间作对油莎豆根系分布及产量的影响

曲慧杰，王秀媛，申 磊，李鲁华，刘建国，王家平，程志博，张 伟

（石河子大学农学院，新疆 石河子 832000）

0 引言

油莎豆（Cyperus esculentusL.）又名油莎草、虎坚果，是莎草科一年生优良草本油料作物。油莎豆大概是已知的唯一一种能在块茎中积累大量油脂的植物，它不仅可以榨油，将其磨成粉还可用于无筋面条的生产[1，2]。油莎豆具有低投入、高产量、高出油率、高营养的特点，因此有“油料植物之王”的美称[3]。

油莎豆中含有优良蛋白质，具有丰富的营养物质，由其制成的油是一种天然高油酸食用油，在牛肉汉堡中使用油莎豆油来替代牛油，可以降低总脂肪和饱和脂肪含量并增加不饱和脂肪酸，从而获得被广泛接受的更健康的肉制品[4-6]。而且，油莎豆中的淀粉也有益于人体健康，由于油莎豆淀粉在人体内吸收很慢，所以对人体饭后血糖的稳定有促进作用，且有研究发现，特制的油莎豆饮品可作为具有抗糖尿病潜力的功能性饮料[4，7]。此外，有研究表明，定期食用油莎豆可能对记忆相关的疾病起到有益作用[8]。油莎豆不仅有如此高的经济价值，还具有一定的社会价值：油莎豆原产于非洲，其根系发达、抗逆性强，因此可利用油莎豆进行防风固沙，这对土壤改良、减缓土地荒漠化有着重要贡献；目前，我国食用油依赖于他国的比重较大，种植油莎豆可以减少油类的进口量，早日实现食用油的自给自足；作为一种新型作物，油莎豆种植条件低、利用方式多、发展前景广的特点利于农民脱贫致富[9]。

尽管油莎豆具有很高的应用价值，但与橄榄油、花生油等其他植物油相比，它的开发与利用相对较少[10]，此外，有些地区认为油莎豆是世界上危害最严重的杂草之一[11]。自上个世纪以来，油莎豆就作为一种高效的经济作物引种到我国，然而时至今日依然没有得到完善的发展，有以下几个原因：首先是技术问题，无论是加工还是研究，均不够完善；其次，由于我国对油莎豆的推广力度不足导致种植面积较少而使种质资源匮乏[12]。

在农业部印发的《全国种植业结构调整规划（2016—2020 年）》中提到要多油并举，在适宜地区示范推广油莎豆。作物获取高产且发挥种间优势的关键就是采取合理的种间配置[13]。间作是一种可以充分利用自然资源，提高土地、植物所需元素的利用率，减少病虫草害发生的生态种植模式[14]。豆科植物与禾本科间作的历史源远流长，这种种植模式可利用豆科作物的固氮作用，还可促进禾本科植物对氮素的吸收与利用，从而提高氮素利用率，使植株获得高产[15-18]。

部分地区为缓解风沙区的平缓沙地或沙化退化土地问题，采用油莎豆与豆科植物间作轮作模式，可减少油莎豆重茬连作障碍，有助于沙化退化土地生产力提升及生态修复[19]。油莎豆的栽培方式多样，其中间作套种能使种植资源得到合理配置，提高光能利用率。油莎豆间作套种模式适合在风蚀地推广，既可以保持水土、充分利用土地资源，又能抑制杂草丛生、实现土壤改良[20]。目前，我国油莎豆种植正处于发展阶段，对油莎豆开展相关研究必不可少，研究其适宜的间作模式也非常重要，因此探究不同间作条件下其根系的分布形态也具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于新疆石河子大学农学院试验站（44°18′N，86°03′E）进行，海拔437m，年均日照2680h，无霜期 160～170d，≥10℃积温 3693℃，年平均气温6.1℃，年降雨量180～270mm，田间持水量24%，地下水位2m 以下，平均地面坡度6%，年辐射量为5390MJ·m-2，为典型的半干旱气候类型。土壤为砂壤土，土壤有机质11.21g·kg-1，全氮0.74g·kg-1、速效磷（P2O5）51.20mg·kg-1、速效钾（K2O）193.00mg·kg-1、碱解氮61.00mg·kg-1。0～20、20～40cm土壤容重分别为1.29g·cm-3和1.32g·cm-3。

1.2 试验设计

2020 年5 月17 日播种，采用膜下滴灌种植方式，膜宽2.07m，1 膜4 管5 行，株行距设置为等行距40cm，株距25cm。采用单因素随机区组设计，设4种种植模式：油莎豆单作（TT）、玉米‖油莎豆（M‖T）、大豆‖油莎豆（S‖T）、棉花‖油莎豆（C‖T）（间作组合如图1所示），每组2次重复。

图1 试验行间距配置图Figure 1 Plant spacing configuration diagram in test

1.3 测定项目与方法

1.3.1 土壤含水量使用根钻垂直钻入土中，分别选取 0～20cm、20～40cm 和40～60cm 土层的土样，每小区随机取样三次。样品取回后立即称重，随后在105℃烘箱内烘干，冷却至室温后称重。

1.3.2 叶绿素含量（SPAD 值）每小区随机选三株油莎豆，用叶绿素仪测定叶片SPAD值。

1.3.3 株高每小区随机选三株油莎豆，利用卷尺测量其自然株高（油莎豆基部至自然状态下最高点）。

1.3.4 叶面积每小区随机选三株油莎豆，每株随机取3片展开叶平铺在A4纸上，叶片旁放置一枚壹元硬币拍照，通过Photoshop 2020 测定叶片及硬币像素大小，通过对比计算出叶面积。

1.3.5 鲜重每小区随机选三株油莎豆，测定地上部与地下部的鲜重。

1.3.6 根每小区随机取样三次，使用根钻在油莎豆根系附近垂直钻取0～20cm、20～40cm 和40～60cm 土层土样。取样后，将根挑出并拍照，通过WINRHIZO 对根系图像进行分析，得到根系图像数据。

1.3.7 产量每小区随机选三株油莎豆，计算其理论产量。

1.3.8 间作优势土地当量比是衡量间混作比单作增产程度的一项指标，其计算公式为式中，Yi表示第i个作物在间混作时的单产；Yii表示第i个作物在单作时的单产。土地当量比等于1 表示平产，大于1 表示增产，小于1 表示减产。土地当量比越大，表明间混套作增产的幅度越大，效果越好[21]。

1.4 数据分析

使用Excel 2019 和Sigma Plot 14.0 进行数据处理与分析。

2 结果与分析

2.1 间作条件下的土壤含水量

由图2 所示可知，在0～20cm 土层TT 模式的含水量最高，为14.75%，分别比M‖T组合、S‖T组合和C‖T 组合提升26.65%、12.27%和27.61%，其中TT模式与S‖T组合差异较小，M‖T组合与C‖T组合的结果相当。

图2 不同种植模式下的土壤含水量Figure 2 Soil moisture content under different planting patterns

20～40cm 土层4 种模式间差异较小，标准偏差达0.39%。

40～60cm 土层C‖T 组合的土壤含水量最高，为15.81%，分别比TT 模式、M‖T 组合和S‖T 组合提高16.39%、18.05%和9.66%，相比0～20cm土层整体差异变小。其中TT模式下土壤含水量相对较低，并且TT模式与M‖T组合土壤含水量相当。

TT模式土壤含水量的标准偏差为0.61%，M‖T模式为 1.16%，S‖T 模式为 0.83%，C‖T 模式为2.19%，其中C‖T组合不同土层的土壤含水量差异较大，TT模式下差异最小。

2.2 间作条件下油莎豆叶绿素含量的变化

由图3所示可知，油莎豆的SPAD值随生育期的变化而变化，时间越长，叶绿素含量越高。7月10日时，4 种模式的叶相差较小，M‖T 组合中油莎豆叶绿素含量偏高，比TT模式提高11%；C‖T组合叶绿素含量最低，比TT模式降低5%。

图3 不同种植模式油莎豆SPAD值的动态变化Figure 3 The dynamic change of SPAD of tiger nut in different plantingpatterns

7 月 25 日，变化最明显的是 S‖T 组合，较 7 月10日增长42%，比TT模式提高35%；C‖T组合叶绿素含量依然最低，比TT 模式降低4%；M‖T 组合叶绿素值变化幅度小，增长速度最慢，提高了1%。

2.3 间作条件下油莎豆株高的变化

由图4 所示可知，油莎豆整个生育期的株高在TT 模式下整体偏高，只有 7 月 20 日时比 M‖T 组合和C‖T组合低6%；S‖T组合整体偏低，6月30日时比TT 模式低30%，其后时间点分别比TT 模式低12%、13%和16%，TT 模式和S‖T 组合的油莎豆株高变化趋势相似。

图4 不同生育期油莎豆株高的变化Figure 4 The variation of plant height in different growth stages of tiger nut

在 6 月 30 日时，TT 模式和 C‖T 组合的油莎豆株高相近，C‖T组合比TT模式降低8%，M‖T组合和S‖T 组合的油莎豆株高相近，分别低于TT 模式33%和30%；7月25日，不同种植模式下油莎豆的株高分布与 6 月 30 日相似，TT 模式和 C‖T 组合的株高相近，C‖T 组合比TT 模式降低0.5%，M‖T 组合和S‖T 组合的株高相近，分别低于TT 模式17%和16%。

7月20日，M‖T组合和C‖T组合的油莎豆株高接近且高于TT 模式，但随后M‖T组合的油莎豆株高增长率降低；TT模式和S‖T组合的油莎豆株高与7月15日相似，较前次测量分别提高3.7%和2.4%。

前期时，4种模式的油莎豆株高差异相对较小，到了后期，随着作物的生长发育，差异逐渐增大。

2.4 间作条件下油莎豆叶面积、地下部与地上部鲜重比的变化

由图5 所示可知，4 种模式中TT 模式的叶面积最大，M‖T 组合、S‖T 组合和 C‖T 组合依次递减。其中TT 模式（1721.54）与M‖T 组合（1677.03）叶面积差异相对较小，TT 模式与C‖T 组合（1220.18）的差异相对较大。

图5 不同种植模式下叶面积及地下部与地上部鲜重比的变化Figure 5 The change of leaf area and fresh-weight ra⁃tio of underground and aboveground parts under differ⁃ent planting patterns

4 种模式中，TT 模式中油莎豆地下部与地上部鲜重比较大（73%），M‖T组合中油莎豆地下部与地上部鲜重比较小（29%），其可能原因是：油莎豆生长发育过程中，由于玉米的植株相对于油莎豆来说比较高大，油莎豆在生长过程中无法接收到足够的光照，使得根部发育较差；而TT模式正好相反，油莎豆间遮光现象较少，油莎豆在生长过程中可获得充足的光照，从而根部发育良好。

2.5 间作条件下产量及根部参数的对比

由表1所列可知，4种模式下，油莎豆在S‖T组合中取得最高产量为3714.939kg·hm-2，比TT模式提高21%；其次是TT模式，产量为3069.966kg·hm-2，比S‖T模式每公顷低644.973kg；M‖T组合和C‖T组合依次降低，且二者产量相当，分别为2468.456kg·hm-2和2312.256kg·hm-2，比TT模式分别降低20%和25%。

表1 不同种植模式下油莎豆的产量及土地当量比Table 1 Yield and land equivalent ratio of tiger nut un⁃der different planting patterns

三种间作模式均有间作优势，C‖T组合土地当量比为1.51；M‖T组合为1.66；S‖T组合为2.26，是三种间作模式中收益比最高的，说明豆科作物的固氮作用有利于间作作物的生长发育，且大豆植株相对遮光弱，有利于油莎豆进行光合作用。

由图6 所示可知，不同模式下三种深度的土壤体积、总根长和总投影面积的变化趋势相似，0～20cm土层参数变化最大，说明油莎豆的根系主要分布在此土层。0～20cm 土层和20～40cm 土层的总根长变化相反，在土壤上层S‖T 组合的总根长最长，可能是由于大豆的固氮作用使油莎豆吸收养分更充足。

图6 不同模式下不同深度的土壤体积、总根长和总投影面积的变化Figure 6 Changes of soil volume，total root length and total projected area at different depths under different patterns

3 讨论

由株高和叶面积数据可知，TT 模式长势最好。在叶绿素含量和叶面积大小方面，C‖T模式一直在四种模式中最低，说明叶片相对较黄且小，可能原因是棉花在生长发育过程中要吸收大量钾元素，致使油莎豆摄取钾元素较少，吸收元素不平衡，最终导致油莎豆发育较差，产量也是四种模式中最低。

S‖T组合最终产量及根系均为最高，地上部相关数据均居中，但由叶绿素含量可看出，S‖T 组合后期长势较好。可能的原因是：大豆在前期生长时由于根瘤菌并不能完全提供大豆生长所需的氮素，还需从土壤中获取，并且大豆还要给根瘤菌提供营养物质；后期植株生长发育减慢且根瘤菌可提供充足的氮素，从而使油莎豆可以充分吸收土壤中的元素。而TT模式后期同前期一样，一直处于竞争条件下，所以产量才会低于S‖T模式。

由于适当遮光有助于作物生长[22-24]，虽然玉米前期叶片会遮住部分光，但使得M‖T 组合中油莎豆的叶绿素含量偏高，叶面积偏大。后期玉米遮光严重，已经阻碍了油莎豆的生长，因此M‖T组合各项指标均靠后。除此之外，玉米为了自身生长需要，其根系相对发达，与油莎豆根系竞争激烈，所以其地下部与地上部鲜重比数值最小，从而影响最终产量。

4 结论

不同种植模式对油莎豆的影响不同，油莎豆与大豆间作的效果最佳，虽然M‖T组合和C‖T组合同样具有间作优势，但是油莎豆相对低产。为使试验结果更准确，后续仍需继续相关试验。