膜下滴灌减量施肥对甘蔗农艺性状、产量和养分利用率的影响

彭李顺 曹峥英 蔡文伟 甘仪梅 杨本鹏

关键词：甘蔗；膜下滴灌施肥；化肥减施；产量；养分利用率

甘蔗是我国最为重要的食糖原料作物，也是我国热带、亚热带地区第一大经济作物。尽管我国蔗区水热资源普遍较为丰富，具备较好的生产潜力，但由于各季降雨不均，春、秋季节性干旱频繁发生，每年均会出现不同程度的旱害，限制甘蔗产量的提升[1-2]。此外，甘蔗作为高光效C4植物，具有生长周期长、生物量大的特点，对养分需求量较大，蔗农为了获得高产，通常会过量施用化肥。据统计，我国甘蔗生产上化肥平均施用量是世界平均施肥量的3倍，是发达国家的5～10倍，化肥平均利用率普遍偏低，其中氮肥利用率仅为14.5%～24.7%，磷肥利用率为6.7%～13.4%，钾肥利用率为15.6%～26.9%，与澳大利亚、美国等甘蔗生产发达国家有着较大差距[3-5]。春、秋季节性干旱频发加上长期过量不合理的化肥施用量，不仅导致甘蔗生产化肥利用率低，肥料浪费现象严重，还极大制约甘蔗产量的提升，导致甘蔗种植效益不高，甚至出现亏损现象，甘蔗产业的可持续健康发展已受到挑战[6-8]。

滴灌施肥技术是一项可实现水肥同步管理和高效利用的现代化农业技术。该技术根据作物对水分、养分需求通过滴灌系统将肥料定时定量均匀地输送到作物根部，不仅具有节水、节肥、省工的特点，还可以明显促进作物产量和品质提升、节省灌溉和施肥时间、改善土壤环境[9-10]。近年来，在甘蔗生产上滴灌施肥技术也逐渐开始被广泛研究和应用。多项相关研究表明，通过滴灌施肥可以明显增加甘蔗在不同生长阶段的主要养分吸收[11-13]、促进甘蔗产量与蔗糖分提升[14-17]，同时对土壤生态和理化性状也有一定改善作用[18]，可以有效解决甘蔗生产上长期存在的化肥施用量大、利用率低、浪费严重、单产和经济效益低等问题。

此外，在滴灌施肥的基础上，通过覆盖地膜进行膜下滴灌施肥，可集成覆膜和滴灌施肥技术的优点，在积温保墒、节水节肥的同时，进一步减少施用肥料的挥发和淋失，提升肥料利用率，减少化肥施用量，目前该项技术已在蔬菜、玉米、小麦、棉花等作物中广泛应用[19]。然而，膜下滴灌施肥技术在甘蔗生产上的应用仍处于起步阶段，目前鲜有关于该技术应用对甘蔗生长、产量、蔗糖分、化肥利用率、经济效益等指标影响的研究报道。因此，本研究以不施肥、常规施肥以及滴灌清水+常规施肥3个处理为对照，同时设置4个不同施肥量的膜下滴灌施肥处理，分析膜下滴灌减量施肥对甘蔗主要农艺性状、产量、蔗糖分、产糖量、经济效益及养分利用率等指标的影响，研究膜下滴灌条件下适宜甘蔗生产的最佳施肥模式，以期为甘蔗膜下滴灌施肥技术高效应用和化肥减肥增效提供科学依据。

1材料与方法

1.1材料

1.1.1供试品种供试甘蔗品种为中糖3号，田间试验种植采用该品种脱毒种茎（由中国热带农业科学院热带生物技术研究所繁育）。

1.1.2试验地点试验于2019年和2020年在位于海南省临高县皇桐镇文贤村的中国热带农业科学院热带生物技术研究所海南甘蔗试验基地进行。试验地土壤为粘质砖红壤，pH4.6，有机质10.5g/kg，碱解氮101.3mg/kg，有效磷18.5mg/kg，速效钾126.8mg/kg。

1.2方法

1.2.1试验设计田间试验分2年开展，第一年试验于2019年2月25日种植，2020年1月7日收获；第二年试验于2020年2月18日种植，2021年1月12日收获。2年试验甘蔗均采用大小行种植模式，大行距为1.4m，小行距为0.4m，每公顷种植67500芽（33750双芽段）。试验设置7个处理：（1）处理CK0，不施肥；（2）处理CK1，常规施肥；（3）处理CK2，膜下滴灌+常规施肥；（4）处理T100，膜下滴灌施肥；（5）处理T80，膜下滴灌施肥减量20%；（6）处理T70，膜下滴灌施肥减量30%；（7）處理T60，膜下滴灌施肥减量40%。各处理施肥量见表1。每个处理设置3个重复小区，每个小区宽9m（包含1.4m大行和0.4m小行，各5行，共10行甘蔗），行长50m，小区面积为450m2，后续试验数据从各小区中间6行采集。甘蔗种植均使用配套大小行种植机完成，需要膜下滴灌处理使用配套的联合种植机一次性完成开沟、下种、覆土、铺设滴灌带和覆盖地膜等工序。

常规施肥分2次施用，基肥在种植时施用肥料总量的40%，追肥在拔节初期结合中耕培土施用剩余60%肥料。滴灌处理采用膜下滴灌方式施肥，使用滴孔间距为20cm的贴片式滴灌带，铺设在相距0.4m的小行中间，同时使用厚度为0.01mm、宽度为80cm的透明地膜完全覆盖相距0.4m的2个小行甘蔗，每条滴灌带负责2行甘蔗水肥膜下滴灌供给。滴灌施肥时将肥料放入罐装容器中溶解，再随水滴灌施用。滴灌施肥各处理水肥分5次施用，分别在苗期出苗完成80%时施用肥料总量的10%，分蘖期完成50%时再施用15%，然后在拔节期分3次施用，每次施用25%。

不施肥CK0和常规施肥CK1处理种植时根据土壤墒情进行适当灌水确保出苗，其余时间不再进行灌溉。其他安装滴灌设施的处理在种植完成后滴灌一次确保出苗用水，然后根据土壤墒情在干旱时进行补充灌溉，包含5次滴灌施肥，一个甘蔗生长期总计进行10次灌溉，共灌水约900m3/hm2。其余同常规农田管理。

1.2.2项目测定在甘蔗的苗期、分蘖期分别调查各处理小区甘蔗的出苗率及分蘖率。甘蔗收获时，在各处理小区连续测定10株甘蔗株高、茎径及田间锤度，并通过田间锤度计算蔗糖分。蔗糖分计算公式：蔗糖分=（锤度1.0825?7.703）100%。调查和砍收每个小区中间6行，统计和测定30m区域内的甘蔗株数和重量，并计算公顷有效茎数和产量。

在每个小区随机取5株生长正常的甘蔗，用自来水洗净，并用蒸馏水冲洗后，分成青叶+蔗尾、枯叶、蔗茎3个部位，于105℃杀青30min，然后70℃烘干称重，粉碎过筛，用于后续氮、磷、钾元素含量的测定。全氮含量用凯氏定氮法，全磷用钼锑抗比色法，全钾用火焰光度计法测定。

肥料利用效率参照下列公式计算：肥料利用率=（施肥处理甘蔗吸收养分量?不施肥处理甘蔗吸收养分量）/施肥量100%。其中：养分吸收量=蔗茎干物质重蔗茎养分含量+（青叶+蔗尾）干物质重（青叶+蔗尾）养分含量+枯叶干重枯叶养分含量。

1.3数据处理

采用Excel2007等软件对数据进行处理，采用DPS7.05软件进行单因素方差分析。

2结果与分析

2.1不同处理对甘蔗主要农艺性状的影响

由表2可知，各处理出苗率均无显著差异，这主要由于为保证各处理出苗相对一致，各处理在种植过程中或完成后均及时进行水分灌溉促进出苗。在分蘖率方面，2年试验除CK0分蘖率较低（不到70%）外，其他施肥处理的分蘖率均在110%以上。T100和T80相较于CK1，2年分蘖率平均值分别提高了22.86和15.18个百分点，但T80与CK1间差异不显著。随着滴灌施肥量减少，T70和T60的2年平均分蘖率逐步减少至与CK1相当。滴灌施肥各处理分蘖率相较于CK2，均无显著差异，其中减肥量最大的T60分蘖率均值较CK2减少了9.19个百分点。这表明在甘蔗分蘖期需要同时保证水分灌溉和施肥量才能获得较高的分蘖率。

在株高方面，CK0处理显著低于其他施肥处理10cm以上。在各施肥处理间，2年滴灌施肥T100及2020年滴灌减量施肥T80均较常规施肥CK1显著提高，其余滴灌施肥减量处理与CK1和CK2的株高均较为接近。在蔗株茎径方面，CK0显著低于其他处理外，其余各施肥处理对茎径影响较小，均无显著变化。

在有效茎数方面，与其他农艺性状不同，CK2的有效茎数较CK1显著增加，而T100和T80的有效茎数较CK2表现出显著增长，而随着施肥量减少，T70和T60的有效茎数呈现逐步减少的趋势，其中T60有效茎数与CK1间无显著差异。

在成茎率方面，增加滴灌的CK2与CK1之间无显著差异，而应用滴灌施肥及减量施肥处理中，除2020年减量施肥T60与CK1和CK2无显著差异外，其余滴灌处理成茎率均显著高于CK1和CK2处理。

2.2不同施肥处理对甘蔗产量、蔗糖分及产糖量的影响

由表3可知，除2019年蔗糖分外，其余各处理中CK0的产量、蔗糖分和产糖量均显著低于其他施肥处理。在各施肥处理中，产量与有效茎数变化趋势较为相似，CK2产量比CK1显著提升13.64%，而滴灌施肥T100和T80的产量显著增长，2年试验平均产量相较于CK1分别提升了32.20%和27.00%，相对于CK2也分别提升了16.34%和11.76%，但T100与T80的产量间无显著差异。随着滴灌施肥量减少30%～40%（T70和T60）时，甘蔗产量有所下降，2019年，T70和T60产量与CK2间无显著差异，但仍显著高于CK1。2020年，T70产量仍显著高于CK2和CK1，仅有T60产量与CK1接近，无显著差异。

在蔗糖分方面，可能由于2020年甘蔗生产后期降雨较少，蔗糖分整体上高于2019年对应各处理0.9～1.6个百分点。各施肥处理间，蔗糖分仅2019年CK2、T100和T80相对于CK1显著提升，而2020年各施肥处理间并无显著差异。各施肥处理间产糖量和产量变化趋势较为相近，CK2产糖量较CK1显著提升了16.30%，而T100和T80的产糖量均显著高于CK1和CK2，分别较CK1提高35.08%和31.39%，分别较CK2提高16.14%和12.97%，同样T100和T80的产糖量间无显著差异。随着滴灌施肥量减少至T70和T60时，其产糖量与同样具备水分滴灌条件的CK2无显著差异，但除了2020年T60外，其余处理产糖量仍显著高于CK1。

2.3不同施肥處理对甘蔗经济效益的影响

由表4可以看出，CK2的甘蔗收益显著高于CK1，但去除肥料及滴灌投入成本后，其纯收益2个处理间无显著差异，CK2的2年收益平均值甚至比CK1少了3446元/hm2。T100和T80去除成本后的纯收益仍然显著高于CK1处理，2年平均收益相对于CK1分别提高4534.4、3953.8元/hm2，而T80与T100纯收益间无显著差异。滴灌减量施肥30%和40%时纯收益开始减少，T70和T60与CK1之间纯收益无显著差异，其中T60两年平均纯收益较CK1减少2350元/hm2。

2.4不同施肥处理对甘蔗养分利用率的影响

由表5可知，CK2的氮、磷、钾肥利用率较CK1均显著上升，2年平均分别提高了8.22、6.36和11.87个百分点。滴灌施肥T100、T80和T70的氮、磷、钾肥利用率均较CK2显著提高，其中均以T80的养分利用率最高，2年氮、磷、钾肥平均利用率较CK1分别提高了28.42、17.95和30.71个百分点，较CK2也分别提高了20.2、11.59和11.87个百分点。随着滴灌施肥减量至40%，T60的氮、磷、钾肥利用率均有所下降，但氮肥利用率仍然较CK2提高10.24个百分点，而磷、钾肥利用率则与CK2无显著差异。

3讨论

滴灌施肥是一项将灌溉和施肥融为一体的高效施肥技术，在甘蔗生产上多个试验已经证实滴灌施肥技术对于分蘖率、株高、有效茎数等产量相关因素及产量提升均有较好促进作用[11，15-17]。本研究中膜下滴灌施肥T100相对于CK1的分蘖率、株高、成茎率和有效茎数等农艺性状均得到增加，产量增幅能够达到32.20%。当滴灌施肥量减少20%时，T80各项农艺性状相对T100无显著变化，仍保持27.00%的增产效果。当滴灌施肥量减少30%和40%时，各农艺性状和甘蔗产量相较T100处理开始出现明显减少，但相对于CK1各项指标并未出现显著减少。通过将滴灌施肥各处理与另一个增加了水分滴灌的常规施肥CK2进行比较时，可以发现T100和T80较CK2增产效果大幅下降，分别降至16.3%和11.8%。上述结果表明，滴灌施肥相对常规施肥对甘蔗生长有促进和增产作用，有相当一部分是由增加的水分滴灌贡献，另一部分通过少量多次的滴灌施肥模式贡献。赵海雄[20]和杨雪等[21]的研究也证实仅通过增加膜下滴灌可以显著促进甘蔗有效茎数增加，蔗茎产量提升达到10%以上。而滴灌施肥模式的加入，可以根据甘蔗生长养分需求，将70%以上的养分安排在对养分需求量更多的茎伸长期分多次施用，同时通过水肥融合作用，以促进这个阶段养分吸收量增加，去提升甘蔗成茎率和有效茎数，进而增加甘蔗产量。谭宏伟等[11]和彭明戈[13]研究证实滴灌施肥少量多次的施肥方式可显著增加在甘蔗茎伸长期氮、磷、钾元素吸收量。本研究也证实，滴灌施肥T100和T80相对于CK2前期分蘖率并无显著差异，其增产作用主要通过成茎率和有效茎数增加来实现。

与滴灌施肥显著促进甘蔗产量提升不同，其对甘蔗蔗糖分影响相对较小，仅在2019年试验中，滴灌施肥T100和T80蔗糖分显著高于CK1。在2020年试验中，各滴灌施肥处理与CK1和CK2均无显著差异。由于甘蔗蔗糖分累积是一个由多因素控制的復杂性状，特别在甘蔗生长中后期会受到水分供给、不同营养元素配比以及水肥耦合效应等多因素的正向或负向调控[22-23]，因此后期可开展针对性的研究，在甘蔗糖分累积关键时期通过对不同配比营养元素的科学合理供给和水肥耦合调控来提升蔗糖分累积。

经济效益是滴灌施肥技术能否可持续发展的重要指标。本研究中，甘蔗收益在扣除肥料和滴灌成本后，仅滴灌施肥T100和T80纯收益显著高于CK1。CK2和T60处理相对CK1均出现增产不增收的现象，2年平均收益分别减少3446、2350元/hm2。成本较高的滴灌设施投入一直是阻碍滴灌施肥技术在甘蔗生产应用的主要限制因子，但供水管道和水泵等滴灌设施均可通过扩大种植规模和多年重复利用来摊低前期投入成本，逐步提高植蔗整体收益。因此，通过利用滴灌施肥技术设置适宜施肥量，加上规模化和持续性经营，可极大降低甘蔗滴灌施肥技术的应用成本。

滴灌施肥除了能够促进作物生长、提升产量和效益外，还能够大幅提升肥料的利用率[9]。在本研究中，所有滴灌施肥处理及CK2的肥料利用率均较CK1显著提高，特别是T80的养分利用率提升最高，2年平均氮肥利用率从19.94%增长至48.36%、磷肥从9.75%增长至27.70%，钾肥从38.24%增长至68.95%。这表明常规施肥的大量养分未被甘蔗吸收利用而进入了环境，给环境带来了巨大潜在风险。膜下滴灌减量施肥技术的应用，不仅可以大幅提升肥料利用率，降低肥料成本，还可以有效减缓农业面源的污染问题。

本研究通过2年田间试验表明，在中等肥力砖红壤蔗区，应用膜下滴灌施肥系统，采用较常规施肥减量20%处理T80的施肥模式，化肥利用率最高，同时增产效果显著，在甘蔗生产中具有较好的应用前景。同时，在本研究中也还存在着滴灌施肥对蔗糖分的提升并不明显，以及试验仅针对蔗区砖红壤开展，不同生态蔗区土壤质地差异也会对滴灌施肥效果产生影响。因此，在今后的研究中，一方面可进一步针对甘蔗不同发育时期对氮、磷、钾及各种中微量元素的差异化需求，研发适宜各生长阶段的水溶性肥料套餐，配合滴灌施肥技术，促进甘蔗产量、蔗糖分、肥料利用率继续提升；另一方面，还需要针对不同蔗区生态环境和土壤质地差异，对甘蔗滴灌施肥频次、浓度等关键参数进行研究和优化，完善甘蔗滴灌施肥技术体系，以促进滴灌施肥技术在我国甘蔗生产上规模化应用。