南疆盆地亏缺灌溉和覆膜对油莎豆生物量及产量的影响

2022-06-08杨建明张志浩曾凡江

干旱区研究 2022年3期

丁雅，杨建明，李利，张志浩，曾凡江

（1.新疆大学资源与环境科学学院，新疆乌鲁木齐 830046；2.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；3.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；4.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；5.新疆维吾尔自治区林业和草原局生态保护修复处，新疆乌鲁木齐 830011）

水分是植物生长最重要的限制因素［1-2］，在农业生产的过程中，一贯高投入、高产出的思路致使作物生长发育中灌水过量的现象严重。我国是农业大国，2019年农业灌溉用水占总用水量的61.15%［3］，水资源的过度损耗制约了农业的发展。尤其是干旱区农业生产过程中，水资源极度匮乏，实现节水灌溉显得尤为重要。

在水资源匮乏的干旱区，一般会采用滴灌和覆膜相结合的模式保持土壤湿度，提高作物对水分的利用效率。滴灌作为一种新型灌溉方式，因其显著提高灌溉效率、减少土壤蒸发量、提高农作物的产量和品质等特性，在农业生产中得到广泛应用［4-9］。覆膜在农田应用中起到了增温、增湿、保水、保墒的重要作用，能够明显增加作物的产量，提高水分利用效率，在西北干旱区应用较为广泛［10］。

油莎豆（Cyperus esculentus）属莎草科莎草属一年生草本植物，原产于非洲埃及以及尼罗河沿岸地区。1960 年我国从保加利亚引进［11］，并在北京、内蒙古、河南、新疆等地栽培。油莎豆具有强大的分蘖能力，茎分化成叶，地上茎叶高度达到1.0～1.5 m［12］，富含纤维素、粗蛋白等物质，可供食草动物食用；其地下块茎富含油脂、淀粉、糖、蛋白质等物质，含油率约20%～32%，在榨油后还可以生产淀粉、制糖、酿酒［13-15］。因此，油莎豆是一种具有优质、高产、利用价值高等特点，且集粮、油、牧于一体的新型经济作物［16］。油莎豆抗逆性强、耐贫瘠、根系发达，在沙质土、盐碱地、壤土等地中均可种植，但是在沙质土中种植效果最佳［17］。

南疆地区水资源匮乏，滴灌已成为高效的区域农业生产灌溉方式，但针对油莎豆覆膜及亏缺灌溉条件下实现高产和高效水分利用的研究较少，尤其是不同情境下油莎豆最佳亏缺灌溉管理模式理论、实践经验均很匮乏。因此，笔者通过研究亏缺灌溉的田间管理方式对油莎豆产量、品质以及水分利用效率的影响，以期获得南疆盆地最佳的灌溉高产管理模式，为实现油莎豆在生产中的节水和高产提供参考依据。

1 数据与方法

1.1 研究区概况

试验区位于新疆库尔勒市西南部哈拉玉宫乡（41°36′N，86°3′E），地处孔雀河冲积扇上部，地势东北高，西南低，平均海拔904 m。属温带大陆性气候，无霜期长，年平均无霜期180 d，最长达190 d，最短为170 d；昼夜温差大，1 月平均气温-9 ℃，7 月平均气温26.50 ℃，平均气温年较差35.5 ℃；日照充足，年平均日照时数3045 h；夏季干旱少雨，年平均降水量57 mm，年最大蒸发量为2788.2 mm，降雨集中在每年5—10 月，其中6 月最多。试验地土壤质地为砂壤土，0～40 cm土壤理化性质：田间持水量为18%，土壤容重为1.58 g·cm-3，有机质含量为4588.55 mg·kg-1，水解氮含量为28.41 mg·kg-1，有效磷含量为9.89 mg·kg-1，速效钾含量为73.783 mg·kg-1，pH 为7.6；试验区地处沙漠前缘区，植被稀少，在自然状况下，种子繁殖困难。库尔勒境内季节性河流均属于降雨、积雪融水和冰川融水综合补给性河流。本区地下水埋深14 m左右，因此夏季降水是自然植被所需水分的主要来源［18］。

1.2 数据来源与处理

1.2.1 试验材料供试油莎豆品种为“丰产2 号”，于2020 年5 月10 日种植，9 月20 日收获，全生育期130 d。

1.2.2 试验设计试验区由孔雀河冲积土形成，土质肥沃，因此播种前不用施底肥，播种后进行追肥。播种时间在5 月10 日，采用油莎豆穴播机播种，播种量为75 kg·hm-2，株距12.5 cm，行距30 cm。滴灌带铺设为一机二管，1条滴灌带灌溉2行油莎豆的种植模式，油莎豆行距30 cm，毛管间距60 cm，生育期共滴水7次，每小区单独滴水，由水表控制滴水量。出苗后期追肥，施肥方式为水肥一体化，每次灌水时将所需肥量准确称量后，溶于水中，通过滴灌管路直接送达油莎豆根系附近，其中尿素75 kg·hm-2，菌肥105 kg·hm-2。试验设置覆膜和水分控制2个处理，其中覆膜包括含覆膜（M）和不覆膜（NM）处理，水分控制包含3个处理，分别为：CK为当地常用的滴灌灌溉制度，灌溉量为5316.45 m3·hm-2，T1 处理的灌溉量为3431.40 m3·hm-2，T2处理的灌溉量为4133.85 m3·hm-2。在整个生育期的灌水量见表1。

表1 油莎豆不同处理灌溉制度设置Tab.1 Different treatments in irrigation system of Cyperus esculentus

1.2.3 生物量的测定根据油莎豆生长周期和试验的目标，在油莎豆生长末期（9 月）进行采样。对各处理小区内生物量进行相关指标测定。

（1）种植密度：采用计数方法，统计每个样方内的单丛数量。

（2）草、根、块茎干物质量：在生长末期（9月）进行采样，因油莎豆属于克隆植物，分蘖数量大，以样方内油莎豆单丛群体作为单个样本进行生物量相关指标测定。通过挖取样方中所有植株，将草、根、块茎分离并分别装袋，放入烘箱烘至恒重后称量，干重作为草、根、块茎的生物量。

（3）地上/地下生物量：地上生物量为地上部分所有干物质量；地下生物量为地下部分所有干物质量。

（4）根冠比：

（5）产量：产量按样方统计，计算草、块茎样方产量，根据样方产量换算成公顷产量。

（6）生育期耗水量（ET，m3）测定，采用水分平衡公式计算［19］：

式中：P为时段内降雨量（mm），本试验地降雨稀少，大多为阵雨，又因蒸发极强，阵雨不能有效被油莎豆吸收，因此本试验忽略降雨量；M为生育期灌溉量（mm），油莎豆的灌溉为滴灌；SW1 为播前土壤贮水量（mm）；SW2为收获期土壤贮水量（mm）；D为时段内的地下水补给量（mm），本试验地下水埋深在14 m以下，无地下水补给［18］，故本试验忽略地下水补给量（mm）。

（7）水分利用效率：由油莎豆产量和耗水量计算所得。

式中：Y为干草/块茎产量（kg·hm-2）；ET为生育期耗水量（m3）。

1.2.4 品质的测定

（1）粗脂肪及粗蛋白：粗脂肪采用GB/T 6433-2006食品中粗脂肪的测定；粗蛋白采用GB/T 6432-2018食品中蛋白质的测定。

（2）可溶性糖及可溶性淀粉：采用蒽酮法测定。

1.3 数据处理

采用SPSS 22.0软件进行数据处理和分析，对不同处理之间进行单因素方差分析和Duncan 多重比较，P＜0.05 为差异显著，P＞0.05 为差异不显著，利用Excel进行绘图。

2 结果与分析

2.1 不同处理对油莎豆种植密度及根冠比的影响

由图1 可知，油莎豆种植密度随着灌溉量增加呈下降趋势，且覆膜条件下的种植密度均高于未覆膜条件下的。其中，覆膜条件下，T2 处理的种植密度均显著低于其他处理（P＜0.05），较T1和CK分别降低了35.14%和17.24%；未覆膜处理下，T2处理种植密度同覆膜处理下变化一致，均低于T1和CK，分别显著下降35.48%和3.59%（P＜0.05）；根冠比的变化趋势同种植密度相反，随着灌溉量增加呈增加趋势，同时也表现为覆膜处理下根冠比的变化高于未覆膜处理。在覆膜和未覆膜处理下，不同水处理间均无显著差异（P＞0.05），其中覆膜处理下，CK处理较T1、T2处理根冠比增加22.41%和12.68%，未覆膜处理下，CK 处理较T1、T2 处理根冠比增加17.80%和12.36%，增加的幅度较覆膜处理较少。由此可知，覆膜对种植密度和根冠比的影响比水处理大。

图1 不同处理对油莎豆种植密度和根冠比影响Fig.1 Effects of different treatments on planting density and root shoot ratio of Cyperus esculentus

2.2 不同处理对油莎豆干物质量的影响

由表2可知，覆膜处理下油莎豆单丛总物质量、草干重、块茎干重和块茎比随灌溉量的增加呈先增加后降低的趋势，T2M 处理的总物质量比其他处理显著提高了4.90%～13.25%（P＜0.05）；T2M 处理的块茎干物质量较T1M和CKM 分别提高了15.62%和36.95%（P＜0.05）；T2M 处理的块茎比T1M 显著提高15.83%（P＜0.05），与CKM 处理差异不显著（P＞0.05）；不同水处理间的草干物质量差异不明显（P＞0.05）。油莎豆草比和根比随着灌溉量增加呈现先降低后增加的趋势；根干物质量随灌溉量增加则呈现增加趋势，不同水处理间的草比、根比和根干物质量差异未达到显著水平（P＞0.05）。

表2 不同处理对油莎豆群体干物质量的影响Tab.2 Effects of different treatments on the dry matter of Cyperus esculentus population

未覆膜油莎豆的单丛总干物质量、草干重、块茎干重和块茎比变化趋势同覆膜一致，随灌溉量增加呈增加-降低趋势，其中T2M 处理的总干物质量较CKM 处理显著提高16.98%（P＜0.05）；T2M 处理的块茎干物质量和块茎比T1M 分别显著提高了19.27%和42.95%（P＜0.05）；T2M 处理的草干物质量较CKM 和T1M 分别提高了21.63%和25.63%，不同水处理间差异不显著（P＞0.05）。

覆膜滴灌油莎豆总干物质量、块茎干物质量和块茎比分别比未覆膜处理平均高24.07%、20.90%和3.19%，在T1 和T2 处理的差异达到显著水平（P＜0.05）；覆膜处理油莎豆草干物质量和根干物质量比未覆膜处理下平均增加20.02%～24.27%；相比未覆膜处理，覆膜的油莎豆草比和根比分别平均降低4.81%和10.46%，二者差异不显著（P＞0.05）。

2.3 不同处理对油莎豆品质的影响

由表3可知，覆膜处理油莎豆草的粗脂肪、粗蛋白、可溶性淀粉、可溶性糖含量随灌水量增加呈先增加再降低的趋势，而且不同水处理间差异不显著（P＞0.05），其中T2M处理的草粗脂肪较其他处理分别增加36.11%和27.78%；与T2M 处理相比，T1M 和CKM 处理的草粗蛋白分别降低20.21%和11.54%；可溶性淀粉和可溶性糖表现一致，均在T2M处理下最大。

表3 不同处理对油莎豆草品质的影响Tab.3 Effects of different treatments on the quality of Cyperus esculentus grass

未覆膜处理油莎豆草的粗脂肪、粗蛋白、可溶性物质与覆膜处理变化趋势一致。T2NM处理的粗脂肪、粗蛋白、可溶性物质含量均高于其他处理，且不同水处理之间差异不显著（P＞0.05）。

与未覆膜处理相比，覆膜处理油莎豆草的粗脂肪、粗蛋白、可溶性淀粉和可溶性糖含量较高，且随灌溉量的增加，呈先增加后降低趋势。覆膜的草粗脂肪、可溶性淀粉、可溶性糖含量比未覆膜平均提高58.82%、3.35%和17.20%，二者之间差异不显著（P＞0.05）；覆膜的草平均粗蛋白含量比不覆膜处理增加了5.59%，T2 和T1 处理的差异达到显著水平（P＜0.05）。相同水处理下，覆膜处理的草品质均高于未覆膜的。

由表4可知，覆膜处理的油莎豆块茎的粗脂肪、粗蛋白、可溶性淀粉、可溶性糖含量随灌溉量的增加呈增加-降低趋势。其中，块茎的粗蛋白含量在T2M处理下显著高于CKM（P＜0.05），增加34.58%，粗脂肪、可溶性淀粉、可溶性糖含量在T2M 处理下最大，高于其他处理，但是水处理间差异未达到显著水平（P＞0.05）。

表4 不同处理对油莎豆块茎品质的影响Tab.4 Effects of different treatments on the quality of Cyperus esculentus tuber

未覆膜处理的油莎豆块茎的粗脂肪、粗蛋白、可溶性淀粉、可溶性糖含量随灌溉量增加先增加后降低，且水处理间差异不显著（P＞0.05）。T2M处理的块茎粗脂肪含量较T1M 和CKM 处理分别增加1.06%和15.96%；与T2M 处理相比，T1M 和CKM 处理的块茎粗蛋白含量分别降低0.82%～12.89%；T2M处理的块茎可溶性淀粉含量较其他处理增加1.78%～7.36%，而可溶性糖含量较其他处理增加13.22%和4.58%。

覆膜和未覆膜处理的块茎品质指标变化趋势一致，均随灌溉量的增加呈先增加后降低的趋势。其中覆膜处理块茎的粗脂肪含量和可溶性淀粉、可溶性糖含量均高于未覆膜的，分别平均增加了7.48%、2.56%和2.55%，且水处理间差异不显著（P＞0.05）。与未覆膜相比，覆膜块茎的粗蛋白平均降低2.55%，不同水处理间的差异未达到显著水平（P＞0.05）。

整体来看，油莎豆草和块茎的品质指标覆膜/未覆膜处理下，变化趋势基本保持一致，均随灌溉量的增加呈先增加后降低趋势；在覆膜处理下，块茎的粗脂肪、可溶性淀粉和可溶性糖含量最高，比草的平均增加85.21%、69.77%和72.89%；未覆膜处理的块茎平均可溶性淀粉和可溶性糖含量比草的平均增加70.78%和72.18%，增加的幅度较大，说明在生长后期，地上部分光合作用产生的物质可能被运输到地下，促进地下生物量的生长；覆膜/未覆膜处理下，草和块茎的粗蛋白含量的变化没有明显的区别，水处理间无明显差异，说明地上-地下粗蛋白含量相对比较稳定，受农业措施影响较小。

2.4 不同处理对油莎豆产量和水分利用效率的影响

由表5 可知，耗水量随灌溉量的增加呈递增趋势，这与郭彬等［20］对番茄的研究一致，CK 显著高于T1 和T2 处理（P＜0.05）。在相同水分控制下，覆膜处理的田间耗水量低于未覆膜处理，且两者差异不明显（P＞0.05）。

表5 不同处理对产量和水分利用效率的影响Tab.5 Effects of different treatments on the yield and water use efficiency of Cyperus esculentus

油莎豆草产量随灌溉量增加呈增加-降低的趋势，与不覆膜的相比，覆膜处理油莎豆草产量平均提高19.29%。覆膜处理草T2M处理的产量最高，较T1M和CKM分别增加6.45%和21.12%，但差异不显著（P＞0.05）；未覆膜处理草产量在T2NM 处理最高，较T1NM 和CKNM 处理分别增加了25.64%和21.63%，不同处理下未达到显著水平（P＞0.05）。

油莎豆块茎产量同草产量变化趋势一致，随灌溉量增加呈先增加后降低的趋势，覆膜处理的油莎豆块茎平均产量较未覆膜处理增加了20.90%。覆膜块茎产量在T2M处理下最高，较其他处理显著增加36.95%和15.63%（P＜0.05）；未覆膜块茎产量在T2NM 处理最高，比T1NM 和CKNM 处理提高42.95%和15.81%，处理间差异显著（P＜0.05）。

水分利用效率指的是作物消耗单位水量所产生的干物质量。由表5 可知，草和块茎的水分利用效率受水分控制影响显著（P＜0.05），其随着灌水量的增加呈先增加后降低趋势。与CKM 处理相比，T2M 处理的草和块茎的水分利用效率分别显著增加了38.63%和34.33%（P＜0.05）；T2NM处理的草和块茎的水分利用效率分别为0.55 kg·m-3和0.68 kg·m-3，与CKNM处理相比，T2NM处理的草和块茎的水分利用效率分别显著提高38.91%和34.33%（P＜0.05）。与未覆膜处理相比，覆膜处理的草和块茎的水分利用效率最高，其中覆膜处理和不覆膜处理的草的水分利用效率差异不显著（P＞0.05），而在T1M、T2M 和CKM 处理的块茎水分利用效率较T1NM、T2NM、CKNM 处理分别显著提高27.71%、19.12%、19.13%（P＜0.05）。

综上可知，灌溉量和田间耗水量的变化规律基本保持一致，但是草、块茎产量和水分利用效率均随灌溉量的增加呈先增加后降低的趋势，由此可见灌水量及耗水量大的情况下，油莎豆的产量和水分利用效率不一定大。在同一灌溉量条件下，覆膜处理下草、块茎的产量及水分利用效率高于未覆膜处理，且在T2处理最大。

3 讨论

地膜覆盖与裸地相比可以提高土壤中的温度，促进土壤微生物的活动，减少土壤中水分的蒸发，保持土壤的湿度，提高土壤中的水分利用效率［21-27］，而且覆膜条件下的作物生长势及干物质积累优于裸地。在干旱少雨地区，覆膜种植是大田种植的普遍方式。相关研究表明，覆膜处理能提高光合速率，促进干物质积累，提高单位面积以及作物水分利用率［28-29］。本研究也表明，覆膜较未覆膜种植密度、根冠比、平均草、块茎产量以及平均水分利用效率都有一定程度的增加。其中，与未覆膜相比，覆膜处理的种植密度和根冠比平均增加19.83%和1.74%，平均草、块茎产量分别增加19.29%和20.90%，平均水分利用效率分别提高14.98%和18.01%，且均在T2处理下达到最大。

植物的生长受到水分的调控。水分过多、过少促使植物长期处于不利的生长环境，从而限制了根系的活性，降低根系的面积，影响地上、地下生物量的分配［30-32］。对西蓝花的研究表明，干物质量和产量随水量的增加呈先增加后降低趋势［33］，小麦、甜椒也表现出一致规律［34-35］，但是对4 种牧草的研究则表明，地上部分随水量增加呈持续增加趋势，而地下生物量则呈下降趋势［36］。在覆膜/无膜条件下，草、块茎干物质量及产量随着灌水量（T1～CK）增加呈先增加后降低趋势，与上述研究相似。T2M、T1NM、T2NM 处理下的干物质量及草、块茎产量差异显著（P＜0.05），在T2M、T2NM处理下平均总干物质量、总产量（草、块茎合计）最大（2107.18 g，1174.99 kg），较T1M、T1NM 分别增加了27.02%和28.99%，较CKM、CKNM增加13.12%和18.19%。

作物的品质不仅受自身遗传特性的影响，水分、土壤以及外界环境因子也是其影响因素，其中水分是影响品质的重要因素，水分过多或者过少，均影响养分的积累。马薇等［37］研究发现，随着灌溉定额的增加，马铃薯品质含量逐渐增加。温鹏飞等［38］研究赤霞珠果实品质的结果也证明适宜的水分促进果实品质的提高。高彦婷等［39］对葡萄的研究表明轻度水分胁迫有助于果实中有效糖分的积累，促进品质的增加。而朱峻岭等［40］在对油莎豆的研究结果表明，随着灌水量的增加，油莎豆块茎中粗蛋白、总糖、淀粉、粗脂肪呈先增加后降低的趋势，本研究中油莎豆草和块茎的品质指标随灌溉量的增加呈先增加后降低的趋势，与上述研究结果呈现一致规律。这是因为在一定范围内，适宜的亏水灌溉有利于增加番茄中蔗糖合成酶和蔗糖磷酸合成酶的活性，降低相关转化酶的活性，抑制糖分的分解增加其可溶性物质合成的含量［20,41］。因此，在本研究中T2M 处理的油莎豆草和块茎的可溶性糖和可溶性淀粉含量最大。控制灌溉量的油莎豆草和块茎的可溶性物质比当地常用灌溉量有所提高。

诸多研究表明，适当减少灌溉量可以提高水分利用效率，实现增产目标［42-44］。本试验发现，在不同处理下，对应的油莎草、块茎及水分利用效率间有差异，且T2 处理的油莎豆草、块茎总产量及水分利用效率均为最高值，其中草总产量及水分利用率分别为3974.55 kg·hm-2和0.64 kg·m-3，块茎总产量和水分利用率为5253.85 kg·hm-2和0.84 kg·m-3。块茎的产量和水分利用率普遍高于草的。而且在灌溉量一致的情况下，地下部分对水分利用的效率高于地上部分，这是由于地上部分的蒸腾和蒸散作用导致水分散失过多。由此可见，灌水量及耗水量大的油莎豆其产量和水分利用效率不一定大，反而导致水分流失或者蒸发，造成滴灌效率降低，浪费水资源。