不同種植模式和刈割時間對油莎豆塊莖養分含量和營養品質的影響

張玉林, 杜 藝, 柴旭田, 李向義, 張志浩*, 曾凡江1,*

(1.新疆大學生態與環境科學學院, 新疆 烏魯木齊 830046; 2.中國科學院新疆生態與地理研究所, 新疆荒漠植物根系生態與植被修復重點實驗室, 新疆 烏魯木齊 830011; 3.中國科學院新疆生態與地理研究所, 荒漠與綠洲生態國家重點實驗室, 新疆 烏魯木齊 830011; 4.新疆策勒荒漠草地生態系統國家野外科學觀測研究站, 新疆 策勒 848300; 5.中國科學院大學, 北京 100049)

油料作物是食用油脂和飼料蛋白的重要來源，隨著國內外經濟水平的不斷提高，僅依靠油料作物(向日葵(Helianthusannuus)、胡麻(Linumusitatissimum)、大豆(Glycinemax)等特色油料作物)作為植物油和豆制品不足以滿足人們的需求。油莎豆(CyperusesculentusL.)別名虎堅果，是莎草科莎草屬一年生草本植物，性喜溫暖濕潤氣候，具有耐旱、耐鹽堿等特點[1-2]，同時，也是一種優質、高產和綜合利用的農牧經濟作物[3]。油莎豆塊莖不僅富含淀粉(25%～45%)和可溶性糖(15%～20%)，而且還積累24%～35%的油脂(甘油三酯，TAG)，富含17種人體所需氨基酸以及豐富的胡蘿卜素等[4-5]。它因富含大量的蛋白質和粗脂肪，成為豆制品的最佳替代品。自從1952年油莎豆被引入國內，并在北京、內蒙古、河南、新疆等地栽培，獲得了較好生產價值[6-7]。近些年國內外對油莎豆塊莖開展了較多研究，利用油莎豆塊莖中富含的營養成分(蛋白質、糖類、油酸、葡萄糖等)將其制成各種營養價值非常高的食品及飲品[2,4-5,8-9]。目前，我國將油莎豆列入國家十四五種植規劃，為推進種植業高質量發展，利用丘陵、河灘、沙地等發展特色油料作物，著力穩面積、提品質，豐富食用植物油供給來源。新疆具有沙質土壤和充沛的光照資源，適宜推廣種植油莎豆[8,10]。雖然油莎豆在新疆已有小面積種植[8]，但是因其規模化種植技術體系還不完善，尚未能大面積推廣。

連作是指在同一地塊連續單一種植某種作物，但多年連作易造成作物產量和品質的降低[11-12]。輪作則是合理有序地換種不同作物，能夠改變土壤養分和理化性質，緩解連作障礙，增加作物產量，改善作物品質[13-15]。何志貴等[16]研究發現，與小麥(Triticumaestivum)輪作3年的半夏(Pinelliaternate)，可溶性糖含量顯著高于連作1年。丁素榮等[17]研究發現，與玉米(Zeamays)連作相比，玉米-玉米-大豆輪作和玉米-大豆輪作的玉米產量平均增加了8.61%和15.08%，且穗長、穗粗、百粒重均高于連作。唐朝輝等[18]研究發現，甘薯(Dioscoreaesculenta)-花生(Arachishypogaea)輪作顯著增加了花生籽仁蛋白質和粗脂肪含量，并降低了可溶性糖含量，改善了花生籽仁品質。然而，油莎豆連作和輪作模式的研究相對較少，我們還不清楚這些種植模式對其塊莖的養分含量和營養品質的潛在影響。因此，本試驗探究了不同種植方式和不同刈割時間對大田油莎豆塊莖的養分含量和營養品質(粗蛋白、粗脂肪、可溶性糖和可溶性淀粉)以及土壤理化性質的影響，旨在探索油莎豆在本地區的高產種植體系，為大面積推廣種植提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗在新疆建設兵團第三師54團莎車農場進行(38°38′N，77° 6′E)。該地區屬暖溫帶大陸性氣候，日照時間長，晝夜溫差大，全年大于10℃的積溫4 082℃，年均日照時數為2 860.3 h，年平均氣溫11.60℃，年平均降雨量53.30 mm，年平均蒸發量2 246 mm，年均風速為1.50 m·s-1，無霜期225 d[19]。于2012～2019年秋季種植小麥，小麥收獲后種植玉米，在小麥生育期共滴水4次，總灌溉量為5 316.45 m3·hm-2，每小區單獨滴水，由水表控制滴水量，出苗后期追肥，施肥方式為水肥一體化，每次灌水時將所需肥量準確稱量后，溶于水中，通過滴灌管路直接送達小麥根系附近，其中尿素111.14 kg·hm-2、磷肥57.29 kg·hm-2、鉀肥89.72 kg·hm-2。

1.2 試驗設計

本試驗于2020年5月份末采收小麥，在6月3日種植油莎豆品種為‘豐產2號’，即形成油莎豆-小麥輪作和油莎豆連作兩種種植模式，采用油莎豆穴播機播種，播種量為75 kg·hm-2，株距8 cm，行距35 cm。滴灌帶鋪設一機二管，1條滴灌帶灌溉2行油莎豆的種植模式，在油莎豆生育期共滴水7次，施肥量和滴水量與小麥處理一致(總灌溉量為5 316.45 m3·hm-2)，以保證其正常生長[20]。在2020年秋季收獲油莎豆后，輪作種植區繼續種植小麥，連作種植區只進行水肥管理，于2021年5月份末小麥采收后，在6月3日，輪作種植區再次播種油莎豆品種為‘豐產2號’，連作種植區繼續播種油莎豆品種為‘豐產2號’。在核心示范田內，設置試驗小區面積10 m×5 m，2個處理(連作和輪作)，每個處理3個重復，共6個小區，并設置3個刈割時間(8月1日、8月24日、9月16日)，每次隨機選擇3個1 m×1 m樣方，采收樣方里所有地下塊莖和土壤樣品。試驗區域土壤基本理化性質的本底值為：土壤pH為8.87，土壤有機質含量為2.53 g·kg-1，全氮含量為0.09 g·kg-1，全磷含量為0.33 g·kg-1，全鉀含量為16.13 g·kg-1，速效氮含量為18.68 mg·kg-1，速效磷含量為4.26 mg·kg-1，速效鉀含量為50.87 mg·kg-1。

1.2 測定指標與方法

1.2.1油莎豆塊莖全氮磷鉀含量的測定 將不同刈割時間(8月1日、8月24日、9月16日)采集的油莎豆塊莖帶回實驗室，沖洗干凈后置于65℃烘箱內烘干至恒重。將塊莖用盤式振動粉碎研磨儀(RS200，德國萊馳)研磨成粉末，然后裝入封口袋中置于干燥暗處保存待用。由中國科學院新疆生態與地理研究所中心實驗室進行指標的測定，其全氮(Total nitrogen,TN)含量采用凱氏定氮法，全磷(Total phosphorus,TP)含量采用鉬銻抗比色法，全鉀(Total potassium,TK)含量采用火焰光度法，均以質量含量表示(g·kg-1)[21]。

1.2.2油莎豆塊莖營養品質的測定 將不同刈割時間(8月1日、8月24日、9月16日)采集的油莎豆塊莖帶回實驗室，沖洗干凈后置于65℃烘箱內烘干至恒重。將塊莖用盤式振動粉碎研磨儀(RS200，德國萊馳)研磨成粉末，然后裝入封口袋中置于干燥暗處保存待用。過35目篩，用于營養價值測定。由中國科學院新疆生態與地理研究所中心實驗室進行指標的測定，粗脂肪(Ether extract,EE)參照GB/T 6433-2006測定；可溶性糖(Soluble sugar,SS)和可溶性淀粉(Soluble starch,Ss)含量采用硫酸蒽酮比色法測定；粗蛋白(Crude protein,CP)含量采用凱氏定氮法測定，均以質量含量表示(g·kg-1)[22]。

1.3 數據處理

統計分析利用R 4.12 software(R Development Core Team 2017)完成。采用雙因素方差(Two-way ANOVA)分析連/輪作和刈割時間及其交互作用對油莎豆塊莖養分含量和營養品質的影響，單因素方差(One-way ANOVA)分析刈割時間對油莎豆塊莖養分含量和營養品質的差異性，用Duncan法進行多重比較(α=0.05)。利用t-檢驗分析連作和輪作種植模式之間的差異。利用結構方程模型(Structural fquation modeling,SEM)分析連/輪作對油莎豆塊莖養分含量和營養品質的影響。采用“ggplot2包”完成油莎豆塊莖養分含量和營養品質的圖形繪制。采用“psych包”和“corrplot包”進行土壤理化性質、油莎豆塊莖養分含量和營養品質的相關性分析(Pearson)。使用Amos24軟件完成連/輪作對油莎豆塊莖養分含量和營養品質的結構方程模型。

2 結果與分析

2.1 連/輪作及刈割時間對油莎豆塊莖全氮、全磷和全鉀的影響

雙因素方差分析結果表明：連/輪作對油莎豆塊莖全氮、全磷和全鉀含量影響顯著(P<0.05)；刈割時間及其交互作用對油莎豆塊莖全氮和全鉀含量影響極顯著(P<0.01)，而對全磷影響不顯著(表1)。在連作種植模式下，隨刈割時間，油莎豆塊莖的全氮和全鉀含量均呈顯著下降趨勢(P<0.05)，全磷含量呈下降趨勢，但差異不顯著。在輪作種植模式下，隨刈割時間，油莎豆塊莖的全氮含量呈下降趨勢，但全氮含量在刈割時間8月24日和9月16日差異不顯著；全鉀含量呈顯著下降趨勢(P<0.05)，全磷含量呈先下降后增加趨勢，但差異不顯著。輪作極顯著增加了塊莖的全氮和全鉀含量(P<0.01)，連/輪作對全磷含量沒有顯著差異(圖1)。

圖1 連/輪作及刈割時間對油莎豆塊莖中全氮、全磷和全鉀的影響

表1 連/輪作及刈割時間對油莎豆塊莖養分含量與營養品質的雙因素方差分析

2.2 連/輪作及刈割時間對油莎豆塊莖可溶性糖、可溶性淀粉、粗蛋白和粗脂肪的影響

雙因素方差分析結果表明：連/輪作對油莎豆塊莖粗蛋白、可溶性糖和粗脂肪含量影響極顯著(P<0.01)，而對可溶性淀粉沒有顯著影響；刈割時間對油莎豆塊莖粗蛋白和粗脂肪含量影響極顯著(P<0.001)，對可溶性糖和可溶性淀粉沒有顯著影響；連/輪作和刈割時間交互作用對油莎豆塊莖粗蛋白和可溶性糖含量影響顯著(P<0.05)，而對可溶性淀粉和粗脂肪沒有顯著影響(表1)。在連作種植模式下，隨刈割時間，油莎豆塊莖的粗蛋白含量呈顯著先上升后下降趨勢(P<0.05)，粗脂肪含量呈顯著先下降后上升趨勢(P<0.05)，可溶性糖和可溶性淀粉含量沒有顯著差異。在輪作種植模式下，隨刈割時間，油莎豆塊莖的可溶性糖含量呈下降趨勢，但可溶性糖含量在刈割時間8月1日和8月24日差異不顯著，粗脂肪含量呈顯著先下降后上升趨勢(P<0.05)，粗蛋白和可溶性淀粉含量沒有顯著差異。連作極顯著增加了塊莖的粗蛋白含量(P<0.01)，連/輪作對塊莖的可溶性糖、可溶性淀粉和粗脂肪含量沒有顯著影響(圖2)。

圖2 連/輪作及刈割時間對油莎豆塊莖的粗蛋白、可溶性糖、可溶性淀粉和粗脂肪的影響

2.3 連/輪作及刈割時間對油莎豆塊莖養分含量、營養品質與土壤理化性質的相關性分析

相關性分析結果表明，油莎豆塊莖的全氮含量與全鉀和粗蛋白含量呈極顯著正相關關系(P<0.001)，與粗脂肪含量呈極顯著負相關關系(P<0.001)(圖3)。塊莖的全鉀含量與粗蛋白含量呈極顯著正相關關系(P<0.001)，與粗脂肪含量呈極顯著負相關關系(P<0.001)。塊莖的粗蛋白和粗脂肪含量呈極顯著負相關關系(P<0.001)。塊莖的可溶性淀粉與土壤有機質、pH、碳酸氫根離子呈正相關關系，與土壤其他理化指標(如：全氮磷鉀、速效氮磷鉀、總鹽等)呈負相關關系。塊莖的粗蛋白和可溶性糖含量與土壤理化指標(如：土壤有機質、全氮磷、速效氮磷鉀、總鹽、鹽基離子等)呈非常弱的負相關關系(0

圖3 油莎豆塊莖養分含量及營養品質與土壤理化性質的相關性分析

2.4 連/輪作及刈割時間對油莎豆塊莖養分含量和營養品質的結構方程模型

結構方程模型分析結果表明，土壤酸堿度、鹽基離子、土壤全量養分及速效養分共同解釋了油莎豆塊莖養分和營養品質47%的變異。其中，土壤酸堿度和鹽基離子對油沙豆塊莖的養分和營養品質產生直接影響(β=0.44)。土壤速效養分通過改變土壤全量養分含量對油沙豆塊莖的養分和營養品質產生間接影響(圖4)。

圖4 連/輪作和刈割時間對油莎豆塊莖養分含量與營養品質影響的結構方程模型

3 討論

作物產量的形成是光合產物積累和分配的結果，干物質積累的同時要保證同化產物在“源”和“庫”的合理分配[23]。氮、磷、鉀是作物生長發育所需的三大營養元素，是作物產量形成的基礎，合理輪作能提高作物氮磷鉀累積量及其分配系數[24]。本研究結果表明，在連作和輪作種植模式下，隨刈割時間，油莎豆塊莖的全氮呈下降趨勢，全鉀含量呈顯著下降趨勢(P< 0.05)，且輪作極顯著高于連作(P< 0.01)。兩種種植方式的油莎豆塊莖的氮磷鉀積累量變化趨勢差異較大；輪作明顯增加了氮和鉀的積累量。這些結果與吳娜等對馬鈴薯(Solanumtuberosum)養分及營養品質的研究結果基本一致[25-26]。這可能是由于氮可促進植株生長和光合作用，較高的氮能延緩葉片衰老延長葉片功能期，吸收更多的二氧化碳，積累更多的營養物質輸入塊莖[27]；鉀能增強作物光合作用和相關酶活性，加速同化物向塊莖的運輸，增加塊莖重、單株結實率[28-29]。可能輪作通過改變土壤酸堿度，進而影響土壤酶活性及微生物群落多樣性，提高油莎豆塊莖地上部對氮素和鉀素吸收，以及油莎豆地上部光合器官的光合作用，將更多的物質積累運移到地下部塊莖[30-31]。不同蔬菜輪作對土壤肥力的主成分分析表明，土壤pH值是土壤肥力的主要影響因子[32]。本研究結構方程模型分析結果表明，土壤pH對油莎豆養分和營養品質有直接的影響效應。本研究發現，pH值是影響土壤肥力的最大環境因子，這可能是由于輪作模式通過改變土壤pH來改變土壤微生物群落多樣性進而改變土壤理化性質，對植物吸收土壤營養成分起到促進作用[31-32]。

塊莖是植物地下莖的一種變態莖，它含有豐富的營養物質，包括蛋白質、維生素、礦物質和膳食纖維，同時具有生物活性的次級代謝產物，具有獨特的營養價值[14]。塊莖的營養品質是重要經濟指標，受遺傳特性、栽培地區氣候、土壤和栽培條件、種植模式的影響[18,33-34]。本研究結果表明，在連作和輪作種植模式下，粗脂肪含量隨刈割時間呈顯著先下降后上升趨勢(P<0.05)。連作極顯著增加了塊莖的粗蛋白含量，但連作和輪作對可溶性糖、可溶性淀粉和粗脂肪含量沒有顯著影響，這與對菊芋(Helianthustuberosus)塊莖的營養品質的研究結果基本一致[35]。也有研究表明，在馬鈴薯和玉米間作的種植模式下，馬鈴薯塊莖中糖類物質的含量均有不同程度的降低，間作顯著降低了塊莖可溶性糖和淀粉含量[36]，甘薯與花生輪作顯著增加了花生籽仁蛋白質和粗脂肪含量，降低了可溶性糖含量，提高了花生籽仁的品質[18]，以上研究結果與本研究結果不一致，這可能是由于輪作更能合理利用土壤肥力等資源。相關性分析與結構方程模型分析表明，土壤pH對油莎豆營養品質有著直接的影響效應，土壤鹽基離子和土壤養分對油莎豆營養品質呈現間接影響效應。連作和輪作種植模式影響土壤離子交換，改變土壤酸堿度，使得土壤中的全氮磷鉀養分和速效養分發生顯著變化，影響油莎豆塊莖的營養成分積累，本研究發現，塊莖的粗脂肪含量隨生長旺盛期采樣時間呈顯著先下降后上升趨勢(P< 0.05)，提高油莎豆的油脂含量，增加出油率，且連作有利于提高塊莖的粗蛋白含量，增加油莎豆的營養品質和經濟價值[37-38]。

4 結論

在連作和輪作種植模式下，隨刈割時間延長，油莎豆塊莖的粗脂肪含量呈增加趨勢，提高了塊莖的出油率。塊莖的養分和營養品質受土壤酸堿度的影響，表現抑制和促進作用。連作和輪作模式通過影響土壤酸堿度對土壤的養分含量產生重要影響，輪作模式能有效提高油莎豆塊莖的養分含量(如：全氮和全鉀)，對塊莖吸收土壤養分含量產生重要的促進作用。