油莎豆（Cyperus esculentus L. var. sativus）又名油莎草，是莎草科莎草属多年生草本 C₄ 植物^[1]，原产于非洲，于 1952 年从苏联引种至我国，目前在我国广泛种植^[2]。油莎豆块茎在西班牙语中通常被称为虎坚果（tiger nuts）或“chufa”^[3]。其耐旱耐贫瘠，分蘖能力强，生命力旺盛，适合在沙地生长^[4]。生产上作为一年生作物栽培，地上叶片可收割后加工作鹅、牛、羊饲料，地下部分可采收根系和块茎加工成食品和药品，是集油、粮、牧、饲于一体的新型作物^[5-6]。此外，由于其适沙耐贫瘠的特性，近年来被用作防风固沙和生物沙障的主要物种，用于开发其生态价值^[7-8]。

科尔沁沙地是典型生态脆弱区，与油莎豆原产地环境条件相似，能够为油莎豆的生长发育提供适宜的沙质土壤和水热条件，但由于生态脆弱区土壤养分贫瘠，沙质土壤漏水漏肥，需要增施氮、磷、钾肥供给油莎豆生长发育^[9]。肥料中添加抑制剂可延缓尿素水解以及铵态氮向硝态氮的转化过程，减少氮肥的淋溶损失并抑制 N₂O 的释放，满足作物长期的养分需求^[10]。有机肥具有养分全和释放缓慢的特点^[11]，施用有机肥有利于土壤微生物碳、氮的周转，改善土壤养分和水分条件，是培肥沙地土壤的重要措施^[12]。

翻耕有利于作物根系生长，然而科尔沁沙地起沙风频率高，土壤抗风蚀能力差，一旦翻耕，地表裸露极易遭受风蚀侵害^[13]。免耕、秸秆覆盖、覆膜等保护性耕作措施能够减少土壤扰动，对土壤养分有表层富集的作用，但长期免耕等保护性耕作措施使土壤全氮含量与翻耕相比有下降趋势^[14]。耕作方式的选择要兼顾经济效益和生态效益。因此，明确油莎豆地上性状和地上地下生物量对不同肥料种类及耕作方式的差异响应，对于提高养分利用效率，揭示油莎豆对环境条件的适应机理具有重要的意义。

1 研究区域与研究方法

1.1 研究区域概况

试验样地位于辽宁省西北部的彰武县大德镇，地处科尔沁沙地东南缘蒙辽边界处，西邻内蒙古科尔沁左翼后旗，南接大冷蒙古族乡。属亚湿润干旱区，年降水量 450～550 mm，年蒸发量 1200～1450 mm，年均温 5.7℃。瞬间最大风速32 m/s，每年大于 5 m/s 的起沙风达 240 次，平均海拔 226.5 m，土壤为风沙土。试验地 0～20 cm 土层土壤的基本理化性状为：土壤 pH 值 6.79，全氮 0.23 g/kg，全磷 76.25 mg/kg，全钾 21.36 g/kg，无机氮 1.45 mg/kg，有效磷 3.28 mg/kg，速效钾 22.98 mg/kg，容重 1.63 g/cm³。

1.2 试验材料与试验设计

供试油莎豆品种为“吉莎-2 号”，由吉林省农业科学院提供。于 2020 年 5 月设置野外田间试验，试验为双因素裂区设计，主区因子为耕作方式，分为翻耕（P）和免耕（NT）2 个水平，副区因子为肥料种类，分为对照（CK）、普通化肥（C）、缓释化肥（B）、有机肥（O）。具体为：（1）翻耕不施肥、 （2）翻耕施化肥、（3）翻耕施缓释肥、（4）翻耕施有机肥、（5）免耕不施肥、（6）免耕施化肥、（7） 免耕施缓释肥、（8）免耕施有机肥。每处理 4 个重复，每个小区面积为 7 m×7 m。普通化肥包括氮、磷、钾肥，氮肥为尿素，施用量为 N 330 kg/hm²，磷肥为磷酸二铵，施用量为 P₂O₅ 150 kg/hm²，钾肥为硫酸钾，施用量为 K₂O 200 kg/hm²。缓释化肥氮、磷、钾配比同普通化肥，额外添加长效复合肥料增效剂 （NAM，按尿素 0.35% 比例掺入）。有机肥为商品有机肥（远华有机肥料制造公司），主要成分为牛粪，固体颗粒被均匀撒施于样地中，施用量为 32653.06 kg/hm²，折合氮含量 N 326.53 kg/hm²、磷含量 P₂O₅ 170.36 kg/hm²、钾含量 K₂O 212.95 kg/hm²。

翻耕处理为在播种前深翻 20 cm，播种时起垄，垄上开沟点种，肥料均匀撒施于垄沟中，表面覆土 （图1A）。免耕处理为在播种前开窄沟，种子和肥料分层同施于窄沟内（图1B）。播种方式为穴播，种植密度：行距 50 cm，株距 15 cm，每穴 2 粒种子。

1.3 样品采集与测定

1.3.1 样品采集

于 2020 年 8 月 29 日采集植物样品用于生长期指标的测定，每小区采集 6 株长势均一的植株，鲜样置于冰盒中带回实验室，清理干净，将植株分为根、茎、叶、豆 4 部分保存。取回的植物样品分 2 份，1 份杀青后烘干保存，1 份于 4℃保鲜。

1.3.2 油莎豆叶片性状测定

试验选取叶长、比叶面积和干物质含量代表叶片性状，探究生长季油莎豆地上性状对不同管理措施的响应。叶长采用卷尺从基部到最长顶端进行测定。每株选取同一叶位且具有代表性的植物叶片，使用扫描仪（Epson，V39，日本）进行扫描，用 Image J 对扫描图片进行处理，得到叶面积数据 LA（cm²）。扫描后叶片置于玻璃试管中，使用去离子水浸泡 12 h 至恒重，擦干后用万分之一天平称重得到饱和鲜重 M1（g），再置于信封中烘干得干重 M2（g）。比叶面积为 LA/M2，叶干物质含量为 M2/M1。

1.3.3 叶片色素含量测定

取叶片鲜样 0.20 g 置于 10 mL 离心管中，加入 5 颗钢珠及 3 mL 96% 乙醇，使用全自动样品快速研磨仪（上海净信，JXFSTPRP-24L）于 70 Hz 匀浆 180 s，取出置于高速冷冻离心机（Eppendorf，5804R，德国） 中于 4℃ 4000 r/min 离心 5 min，小心取出轻放，取上清 1 mL 置于 10 mL 离心管中，加 9 mL 96% 乙醇稀释，混匀。取稀释后提取液，以 96% 乙醇为空白对照，分别在波长 665、649 和 470 nm 下测定吸光度，计算叶绿素 a、叶绿素 b 和类胡萝卜素含量^[15]。

1.3.4 地上茎叶、地下块茎生物量测定

于 2020 年 10 月 10 日收获，每小区随机选取 6 穴，挖取整株植物，剪下地上部分称重，计算地上茎叶生物量。每穴深挖 30 cm 收集块茎，筛除土壤和附着的根茎，于通风处晾晒 30 d，测定地下块茎生物量。

1.4 数据处理

采用 Excel 2016 初步整理数据，采用 SPSS 20.0 进行双因素方差分析，探究不同肥料种类、耕作方式及其交互作用对油莎豆生长特性和生物量的影响，利用 Duncan 法进行多重比较，分析同一耕作方式下不同肥料处理间的差异显著性（α=0.05），利用 t 检验比较相同施肥处理下不同耕作方式间的差异显著性（α=0.05），利用 Pearson 相关分析研究植物叶片性状、色素含量及生物量之间的相关关系 （α=0.05），采用 Excel 2016 作图，图表中数据为平均值 ± 标准误，采用 R 语言 ggplot 2包绘制相关分析热图。

2 结果与分析

2.1 不同施肥和耕作方式对油莎豆叶片性状的影响

双因素方差分析结果表明，施肥和耕作方式对油莎豆叶长均具有显著影响，并具有明显的交互作用。无论翻耕或者免耕，施肥处理后油莎豆叶长均显著高于不施肥处理。在翻耕模式下，施普通化肥、缓释化肥和有机肥分别增加叶长 46.63%、 22.27% 和 22.97%，普通化肥对叶长的促进效应最显著（图2A）。免耕条件下，3 种施肥方式分别增加叶长 12.21%、14.69% 和 20.29%，但对叶长的促进作用没有显著差异。与翻耕相比，免耕更有利于叶长增加（P <0.05）。

注：T：耕作方式；F：施肥方式。施肥方式和耕作模式的总体效应采用双因素方差分析，只标注具有显著效应的因子，* 表示 P <0.05；** 表示 P <0.01； *** 表示 P <0.001。不同小写字母表示在翻耕下不同施肥处理间差异显著，不同大写字母表示在免耕下不同施肥处理间差异显著（P <0.05）。图上方 * 表示同一施肥处理下不同耕作方式的差异显著，采用 t 检验，* 表示 P <0.05；** 表示 P <0.01；*** 表示 P <0.001。下同。

与对照相比，施肥对比叶面积的影响不显著，免耕可提高比叶面积，在施缓释化肥的处理中更为明显（图2B）。施肥对叶片干物质含量的总体效应不显著，但在翻耕条件下，与对照相比，施有机肥显著降低了叶片干物质含量。翻耕条件下叶片干物质含量显著高于免耕模式（图2C）。

2.2 不同施肥和耕作方式对油莎豆叶片光合色素含量的影响

耕作方式对油莎豆叶片叶绿素 a、叶绿素 b、总叶绿素和类胡萝卜素含量均无显著影响（图3）。施肥处理显著提高油莎豆叶片光合色素含量（图3）。在翻耕条件下，与对照相比，施有机肥显著提高了叶绿素 a、叶绿素 b、总叶绿素及类胡萝卜素含量；在免耕条件下，施化肥和有机肥对光合色素含量都具有的正效应（图3）。

2.3 不同施肥和耕作方式对油莎豆植株生物量的影响

总体来说，施肥和耕作方式对地上茎叶生物量效应不显著（表2），但施化肥有增加地上茎叶生物量的趋势。施肥和耕作方式对油莎豆块茎生物量效应显著（表2）。施普通化肥和缓释化肥的处理降低了地下块茎生物量，而施有机肥的处理显著提高了地下块茎生物量（表2）。与翻耕相比，免耕显著降低了地下块茎生物量（P <0.05；表2）。

生物量与油莎豆植株性状相关分析结果表明，油莎豆地上茎叶生物量与叶片叶绿素 a、叶绿素 b、总叶绿素及类胡萝卜素含量具有显著正相关关系 （P <0.05；图4），油莎豆地下块茎生物量与油莎豆叶长具有显著负相关关系（P <0.05；图4）。

注：ns 表示无显著差异；* 表示 P <0.05；** 表示 P <0.01；*** 表示 <0.001。大写字母不同表示在免耕下不同施肥处理间差异显著，小写字母不同表示在翻耕下不同施肥处理间差异显著（P <0.05）。

注：AB：地上茎叶生物量；UB：地下块茎生物量；LDMC：叶干物质含量；Car：类胡萝卜素含量；Chl b：叶绿素 b 含量；Chl a：叶绿素 a 含量；T Chl：总叶绿素含量；L：叶长；SLA：比叶面积。图中实线表示生物量与油莎豆植株性状相关关系显著（P <0.05），虚线表示不显著；红色线表示负相关，绿色线表示正相关。植株性状之间的相关关系，从深蓝色到深红色，代表相关关系由正到负，* 表示 P <0.05；** 表示 P <0.01；*** 表示 P <0.001。

3 讨论

3.1 施肥促进油莎豆地上叶片生长和光合色素含量增加

研究发现，无论施普通化肥、缓释化肥或有机肥，均能够显著提高生长季油莎豆叶片长度和光合色素含量（图2A、3）。其原因可能为，当氮肥缺乏时植物将光合碳优先供给地下，促进根系生长保证获取更多的资源，而当氮肥供应充足时，根系更容易获得养分，更多的碳同化物质被分配给地上生物量的积累^[16]。这与之前在草甸草原的研究结果类似，该研究发现，氮添加通过提高优势植物羊草高度、比叶面积和干物质含量，促进羊草生长，进而提高草甸草原地上生产力^[17]。由于油莎豆为单子叶植物，叶基生，再生能力强，生长季耐多次刈割^[18]，因此本试验结果显示施肥有利于以收获油莎豆地上茎叶用作牧草为目的的经营管理方式。

3.2 化肥降低油莎豆地下块茎生物量，有机肥提高油莎豆地下块茎生物量

研究表明，无论施普通化肥还是缓释化肥，都导致油莎豆在收获季地下块茎生物量降低（表2）。在油莎豆营养生长阶段，叶子、根和分蘖是同化产物的分配方向；而进入生殖生长阶段，碳同化产物主要流向油莎豆块茎。对以地下块茎、块根、果实收获为主的作物，氮肥可能导致地上营养体徒长。段文学等^[19]研究表明，施肥纯氮量为 120、240 kg/hm² 时，甘薯地上部鲜重的显著增加伴随着地下块根生物量的显著下降。花生叶肥的使用不当引起植株节间拉大，造成叶片徒长、荚果膨大慢、秕果多^[20]。氮肥施用不合理引起马铃薯枝蔓徒长疯长，致结薯少或者不结薯^[21]。本研究表明，添加普通氮肥和缓释氮肥促进油莎豆地上茎叶生长的同时也伴随地下块茎生物量的下降，油莎豆叶长与地下块茎生物量呈显著负相关关系（图4），表现出地上与地下生长之间的相互制约与协调。

施用有机肥与化肥相比能显著提高油莎豆地下块茎生物量。以动物粪便为主的有机肥料添加通过改善土壤颗粒组成结构、储水量和紧实度^[22]，提高作物水分临界期的水分利用效率^[23]，避免作物因营养体剧烈的蒸腾作用而缺水影响有机物质合成以及运输受阻，从而保证籽实生物量。此外，有机肥料为土壤提供丰富养分的同时，也促进微量元素在块茎中的累积^[24]，在块茎膨大期养分运移过程中发挥了重要作用^[25]。

3.3 翻耕比免耕更利于提高油莎豆地下块茎生物量

尽管免耕是一种保护性耕作措施，减少了对土壤的扰动^[26]，但免耕导致地下块茎减产，且在施化肥条件下更为明显（表2），表现出植株地上部对地下部分生长的制约。而翻耕则能够改善土壤孔隙和水热条件，为根系生长提供良好条件，从一定程度上缓解了免耕施化肥引起的油莎豆地下块茎生物量下降现象，因此翻耕更适合以收获油莎豆地下块茎为目的的经营管理方式。但考虑长期生态效益，免耕条件下，用有机肥代替化肥，既能保证地下块茎不减产，也能减少土壤扰动，降低风蚀的潜在危害，是一种兼顾经济效益和生态效益的田间管理方式。

4 结论

依托科尔沁沙地油莎豆不同施肥种类和耕作方式的田间试验，研究发现免耕和施化肥能促进地上叶片生长和光合色素合成，而翻耕和有机肥更利于地下块茎生长。沙地种植油莎豆既要获得经济效益，也要平衡生态效益，长草还是长豆的权衡依种植目的而定。在风沙较大的生态脆弱区，建议保留根茎以起到固沙的作用，适合采取免耕等减少土壤扰动并施加化肥的管理模式，农民可以收获地上牧草作为经济补偿。在油莎豆核心种植区，油莎豆主要作为一种经济作物，以收获地下块茎为主，可以选择翻耕或浅耕的耕作方式，并减少化肥和缓释肥施用，替代使用有机肥或其他促进块茎生长的肥料。为兼顾经济效益和生态效益，还可采取免耕施有机肥的田间管理模式。总体而言，需要合理选择施用肥料类型和耕作方式以满足经济需求与生态价值之间的平衡。

参考文献