断根时间与半径对菊芋块茎生产性能及其水平分布规律的影响

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(1. 内蒙古民族大学农学院， 内蒙古 通辽 028043； 2. 内蒙古自治区饲用作物工程技术研究中心, 内蒙古 通辽 028043)

菊芋(HelianthustuberosusL.)为多年生草本植物，其块茎菊粉含量丰富，约占干物质70%～90%，经发酵可转化为乙醇，转化率高达83%～99%[1-3]。在生物乙醇和菊粉生产过程中，主要原材料为菊芋块茎部分。针对这种实际情况，国内外学者分别从菊芋的肥料管理[4-8]、收获时间[9]、种植密度[10-11]、水分管理[12-13]等角度就如何提高菊芋块茎产量进行了大量研究，并取得丰硕成果。对断根提高菊芋各器官生物量方面的研究也有不少报道其主要内容集中于断根对菊芋各器官生物量、物质分配规律、等形态学指标和热值、灰分含量、C、N、P含量等生理指标方面进行了相关研究[14-16]，而断根对菊芋块茎生物量、数量、体积以及水平分布情况研究相对较少。基于上述原因，本文通过设定不同断根时间和半径，通过测定菊芋块茎生物量、数量、体积以及水平分布规律，从断根后块茎生物量、数量、体积和水平分布规律变化角度阐明断根提高菊芋块茎生物产量的机制。

1 材料与方法

1.1 试验地自然概况

研究地点位于西辽河平原内蒙古民族大学农学院试验农场。43°36′ N，122°22′ E，海拔178 m。试验地区为典型的温带大陆性季风气候，年平均气温6.4℃，极端最低温-30.9℃，≥10℃积温3 184℃，无霜期150d，年均降水量399.1 mm，生长季(4～9月)降水量占全年的89%。试验地土壤为灰色草甸土，土壤有机质含量18.23 g·kg-1、碱解氮62.41 mg·kg-1、速效磷38.61 mg·kg-1、速效钾184.58 mg·kg-1、pH值8.20。试验地具有井灌条件。

1.2 试验设计

1.2.1菊芋种植 2016年5月1日，选择无病、无伤、20～25 g重的菊芋块茎作为种茎播种，播种深度30 cm，行株距为200 cm×200 cm。一次性施入混合复合肥140 kg·hm-2，其中57.2%的N、16.7%的P、26.1%的K。

1.2.2试验设计 本试验以菊芋单株为研究对象，分别设置5个根系切割时间和5个根系切割半径，共计25个处理，每个处理重复10株，共计250株，根系切割时间和半径如下：

根系切割时间：50日龄(T1)、65日龄(T2)、80日龄(T3)、95日龄(T4)，115日龄(T5)；

根系切割半径：切除1/5H、切除1/4H、切除1/3 H、切除1/2H、不切割(CK)；

“H”为进行根系切割处理时的实际根系长度(通过测定3株菊芋地下根系来确定)。

1.3 测定内容及方法

取样时间为2016年10月9～15日之间，取样时以每株菊芋茎秆为中心，以0～16 cm、16～30 cm、32～48 cm、48～64 cm和64～80 cm为半径进行环形分段取样，分别对取样范围内的所有块茎进行的干重、块茎体积(排水法进行测定)和块茎数量进行统计。

1.4 数据分析

对试验数据利用SPSS 17.0进行双因素方差分析。

2 结果与分析

2.1 断根时间和半径对菊芋块茎生物量的影响

块茎总生物量在各断根处理间差异不显著；0～16 cm范围内随着断根时间的延迟块茎总生物量呈现逐渐增加的变化趋势，T5块茎生物量最高，极显著高于T1、T2和T3(P<0.01)，显著高于T4(P<0.05)，T1块茎生物量最低，极显著低于T3、T4和T5(P<0.01)，显著低于T2(P<0.05)；16～32 cm范围内随着断根时间的延迟，块茎总生物量呈现先增加后降低的变化趋势，T2最高，极显著高于T1、T3、T4和T5(P<0.01)，T1、T3、T4和T5之间差异不显著；32～48 cm和48～64 cm范围内不同处理时间之间差异不显著；64～80 cm范围内随着处理时间的延迟，块茎总生物量呈现先增加后降低的变化趋势，T2最高，极显著高于T1、T3和T5(P<0.01)，与T3之间差异不显著(表1)。

块茎总生物量及0～16 cm和16～32 cm范围内的块茎生物量，各断根半径处理均极显著高于对照(P<0.01)，1/2H断根条件下块茎总生物量最高，极显著高于1/5H、1/4H和1/3H断根处理(P<0.01)，1/3H极显著高于1/4H处理(P<0.05)，1/4H显著高于1/5H(P<0.05)；0～16 cm范围内与总生物量变化趋势一致；16～32 cm范围内1/2H断根条件下块茎生物量最高，显著高于1/5H、1/4H和1/3H(P<0.05)，而1/5H、1/4H和1/3H之间差异不显著；32～48 cm 、48～64 cm和64～80 cm范围内不同断根处理之间均没有显著差异(表1)。

表1 断根时间和半径对菊芋块茎生物产量的影响Table 1 The effect of time and radius of root cutting on tuber biomass of Jerusalem Artichoke

注：同列不同大写字母或不同小写字母者表示不同断根时间或半径之间在0.01或0.05水平下差异显著，下同

Note：Different letters show significant differences at 0.05 and 0.01 level between different cutting root radius or cutting root time, the same as below

2.2 断根时间和半径对菊芋块茎体积的影响

16～32 cm、48～64 cm范围内单个块茎体积和全株块茎平均体积在不同断根处理时间之间没有表现出显著差异；不同断根时间条件下，0～16 cm范围内单个块茎平均体积大小顺序为：T1>T4>T5>T2>T3，T3最低，极显著低于T1(P<0.01)，其他各处理时间之间差异不显著；32～48 cm范围内单个块茎平均体积大小顺序为：T3>T2> T4> T5>T1，T1极显著低于T3和T2(P<0.01)，T5极显著低于T3(P<0.01)；64～80 cm范围内单个块茎平均体积大小顺序为：T5>T3> T4>T2> T1，T5显著高于T2和 T1(P<0.05)(表2)。

16～32 cm、48～64 cm和64～80 cm范围内单个块茎平均体积在不同断根半径之间没有表现出显著差异；0～16 cm范围内，1/5H断根条件下单个块茎体积最大，极显著高于对照(P<0.01)，其他各处理之间没有显著差异；32～48 cm范围内1～2 H断根条件下块茎体积最高，极显著高于对照(P<0.01)，且1/5H、1/4H和1/3H处理半径条件下块茎体积也均显著高于对照(P<0.05)；不同断根处理条件下块茎平均体积均显著高于对照(P<0.05)(表2)。

表2 断根时间和半径对菊芋块茎体积的影响Table 2 The effect of cutting root time and radius on tuber volume of Jerusalem Artichoke

2.3 断根时间和半径对菊芋块茎数量的影响

16～32 cm、32～48 cm、48～64 cm和64～80 cm范围内块茎个数在不同断根时间之间均没有表现出显著差异；0～16 cm范围内块茎数量在不同断根时间之间的大小关系为：T2>T4>T3>T1 > T5，T2极显著高于T5(P<0.01)，T4显著高于T5(P<0.05)，其他各处理时间之间没有显著差异；T2断根条件下全株块茎总数最高，显著高于T1(P<0.05)，其他各处理之间块茎总数没有表现出显著差异(表3)。

32～48 cm、48～64 cm和64～80 cm范围内块茎个数在不同断根半径之间均未表现出显著差异；0～16 cm范围内，不同断根半径处理条件下均极显著高于对照(P<0.01)，1/2H断根条件下块茎数量最高显著高于1/5H、1/4H和1/3H(P<0.05)，极显著高于1/5H和1/4H(P<0.01)；16～32 cm范围内处理的块茎个数均高于对照，其中1/2H极显著高于对照(P<0.01)，1/4H显著高于对照(P<0.05)；不同断根半径处理条件下单株菊芋块茎总数均极显著高于对照(P<0.01)，随断根半径的增加块茎数量呈现逐渐增加的变化趋势，1/2H断根条件下显著高于1/3(P<0.05)，极显著高于1/4H和1/5H(P<0.01)(表3)。

表3 断根时间和半径对菊芋块茎数量的影响Table 3 The effect of cutting root time and radius on tuber number of Jerusalem Artichoke

3 讨论

断根作为影响菊芋块茎产量的重要农艺措施，已有研究表明断根能够提高菊芋块茎生物产量，且断根半径越大其块茎生物产量越高，同时断根时间对块茎生物产量也具有一定影响[15]。本文结论也进一步证实断根能够达到提高菊芋块茎生物产量的目的，且断根时间和半径对块茎生物产量均具有极显著影响，其中不同断根半径处理条件下块茎生物量均极显著高于对照，且随着断根半径的增加块茎生物量呈现逐渐增加的变化趋势。表明合理断根时间和半径的确定是通过断根这种农艺措施提高菊芋块茎产量的关键。同时，断根提高生物产量在小麦、玉米和花生等作物上同样得到验证，其原因主要是断根促进了植物根系的生长，提高了根系活力，促进了根系对水分、营养物质的吸收，进而增进了作物的光合作用，而根系对各类矿质元素的吸收和光合作用的增强恰好是作物物质合成的重要因素，也是获得高产的基础条件[17-18]。且断根能够延缓根系衰老，延长根系寿命，进而延长作物产量的形成时间，最终达到提高产量的效果[19]。本文通过对不同的断根时间条件下菊芋块茎生物产量的比较研究，也证实晚期断根效果优于早期断根，且随着断根时间的延迟块茎生物产量呈现逐渐增加的变化趋势。该结果与Bennett等通过现蕾期改变大豆源-库关系对大豆产量的影响大于营养期进行减源梳库处理，及周海燕等通过在吐丝期至成熟期调价玉米源～库关系能够获得更高的干物质的结论相一致[20-21]。对于菊芋随着断根时间延迟，块茎生物产量逐渐增加的原因与其生长规律有一定的关系。菊芋的生长规律包括两个阶段：第一阶段为营养生长阶段，主要是菊芋营养器官的生长，该时期断根主要促进茎秆、 叶片和根系的生长，对块茎影响较弱; 第二阶段是生殖生长阶段，生长中心转移，块茎开始出现并逐渐增大。因此，在这一阶段切割对块茎的影响较大，促进了营养物质由源到库的运输，使块茎产量高于营养生长期切割。

块茎生物产量主要由块茎的数量和体积决定，本文通过对不同断根时间和半径条件下菊芋块茎数量和体积的测定方差分析发现了不同断根半径处理条件下块茎的体积和数量均显著高于对照，这是断根半径提高块茎生物量的主要原因，即断根半径通过增加块茎数量和单个块茎体积最终达到提供产量的效果；同样，随着断根时间的延迟块茎数量和单个块茎体积均呈现增加的变化趋势，也随着断根时间的延迟块茎生物量逐渐增加的主要原因。

对于具有匍匐茎的菊芋来说，其块茎在地下的分布具有一定的规律性。已有研究表明随着离根系中心半径的增加，菊芋单位面积内菊芋块茎生物量和数量呈现逐渐降低的变化趋势[10]。本文通过测定不同断根时间和半径条件下，菊芋距离主根不同区域内块茎生物量和数量的变化规律基本与未断根一致，而单个块茎体积随着距离主根半径的增加，未显示出可寻的规律，原因主要是在测定块茎生物量、个数和体积过程将所有块茎(无论大小)均算在内，故而块茎体积规律性并不明显。同时在不同断根条件下，0～16 cm和16～32 cm范围内块茎生物量和块茎数量均极显著高于对照，其原因可能是断根处理促进了主跟上生出更多的侧根，提高了近主根端侧根的密度，进而导致块茎数量和生物量的增加。

4 结论

断根能够达到提高菊芋块茎生物产量的目的，且断根时间和半径对块茎生物产量均具有极显著影响。在65日龄断根条件下块茎生物量最高(980.07 g·株-1)，1/2断根半径条件下块茎生物量最高(1 115.28 g·株-1)；115日龄断根条件下块茎平均体积最大(5.79 cm3)，1/5断根半径条件下块茎体积最大(5.81 cm3)；65日龄断根条件下块茎数量最多(616.72个·株-1)，1/2断根半径条件下块茎数量最多(654.93个·株-1)；断根时间和半径对块茎生物产量均具有极显著影响(P<0.01)，断根处理条件下单位面积内菊芋块茎生物量和数量随距离主根中心距离的增加呈现逐渐减少的变化趋势；断根时间和半径对块茎数量、生物量和体积的影响随着距离主根中心距离的增加逐渐减弱。