菊芋生长后期生物产量及营养价值

杨在宾 ，杨立杰，姜淑贞，薛 峰，杨春霞(山东农业大学动物科技学院，山东 泰安 271018)

菊芋(Helianthustuberosus)为菊科向日葵属植物[1]，俗称鬼子姜或洋姜。菊芋块茎中含有丰富的菊糖[2-3]，可用来加工低聚果糖、高果糖等经济价值较高的生物产品[4]，是食品药品领域重要的原材料[5]；地上茎秆作为一种新型能源植物[6]，可作生物发电燃料，造纸原料，动物饲料等[7-8]。菊芋适应性广，抗逆性强，能源化利用方式多样，且环境友好，是能够有效解决我国能源物质种植过程中与粮争地、与人争地矛盾的非粮能源植物之一[9]。前人对菊芋块茎部分的研究较多[10-12]，而对茎秆的价值与利用的研究却鲜有报道。本研究初步评价菊芋生物产量变化规律、适宜收获期，以期为菊芋饲用价值开发提供参数。

1 材料和方法

1.1 试验材料

选择适时种植的当年生菊芋667 hm2(山东省滨州市沾化区)，3月下旬至4月上旬播种，采用机械沟播，播种深度7～10 cm，播种覆土同时进行，用种量450～600 kg·hm-2，播种时控制株距40 cm，行距80 cm。

1.2 采样时间

根据不同生长期，分6个时间点取样，间隔两周。详细采样时间和菊芋生长期如下：

快速生长前期：雨水充足，块茎收获前10周；快速生长期：株高基本定型，花蕾开始出现，块茎收获前8周；初花期：大多花蕾已形成，田间陆续开始出现开花菊芋植株，块茎收获前6周；盛花期：菊芋植株全部出现开花，块茎收获前4周；霜降前两周：1周后花期结束，块茎收获前2周；霜降：地上部分秸秆、叶片枯萎呈半干状态，进入块茎收获期，块茎收获周。

1.3 采样方法

根据大田地形和土质，选择5个不同地块，每个地块选取1 m2，收获地上和地下部分。

产量测定：测定密度，新鲜植株重量、块茎重量，计算新鲜亩产量。

样本采集：块茎，去除泥土，取样；植株，分三部分(下1/3，中1/3和上1/3)，制备3个样本，取样。

样本分两部分：2 kg，直接带回实验室；其余部分，留现场，制备风干植株和块茎。

1.4 分析指标

化学评价：6个时期，5个采样点，分别测定地上和地下部分的初水分、干物质、粗蛋白、粗脂肪、总能量。

样本营养成分的测定，干物质(dry matter，DM)采用(105 ℃)烘干法[13]，粗蛋白采用凯氏半微量定氮法[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]。样本总能(gross energy，GE)的计算参照参考文献[13]。

植株新鲜产量：每个地块选取1 m2，分别称鲜重。根据种植密度，计算全株和菊芋植株新鲜产量。

植株风干产量：每个地块选取1 m2，分别称鲜重后，将菊芋样本进行标号，用网兜分装，置于阳光充足、通风良好的环境中，自然风干60 d。称风干样本重。根据种植密度，计算全株和块茎、地上不同部位的风干生物产量。

植株干物质产量：测定植株风干产量的样本，全部带回实验室，取自然风干的样本500 g，粉碎过0.25 mm孔径筛，测定105 ℃下干物质含量。根据种植密度、干物质含量，计算全株和块茎、地上不同部位的干物质产量。

粗蛋白质生物产量：上述风干样本，测定全株和块茎、地上不同部位粗蛋白质(CP)含量。根据风干物质产量、粗蛋白质含量，计算全株和块茎、地上不同部位的粗蛋白质生物产量。

生物总能产量：上述风干样本，测定全株和块茎、地上不同部位的干物质(DM，%)、粗蛋白质(CP，%)、粗脂肪(EE，%)、粗灰分(ASH，%)。计算风干物质基础上总能[GE，(KJ·kg-1)]，GE=[4 143+(56×EE)+(15×CP)-(44×ASH)]×4.187。根据干物质产量、GE含量，计算全株和不同器官部位的粗生物总能产量。

1.5 数据分析

采用SAS 9.2软件进行统计分析，P<0.05为差异显著。使用One-way ANOVA和Duncan’s分别进行方差分析和多重比较。

2 结果与分析

2.1 菊芋和植株产量分析

菊芋植株不同收获期的新鲜植株、风干植株和绝干植株产量的地上不同部位(上1/3，中1/3和下1/3)、整个地上、地下部分、全株以及地上/地下的比例，都随着生长期发生极显著或显著的变化(P<0.01，P<0.05)(表1-3)。由此说明，菊芋植株产量随着生长期各器官和部位都在发生巨大变化。

2.2 菊芋和植株生物粗蛋白质产量分析

整个地上生物粗蛋白质产量霜降前两周最高，地下部分霜降期最高，全株分析霜降前两周最高(P<0.01)(表4)。由此说明，菊芋植株粗蛋白质产量随着生长期各器官和部位都在发生巨大变化，从饲料蛋白质供应来讲，霜降前两周左右，是菊芋地下和地上全部用于饲料粗蛋白质供应的最适宜时期，如果地下用作加工生产低聚果糖、高果糖等经济价值较高的生物产品，充分发挥其功能用途的同时，地上作饲料，需要平衡两种用途的价值再做更细致的收获评估。

2.3 菊芋和植株生物能量产量分析

整个地上生物总能产量霜降前两周最高，地下部分霜降期最高，全株分析霜降前两周最高(P<0.05)(表4)。由此说明，菊芋植株生物总能产量随着生长期各器官和部位都在发生巨大变化，从饲料生物能量供应来讲，霜降前两周左右，是菊芋地下和地上全部用于饲料能源供应的最适宜时期，如果地下用作加工生产低聚果糖、高果糖等经济价值较高的生物产品，充分发挥其功能用途的同时，地上作饲料，需要平衡两种用途的价值再做更细致的收获评估。

3 讨论

就DM产量展开分析，地上部分和全株产量霜降前两周最高，地下部分霜降前两周和霜降时虽有数值差别，但是显著性分析并不显著。由此证明，从饲料产量来讲，霜降前两周左右，也就是菊芋块茎收获前两周，产量最大，是作饲料用途的适时收获期。

菊芋生物蛋白质单产为3 206 kg·hm-2，玉米(Zeamays)和小麦(Triticumaestivum)分别为1 946和1 200 kg·hm-2。如果按每年小麦和玉米轮播计算，每年玉米+小麦总生物蛋白质产量为3 146 kg·hm-2。种植菊芋的生物蛋白质产量高于玉米和小麦生物蛋白质总产量。以每年玉米+小麦生物蛋白质产量为100%，种植菊芋的生物蛋白质产量高出玉米和小麦生物蛋白质产量总和的2%。

菊芋生物总能单产为。8.33×105MJ·hm-2，玉米和小麦分别为4.04×105和2.02×105MJ·hm-2。如果按每年小麦和玉米轮播，每年玉米+小麦总生物总能产量为6.06×105MJ·hm-2。种植菊芋的生物总能产量高于玉米+小麦总产量。以每年玉米+小麦生物总能产量为100%，种植菊芋的生物总能产量为137%。菊芋生物总能产量高37%。

玉米和小麦是我国最大的粮食作物，是为人类和动物提供生物蛋白质和能源的主要来源[14-15]。但是，两大作物的秸秆和籽实差异很大，几乎所有秸秆都废弃掉，在当前我国的农业产业结构中，秸秆处理成为政府和农民的重大难题，不但不能综合利用，反而造成环境污染和经济巨大浪费[16-17]。对于动物，菊芋的地上地下都可以作为饲料[18-19]。与两大作物综合产量比较，菊芋一个生长季节的生物产量，可以超过玉米和小麦两个季节的累积产量之和。在生物蛋白质产量与两大作物综合产量持平的基础上，生物能量产量高出两种作物生物能量产量之和的37%。由此证明，种植菊芋是解决生物能源紧缺的重要途径。

4 结论

菊芋种植生物产量优于玉米和小麦，种植菊芋是解决生物能源紧缺的重要途径之一。

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] 刘祖昕,谢光辉.菊芋作为能源植物的研究进展.中国农业大学学报,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] 乌日娜,朱铁霞,于永奇,高凯.菊芋的研究现状及开发潜力.草业科学,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,赵耕毛,王长海.新型菊芋秸秆:烟煤混合固体燃料添加剂的选择与燃烧性能分析.农业环境科学学报,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] 孙纪录,贾英民,桑亚新.菊芋资源的开发利用.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,任剑刚,赵心清,白凤武.一步法发酵菊芋生产乙醇.生物工程学报,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] 刘丹梅,姜吉禹,杨君.菊芋的生态功能研究.北方园艺,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] 孔涛,张楠,林凤梅,吴祥云.不同品种菊芋块茎及茎叶营养成分分析比较.广东农业科学,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] 宁慧云.我国玉米品质现状问题及发展优质食用玉米对策.农业与技术,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] 金善宝.中国小麦学.北京：中国农业出版社,1996.

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

[16] 李宝军.解决玉米秸秆问题新思路.农产品加工,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] 高铜涛.小麦秸秆污染问题及其防治对策.绿色科技,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] 贺威鹏.菊芋是猪和奶牛的优质饲料.当代畜禽养殖业,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,曹海龙,白雪芳,赵静玫,岳敏.一种以菊芋为原料的大宗饲料及应用.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)