断根对菊芋光合特性的影响

摘要 以科尔沁红皮菊芋为试材，于2022—2023年测定不同断根半径（20、30、40、50 cm和不切割）条件下菊芋块茎产量、光合特性和SPAD值，探讨断根对菊芋块茎生产性能、光合特性及其SPAD值的影响，为菊芋高产栽培提供理论依据。结果表明，菊芋断根后显著提高了块茎产量，其中断根20 cm的产量最高。断根后菊芋光合特性和SPAD值随着断根半径的减小呈逐渐减小的趋势。水分利用效率随断根半径的降低呈逐渐升高的趋势。菊芋块茎产量与净光合速率、蒸腾速率、胞间CO2浓度、气孔导度和SPAD值呈极显著负相关关系。

关键词 菊芋；块茎；产量；光合特性；SPAD值

中图分类号 S 632.9 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2025）05-0018-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2025.05.005

Effects of Root Cutting on Photosynthetic Characteristics of Helianthus tuberosus L.

LI Xin，  GAO  Kai， JIN Di et al

（Inner Mongolia Minzu University，Tongliao，  Inner Mongolia 028000）

Abstract Using Koerqin red-skinned Helianthus tuberosus L. as the experimental material， this study measured the tuber yield， photosynthetic characteristics， and SPAD values under different root-cutting radii （20， 30， 40， 50 cm and uncut） during 2022-2023. The objective was to investigate the effects of root cutting on the production performance， photosynthetic characteristics， and SPAD values of Helianthus tuberosus L.， providing theoretical support for high-yield cultivation. The results showed that root cutting significantly increased tuber yield， with the highest yield observed at a 20 cm cutting radius. After root cutting， the photosynthetic characteristics and SPAD values of Helianthus tuberosus L. exhibited a decreasing trend as the cutting radius decreased， while water use efficiency showed a gradually increasing trend. There was a highly significant negative correlation between tuber yield and net photosynthetic rate， transpiration rate， intercellular CO2 concentration， stomatal conductance， and SPAD values.

Key words Helianthus tuberosus L.;Tubers;Output;Photosynthetic characteristics;SPAD value

菊芋（Helianthus tuberosus L.）作为一种在生物能源和农业生产中多用途的植物，具有广泛的应用潜力［1］。其块茎富含菊粉和多种营养成分，是人类食品和动物饲料的重要来源［2］。然而菊芋地上生物量远高于地下生物量［3］，而在生物乙醇和菊粉生产过程中，主要原材料为菊芋块茎。如何提高菊芋块茎生物量成为学者们的热点话题。研究发现断根可以提高菊芋块茎产量［4］。

作物产量的形成是地上部光合作用与地下部根系吸收水分、养分相统一的反馈过程，根系吸收促进地上部的光合作用，而充足的光合产物又为根系生长提供必需的营养物质，二者共同组成了一个完整的光合生产系统［5-6］。断根处理作为一种植物栽培技术，能够显著影响植物的光合特性、养分吸收及产量表现。断根可通过改变根系与地上部分的信号传导，进而影响植物的光合作用效率和生长调节。对于菊芋而言，光合特性直接关系到其光能转化效率和碳同化能力，这些特性又与块茎产量密切相关。因此，深入探讨断根对菊芋光合特性、SPAD值（叶绿素含量的间接测量）及块茎产量的影响，不仅有助于优化菊芋的栽培管理，还能为提升其生产效益提供科学依据。

笔者研究不同断根处理对菊芋块茎产量、光合特性及SPAD值的影响，揭示这些生理生态指标的变化规律，以期为菊芋的高效生产和栽培管理提供理论支持，并进一步探索根系调控在作物生长中的作用机制。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于内蒙古民族大学农牧业科技示范园区，为典型的温带大陆性季风气候，2022和2023年气象资料见表1。土壤为风沙土，土壤有机质9.55 g/kg，速效钾94.65 mg/kg，有效磷15.46 mg/kg，碱解氮13.15 mg/kg，pH 8.2，具有喷灌条件。

1.2 试验设计

以科尔沁红皮菊芋为试材，试验在2022—2023年的2个生长季节进行，菊芋块茎被预先切成20～25 g的小块，于2022和2023年4月10日种植，行距×株距为2 m×2 m，根据种植前土壤测试结果和菊芋的需求，氮、磷和钾分别以80、20和40 kg/hm2作为基肥施用［7］，在营养生长阶段（70～75 d）使用“垂直切割法”对菊芋水平根系进行垂直切割（图1），深度为50 cm。切割时以菊芋植株为中心，分别以20、30、40和50 cm为半径画圆，沿圆的外周垂直切割菊芋水平根系，以不进行根系切割处理为对照，每个处理10株重复，共计50株。

1.3 测定指标与方法

1.3.1 菊芋块茎生物产量。

在2022和2023年10月9—10日，以菊芋茎秆为中心，0～100 cm范围内将块茎尽量全部取出，洗净，测定鲜重。

1.3.2 光合特性。

用 Li-6400 型便携式光合测定仪测定，于处理第7天（晴天）09：30—11：00测定叶片的净光合速率、蒸腾速率、气孔导度和胞间CO2浓度等相关参数，测定时选取自上往下第3片子叶进行测定。

1.3.3 SPAD值。

使用SPAD-502叶绿素仪与光合同步测定。

1.4 数据分析

利用 Microsoft Excel 软件、DPS、SPSS 25.0 软件进行试验数据统计，采用 Duncan 检验进行显著性分析。

2 结果与分析

2.1 断根对菊芋块茎产量的影响

由图2可知，菊芋在断根处理后，块茎产量均升高。2022年D1、D2和D4处理均显著高于对照，其中D1处理最高，D3处理与对照无显著差异；2023年所有处理均显著高于对照，其中D1处理最高，D2和D4处理间无显著差异。

2.2 断根对菊芋光合特性的影响

2.2.1 断根对菊芋净光合速率的影响。

由图3可知，断根处理后，菊芋的净光合速率均低于对照，呈随断根半径增加而逐渐升高的趋势，其中2022和2023年均以D1处理最低，显著低于其他处理。

2.2.2 断根对菊芋蒸腾速率的影响。

由图4可知，断根处理后，菊芋的蒸腾速率降低，所有处理均低于对照，呈随断根半径增加而逐渐升高的趋势。2022和2023年均以D1处理最低，显著低于其他处理。

2.2.3 断根对菊芋胞间CO2浓度的影响。

由图5可知，断根处理后，菊芋的胞间CO2浓度降低，所有处理均低于对照，呈随断根半径增加而逐渐升高的趋势。2022和2023年均以D1处理最低，2022年D1和D2处理间无显著差异，且均低于其他处理，2023年D1处理显著低于其他处理。

2.2.4 断根对菊芋气孔导度的影响。

由图6可知，断根处理后，菊芋的气孔导度显著降低，所有处理均低于对照，呈随断根半径增加而升高的趋势。2022和2023年均以D1处理最低，且显著低于其他处理。

2.2.5 断根对菊芋水分利用效率的影响。

由图7可知，断根处理后，除2023年D3外菊芋的水分利用效率升高。2022和2023年均以D1处理最高，2022年D1处理显著高于其他处理，2023年D1与D2处理无显著差异，但均显著高于其他处理。

2.3 断根对SPAD值的影响

由图8可知，断根处理后，2022和2023年菊芋的SPAD均低于对照，其中D1处理最低，除2023年D4处理外均显著低于对照，呈随断根半径增加而逐渐增加的趋势。

2.4 相关性分析

由表2可知，菊芋块茎产量与净光合速率、蒸腾速率、胞间CO2浓度、气孔导度和SPAD等指标呈显著或极显著负相关关系。块茎产量与水分利用效率呈极显著正相关关系。蒸腾速率与水分利用效率呈显著负相关关系。净光合速率与蒸腾速率、胞间CO2浓度、气孔导度和SPAD值呈极显著正相关关系。

3 讨论

在植物生物量形成过程中，植物根系是重要的器官之一，有着举足轻重的作用。学者们进行了大量研究，涉及根系的形态构建，活力功能，适应各种环境因子的能力，根系对产量的影响，根系生长与地上部分的互动关系，根系性状的遗传规律等［8］。在生产实践中通过断根处理来提高其产量的做法也较普遍，如果树［9］ 、冬小麦［10］ 、苜蓿［11］ 等植物通过断根处理，均有效地提高了产量。该研究也得出相似的结论，提高了菊芋的块茎产量。其可能的原因：①断根处理后菊芋产生了补偿或超补偿效应改变了根系自身构成，增加须根数量、根表面积等，提高营养吸收能力［12-13］，延缓了根系衰老速度，延长了根系寿命［14］，从而提高了块茎产量。②断根可能引发了植物的应激响应，导致内源激素（如赤霉素、细胞分裂素等）水平的变化，这些激素在块茎膨大和发育中发挥着重要作用。③断根后，菊芋的生理机制可能会发生改变，植物可能会将更多的光合作用产物（如糖类和淀粉）分配到地下部分，而不是地上部分或其他器官。这种资源的重新分配可能会导致块茎膨大，从而增加总产量。④在根系受到损伤后，可能会触发补偿性生长机制，虽然断根削弱了部分根系功能，但植物可能会激发其他根系和块茎的生长，减少地上部分的过度消耗，将更多的资源引导至块茎部分，促进块茎的发育和产量提升。

影响产量的主要因素是光合作用和根系矿物质吸收［5，15］，因此断根处理后光合特性和营养物质吸收成为断根对植物产量形成机制的关键［16］ 。该研究发现，菊芋经断根处理后，净光合速率、蒸腾速率、胞间CO2浓度、气孔导度和SPAD值均显著降低，且与菊芋的块茎产量呈显著或极显著负相关关系。原因可能是断根后，菊芋的水分和养分供应受到限制，从而导致光合作用效率降低。气孔导度与光合作用密切相关，断根可能会引起气孔关闭，从而减少CO2的吸收，进而影响胞间CO2浓度。断根会引发植物的应激反应，导致体内激素水平的变化，如脱落酸（ABA）水平升高，进一步抑制光合作用过程。这种应激反应通常会在断根后的早期阶段表现较明显。而到断根后期，可能根系逐渐恢复，且增加了根系数量和吸收能力，内源激素水平回归正常，气孔导度增加，从而提高光合作用，使得产量提高。水分利用效率（WUE）被定义为作物使用的单位水生产的生物质或作物吸收的碳量［17］，表示植物生长过程中利用水分的经济程度。高的水分利用效率有利于植物在逆境胁迫条件下保持一定的产量，这在生产上有重要意义［18］ 。该研究断根后的水分利用效率均高于对照，原因可能是断根后植物减少气孔导度以降低水分流失。这种气孔的部分关闭虽然减少了水分的蒸腾损失，但同时也维持了较低的光合速率。在这种情况下，植物通过减少水分的消耗来提高水分利用效率，尽管光合作用可能会有所降低［19］。