甘蔗产量形成的要素及其化控措施

罗含敏，周慧文，闫海锋，周忠凤，范业赓，罗 霆，陈荣发，段维兴，刘俊仙，丘立杭，吴建明

（广西壮族自治区农业科学院甘蔗研究所/农业部广西甘蔗遗传改良与生物技术重点实验室/广西甘蔗遗传改良重点实验室，广西 南宁 530007）

0 引言

甘蔗是经济和生态日益重要的糖料作物，被广泛种植于热带和亚热带地区，具有极高的生物产量，并以收获地上部蔗茎为主要原料。因此，蔗茎的生长发育与产量息息相关。甘蔗单产由单位面积有效茎数和单茎重组成，其中有效茎数受下种量、基本苗数、分蘖及其成茎率等影响，尤其是甘蔗分蘖成茎，是蔗茎生长发育的关键，也是甘蔗产量形成的主体［1-2］；而单茎重则是茎粗（茎径）与茎长（株高）的综合体现，取决于蔗茎节间的生长发育。由此可见，甘蔗产量的形成受多个重要农艺性状的影响，而适当调控这些农艺性状的生长发育对增产增效意义重大。

作物化学调控技术在定向控制农艺性状的生长发育中发挥着重要作用，已被广泛应用于园艺和农业生产中，并极大幅度地提高了作物产量［3-4］。一般认为，化学调控是利用植物外源激素或植物生长调节剂（具有植物激素活性类似物）改变或影响其内源激素系统平衡，实现调节作物的生育进程或生长方向朝着即定的目标改变的技术体系，起源于研究者对植物激素的发现及其生理效应的研究，20世纪30年代生长素在农业上用以促进插枝生根标志着作物化学调控的开始，基于调控赤霉素的代谢和信号转导为导向的半矮秆育种则将化学调控的研究和应用推向新纪元。作物化学控制技术打破了常规栽培措施与环境因素的限制，极大地挖掘作物遗传潜能，成为持续提高作物生产力的最有效技术体系［5-7］，为农业生产提质增效、作物品种选育和品质改良提供了新动力，增强了生产者的积极性，具有广泛的应用前景。

甘蔗的主要产品是糖，蔗茎的糖分和产量决定着产糖量，我国是世界上重要的产糖国，而广西糖业支撑着我国食糖供给的平衡。面对当今全球气候变暖加剧、水资源分布失衡、耕地面积下降、农村劳动力减少且趋于老龄化的背景，甘蔗生产面临巨大的挑战，传统甘蔗生产方式和栽培技术已经无法达到高产高效的现代化发展要求。为了突破栽培技术壁垒和品种种性限制导致的甘蔗单产瓶颈，满足世界对食糖供给增长的需求，甘蔗栽培需要提高甘蔗糖分和蔗茎产量，在同等条件下，单产越高，产糖量则越高。一直以来，化学调控技术在甘蔗增产增糖中的应用和研究受到许多甘蔗产糖国的重视［8］。本文综述了甘蔗产量形成中的内外因素；根据甘蔗生产实际问题，总结甘蔗产量形成的化学调控措施的相关应用研究，并进行展望，以期为利于植物生长调节剂助力甘蔗生产提供指导。

1 甘蔗产量形成的主要影响因素

1.1 品种种性

纵观甘蔗育种历史，甘蔗属的主要6个种（即热带种、印度种、中国种、割手密、大茎野生种和肉质花穗野生种）的产量极低，随着甘蔗有性繁殖法的发现，有性杂交育种成为了世界各主要产糖国甘蔗品种改良的主要途径，而每一个优良新品种的成功选育和推广都推动着甘蔗平均亩产的提高，极大调动了蔗农的积极性，促进甘蔗产业的可持续发展。由此可见，甘蔗品种种性（即遗传基础）决定其基础产量，是产量形成的主要内因［9-10］。虽然高产和高糖性状很难在一个品种中二者兼备，但选育适当兼顾高产和高糖性状的优良新品种对甘蔗产业至关重要。据不完全统计，1950年至2010年间，广西甘蔗主栽品种发生了5次大的更迭，均促使了广西甘蔗单产和蔗糖分有较大的提高，见表1。由此进一步表明，甘蔗品种种性对蔗区单产和糖分贡献巨大。

表1 1950～2010年广西产糖量、甘蔗单产和蔗糖分变迁

1.2 环境因素

植物的生长发育与环境条件关系密切，甘蔗品种的产量性状是遗传基础和环境共同作用的结果，且甘蔗各生长发育时期所要求的环境条件也各有差异。甘蔗生育期一般可分为萌芽期、幼苗期、分蘖期、伸长期和成熟期等5个时期，不同时期下甘蔗对光、温、水等自然条件的需求量也是各有特点［11-14］。

萌芽期是决定甘蔗基本苗数的重要时期，确保更高的全苗和齐苗是夺取甘蔗高产的基础。前人的研究表明，甘蔗萌芽的最低温度范围为13℃～15℃，发芽适宜温度是25℃～32℃［8］；此外，蔗芽的萌发情况也与品种有关［15-16］；土壤水分对蔗种萌发的影响也非常大［17］；而光照也会影响蔗芽的萌动与生长发育［18］。

幼苗期是甘蔗分蘖的准备阶段，此时以地下部分蘖节的形成、根系生长和叶片生长为主，且初期生长所需的营养主要来源于种茎，因此，温度、光照、水分和土壤养分等是影响甘蔗幼苗期生长发育的主要环境条件。因为，低温环境致使甘蔗幼苗冻害，叶片光合能力下降［19］，不利于幼苗生长；然而，过多的水分对气温和土温的回升也不利，土壤的通透性也受影响，不利于根系的生长发育，进而影响养分的吸收［20］；同时，光照条件不足，也会造成甘蔗叶片同化物质分配与内源激素代谢失衡，最终抑制植株的生长［18］。当甘蔗幼苗长至3～4叶龄时，其地下部分蘖节上的芽体开始萌动，随后生长成分蘖苗，标志进入分蘖期。分蘖期又可分为初期、盛期和末期，一般情况下，初期和盛期的分蘖大部分可以拔节成茎，成为有效分蘖，而末期的分蘖则多为无效分蘖，会自动消亡，关于甘蔗分蘖及其成茎的相关研究进展本课题组已经发表了详细的综述报道［2］。由此可见，苗期和分蘖期甘蔗需要充足的阳光、温度和养分，对水分的需求量较少，这也是甘蔗栽培中生长前期（伸长期之前）遇到长期阴雨天气导致死苗或分蘖少而减产的主要原因。

分蘖结束后甘蔗生长进入伸长期，主苗（幼苗期形成）和分蘖苗（分蘖期形成）先后进行拔节并生长发育成蔗茎，伴随着节数的增长和节间的伸长，此时甘蔗的根、茎、叶进入全面生长时期，生物量快速积累，生理生化代谢极其活跃，是甘蔗有效茎形成的重要时期，直接决定蔗茎产量［21］。甘蔗伸长期的长短及其生长情况与蔗区环境、气候有密切关系［14］，钟楚等［22］分析结果表明，充足的雨水、热和光照条件对促进甘蔗茎伸长有利；本课题开展遮荫胁迫对甘蔗茎的生长发育与品质形成的研究结果表明，遮荫引发的弱光导致株高、单茎重、蔗糖分及叶面积等指标显著下降（数据未发表），这暗示光照不足明显对甘蔗产量不利；降雨量少及地形地貌引起的土壤水分胁迫也不利于伸长期甘蔗的生长［23］，且水分与养分的吸收具有协同作用，伸长期供水不足或低供水量对氮、磷、钾等的吸收和利用有抑制作用［24-25］；此外，高温高湿条件也是影响甘蔗株高快速生长的气象因子［26］。

相对于伸长期甘蔗的快速营养生长，成熟期甘蔗主要进行糖分积累、转运和转化，温度和水分环境条件成为了该时期最主要的影响因素，究其原因如下：一是温度，甘蔗糖分积累需要较大的昼夜温差，10℃左右的温差条件比较有利于蔗茎糖分积累和转化；如遇高温和温差小条件，会导致营养生长恢复，消耗自身养分，不利于甘蔗积累蔗糖分。二是水分，成熟期甘蔗对水分的需求较小，试验表明，旱坡地比水田条件下的甘蔗糖分要高［27］；且水分与甘蔗成熟期生长还与品种有关［28］；多雨潮湿的环境下甘蔗表现为迟熟、低糖，但干旱或者其他因素导致过早的干旱蔗茎糖分也较低，并且蔗汁中的胶质含量增多，不利于榨糖［8］。

综上可知，甘蔗不同时期的生长特性与环境条件息息相关，两者的相互配合对甘蔗高产高糖栽培具有积极的指导价值。

1.3 栽培技术与措施

作物的产量除了受环境影响外，还与当下的栽培技术、种植制度及管理措施有关［29］。现今，我国蔗区在选育甘蔗优良新品种的基础上研发并集成一系列先进适宜的栽培技术，主要包括蔗地机械深耕深松［30-32］、化肥减施［33］、地膜覆盖［34］、节水灌溉［35］、脱毒健康种苗［36-37］、化学调控［38］、甘蔗生产管理机械化［39-40］和病虫草鼠综合防治［41］等，且它们的推广应用取得了较好效果。此外，甘蔗种植制度和方式也会对产量造成一定程度的影响，比如种植时期［42］、种植密度［43］、种植行距［44］、轮作与间套作［45-46］等。从上述前人的研究结果可知，甘蔗先进事宜栽培技术的应用推广可明显提高产量和经济效益，增收增糖，在提高产业竞争力方面也发挥了显著作用。

2 甘蔗产量生产中面临的主要问题及其解决措施

甘蔗种植属于劳动密集型产业，仍存在许多亟待解决的问题。首先，甘蔗生产机械化应用范围小。目前，除了国有农垦农场及少数规模较大的甘蔗专业户或者企业采用机械化种植和收获外，尚有90%以上的种植户仍采用人工种植和砍收方法，少数实现了半机械化模式。其次，甘蔗生产中过量施肥施药问题非常严重，特别是氮、磷、钾三要素肥料和除草剂的施用严重超标。目前，甘蔗减肥减药、轻简化栽培技术成为了生产研究热门，同时高效低毒农药研发和区域化生物综合防治成为了当下农作物区域联防的技术攻关重点。第三，在甘蔗良种种植结构优化配置及其病虫害防治方面。甘蔗产业一直面临着育种周期长而带来的品种选育问题突出，且抗病育种难有进展。虽然甘蔗健康种苗的应用推广在很大程度上缓解了供种难题，但蔗区长期品种单一化栽培现象依然严重，导致害虫和病原菌已在蔗区土壤甚至空气中大量积累，大面积引发螟虫和黑穗病等频发，且种性退化问题严重，进而甘蔗宿根性年限也严重降低。本课题组报道的甘蔗扦插和补种技术在解决上述瓶颈问题上取得了突破性的进展［47-48］；无人机高效喷施技术在安全可靠与生态环保方面给植保和化学调控技术带来了新支撑［38，49］。第四，由于我国甘蔗生产条件总体较差，90%以上甘蔗栽培区域属于喀斯特地形地貌，缺乏灌溉条件，水成为制约甘蔗单产提高的最重要因素，此时在条件允许的情况下，集成一系列节水灌溉技术措施是非常必要的，同时根据当地的气候条件，有效的避开干旱天气并进行适当的甘蔗栽培管理可望能实现稳产高产。此外，我国甘蔗收获周期一般为3年，即一年新植、两年宿根，旱坡地严重的地方甚至每年翻种，又无可替代的作物可种植，因而劳作成本居高不下。相对于目前国际上主要甘蔗生产国5～8年（大部分为5年）的收获期（即一年新植、4～7年宿根），我国甘蔗竞争力明显不足。因此，在甘蔗单产基本稳定的前提下，通过延长宿根年限，降低生产成本，同时适当开展轮作或者间套作等立体种养模式的研发，甘蔗的总体经济效益将可实现稳步增长，提高蔗农的积极性。与此同时，生产上推广应用宿根好的甘蔗品种、合理调整种植结构、优化品种配置、加强重视宿根蔗管理等，从根本上系统地解决我国甘蔗生长周期较短的难题。

3 甘蔗产量形成中的化学调控技术集成措施

综上所述，在既定品种的支持下，甘蔗的产量形成受到许多因素的影响，且不同生育期甘蔗产量农艺性状和构成要素是不同的。因此，在当下的栽培条件下，通过中耕培土和“三攻一补施肥法”来管理和促进甘蔗产量性状的生长发育而实现增产显然无法一一满足，也不科学，徒增生产成本，费时费工。作物化学调控技术作为农业生产的重要技术之一，针对作物不同时期的农艺性状进行定向调控生长发育进程，在提高作物产量上发挥着巨大作用。根据生产实际，前人通过化学调控技术集成措施在甘蔗产量形成中开展了大量研究试验，取得了显著效果。在甘蔗萌芽和幼苗期，新植的一般是春植或者冬植蔗，此时气温较低，降雨少，针对这种情况，李永健等［50］认为浸种/下种后淋水灌溉并集成了地膜覆盖技术的甘蔗出苗效果最好；保水剂的应用也可改善甘蔗出苗情况［51-52］；此外，不同药剂浸种处理也获得了甘蔗萌发和苗期生长较好的效果，而乙烯利浸种在甘蔗上的应用最为广泛，乙烯利浸种对甘蔗萌芽及早期生长有明显促进作用，还可提高甘蔗分蘖［38］；赤霉素对伸长期甘蔗节间伸长具有明显的促进作用，也能促进萌芽齐苗，改善蔗茎品质和提高产量，但对甘蔗分蘖具有抑制作用［53］；也有报道指出分蘖期喷施乙烯利可提高甘蔗光合性能，并一定程度上促进分蘖成茎、伸长、茎径等产量性状的总体生长［54-55］，其他的一些化学药剂在甘蔗分蘖期和伸长期的应用甘崇琨等［38］已进行了详细总结。最后，甘蔗成熟期的调控一直都是世界上主要产蔗国家的关注热点，目前，以草甘膦和乙烯利为主配方的甘蔗化学催熟剂在国内外得到了广泛应用，效果也明显［8，56］；但其基本上都是通过抑制或延缓甘蔗生长来实现的，掌控不好容易造成不可预见的后果。近年来，本课题组开展了不同植物生长调节剂浸种试验，结果表明单一植物生长调节剂影响效果非常有限（数据未发表）；并在此基础上优化配置成多功能甘蔗浸种剂（具有促进出苗、分蘖、壮苗及防病虫等功能）和生长型增产增糖复合剂（数据均未发表）。

4 展望

近年来，虽然在生产中集成应用了许多适合我国蔗区栽培条件的各种高产高效栽培技术，但仍存在上述较多问题，尤其在广西，由于自然条件的复杂多变、地形地貌的限制、水利条件落后等诸多因素，许多先进技术无法推广应用，尤其是作物化学调控技术，目前应用于园艺上最多，在指导农业生产上因技术及其相关知识普及不足，不被广大农业工作者所认知。虽然前人对不同植物生长调节剂在甘蔗上的应用作了广泛研究，但由于施用的配套技术跟不上而不被接受，目前，无人机高效配施技术的有效应用给甘蔗化学调控带来广阔的市场前景，且基于化学调控技术的甘蔗高产高糖栽培技术体系的研发和集成将促进甘蔗产业新飞跃，助力甘蔗提质增效。