不同种植模式和刈割时间对油莎豆块茎养分含量和营养品质的影响

张玉林, 杜 艺, 柴旭田, 李向义, 张志浩*, 曾凡江1,*

(1.新疆大学生态与环境科学学院, 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.中国科学院大学, 北京 100049)

油料作物是食用油脂和饲料蛋白的重要来源，随着国内外经济水平的不断提高，仅依靠油料作物(向日葵(Helianthusannuus)、胡麻(Linumusitatissimum)、大豆(Glycinemax)等特色油料作物)作为植物油和豆制品不足以满足人们的需求。油莎豆(CyperusesculentusL.)别名虎坚果，是莎草科莎草属一年生草本植物，性喜温暖湿润气候，具有耐旱、耐盐碱等特点[1-2]，同时，也是一种优质、高产和综合利用的农牧经济作物[3]。油莎豆块茎不仅富含淀粉(25%～45%)和可溶性糖(15%～20%)，而且还积累24%～35%的油脂(甘油三酯，TAG)，富含17种人体所需氨基酸以及丰富的胡萝卜素等[4-5]。它因富含大量的蛋白质和粗脂肪，成为豆制品的最佳替代品。自从1952年油莎豆被引入国内，并在北京、内蒙古、河南、新疆等地栽培，获得了较好生产价值[6-7]。近些年国内外对油莎豆块茎开展了较多研究，利用油莎豆块茎中富含的营养成分(蛋白质、糖类、油酸、葡萄糖等)将其制成各种营养价值非常高的食品及饮品[2,4-5,8-9]。目前，我国将油莎豆列入国家十四五种植规划，为推进种植业高质量发展，利用丘陵、河滩、沙地等发展特色油料作物，着力稳面积、提品质，丰富食用植物油供给来源。新疆具有沙质土壤和充沛的光照资源，适宜推广种植油莎豆[8,10]。虽然油莎豆在新疆已有小面积种植[8]，但是因其规模化种植技术体系还不完善，尚未能大面积推广。

连作是指在同一地块连续单一种植某种作物，但多年连作易造成作物产量和品质的降低[11-12]。轮作则是合理有序地换种不同作物，能够改变土壤养分和理化性质，缓解连作障碍，增加作物产量，改善作物品质[13-15]。何志贵等[16]研究发现，与小麦(Triticumaestivum)轮作3年的半夏(Pinelliaternate)，可溶性糖含量显著高于连作1年。丁素荣等[17]研究发现，与玉米(Zeamays)连作相比，玉米-玉米-大豆轮作和玉米-大豆轮作的玉米产量平均增加了8.61%和15.08%，且穗长、穗粗、百粒重均高于连作。唐朝辉等[18]研究发现，甘薯(Dioscoreaesculenta)-花生(Arachishypogaea)轮作显著增加了花生籽仁蛋白质和粗脂肪含量，并降低了可溶性糖含量，改善了花生籽仁品质。然而，油莎豆连作和轮作模式的研究相对较少，我们还不清楚这些种植模式对其块茎的养分含量和营养品质的潜在影响。因此，本试验探究了不同种植方式和不同刈割时间对大田油莎豆块茎的养分含量和营养品质(粗蛋白、粗脂肪、可溶性糖和可溶性淀粉)以及土壤理化性质的影响，旨在探索油莎豆在本地区的高产种植体系，为大面积推广种植提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验在新疆建设兵团第三师54团莎车农场进行(38°38′N，77° 6′E)。该地区属暖温带大陆性气候，日照时间长，昼夜温差大，全年大于10℃的积温4 082℃，年均日照时数为2 860.3 h，年平均气温11.60℃，年平均降雨量53.30 mm，年平均蒸发量2 246 mm，年均风速为1.50 m·s-1，无霜期225 d[19]。于2012～2019年秋季种植小麦，小麦收获后种植玉米，在小麦生育期共滴水4次，总灌溉量为5 316.45 m3·hm-2，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小麦根系附近，其中尿素111.14 kg·hm-2、磷肥57.29 kg·hm-2、钾肥89.72 kg·hm-2。

1.2 试验设计

本试验于2020年5月份末采收小麦，在6月3日种植油莎豆品种为‘丰产2号’，即形成油莎豆-小麦轮作和油莎豆连作两种种植模式，采用油莎豆穴播机播种，播种量为75 kg·hm-2，株距8 cm，行距35 cm。滴灌带铺设一机二管，1条滴灌带灌溉2行油莎豆的种植模式，在油莎豆生育期共滴水7次，施肥量和滴水量与小麦处理一致(总灌溉量为5 316.45 m3·hm-2)，以保证其正常生长[20]。在2020年秋季收获油莎豆后，轮作种植区继续种植小麦，连作种植区只进行水肥管理，于2021年5月份末小麦采收后，在6月3日，轮作种植区再次播种油莎豆品种为‘丰产2号’，连作种植区继续播种油莎豆品种为‘丰产2号’。在核心示范田内，设置试验小区面积10 m×5 m，2个处理(连作和轮作)，每个处理3个重复，共6个小区，并设置3个刈割时间(8月1日、8月24日、9月16日)，每次随机选择3个1 m×1 m样方，采收样方里所有地下块茎和土壤样品。试验区域土壤基本理化性质的本底值为：土壤pH为8.87，土壤有机质含量为2.53 g·kg-1，全氮含量为0.09 g·kg-1，全磷含量为0.33 g·kg-1，全钾含量为16.13 g·kg-1，速效氮含量为18.68 mg·kg-1，速效磷含量为4.26 mg·kg-1，速效钾含量为50.87 mg·kg-1。

1.2 测定指标与方法

1.2.1油莎豆块茎全氮磷钾含量的测定 将不同刈割时间(8月1日、8月24日、9月16日)采集的油莎豆块茎带回实验室，冲洗干净后置于65℃烘箱内烘干至恒重。将块茎用盘式振动粉碎研磨仪(RS200，德国莱驰)研磨成粉末，然后装入封口袋中置于干燥暗处保存待用。由中国科学院新疆生态与地理研究所中心实验室进行指标的测定，其全氮(Total nitrogen,TN)含量采用凯氏定氮法，全磷(Total phosphorus,TP)含量采用钼锑抗比色法，全钾(Total potassium,TK)含量采用火焰光度法，均以质量含量表示(g·kg-1)[21]。

1.2.2油莎豆块茎营养品质的测定 将不同刈割时间(8月1日、8月24日、9月16日)采集的油莎豆块茎带回实验室，冲洗干净后置于65℃烘箱内烘干至恒重。将块茎用盘式振动粉碎研磨仪(RS200，德国莱驰)研磨成粉末，然后装入封口袋中置于干燥暗处保存待用。过35目筛，用于营养价值测定。由中国科学院新疆生态与地理研究所中心实验室进行指标的测定，粗脂肪(Ether extract,EE)参照GB/T 6433-2006测定；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测定；粗蛋白(Crude protein,CP)含量采用凯氏定氮法测定，均以质量含量表示(g·kg-1)[22]。

1.3 数据处理

统计分析利用R 4.12 software(R Development Core Team 2017)完成。采用双因素方差(Two-way ANOVA)分析连/轮作和刈割时间及其交互作用对油莎豆块茎养分含量和营养品质的影响，单因素方差(One-way ANOVA)分析刈割时间对油莎豆块茎养分含量和营养品质的差异性，用Duncan法进行多重比较(α=0.05)。利用t-检验分析连作和轮作种植模式之间的差异。利用结构方程模型(Structural fquation modeling,SEM)分析连/轮作对油莎豆块茎养分含量和营养品质的影响。采用“ggplot2包”完成油莎豆块茎养分含量和营养品质的图形绘制。采用“psych包”和“corrplot包”进行土壤理化性质、油莎豆块茎养分含量和营养品质的相关性分析(Pearson)。使用Amos24软件完成连/轮作对油莎豆块茎养分含量和营养品质的结构方程模型。

2 结果与分析

2.1 连/轮作及刈割时间对油莎豆块茎全氮、全磷和全钾的影响

双因素方差分析结果表明：连/轮作对油莎豆块茎全氮、全磷和全钾含量影响显著(P<0.05)；刈割时间及其交互作用对油莎豆块茎全氮和全钾含量影响极显著(P<0.01)，而对全磷影响不显著(表1)。在连作种植模式下，随刈割时间，油莎豆块茎的全氮和全钾含量均呈显著下降趋势(P<0.05)，全磷含量呈下降趋势，但差异不显著。在轮作种植模式下，随刈割时间，油莎豆块茎的全氮含量呈下降趋势，但全氮含量在刈割时间8月24日和9月16日差异不显著；全钾含量呈显著下降趋势(P<0.05)，全磷含量呈先下降后增加趋势，但差异不显著。轮作极显著增加了块茎的全氮和全钾含量(P<0.01)，连/轮作对全磷含量没有显著差异(图1)。

图1 连/轮作及刈割时间对油莎豆块茎中全氮、全磷和全钾的影响

表1 连/轮作及刈割时间对油莎豆块茎养分含量与营养品质的双因素方差分析

2.2 连/轮作及刈割时间对油莎豆块茎可溶性糖、可溶性淀粉、粗蛋白和粗脂肪的影响

双因素方差分析结果表明：连/轮作对油莎豆块茎粗蛋白、可溶性糖和粗脂肪含量影响极显著(P<0.01)，而对可溶性淀粉没有显著影响；刈割时间对油莎豆块茎粗蛋白和粗脂肪含量影响极显著(P<0.001)，对可溶性糖和可溶性淀粉没有显著影响；连/轮作和刈割时间交互作用对油莎豆块茎粗蛋白和可溶性糖含量影响显著(P<0.05)，而对可溶性淀粉和粗脂肪没有显著影响(表1)。在连作种植模式下，随刈割时间，油莎豆块茎的粗蛋白含量呈显著先上升后下降趋势(P<0.05)，粗脂肪含量呈显著先下降后上升趋势(P<0.05)，可溶性糖和可溶性淀粉含量没有显著差异。在轮作种植模式下，随刈割时间，油莎豆块茎的可溶性糖含量呈下降趋势，但可溶性糖含量在刈割时间8月1日和8月24日差异不显著，粗脂肪含量呈显著先下降后上升趋势(P<0.05)，粗蛋白和可溶性淀粉含量没有显著差异。连作极显著增加了块茎的粗蛋白含量(P<0.01)，连/轮作对块茎的可溶性糖、可溶性淀粉和粗脂肪含量没有显著影响(图2)。

图2 连/轮作及刈割时间对油莎豆块茎的粗蛋白、可溶性糖、可溶性淀粉和粗脂肪的影响

2.3 连/轮作及刈割时间对油莎豆块茎养分含量、营养品质与土壤理化性质的相关性分析

相关性分析结果表明，油莎豆块茎的全氮含量与全钾和粗蛋白含量呈极显著正相关关系(P<0.001)，与粗脂肪含量呈极显著负相关关系(P<0.001)(图3)。块茎的全钾含量与粗蛋白含量呈极显著正相关关系(P<0.001)，与粗脂肪含量呈极显著负相关关系(P<0.001)。块茎的粗蛋白和粗脂肪含量呈极显著负相关关系(P<0.001)。块茎的可溶性淀粉与土壤有机质、pH、碳酸氢根离子呈正相关关系，与土壤其他理化指标(如：全氮磷钾、速效氮磷钾、总盐等)呈负相关关系。块茎的粗蛋白和可溶性糖含量与土壤理化指标(如：土壤有机质、全氮磷、速效氮磷钾、总盐、盐基离子等)呈非常弱的负相关关系(0

图3 油莎豆块茎养分含量及营养品质与土壤理化性质的相关性分析

2.4 连/轮作及刈割时间对油莎豆块茎养分含量和营养品质的结构方程模型

结构方程模型分析结果表明，土壤酸碱度、盐基离子、土壤全量养分及速效养分共同解释了油莎豆块茎养分和营养品质47%的变异。其中，土壤酸碱度和盐基离子对油沙豆块茎的养分和营养品质产生直接影响(β=0.44)。土壤速效养分通过改变土壤全量养分含量对油沙豆块茎的养分和营养品质产生间接影响(图4)。

图4 连/轮作和刈割时间对油莎豆块茎养分含量与营养品质影响的结构方程模型

3 讨论

作物产量的形成是光合产物积累和分配的结果，干物质积累的同时要保证同化产物在“源”和“库”的合理分配[23]。氮、磷、钾是作物生长发育所需的三大营养元素，是作物产量形成的基础，合理轮作能提高作物氮磷钾累积量及其分配系数[24]。本研究结果表明，在连作和轮作种植模式下，随刈割时间，油莎豆块茎的全氮呈下降趋势，全钾含量呈显著下降趋势(P< 0.05)，且轮作极显著高于连作(P< 0.01)。两种种植方式的油莎豆块茎的氮磷钾积累量变化趋势差异较大；轮作明显增加了氮和钾的积累量。这些结果与吴娜等对马铃薯(Solanumtuberosum)养分及营养品质的研究结果基本一致[25-26]。这可能是由于氮可促进植株生长和光合作用，较高的氮能延缓叶片衰老延长叶片功能期，吸收更多的二氧化碳，积累更多的营养物质输入块茎[27]；钾能增强作物光合作用和相关酶活性，加速同化物向块茎的运输，增加块茎重、单株结实率[28-29]。可能轮作通过改变土壤酸碱度，进而影响土壤酶活性及微生物群落多样性，提高油莎豆块茎地上部对氮素和钾素吸收，以及油莎豆地上部光合器官的光合作用，将更多的物质积累运移到地下部块茎[30-31]。不同蔬菜轮作对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响因子[32]。本研究结构方程模型分析结果表明，土壤pH对油莎豆养分和营养品质有直接的影响效应。本研究发现，pH值是影响土壤肥力的最大环境因子，这可能是由于轮作模式通过改变土壤pH来改变土壤微生物群落多样性进而改变土壤理化性质，对植物吸收土壤营养成分起到促进作用[31-32]。

块茎是植物地下茎的一种变态茎，它含有丰富的营养物质，包括蛋白质、维生素、矿物质和膳食纤维，同时具有生物活性的次级代谢产物，具有独特的营养价值[14]。块茎的营养品质是重要经济指标，受遗传特性、栽培地区气候、土壤和栽培条件、种植模式的影响[18,33-34]。本研究结果表明，在连作和轮作种植模式下，粗脂肪含量随刈割时间呈显著先下降后上升趋势(P<0.05)。连作极显著增加了块茎的粗蛋白含量，但连作和轮作对可溶性糖、可溶性淀粉和粗脂肪含量没有显著影响，这与对菊芋(Helianthustuberosus)块茎的营养品质的研究结果基本一致[35]。也有研究表明，在马铃薯和玉米间作的种植模式下，马铃薯块茎中糖类物质的含量均有不同程度的降低，间作显著降低了块茎可溶性糖和淀粉含量[36]，甘薯与花生轮作显著增加了花生籽仁蛋白质和粗脂肪含量，降低了可溶性糖含量，提高了花生籽仁的品质[18]，以上研究结果与本研究结果不一致，这可能是由于轮作更能合理利用土壤肥力等资源。相关性分析与结构方程模型分析表明，土壤pH对油莎豆营养品质有着直接的影响效应，土壤盐基离子和土壤养分对油莎豆营养品质呈现间接影响效应。连作和轮作种植模式影响土壤离子交换，改变土壤酸碱度，使得土壤中的全氮磷钾养分和速效养分发生显著变化，影响油莎豆块茎的营养成分积累，本研究发现，块茎的粗脂肪含量随生长旺盛期采样时间呈显著先下降后上升趋势(P< 0.05)，提高油莎豆的油脂含量，增加出油率，且连作有利于提高块茎的粗蛋白含量，增加油莎豆的营养品质和经济价值[37-38]。

4 结论

在连作和轮作种植模式下，随刈割时间延长，油莎豆块茎的粗脂肪含量呈增加趋势，提高了块茎的出油率。块茎的养分和营养品质受土壤酸碱度的影响，表现抑制和促进作用。连作和轮作模式通过影响土壤酸碱度对土壤的养分含量产生重要影响，轮作模式能有效提高油莎豆块茎的养分含量(如：全氮和全钾)，对块茎吸收土壤养分含量产生重要的促进作用。