吉林省能源植物菊芋的綜合利用現狀及前景展望

王彥靖 劉鵬 高海 劉海燕 王秀飛 龐鳳仙

摘要介紹了菊芋生物學特性及開發(fā)利用潛力，分析了菊芋研究發(fā)展現狀，最后展望了推廣應用前景及今后的研究方向。

關鍵詞菊芋；非糧能源植物；種質資源；菊粉；鹽堿地改良

中圖分類號S632.9文獻標識碼A文章編號0517-6611（2017）21-0075-02

Present Situation and Prospect of Comprehensive Utilization of Energy Plants Helianthus tuberosus L. in Jilin Province

WANG Yanjing， LIU Peng， GAO Hai， PANG Fengxian* et al

（Jilin Academy of Agricultural Sciences ，Changchun， Jilin 130033）

AbstractThe biological characteristics and potential of exploitation and utilization of Helianthus tuberosus L. were introduced. The present status of research and development of Helianthus tuberosus L. was analyzed. Finally， the future application and future research directions were prospected.

Key wordsHelianthus tuberosus L.；Nonfood biofuel crop；Germplasm；Inulin；Salinealkali soil improvement

《全國種植業(yè)結構調整規(guī)劃（2016—2020年）》中指出，我國農業(yè)種植業(yè)調整要構建糧經飼統(tǒng)籌、農牧結合、種養(yǎng)加一體的格局，尤其在生態(tài)環(huán)境脆弱的“鐮刀彎”地區(qū)，發(fā)展耐鹽耐旱耐貧瘠植物是調減籽粒玉米種植面積的主攻方向。菊芋（Helianthus tuberosus L.）適應性能力和抗逆性較強，且生物質產量高，能源利用方式多樣，是環(huán)境友好型植物，是我國有前景的非糧能源植物之一。筆者對菊芋生物學、開發(fā)利用潛力、吉林省研究利用等方面的研究進展和存在問題進行了闡述，并展望了菊芋作為能源植物的研發(fā)前景。

1菊芋生物學特性及開發(fā)利用潛力

1.1生物學特性

菊芋為菊科向日葵屬，是唯一能形成地下塊莖的六倍體（2X=102）多年生草本植物[1-3]。在全球熱帶、溫帶、寒帶以及干旱、半干旱區(qū)均有分布和栽培。由于菊芋適應能力較強，對土壤的要求較低，因此其種植面積也相對較廣，可種植于我國各個省份[4]。據報道，我國適宜種植菊芋的邊際地面積為1 760萬hm2，主要集中在東北、西北和中部地區(qū)。菊芋生態(tài)幅之寬實屬罕見，即南至海南島，北到黑龍江，西至新疆均有種植。菊芋作為寡糖類能源植物，具有低投入、高回報、非爭地爭糧等特性[5-8]，在工業(yè)上易于通過微生物發(fā)酵轉化成酒精、生物柴油等而作為高密度能源植物受到國際生物質能界廣泛的關注，同時也被認為是我國最具發(fā)展?jié)摿Φ乃拇竽茉粗参镏籟1-3，9-10]。

1.2開發(fā)利用潛力

1.2.1作為醫(yī)藥和食品工業(yè)原料。

菊芋是一種很好的生態(tài)經濟型植物，塊莖可以生產菊粉、果糖漿、色素等食品工業(yè)原料。菊粉是一種全水溶性的膳食纖維，是人體腸道中雙歧桿菌的增殖因子，具有特殊的保健和抗癌作用。菊芋塊莖中經過特殊工藝可提純出豐富的菊粉，具有雙向調節(jié)血糖的作用，一方面可使糖尿病患者血糖降低，另一方面又能使低血糖患者血糖升高。利用現代生物技術對菊芋進行深加工精制而成的菊粉、低聚果糖和超高果糖漿，具有特殊的保健作用，是國內外保健食品行業(yè)的全新多功能配料。菊芋塊莖中還含有氨基酸和維生素等多種營養(yǎng)物質，質地白細脆嫩，口感好，傳統(tǒng)食用方式為制成醬菜、生食熟用、煎炒烹炸等，亦可制成洋姜脯，更具獨特風味，也是食品工業(yè)的新型原料[8]。目前，筆者研究團隊已在菊芋釀酒、酵素、飲料、花草茶等方面開展相關應用研究，并已取得部分研究成果。

1.2.2

作為畜禽多功能飼用原料。

菊芋秸稈中粗脂肪含量1.72%，明顯高于玉米秸稈（0.94%），粗纖維含量與玉米秸稈相近，分別為50.22%和47.55%。菊芋秸稈粗蛋白含量和玉米秸稈相近，分別為4.18%和4.11%。菊芋飼養(yǎng)細毛羔羊的對比試驗結果表明：菊芋組的飼后增重效果最好，各組試驗羊的增重效果從高到低依次為菊芋塊莖組、顆粒粕組、甜菜組、菊芋秸稈組；菊芋塊莖組的屠宰率為53.4%，菊芋秸稈組為50%，甜菜組46.2%，顆粒粕組44.9%，可見菊芋塊莖組和菊芋秸稈組羊的屠宰率高[11-12]。菊芋的莖葉可曬干制干草，也可青貯，青貯法可選擇塑料裝青貯或窖貯[3，13]。尤其以菊芋為原料生產的多功能飼料，不需加入抗生素類添加劑，將克服長期困擾養(yǎng)殖業(yè)產品質量提高的瓶頸，因此，畜牧業(yè)方面的應用也將成為菊芋產業(yè)發(fā)展的重要組成部分[3]。

1.2.3作為防風固沙耐鹽堿作物。

菊芋的根系發(fā)達，具有抗風沙及保持水土的作用，特別適合開展風沙鹽堿地產業(yè)化經營。菊芋生長適宜的土壤pH為4.5～8.6，有一定的耐鹽堿能力，其幼苗根部可維持較高的K+含量[14]，維持一定的 Na+與K+比值，以保證根部Na+的高濃度，這是菊芋耐鹽特性的重要基礎[15]。菊芋幼苗品種間耐堿性差異與其不同器官生物量和可溶性滲透物質的分配積累有關，耐堿菊芋品種在較高堿脅迫時，葉片和根系保持了較高的可溶性糖含量，根系保持了較高的K+含量[3]和較低的Na+含量，即耐堿品種幼苗保持了較低的Na+/K+，這可能是其耐堿性較強的重要原因之一[12]。由此可見，菊芋對于一定范圍內的鹽堿化土地具有適應性生理機制，可以考慮在鹽堿地規(guī)?；N植[8]。南京農業(yè)大學菊芋課題組在黃河三角洲經過連續(xù)6年的研究，鹽堿土種植菊芋可顯著提高鹽堿土土壤養(yǎng)分含量，鹽堿土的pH從7.32降到6.88，20～40 cm土層的土壤pH從7.37降到6.98；總pH降低0.40，效果相當明顯[3]。在科爾沁風沙地種植菊芋，在持續(xù)45 d無雨的干旱情況下仍能正常生長，菊芋群落能有效減弱一定風速；根系深度可達0.5 m以上，根幅最高可達0.6 m，呈現網狀結構[16]。由此可以看出，菊芋是生態(tài)友好型植物，能夠在防風固沙工作中發(fā)揮重要作用。如果將菊芋產業(yè)化發(fā)展與生態(tài)修復結合起來，將更有效地發(fā)揮其經濟效益、生態(tài)效益和社會效益[8]。

2菊芋研究發(fā)展情況

2.1研究現狀

吉林省西部白城及松原等地處高緯度地區(qū)，秋季溫度高、光照好、晝夜溫差大，適宜菊芋糖分積累，所產菊芋塊莖品質優(yōu)良，含糖高。吉林省農業(yè)科學院從事菊芋品種選育近10年，目前培育并審定菊芋新品種5個，即吉菊芋1號、吉菊芋2號、吉菊芋3號、吉菊芋4號和吉菊芋9號，收集國內外菊芋優(yōu)良品系幾十個，為吉林乃至東北地區(qū)菊芋推廣應用奠定堅實基礎。其中，在袋裝青貯試驗中，菊芋秸稈與玉米秸稈按照2∶8混合調制青貯飼料的綜合品質優(yōu)于單純玉米秸稈青貯。

2.2開發(fā)利用情況

吉林省菊芋研究與產業(yè)發(fā)展速度呈上升態(tài)勢，從田間地頭房前屋后野生的醬菜原料，到被國內外都認可的能源作物、釀酒原料、膳食纖維、新鮮蔬菜、優(yōu)質飼料及功能性飲料添加成分等不斷發(fā)展壯大，截至目前，已經開啟了既有項目研究團隊，又有企業(yè)應用的良好局面，雖然目前吉林省菊芋種植面積規(guī)模較小，為80～100 hm2。但吉林省適宜種植菊芋的風沙鹽堿地為90.88萬hm2，拓展空間巨大。隨著菊芋育種研究的深入開展及品種試驗示范推廣面積的增加，相應釀酒、飼料、菊粉及菊芋低醇飲料等加工企業(yè)的逐步建立與規(guī)模的擴大，以及菊芋生產-加工為循環(huán)產業(yè)鏈的逐級完善，必將導致菊芋原料市場需求增大，農民種植積極性相應提高，推廣種植面積必將逐年擴大，經濟社會效益不可估量，區(qū)位優(yōu)勢也會越來越明顯。菊芋產業(yè)勢必會同花生、馬鈴薯一樣，成為吉林省乃至東北風沙鹽堿地改良及種植結構調整的支撐產業(yè)。

3推廣應用前景及存在問題與建議

3.1前景

菊芋生物量大，富含菊糖，是水溶性膳食纖維菊粉的重要來源，也可廣泛應用于防風固沙、保持水土、鹽堿地恢復等生態(tài)保護領域。由于其較強的抗逆性，可在灘涂鹽堿地、棄耕地、撂荒地等邊際性土地上栽培生長，為良好的非糧能源植物；同時其地上莖葉生物量大、地下塊莖營養(yǎng)豐富，為畜牧業(yè)良好的粗飼料來源。菊芋由于其極強的抗逆性，相比常規(guī)作物可獲得較高產量，提高土地生產力，不僅使農民的收入獲得較大提高，滿足菊芋加工企業(yè)對原料的需求，獲得較好的經濟效益，還可以改善自然生態(tài)環(huán)境，具有較好的生態(tài)保護功能。

吉林西部鹽堿化和沙化面積已超過135.30萬hm2，鹽堿地面積96.90萬hm2，其中輕度鹽堿地6.07萬hm2，中度鹽堿地46.41萬hm2，重度鹽堿地面積為44.42萬hm2，風沙面積38.40萬hm2，并以每年平均1.4%的速度遞增。風沙鹽堿地種植其他雜糧作物經濟效益低，產出少，而種植菊芋效益是其他雜糧作物的2～3倍，收益在10 000～15 000元/hm2；按菊芋種植占改良鹽堿沙地10%計算，年均0.1萬 hm2左右，產量在1 000～1 500 kg/hm2，按1 000元/t計算，去除投入成本農民增收0.50億～0.75億元/a；同時，地上部產量與地下部產量基本相同，等于在獲得正常經濟效益的同時平添10萬t優(yōu)質粗飼料，效益相當可觀。利用非糧鹽堿沙地種植菊芋，有利于形成穩(wěn)定的非糧能源植物供應基地，既能為延伸種、養(yǎng)、加等產業(yè)鏈提供原料保證，又可為改善西部生態(tài)環(huán)境提供必要的技術支撐，同時有利于調動農民種植菊芋和養(yǎng)殖家畜的積極性，對加快吉林省鹽堿地改良、調整產業(yè)結構、促進企業(yè)發(fā)展、農民增收具有重要意義，其經濟、社會、生態(tài)效益顯著。

能源植物菊芋適合在吉林省西部大面積鹽堿沙地或邊際性土地種植，形成菊芋鹽堿沙地規(guī)?；N植、養(yǎng)殖及菊芋生物煉制精深加工產品生產的種、養(yǎng)、加產業(yè)鏈，有利于調動農民種植菊芋和養(yǎng)殖積極性[3]。吉林省西部的非耕地平整，因而能實現播種、收割等機械性操作，這是其他能源植物所無法比擬的。該地氣候冷涼，日照時間長，晝夜溫差大，非常適合菊芋生長及塊莖干物質積累，品質優(yōu)良產量高，既可增加企業(yè)和農民收入，又能改善生態(tài)環(huán)境，其經濟、社會、生態(tài)效益良好。利用生物途徑改良吉林省西部平原鹽堿地、實現鹽堿地低碳清潔化生產的目標，將使西部鹽堿荒地變?yōu)榫G洲，變劣勢資源為優(yōu)勢資源。因地制宜種植和開發(fā)利用菊芋，市場廣闊，前景誘人。

3.2存在的問題及建議

目前我國菊芋產業(yè)已處于快速發(fā)展時期，對菊芋原料的需求處于快速增長階段，但是由于菊芋相關種質資源研發(fā)等造成菊芋相關產業(yè)的發(fā)展還不夠完善。

根據吉林省實際研究和以往經驗，在菊芋育種及高產栽培技術研究以及菊芋相關領域探索過程中主要發(fā)現有下列共性問題：在推廣應用方面，吉林省菊芋生產利用目前處在品種示范及中試推廣階段，就目前看，全國菊芋產業(yè)在甘肅、陜西等地利用較好，種植面積廣，重點是有菊粉加工企業(yè)訂單回收，而吉林省目前主要缺少菊粉加工企業(yè)支撐，因此推廣利用重點應放在飼料加工相關的養(yǎng)殖企業(yè)和養(yǎng)殖大戶上；在科學研究方面，一是要在抗寒抗旱耐鹽堿等方面做育種工作，二是要進一步明確菊芋在各類型邊際地上營養(yǎng)生長及生殖生長規(guī)律，依據不同品種及應用重點制訂菊芋配套高產栽培措施。與主要作物相比，菊芋遺傳改良程度低，且目標單一，主要集中在提高塊莖產量和菊糖含量上，抗逆性品種選育[8]以及依據不同應用需求進行育種選擇是能源植物育種的重要目標。由于菊芋育種歷史短，其育種對現有栽培產量貢獻小，進行菊芋遺傳改良將會大幅增加這種干物質的積累。目前在我國野生菊芋自然群體內不同個體間產量存在極顯著差異，單位面積產量不高，品質較差。因此，在接下來的研究工作中，要選擇菊芋作為能源作物材料，進行遺傳改良、生物能源的轉化；為充分發(fā)揮菊芋在合理開發(fā)利用沙漠及鹽堿地中的作用，開展篩選培育抗旱、耐鹽堿優(yōu)質高產菊芋新品系[17]也是今后發(fā)展的趨勢。

參考文獻

[1] 劉鵬，王秀飛，張維東，等.菊芋新品種吉菊芋2號選育及栽培技術探討[J].園藝與種苗，2013，52（7）：40-42.

[2] 劉鵬，王秀飛，張維東，等.菊芋新品種吉菊芋1號選育報告[J].園藝與種苗，2012（10）：30-32.

[3] 劉鵬，王秀飛，張維東，等.非糧能源植物菊芋對改良吉林西部鹽堿沙地的作用及應用前景[J].北方園藝，2013，24（6）：199-202.

[4] LI X F，HOU S L，SU M，et al.Major energy plants and their potential for bioenergy development in China[J].Environ Manage，2010，46（4）：79-89.

[5] 趙凱，馬龍彪，耿貴，等.能源作物甜高粱的綜合開發(fā)與利用[J].中國糖料，2008（3）：67-71.

[6] 李金寶，何麗蓮，李富生.甘蔗作為能源作物的優(yōu)勢分析及前景展望[J].中國農學通報，2007，23（12）：427-433.

[7] 金明亮，賈海倫.甜菜作為能源作物的優(yōu)勢及發(fā)展前景[J].中國糖料，2011（1）：58-59.

[8] 劉祖昕，謝光輝.菊芋作為能源植物的研究進展[J].中國農業(yè)大學學報，2012，17（6）：122-132.

[9] ZHUANG D F，JIANG D，LIU L，et al.Assessment of bioenergy potential on marginal land in China [J].Renew Sust Energy Rev，2011，15（2）：1050-1056.

[10] SANG T，ZHU W X.Chinas bioenergy potential[J].Global change biology bioenergy，2011，3（2）：79-90.

[11] 王少杰，孟雨吟，孫士青，等.菊芋研究進展[J].山東科學，2011，24（6）：62-66.

[12] 巴哈提·加布克拜，阿衣達爾，古麗白拉.用菊芋飼養(yǎng)細毛羔羊的對比試驗[J].草食家畜，2001（3）：42.

[13] 趙曉川，王卓龍，孫金艷.菊芋在畜牧生產中的應用[J].黑龍江農業(yè)科學，2006（6）：39-40.

[14] 吳成龍，周春霖，尹金來，等.堿脅迫對不同品種菊芋幼苗生物量和可溶性滲透物質分配的影響[J].中國農業(yè)科學，2008，45（3）：901-909.

[15] 祁淑艷，儲誠山.鹽生植物對鹽漬環(huán)境的適應性及其生態(tài)意義[J].天津農業(yè)科學，2005，11（2）：42-45.

[16] 孔濤，吳祥云，劉玲玲，等.風沙地菊芋的主要生態(tài)學特性[J].生態(tài)學雜志，2009，28（9）：1763-1766.

[17] 張琳，安載學，張維東，等.菊芋的生物學特性與開發(fā)潛力研究進展[J].現代農業(yè)科技，2015（13）：87-88.