粉垄耕作促进甘蔗根系生长、养分吸收及增产

赵钧洋 覃树涛 常媛 李帆 卢干培 蒋代华 何冰

摘  要：為探究粉垄耕作不同深度对新植蔗和宿根蔗根系形态发育、养分吸收及产量差异，探索适合的粉垄耕作深度，为推广粉垄耕作技术提供理论依据。本研究以‘桂糖42号’为供试材料进行田间试验，设立常规浅耕、粉垄浅耕、常规深耕和粉垄深耕4个处理。结果表明：粉垄浅耕处理下，新植蔗产量比常规浅耕和常规深耕处理分别提高了24.9%和12.4%;宿根蔗产量比常规深耕处理提高了9.7%。相比于粉垄深耕，无论是新植蔗还是宿根蔗，粉垄浅耕均表现出一定的增产趋势。除粉垄深耕处理的新植蔗糖分略高于其他处理外，其余处理新植蔗和宿根蔗的茎长、茎径和糖分均无显著差异。与常规旋耕相比，粉垄耕作处理下新植蔗分蘖期根系长度、表面积和体积、侧根分支比例，以及中根、粗根比例大小规律均为粉垄耕作大于常规耕作粉垄浅耕处理下新植蔗茎和叶部氮、磷、钾含量高于粉垄深耕，而根部氮、钾含量低于粉垄深耕。粉垄浅耕处理宿根蔗茎和叶部钙、硫、镁、锌和锰5种中微量元素低于粉垄深耕，根部5种中微量元素含量与粉垄深耕差异不显著。结果显示，粉垄耕作通过促进甘蔗根系生长发育，改善根系形态，促进了氮磷钾等养分元素的吸收，最终提高了甘蔗产量，并且粉垄浅耕的增产效果好于粉垄深耕。

关键词：粉垄;甘蔗;根系形态;养分吸收;产量中图分类号：S566.1      文献标识码：A

Fenlong Tillage Promotes Sugarcane Root Growth， Nutrient Absorption and Yield Increase

ZHAO Junyang， QIN Shutao， CHANG Yuan， LI Fan， LU Ganpei， JIANG Daihua， HE Bing

College of Agriculture， Guangxi University， Nanning， Guangxi 530004， China

In order to explore the effects of different depth of Fenlong tillage on root morphological development， nutrient absorption and yield of newly planted sugarcane and perennial sugarcane， and to explore the suitable depth of Fenlong tillage， so as to provide a theoretical basis for popularizing Fenlong tillage technology. In this study， the field experiment was conducted with ‘Guitang 42’ as the test material. Four treatments were established： conventional shallow tillage， Fenlong shallow tillage， conventional deep tillage and Fenlong deep tillage. The results show that： Under the treatment of Fenlong shallow ridge， the yield of newly planted sugarcane was increased by 24.9% and 12.4% respectively compared with the treatment of conventional shallow tillage and the conventional deep tillage; the yield of ratoon cane was increased by 9.7% compared with the conventional deep tillage treatment. Compared with Fenlong deep tillage， whether it is newly planted sugarcane or ratoon cane， Fenlong shallow ridge shows a certain trend of increasing in yield. Except that the sugar content of newly planted sugarcane in the treatment of Fenlong deep tillage was slightly higher than that of other treatments， there was no significant difference in stem length， stem diameter and sugar content between newly planted sugarcane and ratoon sugarcane. Compared with conventional shallow tillage， the root length， surface area and volume of newly planted sugarcane at the tillering stage， the proportion of lateral roots and  branches， and the ratio of middle roots and thick roots under Fenlong tillage are all larger than conventional tillage. The contents of N， P and K in the stems and leaves of newly planted sugarcane under the treatment of Fenlong shallow tillage were higher than those under Fenlong deep tillage， while the contents of N and K in roots were lower than those under Fenlong deep tillage. The five types of calcium， sulfur， magnesium， zinc and manganese in the stems and leaves of ratoon cane under the treatment of Fenlong shallow tillage were lower than those under Fenlong deep tillage， but the content of the trace elements in the roots of the five types was not significantly different from that of the Fenlong deep tillage. The results show that Fenlong can promote the growth and development of sugarcane roots， improve root morphology， promote the absorption of N， P， K and other nutrient elements， and finally improve sugarcane yield. The yield increasing effect of Fenlong shallow tillage is better than Fenlong deep tillage.

Fenlong; sugarcane; root morphology; nutrient absorption; yield

10.3969/j.issn.1000-2561.2022.03.011

甘蔗（）是中国乃至世界上第一大糖料作物。广西则是我国最大的甘蔗产区，年均产糖量占全国的67%以上。然而，广西的甘蔗单产（72.5 t/hm）仍然较低，与秘鲁（133.72 t/hm）、埃塞俄比亚（119.57 t/hm）以及埃及（115.33 t/hm）等甘蔗生产国的差距还很大。因此，進一步探索提高甘蔗单产栽培的新方法意义重大。

土壤耕作在农业生产中发挥着重要作用，可以改变土壤的物理性状，进而影响作物生长和养分吸收。深耕深松栽培技术种植有利于促进甘蔗苗期生长，提高分蘖率，增加根系和根重，促进后期甘蔗的糖分积累，从而提高甘蔗的产量和品质。粉垄栽培技术是在营造土壤疏松环境提高旱作物单产有效途径的理论基础上，由广西农业科学院韦本辉研究团队提出的一种新型耕作技术。粉垄耕作技术采用螺旋型钻头深入土壤中，垂直旋磨土壤，直至粉碎并自然悬浮成垄。该技术已在水稻、马铃薯、玉米、花生、木薯、桑树等作物栽培上试验应用。在同等施肥及管理水平下，粉垄较传统耕作栽培技术使玉米增产12%～21%、花生增产8%～23%、木薯增产29.22%～63.78%、桑树增产34.65%～64.71%。

粉垄技术集成了旋耕和深松的优点，打破了犁底层，显著降低土壤容重，增加孔隙度，改善土层结构，并能使耕层较长时间保持相对深松状态。这一土壤环境的改变，调节着甘蔗根系的生长发育。ZHAI等研究表明，粉垄技术能够促进甘蔗根系生长、根系数量增多、长度和鲜重增加，进而促进甘蔗水分及养分吸收、使茎秆增长增粗，产量增加。然而过多的根系生长可能会形成生长冗余现象，因为作物组建庞大的根系需要消耗大量的光合产物，当甘蔗光合产物较多地分配到根系时，用于茎部的必然减少。李话等研究发现，大根系品种的小麦籽粒产量显著小于小根系品种。马守臣等研究表明，小根系处理小麦籽粒产量均显著大于大根系处理小麦，与李话等的研究结果一致。目前，粉垄技术在甘蔗上的应用主要以粉垄深耕为主（耕层深度达40～50 cm），而粉垄技术诱导形成发达的根系是否对地上部的生长造成养分竞争关系、粉垄耕作不同深度对甘蔗的根系发育、养分吸收和产量形成影响等方面尚缺乏系统研究。本研究设置了常规浅耕、粉垄浅耕、常规深耕以及粉垄深耕4种耕作处理，探讨粉垄浅耕对甘蔗根系形态、各部分养分含量以及产量的影响，为在农业生产中推广粉垄技术，提高甘蔗产量提供重要的理论依据和技术支撑。

  材料与方法

材料

试验于2018—2019年在广西壮族自治区南宁市隆安县那桐镇大滕村进行。地理位置22°99′N，107°88′E，属南亚热带季风气候，年平均降雨量1301 mm，主要集中在夏季，年平均气温21.8℃，年最高月平均气温28.4℃，最低月平均气温13.2℃。

试验地为平地，无坡度;前茬作物为南瓜，常年土地利用方式为水稻田，土壤类型为湿热铁铝亚纲的赤红壤，土壤质地名称为粉质壤土。土壤母质为第四纪红土，肥力中等，土壤全氮1.450 g/kg、碱解氮238.57 mg/kg、速效钾7.30 mg/kg、速效磷180 mg/kg、有机质含量30.22 mg/kg，容重1.16 g/cm，pH 4.94，偏酸性。

 方法

1.2.1  试验设计  试验采用间隔重复设计，设置4个处理，CT（常规浅耕）：采用常规旋耕机，耕作深度20 cm;FL（粉垄浅耕）：采用粉垄机械，耕作深度20 cm;CT（常规深耕）：采用常规旋耕机，耕作深度度40 cm;FL（粉垄深耕）：采用粉垄机械，耕作深度40 cm。重复4次，随机排列，共16个小区。

常规旋耕采用传统拖拉机机械;粉垄耕作采用广西五丰粉垄深耕深松机械（型号：1FSGL- 230）。在实际操作中，如果机械耕作深度为20 cm，受翻动的土层为0～30 cm;如果机械耕作深度为 40 cm，受翻动的土层为0～50 cm。每小区长×宽= 15 m×6 m，种植5行，行距1.2 m，每处理重复4次，随机区组排列。

供试甘蔗品种为‘桂糖42号’。新植蔗于2018年4月1日下种，为单排双行种植，种植密度666.7 m约14 400株。宿根蔗在新植蔗砍收后一个月进行松兜管理。每个处理按照当地常规习惯统一施复合肥（N∶PO∶KO=15∶15∶15）1600 kg/hm，尿素694 kg/hm，加拿大钾肥694 kg/hm;新植蔗于2019年1月18日收获;宿根蔗于2020年1月13日收获。

1.2.2  项目测定  （1）田间定位根管测定。土壤采用常规或粉垄方式耕作后，于种植甘蔗前，将无色透明有机玻璃管（直径10 cm，长度120 cm）与地面成45°埋入土中，地上封口用黑色薄膜封死，防止杂物进入。种植时将甘蔗种茎横埋于玻璃管旁。分别在新植蔗分蘖期、伸长期和成熟期3个时期利用原位成像仪（植物根系生长监测系统，美国CID，CI-600）进行根管扫描形成图片。

（2）根系形态特征测定。每小区随机选取一株与其他长势一致的甘蔗，将甘蔗整个根系挖出。分别用自来水和去离子水依次将根系洗净。用根系扫描仪（epson scan）扫描，用Win RHIZO软件分析得到总根长（length）、总根表面积（surf area）、根系平均直径（average））、总根体积（root volume）、根尖数（tips））、交叉数（crossings）和分枝数（forks），以及不同径级根分级（root length of different root diameter）指数。

（3）甘蔗养分含量测定。a. 样品采集及前处理。常量元素N、P、K含量于采集新植蔗和宿根蔗后进行分析。中微量元素含量于2019年采集宿根蔗进行分析。分别在伸长期和成熟期，将甘蔗整个挖出，分成根、茎和叶三部分，分别用自来水清洗3次，去离子水再冲洗1次，置于105℃烘箱处理杀青0.5 h，转65℃烘干至恒重，存放于通风干燥处。烘干后的甘蔗样品用粉碎机粉碎，过100目筛。b. 常量元素N、P、K测定。参照《土壤农化分析》的方法，植物全氮采用半微量开氏法测定;全磷采用NaOH熔融，用钼锑抗比色法测定;全钾采用NaOH熔融，用火焰光度法测定。c. 中微量元素Ca、S、Mg、Mn、Zn含量测定。参照王霞等的方法，采用HNO-HO湿消化法进行植物样品的消解（微波消解仪，CEM公司，MARS）。采用ICP-0ES方法测定各种中微量元素（电感耦合等离子体发射光谱仪ICP，北京聚光科技有限公司，ICP-5000）。

（4）甘蔗产量及品质测定。每小区砍取90 m蔗株，测定小区实际产量然后折算成单位面积产量。从砍取的甘蔗中随机选取10株，用卷尺量取地面至最高可见叶环的高度测定株高;用游标卡尺分别量取蔗茎上、中、下部的茎直径;使用AMR100数显糖度计对甘蔗上、中、下三段进行甘蔗糖分观测。

数据处理

采用Excel 2016、Origin 2018和SPSS 20.0软件进行数据分析;采用Win RHIZO根系分析系统进行甘蔗根系相关形态指标分析。

结果与分析

 不同耕作方式对甘蔗产量及品质性状的影响

由表1可见，不同耕作方式下甘蔗产量及品质性状存在一定差异。对于新植蔗（2018年）2018年新植蔗，粉垄浅耕和粉垄深耕处理的产量分别达114.9 t/hm和103.4 t/hm，二者之間差异不显著。粉垄浅耕的产量显著高于常规浅耕和常规深耕，分别提高了24.9%和12.4%。对于宿根蔗（2019年），粉垄浅耕和粉垄深耕的产量仍然最高，其次为常规浅耕，常规深耕的产量最低。粉垄浅耕的产量比常规深耕增加了9.7%。粉垄浅耕和粉垄深耕处理的宿根蔗产量无显著差异。除粉垄深耕处理的新植蔗糖分略高于其他处理外，其余处理新植蔗和宿根蔗的茎长、茎径和糖分均无显著性差异。

 不同耕作方式对新植蔗根系形态特征的影响

2.2.1  不同耕作方式下分蘖期新植蔗根系形态指标差异  由表2可见，在分蘖期，0～20 cm土层的粉垄深耕处理总根长、总表面积、平均直径和总根体积均最高。其次为粉垄浅耕处理，除根系平均直径略小于粉垄深耕处理外，其余总根长、总表面积和总根体积均与粉垄深耕持平。常规深耕和常规浅耕的总根长、总表面积和平均直径均显著低于粉垄深耕，但总根体积差异不显著。粉垄耕作也显著促进了甘蔗侧根萌发和生长，以0～20 cm土层为例，粉垄深耕处理组的根尖数、分支数和交叉数分别比常规深耕处理组增加47.7%、115.2%和146.9%，粉垄浅耕处理组的根尖数、分支数和交叉数分别比常规浅耕处理组增加79.8%、118.3%和111.4%。在20～40 cm土层根系数量明显少于0～20 cm土层，各处理间根系侧根特征表现出与0～20 cm土层相似的差异规律（表3）。

2.2.2  不同耕作方式下分蘖期新植蔗根系分级差  根据根的直径大小，将整株根系划分为细根（0～0.5 mm）、中根（1.0～1.5 mm）和粗根（>1.5 mm）。从整体上看，甘蔗根系以细根为主，占总根系的80%以上，其次为中根，约占10%;粗根所占比例最低，仅约1%。在0～20 cm土层，4种耕作技术处理下甘蔗根系各个径级的根长均是粉垄耕作处理高于常规旋耕（表4）。与常规耕作相比，粉垄耕作处理组的细根、中根和粗根根长分别增加了106.8%～230.0%，58.0%～163.0%和41.1%～176.7%。除粉垄浅耕的中根根长略低外，粉垄浅耕和粉垄深耕在0～20 cm土层的细根和粗根根长均无显著差异。从不同径级根系比例分析，与常规耕作相比，粉垄耕作显著减少了细根比例，增加了中根和粗根比例。与粉垄浅耕相比，粉垄深耕的细根比例更低，而中根和粗根比例更高。20～40 cm土层的总根长低于0～20 cm土层，粉垄耕作在20～40 cm土层对根系粗细分级比例的影响与0～20 cm土层类似（表4）。

不同耕作方式下新植蔗的根系定位根管观测

从田间根管直接观测结果（图1）看，在甘蔗成熟期，所有处理均能清晰地观察到甘蔗根系，粉垄浅耕和粉垄深耕处理下的根系较多，分布密，并与常规浅耕和常规深耕有着明显的差异。

不同耕作方式对甘蔗根系养分含量的影响

2.4.1  不同耕作方式对甘蔗氮含量的影响  无论对于新植蔗还是宿根蔗，甘蔗根部伸长期氮含量与成熟期差异均不大，但茎和叶部的伸长期氮含量均高于成熟期（图2，图3）。伸长期和成熟期的甘蔗氮含量均表现为根<茎<叶。4种耕作方式对根部、茎和叶部氮含量的影响存在差异。对于根部氮含量，新植蔗表现为粉垄深耕处理最高，其次为粉垄浅耕和常规深耕，常规浅耕处理最低;宿根蔗表现为粉垄浅耕处理最高，其次为常规深耕，常规浅耕和粉垄深耕处理较低。在茎部和叶部，新植蔗表现为粉垄浅耕处理的氮含量最高，宿根蔗为粉垄深耕处理的氮含量最高。以伸长期为例，粉垄浅耕处理下新植蔗茎部氮含量分别为常规浅耕、常规深耕和粉垄深耕的1.73倍、1.44倍、1.39倍，叶部氮含量分别为常规浅耕、常规深耕和粉垄深耕的1.20倍、1.14倍、1.09倍;粉垄浅耕处理下宿根蔗根部氮含量分别为常规浅耕、常规深耕和粉垄深耕的1.13倍、1.09倍、1.12倍。

2.4.2  不同耕作方式对甘蔗磷含量的影响  与氮素相似，无论对于新植蔗还是宿根蔗，甘蔗伸长期和成熟期磷含量同样表现为根<茎<叶。根部磷含量为伸长期低于成熟期，而茎和叶部磷含量为伸长期高于成熟期（图4，图5）。4种耕作方式对甘蔗中磷的吸收和分布存在不同的影响。对于根系磷含量，在伸长期，新植蔗表现为粉垄深耕处理最高，相对于常规浅耕、粉垄浅耕及常规深耕根系磷含量分别提高了49.5%、34.9%和16.2%，宿根蔗表现为粉垄浅耕处理最高，与常规浅耕、粉垄浅耕及常规深耕相比无明显差异;在成熟期，新植蔗和宿根蔗均表現为粉垄浅耕处理最高。对于茎部磷含量，在伸长期，新植蔗表现为粉垄浅耕处理最高，与常规深耕和粉垄深耕相比无显著差异，宿根蔗则为粉垄深耕处理最高，与常规深耕和粉垄浅耕相比无显著差异;在成熟期，4个处理下新植蔗和宿根蔗均无显著差异。对于叶部磷含量，在伸长期，新植蔗表现为粉垄浅耕处理最高，其次为粉垄深耕。粉垄浅耕和粉垄深耕处理显著高于常规浅耕，分别提高了33.6%和38.3%，宿根蔗为粉垄深耕处理最高，但与常规浅耕、粉垄浅耕以及常规深耕相比无明显差异;在成熟期，新植蔗为粉垄浅耕处理最高，并显著高于常规浅耕、常规深耕和粉垄深耕，分别提高了33.6%、55.8%和38.3%，宿根蔗则为粉垄深耕处理最高，并显著高于常规浅耕、常规深耕和粉垄浅耕，分别提高了31.0%、21.8%和27.4%。

2.4.3  不同耕作方式对甘蔗钾含量的影响  与氮素和磷素不同，新植蔗伸长期茎和叶部钾含量高于根部，成熟期为根部高于茎和叶部。而宿根蔗伸长期和成熟期钾含量则表现为根<茎<叶（图6，图7）。对于根部钾含量，新植蔗在伸长期和成熟期均以常规浅耕处理组最低，粉垄深耕处理组最高，为常规浅耕处理组的0.29～0.59倍。粉垄浅耕，常规深耕处理组钾含量显著高于常规浅耕处理组，但与粉垄深耕差异不显著，而宿根蔗在伸长期和成熟期均为粉垄浅耕处理最高，其次为常规浅耕，常规深耕和粉垄深耕。对于茎部钾含量，新植蔗在伸长期和成熟期均为粉垄浅耕处理最高，以伸长期为例，粉垄浅耕处理的茎部钾含量分别为常规浅耕、常规深耕和粉垄深耕的1.44倍、1.3倍2和1.14倍，宿根蔗在伸长期和成熟期均为粉垄深耕处理组最高，为常规浅耕处理组的1.04～1.12倍。对于叶部钾含量，新植蔗在伸长期和成熟期均为粉垄浅耕处理最高，以伸长期为例，粉垄浅耕处理的叶部钾含量分别为常规浅耕、常规深耕和粉垄深耕的1.47倍、1.34倍和1.11倍，而宿根蔗在4个处理组下均无显著差异。

2.4.4  不同耕作方式对宿根蔗中微量元素含量的影响  宿根蔗中5种中微量元素的含量由高到低分别为钙>硫>镁>锰>锌。不同处理组叶和茎的5种元素含量差异较大，但在根部各处理组差异不显著。不同时期叶和茎中5种元素含量均表现为粉垄深耕>粉垄浅耕>常规深耕>常规浅耕，其中成熟期各处理间的差异大于伸长期。以成熟期叶部为例，除4个处理锰含量差异不显著外，其余4种元素均以粉垄深耕为最高，其中钙、硫、镁和锌含量分别为粉垄浅耕的88.1%，16.6%，41.5%和19.8%;常规深耕和常规浅耕处理组4种元素均低于粉垄深耕和粉垄浅耕处理组（表5）。

 讨论

本研究发现，粉垄耕作下新植蔗和宿根蔗茎长和茎径及产量均高于常耕处理。粉垄浅耕处理组的产量与粉垄深耕处理组无显著性差异，但粉垄浅耕处理两年累计产量明显高于粉垄深耕处理组。说明无论是深耕还是浅耕，粉垄处理甘蔗产量均高于常规耕作，而且粉垄浅耕处理的增产效果略优于粉垄深耕处理。

作物产量与作物根系发育有着密切联系，进一步提高农作物生产力必须培育良好的根系。已有研究表明，粉垄有助于促使玉米、花生、木薯、桑树的根系生长。韦本辉等指出粉垄栽培有效促进了甘蔗根系的伸长，使甘蔗根系的数量、鲜重均有所增加。本研究发现，粉垄条件下甘蔗20～40 cm土层总根长以及中根、粗根比例均高于常规耕作。相比而言，粉垄深耕总根长及中根、粗根比例高于粉垄浅耕。说明与常规耕作相比，粉垄耕作促进根系萌发和生长，诱导形成更多的中根和粗根，使根系能深入更深土层，更为发达。根系发育除受基因控制之外，还受土壤通气性、温度、湿度及含水量等土壤环境的影响。土壤紧实度越高，根系生长可以获得的土壤体积越少。深耕深松措施可打破土壤犁底层，改善土壤物理环境，改善了根系生长的生态条件，促进了较深层根系的发育，提高水肥利用率和作物产量。而粉垄耕作改善土壤微形态，使土壤比表面积增大、孔隙分布增加，增加机械稳定性团聚体，从而促进了作物根系的发育。粉垄耕作后深层土壤中有机质、速效养分、微量元素的有效含量均会有所增加。本研究发现，与常规旋耕相比，粉垄耕作可以显著提高新植蔗和宿根蔗茎和叶部的氮磷钾含量和钙、硫、镁、锰和锌5种中微量元素含量。综上所述，粉垄耕作诱导根系中、粗根发育，促进根系向深层生长，一方面由于粉垄耕作增加土壤孔隙度，使根系更容易向下生长;另一方面由于粉垄耕作促进深层土壤有效养分活化，促进根系对土壤养分的吸收，进一步诱导根系生长和伸长。由于粉垄耕作的根系更为发达，茎和叶部养分含量更高，因此获得比常耕处理更高的产量。

茎尖和根尖是甘蔗2个主要的生长点，当甘蔗吸收养分和光合产物用于根系较多时，分配到茎部的必然减少。对于新植蔗来说，粉垄浅耕处理茎和叶部的氮磷钾含量普遍高于粉垄深耕处理;而根部除磷含量以外，氮和钾含量均表现为粉垄浅耕低于粉垄深耕。说明粉垄浅耕甘蔗吸收的养分主要供与地上部生长，而粉垄深耕甘蔗吸收的养分主要向下运输至根部以供根部的扩张。由于粉垄深耕新植蔗产量低于粉垄浅耕，推测其原因可能是粉垄深耕使根系更为发达，生长需要大量养分，诱导养分向根系转移，相对减少向地上部的养分分配。在第二年，甘蔗根系的中、粗根生长基本完成，发达根系可吸收更多养分，宿根蔗主要生长点为茎尖，诱导更多养分向上运输至地上部，因此粉垄深耕处理宿根蔗茎和叶部的氮磷钾含量以及5种中微量元素均普遍高于粉垄浅耕处理或与之持平，使宿根蔗粉垄深耕产量与浅耕处理相当。

综上所述，粉垄耕作可通过促进根系生长发育，改善根系形态，提高地上部养分含量，使甘蔗有效茎数、蔗汁蔗糖、蔗糖含量都有所提升，最终促使甘蔗增产。相较于粉垄深耕，粉垄浅耕新植蔗产量更高，而实际上粉垄浅耕的耕作深度可达30 cm，这已经使甘蔗根系和地上部发育达到一个良好协调的状态。

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