斷根時間和斷根半徑對菊芋根系生物量及其水平分布的影響

朱鐵霞,高 凱,王 琳,高 陽

(內蒙古民族大學農學院，內蒙古 通遼 028043)

作物產量的形成是地上部光合作用與地下部根系吸收水分、養(yǎng)分相統一的反饋過程，根系吸收水分養(yǎng)分促進地上部的光合作用，而充足的光合產物又為根系的生長提供必需的營養(yǎng)物質，二者共同組成了一個完整的光合生產系統[1-2]；根系作為作物植株的重要組成部分，既是水分和養(yǎng)分吸收的主要器官，又是多種激素、有機酸和氨基酸等物質合成的主要場所，其形態(tài)特征和生理特性與作物生長發(fā)育、產量和品質形成均有密切的關系[3-4]。

菊芋(Helianthustuberosus)又名洋姜、鬼子姜，菊科向日葵屬，多年生草本植物。其塊莖菊粉含量豐富，占干物質的70%～90%，菊粉是果糖的聚合物，在外切型菊粉酶作用下分解為單個果糖，再經發(fā)酵生產乙醇，轉化率高達83%～99%[5-8]。在生物乙醇和菊粉生產過程中，主要原材料為塊莖部分。針對這種實際情況，國內外學者分別從菊芋的肥料管理、收獲時間、種植密度、水分管理等角度就如何提高菊芋塊莖產量進行了大量研究，并取得豐碩成果[9-12]。

斷根作為提高菊芋塊莖產量的一種有效方法，影響菊芋形態(tài)學指標和生理指標，并能有效地提高菊芋各器官生物量，但其機理尚不明確。本研究對斷根后菊芋主根、一級側根、須根和根莖生物量以及水平分布情況進行觀測和分析，探討斷根時間和半徑對主根、一級側根、根莖和須根以及水平分布規(guī)律，闡明斷根提高菊芋塊莖生物產量的機制，為菊芋生產提供技術支撐。

1　材料與方法

1.1　試驗地自然概況

研究地點位于西遼河平原內蒙古民族大學農學院試驗農場。122°22′ E，43°36′ N，海拔178 m，典型的溫帶大陸性季風氣候，年平均氣溫6.4 ℃，極端最低溫-30.9 ℃，≥10 ℃積溫3 184 ℃·d，無霜期150 d，年均降水量399.1 mm，生長季(4-10月)降水量占全年降水量的89%。土壤類型為灰色草甸土，是當地主要土壤類型，土壤有機質含量18.23 g·kg-1、堿解氮含量62.41 g·kg-1、速效磷含量38.61 g·kg-1、速效鉀含量184.58 g·kg-1、pH 8.20，具有井灌條件。

1.2　試驗設計

2016年5月1日，選擇無病、無傷、20～25 g重的紅皮菊芋塊莖作為種莖播種，播種深度30 cm，行距×株距為200 cm×200 cm。一次性施入混合復合肥140 kg·hm-2，其中57.2%的N、16.7%的P、26.1%的K。

以菊芋單株為研究對象，分別設置5個根系切割半徑和5個根系切割時間，共計25個處理，每個處理10株，共計250株。

根系切割時間：50日齡(T1)、65日齡(T2)、80日齡(T3)、95日齡(T4)，115日齡(T5)。根系切割半徑：切除1/5 H、切除1/4 H、切除1/3 H、切除1/2 H、不切割(Control)，“H”為進行根系切割處理時的實際根系長度，實際根系長度是通過測定3株菊芋地下根系算取平均數。

1.3　測定內容及方法

取樣時間為2016年10月9日至15日，以每株菊芋莖稈為中心，0-16、16-30、32-48、48-64和64-80 cm為半徑進行環(huán)形分段取樣，并按主根、一級側根、須根和根莖進行分類，清洗、烘干、測定干重。

1.4　數據分析

利用SPSS17.0對不同取樣時間和斷根半徑條件下菊芋主根、一級側根、須根、根莖等指標進行雙因素有重復方差分析。

2　結果與分析

2.1　斷根時間和斷根半徑對菊芋根系生物量的影響

隨著斷根時間的延遲，根系生物量呈現先增加后降低的趨勢，最高出現在T3處理下，而不同斷根時間根系生物量無顯著差異(P>0.05)(圖1)；不同斷根半徑處理下根系生物量顯著高于對照(P<0.05)，1/5 H和1/3 H顯著高于1/4 H和1/2 H，1/5 H和1/3 H之間及1/4 H和1/2 H之間差異不顯著(P>0.05)(圖2)。

圖1　不同處理時間對菊芋根系生物量的影響Fig. 1　The effect of treat time on root blomass in Jerusalem aitichoke

根系切割時間：T1，50日齡、T2，65日齡、T3，80日齡、T4，95日齡，T5，115日齡，下同;相同小寫字母表示不同處理間差異不顯著。

Cutting root time: T1, 50 day, T2, 65 day, T3, 80 day, T4, 95day, T5, 115 day; similarly for the following figures and tables. Same lowercase letter indicate no significant different between different treatments time at the 0.05 level.

圖2　不同處理半徑對菊芋根系生物量的影響Fig. 2　The effect of treat radius on root blomass in Jerusalem aitichoke

根系切割半徑： 1/5 H、1/4 H、1/3 H、1/2 H分別代表切除實際根系長度1/5、1/4、1/3和1/2,Control，不切割,不同小寫字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05),下同。

Cutting root radius: 1/5 H, 1/4 H, 1/3 H and 1/2 H indicate 1/5, 1/4, 1/3 and 1/2 cutting root radius, respectively, and control indicat no cutting. Different lowercase letter indicate significant different between different treatments at the 0.05 level; similarly for the following figures and tables.

2.2　斷根時間和半徑對菊芋主根生物量的影響

隨著斷根時間的延遲，主根生物量呈現先增加后降低的趨勢，T2最高，顯著高于其他處理，T3次之，顯著高于T1、T4和T5(P>0.05)，T1、T4和T5之間沒有顯著差異(P>0.05)；不同斷根半徑處理下主根生物量均顯著高于對照(P<0.05)，不同斷根半徑之間差異不顯著。

2.3　斷根時間和斷根半徑對菊芋一級側根的影響

一級側根總生物量、48-64和64-80 cm范圍內不同斷根時間之間一級側根的生物量沒有顯著差異(P>0.05)；0-16 cm范圍內一級側根生物量隨著處理時間的延遲呈現逐漸增加趨勢，其中，T3、T4和T5顯著高于T1(P<0.05)；16-32 cm范圍內，一級側根生物量呈現逐漸降低的變化趨勢，T5最低，顯著低于T1、T2、T3和T4(P<0.05)，T1、T2、T3和T4之間差異不顯著；32-48 cm范圍內，T1和T3一級側根生物量最高，顯著高于T4和T5(P<0.05)，T5最低，顯著低于他處理(P<0.05)(表1)。

0-16、16-32、32-48和48-64 cm范圍內，不同斷根半徑條件下一級側根生物量均顯著高于對照(P<0.05)，而不同斷根半徑之間差異不顯著；對64-80 cm范圍內處理之間以及和對照之間均沒有顯著差異；一級側根總生物量對照最低，顯著低于其他處理，1/5 H和1/3 H處理條件下顯著高于1/4 H和1/2 H(P<0.05)(表1)。

圖3　斷根時間對主根生物量的影響Fig. 3　The effect of treat time on main root blomass in Jerusalem aitichoke

圖4　斷根對半徑對主根生物量的影響Fig. 4　The effect of treat raeat radius on main root blomass in Jerusalem aitichoke

2.4　斷根時間和半徑對菊芋根莖的影響

隨著斷根時間延遲，根莖總生物量呈現先增加后降低的趨勢，T4最高，顯著高于T5(P<0.05)；0-16 cm范圍內根莖生物量T4最高，顯著高于T1(P<0.05)，T1最低；16-32 cm范圍內根莖生物量T5顯著低于T1、T2、T3和T4(P<0.05)，T1、T2、T3和T4之間沒有顯著差異；32-48 cm范圍內T1和T3條件下根莖生物量顯著高于T4和T5(P<0.05)，T1、T3和T2之間以及T4和T5之間差異不顯著；48-64 cm范圍內，根莖生物量隨著斷根時間的延遲呈現“W”的變化趨勢，T3最高，顯著高于T2和T4(P<0.05)；64-80 cm范圍內T5處理條件下根莖生物量最高，顯著高于T1和T3(P<0.05)(表2)。

0-16、16-32和32-48 cm范圍內不同斷根半徑處理條件下根莖生物量均顯著高于對照(P<0.05)，而不同斷根半徑之間差異不顯著；不同斷根半徑條件下根莖總生物量顯著高于對照(P<0.05)，隨斷根半徑的增加根莖總生物量呈現先降后增再降的趨勢，1/3H總生物量最高，顯著高于1/4H(P<0.05)；48-64 cm范圍內斷根處理條件下根莖生物量均高于對照，1/3 H條件下顯著高于對照(P<0.05)，其他處理和對照之間差異不顯著；64-80 cm范圍內1/5H斷根條件下根莖生物量最高，顯著高于其他處理和對照(P<0.05)，其他處理和對照之間無顯著差異(P>0.05)(表2)。

表1　斷根半徑和時間對一級側根生物量的影響Table 1　Effect of cutting root time and radius on primary root biomass　g·plant-1

同列不同小寫字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05)。下同。

Different lowercase letters within the same column indicate significant difference between different treatments at the 0.05 level; similarly for the following tables.

表2　斷根半徑和時間對根莖生物量的影響Table 2　Effect of cutting root time and radius on rhizome　g·plant-1

2.5　斷根時間和半徑對菊芋須根的影響

不同斷根時間之間，須根總生物量和64-80 cm范圍的須根生物量沒有表現出顯著差異；0-16 cm范圍T3和T5須根生物量顯著高于T1(P<0.05)；16-32 cm范圍內，T1須根生物量最高，顯著高于其他處理(P<0.05)，T5生物量最低，顯著低于其他各處理(P<0.05)，T2、T3和T4之間差異不顯著；32-48 cm范圍內須根生物量呈現先增加后降低的趨勢，T3最高，顯著高于其他處理(P<0.05)，T5顯著低于其他各處理；48-64 cm范圍內T1須根生物量最高，T5最低，T1顯著高于T5(P<0.05)，其他各處理之間差異均不顯著(表3)。

不同斷根半徑處理條件下須根生物量均顯著高于對照(P<0.05)。48-64和64-80 cm范圍內各斷根半徑處理之間須根生物量沒有顯著差異；須根總生物量1/5H條件下最高，顯著高于1/4H和1/2H(P<0.05)；0-16 cm范圍內1/5H斷根條件下須根生物量最高，顯著高于1/2H(P<0.05)；16-32 cm范圍內1/5H和1/3H處理條件下須根生物量顯著高于1/4H(P<0.05)(表3)。

表3　斷根半徑和時間對須根生物量的影響Table 3　Effect of cutting root time and radius on fibrous root biomass　g·plant-1

表4　斷根處理時間和半徑對須根、根莖和一級側根的影響Table 4　Effect of cutting root time and radius on primary root, fibrous root, rhizome　g·plant-1

2.6　斷根時間和半徑對須根、根莖和一級側根的影響

斷根時間對0-16 cm范圍內須根生物量和一級側根生物量具有顯著影響(P<0.05)；對16-32和32-48 cm范圍內須根生物量、根莖生物量和一級側根生物量具有極顯著影響(P<0.01)；斷根半徑對須根均具有極顯著影響(P<0.01)，對根莖總生物量、0-16、16-32、32-48 cm等范圍生物量具有極顯著影響(P<0.01)，對一級側根總生物量、0-16、16-32、32-48、48-64 cm范圍內須根生物量影響均極顯著(P<0.01)(表4)。

3　討論

斷根作為影響菊芋塊莖產量的重要農藝措施，在營養(yǎng)期和現蕾期兩個時間進行不同半徑的斷根處理能夠提高菊芋塊莖生物產量，且斷根半徑越大其塊莖生物產量越高，同時不同斷根時間相同斷根半徑處理下塊莖生物產量也存在一定差異[13]，說明斷根半徑和時間是影響斷根處理效果的重要因素，同樣，小麥(Triticumaestivum)、玉米(Zeamays)和花生(Arachishypogaea)等作物通過斷根處理也能夠達到提高產量的目的。其原因為以下幾點：1)斷根促進了植物根系的生長，提高了根系活力，促進了根系對水分、營養(yǎng)物質的吸收，進而增進了作物的光合作用，而根系對各類礦質元素的吸收和光合作用的增強恰好是作物物質合成的重要因素，也是獲得高產的基礎條件[14-15]；2)斷根能夠延緩根系衰老，延長根系壽命，進而延長作物產量的形成時間，最終達到提高產量的效果[16-18]；3)斷根可以減少強壯根、促進須根的產生，使植株的根系控制在合適的范圍內。本文通過在50日齡、65日齡、80日齡、95日齡和115日齡5個時間節(jié)點，以斷根處理時菊芋水平根系實際長度(H)為標準，分別去掉水平根系總長度的1/5H、1/4H、1/3H、1/2H和不斷根5個處理，對斷根后菊芋主根、一級側根、須根和根莖生物量以及水平分布情況進行觀測和分析，也進一步證實斷根處理顯著提高了主根、一級側根、須根和根莖生物量，通過增加根系生物量，提高根系對營養(yǎng)物質的吸收，從而促進植物生長發(fā)育，達到提高生物產量的目的。斷根時間和斷根半徑作為影響斷根效果的主要因素，斷根時間和半徑的變化對主根、一級側根、須根和根莖生物量的影響也存在一定差異。如：隨著斷根時間延遲根系、主根、須根、一級側根和根莖生物量呈現先增加后降低的變化趨勢，主要是由于菊芋生長發(fā)育規(guī)律有密切關系。菊芋的生長規(guī)律包括兩個階段[19-20]，第一階段為營養(yǎng)生長階段，主要是菊芋營養(yǎng)器官的生長，該時期斷根主要促進莖稈、葉片和根系的生長，對塊莖影響較弱；第二階段是生殖生長階段，生長中心轉移，塊莖和花等生殖器官開始出現并逐漸增大，這一階段切割對塊莖的影響較大，對根系的影響相對較少。斷根半徑對根系生物量的影響主要通過對根系的損傷程度來決定，斷根半徑越大其對根系損傷程度越高，導致根系生物量越低。斷根后0-16 cm范圍內根系、須根、一級側根等生物量最高，這主要與根系水平分布規(guī)律有關，即隨著離根系中心半徑的增加菊芋單位面積內菊芋根系、側根、須根呈現逐漸降低的變化趨勢。