菊芋生長后期生物產(chǎn)量及營養(yǎng)價(jià)值

楊在賓 ，楊立杰，姜淑貞，薛 峰，楊春霞(山東農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院，山東 泰安 271018)

菊芋(Helianthustuberosus)為菊科向日葵屬植物[1]，俗稱鬼子姜或洋姜。菊芋塊莖中含有豐富的菊糖[2-3]，可用來加工低聚果糖、高果糖等經(jīng)濟(jì)價(jià)值較高的生物產(chǎn)品[4]，是食品藥品領(lǐng)域重要的原材料[5]；地上莖稈作為一種新型能源植物[6]，可作生物發(fā)電燃料，造紙?jiān)?，?dòng)物飼料等[7-8]。菊芋適應(yīng)性廣，抗逆性強(qiáng)，能源化利用方式多樣，且環(huán)境友好，是能夠有效解決我國能源物質(zhì)種植過程中與糧爭地、與人爭地矛盾的非糧能源植物之一[9]。前人對(duì)菊芋塊莖部分的研究較多[10-12]，而對(duì)莖稈的價(jià)值與利用的研究卻鮮有報(bào)道。本研究初步評(píng)價(jià)菊芋生物產(chǎn)量變化規(guī)律、適宜收獲期，以期為菊芋飼用價(jià)值開發(fā)提供參數(shù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

選擇適時(shí)種植的當(dāng)年生菊芋667 hm2(山東省濱州市沾化區(qū))，3月下旬至4月上旬播種，采用機(jī)械溝播，播種深度7～10 cm，播種覆土同時(shí)進(jìn)行，用種量450～600 kg·hm-2，播種時(shí)控制株距40 cm，行距80 cm。

1.2 采樣時(shí)間

根據(jù)不同生長期，分6個(gè)時(shí)間點(diǎn)取樣，間隔兩周。詳細(xì)采樣時(shí)間和菊芋生長期如下：

快速生長前期：雨水充足，塊莖收獲前10周；快速生長期：株高基本定型，花蕾開始出現(xiàn)，塊莖收獲前8周；初花期：大多花蕾已形成，田間陸續(xù)開始出現(xiàn)開花菊芋植株，塊莖收獲前6周；盛花期：菊芋植株全部出現(xiàn)開花，塊莖收獲前4周；霜降前兩周：1周后花期結(jié)束，塊莖收獲前2周；霜降：地上部分秸稈、葉片枯萎呈半干狀態(tài)，進(jìn)入塊莖收獲期，塊莖收獲周。

1.3 采樣方法

根據(jù)大田地形和土質(zhì)，選擇5個(gè)不同地塊，每個(gè)地塊選取1 m2，收獲地上和地下部分。

產(chǎn)量測定：測定密度，新鮮植株重量、塊莖重量，計(jì)算新鮮畝產(chǎn)量。

樣本采集：塊莖，去除泥土，取樣；植株，分三部分(下1/3，中1/3和上1/3)，制備3個(gè)樣本，取樣。

樣本分兩部分：2 kg，直接帶回實(shí)驗(yàn)室；其余部分，留現(xiàn)場，制備風(fēng)干植株和塊莖。

1.4 分析指標(biāo)

化學(xué)評(píng)價(jià)：6個(gè)時(shí)期，5個(gè)采樣點(diǎn)，分別測定地上和地下部分的初水分、干物質(zhì)、粗蛋白、粗脂肪、總能量。

樣本營養(yǎng)成分的測定，干物質(zhì)(dry matter，DM)采用(105 ℃)烘干法[13]，粗蛋白采用凱氏半微量定氮法[14]，粗脂肪(ether extract，EE)采用索氏乙醚提取法[13]，粗灰分(ash，ASH)采用(550 ℃)灰化法[13]。樣本總能(gross energy，GE)的計(jì)算參照參考文獻(xiàn)[13]。

植株新鮮產(chǎn)量：每個(gè)地塊選取1 m2，分別稱鮮重。根據(jù)種植密度，計(jì)算全株和菊芋植株新鮮產(chǎn)量。

植株風(fēng)干產(chǎn)量：每個(gè)地塊選取1 m2，分別稱鮮重后，將菊芋樣本進(jìn)行標(biāo)號(hào)，用網(wǎng)兜分裝，置于陽光充足、通風(fēng)良好的環(huán)境中，自然風(fēng)干60 d。稱風(fēng)干樣本重。根據(jù)種植密度，計(jì)算全株和塊莖、地上不同部位的風(fēng)干生物產(chǎn)量。

植株干物質(zhì)產(chǎn)量：測定植株風(fēng)干產(chǎn)量的樣本，全部帶回實(shí)驗(yàn)室，取自然風(fēng)干的樣本500 g，粉碎過0.25 mm孔徑篩，測定105 ℃下干物質(zhì)含量。根據(jù)種植密度、干物質(zhì)含量，計(jì)算全株和塊莖、地上不同部位的干物質(zhì)產(chǎn)量。

粗蛋白質(zhì)生物產(chǎn)量：上述風(fēng)干樣本，測定全株和塊莖、地上不同部位粗蛋白質(zhì)(CP)含量。根據(jù)風(fēng)干物質(zhì)產(chǎn)量、粗蛋白質(zhì)含量，計(jì)算全株和塊莖、地上不同部位的粗蛋白質(zhì)生物產(chǎn)量。

生物總能產(chǎn)量：上述風(fēng)干樣本，測定全株和塊莖、地上不同部位的干物質(zhì)(DM，%)、粗蛋白質(zhì)(CP，%)、粗脂肪(EE，%)、粗灰分(ASH，%)。計(jì)算風(fēng)干物質(zhì)基礎(chǔ)上總能[GE，(KJ·kg-1)]，GE=[4 143+(56×EE)+(15×CP)-(44×ASH)]×4.187。根據(jù)干物質(zhì)產(chǎn)量、GE含量，計(jì)算全株和不同器官部位的粗生物總能產(chǎn)量。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用SAS 9.2軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，P<0.05為差異顯著。使用One-way ANOVA和Duncan’s分別進(jìn)行方差分析和多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 菊芋和植株產(chǎn)量分析

菊芋植株不同收獲期的新鮮植株、風(fēng)干植株和絕干植株產(chǎn)量的地上不同部位(上1/3，中1/3和下1/3)、整個(gè)地上、地下部分、全株以及地上/地下的比例，都隨著生長期發(fā)生極顯著或顯著的變化(P<0.01，P<0.05)(表1-3)。由此說明，菊芋植株產(chǎn)量隨著生長期各器官和部位都在發(fā)生巨大變化。

2.2 菊芋和植株生物粗蛋白質(zhì)產(chǎn)量分析

整個(gè)地上生物粗蛋白質(zhì)產(chǎn)量霜降前兩周最高，地下部分霜降期最高，全株分析霜降前兩周最高(P<0.01)(表4)。由此說明，菊芋植株粗蛋白質(zhì)產(chǎn)量隨著生長期各器官和部位都在發(fā)生巨大變化，從飼料蛋白質(zhì)供應(yīng)來講，霜降前兩周左右，是菊芋地下和地上全部用于飼料粗蛋白質(zhì)供應(yīng)的最適宜時(shí)期，如果地下用作加工生產(chǎn)低聚果糖、高果糖等經(jīng)濟(jì)價(jià)值較高的生物產(chǎn)品，充分發(fā)揮其功能用途的同時(shí)，地上作飼料，需要平衡兩種用途的價(jià)值再做更細(xì)致的收獲評(píng)估。

2.3 菊芋和植株生物能量產(chǎn)量分析

整個(gè)地上生物總能產(chǎn)量霜降前兩周最高，地下部分霜降期最高，全株分析霜降前兩周最高(P<0.05)(表4)。由此說明，菊芋植株生物總能產(chǎn)量隨著生長期各器官和部位都在發(fā)生巨大變化，從飼料生物能量供應(yīng)來講，霜降前兩周左右，是菊芋地下和地上全部用于飼料能源供應(yīng)的最適宜時(shí)期，如果地下用作加工生產(chǎn)低聚果糖、高果糖等經(jīng)濟(jì)價(jià)值較高的生物產(chǎn)品，充分發(fā)揮其功能用途的同時(shí)，地上作飼料，需要平衡兩種用途的價(jià)值再做更細(xì)致的收獲評(píng)估。

3 討論

就DM產(chǎn)量展開分析，地上部分和全株產(chǎn)量霜降前兩周最高，地下部分霜降前兩周和霜降時(shí)雖有數(shù)值差別，但是顯著性分析并不顯著。由此證明，從飼料產(chǎn)量來講，霜降前兩周左右，也就是菊芋塊莖收獲前兩周，產(chǎn)量最大，是作飼料用途的適時(shí)收獲期。

菊芋生物蛋白質(zhì)單產(chǎn)為3 206 kg·hm-2，玉米(Zeamays)和小麥(Triticumaestivum)分別為1 946和1 200 kg·hm-2。如果按每年小麥和玉米輪播計(jì)算，每年玉米+小麥總生物蛋白質(zhì)產(chǎn)量為3 146 kg·hm-2。種植菊芋的生物蛋白質(zhì)產(chǎn)量高于玉米和小麥生物蛋白質(zhì)總產(chǎn)量。以每年玉米+小麥生物蛋白質(zhì)產(chǎn)量為100%，種植菊芋的生物蛋白質(zhì)產(chǎn)量高出玉米和小麥生物蛋白質(zhì)產(chǎn)量總和的2%。

菊芋生物總能單產(chǎn)為。8.33×105MJ·hm-2，玉米和小麥分別為4.04×105和2.02×105MJ·hm-2。如果按每年小麥和玉米輪播，每年玉米+小麥總生物總能產(chǎn)量為6.06×105MJ·hm-2。種植菊芋的生物總能產(chǎn)量高于玉米+小麥總產(chǎn)量。以每年玉米+小麥生物總能產(chǎn)量為100%，種植菊芋的生物總能產(chǎn)量為137%。菊芋生物總能產(chǎn)量高37%。

玉米和小麥?zhǔn)俏覈畲蟮募Z食作物，是為人類和動(dòng)物提供生物蛋白質(zhì)和能源的主要來源[14-15]。但是，兩大作物的秸稈和籽實(shí)差異很大，幾乎所有秸稈都廢棄掉，在當(dāng)前我國的農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)中，秸稈處理成為政府和農(nóng)民的重大難題，不但不能綜合利用，反而造成環(huán)境污染和經(jīng)濟(jì)巨大浪費(fèi)[16-17]。對(duì)于動(dòng)物，菊芋的地上地下都可以作為飼料[18-19]。與兩大作物綜合產(chǎn)量比較，菊芋一個(gè)生長季節(jié)的生物產(chǎn)量，可以超過玉米和小麥兩個(gè)季節(jié)的累積產(chǎn)量之和。在生物蛋白質(zhì)產(chǎn)量與兩大作物綜合產(chǎn)量持平的基礎(chǔ)上，生物能量產(chǎn)量高出兩種作物生物能量產(chǎn)量之和的37%。由此證明，種植菊芋是解決生物能源緊缺的重要途徑。

4 結(jié)論

菊芋種植生物產(chǎn)量優(yōu)于玉米和小麥，種植菊芋是解決生物能源緊缺的重要途徑之一。

References:

[1] Kays S J,Nottingham S F.Biology and chemistry of Jerusalem artichoke:(HelianthustuberosusL.).Journal of Agricultural and Food Information,2007,10(4):352-353.

[2] Long X H,Shao H B,Liu L,Liu L P,Liu Z P.Jerusalem artichoke:A sustainable biomass feedstock for biorefinery.Renewable & Sustainable Energy Reviews,2016,54(2):1382-1388.

[3] Razmkhah M,Rezaei J,Fazaeli H.Use of Jerusalem artichoke tops silage to replace corn silage in sheep diet.Animal Feed Science & Technology,2017,228(4):168-177.

[4] 劉祖昕,謝光輝.菊芋作為能源植物的研究進(jìn)展.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2012,17(6):122-132.

Liu Z X,Xie G H.An overview of researches on Jerusalem artichoke as a biofuel crop.Journal of China Agricultural University,2012,17(6):122-132.(in Chinese)

[5] 烏日娜,朱鐵霞,于永奇,高凱.菊芋的研究現(xiàn)狀及開發(fā)潛力.草業(yè)科學(xué),2013,30(8):1295-1300.

Wurina,Zhu T X,Yu Y Q,Gao K.Study on status and exploiting potential ofHelianthustuberosus.Pratacultural Science,2013,30(8):1295-1300.(in Chinese)

[6] 常子磐,郭加汛,趙耕毛,王長海.新型菊芋秸稈:煙煤混合固體燃料添加劑的選擇與燃燒性能分析.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2016,35(8):1610-1615.

Chang Z P,Guo J X,Zhao G M,Wang C H.Selecting additives for optimum combustion performance of a new-type Jerusalem artichoke:Bituminous coal solid biofuel pellets.Journal of Agro-Environment Science,2016,35(8):1610-1615.(in Chinese)

[7] 孫紀(jì)錄,賈英民,桑亞新.菊芋資源的開發(fā)利用.食品科技,2003(1):27-29.

Sun J L,Jia Y M,Sang Y X.The development and utilization Jerusalem artichoke resource.Food Science and Technology,2003(1):27-29.(in Chinese)

[8] 袁文杰,任劍剛,趙心清,白鳳武.一步法發(fā)酵菊芋生產(chǎn)乙醇.生物工程學(xué)報(bào),2008,24(11):1931-1936.

Yuan W J,Ren J G,Zhao X Q,Bai F W.One-step ethanol fermentation withKluyveromycesmarxianusYX01 from Jerusalem artichoke.Chinese Journal of Biotechnology,2008,24(11):1931-1936.(in Chinese)

[9] 劉丹梅,姜吉禹,楊君.菊芋的生態(tài)功能研究.北方園藝,2009(10):140-142.

Liu D M,Jiang J Y,Yang J.Ecological functions of Jerusalem artichoke.Northern Horticulture,2009(10):140-142.(in Chinese)

[10] Baldini M,Danuso F,Turi M,Vannozzi G P.Evaluation of new clones of Jerusalem artichoke (HelianthustuberosusL.) for inulin and sugar yield from stalks and tubers.Industrial Crops and Products,2004,19(1):25-40.

[11] Westley L C.The effect of inflorescence bud removal on tuber production inHelianthustuberosusL.(Asteraceae).Ecology,1993,74(7):2136.

[12] 孔濤,張楠,林鳳梅,吳祥云.不同品種菊芋塊莖及莖葉營養(yǎng)成分分析比較.廣東農(nóng)業(yè)科學(xué),2013,40(6):108-109.

Kong T,Zhang N,Lin F M,Wu X Y.Analysis and comparison of stem leaf and tuber nutritional composition in different Jerusalem artichoke.Guangdong Agricultural Sciences,2013,40(6):108-109.(in Chinese)

[13] Nation Research Council.Nutrient Requirements of Swine.Washington,D.C.:National Academies Press,2012.

[14] 寧慧云.我國玉米品質(zhì)現(xiàn)狀問題及發(fā)展優(yōu)質(zhì)食用玉米對(duì)策.農(nóng)業(yè)與技術(shù),2013(9):123-123.

Ning H Y.Current situation of maize quality in China and countermeasures for developing high quality edible maize.Agriculture and Technology,2013(9):123-123.(in Chinese)

[15] 金善寶.中國小麥學(xué).北京：中國農(nóng)業(yè)出版社,1996.

Jin S B.Chinese Wheat Science.Beijing:China Agriculture Press,1996.(in Chinese)

[16] 李寶軍.解決玉米秸稈問題新思路.農(nóng)產(chǎn)品加工,2009(3):26-26.

Li B J.New ideas for solving the problem of corn stalk.Farm Products Processing,2009(3):26-26.(in Chinese)

[17] 高銅濤.小麥秸稈污染問題及其防治對(duì)策.綠色科技,2013(12):186-187.

Gao T T.Problems and countermeasures of wheat straw pollution.Journal of Green Science and Technology,2013(12):186-187.(in Chinese)

[18] 賀威鵬.菊芋是豬和奶牛的優(yōu)質(zhì)飼料.當(dāng)代畜禽養(yǎng)殖業(yè),2013,14(1):30-30.

He W P.Jerusalem artichoke is high quality feed pigs and cows.Contemporary Livestock and Poultry Breeding Industry,2013,14(1):30-30.(in Chinese)

[19] 杜昱光,朱豫,李曙光,曹海龍,白雪芳,趙靜玫,岳敏.一種以菊芋為原料的大宗飼料及應(yīng)用.CN200910010865.5,2010.

Du Y G,Zhu Y,Li S G,Cao H L,Bai X F,Zhao J M,Yue M.The application of a bulk feed from Jerusalem artichoke.CN200910010865.5,2010.(in Chinese)