內(nèi)蒙古陰山北麓地區(qū)不同品系藜麥根系形態(tài)和抗拉特性

摘要：為探究內(nèi)蒙古陰山北麓地區(qū)不同品系藜麥（Chenopodium quinoa Willd）間根系形態(tài)和抗拉特性，對根系形態(tài)和抗拉能力進行對比，篩選出產(chǎn)量高且水土保持效果較好的藜麥品系，為內(nèi)蒙古陰山北麓地區(qū)水土保持提供理論依據(jù)。選擇陰山北麓地區(qū)WD9、G28、W7、WD12等4種品系藜麥作為研究對象，對挖掘出的根系進行處理和測量并分析其形態(tài)特征，用處理好的根系制作試驗根，利用TY-8000拉力材料試驗機進行試驗，對4個品系80個單根進行拉伸試驗，分析不同品系藜麥根系的單根極限抗拉力和抗拉強度。結(jié)果表明，在4種藜麥品系中，根長、根表面積、根體積最大的是G28藜麥品系，細根根長占比最高的是WD9，達到82.12%。4種不同品系藜麥的根徑與單根極限抗拉力之間呈現(xiàn)顯著的正相關關系（P＜0.05），單根極限抗拉力從大到小排序W7＞W(wǎng)D9＞G28＞W(wǎng)7。4種藜麥抗拉強度的極大值均出現(xiàn)在＜1 mm的細根中，抗拉強度與根徑呈現(xiàn)顯著負相關（P＜0.05），平均抗拉強度大小排列依次為G28＞W(wǎng)7＞W(wǎng)D9＞W(wǎng)D12。G28品系的根系特性和單根極限抗拉力相較于其他品系具有明顯的優(yōu)勢，因此在陰山北麓地區(qū)種植G28品系的藜麥不僅可以提高產(chǎn)量，對水土保持也有一定作用。

關鍵詞：藜麥；根系形態(tài)特征；根徑；單根極限抗拉力；抗拉強度；內(nèi)蒙古

中圖分類號：S157；X171.4文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2025）02-0061-07

在一些沙化和水土流失較嚴重的地方，因為其本身生態(tài)環(huán)境就較脆弱，所以就會使用草本植物和灌木的結(jié)合方式，來改變當?shù)赝寥朗杷珊颓治g問題［1］。植物通過水文因素和力學因素兩方面的作用能夠起到有效緩解坡面水土流失的效果［2-4］。如有些植物會利用其根系發(fā)達、扎根深、根系抗拉強度大等特點來進行土壤的錨固，被廣泛用于溝渠的加固和高速公路路基護坡［5］。在植物周邊環(huán)境發(fā)生改變時，如地下資源被開采挖空后，上層土體會由于重力的作用發(fā)生改變，上面的表層土體會發(fā)生坍塌，此時，土體中的根系由于其錯綜復雜的形態(tài)，會在土壤內(nèi)部共同抵抗來自外界土體坍塌而造成的土體形變［6］，從而起到進一步的錨固作用［7］。根系是植物的重要器官，不僅具有吸收輸導土壤中的水分養(yǎng)分，合成和儲存營養(yǎng)物質(zhì)等生理功能，還具有固持水土的能力［5，7-9］。其抗拉力、抗拉強度、極限延伸率、楊氏彈性模量等根系抗拉力學特性是展示其固土抗蝕能力的重要指標［2］。不同植物種之間根系材料力學存在差異，某個植物種根系力學規(guī)律無法應用于其他植物種，且相同植物種的力學性質(zhì)還受氣候、土壤、季節(jié)等外界環(huán)境和根齡、根分支等自身生長變化的影響，導致根系的材料力學性質(zhì)存在差異［10］。目前重點研究的根系固土力學包括根抗拉力學、根-土復合體抗剪切力學和根-土摩阻力學。劉福全等通過對侵蝕區(qū)常見的5種水土保持植物根系固土的10項指標進行主成分分析發(fā)現(xiàn)，根系抗拉力學特性是影響植物根系固土的主導力學因素，其次是根-土摩阻力學特性，最后為根-土復合體抗剪切力學特性［11］。對保持植物根系固土的10項指標進行主成分分析發(fā)現(xiàn)，根系抗拉力學特性是影響植物根系固土的主導力學因素，其次是根-土摩阻力學特性，最后為根-土復合體抗剪切力學特性。張恩澤選擇暖水鄉(xiāng)砒砂巖區(qū)13年生的沙棘（Hippophae rhamnoides L.）為研究對象，通過單因素分析法分析沙棘單根的室內(nèi)抗拉試驗發(fā)現(xiàn)，沙棘單根抗拉力與根系的粗度呈正相關，根長與拉繩速率和抗拉力呈負相關［12］。包含等選取黃土邊坡典型的護坡植物高羊茅（Festuca elata Keng ex E. B. Alexeev）進行研究，利用根系的形態(tài)指標、力學指標之間的聯(lián)系測量該植物的單根抗拉力學特性，指出單根抗拉力與根徑呈現(xiàn)線性正相關［13］。藜麥（Chenopodium quinoa Willd）屬于莧科藜屬的一年生雙子葉草本植物［14］，富含礦物質(zhì)、纖維素、淀粉和多種維生素，且含量遠遠高于一般谷物，在國內(nèi)外被作為優(yōu)良的高蛋白糧而廣泛推薦，受到人們的高度關注和認可［15］。藜麥是一種耐鹽堿、抗逆能力強的作物，其根系的抗拉能力對于植物的生存和生長具有重要意義［16］。目前對藜麥的研究多圍繞根長和根系直徑來展開［2］，缺少對單根抗拉力、抗拉強度的研究。因此，本研究以內(nèi)蒙古陰山北麓區(qū)域為試驗地，篩選出WD9、G28、W7、WD12等4種品系藜麥，對比其根系的形態(tài)特征，比較單根極限抗拉力和單根抗拉強度。對于內(nèi)蒙古陰山北麓地區(qū)水土流失的治理，主要通過植物進行生態(tài)修復，從藜麥的根系形態(tài)特征和單根抗拉力學方向研究藜麥的綜合固土效果，以期為內(nèi)蒙古陰山北麓地區(qū)的水土保持提供指導和建議。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況

陰山北麓地區(qū)（44°11′N，110°96′E）位于內(nèi)蒙古自治區(qū)中部大青山南側(cè)-陰山山脈和蒙古高原交接帶。研究區(qū)屬于典型的高原大陸性氣候，年降水量為200～400 mm，主要集中在夏季，年平均溫度為1.3～3.9 ℃，年均蒸發(fā)量大。最高海拔為2 280 m，海拔最低處則不到1 000 m［17］。該氣候條件使陰山北麓地區(qū)植被類型以典型草原和荒漠草原為主，植被覆蓋度低。土壤類型主要為栗鈣土，西部地區(qū)有部分棕鈣土分布［18］。

1.2試驗樣品采集

本研究在試驗地種植不同品系的藜麥，選擇WD9、G28、W7、WD12等4種產(chǎn)量較高的藜麥進行研究。

在呼和浩特市武川縣西烏蘭不浪鎮(zhèn)中后河村藜麥種植試驗基地進行試驗，每個品系的藜麥先在溫室育苗盤中進行培育，待藜麥苗長大，將其移植到室外的試驗田中。試驗田大小為1 m×6 m，每個品系3次重復。每個試驗田生長環(huán)境和立地條件完全相同，每個試驗田內(nèi)選取5株藜麥，測量其株高、莖粗、冠幅，取得所測數(shù)據(jù)的平均值，然后確定每個品系的標準株（表1）。

4種藜麥的根系采集于2023年8月，主要用來測量根系的徑級長度以及根系的形態(tài)特征。在試驗地內(nèi)選取與標準株地上形態(tài)部分接近或相似的植株進行挖掘，每個試驗田挖取3～4株，每個品系挖取9～12株。從主根開始挖掘，在挖掘過程中采用由外向內(nèi)的挖掘方式，避免在挖掘時損傷到根表皮以及根系，這樣才能最大限度保持根部的完整性。將挖掘出來的整株根系放于黑色塑料袋中，每隔一段時間噴上水，保持根須濕潤，并將其放于4 ℃的冰箱中保存以保證試驗時根系的狀態(tài)。在實驗室內(nèi)測得總根長、不同徑級根長、根表面積、根體積。

將藜麥根徑分為3個部分：0＜根徑≤0.5 mm的根為細根，0.5 mm＜根徑≤1.5 mm的根為中根，1.5 mm＜根徑≤2 mm的根為粗根［19］。

1.3試驗根系制備

測量完根系的形態(tài)特征后，去除根皮脫落且顏色發(fā)生變化的死根，選擇較平直、根徑均勻的根按照試驗長度進行剪切，單根抗拉試驗的根長需要 8 cm，儀器兩端的夾具需要2 cm的根用于夾持固定，中間部分的拉伸測試長度為4 cm。在試驗進行時，統(tǒng)計力學試驗總根數(shù)以及各個徑級試驗根的數(shù)量。因為試驗根的根徑不同，所以在試驗時需要選擇合適的固定夾具，由于試驗儀器為金屬器具，在試驗過程中夾緊根系容易損傷根系，這樣會導致根系在夾具處斷裂，從而造成試驗失敗、數(shù)據(jù)不準的情況。為了提高試驗成功的概率，在根系夾持部位用醫(yī)用膠帶纏繞，增大摩擦力，提高試驗成功的概率［20］。由于根系的直徑會沿著根軸向生長方向發(fā)生粗細變化，為減小誤差，采用試驗根兩端和根中間3個部位的直徑，取平均值作為該段根系的直徑［21］。為了確保試驗的準確性，在拉伸試驗過程中，只有根系在中間斷裂的數(shù)據(jù)記錄為有效數(shù)據(jù)。

1.4根系生物量計算

1.4.1根系生物量

用烘干法測定植物根系的生物量，先將烘箱溫度調(diào)至105 ℃進行殺青處理 30 min 后，將溫度改變至80 ℃將根系烘干至恒重［22］，然后用電子天平稱重。

1.4.2比根長和比根表面積

比根長和比跟表面積是植物對水分和養(yǎng)分吸收等指標的一個重要體現(xiàn)，對于植物固土能力也有重要的體現(xiàn)，比根長和比根表面積是通過根長、根表面積以及根系生物量計算的，比根長（SRL）、比根表面積（SRA）計算公式如下［23］。

比根長（cm/g）=根長（cm）/根系生物量（g）；

比根表面積（cm2/g）=根表面積（cm2）/根系生物量（g）。

1.5根系抗拉力學特性研究

單根抗拉試驗儀器選擇TY-8000拉力材料試驗機，根系抗拉試驗為垂直拉伸，將試驗根系自然垂直并固定在儀器夾具上，試驗根根徑范圍為 0.1～2 mm，拉伸類型設置為彈性拉伸，拉伸速率為20 mm/min，對4個品系共80個單根進行拉伸試驗，根系拉伸試驗成功61個，成功率為76.25%（表2）。0＜根徑≤0.5 mm的根為細根，0.5 mm＜根徑≤1.5 mm的根為中根，1.5 mm＜根徑≤2 mm的根為粗根。

單根拉伸力學試驗公式如下［24］。

P=4F/（πD2）。

式中：P表示抗拉強度，MPa；F表示極限抗拉力，N；D表示單根直徑，mm。

1.6數(shù)據(jù)分析

試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2019進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，使用Origin 2019制圖，4種藜麥的單根極限抗拉力、單根抗拉強度使用SPSS進行回歸分析。

2結(jié)果與分析

2.1不同品系藜麥根系形態(tài)特征分析

2.1.1不同品系藜麥根長分析

4種藜麥根長如圖1-A所示，其中G28的總根長最長，達到 2 260.55 cm，而WD9的總根長最短，只有 848.95 cm，僅是G28的3/10左右，總根長排列依次是G28＞W(wǎng)D12＞W(wǎng)7＞W(wǎng)D9。通過對4種藜麥的徑級根長對比發(fā)現(xiàn)（圖1-B），細根（0＜根徑≤0.5 mm）的根長所占比例遠遠大于中根（0.5＜根徑≤1.5 mm）和粗根（1.5＜根徑≤2.0 mm）的和。其中G28、WD12的細根根長都大于1 000 cm，WD9、W7的細根根長分別為697.15、698.52 cm。4種藜麥中，W7的中根根長較長，占總根長的32.52%，其余3個品種占比均為17%左右。WD9的粗根根長占比最小，占總根長的0.12%，W7的粗根占比最大，占總根長的7.74%。

2.1.2不同品系藜麥根體積分析

4種藜麥根系體積特征見圖1-C，4種藜麥的總根體積從大到小排列依次是G28＞W(wǎng)7＞W(wǎng)D12＞W(wǎng)D9，其中G28的總根體積約為WD9的3倍。對比不同品系細根體積發(fā)現(xiàn)，G28的細根體積最大，為3.58 cm3。WD9的細根體積占總根體積的49.4%，占比達到最大。對比不同品系藜麥根體積發(fā)現(xiàn)，G28的中根體積最大，占總根體積的比例也最大，WD9的中根體積最小，僅為G28的3/10左右，對比不同品系藜麥粗根體積發(fā)現(xiàn)，W7的粗根體積最大，占總根體積的36.04%，WD9和G28粗根體積均小于10%。

2.1.3不同品系藜麥根表面積分析

對比4種藜麥根系表面積（圖1-D）可知，根表面積大小依次排列為G28＞W(wǎng)D12＞W(wǎng)7＞W(wǎng)D9，其中根系表面積最大值與最小值之間相差約2.7倍。通過對比不同品系藜麥的細根表面積發(fā)現(xiàn)，4種藜麥的細根表面積均大于中根和粗根的根表面積。對比4種藜麥的中根表面積發(fā)現(xiàn)，其中最大的是G28，最小的是WD9，兩者之間相差約2.8倍；中根表面積占總根表面積比例最大的品系是W7，約為1/2。對比4種藜麥的粗根表面積發(fā)現(xiàn)，占總根表面積比例最大的是W7，達到19.14%，其余3個品系都在10%之內(nèi)。

2.1.4不同品系藜麥比根長和比根表面積

比根長和比跟表面積是植物對水分和養(yǎng)分吸收的一個重要指標，對于植物固土能力也有著重要的體現(xiàn)。由圖2可知，G28的比根長最大，為1 306.67 cm/g，其次是WD12，WD9和W7的比根長最小（圖2-A）；比根表面積最大的藜麥品系是G28，為 257.15 cm2/g，其次為WD12、W7，比根表面積最小的是WD9，為141.97 cm2/g（圖2-B）。

2.2根系抗拉特性

2.2.1單根極限抗拉力

由表3可知，試驗成功的WD9根徑范圍是0.27～1.89 mm，極限抗拉力范圍為3.15～23.64 N；G28試驗成功的根徑范圍是0.29～1.93 mm，極限抗拉力范圍為3.24～23.51 N，W7試驗成功的根徑范圍是0.34～1.73 mm，極限抗拉力范圍為3.53～28.06 N；WD12試驗成功的根徑范圍是 0.27～1.84 mm，極限抗拉力范圍為1.62～21.42 N。

不同品系藜麥的單根極限抗拉力隨根徑的變化擬合關系見表3，G28的相關系數(shù)為0.945 0，均大于其他3個品系，說明該種品系藜麥的單根極限抗拉力隨根徑的變化擬合關系最好。其次為WD9，相關系數(shù)為0.914 8，W7和WD12相關系數(shù)均小于0.9，WD12相關系數(shù)最小。

根據(jù)不同品系藜麥單根極限抗拉力與根徑變化可知，不同品系藜麥的單根極限抗拉力均隨根徑的增大呈現(xiàn)出明顯的增大趨勢（圖3）。

2.2.2根系抗拉強度

根系單根抗拉力與抗拉強度成反比，抗拉強度是反映整個根系強度的一個重要指標，還可以反映出抵抗根系變形和對土壤束縛的能力［25］。由表4可知，G28的平均抗拉強度最大，其次是W7和WD9，WD12的平均抗拉強度最小，其抗拉強度范圍也最小。WD9的根系抗拉強度隨根徑變化的決定系數(shù)＞0.95，說明該品系藜麥的根系抗拉強度隨根徑的變化擬合程度較高，均高于其他3個品系。

藜麥根系抗拉強度與根徑的變化曲線見圖4，不同品系藜麥的根系抗拉強度隨根徑的增大均呈現(xiàn)下降的趨勢，且下降速率不同。在0lt;根徑＜0.5 mm時，WD9、WD12的下降速率最快；0.5 mm＜根徑＜1.5 mm時，G28、W7的下降速率最快；根徑＞1.5 mm時，4個品系的下降速率基本相同。

2.2.3不同品系藜麥的根系形態(tài)特征與抗拉特性的相關分析

由表5可知，不同品系藜麥根系形態(tài)特征和抗拉特性之間存在顯著的相關性。藜麥的根表面積和比根表面積存在極顯著的正相關關系，相關系數(shù)為0.995（P＜0.01）。根長與比根長和比根表面積之間存在顯著的正相關關系（P＜0.05）。根徑和單根極限抗拉力存在顯著的正相關關系，與抗拉強度存在顯著的負相關關系，相關系數(shù)分別為0.958、-0.977（P＜0.05），而單根極限抗拉力和抗拉強度存在極顯著負相關關系，相關系數(shù)為-0.998（P＜0.01）。由于根徑與單根極限抗拉力呈現(xiàn)顯著的正相關關系，所以根系抗拉強度極限值都出現(xiàn)在細根中，且根徑范圍均在1 mm以內(nèi)。

3結(jié)論與討論

根系在土壤中的形態(tài)特征，特別是根長、根體積和根表面積直接影響植物從土壤中吸收養(yǎng)分的能力［26-29］。發(fā)達的根系能更好地為藜麥提供所需的水分和養(yǎng)分，細根則有助于增加根土之間的摩擦，從而增強植物的固土能力。細根較長的品系通常具有較強的環(huán)境適應能力，其細根主要呈水平分布，能夠提供較大的固土范圍，對根系生長區(qū)域起到良好的錨固作用［6］。此外，藜麥根系的極限抗拉力和抗拉強度與根徑之間存在一定的關系。本研究利用WD9、G28、W7、WD12等4個品系的藜麥根系進行分析發(fā)現(xiàn)，單根極限抗拉力與根徑呈正相關，而抗拉強度與根徑呈負相關。該結(jié)論與袁亞楠等的研究結(jié)果［30-31］一致，其研究了草本植物在淺層土壤中根系形態(tài)特征和抗拉力學特征，發(fā)現(xiàn)草本植物和灌木的根徑與單根極限抗拉力之間存在顯著的正相關關系［30-31］。本試驗研究了4種藜麥的抗拉強度與根徑的關系，結(jié)果表明，隨著根徑的增大，抗拉強度減小，這符合先前研究中發(fā)現(xiàn)的冪函數(shù)關系。該規(guī)律可能受到不同品系的根系分布和生長狀態(tài)的影響，導致抗拉強度存在差異［32］?；趯@4個不同品系藜麥的探究發(fā)現(xiàn)，G28品系的根系特性和單根極限抗拉力相較于其他品系具有明顯優(yōu)勢，在環(huán)境貧瘠的地方可以選用該品系藜麥進行種植，在提高產(chǎn)量的同時還能達到減少水土流失的效果。

在4種藜麥的根系特性研究中，G28品系的根表面積、根體積和總根長均顯著高于其他品系，同時比根長和比根表面積也具有優(yōu)勢，表明G28在根系形態(tài)特征上相較于其他品系具有顯著優(yōu)勢。在細根根長方面，4種藜麥的細根根長均高于中根或粗根根長。其中WD9品系的細根根長占比最高，達到 82.12%，而G28品系的細根根長最長，達到 1 822.45 cm。單根極限抗拉力與根徑之間呈極顯著的正相關關系，隨著根徑的增大，4種藜麥的單根極限抗拉力明顯增加，呈線性增長的趨勢。然而不同品系之間的遞增幅度存在差異，其中G28品系的增幅最大。另外，抗拉強度與單根極限抗拉力呈相反趨勢。隨著根徑的增大，4種藜麥的單根抗拉強度呈現(xiàn)明顯的下降趨勢，且單根抗拉強度最大時的根徑均小于1 mm。

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