菊芋的功能與栽培管理

張嬡 胡宇倩 曹文慧 彭建偉

導讀：菊芋被稱為“21世紀人畜共用作物”，其在改善生態環境、醫療保健以及工業原料等方面有著重要作用。通過合理種植和精細的人工管理，可以獲得高產量和高品質的菊芋。本文主要從菊芋的生物學性狀、特征、功能、應用價值及高產優質栽培方面進行了綜述，以便為菊芋的生產應用提供參考。

菊芋（HelianthustuberosusL.），又名洋姜、鬼子姜，是菊科向日葵屬多年生宿根型草本植物，因其地上似菊，地下似芋，故稱菊芋。其耐寒、耐旱、耐澇能力特別強，不但可以食用、制藥，而且具有第二代生物燃料的特征，具有非常好的應用前景，被聯合國糧農組織官員稱為“21世紀人畜共用作物”。菊芋在我國大部分地區都可栽培，近年來，由于其特有的食用、制藥等價值，栽培面積有擴大的趨勢，因此筆者就我國菊芋的高產優質栽培技術等進行了綜述，以便為菊芋的生產栽培提供參考。

1 菊芋的性狀及特征

菊芋莖稈直立，上部多有分枝，被白色短糙毛或者剛毛，高2～4m，葉通常對生，有葉柄，上部葉互生且呈螺旋狀均勻排列于莖稈上，下部葉為卵圓形或者卵狀橢圓形，先端鈍尖、邊緣為鋸齒狀，葉面粗糙，葉背有短毛，葉柄上部有狹翅，莖稈呈扁圓形，具有不規則突起。頭狀花序較大，單生于枝端，秋天開花，小花為黃色管狀，無香味也無異味。瘦果小，鍥形，具毛。塊莖多呈不規則紡錘形或瘤狀，按照塊莖的皮色主要分為白皮、淺紅皮和紫紅皮3個類型，肉質皆為白色，部分品種可以在地下休眠越冬。主要分布在北美溫帶區域，以塊莖繁殖為主，其塊莖中含有大量的菊糖、果糖以及低聚糖，是生產糖類的上等原料[1]。

菊芋第一次出現在人們的視野是在2個世紀之前，當時菊芋作為經濟作物從北美引進到歐洲，之后才逐漸被人們所認識。荷蘭、西班牙、德國以及英國等一些歐洲國家將菊芋作為經濟作物廣泛種植。菊芋適應能力強，耐寒、耐旱、耐瘠薄，對土壤要求不嚴格，因此可以種植在我國各個省份，但大部分集中在東北、西北等地區。

2 菊芋的功能及應用價值

2.1 功能

①改良土地 我國鹽堿地分布廣泛，約占國土面積的1/4[2]。鹽脅迫對植物最大的為害是抑制生長，過多的鈉離子通過影響光合產物的積累進而影響植物的生物產量。菊芋的耐鹽堿性不僅使其能在鹽堿地正常生長，而且可以吸收土壤里的鹽堿離子，長期種植還可以降低土壤的鹽堿性[3]。錢壽福等[4]研究發現，菊芋能夠改良土壤的理化性狀，提高土壤的利用能力；夏天翔[5]用海水對菊芋進行灌溉發現，菊芋莖部有明顯貯藏鈉離子和氯離子的能力；趙耕毛等[6]也對菊芋進行海水灌溉，發現與未灌溉處理相比，灌溉25%和50%的海水可明顯提高產量；楊君等[7]通過對海水灌溉下不同種植密度對菊芋性狀及產量的研究發現，植株間距50cm、行距70cm時產量最高。而且隨著栽培密度的增大，菊芋的除鹽能力增強。除此之外，菊芋莖葉凋落死亡落入泥土，可增加土壤有機質含量，進而培肥地力，提高土壤孔隙度、含水率，降低土壤容重。

②防風固沙，防止水土流失 菊芋有很強的耐旱能力，即使在荒漠地區只要沙土的覆蓋厚度不超過50cm都可以生長，而且菊芋有著長達2m的根系，可以吸收深層水分。菊芋根系每年可以普通植物根系20倍的速度繁殖，根系組織十分發達，可以深深地扎根于土壤中，具有較強的抗旱能力。在荒漠地區，菊芋的根系相互連接成片能夠固定沙土，同時由于其葉片生長茂盛可以防風，所以具有防風固沙的功能。劉軍政等[8]在黃土高原上對2塊坡度相同的山坡分別進行種植菊芋和沒有種植菊芋對比試驗，發現種植了菊芋的山坡土壤流失率低，因此證明了菊芋可以防止水土流失。

③美化環境 菊芋葉片形狀多種多樣，葉色從嫩綠到深綠，花色為金黃色，因此可以在春季觀葉、夏季觀花，是一種優良的觀賞植物。城市大面積種植有利于形成觀賞帶，充分發揮整體觀賞的優勢。另外，菊芋開花多，花期長，也可用作插花材料，而且適當摘花有利于塊莖產量的提高。

④金屬離子的吸附 羅安凱[9]通過研究菊芋莖葉對Cu、Pb、Zn、Cd、Cr、Ag6種重金屬離子的研究發現，菊芋莖葉對6種金屬離子的去除率隨著pH值的升高而增大，在pH值=4時，其去除率達到最大；隨著溫度的升高，其去除效果也隨之提高，但高溫條件對菊芋莖葉吸附有阻礙作用。

除以上所述功能之外，菊芋的莖稈還可以用作薪柴和造紙，其整株植物可以通過發酵產生沼氣。

2.2 應用價值

①藥用價值 在我國傳統農業發展中，蔬菜產業占有重要的地位，不僅因為蔬菜具有食用價值，也因為其獨特的藥用價值，如花菇有治療食欲減退、少氣乏力等功能[10]；蘆筍有清肺解毒、防止癌細胞擴散等功能[11]。菊芋塊莖中含有菊糖（表1），菊糖又叫菊粉[12]，其分子結構是由許多果糖分子聚合而成，因而具有低聚果糖的功能特性。果糖與其他單糖最明顯的區別是其血糖指數低——僅有23，遠遠低于葡萄糖（100）和蔗糖（65）的血糖指數，但是甜度卻比蔗糖高1.0～1.5倍。菊糖在口腔、胃以及小腸中都不會被消化分解，所以不會被人體吸收利用，僅部分在結腸中被雙歧桿菌等發酵分解產生少量的熱量。由于其熱值低，不被人體吸收，不會引起血糖含量的升高，所以可作為糖尿病患者的功能性食品加以應用推廣[13~17]。Tomomatsu[18]對菊芋生理功效進行了一系列研究，通過讓志愿者長時間食用一定量的低聚果糖，發現志愿者結腸中的次膽汁酸含量下降。Delzenne等[19]通過研究發現，天天食用含10%低聚果糖的食物能明顯增加Ca、Zn、Mg、Fe等礦物質的吸收。除此之外，菊芋的綠葉也可以被用來治療骨折、腫脹、疼痛等；菊芋花制成茶后可以抗氧化、降脂降糖等。

②飼用價值 菊芋生長速度快，收獲產量大，其營養價值與玉米十分接近，是一種優質的飼用植物。菊芋的新鮮塊莖中含有較多無氮浸出物和蛋白質，具有很高的營養價值，適合喂養豬、羊、牛等。在生長旺盛季節可以收獲地上部分用作青飼料，或者在收獲季粉碎制成干飼料。此外，菊芋富含的菊糖作為飼料添加劑可以提高動物免疫力，降低得病率，減少動物血清中的膽固醇和甘油三酯含量。

表1 菊芋塊莖的主要成分

③食用價值 菊芋塊莖耐儲存，含有豐富的氨基酸、糖和維生素等。我國南北方皆有傳統的食用方式，南方一般泡菜，而北方腌制成菜，無論腌制還是泡制都能長久保持脆嫩口感。同時，由于塊莖中菊糖含量高，所以可以用來制作糕點、糖果等。

圖1 利用菊芋塊莖生產乙醇的2種路線

④生物燃料 目前，我們使用的主要能源是原油、天然氣和煤炭，而這些能源的儲存和資源都是有限的。據國際能源機構統計，如果我們對這些有限能源的利用不加以節制，那么這3種能源供人類開采的年限僅有40年、50年和240年，因此尋求新的替代能源已經是人類發展中的緊迫問題。菊芋塊莖中含有果糖，果糖可以發酵產生乙醇，產量相當于利用甘蔗和玉米生產乙醇的兩倍。乙醇被譽為綠色石油，因為它不僅是良好的代用燃料，同時也可以提高汽油的燃燒質量。馮迪科研團隊通過對菊芋生產酒精的多年研究，已經在生產率上有了很大的提高[20]。中國科學院大連化學物理研究所以菊芋為原料，用微生物發酵生產出了生物柴油[20]。用Kluyveromycesfragilis或K.marxianus幾乎能夠完全將菊粉發酵成乙醇。利用菊芋塊莖生產乙醇一般有2種路線，即分步水解和發酵（SHF）、同步糖化和發酵（SSF）[21]，如圖1所示。

3 菊芋的栽培管理

3.1 品種選擇

我國主要菊芋種植品種為青芋1號、青芋2號和青芋3號，其中青芋2號具有耐貧瘠、耐旱、耐寒、適應性強等優良特點，所以被廣泛種植，現在已經成為北方地區的主要栽培品種。除上述品種以外，近年來也選育了一些地方性優良品種，如湖南衡陽白皮洋姜（菊芋）、四川洋姜（菊芋）、江西紅皮菊芋、南菊芋1號、紅光-窩猴等。

3.2 土壤選擇

菊芋耐寒耐旱、適應性強，所以對于土壤要求不嚴格，但是選擇的土地要求是熟地、地勢較高、土層深厚、疏松且排灌良好，前茬最好為大豆和玉米。一些土壤條件差的地塊也可以種植，但是在產量和品質上與土壤優良的地塊相比會有差異，因此選擇地力不好的土壤種植需要及時灌溉、合理施肥來提高菊芋的產量和品質。

3.3 整地施基肥

菊芋宜選擇疏松的土壤進行種植。種前需于秋冬季深翻凍土，熟化土壤。在栽種前10～15天，平整土地施足基肥，施30000kg/hm2有機肥或1500～2250kg/hm2腐熟餅肥、375～450kg/hm2草木灰和225～300kg/hm2過磷酸鈣，基肥也可以選擇在播種時穴施。

3.4 適時播種

菊芋選擇壟作種植，土壤墑情好時播種深度宜淺，15～20cm即可，墑情差時應深播20～25cm，沙地播種25～30cm。播種時期分為春秋兩季，一般選擇秋季播種，可以保溫保水。不同地區由于氣候、菊芋品種等的不同，播種時期有差異，華北地區一般在3月上中旬播種，長江以南可以在3月下旬4月上旬。菊芋主要以塊莖繁殖，除此之外還有種子繁殖、扦插繁殖和組織培養[23]。播種時選擇合適大小的種薯，一般種芋質量20～30g時菊芋產量達到最大[24]。對于較大的種薯，可以切成小塊后播種，但是要保證每塊至少有1個健康的芽眼，切塊時要對切刀進行消毒，切塊后用0.8%高錳酸鉀溶液浸種或用草木灰拌種。

3.5 播種密度

表2 不同土壤肥力下菊芋的種植密度

合理密植對菊芋獲得高產有重要的作用，肖桂龍等[25]通過3年大規模種植菊芋總結出不同土壤肥力下菊芋的種植密度，具體見表2。

3.6 田間管理

①中耕除草 菊芋播種30天左右即出苗，苗期需進行除草。當株高5～10cm時進行第一次除草，主要目的是壯苗；15cm左右時第二次除草，拔除菊芋側枝和余蘗，使養分集中供應主苗。當莖葉高30cm以上時，菊芋能夠自控雜草的生長，不需要除草，較高雜草拔掉即可。

②打頂除蕾 如果菊芋生長過于茂盛，在株高60cm時摘心打頂，防止徒長。7月中旬打偏杈，8月下旬隨時摘除花蕾，一般10天2次，有利于塊莖膨大和充實。

③澆水灌溉 菊芋雖然耐旱，但是幼苗期和現蕾開花期這2個關鍵時期不能缺水。苗期缺水時植株生長緩慢，現蕾開花期缺水時影響地上部同化產物向地下部運輸和積累，從而影響塊莖的膨大。如遇長期干旱，葉片發黃發蔫時也需要及時補充水分，但不宜澆太多，以防爛根。

④培土 當菊芋株高30cm時應培土，以防遭遇惡劣天氣時植株歪倒，并挖溝排水，以防土壤濕漬導致植株發病。

⑤追肥 菊芋生長期需肥量大，除基肥外，還需要追肥2次。第一次在5月中下旬，施尿素150kg/hm2左右，促進幼苗生長，多發新枝葉；第二次在8月上中旬，施復合肥或者硫酸鉀150～225kg/hm2，促進植株健壯和塊莖膨大，增強抗倒伏能力，促使光合產物向塊莖部位運輸、積累。

⑥病蟲害防治 菊芋生長過程中很少有病蟲害，但也要細心管理，如發現病害則需及時處理，地下害蟲如蠐螬、金針蟲、地老虎等，也可每667m2用50%辛硫磷100～200g拌土5kg撒施，之后翻入土中。

3.7 收獲貯藏

菊芋收獲期在10～11月，收獲時選擇晴天或無雨天氣，先收地上部分后收地下塊莖，挖時要小心，防止損傷塊莖。菊芋貯藏時，在秋季挖淺窖，長寬依塊莖數量而定，窖中放一層塊莖隨即覆一層土，保持濕度和良好的通氣狀況，最上面用土封好，大約高出地面17cm。如果第二年春季要用菊芋，可以在秋季割去莖稈留下塊莖，待第二年春季時早些取出。

4 展望

菊芋作為能源植物，生長速度快，抗逆性強，田間管理粗放簡單，種植條件廣泛，還能夠改善生態環境，是一種具有藥用、食用和工業原料的經濟作物。目前國內外關于菊芋的研究主要集中在生長條件和利用現代生物技術深加工兩方面。雖然對菊芋的某些部分如塊莖進行了多種用途的研究[26]，但是缺乏對其他部位如秸稈的研究，所以今后我們要致力于菊芋整體功能的研究，發揮其最大生產功能。