張玉林, 杜 藝, 柴旭田, 李向義, 張志浩*, 曾凡江1,*

(1.新疆大學(xué)生態(tài)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 新疆 烏魯木齊 830046; 2.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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 新疆 烏魯木齊 830011; 3.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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 新疆 烏魯木齊 830011; 4.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; 5.中國科學(xué)院大學(xué), 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(nèi)外經(jīng)濟(jì)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(jiān)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(diǎn)[1-2]，同時，也是一種優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)和綜合利用的農(nóng)牧經(jīng)濟(jì)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(zhì)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(nèi)，并在北京、內(nèi)蒙古、河南、新疆等地栽培，獲得了較好生產(chǎn)價值[6-7]。近些年國內(nèi)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(yǎng)成分(蛋白質(zhì)、糖類、油酸、葡萄糖等)將其制成各種營養(yǎng)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(guī)劃，為推進(jìn)種植業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，利用丘陵、河灘、沙地等發(fā)展特色油料作物，著力穩(wěn)面積、提品質(zhì)，豐富食用植物油供給來源。新疆具有沙質(zhì)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(guī)?；N植技術(shù)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(xù)單一種植某種作物，但多年連作易造成作物產(chǎn)量和品質(zhì)的降低[11-12]。輪作則是合理有序地?fù)Q種不同作物，能夠改變土壤養(yǎng)分和理化性質(zhì)，緩解連作障礙，增加作物產(chǎn)量，改善作物品質(zhì)[13-15]。何志貴等[16]研究發(fā)現(xiàn)，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(fā)現(xiàn)，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(chǎn)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(fā)現(xiàn)，甘薯(Dioscoreaesculenta)-花生(Arachishypogaea)輪作顯著增加了花生籽仁蛋白質(zhì)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(zhì)。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(yǎng)分含量和營養(yǎng)品質(zhì)的潛在影響。因此，本試驗(yàn)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(yǎng)分含量和營養(yǎng)品質(zhì)(粗蛋白、粗脂肪、可溶性糖和可溶性淀粉)以及土壤理化性質(zhì)的影響，旨在探索油莎豆在本地區(qū)的高產(chǎn)種植體系，為大面積推廣種植提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)在新疆建設(shè)兵團(tuán)第三師54團(tuán)莎車農(nóng)場進(jìn)行(38°38′N，77° 6′E)。該地區(qū)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(shù)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(fā)量2 246 mm，年均風(fēng)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?zhǔn)斋@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(qū)單獨(dú)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(zhǔn)確稱量后，溶于水中，通過滴灌管路直接送達(dá)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(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)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(chǎn)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(jī)播種，播種量為75 kg·hm-2，株距8 cm，行距35 cm。滴灌帶鋪設(shè)一機(jī)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(qū)繼續(xù)種植小麥，連作種植區(qū)只進(jìn)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(qū)再次播種油莎豆品種為‘豐產(chǎn)2號’，連作種植區(qū)繼續(xù)播種油莎豆品種為‘豐產(chǎn)2號’。在核心示范田內(nèi)，設(shè)置試驗(yàn)小區(qū)面積10 m×5 m，2個處理(連作和輪作)，每個處理3個重復(fù)，共6個小區(qū)，并設(shè)置3個刈割時間(8月1日、8月24日、9月16日)，每次隨機(jī)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(yàn)區(qū)域土壤基本理化性質(zhì)的本底值為：土壤pH為8.87，土壤有機(jī)質(zhì)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(biāo)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(shí)驗(yàn)室，沖洗干凈后置于65℃烘箱內(nèi)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(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所中心實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行指標(biāo)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(zhì)量含量表示(g·kg-1)[21]。

1.2.2油莎豆塊莖營養(yǎng)品質(zhì)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(shí)驗(yàn)室，沖洗干凈后置于65℃烘箱內(nèi)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(yǎng)價值測定。由中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所中心實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行指標(biāo)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(zhì)量含量表示(g·kg-1)[22]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

統(tǒng)計(jì)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(yǎng)分含量和營養(yǎng)品質(zhì)的影響，單因素方差(One-way ANOVA)分析刈割時間對油莎豆塊莖養(yǎng)分含量和營養(yǎng)品質(zhì)的差異性，用Duncan法進(jìn)行多重比較(α=0.05)。利用t-檢驗(yàn)分析連作和輪作種植模式之間的差異。利用結(jié)構(gòu)方程模型(Structural fquation modeling,SEM)分析連/輪作對油莎豆塊莖養(yǎng)分含量和營養(yǎng)品質(zhì)的影響。采用“ggplot2包”完成油莎豆塊莖養(yǎng)分含量和營養(yǎng)品質(zhì)的圖形繪制。采用“psych包”和“corrplot包”進(jìn)行土壤理化性質(zhì)、油莎豆塊莖養(yǎng)分含量和營養(yǎng)品質(zhì)的相關(guān)性分析(Pearson)。使用Amos24軟件完成連/輪作對油莎豆塊莖養(yǎng)分含量和營養(yǎng)品質(zhì)的結(jié)構(gòu)方程模型。

2 結(jié)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(jié)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(yǎng)分含量與營養(yǎng)品質(zhì)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(jié)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(yǎng)分含量、營養(yǎng)品質(zhì)與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性分析

相關(guān)性分析結(jié)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(guān)關(guān)系(P<0.001)，與粗脂肪含量呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)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(guān)關(guān)系(P<0.001)，與粗脂肪含量呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.001)。塊莖的粗蛋白和粗脂肪含量呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.001)。塊莖的可溶性淀粉與土壤有機(jī)質(zhì)、pH、碳酸氫根離子呈正相關(guān)關(guān)系，與土壤其他理化指標(biāo)(如：全氮磷鉀、速效氮磷鉀、總鹽等)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。塊莖的粗蛋白和可溶性糖含量與土壤理化指標(biāo)(如：土壤有機(jī)質(zhì)、全氮磷、速效氮磷鉀、總鹽、鹽基離子等)呈非常弱的負(fù)相關(guān)關(guān)系(0

圖3 油莎豆塊莖養(yǎng)分含量及營養(yǎng)品質(zhì)與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性分析

2.4 連/輪作及刈割時間對油莎豆塊莖養(yǎng)分含量和營養(yǎng)品質(zhì)的結(jié)構(gòu)方程模型

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

圖4 連/輪作和刈割時間對油莎豆塊莖養(yǎng)分含量與營養(yǎng)品質(zhì)影響的結(jié)構(gòu)方程模型

3 討論

作物產(chǎn)量的形成是光合產(chǎn)物積累和分配的結(jié)果，干物質(zhì)積累的同時要保證同化產(chǎn)物在“源”和“庫”的合理分配[23]。氮、磷、鉀是作物生長發(fā)育所需的三大營養(yǎng)元素，是作物產(chǎn)量形成的基礎(chǔ)，合理輪作能提高作物氮磷鉀累積量及其分配系數(shù)[24]。本研究結(jié)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(jié)果與吳娜等對馬鈴薯(Solanumtuberosum)養(yǎng)分及營養(yǎng)品質(zhì)的研究結(jié)果基本一致[25-26]。這可能是由于氮可促進(jìn)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(yǎng)物質(zhì)輸入塊莖[27]；鉀能增強(qiáng)作物光合作用和相關(guān)酶活性，加速同化物向塊莖的運(yùn)輸，增加塊莖重、單株結(jié)實(shí)率[28-29]?？赡茌喿魍ㄟ^改變土壤酸堿度，進(jìn)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(zhì)積累運(yùn)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(jié)構(gòu)方程模型分析結(jié)果表明，土壤pH對油莎豆養(yǎng)分和營養(yǎng)品質(zhì)有直接的影響效應(yīng)。本研究發(fā)現(xiàn)，pH值是影響土壤肥力的最大環(huán)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(jìn)而改變土壤理化性質(zhì)，對植物吸收土壤營養(yǎng)成分起到促進(jìn)作用[31-32]。

塊莖是植物地下莖的一種變態(tài)莖，它含有豐富的營養(yǎng)物質(zhì)，包括蛋白質(zhì)、維生素、礦物質(zhì)和膳食纖維，同時具有生物活性的次級代謝產(chǎn)物，具有獨(dú)特的營養(yǎng)價值[14]。塊莖的營養(yǎng)品質(zhì)是重要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，受遺傳特性、栽培地區(qū)氣候、土壤和栽培條件、種植模式的影響[18,33-34]。本研究結(jié)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(yǎng)品質(zhì)的研究結(jié)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(zhì)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(zhì)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(zhì)[18]，以上研究結(jié)果與本研究結(jié)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(guān)性分析與結(jié)構(gòu)方程模型分析表明，土壤pH對油莎豆?fàn)I養(yǎng)品質(zhì)有著直接的影響效應(yīng)，土壤鹽基離子和土壤養(yǎng)分對油莎豆?fàn)I養(yǎng)品質(zhì)呈現(xiàn)間接影響效應(yīng)。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(yǎng)分和速效養(yǎng)分發(fā)生顯著變化，影響油莎豆塊莖的營養(yǎng)成分積累，本研究發(fā)現(xiàn)，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(yǎng)品質(zhì)和經(jīng)濟(jì)價值[37-38]。

4 結(jié)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(yǎng)分和營養(yǎng)品質(zhì)受土壤酸堿度的影響，表現(xiàn)抑制和促進(jìn)作用。連作和輪作模式通過影響土壤酸堿度對土壤的養(yǎng)分含量產(chǎn)生重要影響，輪作模式能有效提高油莎豆塊莖的養(yǎng)分含量(如：全氮和全鉀)，對塊莖吸收土壤養(yǎng)分含量產(chǎn)生重要的促進(jìn)作用。