极端干旱区种植行距对油莎豆生长及土壤特性的影响

刘亚兰, 赵 月, 徐梦琦， 柴旭田， 曾凡江， 李向义， 李 磊， 黄彩变*

(1. 中国科学院新疆生态与地理研究所新疆荒漠植物根系生态与植被修复重点实验室， 新疆 乌鲁木齐 830011； 2. 中国科 学院新疆生态与地理研究所荒漠与绿洲生态国家重点实验室， 新疆 乌鲁木齐 830011； 3. 新疆策勒荒漠草地生态系统国家 野外科学观测研究站， 新疆 策勒 848300； 4. 中国科学院大学，北京 100049)

塔里木盆地南缘是我国沙漠化最严重的地区之一，干旱、高温和风沙灾害严重威胁当地居民的生存、生产和经济发展。近3年来为助力农民脱贫致富，当地政府和科技部门大力扶持发展畜牧产业，饲草资源供给日益紧缺，因此亟需引进一些既有较高饲用价值又能适沙抗旱的牧草资源。油莎豆(Cyperusesculentus)是原产于非洲的莎草科莎草属多年生草本植物，其根系发达，分蘖能力强，生育期短，生物量大，含油量高，抗逆性强，且适应范围广，是一种优质、高产、高附加值的新型生态经济作物[1]。目前，油莎豆在新疆已有小面积引进种植[2]，但因其规模化种植技术体系还不完善，尚未能大面积推广。因此，研究油莎豆在风沙前沿区域的生长适应性和关键栽培种植技术对充分发挥其经济和生态效益，增加当地农民收入具有重要意义。

栽培行距是影响多年生牧草生长和作物产量的重要栽培种植措施。一般来说，适当缩小行距，牧草和作物产量会有明显提高[3-5]。但也有研究认为相同群体或不同群体中个体距离过近时会使冠层荫蔽严重，个体对资源竞争过于激烈，从而导致产量显著下降[6]。贺玉鹏等[7]研究则发现过大的行距会增加水分的蒸发，进而影响到作物产量[8-9]。刘雪薇等[10]研究表明，在合理密植条件下，扩大行距有利于提高水分和养分利用效率。因此，合理的栽培行距不但能够有效调节植物群体结构，提升光合作用效率，还可提高资源利用能力，进而提高产量[11]。这也进一步说明适宜的栽培行距对获得较高的牧草产量至关重要。

栽培行距除影响植物的种间关系和产量外，也会对土壤特性产生一定影响，从而影响植物生长[12]。余利等[13]发现行距会对玉米群体内部的风速、冠层温度与湿度等产生影响，进而会影响到土壤温度与含水量[14]。还有研究发现株行距变化会引起植物形态特征与株密度的变化，从而对土壤蒸发量也有一定影响[15-16]。在干旱区若土壤蒸发量过大则可能会引起土壤盐分表聚，造成土壤次生盐渍化[17]，这将对土壤有机质含量产生明显影响[18]。因此，选择合适的栽培行距不仅可以获得较高的作物产量还能够对土壤质量起到一定的改良作用。然而，目前关于油莎豆种植行距及相应的土壤特性变化方面的研究还较少。本试验通过在塔里木盆地南缘对油莎豆进行不同栽培行距处理，探讨油莎豆在极端干旱的风沙环境下其生长响应及土壤特性变化，以期查明油莎豆适宜的栽培种植行距，为油莎豆在极端风沙环境区大面积种植和推广提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验于2020年在新疆和田市吉亚乡团结新村(81°06′18″ E，37°25′99″ N)进行，该地区地处塔克拉玛干沙漠南缘，属暖温带大陆性荒漠气候，年平均温度为13.1℃，全年干旱少雨，年均降水量43.8 mm，蒸发量高达2 624.4 mm，平均相对湿度41%，年日照时数2 662 h。该试验地为新开垦沙漠土地，土壤类型为风沙土，在开垦前取表层土壤进行养分测定，0～20 cm土层有机质含量为2.52 g·kg-1，碱解氮含量为15.79 g·kg-1，有效磷含量为3.71 g·kg-1，速效钾含量为236.5 g·kg-1，土壤pH值为7.76，土壤容重为1.54 g·cm-3，含盐量为2.53 g·kg-1。2020年年平均温度为11.8℃，年降水总量356 mm，月降水量和月平均气温如图1所示。

图1 2020年温度及降水量Fig.1 The temperature and precipitation in 2020

1.2 试验设计

试验种植油莎豆品种为‘新科1号’。采用单因素随机试验设计，设置30 cm，60 cm，90 cm和120 cm 4种行距处理，每个处理3个重复，共12个小区，小区面积10 m×5 m。2020年5月上旬机械开沟条播种植，油莎豆种子播量为300 kg·hm-2。总施肥量为尿素675 kg·hm-2(N≥46%)，磷酸二铵300 kg·hm-2(P2O5≥48%，N≥18%)，硫酸钾375 kg·hm-2(K2O≥52%)，腐殖酸300 kg·hm-2，总灌水量为5 775 m3·hm-2。其中，种植前施基肥：尿素45 kg·hm-2，磷酸二铵300 kg·hm-2，硫酸钾复合肥375 kg·hm-2，腐殖酸300 kg·hm-2。播种前灌水量为2 025 m3·hm-2。之后所有处理均采用水肥一体化技术进行滴灌施肥，滴灌带顺着油莎豆种植行方向铺设，每条滴灌带也间隔30 cm。油莎豆生长初期(5月—6月)滴水4次，每次滴水量187.5 m3·hm-2，每公顷滴尿素33.75 kg，硫酸钾复合肥15 kg。灌溉中期(6月—8月中旬)，滴水12次，在灌溉后期(8月中旬—9月中旬)滴水4次，每次滴水量及化肥量同灌溉早期。

1.3 测定指标与方法

1.3.1植物生物量及产量测定 油莎豆成熟期(9月中旬)在每个小区距离边界1 m处，选取3个至少间隔2 m的样点，每个样点在10 m2范围内随机取4个0.5 m×0.5 m样方并测定其内株数，4个样方总和记为单位面积株数。采用此方法的原因是油莎豆根系分蘖能力较强，且分蘖株具有一定的空间拓展能力，加上宽行距有一定的空白面积，为保证样方数据的代表性本试验选取了小面积多点测定的方法。根据样方株数计算株密度，计算公式如下[19]：

株密度=单位面积株数/样方面积

(1)

每个小样方选取10株测量株高，根据每个样点4个样方内的测定结果计算其平均值即为单位面积株高。将每个样方中油莎豆的地上、地下部分全部收获，分为叶、根系和块茎，将根系和块茎用清水洗干净后放入烘箱，在105℃下杀青半小时，之后在75℃烘干至恒重并称量，计算油莎豆地上部生物量、根生物量和千粒重。根据样方内块茎重量换算单位面积油莎豆块茎产量。

1.3.2油莎豆叶片、根系及块茎养分测定 将烘干植物样品研磨粉碎，并过40目筛，用H2SO4-H2O2消煮法进行消煮，消煮液经过定容后保存，用于油莎豆氮(Nitrogen，N)，磷(Phosphorus，P)，钾(Potassium，K)含量的测定。全氮含量采用凯氏定氮法进行测定，全磷含量采用钼锑抗比色法进行测定，全钾含量采用火焰分光光度计法进行测定[20]。并根据油莎豆各部分N，P，K含量计算养分吸收量[21]，计算公式如下：

养分吸收量=干物质累积量×养分含量

(2)

1.3.3土壤理化性状测定 在植物样品采集的同时，用直径为2 cm的土钻在未种植油莎豆裸地(CK)，30 cm，60 cm，90 cm，120 cm行距处理下每个小区内随机选取3个点，每个点均在油莎豆根区和行中间空地取0～20 cm和20～40 cm两个深度土壤样品，相同土层混合在一起，每小区土样取完后将3个点按土层混合均匀，风干后备用，土壤容重采用环刀法测定，环刀容积为100 cm3。其他相关土壤指标测定参考鲁如坤[22]的《土壤农业化学分析方法》，土壤pH值使用酸度计测定；土壤总盐分含量采用“烘干残渣法”进行测定；土壤有机质含量采用重铬酸钾容量法进行测定；碱解氮含量采用半微量开氏法进行测定；有效磷含量采用碳酸氢纳浸提-钼锑抗比色法进行测定；速效钾含量采用火焰广度法进行测定。

1.4 数据统计与分析

利用Excel 2020，进行数据整理，利用Origin 2019进行作图。SAS 9.4软件用于对数据进行单因素方差分析，并利用最小显著极差法(LSD)进行差异显著性检验(P<0.05)。

2 结果与分析

2.1 行距对油莎豆生长和产量的影响

由表1可知，行距处理对油莎豆株高和千粒重的影响不显著，但对油莎豆株密度、饲草产量、根生物量以及块茎产量均有显著影响(P<0.05)。油莎豆株密度、饲草产量、根生物量和块茎产量均在30 cm行距处理下达到最高，且显著高于其他处理(P<0.05)。株密度、饲草产量和根生物量在60 cm与120 cm行距处理之间没有显著差异。块茎产量也在90 cm行距处理下最低，但与60 cm和120 cm行距处理差异不显著。株高和千粒重也同样在30 cm行距处理下最高，但与其他行距处理间差异不显著。

表1 不同行距对油莎豆生长及产量的影响Table 1 Effects of different row spacing on the growth and yield of C. esculentus

2.2 行距对油莎豆养分吸收量的影响

由表2可知，不同行距处理对油莎豆叶片、根及块茎养分吸收量均有显著影响(P<0.05)。叶片N，P和K吸收量均在30 cm行距处理下达到最大，且N，K吸收量均显著高于其他处理(P<0.05)；P吸收量在30 cm行距处理下与60 cm行距处理差异不明显，但显著高于90 cm和120 cm行距处理(P<0.05)。叶片N，P和K吸收量均在90 cm行距处理下最低，且K吸收量显著低于其他处理(P<0.05)。根和块茎的N，P和K吸收量均在30 cm行距处理下达到最大，且显著高于其他处理(P<0.05)。在90 cm行距处理下，根系吸N量显著低于其他处理(P<0.05)；P和K吸收量均最低，但与60 cm和120 cm行距处理差异不显著。块茎吸N量也在90 cm行距处理下最低，但与120 cm行距处理差异不显著；P和K吸收量在60 cm，90 cm和120 cm行距处理间差异不显著。

表2 不同行距下油莎豆各部位养分吸收量差异Table 2 Nutrient uptake amounts of different organs in different row spacing

2.3 行距对土壤特性的影响

2.3.1行距对土壤容重、pH和盐分累积的影响 行距对土壤pH值、容重及总盐分有显著影响(P<0.05)(图2)。在0～20 cm土层，30 cm行距下土壤pH略有升高，与自然土壤及120 cm行距处理相比差异不显著，但均显著高于60 cm和90 cm行距(P<0.05)。在20～40 cm土层，同样在30 cm行距下土壤pH最大，且显著高于其他处理(P<0.05)，60 cm，90 cm，120 cm与自然土壤差异均不显著。在0～20 cm土层，土壤容重在90 cm行距下最低，其他处理之间没有显著差异。在20～40 cm土层，土壤容重同样在90 cm下达到最低。在0～20 cm土层，土壤总盐分在90 cm行距下最高，除与120 cm处理之间没有显著差异外，显著高于其他处理(P<0.05)。在20～40 cm土层，种植油莎豆土壤总盐分均显著低于自然土壤，且在60 cm行距下降最明显。

2.3.2行距对土壤养分的影响 由图3可知，行距对土壤碱解氮、有效磷、速效钾含量均有显著影响(P<0.05)，但对有机质含量影响不显著。种植油莎豆后，土壤碱解氮含量均低于自然土壤。在0～20 cm土层，除30 cm行距外，其余行距碱解氮含量与自然土壤之间没有显著差异；在20～40 cm土层，除120 cm行距外，30 cm，60 cm，90 cm行距碱解氮含量均显著低于自然土壤(P<0.05)。在0～20 cm土层，油莎豆种植同样有降低土壤有效磷含量的趋势，30 cm和120 cm行距下降最明显；在20～40 cm土层，30 cm行距处理的有效磷含量与自然土壤(CK)没有明显差异，但显著高于其他处理。在0～20 cm土层，土壤速效钾含量在30 cm行距下显著降低(P<0.05)，但在其他处理下与自然土壤差异均不显著；在20～40 cm土层，土壤速效钾含量除90 cm行距变化不显著外，其他处理均显著下降(P<0.05)。

图3 行距对土壤有机质、碱解氮、有效磷、速效钾的影响Fig.3 Effects of row spacing on soil organic matter,available N,P and K concentrations

3 讨论

3.1 行距对油莎豆生长的影响

栽培行距主要通过调节植物的形态特征、种群关系进而影响作物产量[4,23]。有研究表明，在行距较窄情况下，群体间荫蔽增强，个体之间的竞争加剧，植物株高等形态特征会产生显著变化[4,13-14]。本研究表明，30 cm行距处理下油莎豆株高虽然最高，但与其他行距处理无显著差异。株密度在30 cm行距处理下达到最大，且显著高于其他处理，而在90 cm行距处理下则显著低于其他行距处理。这表明较窄行距更有利于油莎豆个体形态生长和群体扩大。这与段宏凯等[24]研究的结果不同，其认为较大的行距能够更有效减少群体之间的竞争，促进种群的扩大。这可能是由于在本研究区域日照时数长，光照充足，同时油莎豆具有极强的根系分蘖能力，所以由油莎豆群体密度增加所产生的遮蔽作用对个体生长产生的影响可能较小。此外，还有研究发现较窄行距可以提高植物自身阻挡风沙吹蚀能力，有利于植物群体扩大[17,25-26]，这也可能是本研究中30 cm行距可显著增加油莎豆群体密度的原因之一。

刘凯强等[27]研究发现在合适的种植密度下增加行距可以提高作物的种子产量，在行距较小的情况下作物的生物量与种子千粒重都会下降[28]。而本研究表明，30 cm行距处理下油莎豆饲草产量、根系生物量和块茎产量均显著高于其他处理；千粒重虽然最高，但与其他处理间没有显著差异。行距增加后，油莎豆地上和地下生物量累积及块茎产量均显著下降，且均在90 cm行距下最低，这与株密度变化一致。这表明30 cm行距处理不但可提高油莎豆的生物量累积，其个体生长和群体扩大也有明显优势，并相应地也显著提高了其块茎产量。由此可见，行距处理主要通过影响油莎豆生物量累积和群体密度来作用于其产量高低的。

3.2 行距对土壤特性的影响及其与油莎豆生长的关系

栽培行距还能够通过影响土壤质量对作物生长产生间接影响[26-27]。本研究表明，土壤容重在0～20 cm与20～40 cm土层均为90 cm行距处理最低，其他处理变化却不明显。土壤盐分含量在0～20 cm土层则为90 cm行距增加最明显，其次是120 cm行距，二者已达到轻度盐渍化水平(土壤盐分含量在3～6 g·kg-1范围内为轻盐化土)；在20～40 cm土层所有处理盐分含量均显著下降。有研究表明，土壤容重过大会影响根系的生长，还有可能通过影响作物地上部的生长抑制产量的提高[29]。本研究中容重较小的90 cm行距处理并未获得较高的生物量和产量，这可能是由于其根系分布层土壤(0～20 cm)盐分累积过高，抑制了植物生长[30-31]。土壤pH值过高将不利于植物生长，但是本研究中30 cm行距的pH值最高，尤其是在20～40 cm土层，其生物量和产量却均处于较高水平，也说明该土壤pH值尚未达到抑制植物生长的范围。可见，在研究中土壤pH值和容重不是行距引起油莎豆产量变化的主要土壤因子，但土壤盐分含量变化对其却有显著影响。

对土壤养分含量变化分析发现，不同行距下土壤有机质含量没有显著变化，但0～20 cm土层碱解氮和有效磷含量均显著低于自然土壤，且在30 cm行距处理下降最明显，30 cm行距的速效钾含量也有显著下降，这与行距对油莎豆生物量及块茎产量的影响相反。在20～40 cm土层，与自然土壤相比，30 cm行距的土壤碱解氮和速效钾含量也均显著下降，有效磷含量变化却不明显。对油莎豆的养分吸收分析发现，30 cm行距处理的油莎豆根系和块茎N，P，K吸收量也较高，因此在30 cm行距下0～40 cm土层土壤碱解氮和速效钾含量的显著下降可能与植物的大量吸收以及二者在土壤中移动性较强有关。磷在土壤中移动性较差[32-33]，而油莎豆根系主要分布于0～20 cm土层，这可能是有效磷含量在0～20 cm下降较多，在20～40 cm土层变化不明显的主要原因。

4 结论

行距对油莎豆产量和生物量累积均有显著影响，30 cm行距在促进油莎豆个体形态生长、生物量累积和群体扩大方面均有明显优势，相应的30 cm行距的块茎产量也显著高于其他处理。在30 cm行距处理下，较高的地上部和根系生物量累积对土壤氮、磷、钾的吸收也相应增强，主要表现为0～20 cm土层的碱解氮、有效磷和速效钾含量出现显著下降。油莎豆种植后显著降低了20～40 cm土层盐分累积，但90 cm和120 cm行距处理在0～20 cm土层盐分累积却显著增加，对油莎豆生长也有明显抑制作用。因此，30 cm行距是油莎豆种植的推荐行距。