曲慧杰，王秀媛，申 磊，李魯華，劉建國(guó)，王家平，程志博，張 偉

（石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院，新疆 石河子 832000）

0 引言

油莎豆（Cyperus esculentusL.）又名油莎草、虎堅(jiān)果，是莎草科一年生優(yōu)良草本油料作物。油莎豆大概是已知的唯一一種能在塊莖中積累大量油脂的植物，它不僅可以榨油，將其磨成粉還可用于無(wú)筋面條的生產(chǎn)[1，2]。油莎豆具有低投入、高產(chǎn)量、高出油率、高營(yíng)養(yǎng)的特點(diǎn)，因此有“油料植物之王”的美稱[3]。

油莎豆中含有優(yōu)良蛋白質(zhì)，具有豐富的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，由其制成的油是一種天然高油酸食用油，在牛肉漢堡中使用油莎豆油來(lái)替代牛油，可以降低總脂肪和飽和脂肪含量并增加不飽和脂肪酸，從而獲得被廣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體健康，由于油莎豆淀粉在人體內(nèi)吸收很慢，所以對(duì)人體飯后血糖的穩(wěn)定有促進(jìn)作用，且有研究發(fā)現(xiàn)，特制的油莎豆飲品可作為具有抗糖尿病潛力的功能性飲料[4，7]。此外，有研究表明，定期食用油莎豆可能對(duì)記憶相關(guān)的疾病起到有益作用[8]。油莎豆不僅有如此高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，還具有一定的社會(huì)價(jià)值：油莎豆原產(chǎn)于非洲，其根系發(fā)達(dá)、抗逆性強(qiáng)，因此可利用油莎豆進(jìn)行防風(fēng)固沙，這對(duì)土壤改良、減緩?fù)恋鼗哪兄匾暙I(xiàn)；目前，我國(guó)食用油依賴于他國(guó)的比重較大，種植油莎豆可以減少油類的進(jìn)口量，早日實(shí)現(xiàn)食用油的自給自足；作為一種新型作物，油莎豆種植條件低、利用方式多、發(fā)展前景廣的特點(diǎn)利于農(nóng)民脫貧致富[9]。

盡管油莎豆具有很高的應(yīng)用價(jià)值，但與橄欖油、花生油等其他植物油相比，它的開(kāi)發(fā)與利用相對(duì)較少[10]，此外，有些地區(qū)認(rèn)為油莎豆是世界上危害最嚴(yán)重的雜草之一[11]。自上個(gè)世紀(jì)以來(lái)，油莎豆就作為一種高效的經(jīng)濟(jì)作物引種到我國(guó)，然而時(shí)至今日依然沒(méi)有得到完善的發(fā)展，有以下幾個(gè)原因：首先是技術(shù)問(wèn)題，無(wú)論是加工還是研究，均不夠完善；其次，由于我國(guó)對(duì)油莎豆的推廣力度不足導(dǎo)致種植面積較少而使種質(zhì)資源匱乏[12]。

在農(nóng)業(yè)部印發(fā)的《全國(guó)種植業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整規(guī)劃（2016—2020 年）》中提到要多油并舉，在適宜地區(qū)示范推廣油莎豆。作物獲取高產(chǎn)且發(fā)揮種間優(yōu)勢(shì)的關(guān)鍵就是采取合理的種間配置[13]。間作是一種可以充分利用自然資源，提高土地、植物所需元素的利用率，減少病蟲(chóng)草害發(fā)生的生態(tài)種植模式[14]。豆科植物與禾本科間作的歷史源遠(yuǎn)流長(zhǎng)，這種種植模式可利用豆科作物的固氮作用，還可促進(jìn)禾本科植物對(duì)氮素的吸收與利用，從而提高氮素利用率，使植株獲得高產(chǎn)[15-18]。

部分地區(qū)為緩解風(fēng)沙區(qū)的平緩沙地或沙化退化土地問(wèn)題，采用油莎豆與豆科植物間作輪作模式，可減少油莎豆重茬連作障礙，有助于沙化退化土地生產(chǎn)力提升及生態(tài)修復(fù)[19]。油莎豆的栽培方式多樣，其中間作套種能使種植資源得到合理配置，提高光能利用率。油莎豆間作套種模式適合在風(fēng)蝕地推廣，既可以保持水土、充分利用土地資源，又能抑制雜草叢生、實(shí)現(xiàn)土壤改良[20]。目前，我國(guó)油莎豆種植正處于發(fā)展階段，對(duì)油莎豆開(kāi)展相關(guān)研究必不可少，研究其適宜的間作模式也非常重要，因此探究不同間作條件下其根系的分布形態(tài)也具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于新疆石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院試驗(yàn)站（44°18′N，86°03′E）進(jìn)行，海拔437m，年均日照2680h，無(wú)霜期 160～170d，≥10℃積溫 3693℃，年平均氣溫6.1℃，年降雨量180～270mm，田間持水量24%，地下水位2m 以下，平均地面坡度6%，年輻射量為5390MJ·m-2，為典型的半干旱氣候類型。土壤為砂壤土，土壤有機(jī)質(zhì)11.21g·kg-1，全氮0.74g·kg-1、速效磷（P2O5）51.20mg·kg-1、速效鉀（K2O）193.00mg·kg-1、堿解氮61.00mg·kg-1。0～20、20～40cm土壤容重分別為1.29g·cm-3和1.32g·cm-3。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2020 年5 月17 日播種，采用膜下滴灌種植方式，膜寬2.07m，1 膜4 管5 行，株行距設(shè)置為等行距40cm，株距25cm。采用單因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，設(shè)4種種植模式：油莎豆單作（TT）、玉米‖油莎豆（M‖T）、大豆‖油莎豆（S‖T）、棉花‖油莎豆（C‖T）（間作組合如圖1所示），每組2次重復(fù)。

圖1 試驗(yàn)行間距配置圖Figure 1 Plant spacing configuration diagram in test

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 土壤含水量使用根鉆垂直鉆入土中，分別選取 0～20cm、20～40cm 和40～60cm 土層的土樣，每小區(qū)隨機(jī)取樣三次。樣品取回后立即稱重，隨后在105℃烘箱內(nèi)烘干，冷卻至室溫后稱重。

1.3.2 葉綠素含量（SPAD 值）每小區(qū)隨機(jī)選三株油莎豆，用葉綠素儀測(cè)定葉片SPAD值。

1.3.3 株高每小區(qū)隨機(jī)選三株油莎豆，利用卷尺測(cè)量其自然株高（油莎豆基部至自然狀態(tài)下最高點(diǎn)）。

1.3.4 葉面積每小區(qū)隨機(jī)選三株油莎豆，每株隨機(jī)取3片展開(kāi)葉平鋪在A4紙上，葉片旁放置一枚壹元硬幣拍照，通過(guò)Photoshop 2020 測(cè)定葉片及硬幣像素大小，通過(guò)對(duì)比計(jì)算出葉面積。

1.3.5 鮮重每小區(qū)隨機(jī)選三株油莎豆，測(cè)定地上部與地下部的鮮重。

1.3.6 根每小區(qū)隨機(jī)取樣三次，使用根鉆在油莎豆根系附近垂直鉆取0～20cm、20～40cm 和40～60cm 土層土樣。取樣后，將根挑出并拍照，通過(guò)WINRHIZO 對(duì)根系圖像進(jìn)行分析，得到根系圖像數(shù)據(jù)。

1.3.7 產(chǎn)量每小區(qū)隨機(jī)選三株油莎豆，計(jì)算其理論產(chǎn)量。

1.3.8 間作優(yōu)勢(shì)土地當(dāng)量比是衡量間混作比單作增產(chǎn)程度的一項(xiàng)指標(biāo)，其計(jì)算公式為式中，Yi表示第i個(gè)作物在間混作時(shí)的單產(chǎn)；Yii表示第i個(gè)作物在單作時(shí)的單產(chǎn)。土地當(dāng)量比等于1 表示平產(chǎn)，大于1 表示增產(chǎn)，小于1 表示減產(chǎn)。土地當(dāng)量比越大，表明間混套作增產(chǎn)的幅度越大，效果越好[21]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

使用Excel 2019 和Sigma Plot 14.0 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 間作條件下的土壤含水量

由圖2 所示可知，在0～20cm 土層TT 模式的含水量最高，為14.75%，分別比M‖T組合、S‖T組合和C‖T 組合提升26.65%、12.27%和27.61%，其中TT模式與S‖T組合差異較小，M‖T組合與C‖T組合的結(jié)果相當(dāng)。

圖2 不同種植模式下的土壤含水量Figure 2 Soil moisture content under different planting patterns

20～40cm 土層4 種模式間差異較小，標(biāo)準(zhǔn)偏差達(dá)0.39%。

40～60cm 土層C‖T 組合的土壤含水量最高，為15.81%，分別比TT 模式、M‖T 組合和S‖T 組合提高16.39%、18.05%和9.66%，相比0～20cm土層整體差異變小。其中TT模式下土壤含水量相對(duì)較低，并且TT模式與M‖T組合土壤含水量相當(dāng)。

TT模式土壤含水量的標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.61%，M‖T模式為 1.16%，S‖T 模式為 0.83%，C‖T 模式為2.19%，其中C‖T組合不同土層的土壤含水量差異較大，TT模式下差異最小。

2.2 間作條件下油莎豆葉綠素含量的變化

由圖3所示可知，油莎豆的SPAD值隨生育期的變化而變化，時(shí)間越長(zhǎng)，葉綠素含量越高。7月10日時(shí)，4 種模式的葉相差較小，M‖T 組合中油莎豆葉綠素含量偏高，比TT模式提高11%；C‖T組合葉綠素含量最低，比TT模式降低5%。

圖3 不同種植模式油莎豆SPAD值的動(dòng)態(tài)變化Figure 3 The dynamic change of SPAD of tiger nut in different plantingpatterns

7 月 25 日，變化最明顯的是 S‖T 組合，較 7 月10日增長(zhǎng)42%，比TT模式提高35%；C‖T組合葉綠素含量依然最低，比TT 模式降低4%；M‖T 組合葉綠素值變化幅度小，增長(zhǎng)速度最慢，提高了1%。

2.3 間作條件下油莎豆株高的變化

由圖4 所示可知，油莎豆整個(gè)生育期的株高在TT 模式下整體偏高，只有 7 月 20 日時(shí)比 M‖T 組合和C‖T組合低6%；S‖T組合整體偏低，6月30日時(shí)比TT 模式低30%，其后時(shí)間點(diǎn)分別比TT 模式低12%、13%和16%，TT 模式和S‖T 組合的油莎豆株高變化趨勢(shì)相似。

圖4 不同生育期油莎豆株高的變化Figure 4 The variation of plant height in different growth stages of tiger nut

在 6 月 30 日時(shí)，TT 模式和 C‖T 組合的油莎豆株高相近，C‖T組合比TT模式降低8%，M‖T組合和S‖T 組合的油莎豆株高相近，分別低于TT 模式33%和30%；7月25日，不同種植模式下油莎豆的株高分布與 6 月 30 日相似，TT 模式和 C‖T 組合的株高相近，C‖T 組合比TT 模式降低0.5%，M‖T 組合和S‖T 組合的株高相近，分別低于TT 模式17%和16%。

7月20日，M‖T組合和C‖T組合的油莎豆株高接近且高于TT 模式，但隨后M‖T組合的油莎豆株高增長(zhǎng)率降低；TT模式和S‖T組合的油莎豆株高與7月15日相似，較前次測(cè)量分別提高3.7%和2.4%。

前期時(shí)，4種模式的油莎豆株高差異相對(duì)較小，到了后期，隨著作物的生長(zhǎng)發(fā)育，差異逐漸增大。

2.4 間作條件下油莎豆葉面積、地下部與地上部鮮重比的變化

由圖5 所示可知，4 種模式中TT 模式的葉面積最大，M‖T 組合、S‖T 組合和 C‖T 組合依次遞減。其中TT 模式（1721.54）與M‖T 組合（1677.03）葉面積差異相對(duì)較小，TT 模式與C‖T 組合（1220.18）的差異相對(duì)較大。

圖5 不同種植模式下葉面積及地下部與地上部鮮重比的變化Figure 5 The change of leaf area and fresh-weight ra?tio of underground and aboveground parts under differ?ent planting patterns

4 種模式中，TT 模式中油莎豆地下部與地上部鮮重比較大（73%），M‖T組合中油莎豆地下部與地上部鮮重比較小（29%），其可能原因是：油莎豆生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中，由于玉米的植株相對(duì)于油莎豆來(lái)說(shuō)比較高大，油莎豆在生長(zhǎng)過(guò)程中無(wú)法接收到足夠的光照，使得根部發(fā)育較差；而TT模式正好相反，油莎豆間遮光現(xiàn)象較少，油莎豆在生長(zhǎng)過(guò)程中可獲得充足的光照，從而根部發(fā)育良好。

2.5 間作條件下產(chǎn)量及根部參數(shù)的對(duì)比

由表1所列可知，4種模式下，油莎豆在S‖T組合中取得最高產(chǎn)量為3714.939kg·hm-2，比TT模式提高21%；其次是TT模式，產(chǎn)量為3069.966kg·hm-2，比S‖T模式每公頃低644.973kg；M‖T組合和C‖T組合依次降低，且二者產(chǎn)量相當(dāng)，分別為2468.456kg·hm-2和2312.256kg·hm-2，比TT模式分別降低20%和25%。

表1 不同種植模式下油莎豆的產(chǎn)量及土地當(dāng)量比Table 1 Yield and land equivalent ratio of tiger nut un?der different planting patterns

三種間作模式均有間作優(yōu)勢(shì)，C‖T組合土地當(dāng)量比為1.51；M‖T組合為1.66；S‖T組合為2.26，是三種間作模式中收益比最高的，說(shuō)明豆科作物的固氮作用有利于間作作物的生長(zhǎng)發(fā)育，且大豆植株相對(duì)遮光弱，有利于油莎豆進(jìn)行光合作用。

由圖6 所示可知，不同模式下三種深度的土壤體積、總根長(zhǎng)和總投影面積的變化趨勢(shì)相似，0～20cm土層參數(shù)變化最大，說(shuō)明油莎豆的根系主要分布在此土層。0～20cm 土層和20～40cm 土層的總根長(zhǎng)變化相反，在土壤上層S‖T 組合的總根長(zhǎng)最長(zhǎng)，可能是由于大豆的固氮作用使油莎豆吸收養(yǎng)分更充足。

圖6 不同模式下不同深度的土壤體積、總根長(zhǎng)和總投影面積的變化Figure 6 Changes of soil volume，total root length and total projected area at different depths under different patterns

3 討論

由株高和葉面積數(shù)據(jù)可知，TT 模式長(zhǎng)勢(shì)最好。在葉綠素含量和葉面積大小方面，C‖T模式一直在四種模式中最低，說(shuō)明葉片相對(duì)較黃且小，可能原因是棉花在生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中要吸收大量鉀元素，致使油莎豆攝取鉀元素較少，吸收元素不平衡，最終導(dǎo)致油莎豆發(fā)育較差，產(chǎn)量也是四種模式中最低。

S‖T組合最終產(chǎn)量及根系均為最高，地上部相關(guān)數(shù)據(jù)均居中，但由葉綠素含量可看出，S‖T 組合后期長(zhǎng)勢(shì)較好。可能的原因是：大豆在前期生長(zhǎng)時(shí)由于根瘤菌并不能完全提供大豆生長(zhǎng)所需的氮素，還需從土壤中獲取，并且大豆還要給根瘤菌提供營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)；后期植株生長(zhǎng)發(fā)育減慢且根瘤菌可提供充足的氮素，從而使油莎豆可以充分吸收土壤中的元素。而TT模式后期同前期一樣，一直處于競(jìng)爭(zhēng)條件下，所以產(chǎn)量才會(huì)低于S‖T模式。

由于適當(dāng)遮光有助于作物生長(zhǎng)[22-24]，雖然玉米前期葉片會(huì)遮住部分光，但使得M‖T 組合中油莎豆的葉綠素含量偏高，葉面積偏大。后期玉米遮光嚴(yán)重，已經(jīng)阻礙了油莎豆的生長(zhǎng)，因此M‖T組合各項(xiàng)指標(biāo)均靠后。除此之外，玉米為了自身生長(zhǎng)需要，其根系相對(duì)發(fā)達(dá)，與油莎豆根系競(jìng)爭(zhēng)激烈，所以其地下部與地上部鮮重比數(shù)值最小，從而影響最終產(chǎn)量。

4 結(jié)論

不同種植模式對(duì)油莎豆的影響不同，油莎豆與大豆間作的效果最佳，雖然M‖T組合和C‖T組合同樣具有間作優(yōu)勢(shì)，但是油莎豆相對(duì)低產(chǎn)。為使試驗(yàn)結(jié)果更準(zhǔn)確，后續(xù)仍需繼續(xù)相關(guān)試驗(yàn)。