刈割對(duì)油莎豆碳氮積累以及產(chǎn)量和品質(zhì)的影響

李變變，張鳳華，徐接亮，趙亞光，汪灝然，張霽峰，郭夢(mèng)瑤

(石河子大學(xué)，新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)綠洲生態(tài)農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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?cè)谥参矬w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(jìn)而促進(jìn)植物分生組織以及新器官的再生生長[4]，并使植物對(duì)刈割損傷做出補(bǔ)償性生長[5]。研究表明不同刈割高度會(huì)使植物的光合速率和補(bǔ)償生長能力產(chǎn)生差異[6]，因此會(huì)影響植物地上部生物量的積累[7]。刈割對(duì)植物地上部分的影響是即時(shí)的，然而對(duì)地下生物量的影響則具有滯后性[8]，因?yàn)橹参锾嫉锏姆峙浜头e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(huì)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(jìn)植物地下塊莖的生長和營養(yǎng)積累[11]。

油莎豆(CyperusesculentusL.)于20世紀(jì)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(shí)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(jī)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(jī)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(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值[16]，極具開發(fā)價(jià)值。目前，許多學(xué)者通過不同栽培措施對(duì)油莎豆地下塊莖產(chǎn)量及品質(zhì)進(jìn)行了研究[17]，但關(guān)于刈割對(duì)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(shí)還可以提高油莎豆的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，因此研究刈割對(duì)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(dú)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(duì)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(yàn)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(zhǔn)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(shí)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(dá)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(yàn)選用油莎豆品種為中油莎1號(hào)，采用條播機(jī)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(yàn)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(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用單因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，以未刈割處理為對(duì)照組(CK)，設(shè)置5個(gè)刈割留茬高度：10 cm(LC10)、20 cm(LC20)、30 cm(LC30)、40 cm(LC40)、50 cm(LC50)，試驗(yàn)共6個(gè)處理，每個(gè)處理設(shè)3個(gè)重復(fù)，共18個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)面積2 m×4 m，且各小區(qū)之間保護(hù)行0.2 m×4 m，油莎豆株高達(dá)到0.7～0.8 m(出現(xiàn)倒伏現(xiàn)象[18]，處于分蘗期)進(jìn)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(shí)期葉片全碳和全氮含量。

地上飼草產(chǎn)量測定：每個(gè)小區(qū)隨機(jī)挑選1 m×1 m樣方后做好標(biāo)記，刈割當(dāng)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(shí)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(jìn)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(biāo)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(duì)塊莖樣品進(jìn)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和作圖；采用SPSS 20.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)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(jìn)行各變量之間相關(guān)性分析；采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)進(jìn)行刈割處理與對(duì)照組之間的差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同留茬高度對(duì)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(shí)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(shí)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(dá)到各時(shí)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(shí)，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(duì)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(jì)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(jì)干草質(zhì)量無顯著差異，LC40處理合計(jì)干草產(chǎn)量最大，為4 981.72 kg·hm-2，最低為LC50處理，合計(jì)干草產(chǎn)量為4 310.39 kg·hm-2。

2.3 不同留茬高度對(duì)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?！m-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(duì)油莎豆產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

2.4 不同留茬高度對(duì)油莎豆塊莖品質(zhì)的影響

2.4.1 不同留茬高度對(duì)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(duì)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(duì)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(dá)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(duì)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(duì)油莎豆塊莖品質(zhì)的主成分分析 對(duì)不同刈割留茬高度下13種品質(zhì)指標(biāo)影響情況進(jìn)行主成分分析(圖4)，共提取兩個(gè)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(gè)主成分累計(jì)方差貢獻(xiàn)率達(dá)到88.07%，可以較全面概括13個(gè)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(yuǎn)，但與LC20、LC30、LC40和LC50距離較近。這表明刈割對(duì)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(gè)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(duì)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(jìn)一步確定不同指標(biāo)對(duì)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(biāo)對(duì)前兩個(gè)主成分的貢獻(xiàn)率。對(duì)于PCA1貢獻(xiàn)較大的為粗脂肪、含油量、棕櫚酸、油酸、亞油酸、亞麻酸，而對(duì)PCA2貢獻(xiàn)較大的為中洗纖維。這表明對(duì)油莎豆塊莖品質(zhì)起分異作用的品質(zhì)指標(biāo)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(duì)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(biāo)對(duì)PCA1和PCA2貢獻(xiàn)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(biāo)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(duì)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(shí)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(jìn)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(chǔ)備和消耗[20]。Dovel等[21]研究表明適當(dāng)?shù)呢赘钅艽龠M(jìn)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(jìn)了植物體內(nèi)碳氮含量的積累[23]，進(jìn)而影響了植物的初級(jí)生產(chǎn)力[24]；另一方面是由于植物受到機(jī)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(bǔ)給具有傾向性[27]，因此植物應(yīng)對(duì)損傷脅迫的能力得到提高，并使植物保持相對(duì)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(jìn)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?yàn)樵诹舨?0 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(qiáng)[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(huì)使植株大量葉片損傷，干擾植物對(duì)光的截取以及光合作用的進(jìn)行，進(jìn)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(qiáng)度過大一方面會(huì)影響植物的物質(zhì)分配，另一方面會(huì)使植物調(diào)動(dòng)地下營養(yǎng)物質(zhì)儲(chǔ)量，同時(shí)還會(huì)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(yùn)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(duì)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(duì)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(duì)機(jī)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(duì)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?yàn)橹舅峥偭亢陀退岷康脑黾釉鰪?qiáng)了油莎豆自身的修復(fù)能力，進(jìn)一步提高了油莎豆的產(chǎn)量和品質(zhì)。

4 結(jié) 論

刈割對(duì)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(dá)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(duì)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)。