云南蔗區播期與水氮耦合對甘蔗產量和糖分影響

毛 鈞，王 靖，黃明霞，陸 鑫，刀靜梅，張躍彬，桃聯安，俞華先

云南蔗區播期與水氮耦合對甘蔗產量和糖分影響

毛 鈞1,2，王 靖1※，黃明霞1，陸 鑫2，刀靜梅2，張躍彬2，桃聯安3，俞華先3

（1. 中國農業大學資源與環境學院，北京 100193；2. 云南省農業科學院甘蔗研究所，開遠 661699；3. 云南省農業科學院甘蔗研究所瑞麗育種站，瑞麗 678600）

播期調控和水氮優化管理是提高作物產量和品質的有效措施。德宏是云南甘蔗主產區之一，屬于典型的濕潤蔗區，然而播期和水氮管理對該區甘蔗生產的耦合效應尚不明確。該文基于云南德宏蔗區瑞麗甘蔗試驗站的大田分期播種試驗數據評估了APSIM-Sugar（Agricultural Production Systems sIMulator-Sugar）模型的適應性，并應用驗證后的模型進行了播期和水氮耦合對甘蔗大田生產影響的情景模擬，通過比較不同耦合方式下的蔗莖產量、蔗莖含糖量、水分和氮肥利用效率等指標差異，分析了云南德宏蔗區雨養和灌溉條件下的最優播期和水氮管理耦合方案。結果表明：APSIM-Sugar模型能夠較準確的模擬云南德宏蔗區甘蔗代表品種（ROC22和YZ0551）在典型播期下的蔗莖產量和含糖量變化趨勢，模擬相對均方根誤差在10%以內，決定系數2大于0.9。播期調控和水氮優化能夠為德宏蔗區的甘蔗生產提供積極影響，雨養條件下采用春植或冬植有利于甘蔗穩產和水氮高效利用，灌溉條件下采用秋植或春植有利于甘蔗高產和水氮高效利用。云南德宏等濕潤蔗區旱地甘蔗推薦種植模式為，春植蔗2月下旬播種，冬植蔗12月下旬播種，施用純氮60 kg/hm2，可獲得95～100 t/hm2的蔗莖產量（含糖量大于19%）。水澆地甘蔗推薦種植模式為，春植蔗2月下旬播種，施用純氮120 kg/hm2，配合伸長期灌水360 mm，可獲得近120 t/hm2的蔗莖產量（含糖量大于17%）；秋植蔗10月下旬播種，施用純氮180 kg/hm2，配合分蘗期和伸長期灌水720 mm，可獲得近170 t/hm2的蔗莖產量（含糖量大于18%）。研究結果可為在云南濕潤蔗區進行甘蔗生產的播期調控和水氮優化提供依據，為甘蔗高產高效種植管理決策提供參考。

灌溉；施肥；播種；水氮耦合；甘蔗模型

0 引 言

云南地處低緯高原，受季風氣候和地形影響，干濕季分明，降水多集中于夏秋兩季，冬春兩季明顯偏少，降水量的時空分布不均導致農業干旱各月在不同地區均有可能發生，季節性干旱仍是制約農作物生產的重要因素[1]。作為中國第2大甘蔗主產區，云南主要有8個州市種植甘蔗，其中德宏州常年甘蔗種植面積6.2萬hm2，年產糖60萬t，是僅次于臨滄市的云南第2大蔗區。該蔗區年均溫較高、年降水總量較大，屬于較典型的亞熱帶濕潤蔗區，但降水量各月分配不均，年際變率大；同時由于丘陵旱坡地植蔗面積大，灌溉設施不完善，70%以上的蔗地只能靠雨養，干旱減產問題突出，甘蔗生產穩定性差[2-4]。有研究表明德宏州小麥和甘蔗等主要作物的生產均不同程度受到季節性干旱的影響，而播期調控和水氮優化被認為是降低季節性干旱影響的有效措施[5-7]。

有學者通過大田試驗研究分析了德宏蔗區播期和水氮管理對甘蔗產量的影響[8-9]，但多為2～3 a的春植或冬植試驗，較窄的播期范圍和較短的試驗年限無法充分反應播期、灌溉和施氮措施對甘蔗生產的長期影響和耦合效應。作物生長模型由于可以系統模擬氣候、土壤和栽培管理等因素對作物生長發育和產量形成過程的影響，已被廣泛應用于分析播期和水肥管理對小麥、玉米和油菜等作物產量的影響[10-17]。國外學者較早在甘蔗生長模型構建和應用方面開展了大量研究，自1991年至今已開發出AUSCANE、CANEGRO、QCANE和APSIM-Sugar（Agricultural Production Systems sIMulator-Sugar）等多個甘蔗生長模型，其中APSIM-Sugar是目前開發較為完善、使用范圍較廣的甘蔗生長模型，構建該模型的基礎數據來自于澳大利亞、美國夏威夷、南非、新西蘭和斯威士蘭等30多個國家，模型應用范圍涵蓋了最適播期選擇、生態適應性品種選育、土壤水分和氮素循環等方面[18-24]。國內目前尚沒有自主開發的甘蔗生長模型，對國外甘蔗生長模型的本地化應用研究也起步較晚，近年來才開始在主產蔗區對APSIM-Sugar等模型進行適應性評估[25-28]，并在播期調控、土壤氮素變化、氣候變化影響、潛在產量和產量差等方面開展了初步研究[29-31]，但尚未系統分析播期和水氮耦合對甘蔗生產的影響。因此，本研究基于云南德宏州瑞麗甘蔗試驗站2014—2016年的大田分期播種試驗數據，首先對APSIM-Sugar模型進行適應性評價，然后應用驗證后的模型分析播期和水氮耦合對甘蔗大田生產的影響，探討不同種植模式下適宜的播期和水氮優化管理方案，為云南濕潤蔗區的甘蔗高產高效種植提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究蔗區氣候條件

云南德宏蔗區（24°～25°N，97°～99°E）甘蔗主產縣為隴川、盈江、芒市、梁河和瑞麗，各縣海拔和氣候條件相似（表1），屬于南亞熱帶濕潤蔗區。全區年均溫18～21 ℃，年均降水量1 400～1 800 mm，相對濕度在80%左右，日照時數2 100～2 300 h，蒸發量大于降水量，季節性干旱問題突出，土壤類型主要為赤紅壤[32-33]。從降水總量看，德宏蔗區屬于典型濕潤蔗區，年降水是開遠、元江等半濕潤半干旱蔗區的2～4倍，但年際變異較大（降水總量年際變異系數大于17%）且季節性分配不均（圖1）。5—10月為濕季，降雨量高達120～360 mm，累計占全年降水量的88%；11月—次年4月為干季，降雨量僅10～65 mm，累計占全年降水量的12%。本研究選擇瑞麗甘蔗試驗站進行分期播種試驗，該站點的氣候和土壤特征能代表當地典型的甘蔗大田生產環境。

表1 云南德宏蔗區氣候特征

注：MT，年均溫；RH，年均相對濕度。

Note: MT, annual mean temperature; RH, annual mean relative humi-dity.

1.2 試驗材料與資料來源

參試甘蔗品種為云蔗0551（YZ0551）和對照品種新臺糖22號（ROC22），選取無病蟲害的健康種苗按常規方法布置試驗。各站點1981—2016年的逐日氣象資料來自中國氣象局國家氣象信息中心地面氣象觀測資料和云南省農業科學院甘蔗研究所氣象數據庫，主要包括日最高氣溫、日最低氣溫、日降水量和日照時數。土壤樣品采自德宏瑞麗甘蔗試驗站蔗田土壤，基礎物理數據如表2所示。

圖1 云南德宏蔗區降雨量分布

表2 大田試驗土壤基礎物理參數

日總輻射采用Angstrom公式由日照時數換算得出:

R= (0.25 + 0.5/) R（1）

式中R為日地表太陽總輻射，MJ/(m2·d)；R為日晴空太陽總輻射，MJ/(m2·d)；為日照時數，h；為日長，h。

1.3 研究方法

1.3.1 甘蔗大田分期播種試驗

大田分期播種試驗于2014年12月—2016年3月在瑞麗甘蔗試驗站進行，品種為ROC22和YZ0551，每個品種種植3個重復小區，每小區2行，行長1.5 m，行距1 m，下種量20芽/行。其中冬植試驗分別于2014年12月20日和2015年1月20日播種，播種當日施尿素基肥175 kg/hm2（約折合純氮80 kg/hm2），微噴設施灌水30 mm，6月份分蘗前期施尿素追肥650 kg（約折合純氮300 kg/hm2），不進行補充灌水，2016年3月15日收獲測產；春植試驗分別于2015年2月20日和2015年3月20日種植，播種當日施尿素基肥175 kg/hm2（約合純氮80 kg/hm2），微噴設施灌水30 mm，8月份分蘗后期施尿素追肥650 kg（約折合純氮300 kg/hm2），分別在6月分蘗前期和11月伸長期微噴設施補充灌水90～180 mm，2016年3月15日收獲測產。

1.3.2 APSIM-Sugar模型及其參數化

APSIM是由澳大利亞聯邦科工組織和昆士蘭州政府農業生產系統研究小組聯合開發研制的農業生產系統模型。該模型采取“插拔”式設計構建高度獨立的作物品種、氣候、土壤和栽培管理等子模塊，通過中心引擎整合后可進行不同作物品種生長發育、氣候變化影響、水氮限制、產量、品質預測和生產決策等系統研究，已在世界各國得到廣泛應用和完善。APSIM模型系列中的甘蔗生長模型APSIM-Sugar包括甘蔗品種、土壤水分、土壤氮素、地表殘茬和栽培管理等子模塊，可動態模擬甘蔗生長發育及土壤水分和氮素循環等過程[26]。APSIM-Sugar模型運行前需要進行氣象、土壤、管理和甘蔗品種參數等基礎數據的輸入。模型運行以日為時間步長，其中逐日氣象數據包括最高氣溫（℃）、最低氣溫（℃）、降水量（mm）和總輻射（MJ/(m2·d)）；土壤數據包括土層深度（cm）、土壤容重（g/cm3）、飽和含水量（mm/mm）、田間持水量（mm/mm）、凋萎含水量（mm/mm）等；管理數據包括播種日期、種植密度（株/m2）、生長日數（d）、灌溉時間和灌溉量（mm）以及施肥時間和施肥量（kg/hm2）等。模型關鍵輸出數據包括甘蔗生長期、蔗莖產量（t/hm2）和蔗莖含糖量（%）等。

APSIM模型中，土壤水氮變化和作物對土壤水氮的吸收轉化是通過土壤水模塊（SoilWater）和土壤氮模塊（SoilN）來進行模擬和耦合的。SoilWater模塊對土壤-作物系統蒸散的模擬主要包括土壤蒸發（evaporation）和植物蒸騰（transportation）2個過程；SoilN模塊可模擬土壤中碳素和氮素的動態變化，包括碳氮轉運、有機質分解、硝化、反硝化、尿素水解等物理和化學過程[18-20]。APSIM-Sugar模型的水氮模擬過程采用了土壤分層階梯式滲透模型，能夠通過中心引擎與其他模塊輸入的甘蔗品種參數、氣象資料、土壤數據和水氮管理措施等進行動態耦合，從而實現對基因、環境和管理（G×E×M）互作效應的模擬[21-30]。

本研究中APSIM-Sugar模型調參驗證所需的氣象、土壤數據為瑞麗甘蔗試驗站氣象日值數據和大田土壤抽樣分析數據；水氮管理數據根據田間實際灌水和施氮措施進行設定；YZ0551品種參數是基于前期研究建立的ROC22品種遺傳參數[27]采用試錯法進行調參驗證后獲得，其中冬植播期試驗用于調參，春植播期試驗用于驗證。情景模擬研究中，模型模擬的雨養產量為在無任何補充灌溉，完全依靠自然降水條件下獲得的蔗莖產量；灌溉產量為在人工補充或模型自動灌溉條件下獲得的蔗莖產量。不同播期和水氮耦合情景下的甘蔗雨養產量和灌溉產量均采用APSIM-Sugar模型7.8版本進行模擬。部分情景模擬中使用到自動灌溉模式，具體設定方法為：在APSIM-Sugar模型的Irrigation模塊中進行如下設置，將Automatic irrigation選項設置為on，將Depth選項值設定為1 000（mm），將Fraction of ASW選項值設定為1，即當土壤田持低于100%時進行自動灌溉，灌溉量為0～100 cm土層達到100%田持所需的水量（mm）。氮肥的施用需要添加Fertilise after planting模塊，并根據氮肥類型、施氮量和施氮時間進行相關參數設定，其中氮肥種類選擇尿素（含氮量46%）并換算成純氮含量（Urea_N，kg/hm2）輸入模型，施肥深度設定為80 mm。此外，為避免長期模擬后土壤初始水氮參數差異過大，需添加Reset on sowing模塊，在每年甘蔗新植時進行土壤水氮參數的重置。

1.3.3 模型評價指標

模型模擬誤差通過觀測值和模擬值的均方根誤差（root mean squared error，RMSE）、相對均方根誤差（normalized root mean squared error，NRMSE）和決定系數（2）進行評價[11-17]。 RMSE和NRMSE 反映模擬值與實測值之間的絕對誤差和相對誤差，其值越小，說明模擬值與實測值之間偏差越小，模擬精度越高；2越接近1，表明模型擬合度越好。

1.3.4 甘蔗高產高效種植管理方案的評價指標

用于評價和篩選甘蔗高產高效種植管理方案的產量、品質和效率指標包括：蔗莖產量（tons of cane per hectare，TCH，t/hm2）、蔗莖含糖量（content of cane sugar，CCS，%）、水分利用效率（water use efficiency，WUE，kg/m3）、氮肥農學利用效率（agricultural efficiency of nitrogen，AEN，kg/kg）、產量距平百分率（yield anomaly percentage，YAP，%）和產量年際變率（coefficient of variation，CV，%）等，其中蔗莖產量和蔗莖含糖量為模型輸出變量，其他指標的計算方法如下：

WUE = TCH_sim / ET （2）

AEN =（TCH_sim - TCH_base）/ Total_N （3）

YAP =（TCH_sim - TCH_aim）/ TCH_aim （4）

CV = SD / TCH_avg （5）

式中TCH_sim為蔗莖產量模擬值（t/hm2），ET為甘蔗全生長期耗水量（m3），Total_N為總施氮量（kg）；為便于統一比較不同播期和水氮條件組合，以當地典型播期（春植）、土壤（赤紅壤）和無水肥優化條件下的平均雨養產量45 t/hm2為基準產量（TCH_base），以中國主產蔗區甘蔗生產平均產量75 t/hm2為目標產量（TCH_aim）；SD（Standard deviation）為各年份蔗莖產量標準差；TCH_avg為各年份蔗莖產量平均值。

1.3.5 播期和水氮耦合情景設定

選擇1981—2010年作為長期模擬時段，基于驗證后的APSIM-Sugar模型分別模擬不同播期和水氮耦合情境下的甘蔗產量變化，通過上述指標的綜合評價確定適合當地蔗區的甘蔗高產高效栽培管理模式。播期和水氮耦合情景模擬統一采用當地代表品種YZ0551的遺傳參數和代表站點瑞麗甘蔗育種站的氣象資料和土壤參數。

播期情景設定與最優播期選擇：根據播期的不同可將新植甘蔗分為春植蔗、夏植蔗、秋植蔗和冬植蔗，不同播期生長期長短不同。根據播種時間、當地糖廠開榨時間和甘蔗的田間工藝成熟度來確定收獲日期[34-35]，并在APSIM-Sugar模型的管理模塊中對不同季節播種的甘蔗生長期進行設定，春植蔗和冬植蔗為360 d，夏植蔗為270 d，秋植蔗為480 d。同時考慮到甘蔗整個生長期較長而相對較短的播期差異對甘蔗生產影響并不大，故選擇當地習慣播種日每月20號為統一的典型播期，在春夏秋冬4個播種季各設3個播期，春植分別于2月20日、3月20日和4月20日下種，生長期360 d；夏植分別于5月20日、6月20日和7月20日下種，生長期270 d；秋植分別于8月20日，9月20日和10月20日下種，生長期480 d；冬植分別于11月20日，12月20日和1月20日下種，生長期360 d。上述4個播種季合計12個播期，每個播期均在收獲后當年或次年相同播期重新種植，不留宿根。在模擬時段內，春夏冬3季種植的甘蔗生長期相對較短，可獲得29組產量數據；秋植蔗生長期較長，僅獲得14組產量數據。在氮肥充足條件下，通過計算代表站點瑞麗1981—2010年各月分期播種模擬情景下的雨養蔗莖產量和水氮利用效率等指標來篩選不同播種季的最優播期。

灌溉量、施氮量設定及高產高效種植方案篩選：根據前人研究[36-40]設定不同的甘蔗大田生產灌溉和施氮方案，在無水分脅迫條件下模擬不同播期的蔗莖產量確定最優施氮量范圍；在無養分脅迫條件下模擬不同播期的蔗莖產量確定最優灌溉量范圍；然后將優選播期和水氮管理方案進行耦合情景模擬，基于1.3.4中的評價指標篩選甘蔗高產高效種植方案。

2 結果與分析

2.1 APSIM-Sugar模型適應性評價結果

基于瑞麗站播期試驗數據對APSIM-Sugar模型進行調參和驗證獲得甘蔗品種ROC22和YZ0551的遺傳參數見表3。2個品種的蒸騰效率系數transp_eff_cf、輻射利用效率rue和最大綠葉數green_leaf_no相同，有差異的參數包括出苗到拔節所需的有效積溫tt_emerg_to_ begcane、蔗莖干物質分配系數cane_fraction、蔗莖糖分分配系數sucrose_fraction_stalk和蔗莖糖分積累最小生物量min_sstem_sucrose、最大葉面積leaf_size等。對于ROC22，葉片序數為1、20、24時最大葉面積為1 500、55 000、60 000 mm2；對于YZ0551，葉片序數為1、20、24時最大葉面積為1 500、60 000、60 000 mm2。

表3 參試甘蔗品種遺傳參數

產量模擬結果顯示，調參試驗（冬植，圖2a）蔗莖產量的RMSE為5.1 t/hm2，NRMSE小于5%，擬合度高（2=0.992）；驗證試驗（春植，圖2b）蔗莖產量的RMSE增加到6.8 t/hm2，NRMSE小于10%，擬合度仍在0.9以上（2=0.909）。結果表明APSIM-Sugar模型能夠較好地模擬2個甘蔗品種（ROC22和YZ0551）在典型播期下蔗莖產量的變化趨勢。

注：c和d圖中不同小寫字母表示差異達到0.05顯著水平。

糖分模擬結果顯示（圖2c和圖2d），無論調參還是驗證試驗，相同品種的蔗莖含糖量模擬值均與實測值無顯著差異，但不同品種之間糖分差異顯著，YZ0551的平均蔗莖含糖量顯著高于ROC22。總體上看，APSIM-Sugar模型能夠較好模擬這2個品種在典型播期下蔗莖含糖量的變化趨勢。但在糖分模擬結果中，冬植蔗含糖量模擬值略高于實測值，春植蔗含糖量的模擬值略低于實測值，而無論春植還是冬植，蔗莖產量模擬值都相對穩定地略低于實測值，因此糖分模擬結果的不確定性較產量要大。

2.2 播期對甘蔗大田生產的影響

在雨養且氮肥充足（施氮量480 kg/hm2）條件下進行的多年播期模擬試驗結果見表4。從平均值上看，秋植蔗的蔗莖產量和含糖量均最高（102.73 t/hm2，16.15%），水分利用效率較高（3 kg/m3），氮肥利用效率最高（120 kg/kg），增產效果最明顯，蔗莖產量年際變率較小（17.49%）；春植和冬植蔗的蔗莖產量、含糖量和氮肥利用效率低于秋植，但水分利用效率高于秋植，蔗莖產量年際變率最小（13.3%）；夏植蔗產量和糖分（43.67 t/hm2，10.98%）顯著低于其他播種季，且水氮利用效率最低，蔗莖產量年際變率最大（21.83%）。

就各播種季而言，在雨養且氮肥充足條件下，秋植蔗在10月下旬播種最佳，蔗莖產量、含糖量和水氮利用效率等指標均可達到較高水平，且蔗莖產量年際變率低于15%；冬植蔗在1月下旬播種，春植蔗在2月下旬播種，蔗莖產量均超過100 t/hm2，與秋植蔗相當，且含糖量較高（>14.5%），水氮利用效率高（WUE >3 kg/m3，ANE >110 kg/kg），蔗莖產量年際變率低（8%～12%）；夏植蔗在5月下旬播種相對較好，可獲得56.71 t/hm2的蔗莖產量和12.67%的含糖量，但仍較目標產量減產24%，且水氮利用效率低，產量年際變率高。綜上，在同一播種季下，有利于甘蔗穩產高產和水氮高效利用的最優播期為：春植蔗在2月下旬播種，夏植蔗在5月下旬播種，秋植蔗在10月下旬播種，冬植蔗在1月下旬播種。

表4 不同播期下的甘蔗大田生產模擬結果

注：由于有些情景下施肥后的蔗莖產量低于基準產量（45 t·hm-2），其氮肥利用效率為負值。

Note: Since cane yield with nitrogen fertilization is lower than base yield (45 t·hm-2) in some cases, then the N efficiency is negative.

2.3 施氮量和施氮方式對甘蔗大田生產的影響

在水分充足條件下模擬分析不同播種季施氮量（0～480 kg/hm2）與施氮方式（只施基肥；基肥+追肥）對甘蔗大田生產的影響（圖3）。結果顯示：蔗莖產量隨施氮量的增加而增加，但達到一定閾值后就不再增加。其中春植、夏植和冬植蔗僅需120 kg/hm2的施氮量即可達到最高蔗莖產量水平（123、70和117 t/hm2），秋植蔗需180～240 kg/hm2的施氮量才能達到最高產量水平（188 t/hm2）。當施氮量超過240 kg后，產量曲線基本保持水平。施氮方式基肥+追肥的平均蔗莖產量較只施基肥略高且年際變率略低，但差異不顯著，不同播種季下2種施氮方式的產量變化曲線基本一致。

圖3 不同播種處理下施氮方式對蔗莖產量的影響

2.4 灌溉量與灌溉時期對甘蔗大田生產的影響

利用APSIM-Sugar模型進行自動灌溉模擬，分析不同施氮水平下（0～480 kg/hm2）各播種季甘蔗生產所需的灌溉量范圍（圖4）。結果表明：春植蔗和冬植蔗生長期中等（約360 d），約需600 mm的灌溉量，平均蔗莖產量可達100 t/hm2；夏植蔗生長期短（約270 d），約需300 mm的灌溉量，平均蔗莖產量僅為60 t/hm2；秋植蔗生長期長（約480 d），約需900 mm的灌溉量，平均蔗莖產量可達140 t/hm2。根據上述結果設計灌溉時期情景模擬方案見表5。

圖4 不同播期和施氮量下灌溉量對蔗莖產量的影響

表5 灌溉情景模擬方案及對應模擬產量

注：產量后不同字母代表差異達到0.05顯著水平。

Note: Different letters after cane yield mean significant difference at 0.05 level.

在氮肥充足的條件下基于表5所示的灌溉方案分析灌溉時期對甘蔗生產的影響，結果見表5。從蔗莖產量上看，春植、夏植蔗在伸長期分別灌水360和180 mm可達到最高產量水平，即該方案下的蔗莖產量較雨養產量顯著提升且與全期定額灌溉和100%田持灌溉產量無顯著差異；冬植蔗在分蘗期灌水120 mm或在伸長期灌水360 mm可達到最高產量水平；而秋植蔗在某個時期單次灌水均無法達到最高產量水平，其中分蘗期和伸長期灌水的增產效應最顯著，分別較雨養平均增產35和44 t/hm2。從灌水條件下的WUE上看，不同播種季為秋植>春植>冬植>夏植，不同灌溉時期為伸長期>分蘗期>苗期>成熟期，不同灌溉模式為定額灌溉>雨養>100%田持灌溉。

2.5 播期與水氮優化管理耦合篩選甘蔗高產高效種植方案

根據以上研究結果，優選4個播期（春植2月20日、夏植5月20日、秋植10月20日和冬植1月20日）、4種灌溉方案（雨養、分蘗期定額灌溉20%、伸長期定額灌溉60%、分蘗期定額灌溉20%+伸長期定額灌溉60%和全期定額灌溉100%）和5種施氮方案（不施肥、基肥60、120、180、240 kg/hm2）在APSIM-Sugar模型中進行耦合情景模擬計算，篩選甘蔗高產高效種植方案。雨養條件下的甘蔗生產效率如圖5所示：在雨養條件下，蔗莖產量隨施氮量的增加而增加，但含糖量隨施氮量的增加總體呈現下降趨勢，平均蔗莖產量在50～95 t/hm2之間，含糖量在14.9%～19.2%之間。其中，春植和冬植蔗在0～60 kg/hm2的施氮水平下含糖量達到最高（>19%），且產量也較高（45～110 t/hm2）；當施氮量為120～240 kg/hm2時，蔗莖產量不再增加，但含糖量下降（<17%）。秋植蔗在0～120 kg/hm2的施氮范圍內均具有較高的含糖量（>18%），但蔗莖產量較春植和冬植低（35～100 t/hm2）；當施氮量為180～240 kg/hm2時，秋植蔗雨養產量超過105 t/hm2且含糖量仍然保持在17%以上。夏植蔗在蔗莖產量和含糖量上均顯著低于其他播種季。從水氮利用效率上看，春植和冬植蔗只需60 kg/hm2施氮量即可獲得最高的水分利用效率（>3.4 kg/m3），而秋植蔗至少需要120 kg/hm2的施氮量才能達到較高的水分利用效率（>3 kg/m3）；施氮量在60 kg/hm2時，春植蔗和冬植蔗的氮肥利用效率顯著高于秋植和夏植，施肥量超過60 kg/hm2后，春植蔗和冬植蔗的氮肥利用效率顯著下降至與秋植蔗相當的水平，但仍顯著高于夏植蔗。

圖5 不同施氮水平下雨養甘蔗的生產效率

節水灌溉條件下的甘蔗產量和糖分變化如圖6和圖7所示：在灌溉條件下，同樣呈現蔗莖產量隨施氮量的增加而增加，含糖量隨施氮量的增加而降低的總體趨勢；但較雨養條件平均蔗莖產量提升11.8 t/hm2，含糖量提升0.4%。春植蔗在伸長期灌水360 mm和120 kg/hm2的施氮量下即可獲得超過110 t/hm2的蔗莖產量，且含糖量在17%以上。冬植蔗不同時期灌水的產量變異幅度較小，但分蘗期灌水的水分利用效率相對較高。秋植蔗在分蘗期和伸長期灌水720 mm，配合180 kg/hm2左右的施氮量，可獲得超過160 t/hm2的蔗莖產量和18%以上的含糖量。夏植蔗灌溉條件下的蔗莖產量和含糖量仍然較低。

圖6 灌溉條件下播期與水氮管理耦合對蔗莖產量的影響

圖7 灌溉條件下播期與水氮管理耦合對蔗莖含糖量的影響

綜合不同播期與水氮管理耦合情景下灌溉量、施氮量、蔗莖產量、含糖量、水肥利用效率等，根據灌溉量和施氮量少，蔗莖產量、含糖量和水氮利用效率高，產量距平百分率>25%且產量年際變率<10%的原則，分別篩選出雨養和節水灌溉條件下甘蔗高產高效種植管理優化方案（表6）。除夏植蔗雨養產量低于平均目標產量24.52%，產量年際變率超過14%，達不到標準外，其余3個播期的旱地雨養水氮管理優化方案均可滿足甘蔗高產高效種植要求，其中春植蔗和冬植蔗的水氮利用效率較秋植蔗高，產量年際變率也較低。表6顯示，夏植蔗灌溉產量仍然低于平均目標產量13.36%，產量年際變率高于10%；秋植蔗和春植蔗水氮需求量較大，但蔗莖產量和水氮利用效率較高，產量年際變率較小，而冬植蔗水氮需求較少，但蔗莖產量和水氮利用效率較低，產量年際變率較高。為兼顧甘蔗高產穩產和水氮高效利用，旱地雨養甘蔗推薦采用春植（2月下旬）或冬植（12月下旬），播種時施用純氮60 kg/hm2，可獲得95～100 t/hm2的蔗莖產量（含糖量大于19%）。有灌溉條件的水澆地推薦采用秋植（10月下旬）或春植（2月下旬），春植蔗播種時施用純氮120 kg/hm2，配合伸長期灌水360 mm，可獲得近120 t/hm2的蔗莖產量（含糖量大于17%）；秋植蔗播種時施用純氮180 kg/hm2，配合分蘗期和伸長期灌水720 mm，可獲得近170 t/hm2的蔗莖產量（含糖量大于18%）。

3 討 論

前人研究表明，APSIM模型能夠滿足小麥[10]、玉米[14]、油菜[15]、油葵[16]、馬鈴薯[17]等不同作物的品種、播期、氣候影響、水氮管理耦合等各種基因、環境和管理（G×E×M）互作效應分析的需要。在甘蔗上，國外學者已對APSIM-Sugar模型進行了包括水氮交互試驗在內的大量田間試驗驗證[21-24]，國內學者也在云南和廣西等主產蔗區對APSIM-Sugar模型進行了品種、播期和水氮管理等方面的適應性評價研究[25-30]，證明了該模型是有效的G×E×M互作模擬研究工具。本課題組前期已在云南半濕潤半干旱蔗區代表站點開遠和元江站開展過水分脅迫影響甘蔗生長發育和產量的APSIM-Sugar模型驗證[27]，本研究又進一步在云南濕潤蔗區瑞麗站進行了分期播種試驗的模型驗證，上述3個站點的氣候和水氮管理存在顯著差異，但產量模擬結果均比較理想，這些顯著差異氣候和管理條件下的大田試驗數據大大提高了APISM模型調參驗證結果的有效性。因此，盡管甘蔗大田水氮交互試驗驗證數據有限，但只要能夠提供準確的氣象資料、土壤參數、甘蔗品種遺傳參數、播種期、收獲期和水氮管理等輸入數據，基本能夠保證正常范圍內水氮耦合情景模擬結果的可信度。另外在本研究播期和水氮耦合情景設計中，充分考慮了不同播期、不同灌溉時期和灌溉量，不同施肥方式和不同施肥量可能的交互影響，并通過模型水氮管理模塊不同參數的合理取值和優化組合來實現對甘蔗水氮耦合效應的模擬。

最終的模型模擬分析結果顯示，適宜的播期調控和水氮優化管理可顯著提高云南濕潤蔗區的甘蔗產量、含糖量和水氮利用效率，施足基肥并配合適量的灌水處理是保證甘蔗高產的關鍵，但超過一定施氮量后，氮肥利用效率顯著下降，特別是在水分限制條件下提高施氮量并不能增加甘蔗產量，甚至還會導致蔗莖產量和含糖量的下降。從播期上看，旱地雨養條件下宜采用春植或冬植，有利于甘蔗穩產和水氮高效利用；水澆地灌溉條件下宜采用秋植或春植，有利于甘蔗高產和水氮高效利用。從灌溉時期上看，在適宜的播期下，濕潤蔗區的自然降水基本能滿足甘蔗苗期和成熟期的水分需求，只需在分蘗期和伸長期進行適量灌溉即可；分蘗期灌溉對秋植和冬植蔗產量提升作用顯著；伸長期灌溉對于春、夏、秋播種的甘蔗均非常重要。從灌溉量上看，甘蔗全生長期多年平均需水量一般在1 000～1 200 mm，在濕潤蔗區除去有效降水外，180～720 mm的補充灌水即可滿足甘蔗正常生長需要。從施肥方式上看，基肥+追肥處理的產量與施基肥差異不顯著，故一次性施用足量基肥，有利于節本增效，提高收益。從施肥量上看，為保證較高的水氮利用效率，旱地甘蔗較合理的純氮施用量是60～120 kg/hm2；水澆地甘蔗較合理的純氮施用量是120～180 kg/hm2。

有研究表明在甘蔗大田試驗中適當減少化肥施用量及調整氮、磷、鉀肥配比，可提高肥料利用率及甘蔗產量；而施用有機肥、控釋肥能改善土壤理化性狀，增強肥效并保證持續穩定的營養供給，既能減少施肥數量和次數，又能滿足甘蔗整個生長期的養分需求[40]。在施肥種類與施肥方式互作方面，普通化肥通常是基肥+追肥的施肥方式比只施基肥獲得的蔗莖產量高，而在施用緩釋肥的研究[41]中發現，一次性施用等價值的緩釋肥作為基肥處理，較蔗農習慣施肥對照處理（普通化肥，基肥+追肥）增產差異不明顯，但由于施肥成本大幅降低，蔗農實際增收47%。本研究也發現在總施氮量相同的情況下，只施基肥的模擬結果與基肥+追肥無顯著差異。一方面是由于在APSIM-Sugar模型施肥模塊中采用了植溝底施用尿素后培土8 cm的參數設定，尿素屬緩釋型肥料，含氮量和肥效較高，研究站點試驗田為較平緩的水澆地，土壤類型為黏性較高的紅壤，在一定程度上顯著降低了氮肥的淋濾損失。另一方面甘蔗模型中每公頃的氮肥施用量相對較大，水氮利用率的初始值相對較高。同時在每年甘蔗新植時進行了土壤水氮參數的重置，以避免長期模擬后土壤初始水氮參數差異過大。上述措施保證了本研究中甘蔗生長后期氮肥的有效供應。

盡管本研究中甘蔗高產高效種植管理優化方案均是通過APSIM-Sugar模型模擬得出的，但模擬結果基本符合當地甘蔗高產大田的生產實際情況。雨養條件下，晚冬（12月下旬）至早春（2月下旬）種植的甘蔗，其田間生長過程的騰發量變化曲線與當地自然降水量曲線比較吻合：苗期耗水量小，僅靠少量降水就能保證出苗，進入分蘗期和伸長期后耗水量逐漸加大，降水量也隨之增加，但由于雨養條件限制，中后期有效降水量不足，有效分蘗數和最終成莖數不會太多，無需施用過多的氮肥。因此在此時段播種的冬春植蔗配合少量的氮肥供給（60 kg/hm2）可獲得較穩定的雨養產量和較高的水氮利用效率。同理，在灌溉條件下，2月下旬播種的春植蔗由于苗期和分蘗期的溫度相對較高，基本出苗量、出苗速度和有效分蘗數較12月下旬播種的冬植蔗要高，因此在伸長期進行適量人工補充灌水（360 mm）并配合適量的氮肥供給（120 kg/hm2）可獲得較高的蔗莖產量和水氮利用效率。而10月下旬播種的秋植蔗由于苗期自然降水量充足，溫度適宜，基本苗量大，生長中后期自然降水無法滿足其水氮需求，如果在分蘗期和伸長期進行充分灌溉（720 mm）并保證足量的氮肥供給（180 kg/hm2），則有望獲得最高產量和最優水氮利用效率。

模擬結果與實際生產差異較大的是氮肥施用量，模擬優化結果中最優施氮量為60～180 kg/hm2，與巴西等國的常規用量相當[42]，明顯低于中國甘蔗大田生產習慣用量200～400 kg/hm2。大田試驗研究結果表明中國甘蔗生產長期缺乏專業理論指導和技術支持，氮肥施用量和投入成本是國外的2～3倍，然而在高施氮成本投入的情況下，沒有合理的播期和水氮管理配合，甘蔗產量和蔗農收益并未得到相應提高[36-37]。國內甘蔗生產施氮量過高的原因主要包括：蔗區土壤相對貧瘠，土壤有機質含量低，傳統化肥的有效成分含量和肥效較低，不重視有機肥和緩釋長效肥料的施用，缺乏節水灌溉設施和技術指導，灌溉和施肥不合理，旱坡地氮肥損失大，最終導致高成本低收益的巨大反差[40-41]。

綜上，云南70%以上的甘蔗種植在旱坡地，蔗區自然降水時空分布不均，人工灌溉水資源極度缺乏，季節性干旱頻發，同時存在灌溉和施肥方案不合理等問題，在很大程度上制約了云南甘蔗產業的發展。在開遠、元江等半濕潤半干旱蔗區，年降水總量少，無法滿足甘蔗正常生長的需要，但對于德宏等濕潤蔗區，甘蔗生產限制因子不在于年降水總量，而在于自然降水季節分布不均、年際變率高，配套的栽培管理措施不完善等。因此，云南蔗區的甘蔗生產迫切需要因地制宜地進行人工播期調控和水氮管理優化，以適應多樣化的蔗區生態環境，提高氣候、土壤、水肥資源的利用效率。另外選擇高肥效、低殘留、作用時間長的有機肥和緩釋肥，并配合播期和水肥優化管理，有利于降低甘蔗種植成本、提高經濟效益，從而實現甘蔗綠色輕簡高產高效種植。利用作物模型工具綜合評估云南蔗區甘蔗品種的產量表現和水肥利用效率，幫助蔗農選擇最經濟和高效的種植管理策略是今后值得深入研究的課題。APSIM-Sugar模型在云南的研究才起步，基礎研究資料嚴重不足，而模型本身在分析甘蔗品種由于基因型遺傳差異與不同生態環境、不同管理措施互作（G×E×M）引起的產量和糖分變化差異等方面還不是很精確，相關模塊需要進一步完善。本研究由于試驗條件有限，也未能進行多個品種多年多點的大田水氮交互作用試驗驗證研究。因此，APSIM- Sugar模型要實現對甘蔗品種遺傳差異和G×E×M的精確模擬還需要更多更精細的試驗數據進行評估和改進。

4 結 論

APSIM-Sugar模型在云南德宏蔗區的適應性較好，模型能夠較準確的模擬當地甘蔗代表品種在典型播期下的蔗莖產量和含糖量變化趨勢，模擬結果的相對均方根誤差在10%以內，2大于0.9。播期調控和水氮優化對德宏蔗區的甘蔗生產影響顯著，雨養條件下采用春植或冬植有利于甘蔗穩產和水氮高效利用，春植蔗2月下旬播種，冬植蔗12月下旬播種，施用純氮60 kg/hm2，可獲得95～100 t/hm2的蔗莖產量（含糖量大于19%）。灌溉條件下采用秋植或春植有利于甘蔗高產和水氮高效利用，春植蔗2月下旬播種，施用純氮120 kg/hm2，配合伸長期灌水360 mm，可獲得近120 t/hm2的蔗莖產量（含糖量大于17%）；秋植蔗10月下旬播種，施用純氮180 kg/hm2，配合分蘗期和伸長期灌水720 mm，可獲得近170 t/hm2的蔗莖產量（含糖量大于18%）。

致謝 感謝美國專家David M. Burner博士對英文摘要的修改。

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Effects of sowing date, water and nitrogen coupling management on cane yield and sugar content in sugarcane region of Yunnan

Mao Jun1,2, Wang Jing1※, Huang Mingxia1, Lu Xin2, Dao Jingmei2, Zhang Yuebin2, Tao Lianan3, Yu Huaxian3

(1.100193,; 2.661699, China; 3.678600,)

Sugarcane is a staple sugar crop with a consistently large planting area in Dehong, a humid sugarcane region in Yunnan province, but data are lacking on the interaction effects of sowing date, water (rainfed and irrigated), and nitrogen management on sugarcane production. In this study, the suitability of APSIM-Sugar model (version 7.8) in a humid sugarcane region in Yunnan province was tested based on sequential sowing date experiments conducted at Ruili experimental station in Dehong. Sowing date experiments of sugarcane planting in winter were used for model calibration while sowing date experiments of sugarcane planting in spring were used for model validation. Genetic parameters for 2 sugarcane varieties YZ0551 and ROC22 were derived with trial-and-error method. Using the validated APSIM-Sugar model long-term simulation experiments were designed to evaluate the impacts of coupled sowing date, water and nitrogen management on sugarcane production in Yunnan. Three typical sowing dates were used for sugarcane planting in spring, summer, autumn and winter, i.e. February 20, March 20 and April 20 for sugarcane planting in spring, May 20, June 20 and July 20 for sugarcane planting in summer, August 20, September 20 and October 20 for sugarcane planting in autumn, November 20, December 20 and January 20 for sugarcane planting in winter. We compared different evaluation indices, such as sugarcane yield, sugar content, water, and nitrogen use efficiency, to determine optimal cultivation management options for rainfed and irrigated sugarcane production. The study results confirmed that the APSIM-Sugar model performed well in simulating sugarcane yield and sugar content with normalized root mean squared error (NRMSE) less than 10% and2more than 0.9. Suitable sowing date and optimal management of water-nitrogen could improve significantly sugarcane yield, sugar content, water use efficiency and nitrogen use efficiency in Yunnan Province. Sufficient base fertilizer and appropriate irrigation were the 2 key factors in ensuring high sugarcane yield. However, nitrogen use efficiency decreased significantly when nitrogen fertilizer was applied excessively. Especially under water limited conditions, increasing nitrogen application rate did not increase sugarcane yield, and even led to the decrease of cane yield and sugar content. Planting sugarcane under the suitable sowing date, the natural precipitation in a humid sugarcane production region could meet the water demand during seedling and maturity stages of sugarcane. Irrigation at tillering stage could improve significantly the yield of autumn and winter planting sugarcane while irrigation at elongation stage could be beneficial on the growth of sugarcane planting in spring, summer and autumn season. Water requirement of sugarcane during the whole growth period was generally 1 000-1 200 mm and therefore supplementary irrigation of 180-720 mm was needed for growth and development of sugarcane. Applying base fertilizer plus additional fertilizer could not improve sugarcane yield compared with applying base fertilizer only. Therefore, applying sufficient base fertilizer at sowing was conducive to cost-saving and efficiency-increasing. In order to ensure higher water-nitrogen use efficiency, the reasonable application amount of nitrogen fertilizer for rainfed sugarcane field was 60-120 kg/hm2, and that for irrigated sugarcane field was 120-180 kg/hm2. Under rainfed condition, planting in spring or winter would probably ensure stable sugarcane yield with high water use efficiency and agricultural efficiency of nitrogen. Simulations predicted sugarcane yields of about 95-100 t/hm2and 19% sugar if planted in late February or late December with 60 kg/hm2nitrogen and no irrigation. If irrigation was possible, sugarcane planted in spring or autumn would lead to high yield and high water use efficiency and agricultural efficiency of nitrogen. Simulations predicted sugarcane yields of about 120-170 t/hm2and 17%-18% sugar for planting in late February or late October with 120-180 kg/hm2nitrogen and 360-720 mm irrigation. These results provide supports for improving sugarcane high efficiency production and manage decision by optimizing sowing date, irrigation, and nitrogen management, especially in a humid sugarcane planting region of Yunnan.

irrigation; fertilizers; sowing; water and nitrogen coupling; APSIM-Sugar

2019-02-16

2019-07-10

國家自然科學基金項目（31860341）；國家重點基礎研究發展計劃（973計劃）項目（2013CB430205）資助

毛 鈞，博士生，副研究員，主要從事甘蔗種質資源利用與甘蔗生產系統模擬研究。Email：mj_raincat@163.com

王 靖，博士，副教授，博士生導師，主要從事農業生產系統模擬與氣候變化影響評估研究。Email：wangj@cau.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.16.015

S566.1; S274; S147.2

A

1002-6819(2019)-16-0134-11

毛 鈞，王 靖，黃明霞，陸 鑫，刀靜梅，張躍彬，桃聯安，俞華先. 云南蔗區播期與水氮耦合對甘蔗產量和糖分影響[J]. 農業工程學報，2019，35(16)：134－144. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.16.015 http://www.tcsae.org

Mao Jun, Wang Jing, Huang Mingxia, Lu Xin, Dao Jingmei, Zhang Yuebin, Tao Lianan, Yu Huaxian. Effects of sowing date, water and nitrogen coupling management on cane yield and sugar content in sugarcane region of Yunnan[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(16): 134－144. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.16.015 http://www.tcsae.org