刈割高度对油莎豆氮代谢及产量和品质的影响

李变变，张凤华，赵亚光

（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）

油莎豆（Cyperus esculentus），又名油莎草和虎坚果等［1］，是莎草科（Cyperaceae）莎草属（Cyperus）多年生草本植物。油莎豆具有地上饲草生长快、再生分蘖能力强、耐贫瘠和易倒伏等植物学性状，是一种防风固沙以及生态修复的“先锋植物”［2］。且其地下块茎中含有丰富的油脂、矿物质、脂肪酸等营养成分，尤其含油量较高，还被称作“油料作物之王”。因此，油莎豆是一种油、粮、饲、牧、药于一体的综合利用价值较高的经济型作物［3］。近年来，关于油莎豆方面的研究，多集中于不同栽培模式下对其产量和品质的影响［4］，刈割方向仅对油莎豆产量和品质展开了研究［5］，但关于刈割后油莎豆生长代谢等是如何响应刈割伤害的针对性研究甚少，因此研究刈割对油莎豆氮代谢以及产量和品质的影响具有重要意义。

氮代谢作为植物生长发育中最基础和最关键的代谢途径之一，其代谢强度和协调程度会对植物的生长发育、物质积累、产量和品质等存在一定影响［6］，同时该代谢会因受到环境因子、胁迫、栽培措施等影响而发生改变。然而刈割作为草地管理的主要方式，主要是通过刺激植物光合作用，使其对植物地上部分的生长代谢产生直接影响［7］，或改变植物整体资源的分配模式，促进植物的再生长［8-9］，从而间接影响植物地下部分的物质积累与转化［10-11］。植物氮代谢途径中游离氨基酸和可溶性蛋白含量等物质会因受到刈割伤害而产生变化［12］，孙宗玖等［13］研究发现，轻度刈割能促进植物氨基酸、脯氨酸和糖类等渗透调节物质的积累，增强植物对刈割伤害的抵抗能力。还有研究发现刈割强度过大则会干扰植物的物质再分配模式，并削弱植物的补偿性生长和均衡性生长的能力，同时会减少营养物质向地下部分的运移和储存［14］。Zhang等［15］研究表明，放牧（刈割）对植物的产量和品质存在一定影响，适当的刈割能够促进植物产量的增加［16］。研究发现刈割后植物的物质分配和积累是提高作物产量与品质的关键因素［17］，会通过“源-库”关系的调控，使植物体内的物质形成新的分配格局［18］，促进植物地下块茎的生长和营养积累［19］。由此可知，刈割对植物的生长代谢等是存在影响的，但不同的植物类型对于刈割伤害的响应会有所不同。因此，本研究以新疆油莎豆为研究对象，分析不同留茬高度下油莎豆株高、叶绿素含量、氮代谢产物和酶活性以及产量和品质的变化，旨在揭示刈割对油莎豆氮代谢以及产量和品质的影响，寻找相对适宜的留茬高度，为新疆油莎豆的高产优质栽培技术提供理论支持。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验地位于新疆生产建设兵团第十二师222团，地处E 87°46′-88°44′，N 43°45′-45°30′，海拔高度为450～480 m，为典型的大陆性气候，属中温带干旱区，四季分明，光照充足，热量丰富，年平均气温6.6℃，历年极端最高气温44.5℃，历年极端最低气温-42.4℃，年降水量183.4 mm，年蒸发量1946.5 mm，年日照时数2605.6 h。土壤背景值：土壤类型为灰漠土，土层深度为0～20 cm，土壤pH值为7.92，有机质含量为13.64 g·kg-1，全氮含量为0.86 g·mg-1，速效钾含量为347.37 mg·kg-1，速效磷含量为20.16 mg·kg-1。

1.2 供试材料及种植方式

供试材料为中油莎2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，2021年5月中旬播种，2021年7月19日进行刈割处理，2021年9月上旬完成地上饲草和地下籽粒收获，另外试验小区油莎豆种植管理模式与大田管理保持一致。

1.3 试验设计

挑选地势平坦、油莎豆长势均匀，杂草少的地块为试验地，油莎豆株高达到0.8～0.9 m（出现倒伏现象，处于分蘖期），进行刈割，具体刈割时间为2021年7月18日。试验采用单因素随机区组设计，共设6个处理，以未刈割处理为对照组（CK），5个不同留茬高度处理为离地面10 cm（R10）、20 cm（R20）、30 cm（R30）、40 cm（R40）、50 cm（R50），3次重复，共18个小区，小区面积为2 m×4 m，相邻小区间保护行为0.2 m×4.0 m。

1.4 样品采集与测定

刈割后于第1、7、14、21和28天，取各处理代表性叶片，锡箔纸包装并标记，装入填冰袋的密封泡沫箱，即刻带回实验室液氮速冻后，存入-80℃超低温冰箱，供后续相关指标测定；于2021年9月上旬进行饲草和块茎收获。

1.4.1 株高的测定 各个小区任意选择5株油莎豆并做标记，每次取样时使用卷尺测量株高（后续取样均不伤害标记油莎豆）。

1.4.2 光合色素含量的测定 采用5 mL 95%乙醇浸泡0.2 g植物新鲜样品，于4℃避光保存48 h至脱色，用酶标仪测量提取液在470、649和665 nm下吸光度值，每个样品测量3次。

式中：A665、A649和A470为吸光值，Ca和Cb分别为叶绿素a和叶绿素b的浓度［20］。

1.4.3 氮代谢相关产物和酶活性的测定 采用考马斯亮蓝比色法测定可溶性蛋白含量［21］；采用离体比色法测定硝酸还原酶活性［21］；谷氨酸合成酶活性［22］和谷氨酰胺合成酶活性［23］采用北京索莱宝（Solarbio）生物有限公司生产的试剂盒测定。

1.4.4 地下块茎产量和品质的测定 地上饲草产量：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鲜草重和干草重记为F1和D1，待收获时将地上留茬割去记录各小区鲜草重和干草重分别为F2和D2，地上部总鲜草重为F1+F2，地上部总干草重为D1+D2。

地下块茎：将地上饲草产量所挑选的1 m×1 m样地的油莎豆全部挖出、洗净（去除根系）擦去表面的水分，记鲜重，晾干后记录干重，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。采用气相色谱法测定油莎豆块茎中的脂肪酸组成以及含量［24］；利用马弗炉测定粗灰分含量［25］；蒽酮比色法测定总糖含量［26］；索氏提取法测定粗脂肪含量［27］；凯氏定氮法测定粗蛋白含量［28］；利用微量分光光度法测定块茎淀粉含量［29］；中性洗涤纤维（neutral detergent fiber，NDF）含量和酸性洗涤纤维（acid detergent fiber，ADF）含量采用滤袋法测定［30］。

1.5 数据统计与分析

采用Excel 2010和Origin 8.0软件（美国公司，Origin Lab）对数据进行整理、处理和作图；采用SPSS 20.0软件对数据进行单因素方差分析和相关性分析，用Duncan法分析处理间的差异显著性，差异显著水平是5%。

2 结果与分析

2.1 不同留茬高度对油莎豆株高的影响

刈割后，随着生长时间的延长，各留茬处理株高呈现迅速增长-缓慢增长-相对平稳的趋势，刈割后1～7 d，7～14 d和14～21 d三个时间段中，R40株高增幅最大，分别为28.90、18.69和10.89 cm，CK的增幅均是最低的。刈割后第1～14天，各处理株高大小均保 持CK＞R50＞R40＞R30＞R20＞R10的 规 律，刈 割 后 第1～7天，各处理间株高差异显著（P＜0.05），刈割后第14天，R50和R40之间株高无显著差异，分别为88.04和87.76 cm。刈割后第21和28天，株高大小为CK＞R40＞R50＞R30＞R20＞R10，且各留茬处理株高增长幅度趋于平缓（图1）。

图1 不同留茬高度对油莎豆株高的影响Fig.1 The effect of different stubble heights on the plant height of C.esculentus

2.2 不同留茬高度对油莎豆叶绿素含量的影响

如图2A～C所示，刈割后随着生长时间的延长，各留茬处理叶绿素a、叶绿素b和叶绿素a+b含量均呈现先下降后上升然后又下降的变化趋势。刈割后第1和28天，CK处理叶绿素a、叶绿素b和叶绿素a+b含量显著高于R40、R30、R20和R10；刈割后第7和21天，CK、R50和R40处理叶绿素a、叶绿素b和叶绿素a+b含量明显高于其他处理，三者间无显著差异；刈割后第14天，R40处理叶绿素a、叶绿素b和叶绿素a+b含量显著高于除R30外的其他处理，两者间无显著差异；刈割后每个时期，R10和R20处理的叶绿素a、叶绿素b和叶绿素a+b含量均低于其他处理。

图2 不同留茬高度对油莎豆叶绿素含量的影响Fig.2 The effect of different stubble heights on the chlorophyll content of C.esculentus

刈割后随着生长时间的延长，各留茬处理胡萝卜素含量呈现先下降后上升然后又下降的变化趋势（图2D）。刈割后第1和28天，CK处理胡萝卜素含量显著高于R40、R30、R20和R10；刈割后第7和21天，CK、R50和R40处理胡萝卜素含量显著高于R30和R10处理，三者间无显著差异；刈割后第14天，R40处理胡萝卜素含量显著高于其他处理。

2.3 不同留茬高度对油莎豆氮代谢相关产物和酶活性的影响

如图3A所示，刈割后随着生长时间的延长，各留茬处理可溶性蛋白含量呈现先增加后降低然后逐渐趋于平稳的变化趋势。刈割后第1天，R20处理的可溶性蛋白显著低于其他处理，为4.07 mg·g-1，其余处理之间无显著差异（P＞0.05）；刈割后第7天，R30和R40处理的可溶性蛋白含量分别为12.42和11.63 mg·g-1，显著高于其他处理，但两者间无显著差异。刈割后第14天，CK可溶性蛋白含量均低于其他处理，为6.76 mg·g-1，其他处理之间无显著差异，刈割后第21和28天，R40高于其他处理，分别为10.07和11.11 mg·g-1。

图3 不同留茬高度对油莎豆氮代谢相关产物和酶活性的影响Fig.3 The effect of different stubble heights on the related products of nitrogen metabolism and enzyme activity of C.esculentus

如图3B所示，刈割后随着生长时间的延长，各留茬高度处理下硝酸还原酶活性呈先增加后降低再增加的变化趋势。刈割后不同时期各处理之间硝酸还原酶活性存在差异，刈割后第7、14、21和28天，R30处理的硝酸还原酶活性均高于其他处理，较CK分别提高了12.49%、17.74%、12.18%和5.80%；刈割后除第21天外，其他时期R10处理的硝酸还原酶活性均低于其他处理。

如图3C所示，刈割后随着生长时间的延长，各留茬处理谷氨酸合成酶活性呈缓慢下降的变化趋势。R30处理的谷氨酸合成酶活性在刈割后的5个时期均高于其他处理，且较CK分别提高了35.17%、8.84%、5.23%、16.04%、31.52%；而R10和R20处理的谷氨酸合成酶活性均低于其他处理。

如图3D所示，刈割后第1和14天，R40处理的谷氨酰胺合成酶活性高于其他处理，分别较CK提高了6.64%、29.30%，刈割后第7、21和28天，R30处理谷氨酰胺合成酶活性高于其他处理，分别较CK提高了11.09%、30.52%和5.52%；R10处理的谷氨酰胺合成酶活性均低于其他处理（除第21天外）。

2.4 不同留茬高度对油莎豆块茎产量构成因子的影响

如表1所示，不同留茬高度对油莎豆产量构成因子存在影响。R30产量最高，为12366.09 kg·hm-2，其显著高于除R40以外的其他处理（P＜0.05），而R10处理产量最低，为7385.74 kg·hm-2。R40的千粒重高于其他处理，为597.53 g，较CK提高了10.25%，R30处理总粒数最高，为2699万粒·hm-2，其显著高于其他处理（P＜0.05）。R30处理的单穴粒数显著高于除R40和R20以外的其他处理（P＜0.05），为169粒·穴-1。

表1 不同留茬高度对油莎豆产量构成因子的影响Table 1 Effects of different stubble height on yield components of C.esculentus

2.5 不同留茬高度对油莎豆地上地下生物量的影响

如图4所示，除CK外，随着留茬高度的降低，地上生物量呈先增加后降低的变化趋势，R40、R30、R20和R10地上生物量较未刈割处理分别增加了18.17%、19.93%、16.23%和16.17%；随着留茬高度的降低，地下生物量也呈现先增加后降低的变化趋势，R30地下生 物 量 最 高，为12366.09 kg·hm-2，较CK增 加 了34.33%，R50和R40分 别 较CK增 加 了11.72%、25.00%。

图4 不同留茬高度对油莎豆地上和地下生物量的影响Fig.4 Effects of different stubble heights on aboveground and underground biomass of C.esculentus

2.6 不同留茬高度对油莎豆块茎品质的影响

如表2所示，R50处理块茎粗灰分含量显著高于其他处理（P＜0.05），为3.16%；R20处理的中、酸性洗涤纤维含量高于其他处理，分别为61.17%和8.81%，分别较CK提高了5.19%和5.01%，R40中性洗涤纤维含量最低，为54.67%，R30酸性洗涤纤维含量最低，为7.53%。R40处理的粗脂肪含量显著高于其他处理（P＜0.05），为27.85%，而R10处理最低，为23.79%；R30处理的粗蛋白和总糖含量均显著高于其他处理，分别为8.01%、18.78%；CK和R30处理淀粉含量显著高于除R50外的其他处理（P＜0.05），且这两者间无显著差异，分别为24.92%和24.76%。

表2 不同留茬高度对油莎豆块茎品质的影响Table 2 The effect of different stubble heights on the tuber quality of C.esculentus

2.7 不同留茬高度下油莎豆产量和品质指标与氮代谢指标之间的相关性

如表3所示，刈割后5个时期油莎豆叶片中谷氨酸合成酶活性均与油莎豆块茎产量呈显著正相关关系（P＜0.05）。另外刈割后在油莎豆再生长高峰期（7，14，21 d），谷氨酰胺合成酶活性与块茎产量和总粒数呈显著相关关系（P＜0.05），另外刈割后第7天油莎豆叶片可溶性蛋白和第21天叶片谷氨酰胺合成酶活性分别与收获时油莎豆块茎产量构成因子（产量、单穴粒数、总粒数和千粒重）呈显著正相关关系（P＜0.05）。

表3 不同留茬高度下油莎豆产量构成因子与氮代谢指标之间的相关性Table 3 Correlations between the yield components and nitrogen metabolism indexes of C.esculentus at different stubble heights

如表4可知，刈割后5个时期油莎豆叶片中谷氨酸合成酶活性与油莎豆块茎中粗蛋白和淀粉含量均呈显著正相关关系（P＜0.05），刈割后第7天，硝酸还原酶、谷氨酸合成酶活性、可溶性蛋白含量和谷氨酰胺合成酶活性均与油莎豆块茎粗蛋白含量显著正相关（P＜0.05）。

表4 不同留茬高度下油莎豆品质指标与氮代谢指标之间的相关性Table 4 Correlations between quality indexes and nitrogen metabolism indexes of C.esculentus at different stubble heights

3 讨论

刈割首先会改变植物地上部分的形态结构，因此在本研究中R40处理在1～21 d内的株高增长幅度均比其他处理高，并且R40处理（21和28 d）的再生株高仅次于未刈割，且其他处理均保持一定的生长速度，说明了R40处理具有再生性强和耐刈割的特点［31］。刈割通过形态的变化，随之会影响植物生理代谢和生态等特性，其中氮代谢作为植物体内最基本的代谢途径，其过程受栽培、环境以及管理方式等多种因素影响［32］。硝酸还原酶、谷氨酰胺合成酶和谷氨酸合成酶等是催化合成氮代谢产物的关键酶［33］，其中硝酸还原酶活性高低反映了植物光合作用和呼吸作用的强弱以及氮代谢活性的高低［34］。本研究中R30处理的硝酸还原酶活性（7、14、21和28 d）均高于其他处理，这说明R30处理有利于提高油莎豆叶片硝酸还原酶活性，并且对提高油莎豆生育后期叶片光合速率以及氮代谢能力有积极作用。另外谷氨酰胺合成酶作为参与氮代谢的多功能酶，其活性高低影响着植物部分糖代谢和氮代谢产物生成［35］，与此同时谷氨酰胺合成酶与谷氨酸合成酶偶联也会起到促进氮代谢运转的作用［36］。本研究结果与之相似，刈割后R30处理的谷氨酸合成酶活性（5个时期）和谷氨酰胺合成酶活性（7、21和28 d）均高于其他处理，R40处理的谷氨酰胺合成酶活性（1和14 d）高于其他处理。这一方面是因为R30和R40处理是适宜刈割留茬高度，一定程度上能够解除油莎豆的资源限制作用，增加叶片间透光率，加速油莎豆叶片光合色素合成，使其叶绿素含量提高，以提升油莎豆叶片对光的截取能力以及影响光合氮利用效率［37-38］，促进油莎豆叶片硝酸还原酶转录翻译及谷氨酰胺合成酶表达［39］，同时还增强了油莎豆叶片氮代谢能力、延缓叶片衰老以及延长了叶片功能期［40］，进而促进了R30和R40处理（7、14、28 d）油莎豆叶片氮代谢酶活性的提高，加强了谷氨酸合成酶和谷氨酰胺合成酶偶联过程中蛋白质等含氮化合物的合成，进一步促进了可溶性蛋白的积累；另一方面或许是因为碳代谢和氮代谢两者相互偶联又相互制约，R30和R40处理较高的叶绿素含量，提高了叶片净光合速率，大量碳代谢能量、碳骨架和渗透调节物质的输出对氮代谢有很大的协助和促进作用［41］。本研究显示R10和R20处理阻碍了其氮代谢能力，并使其氮代谢产物和酶活性均受到抑制。这主要是因为刈割后植物光合作用是其再生生长代谢的基础，油莎豆叶片叶绿素含量显著低于其他处理，光合酶活性受到抑制［42］后会干扰植物叶绿素的合成并引起了叶片组织内叶绿体的降解［43-44］，使光合能力极大被削弱［45］，并对油莎豆叶片的整个生理机能造成负面影响，使其生长代谢紊乱［46］。

生物量不仅是刈割后植物生长情况的直观体现，更是反映植物抗逆性和修复能力的重要指标［47］，然而刈割后油莎豆地下块茎产量的形成则取决于“源-库”关系的调控。R10和R20处理地上生物量未受到明显影响，地下块茎产量明显下降，其原因是R10和R20处理由于刈割时损失的叶片基数大，物质生产和积累等代谢机能旺盛，随着刈割后时间的延长，地上资源大量减少，使留茬叶片光合速率随之减弱，这时植物整体储存的营养物质会增加对地上的分配比率，逐渐提高光合器官的生物量［48］，这或许是R10和R20处理油莎豆地上生物量未受抑制的原因；另外重度刈割下油莎豆各器官有机物质过度用于地上部分，地下部分代谢秩序紊乱，有机物质严重匮乏，再加上刈割使植物根区土壤酶活性和微生物数量减少［49］，根系分泌物受影响，造成地下部分养分汲取和自身调节机制受到干扰，最终导致地下块茎产量降低。R30和R40处理地上生物量和地下块茎产量却能够保持均衡发育并高于其他处理，这一结果一方面与Brouwer［50］提出的植物碳分配的“功能平衡理论”有相似原理：植物在生长过程中，会不断地将有机物在地上、地下之间进行源库资源的均衡分配，才使得R30和R40处理地上和地下资源维持相对较高水平；另一方面可能是适宜刈割去除了植物的顶端分生组织和部分衰老组织，刺激了新生组织的萌蘖［51］，消除了植物的生长冗余，进而激发了植物的补偿生长潜力［52］，促使其产量的增加；与此同时也反映了R30和R40处理具有较高的抗逆性和修复能力。相关研究表明刈割可以利用植物均衡性生长特性，改变植物营养物质的沉积和分配方向，进而影响植物的生长特性及其品质［53］。侯钰荣等［54］研究表明，轻度、重度刈割均可促进新疆伊犁绢蒿（Seriphidium transiliense）根系储藏营养物质（可溶性蛋白、可溶性糖、还原糖）的积累。本研究结果与之相似，R30处理的块茎粗蛋白和总糖含量以及R40处理的粗脂肪含量显著高于其他处理（表2），其主要原因是R30和R40处理地上叶片较高的氮代谢水平，渗透调节物质的产出很好地维持和延长了油莎豆叶片的功能期，以及增强了其物质积累、氮素利用效率以及蛋白质合成等方面的能力，促进了叶片光合产物向库端有效的运输和分配；另外是因为R30和R40处理硝酸还原酶和谷氨酰胺合成酶活性的增强促进了植物叶片内部氨基酸的转化与合成，更有利于地下部分对氮素营养的汲取和利用［55-56］，以及谷氨酸合成酶与谷氨酰胺合成酶偶联，把形成的谷氨酰胺通过植物韧皮部运往根部，影响地下部分各种酶的生物合成［57］，为油莎豆地下块茎产量和品质的提高奠定了良好基础［58］；同时还由于叶片作为植物光合作用的主要器官，氮代谢旺盛，R30处理叶片中谷氨酰胺合成酶活性提高，使其催化产生的谷氨酰胺的量增加，随之使得谷氨酸合成酶将谷氨酰胺和α-酮戊二酸转变成谷氨酸的量增加，进一步促使了叶片中大量蛋白质、核酸等含氮化合物合成，再通过“源-库”物质分配模式将物质输送至块茎部分，这也揭示了R30处理地下块茎粗蛋白含量高以及谷氨酸合成酶与块茎粗蛋白含量、产量等存在显著正相关关系的原因。总之，刈割后会通过影响叶片氮代谢而间接影响油莎豆地下块茎产量和品质的形成［59-60］。

4 结论

不同刈割留茬高度下油莎豆地上叶片氮代谢能力以及产量和品质均不同。重度刈割（留茬10和20 cm）会干扰油莎豆叶片叶绿素的合成，并对氮代谢过程中谷氨酸合成酶、谷氨酰胺合成酶和硝酸还原酶的活性有抑制作用；适宜刈割高度（留茬30和40 cm）则能够促进氮代谢的代谢能力，提高氮代谢酶活性并增加氮代谢产物（可溶性蛋白）的积累。

刈割后地上部分与地下部分通过“源-库”关系调节进行物质再分配，刈割后，氮代谢对块茎产量和品质的影响时间段不同，另外油莎豆叶片中谷氨酸合成酶活性与块茎产量和品质密切相关，是提高油莎豆地下块茎产量并改善其品质（粗蛋白和淀粉）的关键。

留茬30 cm的油莎豆块茎产量、总粒数、单穴粒数、粗蛋白和总糖含量均高于其他处理，留茬40 cm的千粒重和粗脂肪含量高于其他处理，分别为597.53 g和27.85%，综上所述，刈割相对适宜留茬高度范围为30～40 cm，有利于提高新疆油莎豆的产量和品质。