油莎豆‖大豆對作物生長發(fā)育及產(chǎn)量的影響*

宿 可，孫雪瑩，劉 政，曲慧杰，唐興勇，陳璐璐，李宗宸，丁曉燕，張 偉

（石河子大學農(nóng)學院，新疆 石河子 832000）

0 引言

我國人多地少，糧食需求量大，導(dǎo)致我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)壓力巨大，間作栽培是時空高度集中的一種種植方式[1]，合理的間作具有提高作物產(chǎn)量、高效利用生態(tài)資源、增加作物多樣性和作物生產(chǎn)力等優(yōu)點[2]。

油莎豆（Cyperus esculentus L.），又名油莎草、鐵荸薺、地杏仁、地下板栗、地下核桃、人參果和人參豆，屬莎草科莎草屬植物[3]，是集糧、油、牧、飼于一體的新型油料經(jīng)濟作物[4]。目前，由于油莎豆防風固沙、凈化生態(tài)環(huán)境、改良土壤等特點，我國逐漸開始重視油莎豆的生產(chǎn)，但是總體而言，種植規(guī)模面積仍然較小，種質(zhì)資源匱乏[5]。大豆起源于中國，栽培歷史悠久，營養(yǎng)價值豐富，是重要的糧食和油料作物[6]，由于我國對蛋白質(zhì)飼料消耗量巨大，大豆生產(chǎn)遠遠不能滿足人民需求，我國對進口大豆的依存度依然較高[7]。

本試驗主要是通過對三種種植模式下作物的生長動態(tài)、作物產(chǎn)量和根系分布特征等幾方面，對于油莎豆和大豆的間作模式，進一步進行探索和分析。楊文亭等人研究表明[8]，間作模式歷史久遠、類型豐富，主要分布在亞洲、非洲和南美洲地區(qū)，是一種可以充分利用自然資源，提高土地利用率，增加作物產(chǎn)量，減少病蟲草害發(fā)生的生態(tài)種植模式。曲慧杰等人研究表明[9]，在滴灌條件下，通過設(shè)置四種種植模式，得出間作模式促進油莎豆豐產(chǎn)的結(jié)論，其中大豆||油莎豆的種植模式在生物學特性、時空搭配、資源利用上的效果最好。陽振樂和陳星等人研究表明[10-11]，油莎豆綜合利用價值較高，富含油脂、蛋白質(zhì)、膳食纖維和礦物質(zhì)，具有豐富的營養(yǎng)，但是由于目前種植油莎豆所獲得的經(jīng)濟效益尚未達到傳統(tǒng)作物的水平，因而很難調(diào)動廣大農(nóng)戶種植油莎豆的積極性，油莎豆難以大面積推廣，也嚴重影響油莎豆的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，使得國內(nèi)油莎豆的產(chǎn)業(yè)化一直舉步維艱。所以需要通過提高作物產(chǎn)量、豐富油莎豆加工產(chǎn)品、改進開發(fā)模式等，來提升油莎豆種植效益，提高國內(nèi)認知度。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗材料選取油莎豆和大豆，于2022年在新疆石河子大學農(nóng)學院試驗站（44°19′N，86°03′E）進行，海拔437 m，土壤質(zhì)地為砂壤土，0～20 cm和20～40 cm的土壤容重分別為1.28 g∕cm3和1.31 g∕cm3，土壤全氮含量為0.72 g∕kg、有機質(zhì)含量為11.27 g∕kg，堿解氮含量為58 mg∕kg、速效鉀含量為204 mg∕kg、速效磷含量為51.7 mg∕kg。年降雨量180～270 mm，田間持水量24%，地下水位2 m 以下，平均地面坡度6%，年蒸發(fā)在1 000～1 500 mm，是典型的干旱地區(qū)。

1.2 試驗設(shè)計

1.2.1 種植模式

試驗于2022 年4 月17 日開始播種，在灌溉條件下，油莎豆一穴兩粒、大豆一穴兩粒，行比為3∶3，株行距設(shè)置為單、間作統(tǒng)一株行距40 cm，株距20 cm。試驗選擇三種種植模式，采用單因素隨機區(qū)組設(shè)計，分別為油莎豆單作（TT）、油莎豆||大豆（T||S）和單作大豆（SS），種植模式如圖一所示。

圖1 作物種植模式分布圖

1.2.2 樣品采集

從5月21日每隔15 d進行一次作物信息采集與記錄，包括株高、SPAD值等；之后陸續(xù)進入室內(nèi)試驗分析，8月中旬進行產(chǎn)量測定。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 株高

每個處理選擇長勢均勻連續(xù)的5株作物，利用卷尺測量其自然株高。基部至自然狀態(tài)下最高點為油莎豆株高，從子葉節(jié)到大豆生長點為大豆株高。

1.3.2 葉綠素含量

每個處理選取長勢均勻連續(xù)的5株作物，使用葉綠素儀測定葉片的SPAD值，分別測量3次，取平均值。

1.3.3 根系數(shù)據(jù)

每處理隨機取樣3次，使用根鉆在油莎豆、大豆根系附近垂直鉆取0～20 cm、20～40 cm 土層土樣。取樣后洗凈、挑根、拍照，通過WinRHIZO對根系圖像進行分析得到根長、根表面積、根體積等數(shù)據(jù)。

對油莎豆和大豆根長密度（RLD）進行分層計算，用每個區(qū)域的根長除以相應(yīng)的體積得到各個區(qū)域的根長密度，具體計算如下：

式（1）中Li表示對應(yīng)作物的總根長：Vi表示對應(yīng)作物的土體體積。

1.3.4 作物產(chǎn)量

每個處理選取3個長勢均勻的1 m×1 m樣地，記錄單、間作中油莎豆和大豆的產(chǎn)量并進行計算和分析。

1.3.5 間作優(yōu)勢

土地當量比LER是衡量間作比單作增產(chǎn)程度的一項指標，油莎豆與大豆間作時，其表達式為：

LER=（油莎豆間作時的產(chǎn)量∕油莎豆單作時的產(chǎn)量）+（大豆間作時的產(chǎn)量∕大豆單作時的產(chǎn)量）

LER=1，平產(chǎn)；LER ＞1，增產(chǎn)；LER ＜1，減產(chǎn)；LER越大，增產(chǎn)效果越好。

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用Microsoft Excel 2019分析處理數(shù)據(jù)，采用Sigmaplot、Origin等軟件繪圖和比較分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同種植模式下作物株高動態(tài)變化

株高是體現(xiàn)作物生長發(fā)育狀況的重要形態(tài)學指標之一，反映植株生長速度的快慢和健壯程度[12]。由圖2可知，間作大豆的株高大于單作的株高，呈現(xiàn)出“慢-快”的生長趨勢，5月21日至6月5日株高緩慢增長，6月5日至7月21日株高快速增長。在同一時期，間作大豆在6月5日增幅最低，為3.81%，6月20日增幅最高，為40%。

圖2 單、間作油莎豆、大豆株高的動態(tài)變化

間作模式下，單作油莎豆的株高大于間作油莎豆的株高，變化趨勢基本相似，呈現(xiàn)出“快-慢”的生長趨勢，差異相對較小，5月21日至7月5日株高快速增長，7月5日至7月21日株高緩慢增長。在同一時期，間作油莎豆在6月20號降幅最高，為27.45%，在7月5日降幅最低，為6.00%。

2.2 不同種植模式下作物根系形態(tài)特征

RLD的值反應(yīng)土壤向作物根系供應(yīng)養(yǎng)分的程度，RLD越大，越有利于吸收土壤中的營養(yǎng)和水分。由表1、表2可知，0～20 cm的土層參數(shù)變化最大，說明油莎豆和大豆的根系主要分布在0～20 cm的土層中。間作種植模式提高油莎豆和大豆的根長，油莎豆在0～20 cm、20～40 cm土層中根長的增幅分別為204.76%和80.95%，大豆在0～20 cm、20～40 cm 土層中根長的增幅分別為117.76%和54.55%，間作油莎豆在0～20 cm土層中的根長最長，為12.86 cm，增幅最大。

表1 不同種植模式下油莎豆不同深度的根系特征

表2 不同種植模式下大豆不同深度的根系特征

2.3 不同種植模式下各作物葉片SPAD值動態(tài)變化

由圖3可知，單、間作油莎豆的SPAD值變化趨勢均呈現(xiàn)“增-減”的單峰型曲線，5月28日至6月28日呈現(xiàn)增長趨勢，6月28日至7月26日呈現(xiàn)下降趨勢，在6月28日左右達到峰值，SPAD值為54.70和64.10，且6月13日至7月26日作油莎豆SPAD值顯著高于單作油莎豆。

圖3 單、間作油莎豆、大豆SPAD值的動態(tài)變化

單、間作大豆的SPAD值變化趨勢均呈現(xiàn)“增-減-增-減”的雙峰型曲線，5月28日至6月13日、6月28日至7月12日呈現(xiàn)增長趨勢，6月13日至6月28日、7月12日至7月26日呈現(xiàn)減小趨勢，在6月13日和7月12日達到峰值，在6月13日時單、間作大豆峰值分別為42.63和43.10，在7月12日峰值分別為44.10和46.80，并且在7月12日間作大豆SPAD值顯著高于單作大豆。

2.4 不同種植模式下作物產(chǎn)量及土地當量比

土地當量比是衡量間作產(chǎn)量優(yōu)勢的指標之一。由表3可知，間作油莎豆產(chǎn)量高于單作油莎豆產(chǎn)量，增幅為21.53%；間作大豆的產(chǎn)量高于單作大豆的產(chǎn)量，增幅為2.00%，產(chǎn)量差異較小。經(jīng)過計算，間作土地當量比LER=2.24＞1，表明間作比單作效率高，增產(chǎn)率為123.63%。

表3 不同種植模式下油莎豆、大豆的產(chǎn)量及土地當量比

3 討論

株高體現(xiàn)作物的生長發(fā)育狀況，且與單株產(chǎn)量極顯著正相關(guān)[13]。由試驗結(jié)果可知，間作大豆大于單作大豆株高，說明間作提高了大豆的株高，提升了大豆捕捉光能的能力，增加光合速率，從而提高了效率和產(chǎn)量；單、間作油莎豆的株高生長趨勢相似，間作油莎豆的株高低于油莎豆，但是產(chǎn)量和根系均為最高，間作油莎豆的葉綠素含量大于單作油莎豆的葉綠素含量，差異顯著，且發(fā)育后期大于發(fā)育前期葉綠素含量。出現(xiàn)這種現(xiàn)象可能是因為大豆在前期生長時所需的氮素較多，根瘤菌供不應(yīng)求，還要從土壤中獲取；而后期植株生長發(fā)育減慢，根瘤菌提供氮素，供大于求，從而使油莎豆充分吸收土壤中的營養(yǎng)元素，促進發(fā)育，所以發(fā)育后期間作油莎豆株高的降幅小于發(fā)育前期株高降幅，而單作油莎豆發(fā)育后期競爭激烈，所以產(chǎn)量低于間作油莎豆產(chǎn)量。

葉綠素含量是反映植物豐產(chǎn)性能的生理指標之一，在一定程度上可以代表作物光合作用的強度[14]。由試驗結(jié)果可知，單、間作油莎豆的SPAD值變化趨勢呈單峰型，單、間作大豆的SPAD值變化趨勢呈雙峰型，間作油莎豆和大豆生育期后期SPAD值顯著高于單作油莎豆和大豆。原因可能是，間作種植條件下，間作大豆的株高更高，捕捉光能的能力更強，光合作用強度更高；間作油莎豆根系主要分布在0～20 cm的土層，總根長最長，由于大豆的固氮作用使油莎豆吸收營養(yǎng)元素更充足，氮素影響SPAD值，在一定范圍內(nèi)，含氮量增高，SPAD值上升，同時大豆相對遮光能力弱，利于油莎豆進行光合作用，從而影響作物產(chǎn)量。

根系是吸取營養(yǎng)和水分的主要器官，農(nóng)作物之間的相互作用與根系參數(shù)在空間上的分布密切相關(guān)[15]。合理的間作種植能夠充分利用根系生態(tài)位的差異，降低種間競爭，促進養(yǎng)分的高效吸收與利用[16]。由試驗結(jié)果可知，油莎豆和大豆的根系主要分布在0～20 cm土壤層中，間作提高了根長，顯著提升了油莎豆和大豆各土層的RLD值，其中0～20 cm土層中間作油莎豆的根長最長，增幅最大。間作大豆通過固氮作用，提升了油莎豆的根系活力，促進了間作油莎豆的生長發(fā)育，從而影響產(chǎn)量。

4 結(jié)論

試驗表明，作物的產(chǎn)量受株高、SPAD值、根系參數(shù)、種植方式等方面影響。LER=2.24 ＞1，表示油莎豆和大豆的間作模式具有間作優(yōu)勢，主要是通過大豆的固氮作用，使間作油莎豆可以高效、充分地吸收養(yǎng)分，從而促進間作油莎豆的生長發(fā)育，達到豐產(chǎn)的目標。為了使研究結(jié)果更準確，后續(xù)還需要進行大量的試驗來驗證與完善。