土壤物理性质，提高土壤的蓄水保土能力，降低土壤入渗能力，尤其是0~10cm土层更为明显，这与罗布麻种植时间以及对土壤改良效果有关。本研究从种植罗布麻到开展试验仅历时5个月，虽然罗布麻的生态学指标和根系指标有所变化，但土壤物理性质的形成与改变是一个漫长过程，短时间内不会有明显变化。因此，不同种植密度下的土壤物理性质无显著差异。因此，未来应继续开展定位监测，研究土壤物理性质、化学性质、生理指标等方面演变规律，建立辽西北风沙地罗布麻适宜性评价指标体系，加强罗布麻产量研究，实现罗布麻产业化，为辽西北风沙地治理提供科学依据与数据支撑。
4 结论
（1）2种罗布麻的成活率均大于90%，长势良好，越冬后均已萌发，说明西北罗布麻可引入辽西北风沙地。
（2）罗布麻根系的抗拉力和抗拉强度与根系直径均呈极显著的幂函数关系。
（3）罗布麻对辽西北风沙土改良效果偏低，这与研究周期偏短有关，未来需进一步开展长期定位监测，以评估罗布麻对辽西北风沙地土壤的改良效果及其适宜性。
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