國際上甘蔗栽培的研究進展

張躍彬，鄧 軍，楊紹林，樊 仙，李如丹，全怡吉

(云南省農業科學院甘蔗研究所，云南開遠661699)

0 引言

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

甘蔗是無性繁殖作物，生產上通常采用莖節作為種苗進行栽培。種苗的萌發包括種芽和種根的萌發，一般情況下，在溫度10℃時，甘蔗可以進行根系生長，在溫度達到13℃時，進行萌芽生長。由種苗直接萌發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而成的甘蔗稱為宿根蔗，根據栽培條件宿根年限不同。宿根蔗在甘蔗生產中占有重要的地位，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 80年代以來，中國在甘蔗生產上發展了一系列先進適宜的耕作技術，這些技術包括深耕整地[7]、地膜覆蓋[8]、配方施肥[9]、蔗葉還田[10]、節水灌溉[11]、健康種蔗[12]、化學催熟[13-14]等，使我國成為第3大制糖生產國[15-16]。

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

1 甘蔗水分研究進展

在甘蔗生長中，水是一個最重要的因素，據統計約有 30%的甘蔗產量是取決于合適的水分供應。在各種脅迫中，干旱與水分脅迫是甘蔗生產的主要障礙，嚴重影響甘蔗的生理生化活動和生長發育，當水分脅迫在15天內，生理生化觀察值便會出現輕微波動，當水分脅迫30天，則會出現較高的生理生化變化，植株內的 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，通過對株高、莖徑、地上部生物產量以及可溶性固形物和纖維含量等農藝性狀的研究，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械化種植，水分對甘蔗生產都有至關重要的作用，通過采用單行(1.0 m)和寬窄行(1.4和0.6 m)進行滴灌試驗，在2種行距下，水分都是甘蔗變量(葉面積指數、冠層高度、莖長和每平方米植株數)、生產變量的關鍵因素，甘蔗灌溉作物的鮮莖產量可達100.9 t/hm2，產糖量可達 17.8 t/hm2[19]。作為一種高需水量作物，在生產上，滴灌，特別是生長關鍵期灌溉，覆蓋保水等節水技術已顯示出良好的前景，在水資源不足的地區，根據水分條件進行節水灌溉，會在很大程度上維持甘蔗的生產力，提高單位面積甘蔗產量和糖分[20]。

2 甘蔗養分研究進展

甘蔗同其它綠色植物一樣，從外界吸取無機物質加以同化利用，形成有機物質，供給生長發育的需要。甘蔗生長必需的營養元素有碳、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，衡量某一種作物的需肥量通常以單位產量(如每噸)從土壤中所吸收的養分量作為指標，據研究，每噸原料甘蔗需從土壤中吸取養分是：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，生物產量一般高達10 t以上[21]，近年來，國外主要甘蔗生產國根據甘蔗生長量大、土壤肥力消耗大，且無條件進行輪作的情況，深入研究蔗地保肥、培肥技術，重點在蔗葉機械化粉碎還田和人工蔗葉還田技術上進行研究。據研究，商業雜交種的甘蔗收獲指數在 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做法是采用焚燒，不僅污染了空氣，還揮發大量的養分，至使散失氮1.32～2.17 t/hm2，降低產量38～77 t/hm2[22]。蔗葉不燃燒，直接進行還田影響著土壤有機質的動態變化，據研究，堅持蔗葉還田9年蔗地，與鄰近原生林區土壤相比，總有機碳(TOC)、輕有機物碳(CLOM)和顆粒有機碳(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層中總有機碳含量發現了輕微變化，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量的蔗葉還田對宿根 1年、2年再生的生長發育及生產力影響研究，通過在宿根蔗60、120、180、240和370天評估，證明蔗葉還田促進了宿根的發展，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、葉面積指數、莖徑和生產力較低，而保持 50%的秸稈覆蓋足以保障干旱下甘蔗生長，剩余的 50%可用于乙醇生產或發電，而不損害作物產量[24]。在促進甘蔗產量和品質上，通過不同蔗葉覆蓋量研究，對采用蔗葉50%和75%覆蓋的蔗地產量持平，但與不覆蓋或采用 25%的覆蓋量相比，產量提高了47%[25]。

3 甘蔗根系與生長研究進展

從甘蔗主產國的情況來看，新植甘蔗收獲后第2年宿根甘蔗的生理大衰退，甘蔗產量下降是甘蔗不能持續豐產的根本問題。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行的衰老生理比較，證實宿根甘蔗分蘗出現早且時間短，新植甘蔗分蘗期為120天，而宿根甘蔗則縮短至 60天，且分蘗苗死亡強度高達 50%[26]。巴西是世界最大的蔗糖生產國，近年來甘蔗年產量增長放緩，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對蔗糖產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增加，甘蔗總產量在不斷下降，不同氣候土壤區域下降速度和幅度不同，貧瘠土壤的產量下降速度更快[27]。研究表明，宿根甘蔗的持續豐產難于實現，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含量在生長期都發生了顯著變化，陽離子交換量、根膜透性和硝酸還原酶活性顯著下降，根系活力下降導致N、P、K吸收減少25%～35%，分蘗死亡率損失9%～10%，進入大生長期后，抑制了 27%同化器官的發育，最終導致生物產量減少 15.5%[28]。有研究表明，根系密度和根系長度是促進宿根甘蔗生長的關鍵指標，兩者決定了甘蔗養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，兩者呈函數關系，粗系密度(RBD)與根長密度(RLD)的擬合冪函數為RLD=21.3×RBD0.742(r2=0.85)[29]。綠色甘蔗可以顯著促進土壤有機質的提高，通過對常規耕作栽培和綠色甘蔗技術相比，綠色蔗區土壤碳含量高于傳統栽培，低于原生植被區，6年傳統耕作區在0.0～0.3 m土層碳儲量比6年生的綠色區低22%，比12年生未燃燒區低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 甘蔗持續豐產技術研究進展

在新植甘蔗收獲后，隨后第2年可以通過已有根系產生新植株，所以采用綠色技術提高甘蔗生產力和可持續性，是可行的選擇。通過采用綠色技術，不僅可以降低生產成本，改善土壤質量，提高甘蔗生產力，提高蔗糖生產力和農民收入[32]。

多年來，國際上主要甘蔗生產國的科研機構單位以水肥為突破口，以輕簡化保護性耕作技術為目標進行了甘蔗栽培研究。印度農業技術大學作物研究中心在坡地宿根甘蔗上，對不進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、莖徑和產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]。以綠色為基礎的環境友好型甘蔗生產系統，可促進根系細菌的多樣性，目前已從宿根蔗的根系中分離到135株內生細菌，包括放線菌，根據形態學和16S rRNA序列分析，內生菌共分為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育(SPAD)、氣孔導度、分蘗和產量參數的數據，結果表明，耕作對SPAD和氣孔導度沒有影響，在新植甘蔗上，常規耕作比免耕分蘗效果好，但在第2年宿根上，分蘗效果相反。甘蔗產量和產糖量在新植上差異不顯著，但免耕后第1年宿根中，甘蔗產量大于常規栽培和少耕法，在第2年宿根中，免耕和少耕的產量和產糖量均大于常規耕作，試驗表明，在佛羅里達州的一個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，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，生長參數包括發芽率、有效莖數、甘蔗產量最高，平均產量為 79.11 t/hm2，比其它時間收獲的高出10%～20%[37]。采用機械深松耕可以促進宿根生長及養分吸收，印度在潘納加爾邦邦特農業技術大學進行的田間試驗，研究了甘蔗和宿根作物對深松深預的響應，通過在3個重復的帶狀設計中，進行了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，隨著深松強度的增加，甘蔗和宿根作物的根冠生長、養分吸收和產量增加，其中1.0 m深松，顯著增加了根系生物量70.1 g/m3、地上部質量增加了40.9 t/hm2、單莖重達883.8 g、產量達102.0 t/hm2。深松與機械化宿根管理相結合，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%、有效莖數增加21.9%[38]。

5 國際上甘蔗持續豐產技術對我國甘蔗生產的啟示

5.1 借鑒國際技術研究應用綠色甘蔗生產

甘蔗收獲后，我國蔗區傳統做法是焚燒蔗葉，為復耕做準備。焚燒蔗葉危害大，不僅蔗葉焚燒時產生大量的有毒有害煙霧，污染環境空氣，人體吸入容易引發呼吸道疾病，而且蔗葉焚燒時容易引起森林火災。近年來，根據國家環境保護的需要，很多地方都出臺了禁止焚燒蔗葉的規定。根據國外從多的研究結果，科學利用蔗葉進行田間覆蓋，不僅可以保持土壤水分，提高土壤肥力，改善土壤理化性狀，從而促進甘蔗產量和品質的提升，具有重要的作用，為此我們借鑒國際經驗，開展甘蔗的綠色生產技術研究應用十分必要。

5.2 加大宿根根系促進技術研究

根據國際上的研究報道，甘蔗根系的衰退是影響宿根甘蔗單產最重要的因素，以蔗葉覆蓋還田的少耕和免耕栽培技術，對土壤的養分保蓄，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研究，延緩宿根甘蔗的早衰，促進我國甘蔗的持續增產。

5.3 加強輕簡高產高效技術研發

我國蔗區與國外蔗區一樣，甘蔗生產受水、肥的制約條件日益增大，近年來，隨著我國蔗區勞動力轉移，甘蔗主產蔗區用工成本在不斷增加，水肥關鍵因子和甘蔗生產勞動力成本高已成為我國甘蔗產業發展主要問題，綜合國際科研進展，我國的甘蔗栽培應針對解決抗旱、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，甘蔗控緩施肥和一次栽培施肥的全膜覆蓋技術來實現甘蔗生產的輕簡高效。