刈割对油莎豆碳氮积累以及产量和品质的影响

李变变，张凤华，徐接亮，赵亚光，汪灏然，张霁峰，郭梦瑶

(石河子大学，新疆生产建设兵团绿洲生态农业重点实验室，新疆 石河子 832003)

碳和氮是生态系统中的两大重要元素，它们在植物体内的积累受环境和田间管理等多种因素影响[1-2]。刈割作为一种人为干扰栽培管理技术[3]，它通过减少植物叶面积、增加透光率，来影响植物碳氮物质的积累，进而促进植物分生组织以及新器官的再生生长[4]，并使植物对刈割损伤做出补偿性生长[5]。研究表明不同刈割高度会使植物的光合速率和补偿生长能力产生差异[6]，因此会影响植物地上部生物量的积累[7]。刈割对植物地上部分的影响是即时的，然而对地下生物量的影响则具有滞后性[8]，因为植物碳氮同化物的分配和积累是提高作物产量与品质的关键因素[9]，由此植物会在刈割之后通过“源-库”关系的调控，使植物体内碳、氮等物质形成新的分配格局[10]，促进植物地下块茎的生长和营养积累[11]。

油莎豆(CyperusesculentusL.)于20世纪60年代引入我国，又名油莎草，属莎草科(Cyperaceae)莎草属(Cyperus)多年生草本植物。油莎豆具有耐刈性和再生性，不仅具有耐贫瘠等优良的植物学性状[12-13]，同时地上茎叶可作为绿肥和优质饲草等[14]，地下块茎还可作为优良的有机肥。另外，块茎中含有蛋白质、脂肪、淀粉等丰富的矿物质营养成分，以及甾类化合物、有机酸、萜类等功能性有效成分[15]。总而言之，油莎豆具有颇高的营养价值和经济价值[16]，极具开发价值。目前，许多学者通过不同栽培措施对油莎豆地下块茎产量及品质进行了研究[17]，但关于刈割对油莎豆地上部分饲草产量和地下块茎产量及品质的研究较少[18]，刈割不仅能够解决油莎豆地上部分出现的倒伏问题，同时还可以提高油莎豆的经济价值，因此研究刈割对油莎豆叶片碳氮积累、生物量以及产量和品质的影响具有重要意义。油莎豆在国内种植范围广泛，但由于新疆独特的光、热、水土资源与原产地相似，因此油莎豆在新疆具有很大的种植潜力。

本研究以新疆沙区油莎豆为研究对象，比较不同留茬高度下油莎豆地上部分叶片碳氮积累、生物量、地下块茎产量和品质的差异，寻求其适宜的留茬高度，为新疆沙区油莎豆高产优质种植技术提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验地位于新疆喀什莎车县(地理位置处于77°07′40.25″E；38°34′12.08″N)，地处天山东段北麓、准噶尔盆地南缘，平均海拔1 231.2 m，属暖温带大陆性气候，年无霜期220 d左右，平均12～15℃，年日照时数2965 h，是中国日照较长的地区之一，年平均降水量56.6 mm，年均蒸发量2 226 mm，日最大蒸发量可达20 mm，无霜期192 d，昼夜温差大、气候干燥、日照长，水分蒸发量大。土壤主要参数见表1。

表1 土壤主要参数

1.2 供试材料及种植方式

本试验选用油莎豆品种为中油莎1号，采用条播机播种，行距40 cm，株距20 cm，播种深度4～5 cm，每穴2粒，刈割试验小区油莎豆种植与大田管理保持一致，2020年4月中旬播种，2020年10月上旬完成收获。

1.3 试验设计

试验采用单因素随机区组设计，以未刈割处理为对照组(CK)，设置5个刈割留茬高度：10 cm(LC10)、20 cm(LC20)、30 cm(LC30)、40 cm(LC40)、50 cm(LC50)，试验共6个处理，每个处理设3个重复，共18个小区，每个小区面积2 m×4 m，且各小区之间保护行0.2 m×4 m，油莎豆株高达到0.7～0.8 m(出现倒伏现象[18]，处于分蘖期)进行刈割。

1.4 植株样品采集与测定

分别在刈割后第1天、第5天、第10天、第15天、第20天取各处理代表性叶片，105℃杀青，75℃烘干至恒重，测定各时期叶片全碳和全氮含量。

地上饲草产量测定：每个小区随机挑选1 m×1 m样方后做好标记，刈割当天记录各小区割去的鲜草和干草质量，分别记为X1和G1，待收获时将地上留茬割去，记录各小区鲜草质量和干草质量，分别为X2和G2。地下块茎产量测定：将地上饲草产量所挑选的1 m2样地的油莎豆全部挖出、洗净(去除根系)擦去表面的水分，记录鲜质量，晾干后记录干质量，进行油莎豆田间产量估算。

将油莎豆晾干，磨成粉末后用于品质指标测定。气相色谱法测定油莎豆块茎中的脂肪酸组成以及含量；利用马弗炉测定粗灰分含量；蒽酮比色法测定总糖含量；索氏提取法测定粗脂肪含量；半微量凯氏定氮仪测定粗蛋白；块茎淀粉含量的测定参照赵永亮(2005)的方法[19]；在对块茎样品进行脱脂后，分别使用中性洗涤剂、酸性洗涤剂和72%硫酸溶液去除样品中的可溶性物质，经干燥、灰化后，利用重量法得到中性洗涤纤维(NDF)、酸性洗涤纤维(ADF)含量。

1.5 数据处理

采用Origin 8软件对数据进行处理和作图；采用SPSS 20.0软件对数据进行统计分析，用Duncan法分析处理间的差异显著性，差异显著水平是P<0.05；用PCA相关系数法进行各变量之间相关性分析；采用独立样本t检验进行刈割处理与对照组之间的差异。

2 结果与分析

2.1 不同留茬高度对油莎豆叶片碳氮含量的影响

如图1(A)所示，刈割后，随着生长时间的延长，各留茬高度植物叶片中全碳含量呈现先增加后趋于平稳的趋势。刈割后第1天，各留茬处理的全碳含量均与CK无显著差异，LC50叶片全碳积累量明显最高，为22.79%，较CK增加了17.73%；刈割后第5天，LC40全碳积累量显著最高为39.78%(P<0.05)；刈割后第10天，各留茬处理全碳含量均较CK处理高，LC50和LC40显著最高；刈割后第15天，除LC50外，其他处理叶片全碳积累量均低于CK；刈割后第20天，仅LC30全碳积累量高于CK，为38.8%。

如图1(B)所示，刈割后，随着生长时间的延长，各处理留茬叶片全氮含量呈现先增加后降低的趋势。刈割后第1天，仅LC50全氮含量与CK无显著差异，其他处理均低于CK；刈割后第5天，各留茬叶片全氮变化不大；刈割后第10天各处理全氮含量达到各时期最大值，LC40全氮含量显著最高，为2.12%；刈割后第15天，LC10全氮含量显著最高，较CK显著增加9.32%(P<0.05)；第20天时，LC50全氮积累量较其他处理显著最高，为1.61%，LC10和LC20全氮含量极剧下降，分别为0.27%和0.35%。

注：不同小写字母表示不同留茬刈割处理之间差异显著(P<0.05)。下同。Note：Different lowercase letters indicate significant differences between different stubble clipping treatments(P<0.05). The same below.

2.2 不同留茬高度对油莎豆地上部生物量的影响

如表2所示，除LC50之外，其他处理合计鲜草产量较CK显著增加，LC10鲜草质量显著最高为15 099.08 kg·hm-2，各处理合计干草质量无显著差异，LC40处理合计干草产量最大，为4 981.72 kg·hm-2，最低为LC50处理，合计干草产量为4 310.39 kg·hm-2。

2.3 不同留茬高度对油莎豆块茎产量构成因子的影响

如表3所示，除CK外，随留茬高度增加各处理干豆质量、鲜豆质量、千粒重、总粒数及单穴粒数均呈先增加后降低趋势。LC40处理的干豆质量和千粒重与CK相比无显著差异，但显著高于LC10、LC20、LC30、LC50处理(P<0.05)，分别为8 208.9 kg·hm-2、470.03 g，而鲜豆质量、总粒数均显著高于CK和其他处理(P<0.05)，分别为14 841.65 kg·hm-2、1 968万粒·hm-2，LC30处理较CK和其他处理单穴粒数最高，为126粒·穴-1。

表3 不同留茬高度对油莎豆产量构成因素的影响

2.4 不同留茬高度对油莎豆块茎品质的影响

2.4.1 不同留茬高度对油莎豆块茎营养组分含量的影响 如图2(A)所示，LC10和LC50处理块茎粗灰分含量显著高于CK和其他处理(P<0.05)，且均为2.33 %，而 LC40处理最低，为1.8%。LC10处理酸洗纤维含量高于其他处理，为10.78%(P>0.05)，而LC30处理酸洗纤维含量较CK以及其他处理最低，为9.47%。CK中洗纤维含量最高，为54.5%，LC30处理含量最低，为46.1%。

如图2(B)所示，LC40处理粗脂肪含量、淀粉含量、粗蛋白、含油量均显著高于CK和其他处理(P<0.05)，分别为28.8%、38.63%、6.01%、22.44%。LC10处理总糖含量显著高于CK和其他处理(P<0.05)，

图2 不同留茬高度对油莎豆块茎营养成分含量的影响Fig.2 Effects of different stubble heights on the content of nutritional components of Cyperus esculentus L. tubers

为44.35%，但粗脂肪含量和含油量显著低于CK和其他处理(P<0.05)，分别为21.87%和15.44%。此外，CK的粗蛋白含量、LC30处理淀粉含量、LC50处理总糖含量均低于其他处理，其含量分别为5.33%、28.61%、26.65%。

2.4.2 不同留茬高度对油莎豆块茎脂肪酸含量的影响 如图3(A)所示，LC10处理棕榈酸含量显著高于CK和其他处理，为14.00%(P<0.05)，而LC40处理含量最低，为12.95%。除CK之外，硬脂酸含量随留茬高度升高而降低，其中LC10处理硬脂酸含量较其他处理最高，为2.99%(P<0.05)。各处理花生酸含量差异不显著(P>0.05)。

如图3(B)所示，LC10棕榈油酸含量较其他处理最高，LC40处理油酸含量高于CK和其他处理，达到74.10%，LC10处理油酸含量最低，为70.81%。LC10处理亚油酸和亚麻酸含量显著高于CK和其他处理(P<0.05)，分别是11.21%和0.42%，LC40处理亚油酸和亚麻酸含量最低，分别是9.61%和0.23%。

图3 不同留茬高度对油莎豆块茎饱和脂肪酸(A)和不饱和脂肪酸(B)的影响Fig.3 Effects of different stubble heights on saturated fatty acids (A) and unsaturated fatty acids (B) of Cyperus esculentus L. tubers

2.4.3 不同留茬高度对油莎豆块茎品质的主成分分析 对不同刈割留茬高度下13种品质指标影响情况进行主成分分析(图4)，共提取两个主成分，第一主成分(PCA1)和第二主成分(PCA2)分别可以解释所有变量的56.63%和31.44%，两个主成分累计方差贡献率达到88.07%，可以较全面概括13个变量的特征。从图4可以看出，CK与LC10、LC20、LC30、LC40和LC50明显分开，其中CK与LC10距离最远，但与LC20、LC30、LC40和LC50距离较近。这表明刈割对油莎豆块茎品质具有影响，其中LC10影响最大。CK、LC10和LC40处理油莎豆块茎品质在PC1上具有差异，说明这3个处理的油莎豆块茎品质间差异较大。而LC20、LC30和LC50处理油莎豆块茎品质在PC1上没有差异，说明三者之间油莎豆块茎品质间差异较小。

图4 不同留茬高度对油莎豆块茎品质的主成分分析Fig.4 Principal component analysis of different stubble heights on the quality of Cyperus esculentus L. tubers

为进一步确定不同指标对各主成分的解释变量，从主成分因子载荷图5和表4可以看出13种指标对前两个主成分的贡献率。对于PCA1贡献较大的为粗脂肪、含油量、棕榈酸、油酸、亚油酸、亚麻酸，而对PCA2贡献较大的为中洗纤维。这表明对油莎豆块茎品质起分异作用的品质指标为粗脂肪、含油量、棕榈酸、油酸、亚油酸、亚麻酸、中洗纤维，即刈割对油莎豆块茎品质的差异主要体现在粗脂肪、含油量、棕榈酸、油酸、亚油酸、亚麻酸、中洗纤维上，其中粗脂肪、含油量、棕榈酸、油酸、亚油酸和亚麻酸尤为突出。

图5 13种品质指标对PCA1和PCA2贡献的特征向量系数Fig.5 Eigenvector coefficients of 13 quality indicators contributing to PCA1 and PCA2

表4 油莎豆13种品质指标的因子载荷值

3 讨 论

刈割不仅影响植物的形态结构，还对植物的物质积累和生理生态等存在影响。本研究表明刈割使得油莎豆叶片中碳氮物质的积累产生差异。刈割后第1天，留茬50 cm叶片碳氮积累量高于其他处理；随着生长时间的延长，各处理叶片碳氮积累量呈先升高后下降最后趋于平稳的趋势，由此可说明，轻度刈割促进了植物的物质积累，提高了植物的修复能力，重度刈割则影响植物的物质储备和消耗[20]。Dovel等[21]研究表明适当的刈割能促进饲草产量的增加。本研究与其结论一致，留茬40 cm油莎豆地上生物量最高，为6 567.15 kg·hm-2。形成这一结果一方面由于:刈割后植物残茬部分截获大量光能，有效光合作用提高[22]，促进了植物体内碳氮含量的积累[23]，进而影响了植物的初级生产力[24]；另一方面是由于植物受到机械损伤后代谢产物和代谢途径发生变化[25]，造成植物残茬和根系中碳、氮的分配差异[10,26]，使得植物资源的分配和补给具有倾向性[27]，因此植物应对损伤胁迫的能力得到提高，并使植物保持相对较高的物质积累量。

地上部分生物量的形成是光合产物积累与分配的过程，而地下产量的形成则取决于源库关系的调控[9]。Zhang、Wei等[28-29]研究表明，放牧(刈割)促进羊草地上部生物量向地下部生物量的转移。本研究留茬40 cm油莎豆地下产量最高，为8 208.9 kg·hm-2，这或许是因为在留茬40 cm下，油莎豆体内源库资源的协调分配，使植物抗刈割干扰的缓冲能力增强[6]，增加了向地下块茎分配的资源，将更多的能量及化合物转移到块茎[11]，另一方面可能是刈割解除了油莎豆地上部分的顶端优势及有性生殖，改变了油莎豆的生长及生殖模式，影响了地下物质的积累[29]。孙毅等[30]研究发现刈割会使植株大量叶片损伤，干扰植物对光的截取以及光合作用的进行，进一步限制植物的再生和地下营养器官的发育，影响生物量的积累。刈割后植物的留茬部分和地下部分贮藏的营养物质密切相关[31]；刈割强度过大一方面会影响植物的物质分配，另一方面会使植物调动地下营养物质储量，同时还会削弱物质向地下部分的转移和积累[32]。

因此，本研究油莎豆块茎产量随刈割留茬高度的降低而逐渐降低，其中一方面可能是刈割导致光合叶面积减少，地上残茬和根系部分碳氮物质积累较少，减少了向地下块茎的运转，使其养分利用效率降低，最终导致产量下降[33]；另一方面：刈割影响了植物根区土壤环境，使土壤酶活性以及微生物数量减少[34]，由此造成植物地下养分汲取减少，使得地下块茎产量下降。

本研究通过对不同留茬高度地下块茎品质主成分分析，发现刈割对油莎豆粗脂肪、含油量、不饱和脂肪酸等影响较大，其中留茬高度40 cm块茎中淀粉、粗脂肪、粗蛋白含量和含油量显著高于其他处理，留茬10 cm总糖含量显著最高。有研究表明，脂肪酸在植物应对机械损伤方面具有重要作用[35]，主要是通过不饱和脂肪酸来调节植物对非生物胁迫的适应能力[36-37]，其中本研究留茬40 cm下油莎豆块茎中因为脂肪酸总量和油酸含量的增加增强了油莎豆自身的修复能力，进一步提高了油莎豆的产量和品质。

4 结 论

刈割对油莎豆叶片碳氮积累、生物量、块茎产量和品质存在影响。轻度和中度刈割(LC50、LC40和LC30)有利于叶片碳氮含量的积累。留茬40 cm地上部生物量高于其他各处理，达到4 981.72 kg·hm-2。留茬40 cm油莎豆产量、块茎中的含油量、油酸含量、粗脂肪含量、淀粉含量、粗蛋白含量均高于其他处理。综上所述，刈割留茬40 cm左右为相对适宜的刈割高度，有利于提高新疆沙区油莎豆的产量和品质。