玉米‖油莎豆對作物生長發(fā)育及產(chǎn)量的影響

孫雪瑩，劉婷婷，唐興勇，曲慧杰，劉 政，宿 可，李宗宸，位守燃，丁曉燕，陳璐璐，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）

油莎豆原產(chǎn)于非洲東北部，是目前已知唯一在塊莖器官中積累大量油脂的特種經(jīng)濟(jì)作物，其營養(yǎng)豐富，是一種優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、綜合利用價(jià)值較高的油、糧、飼、藥多用新型經(jīng)濟(jì)作物[1-2]。作為一種原產(chǎn)于沙漠干旱地區(qū)的植物，油莎豆根系發(fā)達(dá)，分蘗能力強(qiáng)，生長迅速，適應(yīng)性強(qiáng)，產(chǎn)量可觀，且抗旱、抗鹽堿能力強(qiáng)、耐瘠薄，在我國南北方各地的沙灘、丘陵、坡地、林間均可種植[3]。玉米作為常見的糧食作物，價(jià)值與用途極為廣泛，在我國種植分布廣，對保障我國糧食安全有重要作用[4]，也是北疆的主要糧食作物之一。

隨著我國農(nóng)業(yè)種植業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，油莎豆種植面積逐漸擴(kuò)大。油莎豆產(chǎn)量高（單產(chǎn)干豆可達(dá)500～600 kg/667 m2），含油量高，在20%～25%，單產(chǎn)油量在120 kg/667 m2以上，收益可觀，油莎豆單位面積產(chǎn)油量是大豆的5倍、油菜的2倍。油莎豆油富含多種維生素和不飽和脂肪酸，綜合營養(yǎng)價(jià)值可媲美橄欖油[5]。雖然油莎豆行業(yè)發(fā)展緩慢，但近年來，我國加大了油料作物在新疆等地的種植面積，擴(kuò)大油莎豆種植面積，可以減少對大豆的依存度，提高油料自給能力。

間作模式是一種能夠有效提高作物產(chǎn)量和土地利用率的高效種植模式，在間作模式中，種間相互作用是間作優(yōu)勢發(fā)揮的關(guān)鍵，種間相互作用包括種間競爭和種間促進(jìn)作用，兩者總是同時(shí)存在并起作用，當(dāng)種間競爭作用小于種間促進(jìn)作用時(shí)，種間相互作用即表現(xiàn)為間作優(yōu)勢[6]。大量研究表明，間作作物在時(shí)間、空間、營養(yǎng)元素吸收利用方面形成的生態(tài)位分離促成了間作作物對資源的高效利用。因此，優(yōu)化種間配置是間作系統(tǒng)體現(xiàn)產(chǎn)量優(yōu)勢的基礎(chǔ)[7-9]。而在已有的間作試驗(yàn)中，油莎豆表現(xiàn)出了較好的適配性[10]。早在1975年進(jìn)行的玉米和油莎豆間作試種試驗(yàn)中，就測出油莎豆出油率為17%，比大豆出油率高6%，含油量可觀，說明油莎豆可以與其他作物間作[11]。研究玉米‖油莎豆對保障國家糧油安全和提高油料自給能力，提高土地利用率有著重要意義。

目前對玉米和油莎豆間作系統(tǒng)中影響玉米和油莎豆植株生長發(fā)育及產(chǎn)量形成方面的研究報(bào)道較少。本試驗(yàn)通過研究北疆滴灌條件下玉米、油莎豆單、間作系統(tǒng)的群體特征、產(chǎn)量形成規(guī)律、生理特性及根系形態(tài)結(jié)構(gòu)與分布特征，揭示玉米‖油莎豆的種間關(guān)系及其根系分布規(guī)律、土地當(dāng)量比，旨在為兩種作物間作模式的推廣提供理論依據(jù)，以實(shí)現(xiàn)這兩種作物的優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

本試驗(yàn)于2022年4月至9月在石河子大學(xué)北苑新區(qū)農(nóng)學(xué)院試驗(yàn)站（44°18′N，86°03′E）進(jìn)行，試驗(yàn)區(qū)海拔437 m，年均日照時(shí)數(shù)2 680 h，無霜期160～170 d，≥10 ℃積溫3 693 ℃，年平均氣溫為6.1 ℃，年降雨量180～270 mm，田間持水量24%，平均地面坡度6%，年輻射量為5 390 MJ/m2。試驗(yàn)地土壤為砂壤土，0～20 cm、20～40 cm土壤容重分別為1.29 g/cm3、1.32 g/cm3。土壤有機(jī)質(zhì)含量11.21 g/kg，全氮含量0.74 g/kg、速效磷（P2O5）含量51.2 mg/kg、速效鉀（K2O）193 mg/kg、堿解氮含量61 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)于2022年4月17日播種。采用膜下滴灌種植方式，膜寬2.07 m，1膜2管4行，等株行距設(shè)置。行距設(shè)置均為40 cm，株距均為20 cm。試驗(yàn)采用單因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，設(shè)1種間作組合和2種作物單作，分別為：油莎豆‖玉米、油莎豆單作、玉米單作（圖1）。

圖1 試驗(yàn)種植模式

1.3 測定指標(biāo)與方法

1.3.1 株高

各種植模式隨機(jī)選取連續(xù)具有代表性的8株進(jìn)行標(biāo)記并用卷尺測量玉米、油莎豆兩種植物的自然株高，篩去最大值和最小值，記錄平均值。

1.3.2 葉綠素含量

測量儀器為SPAD-502葉綠素儀。在玉米、油莎豆的單、間作種植模式區(qū)域測量標(biāo)記的隨機(jī)6株作物，利用葉綠素儀分別測量玉米、油莎豆葉片的SPAD值，每張葉片測定3次取平均值。

1.3.3 根系數(shù)據(jù)采集

每個(gè)小區(qū)隨機(jī)取樣3次，取植株0～20 cm、20～40 cm周圍的土樣，每個(gè)種植模式取3次重復(fù)，將土樣在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)清洗干凈，使用鑷子將根樣挑出，置于帶有1 cm2的正方形方框的白紙上進(jìn)行拍照，用WINRHIZO 2020a獲取植株相應(yīng)土層的根長、根表面積和根體積等各項(xiàng)特征參數(shù)。

1.3.4 產(chǎn)量測定

采用1 m×1 m樣方法，隨機(jī)選取3個(gè)樣方，分別記錄各種植模式作物的產(chǎn)量構(gòu)成因子并計(jì)算理論產(chǎn)量。

本文從礦區(qū)地質(zhì)特征入手，系統(tǒng)分析礦床的地質(zhì)特征，礦床成因及物質(zhì)來源，總結(jié)出該區(qū)的成礦規(guī)律，為深、邊部找礦提供思路。

1.3.5 間作優(yōu)勢

土地當(dāng)量比LER作為衡量產(chǎn)量優(yōu)勢的一項(xiàng)指標(biāo)，玉米與油莎豆間作時(shí)，其表達(dá)式為：

LER=（玉米間作時(shí)的產(chǎn)量/玉米單作時(shí)的產(chǎn)量）+（油莎豆間作時(shí)的產(chǎn)量/油莎豆單作時(shí)的產(chǎn)量）

當(dāng)LER＞1，表明間作比單作效率高；當(dāng)LER＜1為間作劣勢。

（LER-1）×100%則是間作的增產(chǎn)率。

1.4 數(shù)據(jù)處理

將田間和室內(nèi)獲取的數(shù)據(jù)利用Microsoft Excel 2020整理并處理，采用SPSS 20.0 軟件利用Duncan法檢驗(yàn)處理間差異，用Sigmaplot 14繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 各處理作物株高動(dòng)態(tài)變化

由圖2可知，單作玉米整個(gè)生育時(shí)期株高整體偏高，5月21日至6月5日，單作玉米和間作玉米株高變化趨勢相近，6月5日至20日，作物生長發(fā)育較快，間作玉米較單作玉米株高降低了7.1%，6月20日后，間作玉米株高均低于單作玉米，前期單、間作玉米株高差異不大，后期隨作物生長發(fā)育單間作玉米株高差異逐漸變大。

圖2 不同種植模式下油莎豆、玉米株高變化

2.2 各處理作物SPAD值動(dòng)態(tài)變化

由圖3可知，作物的葉綠素值在前期生長階段隨著生育時(shí)期的推進(jìn)葉綠素含量隨之增加；而在后期接近成熟期時(shí)，隨時(shí)間的變化，葉綠素含量下降。

圖3 不同種植模式下油莎豆和玉米SPAD值變化

單作油莎豆在整個(gè)生長發(fā)育階段的葉綠素含量整體低于間作油莎豆，且單作油莎豆和間作的油莎豆總體葉綠素含量呈先增長后下降的趨勢，在6月13日，單作油莎豆比間作油莎豆葉綠素含量低3%，在6月18日葉綠素含量均達(dá)到最大值，在6月18日后，葉綠素含量逐漸下降，分別降低了15.6%、9.6%。

單作玉米與間作的玉米葉綠素含量總體上也呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢，間作玉米在前期增長變化較緩慢，在后期下降幅度較大；6月18日，間作玉米整體葉綠素含量高于單作玉米，且葉綠素含量達(dá)到最高，單作玉米比間作玉米葉綠素含量低4.7%，6月18日至7月12日，間作玉米葉綠素含量降低幅度較大，降低了23%。

2.3 各處理作物地下部根系形態(tài)特征分析

由圖4、圖5可看出，隨著生育時(shí)期的進(jìn)行，各土層深度的植株根系RLD值呈上升的趨勢；隨著土層深度的增加，植株根系RLD值分別呈下降的趨勢。由圖4可知，整個(gè)生育期間作玉米根系RLD值高于單作玉米的RLD值，在各時(shí)期0～20 cm土層增幅分別為59.52%、54.71%、49.18%，20～40 cm土層增幅分別為71.42%、77.14%、51.02%，玉米根系主要分布在0～20 cm土層。由圖5可知，油莎豆根系發(fā)達(dá)，根系在0～20 cm、20～40 cm土層分布都較多，且間作油莎豆根系RLD值也明顯高于單作油莎豆根系RLD值，且在各時(shí)期0～20 cm土層增幅分別為25.51%、20.66%、74.43%，20～40 cm土層增幅分別為82.6%、11.47%、85.71%。

圖4 不同種植模式下玉米各土層深度RLD值

圖5 不同種植模式下油莎豆各土層深度RLD值

2.4 各處理作物產(chǎn)量及土地當(dāng)量比

由表6可知，單作油莎豆產(chǎn)量為3 163.96 kg/hm2，間作油莎豆產(chǎn)量為2 431.45 kg/hm2，間作油莎豆比單作油莎豆產(chǎn)量降低了30.1%，單作玉米的產(chǎn)量為7 326.27 kg/hm2，間作玉米產(chǎn)量為6 687.62 kg/hm2，間作玉米比單作玉米產(chǎn)量降低了10%。

表6 不同種植模式下玉米和油莎豆的產(chǎn)量以及土地當(dāng)量比

由土地當(dāng)量比LER公式計(jì)算得出，間作土地當(dāng)量比LER=1.68＞1，增產(chǎn)率為68%，說明玉米‖油莎豆模式具有間作優(yōu)勢。

3 討論

株高在一定程度上可以反映作物的生長發(fā)育狀況，株高也影響著作物的光合作用能力，株高越高，越容易對光進(jìn)行吸收[12]。本研究表明，在間作種植模式下，間作油莎豆的株高略高于單作油莎豆，說明間作可以有效的提高油莎豆的株高，間作玉米株高低于單作玉米，使其光合速率下降進(jìn)而影響了間作玉米的產(chǎn)量。

葉綠素含量表示作物光合作用的強(qiáng)弱[13]，根據(jù)SPAD值變化可對作物葉片氮素含量進(jìn)行測量[14]，玉米和油莎豆間作形成的高低位空間分布會(huì)對兩種作物的光合作用產(chǎn)生影響，本研究表明，間作油莎豆葉綠素含量整體高于單作油莎豆，油莎豆與玉米間作相互影響，使作物葉綠素含量偏高，但后期間作油莎豆葉綠素含量下降幅度較大，可能是因?yàn)楹笃谟衩讓τ蜕拐诠鈬?yán)重，使其對太陽光的吸收和反射受到影響，葉綠素合成受阻，降低了植物的光合作用，進(jìn)而降低了間作油莎豆產(chǎn)量。

作物根系為作物提供土壤水分及養(yǎng)分等物質(zhì)，根系的生長狀況，可以直接影響地上部分作物的生長發(fā)育情況[15]。在本試驗(yàn)中，間作玉米株高低于單作玉米株高，前期差異不明顯，后期差異較大。玉米為了自身生長需要，其根系相對發(fā)達(dá)，但與油莎豆間作后會(huì)導(dǎo)致根系產(chǎn)生競爭，影響了后期玉米長勢，但玉米和油莎豆的競爭關(guān)系也提高了作物根系活力，增加了玉米和油莎豆根系的空間分布范圍。

作物的每一生長發(fā)育階段好壞都對作物最后的產(chǎn)量有一定的影響，在本研究中，間作油莎豆由于受到玉米的遮陰作用，降低了間作油莎豆的SPAD值，葉片中葉綠素含量水平減少，光合速率降低，光合同化產(chǎn)物干物質(zhì)積累量減少，影響間作油莎豆生長發(fā)育，造成間作油莎豆減產(chǎn)。在本試驗(yàn)中，玉米‖油莎豆的LER=1.68＞1，說明玉米‖大豆種植模式下能有效提升土地的產(chǎn)量優(yōu)勢，具有間作優(yōu)勢。

4 總結(jié)

本試驗(yàn)表明，間作模式使油莎豆的株高和葉綠素SPAD值增加，使玉米的株高和SPAD值降低，玉米和油莎豆呈現(xiàn)高低分布的空間形態(tài)，前期作物光合作用較強(qiáng)，光合速率較快，后期玉米的遮蔭作用導(dǎo)致油莎豆后期光合速率顯著下降，但玉米和大豆間作之間的競爭關(guān)系，使得作物根系之間競爭，提升了根系的活力，擴(kuò)大了根系在空間上分布的范圍，具有間作優(yōu)勢。