国际上甘蔗栽培的研究进展

张跃彬，邓 军，杨绍林，樊 仙，李如丹，全怡吉

(云南省农业科学院甘蔗研究所，云南开远661699)

0 引言

甘蔗(Saccharum officinarumL.)属禾本科甘蔗属，原产于热带和亚热带，是典型的多年生植物，植株由根、茎、叶、花、种子 5部分组成[1]。以甘蔗为原料生产的蔗糖，占全球食糖产量的 70%以上[2]，甘蔗的生产和发展对保障人类食糖供给和营养需求具有重要意义。目前在世界上，超过100个国家在种植甘蔗。在热带条件下，根据各地管理和生产条件，每年可实现150～300 t/hm2的高生物量生产[3]。

甘蔗是无性繁殖作物，生产上通常采用茎节作为种苗进行栽培。种苗的萌发包括种芽和种根的萌发，一般情况下，在温度10℃时，甘蔗可以进行根系生长，在温度达到13℃时，进行萌芽生长。由种苗直接萌发而成的甘蔗称为新植蔗，新植蔗砍收后由留在土壤中蔗蔸的芽萌发而成的甘蔗称为宿根蔗，根据栽培条件宿根年限不同。宿根蔗在甘蔗生产中占有重要的地位，世界主要植蔗国家宿根甘蔗的栽培面积约占新植蔗面积的50%，宿根年限多为1～2年，也有4～5年的，如古巴4～5年[4]，澳大利亚、夏威夷1～2年[5]，中国的宿根蔗栽培约占总植蔗面积的40%～60%，宿根年限多为2～3年[6]。20世纪 80年代以来，中国在甘蔗生产上发展了一系列先进适宜的耕作技术，这些技术包括深耕整地[7]、地膜覆盖[8]、配方施肥[9]、蔗叶还田[10]、节水灌溉[11]、健康种蔗[12]、化学催熟[13-14]等，使我国成为第3大制糖生产国[15-16]。

作为热带亚热带C4植物，甘蔗高生物产量，周年生长，对土壤水分和养分需求量大。近年来，以水肥为重点，围绕甘蔗栽培生理与技术在不断深入研究和探索。现将近年来国际上甘蔗持续丰产栽培情况综述如下。

1 甘蔗水分研究进展

在甘蔗生长中，水是一个最重要的因素，据统计约有 30%的甘蔗产量是取决于合适的水分供应。在各种胁迫中，干旱与水分胁迫是甘蔗生产的主要障碍，严重影响甘蔗的生理生化活动和生长发育，当水分胁迫在15天内，生理生化观察值便会出现轻微波动，当水分胁迫30天，则会出现较高的生理生化变化，植株内的 NR活性和脯氨酸积累、过氧化氢酶、过氧化物酶活性等都有不同程度的降低[17]。有研究专门验证2种水分处理对甘蔗品种的作用效应，通过对株高、茎径、地上部生物产量以及可溶性固形物和纤维含量等农艺性状的研究，只有茎径对土壤水分有效性没有影响[18]。不管是人工栽培或机械化种植，水分对甘蔗生产都有至关重要的作用，通过采用单行(1.0 m)和宽窄行(1.4和0.6 m)进行滴灌试验，在2种行距下，水分都是甘蔗变量(叶面积指数、冠层高度、茎长和每平方米植株数)、生产变量的关键因素，甘蔗灌溉作物的鲜茎产量可达100.9 t/hm2，产糖量可达 17.8 t/hm2[19]。作为一种高需水量作物，在生产上，滴灌，特别是生长关键期灌溉，覆盖保水等节水技术已显示出良好的前景，在水资源不足的地区，根据水分条件进行节水灌溉，会在很大程度上维持甘蔗的生产力，提高单位面积甘蔗产量和糖分[20]。

2 甘蔗养分研究进展

甘蔗同其它绿色植物一样，从外界吸取无机物质加以同化利用，形成有机物质，供给生长发育的需要。甘蔗生长必需的营养元素有碳、氢、氧、氮、磷、钾、钙、镁、硅、铜、铁、硫、锰、锌、硼、钼、氯等17种。甘蔗生长必需的每一种营养元素都有其特定的生理作用，缺一不可，也不能互相替代。作物的需肥量，是合理施肥的重要依据，衡量某一种作物的需肥量通常以单位产量(如每吨)从土壤中所吸收的养分量作为指标，据研究，每吨原料甘蔗需从土壤中吸取养分是：氮(N) 1.5～2 kg，磷(P2O5)1～1.5 kg，氧化钾(K2O) 2～2.5 kg，氧化钙(CaO)0.5～0.75 kg。甘蔗生长量大，生物产量一般高达10 t以上[21]，近年来，国外主要甘蔗生产国根据甘蔗生长量大、土壤肥力消耗大，且无条件进行轮作的情况，深入研究蔗地保肥、培肥技术，重点在蔗叶机械化粉碎还田和人工蔗叶还田技术上进行研究。据研究，商业杂交种的甘蔗收获指数在 66%～81%之间，19%～34%是主要甘蔗植株的蔗叶废弃物。对植株蔗叶废弃物的传统做法是采用焚烧，不仅污染了空气，还挥发大量的养分，至使散失氮1.32～2.17 t/hm2，降低产量38～77 t/hm2[22]。蔗叶不燃烧，直接进行还田影响着土壤有机质的动态变化，据研究，坚持蔗叶还田9年蔗地，与邻近原生林区土壤相比，总有机碳(TOC)、轻有机物碳(CLOM)和颗粒有机碳(POC)及其碳储量，在 0.0～0.025、0.025～0.05、0.05～0.10、0.10～0.20和0.20～0.30 m等不同深层上相差不大，仅在0.10～0.20和0.20～0.30 m层中总有机碳含量发现了轻微变化，说明长期蔗叶还田对保蓄土壤肥力有重要作用[23]。

巴西还探讨了不同数量的蔗叶还田对宿根 1年、2年再生的生长发育及生产力影响研究，通过在宿根蔗60、120、180、240和370天评估，证明蔗叶还田促进了宿根的发展，在水分胁迫条件下，甘蔗烧叶处理和秸秆全部清除或秸秆保留 25%蔗田，甘蔗宿根分蘖数、叶面积指数、茎径和生产力较低，而保持 50%的秸秆覆盖足以保障干旱下甘蔗生长，剩余的 50%可用于乙醇生产或发电，而不损害作物产量[24]。在促进甘蔗产量和品质上，通过不同蔗叶覆盖量研究，对采用蔗叶50%和75%覆盖的蔗地产量持平，但与不覆盖或采用 25%的覆盖量相比，产量提高了47%[25]。

3 甘蔗根系与生长研究进展

从甘蔗主产国的情况来看，新植甘蔗收获后第2年宿根甘蔗的生理大衰退，甘蔗产量下降是甘蔗不能持续丰产的根本问题。通过在不同行距(0.75、0.90和1.50 m)和不同品种下新植与宿根在分蘖期进行的衰老生理比较，证实宿根甘蔗分蘖出现早且时间短，新植甘蔗分蘖期为120天，而宿根甘蔗则缩短至 60天，且分蘖苗死亡强度高达 50%[26]。巴西是世界最大的蔗糖生产国，近年来甘蔗年产量增长放缓，其主要原因就是新植甘蔗减少，宿根甘蔗增加，通过对宿根收获年限次数对蔗糖产量及其组成部分的研究表明，在所有情况下，随着宿根年限的收获次数增加，甘蔗总产量在不断下降，不同气候土壤区域下降速度和幅度不同，贫瘠土壤的产量下降速度更快[27]。研究表明，宿根甘蔗的持续丰产难于实现，主要是宿根甘蔗与新植甘蔗相比，根际的pH值、土壤酶活性和酚类物质含量在生长期都发生了显著变化，阳离子交换量、根膜透性和硝酸还原酶活性显著下降，根系活力下降导致N、P、K吸收减少25%～35%，分蘖死亡率损失9%～10%，进入大生长期后，抑制了 27%同化器官的发育，最终导致生物产量减少 15.5%[28]。有研究表明，根系密度和根系长度是促进宿根甘蔗生长的关键指标，两者决定了甘蔗养分和水分的吸收能力，决定了甘蔗植物碳分配和土壤平衡征，两者呈函数关系，粗系密度(RBD)与根长密度(RLD)的拟合幂函数为RLD=21.3×RBD0.742(r2=0.85)[29]。绿色甘蔗可以显著促进土壤有机质的提高，通过对常规耕作栽培和绿色甘蔗技术相比，绿色蔗区土壤碳含量高于传统栽培，低于原生植被区，6年传统耕作区在0.0～0.3 m土层碳储量比6年生的绿色区低22%，比12年生未燃烧区低43%，绿色土壤腐殖酸中酚和羧基含量也相比较高[30]。绿色甘蔗影响蔗地炭的分配也很重要，宿根甘蔗上，作物通过秸秆和根系分解为土壤提供碳，甘蔗土壤有机碳每年潜在分配量为 1.1 t/hm2，其中33%来自根系，67%来自蔗叶秸秆[31]。

4 甘蔗持续丰产技术研究进展

在新植甘蔗收获后，随后第2年可以通过已有根系产生新植株，所以采用绿色技术提高甘蔗生产力和可持续性，是可行的选择。通过采用绿色技术，不仅可以降低生产成本，改善土壤质量，提高甘蔗生产力，提高蔗糖生产力和农民收入[32]。

多年来，国际上主要甘蔗生产国的科研机构单位以水肥为突破口，以轻简化保护性耕作技术为目标进行了甘蔗栽培研究。印度农业技术大学作物研究中心在坡地宿根甘蔗上，对不进行蔗叶覆盖和采用蔗叶覆盖(6 t/hm2)，在不同施氮量下(0、75、112.5、150和187.5 t/hm2)进行了研究，证实在不同水平施肥下，蔗叶覆盖下，宿根甘蔗群体、株高、干物质、茎径和产量方面都有明显改善，蔗叶覆盖使单茎重从740 g提高到767 g，随着施肥增加，单茎重从724 g增加到751 g[33]。以绿色为基础的环境友好型甘蔗生产系统，可促进根系细菌的多样性，目前已从宿根蔗的根系中分离到135株内生细菌，包括放线菌，根据形态学和16S rRNA序列分析，内生菌共分为14属，其中以芽孢杆菌属、肠杆菌属、微孢子菌属和链霉菌属最为优势[34]。通过对新植甘蔗和宿根 1年、宿根2年少耕免耕的大田试验，收集了土壤植物分析发育(SPAD)、气孔导度、分蘖和产量参数的数据，结果表明，耕作对SPAD和气孔导度没有影响，在新植甘蔗上，常规耕作比免耕分蘖效果好，但在第2年宿根上，分蘖效果相反。甘蔗产量和产糖量在新植上差异不显著，但免耕后第1年宿根中，甘蔗产量大于常规栽培和少耕法，在第2年宿根中，免耕和少耕的产量和产糖量均大于常规耕作，试验表明，在佛罗里达州的一个3年甘蔗生长期中，免耕和少耕提高了宿根作物的产量[35]。

另外，收获时间和收获时的切割高度也是影响宿根生长的重要因素，通过对高于土壤0、10和20 cm 3个切割高度，和在5、7和9月这3个收获期的宿根甘蔗试验研究，不同品种切割高度和收获期有明显的反应，切割高度为10和20 cm的田地的分蘖率较高[36]。新植甘蔗的不同收获期会影响宿根品种的再生能力，通过对CP85-1491、S2001-SP-104、S2002-US-452、S2002-US-628、S2003-US-114 和HSF-240等7个品种从11月1日至次年3月1日不同收获时间的研究，证实在2月1日收获的甘蔗，生长参数包括发芽率、有效茎数、甘蔗产量最高，平均产量为 79.11 t/hm2，比其它时间收获的高出10%～20%[37]。采用机械深松耕可以促进宿根生长及养分吸收，印度在潘纳加尔邦邦特农业技术大学进行的田间试验，研究了甘蔗和宿根作物对深松深预的响应，通过在3个重复的带状设计中，进行了5种深松处理(无深松、1.0 m深松、1.5 m深松、1.0 m交叉深松和1.5 m交叉深松)，研究表明，随着深松强度的增加，甘蔗和宿根作物的根冠生长、养分吸收和产量增加，其中1.0 m深松，显著增加了根系生物量70.1 g/m3、地上部质量增加了40.9 t/hm2、单茎重达883.8 g、产量达102.0 t/hm2。深松与机械化宿根管理相结合，根生物量增加 73.6%，地上部增加31.7%，氮、磷、钾吸收分别增加29.3%、34.9%和34.3%，甘蔗单茎重量增加13.6%、有效茎数增加21.9%[38]。

5 国际上甘蔗持续丰产技术对我国甘蔗生产的启示

5.1 借鉴国际技术研究应用绿色甘蔗生产

甘蔗收获后，我国蔗区传统做法是焚烧蔗叶，为复耕做准备。焚烧蔗叶危害大，不仅蔗叶焚烧时产生大量的有毒有害烟雾，污染环境空气，人体吸入容易引发呼吸道疾病，而且蔗叶焚烧时容易引起森林火灾。近年来，根据国家环境保护的需要，很多地方都出台了禁止焚烧蔗叶的规定。根据国外从多的研究结果，科学利用蔗叶进行田间覆盖，不仅可以保持土壤水分，提高土壤肥力，改善土壤理化性状，从而促进甘蔗产量和品质的提升，具有重要的作用，为此我们借鉴国际经验，开展甘蔗的绿色生产技术研究应用十分必要。

5.2 加大宿根根系促进技术研究

根据国际上的研究报道，甘蔗根系的衰退是影响宿根甘蔗单产最重要的因素，以蔗叶覆盖还田的少耕和免耕栽培技术，对土壤的养分保蓄，特别是理化性状的改善作用显著，形成良好的土壤条件。我国是世界上宿根甘蔗年限最短的国家之一，我们要加大宿根根系的促根技术研究，延缓宿根甘蔗的早衰，促进我国甘蔗的持续增产。

5.3 加强轻简高产高效技术研发

我国蔗区与国外蔗区一样，甘蔗生产受水、肥的制约条件日益增大，近年来，随着我国蔗区劳动力转移，甘蔗主产蔗区用工成本在不断增加，水肥关键因子和甘蔗生产劳动力成本高已成为我国甘蔗产业发展主要问题，综合国际科研进展，我国的甘蔗栽培应针对解决抗旱、保水、高效施肥和劳动力问题，在保水的专用降解除草地膜研发，甘蔗控缓施肥和一次栽培施肥的全膜覆盖技术来实现甘蔗生产的轻简高效。