朱鐵霞,高 凱,王 琳,高 陽

(內(nèi)蒙古民族大學農(nóng)學院，內(nèi)蒙古 通遼 028043)

作物產(chǎn)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(tǒng)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(chǎn)物又為根系的生長提供必需的營養(yǎng)物質(zhì)，二者共同組成了一個完整的光合生產(chǎn)系統(tǒng)[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(zhì)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(chǎn)量和品質(zhì)形成均有密切的關(guān)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(zhì)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(jīng)發(fā)酵生產(chǎn)乙醇，轉(zhuǎn)化率高達83%～99%[5-8]。在生物乙醇和菊粉生產(chǎn)過程中，主要原材料為塊莖部分。針對這種實際情況，國內(nèi)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(chǎn)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(chǎn)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(cè)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(cè)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(chǎn)量的機制，為菊芋生產(chǎn)提供技術(shù)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(nèi)蒙古民族大學農(nóng)學院試驗農(nóng)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?shù)刂饕寥李愋?，土壤有機質(zhì)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(shè)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(shè)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(shù)。

1.3　測定內(nèi)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(cè)根、須根和根莖進行分類，清洗、烘干、測定干重。

1.4　數(shù)據(jù)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(cè)根、須根、根莖等指標進行雙因素有重復方差分析。

2　結(jié)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(xiàn)先增加后降低的趨勢，最高出現(xiàn)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(xiàn)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(cè)根的影響

一級側(cè)根總生物量、48-64和64-80 cm范圍內(nèi)不同斷根時間之間一級側(cè)根的生物量沒有顯著差異(P>0.05)；0-16 cm范圍內(nèi)一級側(cè)根生物量隨著處理時間的延遲呈現(xiàn)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(nèi)，一級側(cè)根生物量呈現(xiàn)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(nèi)，T1和T3一級側(cè)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(nèi)，不同斷根半徑條件下一級側(cè)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(nèi)處理之間以及和對照之間均沒有顯著差異；一級側(cè)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(xiàn)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)，根莖生物量隨著斷根時間的延遲呈現(xiàn)“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(nèi)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(nèi)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(xiàn)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(nèi)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(nèi)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(cè)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(xiàn)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(nèi)，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(nèi)須根生物量呈現(xiàn)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(cè)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(cè)根的影響

斷根時間對0-16 cm范圍內(nèi)須根生物量和一級側(cè)根生物量具有顯著影響(P<0.05)；對16-32和32-48 cm范圍內(nèi)須根生物量、根莖生物量和一級側(cè)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(cè)根總生物量、0-16、16-32、32-48、48-64 cm范圍內(nèi)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(chǎn)量的重要農(nóng)藝措施，在營養(yǎng)期和現(xiàn)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(chǎn)量，且斷根半徑越大其塊莖生物產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(zhì)的吸收，進而增進了作物的光合作用，而根系對各類礦質(zhì)元素的吸收和光合作用的增強恰好是作物物質(zhì)合成的重要因素，也是獲得高產(chǎn)的基礎(chǔ)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(chǎn)量的形成時間，最終達到提高產(chǎn)量的效果[16-18]；3)斷根可以減少強壯根、促進須根的產(chǎn)生，使植株的根系控制在合適的范圍內(nèi)。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(cè)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(cè)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(zhì)的吸收，從而促進植物生長發(fā)育，達到提高生物產(chǎn)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(cè)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(cè)根和根莖生物量呈現(xiàn)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(guān)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(zhuǎn)移，塊莖和花等生殖器官開始出現(xiàn)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(nèi)根系、須根、一級側(cè)根等生物量最高，這主要與根系水平分布規(guī)律有關(guān)，即隨著離根系中心半徑的增加菊芋單位面積內(nèi)菊芋根系、側(cè)根、須根呈現(xiàn)逐漸降低的變化趨勢。