極端干旱區(qū)種植行距對油莎豆生長及土壤特性的影響

劉亞蘭, 趙 月, 徐夢琦， 柴旭田， 曾凡江， 李向義， 李 磊， 黃彩變*

(1. 中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所新疆荒漠植物根系生態(tài)與植被修復(fù)重點實驗室， 新疆 烏魯木齊 830011； 2. 中國科 學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所荒漠與綠洲生態(tài)國家重點實驗室， 新疆 烏魯木齊 830011； 3. 新疆策勒荒漠草地生態(tài)系統(tǒng)國家 野外科學(xué)觀測研究站， 新疆 策勒 848300； 4. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

塔里木盆地南緣是我國沙漠化最嚴(yán)重的地區(qū)之一，干旱、高溫和風(fēng)沙災(zāi)害嚴(yán)重威脅當(dāng)?shù)鼐用竦纳妗⑸a(chǎn)和經(jīng)濟發(fā)展。近3年來為助力農(nóng)民脫貧致富，當(dāng)?shù)卣涂萍疾块T大力扶持發(fā)展畜牧產(chǎn)業(yè)，飼草資源供給日益緊缺，因此亟需引進一些既有較高飼用價值又能適沙抗旱的牧草資源。油莎豆(Cyperusesculentus)是原產(chǎn)于非洲的莎草科莎草屬多年生草本植物，其根系發(fā)達，分蘗能力強，生育期短，生物量大，含油量高，抗逆性強，且適應(yīng)范圍廣，是一種優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、高附加值的新型生態(tài)經(jīng)濟作物[1]。目前，油莎豆在新疆已有小面積引進種植[2]，但因其規(guī)?；N植技術(shù)體系還不完善，尚未能大面積推廣。因此，研究油莎豆在風(fēng)沙前沿區(qū)域的生長適應(yīng)性和關(guān)鍵栽培種植技術(shù)對充分發(fā)揮其經(jīng)濟和生態(tài)效益，增加當(dāng)?shù)剞r(nóng)民收入具有重要意義。

栽培行距是影響多年生牧草生長和作物產(chǎn)量的重要栽培種植措施。一般來說，適當(dāng)縮小行距，牧草和作物產(chǎn)量會有明顯提高[3-5]。但也有研究認(rèn)為相同群體或不同群體中個體距離過近時會使冠層蔭蔽嚴(yán)重，個體對資源競爭過于激烈，從而導(dǎo)致產(chǎn)量顯著下降[6]。賀玉鵬等[7]研究則發(fā)現(xiàn)過大的行距會增加水分的蒸發(fā)，進而影響到作物產(chǎn)量[8-9]。劉雪薇等[10]研究表明，在合理密植條件下，擴大行距有利于提高水分和養(yǎng)分利用效率。因此，合理的栽培行距不但能夠有效調(diào)節(jié)植物群體結(jié)構(gòu)，提升光合作用效率，還可提高資源利用能力，進而提高產(chǎn)量[11]。這也進一步說明適宜的栽培行距對獲得較高的牧草產(chǎn)量至關(guān)重要。

栽培行距除影響植物的種間關(guān)系和產(chǎn)量外，也會對土壤特性產(chǎn)生一定影響，從而影響植物生長[12]。余利等[13]發(fā)現(xiàn)行距會對玉米群體內(nèi)部的風(fēng)速、冠層溫度與濕度等產(chǎn)生影響，進而會影響到土壤溫度與含水量[14]。還有研究發(fā)現(xiàn)株行距變化會引起植物形態(tài)特征與株密度的變化，從而對土壤蒸發(fā)量也有一定影響[15-16]。在干旱區(qū)若土壤蒸發(fā)量過大則可能會引起土壤鹽分表聚，造成土壤次生鹽漬化[17]，這將對土壤有機質(zhì)含量產(chǎn)生明顯影響[18]。因此，選擇合適的栽培行距不僅可以獲得較高的作物產(chǎn)量還能夠?qū)ν寥蕾|(zhì)量起到一定的改良作用。然而，目前關(guān)于油莎豆種植行距及相應(yīng)的土壤特性變化方面的研究還較少。本試驗通過在塔里木盆地南緣對油莎豆進行不同栽培行距處理，探討油莎豆在極端干旱的風(fēng)沙環(huán)境下其生長響應(yīng)及土壤特性變化，以期查明油莎豆適宜的栽培種植行距，為油莎豆在極端風(fēng)沙環(huán)境區(qū)大面積種植和推廣提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗于2020年在新疆和田市吉亞鄉(xiāng)團結(jié)新村(81°06′18″ E，37°25′99″ N)進行，該地區(qū)地處塔克拉瑪干沙漠南緣，屬暖溫帶大陸性荒漠氣候，年平均溫度為13.1℃，全年干旱少雨，年均降水量43.8 mm，蒸發(fā)量高達2 624.4 mm，平均相對濕度41%，年日照時數(shù)2 662 h。該試驗地為新開墾沙漠土地，土壤類型為風(fēng)沙土，在開墾前取表層土壤進行養(yǎng)分測定，0～20 cm土層有機質(zhì)含量為2.52 g·kg-1，堿解氮含量為15.79 g·kg-1，有效磷含量為3.71 g·kg-1，速效鉀含量為236.5 g·kg-1，土壤pH值為7.76，土壤容重為1.54 g·cm-3，含鹽量為2.53 g·kg-1。2020年年平均溫度為11.8℃，年降水總量356 mm，月降水量和月平均氣溫如圖1所示。

圖1 2020年溫度及降水量Fig.1 The temperature and precipitation in 2020

1.2 試驗設(shè)計

試驗種植油莎豆品種為‘新科1號’。采用單因素隨機試驗設(shè)計，設(shè)置30 cm，60 cm，90 cm和120 cm 4種行距處理，每個處理3個重復(fù)，共12個小區(qū)，小區(qū)面積10 m×5 m。2020年5月上旬機械開溝條播種植，油莎豆種子播量為300 kg·hm-2?？偸┓柿繛槟蛩?75 kg·hm-2(N≥46%)，磷酸二銨300 kg·hm-2(P2O5≥48%，N≥18%)，硫酸鉀375 kg·hm-2(K2O≥52%)，腐殖酸300 kg·hm-2，總灌水量為5 775 m3·hm-2。其中，種植前施基肥：尿素45 kg·hm-2，磷酸二銨300 kg·hm-2，硫酸鉀復(fù)合肥375 kg·hm-2，腐殖酸300 kg·hm-2。播種前灌水量為2 025 m3·hm-2。之后所有處理均采用水肥一體化技術(shù)進行滴灌施肥，滴灌帶順著油莎豆種植行方向鋪設(shè)，每條滴灌帶也間隔30 cm。油莎豆生長初期(5月—6月)滴水4次，每次滴水量187.5 m3·hm-2，每公頃滴尿素33.75 kg，硫酸鉀復(fù)合肥15 kg。灌溉中期(6月—8月中旬)，滴水12次，在灌溉后期(8月中旬—9月中旬)滴水4次，每次滴水量及化肥量同灌溉早期。

1.3 測定指標(biāo)與方法

1.3.1植物生物量及產(chǎn)量測定 油莎豆成熟期(9月中旬)在每個小區(qū)距離邊界1 m處，選取3個至少間隔2 m的樣點，每個樣點在10 m2范圍內(nèi)隨機取4個0.5 m×0.5 m樣方并測定其內(nèi)株數(shù)，4個樣方總和記為單位面積株數(shù)。采用此方法的原因是油莎豆根系分蘗能力較強，且分蘗株具有一定的空間拓展能力，加上寬行距有一定的空白面積，為保證樣方數(shù)據(jù)的代表性本試驗選取了小面積多點測定的方法。根據(jù)樣方株數(shù)計算株密度，計算公式如下[19]：

株密度=單位面積株數(shù)/樣方面積

(1)

每個小樣方選取10株測量株高，根據(jù)每個樣點4個樣方內(nèi)的測定結(jié)果計算其平均值即為單位面積株高。將每個樣方中油莎豆的地上、地下部分全部收獲，分為葉、根系和塊莖，將根系和塊莖用清水洗干凈后放入烘箱，在105℃下殺青半小時，之后在75℃烘干至恒重并稱量，計算油莎豆地上部生物量、根生物量和千粒重。根據(jù)樣方內(nèi)塊莖重量換算單位面積油莎豆塊莖產(chǎn)量。

1.3.2油莎豆葉片、根系及塊莖養(yǎng)分測定 將烘干植物樣品研磨粉碎，并過40目篩，用H2SO4-H2O2消煮法進行消煮，消煮液經(jīng)過定容后保存，用于油莎豆氮(Nitrogen，N)，磷(Phosphorus，P)，鉀(Potassium，K)含量的測定。全氮含量采用凱氏定氮法進行測定，全磷含量采用鉬銻抗比色法進行測定，全鉀含量采用火焰分光光度計法進行測定[20]。并根據(jù)油莎豆各部分N，P，K含量計算養(yǎng)分吸收量[21]，計算公式如下：

養(yǎng)分吸收量=干物質(zhì)累積量×養(yǎng)分含量

(2)

1.3.3土壤理化性狀測定 在植物樣品采集的同時，用直徑為2 cm的土鉆在未種植油莎豆裸地(CK)，30 cm，60 cm，90 cm，120 cm行距處理下每個小區(qū)內(nèi)隨機選取3個點，每個點均在油莎豆根區(qū)和行中間空地取0～20 cm和20～40 cm兩個深度土壤樣品，相同土層混合在一起，每小區(qū)土樣取完后將3個點按土層混合均勻，風(fēng)干后備用，土壤容重采用環(huán)刀法測定，環(huán)刀容積為100 cm3。其他相關(guān)土壤指標(biāo)測定參考魯如坤[22]的《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》，土壤pH值使用酸度計測定；土壤總鹽分含量采用“烘干殘渣法”進行測定；土壤有機質(zhì)含量采用重鉻酸鉀容量法進行測定；堿解氮含量采用半微量開氏法進行測定；有效磷含量采用碳酸氫納浸提-鉬銻抗比色法進行測定；速效鉀含量采用火焰廣度法進行測定。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

利用Excel 2020，進行數(shù)據(jù)整理，利用Origin 2019進行作圖。SAS 9.4軟件用于對數(shù)據(jù)進行單因素方差分析，并利用最小顯著極差法(LSD)進行差異顯著性檢驗(P<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 行距對油莎豆生長和產(chǎn)量的影響

由表1可知，行距處理對油莎豆株高和千粒重的影響不顯著，但對油莎豆株密度、飼草產(chǎn)量、根生物量以及塊莖產(chǎn)量均有顯著影響(P<0.05)。油莎豆株密度、飼草產(chǎn)量、根生物量和塊莖產(chǎn)量均在30 cm行距處理下達到最高，且顯著高于其他處理(P<0.05)。株密度、飼草產(chǎn)量和根生物量在60 cm與120 cm行距處理之間沒有顯著差異。塊莖產(chǎn)量也在90 cm行距處理下最低，但與60 cm和120 cm行距處理差異不顯著。株高和千粒重也同樣在30 cm行距處理下最高，但與其他行距處理間差異不顯著。

表1 不同行距對油莎豆生長及產(chǎn)量的影響Table 1 Effects of different row spacing on the growth and yield of C. esculentus

2.2 行距對油莎豆養(yǎng)分吸收量的影響

由表2可知，不同行距處理對油莎豆葉片、根及塊莖養(yǎng)分吸收量均有顯著影響(P<0.05)。葉片N，P和K吸收量均在30 cm行距處理下達到最大，且N，K吸收量均顯著高于其他處理(P<0.05)；P吸收量在30 cm行距處理下與60 cm行距處理差異不明顯，但顯著高于90 cm和120 cm行距處理(P<0.05)。葉片N，P和K吸收量均在90 cm行距處理下最低，且K吸收量顯著低于其他處理(P<0.05)。根和塊莖的N，P和K吸收量均在30 cm行距處理下達到最大，且顯著高于其他處理(P<0.05)。在90 cm行距處理下，根系吸N量顯著低于其他處理(P<0.05)；P和K吸收量均最低，但與60 cm和120 cm行距處理差異不顯著。塊莖吸N量也在90 cm行距處理下最低，但與120 cm行距處理差異不顯著；P和K吸收量在60 cm，90 cm和120 cm行距處理間差異不顯著。

表2 不同行距下油莎豆各部位養(yǎng)分吸收量差異Table 2 Nutrient uptake amounts of different organs in different row spacing

2.3 行距對土壤特性的影響

2.3.1行距對土壤容重、pH和鹽分累積的影響 行距對土壤pH值、容重及總鹽分有顯著影響(P<0.05)(圖2)。在0～20 cm土層，30 cm行距下土壤pH略有升高，與自然土壤及120 cm行距處理相比差異不顯著，但均顯著高于60 cm和90 cm行距(P<0.05)。在20～40 cm土層，同樣在30 cm行距下土壤pH最大，且顯著高于其他處理(P<0.05)，60 cm，90 cm，120 cm與自然土壤差異均不顯著。在0～20 cm土層，土壤容重在90 cm行距下最低，其他處理之間沒有顯著差異。在20～40 cm土層，土壤容重同樣在90 cm下達到最低。在0～20 cm土層，土壤總鹽分在90 cm行距下最高，除與120 cm處理之間沒有顯著差異外，顯著高于其他處理(P<0.05)。在20～40 cm土層，種植油莎豆土壤總鹽分均顯著低于自然土壤，且在60 cm行距下降最明顯。

2.3.2行距對土壤養(yǎng)分的影響 由圖3可知，行距對土壤堿解氮、有效磷、速效鉀含量均有顯著影響(P<0.05)，但對有機質(zhì)含量影響不顯著。種植油莎豆后，土壤堿解氮含量均低于自然土壤。在0～20 cm土層，除30 cm行距外，其余行距堿解氮含量與自然土壤之間沒有顯著差異；在20～40 cm土層，除120 cm行距外，30 cm，60 cm，90 cm行距堿解氮含量均顯著低于自然土壤(P<0.05)。在0～20 cm土層，油莎豆種植同樣有降低土壤有效磷含量的趨勢，30 cm和120 cm行距下降最明顯；在20～40 cm土層，30 cm行距處理的有效磷含量與自然土壤(CK)沒有明顯差異，但顯著高于其他處理。在0～20 cm土層，土壤速效鉀含量在30 cm行距下顯著降低(P<0.05)，但在其他處理下與自然土壤差異均不顯著；在20～40 cm土層，土壤速效鉀含量除90 cm行距變化不顯著外，其他處理均顯著下降(P<0.05)。

圖3 行距對土壤有機質(zhì)、堿解氮、有效磷、速效鉀的影響Fig.3 Effects of row spacing on soil organic matter,available N,P and K concentrations

3 討論

3.1 行距對油莎豆生長的影響

栽培行距主要通過調(diào)節(jié)植物的形態(tài)特征、種群關(guān)系進而影響作物產(chǎn)量[4,23]。有研究表明，在行距較窄情況下，群體間蔭蔽增強，個體之間的競爭加劇，植物株高等形態(tài)特征會產(chǎn)生顯著變化[4,13-14]。本研究表明，30 cm行距處理下油莎豆株高雖然最高，但與其他行距處理無顯著差異。株密度在30 cm行距處理下達到最大，且顯著高于其他處理，而在90 cm行距處理下則顯著低于其他行距處理。這表明較窄行距更有利于油莎豆個體形態(tài)生長和群體擴大。這與段宏凱等[24]研究的結(jié)果不同，其認(rèn)為較大的行距能夠更有效減少群體之間的競爭，促進種群的擴大。這可能是由于在本研究區(qū)域日照時數(shù)長，光照充足，同時油莎豆具有極強的根系分蘗能力，所以由油莎豆群體密度增加所產(chǎn)生的遮蔽作用對個體生長產(chǎn)生的影響可能較小。此外，還有研究發(fā)現(xiàn)較窄行距可以提高植物自身阻擋風(fēng)沙吹蝕能力，有利于植物群體擴大[17,25-26]，這也可能是本研究中30 cm行距可顯著增加油莎豆群體密度的原因之一。

劉凱強等[27]研究發(fā)現(xiàn)在合適的種植密度下增加行距可以提高作物的種子產(chǎn)量，在行距較小的情況下作物的生物量與種子千粒重都會下降[28]。而本研究表明，30 cm行距處理下油莎豆飼草產(chǎn)量、根系生物量和塊莖產(chǎn)量均顯著高于其他處理；千粒重雖然最高，但與其他處理間沒有顯著差異。行距增加后，油莎豆地上和地下生物量累積及塊莖產(chǎn)量均顯著下降，且均在90 cm行距下最低，這與株密度變化一致。這表明30 cm行距處理不但可提高油莎豆的生物量累積，其個體生長和群體擴大也有明顯優(yōu)勢，并相應(yīng)地也顯著提高了其塊莖產(chǎn)量。由此可見，行距處理主要通過影響油莎豆生物量累積和群體密度來作用于其產(chǎn)量高低的。

3.2 行距對土壤特性的影響及其與油莎豆生長的關(guān)系

栽培行距還能夠通過影響土壤質(zhì)量對作物生長產(chǎn)生間接影響[26-27]。本研究表明，土壤容重在0～20 cm與20～40 cm土層均為90 cm行距處理最低，其他處理變化卻不明顯。土壤鹽分含量在0～20 cm土層則為90 cm行距增加最明顯，其次是120 cm行距，二者已達到輕度鹽漬化水平(土壤鹽分含量在3～6 g·kg-1范圍內(nèi)為輕鹽化土)；在20～40 cm土層所有處理鹽分含量均顯著下降。有研究表明，土壤容重過大會影響根系的生長，還有可能通過影響作物地上部的生長抑制產(chǎn)量的提高[29]。本研究中容重較小的90 cm行距處理并未獲得較高的生物量和產(chǎn)量，這可能是由于其根系分布層土壤(0～20 cm)鹽分累積過高，抑制了植物生長[30-31]。土壤pH值過高將不利于植物生長，但是本研究中30 cm行距的pH值最高，尤其是在20～40 cm土層，其生物量和產(chǎn)量卻均處于較高水平，也說明該土壤pH值尚未達到抑制植物生長的范圍?？梢姡谘芯恐型寥纏H值和容重不是行距引起油莎豆產(chǎn)量變化的主要土壤因子，但土壤鹽分含量變化對其卻有顯著影響。

對土壤養(yǎng)分含量變化分析發(fā)現(xiàn)，不同行距下土壤有機質(zhì)含量沒有顯著變化，但0～20 cm土層堿解氮和有效磷含量均顯著低于自然土壤，且在30 cm行距處理下降最明顯，30 cm行距的速效鉀含量也有顯著下降，這與行距對油莎豆生物量及塊莖產(chǎn)量的影響相反。在20～40 cm土層，與自然土壤相比，30 cm行距的土壤堿解氮和速效鉀含量也均顯著下降，有效磷含量變化卻不明顯。對油莎豆的養(yǎng)分吸收分析發(fā)現(xiàn)，30 cm行距處理的油莎豆根系和塊莖N，P，K吸收量也較高，因此在30 cm行距下0～40 cm土層土壤堿解氮和速效鉀含量的顯著下降可能與植物的大量吸收以及二者在土壤中移動性較強有關(guān)。磷在土壤中移動性較差[32-33]，而油莎豆根系主要分布于0～20 cm土層，這可能是有效磷含量在0～20 cm下降較多，在20～40 cm土層變化不明顯的主要原因。

4 結(jié)論

行距對油莎豆產(chǎn)量和生物量累積均有顯著影響，30 cm行距在促進油莎豆個體形態(tài)生長、生物量累積和群體擴大方面均有明顯優(yōu)勢，相應(yīng)的30 cm行距的塊莖產(chǎn)量也顯著高于其他處理。在30 cm行距處理下，較高的地上部和根系生物量累積對土壤氮、磷、鉀的吸收也相應(yīng)增強，主要表現(xiàn)為0～20 cm土層的堿解氮、有效磷和速效鉀含量出現(xiàn)顯著下降。油莎豆種植后顯著降低了20～40 cm土層鹽分累積，但90 cm和120 cm行距處理在0～20 cm土層鹽分累積卻顯著增加，對油莎豆生長也有明顯抑制作用。因此，30 cm行距是油莎豆種植的推薦行距。