刈割高度對油莎豆氮代謝及產量和品質的影響

李變變，張鳳華，趙亞光

（石河子大學，新疆生產建設兵團綠洲生態農業重點實驗室，新疆 石河子 832003）

油莎豆（Cyperus esculentus），又名油莎草和虎堅果等［1］，是莎草科（Cyperaceae）莎草屬（Cyperus）多年生草本植物。油莎豆具有地上飼草生長快、再生分蘗能力強、耐貧瘠和易倒伏等植物學性狀，是一種防風固沙以及生態修復的“先鋒植物”［2］。且其地下塊莖中含有豐富的油脂、礦物質、脂肪酸等營養成分，尤其含油量較高，還被稱作“油料作物之王”。因此，油莎豆是一種油、糧、飼、牧、藥于一體的綜合利用價值較高的經濟型作物［3］。近年來，關于油莎豆方面的研究，多集中于不同栽培模式下對其產量和品質的影響［4］，刈割方向僅對油莎豆產量和品質展開了研究［5］，但關于刈割后油莎豆生長代謝等是如何響應刈割傷害的針對性研究甚少，因此研究刈割對油莎豆氮代謝以及產量和品質的影響具有重要意義。

氮代謝作為植物生長發育中最基礎和最關鍵的代謝途徑之一，其代謝強度和協調程度會對植物的生長發育、物質積累、產量和品質等存在一定影響［6］，同時該代謝會因受到環境因子、脅迫、栽培措施等影響而發生改變。然而刈割作為草地管理的主要方式，主要是通過刺激植物光合作用，使其對植物地上部分的生長代謝產生直接影響［7］，或改變植物整體資源的分配模式，促進植物的再生長［8-9］，從而間接影響植物地下部分的物質積累與轉化［10-11］。植物氮代謝途徑中游離氨基酸和可溶性蛋白含量等物質會因受到刈割傷害而產生變化［12］，孫宗玖等［13］研究發現，輕度刈割能促進植物氨基酸、脯氨酸和糖類等滲透調節物質的積累，增強植物對刈割傷害的抵抗能力。還有研究發現刈割強度過大則會干擾植物的物質再分配模式，并削弱植物的補償性生長和均衡性生長的能力，同時會減少營養物質向地下部分的運移和儲存［14］。Zhang等［15］研究表明，放牧（刈割）對植物的產量和品質存在一定影響，適當的刈割能夠促進植物產量的增加［16］。研究發現刈割后植物的物質分配和積累是提高作物產量與品質的關鍵因素［17］，會通過“源-庫”關系的調控，使植物體內的物質形成新的分配格局［18］，促進植物地下塊莖的生長和營養積累［19］。由此可知，刈割對植物的生長代謝等是存在影響的，但不同的植物類型對于刈割傷害的響應會有所不同。因此，本研究以新疆油莎豆為研究對象，分析不同留茬高度下油莎豆株高、葉綠素含量、氮代謝產物和酶活性以及產量和品質的變化，旨在揭示刈割對油莎豆氮代謝以及產量和品質的影響，尋找相對適宜的留茬高度，為新疆油莎豆的高產優質栽培技術提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗地位于新疆生產建設兵團第十二師222團，地處E 87°46′-88°44′，N 43°45′-45°30′，海拔高度為450～480 m，為典型的大陸性氣候，屬中溫帶干旱區，四季分明，光照充足，熱量豐富，年平均氣溫6.6℃，歷年極端最高氣溫44.5℃，歷年極端最低氣溫-42.4℃，年降水量183.4 mm，年蒸發量1946.5 mm，年日照時數2605.6 h。土壤背景值：土壤類型為灰漠土，土層深度為0～20 cm，土壤pH值為7.92，有機質含量為13.64 g·kg-1，全氮含量為0.86 g·mg-1，速效鉀含量為347.37 mg·kg-1，速效磷含量為20.16 mg·kg-1。

1.2 供試材料及種植方式

供試材料為中油莎2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，2021年5月中旬播種，2021年7月19日進行刈割處理，2021年9月上旬完成地上飼草和地下籽粒收獲，另外試驗小區油莎豆種植管理模式與大田管理保持一致。

1.3 試驗設計

挑選地勢平坦、油莎豆長勢均勻，雜草少的地塊為試驗地，油莎豆株高達到0.8～0.9 m（出現倒伏現象，處于分蘗期），進行刈割，具體刈割時間為2021年7月18日。試驗采用單因素隨機區組設計，共設6個處理，以未刈割處理為對照組（CK），5個不同留茬高度處理為離地面10 cm（R10）、20 cm（R20）、30 cm（R30）、40 cm（R40）、50 cm（R50），3次重復，共18個小區，小區面積為2 m×4 m，相鄰小區間保護行為0.2 m×4.0 m。

1.4 樣品采集與測定

刈割后于第1、7、14、21和28天，取各處理代表性葉片，錫箔紙包裝并標記，裝入填冰袋的密封泡沫箱，即刻帶回實驗室液氮速凍后，存入-80℃超低溫冰箱，供后續相關指標測定；于2021年9月上旬進行飼草和塊莖收獲。

1.4.1 株高的測定 各個小區任意選擇5株油莎豆并做標記，每次取樣時使用卷尺測量株高（后續取樣均不傷害標記油莎豆）。

1.4.2 光合色素含量的測定 采用5 mL 95%乙醇浸泡0.2 g植物新鮮樣品，于4℃避光保存48 h至脫色，用酶標儀測量提取液在470、649和665 nm下吸光度值，每個樣品測量3次。

式中：A665、A649和A470為吸光值，Ca和Cb分別為葉綠素a和葉綠素b的濃度［20］。

1.4.3 氮代謝相關產物和酶活性的測定 采用考馬斯亮藍比色法測定可溶性蛋白含量［21］；采用離體比色法測定硝酸還原酶活性［21］；谷氨酸合成酶活性［22］和谷氨酰胺合成酶活性［23］采用北京索萊寶（Solarbio）生物有限公司生產的試劑盒測定。

1.4.4 地下塊莖產量和品質的測定 地上飼草產量：每個小區隨機挑選1 m×1 m樣方后做好標記，刈割當天記錄各小區割去鮮草重和干草重記為F1和D1，待收獲時將地上留茬割去記錄各小區鮮草重和干草重分別為F2和D2，地上部總鮮草重為F1+F2，地上部總干草重為D1+D2。

地下塊莖：將地上飼草產量所挑選的1 m×1 m樣地的油莎豆全部挖出、洗凈（去除根系）擦去表面的水分，記鮮重，晾干后記錄干重，進行油莎豆田間產量估算。將油莎豆晾干，磨成粉末后用于品質指標測定。采用氣相色譜法測定油莎豆塊莖中的脂肪酸組成以及含量［24］；利用馬弗爐測定粗灰分含量［25］；蒽酮比色法測定總糖含量［26］；索氏提取法測定粗脂肪含量［27］；凱氏定氮法測定粗蛋白含量［28］；利用微量分光光度法測定塊莖淀粉含量［29］；中性洗滌纖維（neutral detergent fiber，NDF）含量和酸性洗滌纖維（acid detergent fiber，ADF）含量采用濾袋法測定［30］。

1.5 數據統計與分析

采用Excel 2010和Origin 8.0軟件（美國公司，Origin Lab）對數據進行整理、處理和作圖；采用SPSS 20.0軟件對數據進行單因素方差分析和相關性分析，用Duncan法分析處理間的差異顯著性，差異顯著水平是5%。

2 結果與分析

2.1 不同留茬高度對油莎豆株高的影響

刈割后，隨著生長時間的延長，各留茬處理株高呈現迅速增長-緩慢增長-相對平穩的趨勢，刈割后1～7 d，7～14 d和14～21 d三個時間段中，R40株高增幅最大，分別為28.90、18.69和10.89 cm，CK的增幅均是最低的。刈割后第1～14天，各處理株高大小均保 持CK＞R50＞R40＞R30＞R20＞R10的 規 律，刈 割 后 第1～7天，各處理間株高差異顯著（P＜0.05），刈割后第14天，R50和R40之間株高無顯著差異，分別為88.04和87.76 cm。刈割后第21和28天，株高大小為CK＞R40＞R50＞R30＞R20＞R10，且各留茬處理株高增長幅度趨于平緩（圖1）。

圖1 不同留茬高度對油莎豆株高的影響Fig.1 The effect of different stubble heights on the plant height of C.esculentus

2.2 不同留茬高度對油莎豆葉綠素含量的影響

如圖2A～C所示，刈割后隨著生長時間的延長，各留茬處理葉綠素a、葉綠素b和葉綠素a+b含量均呈現先下降后上升然后又下降的變化趨勢。刈割后第1和28天，CK處理葉綠素a、葉綠素b和葉綠素a+b含量顯著高于R40、R30、R20和R10；刈割后第7和21天，CK、R50和R40處理葉綠素a、葉綠素b和葉綠素a+b含量明顯高于其他處理，三者間無顯著差異；刈割后第14天，R40處理葉綠素a、葉綠素b和葉綠素a+b含量顯著高于除R30外的其他處理，兩者間無顯著差異；刈割后每個時期，R10和R20處理的葉綠素a、葉綠素b和葉綠素a+b含量均低于其他處理。

圖2 不同留茬高度對油莎豆葉綠素含量的影響Fig.2 The effect of different stubble heights on the chlorophyll content of C.esculentus

刈割后隨著生長時間的延長，各留茬處理胡蘿卜素含量呈現先下降后上升然后又下降的變化趨勢（圖2D）。刈割后第1和28天，CK處理胡蘿卜素含量顯著高于R40、R30、R20和R10；刈割后第7和21天，CK、R50和R40處理胡蘿卜素含量顯著高于R30和R10處理，三者間無顯著差異；刈割后第14天，R40處理胡蘿卜素含量顯著高于其他處理。

2.3 不同留茬高度對油莎豆氮代謝相關產物和酶活性的影響

如圖3A所示，刈割后隨著生長時間的延長，各留茬處理可溶性蛋白含量呈現先增加后降低然后逐漸趨于平穩的變化趨勢。刈割后第1天，R20處理的可溶性蛋白顯著低于其他處理，為4.07 mg·g-1，其余處理之間無顯著差異（P＞0.05）；刈割后第7天，R30和R40處理的可溶性蛋白含量分別為12.42和11.63 mg·g-1，顯著高于其他處理，但兩者間無顯著差異。刈割后第14天，CK可溶性蛋白含量均低于其他處理，為6.76 mg·g-1，其他處理之間無顯著差異，刈割后第21和28天，R40高于其他處理，分別為10.07和11.11 mg·g-1。

圖3 不同留茬高度對油莎豆氮代謝相關產物和酶活性的影響Fig.3 The effect of different stubble heights on the related products of nitrogen metabolism and enzyme activity of C.esculentus

如圖3B所示，刈割后隨著生長時間的延長，各留茬高度處理下硝酸還原酶活性呈先增加后降低再增加的變化趨勢。刈割后不同時期各處理之間硝酸還原酶活性存在差異，刈割后第7、14、21和28天，R30處理的硝酸還原酶活性均高于其他處理，較CK分別提高了12.49%、17.74%、12.18%和5.80%；刈割后除第21天外，其他時期R10處理的硝酸還原酶活性均低于其他處理。

如圖3C所示，刈割后隨著生長時間的延長，各留茬處理谷氨酸合成酶活性呈緩慢下降的變化趨勢。R30處理的谷氨酸合成酶活性在刈割后的5個時期均高于其他處理，且較CK分別提高了35.17%、8.84%、5.23%、16.04%、31.52%；而R10和R20處理的谷氨酸合成酶活性均低于其他處理。

如圖3D所示，刈割后第1和14天，R40處理的谷氨酰胺合成酶活性高于其他處理，分別較CK提高了6.64%、29.30%，刈割后第7、21和28天，R30處理谷氨酰胺合成酶活性高于其他處理，分別較CK提高了11.09%、30.52%和5.52%；R10處理的谷氨酰胺合成酶活性均低于其他處理（除第21天外）。

2.4 不同留茬高度對油莎豆塊莖產量構成因子的影響

如表1所示，不同留茬高度對油莎豆產量構成因子存在影響。R30產量最高，為12366.09 kg·hm-2，其顯著高于除R40以外的其他處理（P＜0.05），而R10處理產量最低，為7385.74 kg·hm-2。R40的千粒重高于其他處理，為597.53 g，較CK提高了10.25%，R30處理總粒數最高，為2699萬粒·hm-2，其顯著高于其他處理（P＜0.05）。R30處理的單穴粒數顯著高于除R40和R20以外的其他處理（P＜0.05），為169粒·穴-1。

表1 不同留茬高度對油莎豆產量構成因子的影響Table 1 Effects of different stubble height on yield components of C.esculentus

2.5 不同留茬高度對油莎豆地上地下生物量的影響

如圖4所示，除CK外，隨著留茬高度的降低，地上生物量呈先增加后降低的變化趨勢，R40、R30、R20和R10地上生物量較未刈割處理分別增加了18.17%、19.93%、16.23%和16.17%；隨著留茬高度的降低，地下生物量也呈現先增加后降低的變化趨勢，R30地下生 物 量 最 高，為12366.09 kg·hm-2，較CK增 加 了34.33%，R50和R40分 別 較CK增 加 了11.72%、25.00%。

圖4 不同留茬高度對油莎豆地上和地下生物量的影響Fig.4 Effects of different stubble heights on aboveground and underground biomass of C.esculentus

2.6 不同留茬高度對油莎豆塊莖品質的影響

如表2所示，R50處理塊莖粗灰分含量顯著高于其他處理（P＜0.05），為3.16%；R20處理的中、酸性洗滌纖維含量高于其他處理，分別為61.17%和8.81%，分別較CK提高了5.19%和5.01%，R40中性洗滌纖維含量最低，為54.67%，R30酸性洗滌纖維含量最低，為7.53%。R40處理的粗脂肪含量顯著高于其他處理（P＜0.05），為27.85%，而R10處理最低，為23.79%；R30處理的粗蛋白和總糖含量均顯著高于其他處理，分別為8.01%、18.78%；CK和R30處理淀粉含量顯著高于除R50外的其他處理（P＜0.05），且這兩者間無顯著差異，分別為24.92%和24.76%。

表2 不同留茬高度對油莎豆塊莖品質的影響Table 2 The effect of different stubble heights on the tuber quality of C.esculentus

2.7 不同留茬高度下油莎豆產量和品質指標與氮代謝指標之間的相關性

如表3所示，刈割后5個時期油莎豆葉片中谷氨酸合成酶活性均與油莎豆塊莖產量呈顯著正相關關系（P＜0.05）。另外刈割后在油莎豆再生長高峰期（7，14，21 d），谷氨酰胺合成酶活性與塊莖產量和總粒數呈顯著相關關系（P＜0.05），另外刈割后第7天油莎豆葉片可溶性蛋白和第21天葉片谷氨酰胺合成酶活性分別與收獲時油莎豆塊莖產量構成因子（產量、單穴粒數、總粒數和千粒重）呈顯著正相關關系（P＜0.05）。

表3 不同留茬高度下油莎豆產量構成因子與氮代謝指標之間的相關性Table 3 Correlations between the yield components and nitrogen metabolism indexes of C.esculentus at different stubble heights

如表4可知，刈割后5個時期油莎豆葉片中谷氨酸合成酶活性與油莎豆塊莖中粗蛋白和淀粉含量均呈顯著正相關關系（P＜0.05），刈割后第7天，硝酸還原酶、谷氨酸合成酶活性、可溶性蛋白含量和谷氨酰胺合成酶活性均與油莎豆塊莖粗蛋白含量顯著正相關（P＜0.05）。

表4 不同留茬高度下油莎豆品質指標與氮代謝指標之間的相關性Table 4 Correlations between quality indexes and nitrogen metabolism indexes of C.esculentus at different stubble heights

3 討論

刈割首先會改變植物地上部分的形態結構，因此在本研究中R40處理在1～21 d內的株高增長幅度均比其他處理高，并且R40處理（21和28 d）的再生株高僅次于未刈割，且其他處理均保持一定的生長速度，說明了R40處理具有再生性強和耐刈割的特點［31］。刈割通過形態的變化，隨之會影響植物生理代謝和生態等特性，其中氮代謝作為植物體內最基本的代謝途徑，其過程受栽培、環境以及管理方式等多種因素影響［32］。硝酸還原酶、谷氨酰胺合成酶和谷氨酸合成酶等是催化合成氮代謝產物的關鍵酶［33］，其中硝酸還原酶活性高低反映了植物光合作用和呼吸作用的強弱以及氮代謝活性的高低［34］。本研究中R30處理的硝酸還原酶活性（7、14、21和28 d）均高于其他處理，這說明R30處理有利于提高油莎豆葉片硝酸還原酶活性，并且對提高油莎豆生育后期葉片光合速率以及氮代謝能力有積極作用。另外谷氨酰胺合成酶作為參與氮代謝的多功能酶，其活性高低影響著植物部分糖代謝和氮代謝產物生成［35］，與此同時谷氨酰胺合成酶與谷氨酸合成酶偶聯也會起到促進氮代謝運轉的作用［36］。本研究結果與之相似，刈割后R30處理的谷氨酸合成酶活性（5個時期）和谷氨酰胺合成酶活性（7、21和28 d）均高于其他處理，R40處理的谷氨酰胺合成酶活性（1和14 d）高于其他處理。這一方面是因為R30和R40處理是適宜刈割留茬高度，一定程度上能夠解除油莎豆的資源限制作用，增加葉片間透光率，加速油莎豆葉片光合色素合成，使其葉綠素含量提高，以提升油莎豆葉片對光的截取能力以及影響光合氮利用效率［37-38］，促進油莎豆葉片硝酸還原酶轉錄翻譯及谷氨酰胺合成酶表達［39］，同時還增強了油莎豆葉片氮代謝能力、延緩葉片衰老以及延長了葉片功能期［40］，進而促進了R30和R40處理（7、14、28 d）油莎豆葉片氮代謝酶活性的提高，加強了谷氨酸合成酶和谷氨酰胺合成酶偶聯過程中蛋白質等含氮化合物的合成，進一步促進了可溶性蛋白的積累；另一方面或許是因為碳代謝和氮代謝兩者相互偶聯又相互制約，R30和R40處理較高的葉綠素含量，提高了葉片凈光合速率，大量碳代謝能量、碳骨架和滲透調節物質的輸出對氮代謝有很大的協助和促進作用［41］。本研究顯示R10和R20處理阻礙了其氮代謝能力，并使其氮代謝產物和酶活性均受到抑制。這主要是因為刈割后植物光合作用是其再生生長代謝的基礎，油莎豆葉片葉綠素含量顯著低于其他處理，光合酶活性受到抑制［42］后會干擾植物葉綠素的合成并引起了葉片組織內葉綠體的降解［43-44］，使光合能力極大被削弱［45］，并對油莎豆葉片的整個生理機能造成負面影響，使其生長代謝紊亂［46］。

生物量不僅是刈割后植物生長情況的直觀體現，更是反映植物抗逆性和修復能力的重要指標［47］，然而刈割后油莎豆地下塊莖產量的形成則取決于“源-庫”關系的調控。R10和R20處理地上生物量未受到明顯影響，地下塊莖產量明顯下降，其原因是R10和R20處理由于刈割時損失的葉片基數大，物質生產和積累等代謝機能旺盛，隨著刈割后時間的延長，地上資源大量減少，使留茬葉片光合速率隨之減弱，這時植物整體儲存的營養物質會增加對地上的分配比率，逐漸提高光合器官的生物量［48］，這或許是R10和R20處理油莎豆地上生物量未受抑制的原因；另外重度刈割下油莎豆各器官有機物質過度用于地上部分，地下部分代謝秩序紊亂，有機物質嚴重匱乏，再加上刈割使植物根區土壤酶活性和微生物數量減少［49］，根系分泌物受影響，造成地下部分養分汲取和自身調節機制受到干擾，最終導致地下塊莖產量降低。R30和R40處理地上生物量和地下塊莖產量卻能夠保持均衡發育并高于其他處理，這一結果一方面與Brouwer［50］提出的植物碳分配的“功能平衡理論”有相似原理：植物在生長過程中，會不斷地將有機物在地上、地下之間進行源庫資源的均衡分配，才使得R30和R40處理地上和地下資源維持相對較高水平；另一方面可能是適宜刈割去除了植物的頂端分生組織和部分衰老組織，刺激了新生組織的萌蘗［51］，消除了植物的生長冗余，進而激發了植物的補償生長潛力［52］，促使其產量的增加；與此同時也反映了R30和R40處理具有較高的抗逆性和修復能力。相關研究表明刈割可以利用植物均衡性生長特性，改變植物營養物質的沉積和分配方向，進而影響植物的生長特性及其品質［53］。侯鈺榮等［54］研究表明，輕度、重度刈割均可促進新疆伊犁絹蒿（Seriphidium transiliense）根系儲藏營養物質（可溶性蛋白、可溶性糖、還原糖）的積累。本研究結果與之相似，R30處理的塊莖粗蛋白和總糖含量以及R40處理的粗脂肪含量顯著高于其他處理（表2），其主要原因是R30和R40處理地上葉片較高的氮代謝水平，滲透調節物質的產出很好地維持和延長了油莎豆葉片的功能期，以及增強了其物質積累、氮素利用效率以及蛋白質合成等方面的能力，促進了葉片光合產物向庫端有效的運輸和分配；另外是因為R30和R40處理硝酸還原酶和谷氨酰胺合成酶活性的增強促進了植物葉片內部氨基酸的轉化與合成，更有利于地下部分對氮素營養的汲取和利用［55-56］，以及谷氨酸合成酶與谷氨酰胺合成酶偶聯，把形成的谷氨酰胺通過植物韌皮部運往根部，影響地下部分各種酶的生物合成［57］，為油莎豆地下塊莖產量和品質的提高奠定了良好基礎［58］；同時還由于葉片作為植物光合作用的主要器官，氮代謝旺盛，R30處理葉片中谷氨酰胺合成酶活性提高，使其催化產生的谷氨酰胺的量增加，隨之使得谷氨酸合成酶將谷氨酰胺和α-酮戊二酸轉變成谷氨酸的量增加，進一步促使了葉片中大量蛋白質、核酸等含氮化合物合成，再通過“源-庫”物質分配模式將物質輸送至塊莖部分，這也揭示了R30處理地下塊莖粗蛋白含量高以及谷氨酸合成酶與塊莖粗蛋白含量、產量等存在顯著正相關關系的原因。總之，刈割后會通過影響葉片氮代謝而間接影響油莎豆地下塊莖產量和品質的形成［59-60］。

4 結論

不同刈割留茬高度下油莎豆地上葉片氮代謝能力以及產量和品質均不同。重度刈割（留茬10和20 cm）會干擾油莎豆葉片葉綠素的合成，并對氮代謝過程中谷氨酸合成酶、谷氨酰胺合成酶和硝酸還原酶的活性有抑制作用；適宜刈割高度（留茬30和40 cm）則能夠促進氮代謝的代謝能力，提高氮代謝酶活性并增加氮代謝產物（可溶性蛋白）的積累。

刈割后地上部分與地下部分通過“源-庫”關系調節進行物質再分配，刈割后，氮代謝對塊莖產量和品質的影響時間段不同，另外油莎豆葉片中谷氨酸合成酶活性與塊莖產量和品質密切相關，是提高油莎豆地下塊莖產量并改善其品質（粗蛋白和淀粉）的關鍵。

留茬30 cm的油莎豆塊莖產量、總粒數、單穴粒數、粗蛋白和總糖含量均高于其他處理，留茬40 cm的千粒重和粗脂肪含量高于其他處理，分別為597.53 g和27.85%，綜上所述，刈割相對適宜留茬高度范圍為30～40 cm，有利于提高新疆油莎豆的產量和品質。