李變變，張鳳華，徐接亮，趙亞光，汪灝然，張霽峰，郭夢瑤

(石河子大學(xué)，新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團綠洲生態(tài)農(nóng)業(yè)重點實驗室，新疆 石河子 832003)

碳和氮是生態(tài)系統(tǒng)中的兩大重要元素，它們在植物體內(nèi)的積累受環(huán)境和田間管理等多種因素影響[1-2]。刈割作為一種人為干擾栽培管理技術(shù)[3]，它通過減少植物葉面積、增加透光率，來影響植物碳氮物質(zhì)的積累，進而促進植物分生組織以及新器官的再生生長[4]，并使植物對刈割損傷做出補償性生長[5]。研究表明不同刈割高度會使植物的光合速率和補償生長能力產(chǎn)生差異[6]，因此會影響植物地上部生物量的積累[7]。刈割對植物地上部分的影響是即時的，然而對地下生物量的影響則具有滯后性[8]，因為植物碳氮同化物的分配和積累是提高作物產(chǎn)量與品質(zhì)的關(guān)鍵因素[9]，由此植物會在刈割之后通過“源-庫”關(guān)系的調(diào)控，使植物體內(nèi)碳、氮等物質(zhì)形成新的分配格局[10]，促進植物地下塊莖的生長和營養(yǎng)積累[11]。

油莎豆(CyperusesculentusL.)于20世紀60年代引入我國，又名油莎草，屬莎草科(Cyperaceae)莎草屬(Cyperus)多年生草本植物。油莎豆具有耐刈性和再生性，不僅具有耐貧瘠等優(yōu)良的植物學(xué)性狀[12-13]，同時地上莖葉可作為綠肥和優(yōu)質(zhì)飼草等[14]，地下塊莖還可作為優(yōu)良的有機肥。另外，塊莖中含有蛋白質(zhì)、脂肪、淀粉等豐富的礦物質(zhì)營養(yǎng)成分，以及甾類化合物、有機酸、萜類等功能性有效成分[15]?？偠灾蜕咕哂蓄H高的營養(yǎng)價值和經(jīng)濟價值[16]，極具開發(fā)價值。目前，許多學(xué)者通過不同栽培措施對油莎豆地下塊莖產(chǎn)量及品質(zhì)進行了研究[17]，但關(guān)于刈割對油莎豆地上部分飼草產(chǎn)量和地下塊莖產(chǎn)量及品質(zhì)的研究較少[18]，刈割不僅能夠解決油莎豆地上部分出現(xiàn)的倒伏問題，同時還可以提高油莎豆的經(jīng)濟價值，因此研究刈割對油莎豆葉片碳氮積累、生物量以及產(chǎn)量和品質(zhì)的影響具有重要意義。油莎豆在國內(nèi)種植范圍廣泛，但由于新疆獨特的光、熱、水土資源與原產(chǎn)地相似，因此油莎豆在新疆具有很大的種植潛力。

本研究以新疆沙區(qū)油莎豆為研究對象，比較不同留茬高度下油莎豆地上部分葉片碳氮積累、生物量、地下塊莖產(chǎn)量和品質(zhì)的差異，尋求其適宜的留茬高度，為新疆沙區(qū)油莎豆高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)種植技術(shù)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗地位于新疆喀什莎車縣(地理位置處于77°07′40.25″E；38°34′12.08″N)，地處天山東段北麓、準噶爾盆地南緣，平均海拔1 231.2 m，屬暖溫帶大陸性氣候，年無霜期220 d左右，平均12～15℃，年日照時數(shù)2965 h，是中國日照較長的地區(qū)之一，年平均降水量56.6 mm，年均蒸發(fā)量2 226 mm，日最大蒸發(fā)量可達20 mm，無霜期192 d，晝夜溫差大、氣候干燥、日照長，水分蒸發(fā)量大。土壤主要參數(shù)見表1。

表1 土壤主要參數(shù)

1.2 供試材料及種植方式

本試驗選用油莎豆品種為中油莎1號，采用條播機播種，行距40 cm，株距20 cm，播種深度4～5 cm，每穴2粒，刈割試驗小區(qū)油莎豆種植與大田管理保持一致，2020年4月中旬播種，2020年10月上旬完成收獲。

1.3 試驗設(shè)計

試驗采用單因素隨機區(qū)組設(shè)計，以未刈割處理為對照組(CK)，設(shè)置5個刈割留茬高度：10 cm(LC10)、20 cm(LC20)、30 cm(LC30)、40 cm(LC40)、50 cm(LC50)，試驗共6個處理，每個處理設(shè)3個重復(fù)，共18個小區(qū)，每個小區(qū)面積2 m×4 m，且各小區(qū)之間保護行0.2 m×4 m，油莎豆株高達到0.7～0.8 m(出現(xiàn)倒伏現(xiàn)象[18]，處于分蘗期)進行刈割。

1.4 植株樣品采集與測定

分別在刈割后第1天、第5天、第10天、第15天、第20天取各處理代表性葉片，105℃殺青，75℃烘干至恒重，測定各時期葉片全碳和全氮含量。

地上飼草產(chǎn)量測定：每個小區(qū)隨機挑選1 m×1 m樣方后做好標記，刈割當天記錄各小區(qū)割去的鮮草和干草質(zhì)量，分別記為X1和G1，待收獲時將地上留茬割去，記錄各小區(qū)鮮草質(zhì)量和干草質(zhì)量，分別為X2和G2。地下塊莖產(chǎn)量測定：將地上飼草產(chǎn)量所挑選的1 m2樣地的油莎豆全部挖出、洗凈(去除根系)擦去表面的水分，記錄鮮質(zhì)量，晾干后記錄干質(zhì)量，進行油莎豆田間產(chǎn)量估算。

將油莎豆晾干，磨成粉末后用于品質(zhì)指標測定。氣相色譜法測定油莎豆塊莖中的脂肪酸組成以及含量；利用馬弗爐測定粗灰分含量；蒽酮比色法測定總糖含量；索氏提取法測定粗脂肪含量；半微量凱氏定氮儀測定粗蛋白；塊莖淀粉含量的測定參照趙永亮(2005)的方法[19]；在對塊莖樣品進行脫脂后，分別使用中性洗滌劑、酸性洗滌劑和72%硫酸溶液去除樣品中的可溶性物質(zhì)，經(jīng)干燥、灰化后，利用重量法得到中性洗滌纖維(NDF)、酸性洗滌纖維(ADF)含量。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Origin 8軟件對數(shù)據(jù)進行處理和作圖；采用SPSS 20.0軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，用Duncan法分析處理間的差異顯著性，差異顯著水平是P<0.05；用PCA相關(guān)系數(shù)法進行各變量之間相關(guān)性分析；采用獨立樣本t檢驗進行刈割處理與對照組之間的差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同留茬高度對油莎豆葉片碳氮含量的影響

如圖1(A)所示，刈割后，隨著生長時間的延長，各留茬高度植物葉片中全碳含量呈現(xiàn)先增加后趨于平穩(wěn)的趨勢。刈割后第1天，各留茬處理的全碳含量均與CK無顯著差異，LC50葉片全碳積累量明顯最高，為22.79%，較CK增加了17.73%；刈割后第5天，LC40全碳積累量顯著最高為39.78%(P<0.05)；刈割后第10天，各留茬處理全碳含量均較CK處理高，LC50和LC40顯著最高；刈割后第15天，除LC50外，其他處理葉片全碳積累量均低于CK；刈割后第20天，僅LC30全碳積累量高于CK，為38.8%。

如圖1(B)所示，刈割后，隨著生長時間的延長，各處理留茬葉片全氮含量呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。刈割后第1天，僅LC50全氮含量與CK無顯著差異，其他處理均低于CK；刈割后第5天，各留茬葉片全氮變化不大；刈割后第10天各處理全氮含量達到各時期最大值，LC40全氮含量顯著最高，為2.12%；刈割后第15天，LC10全氮含量顯著最高，較CK顯著增加9.32%(P<0.05)；第20天時，LC50全氮積累量較其他處理顯著最高，為1.61%，LC10和LC20全氮含量極劇下降，分別為0.27%和0.35%。

注：不同小寫字母表示不同留茬刈割處理之間差異顯著(P<0.05)。下同。Note：Different lowercase letters indicate significant differences between different stubble clipping treatments(P<0.05). The same below.

2.2 不同留茬高度對油莎豆地上部生物量的影響

如表2所示，除LC50之外，其他處理合計鮮草產(chǎn)量較CK顯著增加，LC10鮮草質(zhì)量顯著最高為15 099.08 kg·hm-2，各處理合計干草質(zhì)量無顯著差異，LC40處理合計干草產(chǎn)量最大，為4 981.72 kg·hm-2，最低為LC50處理，合計干草產(chǎn)量為4 310.39 kg·hm-2。

2.3 不同留茬高度對油莎豆塊莖產(chǎn)量構(gòu)成因子的影響

如表3所示，除CK外，隨留茬高度增加各處理干豆質(zhì)量、鮮豆質(zhì)量、千粒重、總粒數(shù)及單穴粒數(shù)均呈先增加后降低趨勢。LC40處理的干豆質(zhì)量和千粒重與CK相比無顯著差異，但顯著高于LC10、LC20、LC30、LC50處理(P<0.05)，分別為8 208.9 kg·hm-2、470.03 g，而鮮豆質(zhì)量、總粒數(shù)均顯著高于CK和其他處理(P<0.05)，分別為14 841.65 kg·hm-2、1 968萬粒·hm-2，LC30處理較CK和其他處理單穴粒數(shù)最高，為126?！ぱ?1。

表3 不同留茬高度對油莎豆產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

2.4 不同留茬高度對油莎豆塊莖品質(zhì)的影響

2.4.1 不同留茬高度對油莎豆塊莖營養(yǎng)組分含量的影響 如圖2(A)所示，LC10和LC50處理塊莖粗灰分含量顯著高于CK和其他處理(P<0.05)，且均為2.33 %，而 LC40處理最低，為1.8%。LC10處理酸洗纖維含量高于其他處理，為10.78%(P>0.05)，而LC30處理酸洗纖維含量較CK以及其他處理最低，為9.47%。CK中洗纖維含量最高，為54.5%，LC30處理含量最低，為46.1%。

如圖2(B)所示，LC40處理粗脂肪含量、淀粉含量、粗蛋白、含油量均顯著高于CK和其他處理(P<0.05)，分別為28.8%、38.63%、6.01%、22.44%。LC10處理總糖含量顯著高于CK和其他處理(P<0.05)，

圖2 不同留茬高度對油莎豆塊莖營養(yǎng)成分含量的影響Fig.2 Effects of different stubble heights on the content of nutritional components of Cyperus esculentus L. tubers

為44.35%，但粗脂肪含量和含油量顯著低于CK和其他處理(P<0.05)，分別為21.87%和15.44%。此外，CK的粗蛋白含量、LC30處理淀粉含量、LC50處理總糖含量均低于其他處理，其含量分別為5.33%、28.61%、26.65%。

2.4.2 不同留茬高度對油莎豆塊莖脂肪酸含量的影響 如圖3(A)所示，LC10處理棕櫚酸含量顯著高于CK和其他處理，為14.00%(P<0.05)，而LC40處理含量最低，為12.95%。除CK之外，硬脂酸含量隨留茬高度升高而降低，其中LC10處理硬脂酸含量較其他處理最高，為2.99%(P<0.05)。各處理花生酸含量差異不顯著(P>0.05)。

如圖3(B)所示，LC10棕櫚油酸含量較其他處理最高，LC40處理油酸含量高于CK和其他處理，達到74.10%，LC10處理油酸含量最低，為70.81%。LC10處理亞油酸和亞麻酸含量顯著高于CK和其他處理(P<0.05)，分別是11.21%和0.42%，LC40處理亞油酸和亞麻酸含量最低，分別是9.61%和0.23%。

圖3 不同留茬高度對油莎豆塊莖飽和脂肪酸(A)和不飽和脂肪酸(B)的影響Fig.3 Effects of different stubble heights on saturated fatty acids (A) and unsaturated fatty acids (B) of Cyperus esculentus L. tubers

2.4.3 不同留茬高度對油莎豆塊莖品質(zhì)的主成分分析 對不同刈割留茬高度下13種品質(zhì)指標影響情況進行主成分分析(圖4)，共提取兩個主成分，第一主成分(PCA1)和第二主成分(PCA2)分別可以解釋所有變量的56.63%和31.44%，兩個主成分累計方差貢獻率達到88.07%，可以較全面概括13個變量的特征。從圖4可以看出，CK與LC10、LC20、LC30、LC40和LC50明顯分開，其中CK與LC10距離最遠，但與LC20、LC30、LC40和LC50距離較近。這表明刈割對油莎豆塊莖品質(zhì)具有影響，其中LC10影響最大。CK、LC10和LC40處理油莎豆塊莖品質(zhì)在PC1上具有差異，說明這3個處理的油莎豆塊莖品質(zhì)間差異較大。而LC20、LC30和LC50處理油莎豆塊莖品質(zhì)在PC1上沒有差異，說明三者之間油莎豆塊莖品質(zhì)間差異較小。

圖4 不同留茬高度對油莎豆塊莖品質(zhì)的主成分分析Fig.4 Principal component analysis of different stubble heights on the quality of Cyperus esculentus L. tubers

為進一步確定不同指標對各主成分的解釋變量，從主成分因子載荷圖5和表4可以看出13種指標對前兩個主成分的貢獻率。對于PCA1貢獻較大的為粗脂肪、含油量、棕櫚酸、油酸、亞油酸、亞麻酸，而對PCA2貢獻較大的為中洗纖維。這表明對油莎豆塊莖品質(zhì)起分異作用的品質(zhì)指標為粗脂肪、含油量、棕櫚酸、油酸、亞油酸、亞麻酸、中洗纖維，即刈割對油莎豆塊莖品質(zhì)的差異主要體現(xiàn)在粗脂肪、含油量、棕櫚酸、油酸、亞油酸、亞麻酸、中洗纖維上，其中粗脂肪、含油量、棕櫚酸、油酸、亞油酸和亞麻酸尤為突出。

圖5 13種品質(zhì)指標對PCA1和PCA2貢獻的特征向量系數(shù)Fig.5 Eigenvector coefficients of 13 quality indicators contributing to PCA1 and PCA2

表4 油莎豆13種品質(zhì)指標的因子載荷值

3 討 論

刈割不僅影響植物的形態(tài)結(jié)構(gòu)，還對植物的物質(zhì)積累和生理生態(tài)等存在影響。本研究表明刈割使得油莎豆葉片中碳氮物質(zhì)的積累產(chǎn)生差異。刈割后第1天，留茬50 cm葉片碳氮積累量高于其他處理；隨著生長時間的延長，各處理葉片碳氮積累量呈先升高后下降最后趨于平穩(wěn)的趨勢，由此可說明，輕度刈割促進了植物的物質(zhì)積累，提高了植物的修復(fù)能力，重度刈割則影響植物的物質(zhì)儲備和消耗[20]。Dovel等[21]研究表明適當?shù)呢赘钅艽龠M飼草產(chǎn)量的增加。本研究與其結(jié)論一致，留茬40 cm油莎豆地上生物量最高，為6 567.15 kg·hm-2。形成這一結(jié)果一方面由于:刈割后植物殘茬部分截獲大量光能，有效光合作用提高[22]，促進了植物體內(nèi)碳氮含量的積累[23]，進而影響了植物的初級生產(chǎn)力[24]；另一方面是由于植物受到機械損傷后代謝產(chǎn)物和代謝途徑發(fā)生變化[25]，造成植物殘茬和根系中碳、氮的分配差異[10,26]，使得植物資源的分配和補給具有傾向性[27]，因此植物應(yīng)對損傷脅迫的能力得到提高，并使植物保持相對較高的物質(zhì)積累量。

地上部分生物量的形成是光合產(chǎn)物積累與分配的過程，而地下產(chǎn)量的形成則取決于源庫關(guān)系的調(diào)控[9]。Zhang、Wei等[28-29]研究表明，放牧(刈割)促進羊草地上部生物量向地下部生物量的轉(zhuǎn)移。本研究留茬40 cm油莎豆地下產(chǎn)量最高，為8 208.9 kg·hm-2，這或許是因為在留茬40 cm下，油莎豆體內(nèi)源庫資源的協(xié)調(diào)分配，使植物抗刈割干擾的緩沖能力增強[6]，增加了向地下塊莖分配的資源，將更多的能量及化合物轉(zhuǎn)移到塊莖[11]，另一方面可能是刈割解除了油莎豆地上部分的頂端優(yōu)勢及有性生殖，改變了油莎豆的生長及生殖模式，影響了地下物質(zhì)的積累[29]。孫毅等[30]研究發(fā)現(xiàn)刈割會使植株大量葉片損傷，干擾植物對光的截取以及光合作用的進行，進一步限制植物的再生和地下營養(yǎng)器官的發(fā)育，影響生物量的積累。刈割后植物的留茬部分和地下部分貯藏的營養(yǎng)物質(zhì)密切相關(guān)[31]；刈割強度過大一方面會影響植物的物質(zhì)分配，另一方面會使植物調(diào)動地下營養(yǎng)物質(zhì)儲量，同時還會削弱物質(zhì)向地下部分的轉(zhuǎn)移和積累[32]。

因此，本研究油莎豆塊莖產(chǎn)量隨刈割留茬高度的降低而逐漸降低，其中一方面可能是刈割導(dǎo)致光合葉面積減少，地上殘茬和根系部分碳氮物質(zhì)積累較少，減少了向地下塊莖的運轉(zhuǎn)，使其養(yǎng)分利用效率降低，最終導(dǎo)致產(chǎn)量下降[33]；另一方面：刈割影響了植物根區(qū)土壤環(huán)境，使土壤酶活性以及微生物數(shù)量減少[34]，由此造成植物地下養(yǎng)分汲取減少，使得地下塊莖產(chǎn)量下降。

本研究通過對不同留茬高度地下塊莖品質(zhì)主成分分析，發(fā)現(xiàn)刈割對油莎豆粗脂肪、含油量、不飽和脂肪酸等影響較大，其中留茬高度40 cm塊莖中淀粉、粗脂肪、粗蛋白含量和含油量顯著高于其他處理，留茬10 cm總糖含量顯著最高。有研究表明，脂肪酸在植物應(yīng)對機械損傷方面具有重要作用[35]，主要是通過不飽和脂肪酸來調(diào)節(jié)植物對非生物脅迫的適應(yīng)能力[36-37]，其中本研究留茬40 cm下油莎豆塊莖中因為脂肪酸總量和油酸含量的增加增強了油莎豆自身的修復(fù)能力，進一步提高了油莎豆的產(chǎn)量和品質(zhì)。

4 結(jié) 論

刈割對油莎豆葉片碳氮積累、生物量、塊莖產(chǎn)量和品質(zhì)存在影響。輕度和中度刈割(LC50、LC40和LC30)有利于葉片碳氮含量的積累。留茬40 cm地上部生物量高于其他各處理，達到4 981.72 kg·hm-2。留茬40 cm油莎豆產(chǎn)量、塊莖中的含油量、油酸含量、粗脂肪含量、淀粉含量、粗蛋白含量均高于其他處理。綜上所述，刈割留茬40 cm左右為相對適宜的刈割高度，有利于提高新疆沙區(qū)油莎豆的產(chǎn)量和品質(zhì)。