間作對油莎豆根系分布及產(chǎn)量的影響

曲慧杰，王秀媛，申 磊，李魯華，劉建國，王家平，程志博，張 偉

（石河子大學農(nóng)學院，新疆 石河子 832000）

0 引言

油莎豆（Cyperus esculentusL.）又名油莎草、虎堅果，是莎草科一年生優(yōu)良草本油料作物。油莎豆大概是已知的唯一一種能在塊莖中積累大量油脂的植物，它不僅可以榨油，將其磨成粉還可用于無筋面條的生產(chǎn)[1，2]。油莎豆具有低投入、高產(chǎn)量、高出油率、高營養(yǎng)的特點，因此有“油料植物之王”的美稱[3]。

油莎豆中含有優(yōu)良蛋白質，具有豐富的營養(yǎng)物質，由其制成的油是一種天然高油酸食用油，在牛肉漢堡中使用油莎豆油來替代牛油，可以降低總脂肪和飽和脂肪含量并增加不飽和脂肪酸，從而獲得被廣泛接受的更健康的肉制品[4-6]。而且，油莎豆中的淀粉也有益于人體健康，由于油莎豆淀粉在人體內(nèi)吸收很慢，所以對人體飯后血糖的穩(wěn)定有促進作用，且有研究發(fā)現(xiàn)，特制的油莎豆飲品可作為具有抗糖尿病潛力的功能性飲料[4，7]。此外，有研究表明，定期食用油莎豆可能對記憶相關的疾病起到有益作用[8]。油莎豆不僅有如此高的經(jīng)濟價值，還具有一定的社會價值：油莎豆原產(chǎn)于非洲，其根系發(fā)達、抗逆性強，因此可利用油莎豆進行防風固沙，這對土壤改良、減緩土地荒漠化有著重要貢獻；目前，我國食用油依賴于他國的比重較大，種植油莎豆可以減少油類的進口量，早日實現(xiàn)食用油的自給自足；作為一種新型作物，油莎豆種植條件低、利用方式多、發(fā)展前景廣的特點利于農(nóng)民脫貧致富[9]。

盡管油莎豆具有很高的應用價值，但與橄欖油、花生油等其他植物油相比，它的開發(fā)與利用相對較少[10]，此外，有些地區(qū)認為油莎豆是世界上危害最嚴重的雜草之一[11]。自上個世紀以來，油莎豆就作為一種高效的經(jīng)濟作物引種到我國，然而時至今日依然沒有得到完善的發(fā)展，有以下幾個原因：首先是技術問題，無論是加工還是研究，均不夠完善；其次，由于我國對油莎豆的推廣力度不足導致種植面積較少而使種質資源匱乏[12]。

在農(nóng)業(yè)部印發(fā)的《全國種植業(yè)結構調(diào)整規(guī)劃（2016—2020 年）》中提到要多油并舉，在適宜地區(qū)示范推廣油莎豆。作物獲取高產(chǎn)且發(fā)揮種間優(yōu)勢的關鍵就是采取合理的種間配置[13]。間作是一種可以充分利用自然資源，提高土地、植物所需元素的利用率，減少病蟲草害發(fā)生的生態(tài)種植模式[14]。豆科植物與禾本科間作的歷史源遠流長，這種種植模式可利用豆科作物的固氮作用，還可促進禾本科植物對氮素的吸收與利用，從而提高氮素利用率，使植株獲得高產(chǎn)[15-18]。

部分地區(qū)為緩解風沙區(qū)的平緩沙地或沙化退化土地問題，采用油莎豆與豆科植物間作輪作模式，可減少油莎豆重茬連作障礙，有助于沙化退化土地生產(chǎn)力提升及生態(tài)修復[19]。油莎豆的栽培方式多樣，其中間作套種能使種植資源得到合理配置，提高光能利用率。油莎豆間作套種模式適合在風蝕地推廣，既可以保持水土、充分利用土地資源，又能抑制雜草叢生、實現(xiàn)土壤改良[20]。目前，我國油莎豆種植正處于發(fā)展階段，對油莎豆開展相關研究必不可少，研究其適宜的間作模式也非常重要，因此探究不同間作條件下其根系的分布形態(tài)也具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于新疆石河子大學農(nóng)學院試驗站（44°18′N，86°03′E）進行，海拔437m，年均日照2680h，無霜期 160～170d，≥10℃積溫 3693℃，年平均氣溫6.1℃，年降雨量180～270mm，田間持水量24%，地下水位2m 以下，平均地面坡度6%，年輻射量為5390MJ·m-2，為典型的半干旱氣候類型。土壤為砂壤土，土壤有機質11.21g·kg-1，全氮0.74g·kg-1、速效磷（P2O5）51.20mg·kg-1、速效鉀（K2O）193.00mg·kg-1、堿解氮61.00mg·kg-1。0～20、20～40cm土壤容重分別為1.29g·cm-3和1.32g·cm-3。

1.2 試驗設計

2020 年5 月17 日播種，采用膜下滴灌種植方式，膜寬2.07m，1 膜4 管5 行，株行距設置為等行距40cm，株距25cm。采用單因素隨機區(qū)組設計，設4種種植模式：油莎豆單作（TT）、玉米‖油莎豆（M‖T）、大豆‖油莎豆（S‖T）、棉花‖油莎豆（C‖T）（間作組合如圖1所示），每組2次重復。

圖1 試驗行間距配置圖Figure 1 Plant spacing configuration diagram in test

1.3 測定項目與方法

1.3.1 土壤含水量使用根鉆垂直鉆入土中，分別選取 0～20cm、20～40cm 和40～60cm 土層的土樣，每小區(qū)隨機取樣三次。樣品取回后立即稱重，隨后在105℃烘箱內(nèi)烘干，冷卻至室溫后稱重。

1.3.2 葉綠素含量（SPAD 值）每小區(qū)隨機選三株油莎豆，用葉綠素儀測定葉片SPAD值。

1.3.3 株高每小區(qū)隨機選三株油莎豆，利用卷尺測量其自然株高（油莎豆基部至自然狀態(tài)下最高點）。

1.3.4 葉面積每小區(qū)隨機選三株油莎豆，每株隨機取3片展開葉平鋪在A4紙上，葉片旁放置一枚壹元硬幣拍照，通過Photoshop 2020 測定葉片及硬幣像素大小，通過對比計算出葉面積。

1.3.5 鮮重每小區(qū)隨機選三株油莎豆，測定地上部與地下部的鮮重。

1.3.6 根每小區(qū)隨機取樣三次，使用根鉆在油莎豆根系附近垂直鉆取0～20cm、20～40cm 和40～60cm 土層土樣。取樣后，將根挑出并拍照，通過WINRHIZO 對根系圖像進行分析，得到根系圖像數(shù)據(jù)。

1.3.7 產(chǎn)量每小區(qū)隨機選三株油莎豆，計算其理論產(chǎn)量。

1.3.8 間作優(yōu)勢土地當量比是衡量間混作比單作增產(chǎn)程度的一項指標，其計算公式為式中，Yi表示第i個作物在間混作時的單產(chǎn)；Yii表示第i個作物在單作時的單產(chǎn)。土地當量比等于1 表示平產(chǎn)，大于1 表示增產(chǎn)，小于1 表示減產(chǎn)。土地當量比越大，表明間混套作增產(chǎn)的幅度越大，效果越好[21]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

使用Excel 2019 和Sigma Plot 14.0 進行數(shù)據(jù)處理與分析。

2 結果與分析

2.1 間作條件下的土壤含水量

由圖2 所示可知，在0～20cm 土層TT 模式的含水量最高，為14.75%，分別比M‖T組合、S‖T組合和C‖T 組合提升26.65%、12.27%和27.61%，其中TT模式與S‖T組合差異較小，M‖T組合與C‖T組合的結果相當。

圖2 不同種植模式下的土壤含水量Figure 2 Soil moisture content under different planting patterns

20～40cm 土層4 種模式間差異較小，標準偏差達0.39%。

40～60cm 土層C‖T 組合的土壤含水量最高，為15.81%，分別比TT 模式、M‖T 組合和S‖T 組合提高16.39%、18.05%和9.66%，相比0～20cm土層整體差異變小。其中TT模式下土壤含水量相對較低，并且TT模式與M‖T組合土壤含水量相當。

TT模式土壤含水量的標準偏差為0.61%，M‖T模式為 1.16%，S‖T 模式為 0.83%，C‖T 模式為2.19%，其中C‖T組合不同土層的土壤含水量差異較大，TT模式下差異最小。

2.2 間作條件下油莎豆葉綠素含量的變化

由圖3所示可知，油莎豆的SPAD值隨生育期的變化而變化，時間越長，葉綠素含量越高。7月10日時，4 種模式的葉相差較小，M‖T 組合中油莎豆葉綠素含量偏高，比TT模式提高11%；C‖T組合葉綠素含量最低，比TT模式降低5%。

圖3 不同種植模式油莎豆SPAD值的動態(tài)變化Figure 3 The dynamic change of SPAD of tiger nut in different plantingpatterns

7 月 25 日，變化最明顯的是 S‖T 組合，較 7 月10日增長42%，比TT模式提高35%；C‖T組合葉綠素含量依然最低，比TT 模式降低4%；M‖T 組合葉綠素值變化幅度小，增長速度最慢，提高了1%。

2.3 間作條件下油莎豆株高的變化

由圖4 所示可知，油莎豆整個生育期的株高在TT 模式下整體偏高，只有 7 月 20 日時比 M‖T 組合和C‖T組合低6%；S‖T組合整體偏低，6月30日時比TT 模式低30%，其后時間點分別比TT 模式低12%、13%和16%，TT 模式和S‖T 組合的油莎豆株高變化趨勢相似。

圖4 不同生育期油莎豆株高的變化Figure 4 The variation of plant height in different growth stages of tiger nut

在 6 月 30 日時，TT 模式和 C‖T 組合的油莎豆株高相近，C‖T組合比TT模式降低8%，M‖T組合和S‖T 組合的油莎豆株高相近，分別低于TT 模式33%和30%；7月25日，不同種植模式下油莎豆的株高分布與 6 月 30 日相似，TT 模式和 C‖T 組合的株高相近，C‖T 組合比TT 模式降低0.5%，M‖T 組合和S‖T 組合的株高相近，分別低于TT 模式17%和16%。

7月20日，M‖T組合和C‖T組合的油莎豆株高接近且高于TT 模式，但隨后M‖T組合的油莎豆株高增長率降低；TT模式和S‖T組合的油莎豆株高與7月15日相似，較前次測量分別提高3.7%和2.4%。

前期時，4種模式的油莎豆株高差異相對較小，到了后期，隨著作物的生長發(fā)育，差異逐漸增大。

2.4 間作條件下油莎豆葉面積、地下部與地上部鮮重比的變化

由圖5 所示可知，4 種模式中TT 模式的葉面積最大，M‖T 組合、S‖T 組合和 C‖T 組合依次遞減。其中TT 模式（1721.54）與M‖T 組合（1677.03）葉面積差異相對較小，TT 模式與C‖T 組合（1220.18）的差異相對較大。

圖5 不同種植模式下葉面積及地下部與地上部鮮重比的變化Figure 5 The change of leaf area and fresh-weight ra?tio of underground and aboveground parts under differ?ent planting patterns

4 種模式中，TT 模式中油莎豆地下部與地上部鮮重比較大（73%），M‖T組合中油莎豆地下部與地上部鮮重比較小（29%），其可能原因是：油莎豆生長發(fā)育過程中，由于玉米的植株相對于油莎豆來說比較高大，油莎豆在生長過程中無法接收到足夠的光照，使得根部發(fā)育較差；而TT模式正好相反，油莎豆間遮光現(xiàn)象較少，油莎豆在生長過程中可獲得充足的光照，從而根部發(fā)育良好。

2.5 間作條件下產(chǎn)量及根部參數(shù)的對比

由表1所列可知，4種模式下，油莎豆在S‖T組合中取得最高產(chǎn)量為3714.939kg·hm-2，比TT模式提高21%；其次是TT模式，產(chǎn)量為3069.966kg·hm-2，比S‖T模式每公頃低644.973kg；M‖T組合和C‖T組合依次降低，且二者產(chǎn)量相當，分別為2468.456kg·hm-2和2312.256kg·hm-2，比TT模式分別降低20%和25%。

表1 不同種植模式下油莎豆的產(chǎn)量及土地當量比Table 1 Yield and land equivalent ratio of tiger nut un?der different planting patterns

三種間作模式均有間作優(yōu)勢，C‖T組合土地當量比為1.51；M‖T組合為1.66；S‖T組合為2.26，是三種間作模式中收益比最高的，說明豆科作物的固氮作用有利于間作作物的生長發(fā)育，且大豆植株相對遮光弱，有利于油莎豆進行光合作用。

由圖6 所示可知，不同模式下三種深度的土壤體積、總根長和總投影面積的變化趨勢相似，0～20cm土層參數(shù)變化最大，說明油莎豆的根系主要分布在此土層。0～20cm 土層和20～40cm 土層的總根長變化相反，在土壤上層S‖T 組合的總根長最長，可能是由于大豆的固氮作用使油莎豆吸收養(yǎng)分更充足。

圖6 不同模式下不同深度的土壤體積、總根長和總投影面積的變化Figure 6 Changes of soil volume，total root length and total projected area at different depths under different patterns

3 討論

由株高和葉面積數(shù)據(jù)可知，TT 模式長勢最好。在葉綠素含量和葉面積大小方面，C‖T模式一直在四種模式中最低，說明葉片相對較黃且小，可能原因是棉花在生長發(fā)育過程中要吸收大量鉀元素，致使油莎豆攝取鉀元素較少，吸收元素不平衡，最終導致油莎豆發(fā)育較差，產(chǎn)量也是四種模式中最低。

S‖T組合最終產(chǎn)量及根系均為最高，地上部相關數(shù)據(jù)均居中，但由葉綠素含量可看出，S‖T 組合后期長勢較好。可能的原因是：大豆在前期生長時由于根瘤菌并不能完全提供大豆生長所需的氮素，還需從土壤中獲取，并且大豆還要給根瘤菌提供營養(yǎng)物質；后期植株生長發(fā)育減慢且根瘤菌可提供充足的氮素，從而使油莎豆可以充分吸收土壤中的元素。而TT模式后期同前期一樣，一直處于競爭條件下，所以產(chǎn)量才會低于S‖T模式。

由于適當遮光有助于作物生長[22-24]，雖然玉米前期葉片會遮住部分光，但使得M‖T 組合中油莎豆的葉綠素含量偏高，葉面積偏大。后期玉米遮光嚴重，已經(jīng)阻礙了油莎豆的生長，因此M‖T組合各項指標均靠后。除此之外，玉米為了自身生長需要，其根系相對發(fā)達，與油莎豆根系競爭激烈，所以其地下部與地上部鮮重比數(shù)值最小，從而影響最終產(chǎn)量。

4 結論

不同種植模式對油莎豆的影響不同，油莎豆與大豆間作的效果最佳，雖然M‖T組合和C‖T組合同樣具有間作優(yōu)勢，但是油莎豆相對低產(chǎn)。為使試驗結果更準確，后續(xù)仍需繼續(xù)相關試驗。