國際上甘蔗栽培的研究進(jìn)展

張躍彬，鄧 軍，楊紹林，樊 仙，李如丹，全怡吉

(云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院甘蔗研究所，云南開遠(yuǎn)661699)

0 引言

甘蔗(Saccharum officinarumL.)屬禾本科甘蔗屬，原產(chǎn)于熱帶和亞熱帶，是典型的多年生植物，植株由根、莖、葉、花、種子 5部分組成[1]。以甘蔗為原料生產(chǎn)的蔗糖，占全球食糖產(chǎn)量的 70%以上[2]，甘蔗的生產(chǎn)和發(fā)展對保障人類食糖供給和營養(yǎng)需求具有重要意義。目前在世界上，超過100個國家在種植甘蔗。在熱帶條件下，根據(jù)各地管理和生產(chǎn)條件，每年可實現(xiàn)150～300 t/hm2的高生物量生產(chǎn)[3]。

甘蔗是無性繁殖作物，生產(chǎn)上通常采用莖節(jié)作為種苗進(jìn)行栽培。種苗的萌發(fā)包括種芽和種根的萌發(fā)，一般情況下，在溫度10℃時，甘蔗可以進(jìn)行根系生長，在溫度達(dá)到13℃時，進(jìn)行萌芽生長。由種苗直接萌發(fā)而成的甘蔗稱為新植蔗，新植蔗砍收后由留在土壤中蔗蔸的芽萌發(fā)而成的甘蔗稱為宿根蔗，根據(jù)栽培條件宿根年限不同。宿根蔗在甘蔗生產(chǎn)中占有重要的地位，世界主要植蔗國家宿根甘蔗的栽培面積約占新植蔗面積的50%，宿根年限多為1～2年，也有4～5年的，如古巴4～5年[4]，澳大利亞、夏威夷1～2年[5]，中國的宿根蔗栽培約占總植蔗面積的40%～60%，宿根年限多為2～3年[6]。20世紀(jì) 80年代以來，中國在甘蔗生產(chǎn)上發(fā)展了一系列先進(jìn)適宜的耕作技術(shù)，這些技術(shù)包括深耕整地[7]、地膜覆蓋[8]、配方施肥[9]、蔗葉還田[10]、節(jié)水灌溉[11]、健康種蔗[12]、化學(xué)催熟[13-14]等，使我國成為第3大制糖生產(chǎn)國[15-16]。

作為熱帶亞熱帶C4植物，甘蔗高生物產(chǎn)量，周年生長，對土壤水分和養(yǎng)分需求量大。近年來，以水肥為重點(diǎn)，圍繞甘蔗栽培生理與技術(shù)在不斷深入研究和探索。現(xiàn)將近年來國際上甘蔗持續(xù)豐產(chǎn)栽培情況綜述如下。

1 甘蔗水分研究進(jìn)展

在甘蔗生長中，水是一個最重要的因素，據(jù)統(tǒng)計約有 30%的甘蔗產(chǎn)量是取決于合適的水分供應(yīng)。在各種脅迫中，干旱與水分脅迫是甘蔗生產(chǎn)的主要障礙，嚴(yán)重影響甘蔗的生理生化活動和生長發(fā)育，當(dāng)水分脅迫在15天內(nèi)，生理生化觀察值便會出現(xiàn)輕微波動，當(dāng)水分脅迫30天，則會出現(xiàn)較高的生理生化變化，植株內(nèi)的 NR活性和脯氨酸積累、過氧化氫酶、過氧化物酶活性等都有不同程度的降低[17]。有研究專門驗證2種水分處理對甘蔗品種的作用效應(yīng)，通過對株高、莖徑、地上部生物產(chǎn)量以及可溶性固形物和纖維含量等農(nóng)藝性狀的研究，只有莖徑對土壤水分有效性沒有影響[18]。不管是人工栽培或機(jī)械化種植，水分對甘蔗生產(chǎn)都有至關(guān)重要的作用，通過采用單行(1.0 m)和寬窄行(1.4和0.6 m)進(jìn)行滴灌試驗，在2種行距下，水分都是甘蔗變量(葉面積指數(shù)、冠層高度、莖長和每平方米植株數(shù))、生產(chǎn)變量的關(guān)鍵因素，甘蔗灌溉作物的鮮莖產(chǎn)量可達(dá)100.9 t/hm2，產(chǎn)糖量可達(dá) 17.8 t/hm2[19]。作為一種高需水量作物，在生產(chǎn)上，滴灌，特別是生長關(guān)鍵期灌溉，覆蓋保水等節(jié)水技術(shù)已顯示出良好的前景，在水資源不足的地區(qū)，根據(jù)水分條件進(jìn)行節(jié)水灌溉，會在很大程度上維持甘蔗的生產(chǎn)力，提高單位面積甘蔗產(chǎn)量和糖分[20]。

2 甘蔗養(yǎng)分研究進(jìn)展

甘蔗同其它綠色植物一樣，從外界吸取無機(jī)物質(zhì)加以同化利用，形成有機(jī)物質(zhì)，供給生長發(fā)育的需要。甘蔗生長必需的營養(yǎng)元素有碳、氫、氧、氮、磷、鉀、鈣、鎂、硅、銅、鐵、硫、錳、鋅、硼、鉬、氯等17種。甘蔗生長必需的每一種營養(yǎng)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據(jù)，衡量某一種作物的需肥量通常以單位產(chǎn)量(如每噸)從土壤中所吸收的養(yǎng)分量作為指標(biāo)，據(jù)研究，每噸原料甘蔗需從土壤中吸取養(yǎng)分是：氮(N) 1.5～2 kg，磷(P2O5)1～1.5 kg，氧化鉀(K2O) 2～2.5 kg，氧化鈣(CaO)0.5～0.75 kg。甘蔗生長量大，生物產(chǎn)量一般高達(dá)10 t以上[21]，近年來，國外主要甘蔗生產(chǎn)國根據(jù)甘蔗生長量大、土壤肥力消耗大，且無條件進(jìn)行輪作的情況，深入研究蔗地保肥、培肥技術(shù)，重點(diǎn)在蔗葉機(jī)械化粉碎還田和人工蔗葉還田技術(shù)上進(jìn)行研究。據(jù)研究，商業(yè)雜交種的甘蔗收獲指數(shù)在 66%～81%之間，19%～34%是主要甘蔗植株的蔗葉廢棄物。對植株蔗葉廢棄物的傳統(tǒng)做法是采用焚燒，不僅污染了空氣，還揮發(fā)大量的養(yǎng)分，至使散失氮1.32～2.17 t/hm2，降低產(chǎn)量38～77 t/hm2[22]。蔗葉不燃燒，直接進(jìn)行還田影響著土壤有機(jī)質(zhì)的動態(tài)變化，據(jù)研究，堅持蔗葉還田9年蔗地，與鄰近原生林區(qū)土壤相比，總有機(jī)碳(TOC)、輕有機(jī)物碳(CLOM)和顆粒有機(jī)碳(POC)及其碳儲量，在 0.0～0.025、0.025～0.05、0.05～0.10、0.10～0.20和0.20～0.30 m等不同深層上相差不大，僅在0.10～0.20和0.20～0.30 m層中總有機(jī)碳含量發(fā)現(xiàn)了輕微變化，說明長期蔗葉還田對保蓄土壤肥力有重要作用[23]。

巴西還探討了不同數(shù)量的蔗葉還田對宿根 1年、2年再生的生長發(fā)育及生產(chǎn)力影響研究，通過在宿根蔗60、120、180、240和370天評估，證明蔗葉還田促進(jìn)了宿根的發(fā)展，在水分脅迫條件下，甘蔗燒葉處理和秸稈全部清除或秸稈保留 25%蔗田，甘蔗宿根分蘗數(shù)、葉面積指數(shù)、莖徑和生產(chǎn)力較低，而保持 50%的秸稈覆蓋足以保障干旱下甘蔗生長，剩余的 50%可用于乙醇生產(chǎn)或發(fā)電，而不損害作物產(chǎn)量[24]。在促進(jìn)甘蔗產(chǎn)量和品質(zhì)上，通過不同蔗葉覆蓋量研究，對采用蔗葉50%和75%覆蓋的蔗地產(chǎn)量持平，但與不覆蓋或采用 25%的覆蓋量相比，產(chǎn)量提高了47%[25]。

3 甘蔗根系與生長研究進(jìn)展

從甘蔗主產(chǎn)國的情況來看，新植甘蔗收獲后第2年宿根甘蔗的生理大衰退，甘蔗產(chǎn)量下降是甘蔗不能持續(xù)豐產(chǎn)的根本問題。通過在不同行距(0.75、0.90和1.50 m)和不同品種下新植與宿根在分蘗期進(jìn)行的衰老生理比較，證實宿根甘蔗分蘗出現(xiàn)早且時間短，新植甘蔗分蘗期為120天，而宿根甘蔗則縮短至 60天，且分蘗苗死亡強(qiáng)度高達(dá) 50%[26]。巴西是世界最大的蔗糖生產(chǎn)國，近年來甘蔗年產(chǎn)量增長放緩，其主要原因就是新植甘蔗減少，宿根甘蔗增加，通過對宿根收獲年限次數(shù)對蔗糖產(chǎn)量及其組成部分的研究表明，在所有情況下，隨著宿根年限的收獲次數(shù)增加，甘蔗總產(chǎn)量在不斷下降，不同氣候土壤區(qū)域下降速度和幅度不同，貧瘠土壤的產(chǎn)量下降速度更快[27]。研究表明，宿根甘蔗的持續(xù)豐產(chǎn)難于實現(xiàn)，主要是宿根甘蔗與新植甘蔗相比，根際的pH值、土壤酶活性和酚類物質(zhì)含量在生長期都發(fā)生了顯著變化，陽離子交換量、根膜透性和硝酸還原酶活性顯著下降，根系活力下降導(dǎo)致N、P、K吸收減少25%～35%，分蘗死亡率損失9%～10%，進(jìn)入大生長期后，抑制了 27%同化器官的發(fā)育，最終導(dǎo)致生物產(chǎn)量減少 15.5%[28]。有研究表明，根系密度和根系長度是促進(jìn)宿根甘蔗生長的關(guān)鍵指標(biāo)，兩者決定了甘蔗養(yǎng)分和水分的吸收能力，決定了甘蔗植物碳分配和土壤平衡征，兩者呈函數(shù)關(guān)系，粗系密度(RBD)與根長密度(RLD)的擬合冪函數(shù)為RLD=21.3×RBD0.742(r2=0.85)[29]。綠色甘蔗可以顯著促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)的提高，通過對常規(guī)耕作栽培和綠色甘蔗技術(shù)相比，綠色蔗區(qū)土壤碳含量高于傳統(tǒng)栽培，低于原生植被區(qū)，6年傳統(tǒng)耕作區(qū)在0.0～0.3 m土層碳儲量比6年生的綠色區(qū)低22%，比12年生未燃燒區(qū)低43%，綠色土壤腐殖酸中酚和羧基含量也相比較高[30]。綠色甘蔗影響蔗地炭的分配也很重要，宿根甘蔗上，作物通過秸稈和根系分解為土壤提供碳，甘蔗土壤有機(jī)碳每年潛在分配量為 1.1 t/hm2，其中33%來自根系，67%來自蔗葉秸稈[31]。

4 甘蔗持續(xù)豐產(chǎn)技術(shù)研究進(jìn)展

在新植甘蔗收獲后，隨后第2年可以通過已有根系產(chǎn)生新植株，所以采用綠色技術(shù)提高甘蔗生產(chǎn)力和可持續(xù)性，是可行的選擇。通過采用綠色技術(shù)，不僅可以降低生產(chǎn)成本，改善土壤質(zhì)量，提高甘蔗生產(chǎn)力，提高蔗糖生產(chǎn)力和農(nóng)民收入[32]。

多年來，國際上主要甘蔗生產(chǎn)國的科研機(jī)構(gòu)單位以水肥為突破口，以輕簡化保護(hù)性耕作技術(shù)為目標(biāo)進(jìn)行了甘蔗栽培研究。印度農(nóng)業(yè)技術(shù)大學(xué)作物研究中心在坡地宿根甘蔗上，對不進(jìn)行蔗葉覆蓋和采用蔗葉覆蓋(6 t/hm2)，在不同施氮量下(0、75、112.5、150和187.5 t/hm2)進(jìn)行了研究，證實在不同水平施肥下，蔗葉覆蓋下，宿根甘蔗群體、株高、干物質(zhì)、莖徑和產(chǎn)量方面都有明顯改善，蔗葉覆蓋使單莖重從740 g提高到767 g，隨著施肥增加，單莖重從724 g增加到751 g[33]。以綠色為基礎(chǔ)的環(huán)境友好型甘蔗生產(chǎn)系統(tǒng)，可促進(jìn)根系細(xì)菌的多樣性，目前已從宿根蔗的根系中分離到135株內(nèi)生細(xì)菌，包括放線菌，根據(jù)形態(tài)學(xué)和16S rRNA序列分析，內(nèi)生菌共分為14屬，其中以芽孢桿菌屬、腸桿菌屬、微孢子菌屬和鏈霉菌屬最為優(yōu)勢[34]。通過對新植甘蔗和宿根 1年、宿根2年少耕免耕的大田試驗，收集了土壤植物分析發(fā)育(SPAD)、氣孔導(dǎo)度、分蘗和產(chǎn)量參數(shù)的數(shù)據(jù)，結(jié)果表明，耕作對SPAD和氣孔導(dǎo)度沒有影響，在新植甘蔗上，常規(guī)耕作比免耕分蘗效果好，但在第2年宿根上，分蘗效果相反。甘蔗產(chǎn)量和產(chǎn)糖量在新植上差異不顯著，但免耕后第1年宿根中，甘蔗產(chǎn)量大于常規(guī)栽培和少耕法，在第2年宿根中，免耕和少耕的產(chǎn)量和產(chǎn)糖量均大于常規(guī)耕作，試驗表明，在佛羅里達(dá)州的一個3年甘蔗生長期中，免耕和少耕提高了宿根作物的產(chǎn)量[35]。

另外，收獲時間和收獲時的切割高度也是影響宿根生長的重要因素，通過對高于土壤0、10和20 cm 3個切割高度，和在5、7和9月這3個收獲期的宿根甘蔗試驗研究，不同品種切割高度和收獲期有明顯的反應(yīng)，切割高度為10和20 cm的田地的分蘗率較高[36]。新植甘蔗的不同收獲期會影響宿根品種的再生能力，通過對CP85-1491、S2001-SP-104、S2002-US-452、S2002-US-628、S2003-US-114 和HSF-240等7個品種從11月1日至次年3月1日不同收獲時間的研究，證實在2月1日收獲的甘蔗，生長參數(shù)包括發(fā)芽率、有效莖數(shù)、甘蔗產(chǎn)量最高，平均產(chǎn)量為 79.11 t/hm2，比其它時間收獲的高出10%～20%[37]。采用機(jī)械深松耕可以促進(jìn)宿根生長及養(yǎng)分吸收，印度在潘納加爾邦邦特農(nóng)業(yè)技術(shù)大學(xué)進(jìn)行的田間試驗，研究了甘蔗和宿根作物對深松深預(yù)的響應(yīng)，通過在3個重復(fù)的帶狀設(shè)計中，進(jìn)行了5種深松處理(無深松、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，隨著深松強(qiáng)度的增加，甘蔗和宿根作物的根冠生長、養(yǎng)分吸收和產(chǎn)量增加，其中1.0 m深松，顯著增加了根系生物量70.1 g/m3、地上部質(zhì)量增加了40.9 t/hm2、單莖重達(dá)883.8 g、產(chǎn)量達(dá)102.0 t/hm2。深松與機(jī)械化宿根管理相結(jié)合，根生物量增加 73.6%，地上部增加31.7%，氮、磷、鉀吸收分別增加29.3%、34.9%和34.3%，甘蔗單莖重量增加13.6%、有效莖數(shù)增加21.9%[38]。

5 國際上甘蔗持續(xù)豐產(chǎn)技術(shù)對我國甘蔗生產(chǎn)的啟示

5.1 借鑒國際技術(shù)研究應(yīng)用綠色甘蔗生產(chǎn)

甘蔗收獲后，我國蔗區(qū)傳統(tǒng)做法是焚燒蔗葉，為復(fù)耕做準(zhǔn)備。焚燒蔗葉危害大，不僅蔗葉焚燒時產(chǎn)生大量的有毒有害煙霧，污染環(huán)境空氣，人體吸入容易引發(fā)呼吸道疾病，而且蔗葉焚燒時容易引起森林火災(zāi)。近年來，根據(jù)國家環(huán)境保護(hù)的需要，很多地方都出臺了禁止焚燒蔗葉的規(guī)定。根據(jù)國外從多的研究結(jié)果，科學(xué)利用蔗葉進(jìn)行田間覆蓋，不僅可以保持土壤水分，提高土壤肥力，改善土壤理化性狀，從而促進(jìn)甘蔗產(chǎn)量和品質(zhì)的提升，具有重要的作用，為此我們借鑒國際經(jīng)驗，開展甘蔗的綠色生產(chǎn)技術(shù)研究應(yīng)用十分必要。

5.2 加大宿根根系促進(jìn)技術(shù)研究

根據(jù)國際上的研究報道，甘蔗根系的衰退是影響宿根甘蔗單產(chǎn)最重要的因素，以蔗葉覆蓋還田的少耕和免耕栽培技術(shù)，對土壤的養(yǎng)分保蓄，特別是理化性狀的改善作用顯著，形成良好的土壤條件。我國是世界上宿根甘蔗年限最短的國家之一，我們要加大宿根根系的促根技術(shù)研究，延緩宿根甘蔗的早衰，促進(jìn)我國甘蔗的持續(xù)增產(chǎn)。

5.3 加強(qiáng)輕簡高產(chǎn)高效技術(shù)研發(fā)

我國蔗區(qū)與國外蔗區(qū)一樣，甘蔗生產(chǎn)受水、肥的制約條件日益增大，近年來，隨著我國蔗區(qū)勞動力轉(zhuǎn)移，甘蔗主產(chǎn)蔗區(qū)用工成本在不斷增加，水肥關(guān)鍵因子和甘蔗生產(chǎn)勞動力成本高已成為我國甘蔗產(chǎn)業(yè)發(fā)展主要問題，綜合國際科研進(jìn)展，我國的甘蔗栽培應(yīng)針對解決抗旱、保水、高效施肥和勞動力問題，在保水的專用降解除草地膜研發(fā)，甘蔗控緩施肥和一次栽培施肥的全膜覆蓋技術(shù)來實現(xiàn)甘蔗生產(chǎn)的輕簡高效。