云南蔗區(qū)播期與水氮耦合對(duì)甘蔗產(chǎn)量和糖分影響

毛 鈞，王 靖，黃明霞，陸 鑫，刀靜梅，張躍彬，桃聯(lián)安，俞華先

云南蔗區(qū)播期與水氮耦合對(duì)甘蔗產(chǎn)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(lián)安3，俞華先3

（1. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100193；2. 云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院甘蔗研究所，開遠(yuǎn) 661699；3. 云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院甘蔗研究所瑞麗育種站，瑞麗 678600）

播期調(diào)控和水氮優(yōu)化管理是提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)的有效措施。德宏是云南甘蔗主產(chǎn)區(qū)之一，屬于典型的濕潤蔗區(qū)，然而播期和水氮管理對(duì)該區(qū)甘蔗生產(chǎn)的耦合效應(yīng)尚不明確。該文基于云南德宏蔗區(qū)瑞麗甘蔗試驗(yàn)站的大田分期播種試驗(yàn)數(shù)據(jù)評(píng)估了APSIM-Sugar（Agricultural Production Systems sIMulator-Sugar）模型的適應(yīng)性，并應(yīng)用驗(yàn)證后的模型進(jìn)行了播期和水氮耦合對(duì)甘蔗大田生產(chǎn)影響的情景模擬，通過比較不同耦合方式下的蔗莖產(chǎn)量、蔗莖含糖量、水分和氮肥利用效率等指標(biāo)差異，分析了云南德宏蔗區(qū)雨養(yǎng)和灌溉條件下的最優(yōu)播期和水氮管理耦合方案。結(jié)果表明：APSIM-Sugar模型能夠較準(zhǔn)確的模擬云南德宏蔗區(qū)甘蔗代表品種（ROC22和YZ0551）在典型播期下的蔗莖產(chǎn)量和含糖量變化趨勢，模擬相對(duì)均方根誤差在10%以內(nèi)，決定系數(shù)2大于0.9。播期調(diào)控和水氮優(yōu)化能夠?yàn)榈潞暾釁^(qū)的甘蔗生產(chǎn)提供積極影響，雨養(yǎng)條件下采用春植或冬植有利于甘蔗穩(wěn)產(chǎn)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(chǎn)和水氮高效利用。云南德宏等濕潤蔗區(qū)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)量（含糖量大于18%）。研究結(jié)果可為在云南濕潤蔗區(qū)進(jìn)行甘蔗生產(chǎn)的播期調(diào)控和水氮優(yōu)化提供依據(jù)，為甘蔗高產(chǎn)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(fēng)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(shí)空分布不均導(dǎo)致農(nóng)業(yè)干旱各月在不同地區(qū)均有可能發(fā)生，季節(jié)性干旱仍是制約農(nóng)作物生產(chǎn)的重要因素[1]。作為中國第2大甘蔗主產(chǎn)區(qū)，云南主要有8個(gè)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(chǎn)糖60萬t，是僅次于臨滄市的云南第2大蔗區(qū)。該蔗區(qū)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(qū)，但降水量各月分配不均，年際變率大；同時(shí)由于丘陵旱坡地植蔗面積大，灌溉設(shè)施不完善，70%以上的蔗地只能靠雨養(yǎng)，干旱減產(chǎn)問題突出，甘蔗生產(chǎn)穩(wěn)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(chǎn)均不同程度受到季節(jié)性干旱的影響，而播期調(diào)控和水氮優(yōu)化被認(rèn)為是降低季節(jié)性干旱影響的有效措施[5-7]。

有學(xué)者通過大田試驗(yàn)研究分析了德宏蔗區(qū)播期和水氮管理對(duì)甘蔗產(chǎn)量的影響[8-9]，但多為2～3 a的春植或冬植試驗(yàn)，較窄的播期范圍和較短的試驗(yàn)?zāi)晗逕o法充分反應(yīng)播期、灌溉和施氮措施對(duì)甘蔗生產(chǎn)的長期影響和耦合效應(yīng)。作物生長模型由于可以系統(tǒng)模擬氣候、土壤和栽培管理等因素對(duì)作物生長發(fā)育和產(chǎn)量形成過程的影響，已被廣泛應(yīng)用于分析播期和水肥管理對(duì)小麥、玉米和油菜等作物產(chǎn)量的影響[10-17]。國外學(xué)者較早在甘蔗生長模型構(gòu)建和應(yīng)用方面開展了大量研究，自1991年至今已開發(fā)出AUSCANE、CANEGRO、QCANE和APSIM-Sugar（Agricultural Production Systems sIMulator-Sugar）等多個(gè)甘蔗生長模型，其中APSIM-Sugar是目前開發(fā)較為完善、使用范圍較廣的甘蔗生長模型，構(gòu)建該模型的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)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(gè)國家，模型應(yīng)用范圍涵蓋了最適播期選擇、生態(tài)適應(yīng)性品種選育、土壤水分和氮素循環(huán)等方面[18-24]。國內(nèi)目前尚沒有自主開發(fā)的甘蔗生長模型，對(duì)國外甘蔗生長模型的本地化應(yīng)用研究也起步較晚，近年來才開始在主產(chǎn)蔗區(qū)對(duì)APSIM-Sugar等模型進(jìn)行適應(yīng)性評(píng)估[25-28]，并在播期調(diào)控、土壤氮素變化、氣候變化影響、潛在產(chǎn)量和產(chǎn)量差等方面開展了初步研究[29-31]，但尚未系統(tǒng)分析播期和水氮耦合對(duì)甘蔗生產(chǎn)的影響。因此，本研究基于云南德宏州瑞麗甘蔗試驗(yàn)站2014—2016年的大田分期播種試驗(yàn)數(shù)據(jù)，首先對(duì)APSIM-Sugar模型進(jìn)行適應(yīng)性評(píng)價(jià)，然后應(yīng)用驗(yàn)證后的模型分析播期和水氮耦合對(duì)甘蔗大田生產(chǎn)的影響，探討不同種植模式下適宜的播期和水氮優(yōu)化管理方案，為云南濕潤蔗區(qū)的甘蔗高產(chǎn)高效種植提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究蔗區(qū)氣候條件

云南德宏蔗區(qū)（24°～25°N，97°～99°E）甘蔗主產(chǎn)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(qū)。全區(qū)年均溫18～21 ℃，年均降水量1 400～1 800 mm，相對(duì)濕度在80%左右，日照時(shí)數(shù)2 100～2 300 h，蒸發(fā)量大于降水量，季節(jié)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(qū)屬于典型濕潤蔗區(qū)，年降水是開遠(yuǎn)、元江等半濕潤半干旱蔗區(qū)的2～4倍，但年際變異較大（降水總量年際變異系數(shù)大于17%）且季節(jié)性分配不均（圖1）。5—10月為濕季，降雨量高達(dá)120～360 mm，累計(jì)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(jì)占全年降水量的12%。本研究選擇瑞麗甘蔗試驗(yàn)站進(jìn)行分期播種試驗(yàn)，該站點(diǎn)的氣候和土壤特征能代表當(dāng)?shù)氐湫偷母收岽筇锷a(chǎn)環(huán)境。

表1 云南德宏蔗區(qū)氣候特征

注：MT，年均溫；RH，年均相對(duì)濕度。

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

1.2 試驗(yàn)材料與資料來源

參試甘蔗品種為云蔗0551（YZ0551）和對(duì)照品種新臺(tái)糖22號(hào)（ROC22），選取無病蟲害的健康種苗按常規(guī)方法布置試驗(yàn)。各站點(diǎn)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(nóng)業(yè)科學(xué)院甘蔗研究所氣象數(shù)據(jù)庫，主要包括日最高氣溫、日最低氣溫、日降水量和日照時(shí)數(shù)。土壤樣品采自德宏瑞麗甘蔗試驗(yàn)站蔗田土壤，基礎(chǔ)物理數(shù)據(jù)如表2所示。

圖1 云南德宏蔗區(qū)降雨量分布

表2 大田試驗(yàn)土壤基礎(chǔ)物理參數(shù)

日總輻射采用Angstrom公式由日照時(shí)數(shù)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(shí)數(shù)，h；為日長，h。

1.3 研究方法

1.3.1 甘蔗大田分期播種試驗(yàn)

大田分期播種試驗(yàn)于2014年12月—2016年3月在瑞麗甘蔗試驗(yàn)站進(jìn)行，品種為ROC22和YZ0551，每個(gè)品種種植3個(gè)重復(fù)小區(qū)，每小區(qū)2行，行長1.5 m，行距1 m，下種量20芽/行。其中冬植試驗(yàn)分別于2014年12月20日和2015年1月20日播種，播種當(dāng)日施尿素基肥175 kg/hm2（約折合純氮80 kg/hm2），微噴設(shè)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(jìn)行補(bǔ)充灌水，2016年3月15日收獲測產(chǎn)；春植試驗(yàn)分別于2015年2月20日和2015年3月20日種植，播種當(dāng)日施尿素基肥175 kg/hm2（約合純氮80 kg/hm2），微噴設(shè)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(shè)施補(bǔ)充灌水90～180 mm，2016年3月15日收獲測產(chǎn)。

1.3.2 APSIM-Sugar模型及其參數(shù)化

APSIM是由澳大利亞聯(lián)邦科工組織和昆士蘭州政府農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)研究小組聯(lián)合開發(fā)研制的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)模型。該模型采取“插拔”式設(shè)計(jì)構(gòu)建高度獨(dú)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(jìn)行不同作物品種生長發(fā)育、氣候變化影響、水氮限制、產(chǎn)量、品質(zhì)預(yù)測和生產(chǎn)決策等系統(tǒng)研究，已在世界各國得到廣泛應(yīng)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(dòng)態(tài)模擬甘蔗生長發(fā)育及土壤水分和氮素循環(huán)等過程[26]。APSIM-Sugar模型運(yùn)行前需要進(jìn)行氣象、土壤、管理和甘蔗品種參數(shù)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的輸入。模型運(yùn)行以日為時(shí)間步長，其中逐日氣象數(shù)據(jù)包括最高氣溫（℃）、最低氣溫（℃）、降水量（mm）和總輻射（MJ/(m2·d)）；土壤數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)包括播種日期、種植密度（株/m2）、生長日數(shù)（d）、灌溉時(shí)間和灌溉量（mm）以及施肥時(shí)間和施肥量（kg/hm2）等。模型關(guān)鍵輸出數(shù)據(jù)包括甘蔗生長期、蔗莖產(chǎn)量（t/hm2）和蔗莖含糖量（%）等。

APSIM模型中，土壤水氮變化和作物對(duì)土壤水氮的吸收轉(zhuǎn)化是通過土壤水模塊（SoilWater）和土壤氮模塊（SoilN）來進(jìn)行模擬和耦合的。SoilWater模塊對(duì)土壤-作物系統(tǒng)蒸散的模擬主要包括土壤蒸發(fā)（evaporation）和植物蒸騰（transportation）2個(gè)過程；SoilN模塊可模擬土壤中碳素和氮素的動(dòng)態(tài)變化，包括碳氮轉(zhuǎn)運(yùn)、有機(jī)質(zhì)分解、硝化、反硝化、尿素水解等物理和化學(xué)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(shù)、氣象資料、土壤數(shù)據(jù)和水氮管理措施等進(jìn)行動(dòng)態(tài)耦合，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)基因、環(huán)境和管理（G×E×M）互作效應(yīng)的模擬[21-30]。

本研究中APSIM-Sugar模型調(diào)參驗(yàn)證所需的氣象、土壤數(shù)據(jù)為瑞麗甘蔗試驗(yàn)站氣象日值數(shù)據(jù)和大田土壤抽樣分析數(shù)據(jù)；水氮管理數(shù)據(jù)根據(jù)田間實(shí)際灌水和施氮措施進(jìn)行設(shè)定；YZ0551品種參數(shù)是基于前期研究建立的ROC22品種遺傳參數(shù)[27]采用試錯(cuò)法進(jìn)行調(diào)參驗(yàn)證后獲得，其中冬植播期試驗(yàn)用于調(diào)參，春植播期試驗(yàn)用于驗(yàn)證。情景模擬研究中，模型模擬的雨養(yǎng)產(chǎn)量為在無任何補(bǔ)充灌溉，完全依靠自然降水條件下獲得的蔗莖產(chǎn)量；灌溉產(chǎn)量為在人工補(bǔ)充或模型自動(dòng)灌溉條件下獲得的蔗莖產(chǎn)量。不同播期和水氮耦合情景下的甘蔗雨養(yǎng)產(chǎn)量和灌溉產(chǎn)量均采用APSIM-Sugar模型7.8版本進(jìn)行模擬。部分情景模擬中使用到自動(dòng)灌溉模式，具體設(shè)定方法為：在APSIM-Sugar模型的Irrigation模塊中進(jìn)行如下設(shè)置，將Automatic irrigation選項(xiàng)設(shè)置為on，將Depth選項(xiàng)值設(shè)定為1 000（mm），將Fraction of ASW選項(xiàng)值設(shè)定為1，即當(dāng)土壤田持低于100%時(shí)進(jìn)行自動(dòng)灌溉，灌溉量為0～100 cm土層達(dá)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(jù)氮肥類型、施氮量和施氮時(shí)間進(jìn)行相關(guān)參數(shù)設(shè)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(shè)定為80 mm。此外，為避免長期模擬后土壤初始水氮參數(shù)差異過大，需添加Reset on sowing模塊，在每年甘蔗新植時(shí)進(jìn)行土壤水氮參數(shù)的重置。

1.3.3 模型評(píng)價(jià)指標(biāo)

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(duì)均方根誤差（normalized root mean squared error，NRMSE）和決定系數(shù)（2）進(jìn)行評(píng)價(jià)[11-17]。 RMSE和NRMSE 反映模擬值與實(shí)測值之間的絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差，其值越小，說明模擬值與實(shí)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(chǎn)高效種植管理方案的評(píng)價(jià)指標(biāo)

用于評(píng)價(jià)和篩選甘蔗高產(chǎn)高效種植管理方案的產(chǎn)量、品質(zhì)和效率指標(biāo)包括：蔗莖產(chǎn)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(nóng)學(xué)利用效率（agricultural efficiency of nitrogen，AEN，kg/kg）、產(chǎn)量距平百分率（yield anomaly percentage，YAP，%）和產(chǎn)量年際變率（coefficient of variation，CV，%）等，其中蔗莖產(chǎn)量和蔗莖含糖量為模型輸出變量，其他指標(biāo)的計(jì)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(chǎn)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(tǒng)一比較不同播期和水氮條件組合，以當(dāng)?shù)氐湫筒テ冢ù褐玻?、土壤（赤紅壤）和無水肥優(yōu)化條件下的平均雨養(yǎng)產(chǎn)量45 t/hm2為基準(zhǔn)產(chǎn)量（TCH_base），以中國主產(chǎn)蔗區(qū)甘蔗生產(chǎn)平均產(chǎn)量75 t/hm2為目標(biāo)產(chǎn)量（TCH_aim）；SD（Standard deviation）為各年份蔗莖產(chǎn)量標(biāo)準(zhǔn)差；TCH_avg為各年份蔗莖產(chǎn)量平均值。

1.3.5 播期和水氮耦合情景設(shè)定

選擇1981—2010年作為長期模擬時(shí)段，基于驗(yàn)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(chǎn)量變化，通過上述指標(biāo)的綜合評(píng)價(jià)確定適合當(dāng)?shù)卣釁^(qū)的甘蔗高產(chǎn)高效栽培管理模式。播期和水氮耦合情景模擬統(tǒng)一采用當(dāng)?shù)卮砥贩NYZ0551的遺傳參數(shù)和代表站點(diǎn)瑞麗甘蔗育種站的氣象資料和土壤參數(shù)。

播期情景設(shè)定與最優(yōu)播期選擇：根據(jù)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(jù)播種時(shí)間、當(dāng)?shù)靥菑S開榨時(shí)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(duì)不同季節(jié)播種的甘蔗生長期進(jìn)行設(shè)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(shí)考慮到甘蔗整個(gè)生長期較長而相對(duì)較短的播期差異對(duì)甘蔗生產(chǎn)影響并不大，故選擇當(dāng)?shù)亓?xí)慣播種日每月20號(hào)為統(tǒng)一的典型播期，在春夏秋冬4個(gè)播種季各設(shè)3個(gè)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(gè)播種季合計(jì)12個(gè)播期，每個(gè)播期均在收獲后當(dāng)年或次年相同播期重新種植，不留宿根。在模擬時(shí)段內(nèi)，春夏冬3季種植的甘蔗生長期相對(duì)較短，可獲得29組產(chǎn)量數(shù)據(jù)；秋植蔗生長期較長，僅獲得14組產(chǎn)量數(shù)據(jù)。在氮肥充足條件下，通過計(jì)算代表站點(diǎn)瑞麗1981—2010年各月分期播種模擬情景下的雨養(yǎng)蔗莖產(chǎn)量和水氮利用效率等指標(biāo)來篩選不同播種季的最優(yōu)播期。

灌溉量、施氮量設(shè)定及高產(chǎn)高效種植方案篩選：根據(jù)前人研究[36-40]設(shè)定不同的甘蔗大田生產(chǎn)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(chǎn)量確定最優(yōu)施氮量范圍；在無養(yǎng)分脅迫條件下模擬不同播期的蔗莖產(chǎn)量確定最優(yōu)灌溉量范圍；然后將優(yōu)選播期和水氮管理方案進(jìn)行耦合情景模擬，基于1.3.4中的評(píng)價(jià)指標(biāo)篩選甘蔗高產(chǎn)高效種植方案。

2 結(jié)果與分析

2.1 APSIM-Sugar模型適應(yīng)性評(píng)價(jià)結(jié)果

基于瑞麗站播期試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)APSIM-Sugar模型進(jìn)行調(diào)參和驗(yàn)證獲得甘蔗品種ROC22和YZ0551的遺傳參數(shù)見表3。2個(gè)品種的蒸騰效率系數(shù)transp_eff_cf、輻射利用效率rue和最大綠葉數(shù)green_leaf_no相同，有差異的參數(shù)包括出苗到拔節(jié)所需的有效積溫tt_emerg_to_ begcane、蔗莖干物質(zhì)分配系數(shù)cane_fraction、蔗莖糖分分配系數(shù)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(duì)于ROC22，葉片序數(shù)為1、20、24時(shí)最大葉面積為1 500、55 000、60 000 mm2；對(duì)于YZ0551，葉片序數(shù)為1、20、24時(shí)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(shù)

產(chǎn)量模擬結(jié)果顯示，調(diào)參試驗(yàn)（冬植，圖2a）蔗莖產(chǎn)量的RMSE為5.1 t/hm2，NRMSE小于5%，擬合度高（2=0.992）；驗(yàn)證試驗(yàn)（春植，圖2b）蔗莖產(chǎn)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(jié)果表明APSIM-Sugar模型能夠較好地模擬2個(gè)甘蔗品種（ROC22和YZ0551）在典型播期下蔗莖產(chǎn)量的變化趨勢。

注：c和d圖中不同小寫字母表示差異達(dá)到0.05顯著水平。

糖分模擬結(jié)果顯示（圖2c和圖2d），無論調(diào)參還是驗(yàn)證試驗(yàn)，相同品種的蔗莖含糖量模擬值均與實(shí)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?？傮w上看，APSIM-Sugar模型能夠較好模擬這2個(gè)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(jié)果中，冬植蔗含糖量模擬值略高于實(shí)測值，春植蔗含糖量的模擬值略低于實(shí)測值，而無論春植還是冬植，蔗莖產(chǎn)量模擬值都相對(duì)穩(wěn)定地略低于實(shí)測值，因此糖分模擬結(jié)果的不確定性較產(chǎn)量要大。

2.2 播期對(duì)甘蔗大田生產(chǎn)的影響

在雨養(yǎng)且氮肥充足（施氮量480 kg/hm2）條件下進(jìn)行的多年播期模擬試驗(yàn)結(jié)果見表4。從平均值上看，秋植蔗的蔗莖產(chǎn)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(chǎn)效果最明顯，蔗莖產(chǎn)量年際變率較?。?7.49%）；春植和冬植蔗的蔗莖產(chǎn)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(chǎn)量年際變率最?。?3.3%）；夏植蔗產(chǎn)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(chǎn)量年際變率最大（21.83%）。

就各播種季而言，在雨養(yǎng)且氮肥充足條件下，秋植蔗在10月下旬播種最佳，蔗莖產(chǎn)量、含糖量和水氮利用效率等指標(biāo)均可達(dá)到較高水平，且蔗莖產(chǎn)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(chǎn)量均超過100 t/hm2，與秋植蔗相當(dāng)，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(chǎn)量年際變率低（8%～12%）；夏植蔗在5月下旬播種相對(duì)較好，可獲得56.71 t/hm2的蔗莖產(chǎn)量和12.67%的含糖量，但仍較目標(biāo)產(chǎn)量減產(chǎn)24%，且水氮利用效率低，產(chǎn)量年際變率高。綜上，在同一播種季下，有利于甘蔗穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)和水氮高效利用的最優(yōu)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(chǎn)模擬結(jié)果

注：由于有些情景下施肥后的蔗莖產(chǎn)量低于基準(zhǔn)產(chǎn)量（45 t·hm-2），其氮肥利用效率為負(fù)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(duì)甘蔗大田生產(chǎn)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(duì)甘蔗大田生產(chǎn)的影響（圖3）。結(jié)果顯示：蔗莖產(chǎn)量隨施氮量的增加而增加，但達(dá)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(dá)到最高蔗莖產(chǎn)量水平（123、70和117 t/hm2），秋植蔗需180～240 kg/hm2的施氮量才能達(dá)到最高產(chǎn)量水平（188 t/hm2）。當(dāng)施氮量超過240 kg后，產(chǎn)量曲線基本保持水平。施氮方式基肥+追肥的平均蔗莖產(chǎn)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(chǎn)量變化曲線基本一致。

圖3 不同播種處理下施氮方式對(duì)蔗莖產(chǎn)量的影響

2.4 灌溉量與灌溉時(shí)期對(duì)甘蔗大田生產(chǎn)的影響

利用APSIM-Sugar模型進(jìn)行自動(dòng)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(chǎn)所需的灌溉量范圍（圖4）。結(jié)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(chǎn)量可達(dá)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(chǎn)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(chǎn)量可達(dá)140 t/hm2。根據(jù)上述結(jié)果設(shè)計(jì)灌溉時(shí)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(duì)蔗莖產(chǎn)量的影響

表5 灌溉情景模擬方案及對(duì)應(yīng)模擬產(chǎn)量

注：產(chǎn)量后不同字母代表差異達(dá)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(shí)期對(duì)甘蔗生產(chǎn)的影響，結(jié)果見表5。從蔗莖產(chǎn)量上看，春植、夏植蔗在伸長期分別灌水360和180 mm可達(dá)到最高產(chǎn)量水平，即該方案下的蔗莖產(chǎn)量較雨養(yǎng)產(chǎn)量顯著提升且與全期定額灌溉和100%田持灌溉產(chǎn)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(dá)到最高產(chǎn)量水平；而秋植蔗在某個(gè)時(shí)期單次灌水均無法達(dá)到最高產(chǎn)量水平，其中分蘗期和伸長期灌水的增產(chǎn)效應(yīng)最顯著，分別較雨養(yǎng)平均增產(chǎn)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(shí)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(yǎng)>100%田持灌溉。

2.5 播期與水氮優(yōu)化管理耦合篩選甘蔗高產(chǎn)高效種植方案

根據(jù)以上研究結(jié)果，優(yōu)選4個(gè)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(yǎng)、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(jìn)行耦合情景模擬計(jì)算，篩選甘蔗高產(chǎn)高效種植方案。雨養(yǎng)條件下的甘蔗生產(chǎn)效率如圖5所示：在雨養(yǎng)條件下，蔗莖產(chǎn)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(xiàn)下降趨勢，平均蔗莖產(chǎn)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(dá)到最高（>19%），且產(chǎn)量也較高（45～110 t/hm2）；當(dāng)施氮量為120～240 kg/hm2時(shí)，蔗莖產(chǎn)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(nèi)均具有較高的含糖量（>18%），但蔗莖產(chǎn)量較春植和冬植低（35～100 t/hm2）；當(dāng)施氮量為180～240 kg/hm2時(shí)，秋植蔗雨養(yǎng)產(chǎn)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(chǎn)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(dá)到較高的水分利用效率（>3 kg/m3）；施氮量在60 kg/hm2時(shí)，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(dāng)?shù)乃?，但仍顯著高于夏植蔗。

圖5 不同施氮水平下雨養(yǎng)甘蔗的生產(chǎn)效率

節(jié)水灌溉條件下的甘蔗產(chǎn)量和糖分變化如圖6和圖7所示：在灌溉條件下，同樣呈現(xiàn)蔗莖產(chǎn)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(yǎng)條件平均蔗莖產(chǎn)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(chǎn)量，且含糖量在17%以上。冬植蔗不同時(shí)期灌水的產(chǎn)量變異幅度較小，但分蘗期灌水的水分利用效率相對(duì)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(chǎn)量和18%以上的含糖量。夏植蔗灌溉條件下的蔗莖產(chǎn)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(duì)蔗莖產(chǎn)量的影響

圖7 灌溉條件下播期與水氮管理耦合對(duì)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(chǎn)量、含糖量、水肥利用效率等，根據(jù)灌溉量和施氮量少，蔗莖產(chǎn)量、含糖量和水氮利用效率高，產(chǎn)量距平百分率>25%且產(chǎn)量年際變率<10%的原則，分別篩選出雨養(yǎng)和節(jié)水灌溉條件下甘蔗高產(chǎn)高效種植管理優(yōu)化方案（表6）。除夏植蔗雨養(yǎng)產(chǎn)量低于平均目標(biāo)產(chǎn)量24.52%，產(chǎn)量年際變率超過14%，達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)外，其余3個(gè)播期的旱地雨養(yǎng)水氮管理優(yōu)化方案均可滿足甘蔗高產(chǎn)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(chǎn)量年際變率也較低。表6顯示，夏植蔗灌溉產(chǎn)量仍然低于平均目標(biāo)產(chǎn)量13.36%，產(chǎn)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(chǎn)量和水氮利用效率較高，產(chǎn)量年際變率較小，而冬植蔗水氮需求較少，但蔗莖產(chǎn)量和水氮利用效率較低，產(chǎn)量年際變率較高。為兼顧甘蔗高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)和水氮高效利用，旱地雨養(yǎng)甘蔗推薦采用春植（2月下旬）或冬植（12月下旬），播種時(shí)施用純氮60 kg/hm2，可獲得95～100 t/hm2的蔗莖產(chǎn)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(shí)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(chǎn)量（含糖量大于17%）；秋植蔗播種時(shí)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(chǎn)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(huán)境和管理（G×E×M）互作效應(yīng)分析的需要。在甘蔗上，國外學(xué)者已對(duì)APSIM-Sugar模型進(jìn)行了包括水氮交互試驗(yàn)在內(nèi)的大量田間試驗(yàn)驗(yàn)證[21-24]，國內(nèi)學(xué)者也在云南和廣西等主產(chǎn)蔗區(qū)對(duì)APSIM-Sugar模型進(jìn)行了品種、播期和水氮管理等方面的適應(yīng)性評(píng)價(jià)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(qū)代表站點(diǎn)開遠(yuǎn)和元江站開展過水分脅迫影響甘蔗生長發(fā)育和產(chǎn)量的APSIM-Sugar模型驗(yàn)證[27]，本研究又進(jìn)一步在云南濕潤蔗區(qū)瑞麗站進(jìn)行了分期播種試驗(yàn)的模型驗(yàn)證，上述3個(gè)站點(diǎn)的氣候和水氮管理存在顯著差異，但產(chǎn)量模擬結(jié)果均比較理想，這些顯著差異氣候和管理?xiàng)l件下的大田試驗(yàn)數(shù)據(jù)大大提高了APISM模型調(diào)參驗(yàn)證結(jié)果的有效性。因此，盡管甘蔗大田水氮交互試驗(yàn)驗(yàn)證數(shù)據(jù)有限，但只要能夠提供準(zhǔn)確的氣象資料、土壤參數(shù)、甘蔗品種遺傳參數(shù)、播種期、收獲期和水氮管理等輸入數(shù)據(jù)，基本能夠保證正常范圍內(nèi)水氮耦合情景模擬結(jié)果的可信度。另外在本研究播期和水氮耦合情景設(shè)計(jì)中，充分考慮了不同播期、不同灌溉時(shí)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(shù)的合理取值和優(yōu)化組合來實(shí)現(xiàn)對(duì)甘蔗水氮耦合效應(yīng)的模擬。

最終的模型模擬分析結(jié)果顯示，適宜的播期調(diào)控和水氮優(yōu)化管理可顯著提高云南濕潤蔗區(qū)的甘蔗產(chǎn)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(chǎn)的關(guān)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(chǎn)量，甚至還會(huì)導(dǎo)致蔗莖產(chǎn)量和含糖量的下降。從播期上看，旱地雨養(yǎng)條件下宜采用春植或冬植，有利于甘蔗穩(wěn)產(chǎn)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(chǎn)和水氮高效利用。從灌溉時(shí)期上看，在適宜的播期下，濕潤蔗區(qū)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(jìn)行適量灌溉即可；分蘗期灌溉對(duì)秋植和冬植蔗產(chǎn)量提升作用顯著；伸長期灌溉對(duì)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(qū)除去有效降水外，180～720 mm的補(bǔ)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(chǎn)量與施基肥差異不顯著，故一次性施用足量基肥，有利于節(jié)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(yàn)中適當(dāng)減少化肥施用量及調(diào)整氮、磷、鉀肥配比，可提高肥料利用率及甘蔗產(chǎn)量；而施用有機(jī)肥、控釋肥能改善土壤理化性狀，增強(qiáng)肥效并保證持續(xù)穩(wěn)定的營養(yǎng)供給，既能減少施肥數(shù)量和次數(shù)，又能滿足甘蔗整個(gè)生長期的養(yǎng)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(chǎn)量高，而在施用緩釋肥的研究[41]中發(fā)現(xiàn)，一次性施用等價(jià)值的緩釋肥作為基肥處理，較蔗農(nóng)習(xí)慣施肥對(duì)照處理（普通化肥，基肥+追肥）增產(chǎn)差異不明顯，但由于施肥成本大幅降低，蔗農(nóng)實(shí)際增收47%。本研究也發(fā)現(xiàn)在總施氮量相同的情況下，只施基肥的模擬結(jié)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(shù)設(shè)定，尿素屬緩釋型肥料，含氮量和肥效較高，研究站點(diǎn)試驗(yàn)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(duì)較大，水氮利用率的初始值相對(duì)較高。同時(shí)在每年甘蔗新植時(shí)進(jìn)行了土壤水氮參數(shù)的重置，以避免長期模擬后土壤初始水氮參數(shù)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(yīng)。

盡管本研究中甘蔗高產(chǎn)高效種植管理優(yōu)化方案均是通過APSIM-Sugar模型模擬得出的，但模擬結(jié)果基本符合當(dāng)?shù)馗收岣弋a(chǎn)大田的生產(chǎn)實(shí)際情況。雨養(yǎng)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(fā)量變化曲線與當(dāng)?shù)刈匀唤邓壳€比較吻合：苗期耗水量小，僅靠少量降水就能保證出苗，進(jìn)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(yǎng)條件限制，中后期有效降水量不足，有效分蘗數(shù)和最終成莖數(shù)不會(huì)太多，無需施用過多的氮肥。因此在此時(shí)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(wěn)定的雨養(yǎng)產(chǎn)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(duì)較高，基本出苗量、出苗速度和有效分蘗數(shù)較12月下旬播種的冬植蔗要高，因此在伸長期進(jìn)行適量人工補(bǔ)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(chǎn)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(jìn)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(chǎn)量和最優(yōu)水氮利用效率。

模擬結(jié)果與實(shí)際生產(chǎn)差異較大的是氮肥施用量，模擬優(yōu)化結(jié)果中最優(yōu)施氮量為60～180 kg/hm2，與巴西等國的常規(guī)用量相當(dāng)[42]，明顯低于中國甘蔗大田生產(chǎn)習(xí)慣用量200～400 kg/hm2。大田試驗(yàn)研究結(jié)果表明中國甘蔗生產(chǎn)長期缺乏專業(yè)理論指導(dǎo)和技術(shù)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(chǎn)量和蔗農(nóng)收益并未得到相應(yīng)提高[36-37]。國內(nèi)甘蔗生產(chǎn)施氮量過高的原因主要包括：蔗區(qū)土壤相對(duì)貧瘠，土壤有機(jī)質(zhì)含量低，傳統(tǒng)化肥的有效成分含量和肥效較低，不重視有機(jī)肥和緩釋長效肥料的施用，缺乏節(jié)水灌溉設(shè)施和技術(shù)指導(dǎo)，灌溉和施肥不合理，旱坡地氮肥損失大，最終導(dǎo)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(qū)自然降水時(shí)空分布不均，人工灌溉水資源極度缺乏，季節(jié)性干旱頻發(fā)，同時(shí)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(chǎn)業(yè)的發(fā)展。在開遠(yuǎn)、元江等半濕潤半干旱蔗區(qū)，年降水總量少，無法滿足甘蔗正常生長的需要，但對(duì)于德宏等濕潤蔗區(qū)，甘蔗生產(chǎn)限制因子不在于年降水總量，而在于自然降水季節(jié)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(qū)的甘蔗生產(chǎn)迫切需要因地制宜地進(jìn)行人工播期調(diào)控和水氮管理優(yōu)化，以適應(yīng)多樣化的蔗區(qū)生態(tài)環(huán)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(shí)間長的有機(jī)肥和緩釋肥，并配合播期和水肥優(yōu)化管理，有利于降低甘蔗種植成本、提高經(jīng)濟(jì)效益，從而實(shí)現(xiàn)甘蔗綠色輕簡高產(chǎn)高效種植。利用作物模型工具綜合評(píng)估云南蔗區(qū)甘蔗品種的產(chǎn)量表現(xiàn)和水肥利用效率，幫助蔗農(nóng)選擇最經(jīng)濟(jì)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(chǔ)研究資料嚴(yán)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(tài)環(huán)境、不同管理措施互作（G×E×M）引起的產(chǎn)量和糖分變化差異等方面還不是很精確，相關(guān)模塊需要進(jìn)一步完善。本研究由于試驗(yàn)條件有限，也未能進(jìn)行多個(gè)品種多年多點(diǎn)的大田水氮交互作用試驗(yàn)驗(yàn)證研究。因此，APSIM- Sugar模型要實(shí)現(xiàn)對(duì)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(xì)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估和改進(jìn)。

4 結(jié) 論

APSIM-Sugar模型在云南德宏蔗區(qū)的適應(yīng)性較好，模型能夠較準(zhǔn)確的模擬當(dāng)?shù)馗收岽砥贩N在典型播期下的蔗莖產(chǎn)量和含糖量變化趨勢，模擬結(jié)果的相對(duì)均方根誤差在10%以內(nèi)，2大于0.9。播期調(diào)控和水氮優(yōu)化對(duì)德宏蔗區(qū)的甘蔗生產(chǎn)影響顯著，雨養(yǎng)條件下采用春植或冬植有利于甘蔗穩(wěn)產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)量（含糖量大于18%）。

致謝 感謝美國專家David M. Burner博士對(duì)英文摘要的修改。

[1] 于璐.云南地區(qū)季節(jié)性干旱特征分析[J]. 農(nóng)業(yè)與技術(shù)，2018，38(7)：149－150. Yu Lu. Analysis of seasonal drought characteristics in Yunnan[J]. Agriculture and Technology, 2018, 38(7): 149－150. (in Chinese with English abstract)

[2] 張躍彬. 中國蔗糖產(chǎn)業(yè)化發(fā)展現(xiàn)狀與分析[J]. 甘蔗糖業(yè)，2004(5)：49－53. Zhang Yuebin. Current situation analysis of sugar industrialization in China[J]. Sugarcane and Canesugar, 2004(5): 49－53. (in Chinese with English abstract)

[3] 楊洪昌，范源洪，吳才文，等.德宏州甘蔗高產(chǎn)潛力分析[J]. 甘蔗糖業(yè)，2007(1)：13－15. Yang Hongchang, Fan Yuanhong, Wu Chaiwen, et al. Analysis of high yield potential of sugarcane in Dehong[J]. Sugarcane and Canesugar, 2007(1): 13－15. (in Chinese with English abstract)

[4] 吳世模. 云南潞西縣發(fā)展旱地甘蔗生產(chǎn)的技術(shù)措施[J]. 甘蔗糖業(yè)，1994(5)：23－25. Wu Shimo. Technical measures for the development of dryland sugarcane production in Luxi, Yunnan province[J]. Sugarcane and Canesugar, 1994(5): 23－25. (in Chinese with English abstract)

[5] 楊俊華，閆信會(huì)，唐李軍，等. 德宏州氣候條件與小麥生產(chǎn)[J]. 云南農(nóng)業(yè)科技，2008(S3)：54－56. Yang Junhua, Yan Xinhui, Tang Lijun, et al. Climatic conditions and wheat production in Dehong[J]. Yunnan Agricultural Science and Technology, 2008(S3): 54－56. (in Chinese with English abstract)

[6] 楊光琴，張永港，楊清輝，等. 云南德宏蔗區(qū)旱地甘蔗適宜植期研究[J]. 中國糖料，2013(3): 30－31，34. Yang Guangqin, Zhang Yonggang, Yang Qinghui, et al. A study of suitable planting period of sugarcane in Yunnan Dehong area[J]. Sugar Crops of China, 2013(3): 30－31, 34. (in Chinese with English abstract)

[7] 張永港，楊光琴，藺喬仙，等. 德宏州蔗糖產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究[J]. 中國糖料，2016，38(3)：68－71. Zhang Yonggang, Yang Guangqin, Lin Qiaoxian, et al. Study on sustainable development of sugar industry in Dehong[J]. Sugar Crops of China, 2016, 38(3): 68－71. (in Chinese with English abstract)

[8] 桃聯(lián)安，邊芯，郎榮斌，等. 甘蔗新品種云蔗0551適宜栽培方法的試驗(yàn)研究[J]. 中國糖料，2017，39(1)：7－9. Tao Lianan, Bian Xin, Lang Rongbin, et al. Study on suitable cultivation methods for new sugarcane variety Yunzhe05- 51[J]. Sugar Crops of China, 2017, 39(1): 7－9. (in Chinese with English abstract)

[9] 俞華先，安汝東，郎榮斌，等. 甘蔗新品種云蔗0551在德宏蔗區(qū)的豐產(chǎn)性及穩(wěn)產(chǎn)性分析[J]. 中國糖料，2017，39(5)：9－11，14. Yu Huaxian, An Rudong, Lang Rongbin, et al. Analysis on high-yield and stability of sugarcane variety Yunzhe 05-51 in Dehong region[J]. Sugar Crops of China, 2017, 39(5): 9－11, 14. (in Chinese with English abstract)

[10] 李艷，薛昌穎，楊曉光，等. 基于APSIM模型的灌溉降低冬小麥產(chǎn)量風(fēng)險(xiǎn)研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2009，25(10)：35－44. Li Yan, Xue Changying, Yang Xiaoguang, et al. Reduction of yield risk of winter wheat by appropriate irrigation based on APSIM model[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2009, 25(10): 35－44. (in Chinese with English abstract)

[11] Wang J, Wang E L, Feng L P, et al. Phenological trends of winter wheat in response to varietal and temperature changes in the North China Plain[J]. Field Crops Research, 2013, 144: 135－144.

[12] 陳超. 華北平原作物水分生產(chǎn)力-農(nóng)田水平衡、氣候波動(dòng)/變化的系統(tǒng)分析[D]. 北京：中國科學(xué)院研究生院，2009. Chen Chao. Response of Crop Water Productivity and Water Balance to Climate Variability/Change in the North China Plain[D]. Beijing: Graduate University of Chinese Academy Sciences, 2009. (in Chinese with English abstract)

[13] Chen C, Wang E L, Yu Q, et al. Quantifying the effects of climate trends in the past 43 years (1961-2003) on crop growth and water demand in the north China plain[J]. Climatic Change, 2010, 100: 559－578

[14] Sun H, Zhang X, Wang E, et al. Assessing the contribution of weather and management to the annual yield variation of summer maize using APSIM in the North China Plain[J]. Field Crops Research, 2016, 194: 94－102.

[15] He D, Wang E, Wang J, et al. Genotype×environment× management interactions of canola across China: A simulation study[J]. Agricultural and Forest Meteorology, 2017, 247: 424－433.

[16] 黃明霞，王靖，唐建昭，等. 基于APSIM模型分析播期和水氮耦合對(duì)油葵產(chǎn)量的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2018，34(13)：134－143. Huang Mingxia, Wang Jing, Tang Jianzhao, et al. Analysis of interaction of sowing date, irrigation and nitrogen application on yield of oil sunflower based on APSIM model[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(13): 134－143. (in Chinese with English abstract)

[17] 李揚(yáng)，王靖，唐建昭，等. 播期和品種變化對(duì)馬鈴薯產(chǎn)量的耦合效應(yīng)[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2019，27(2)：296－304. Li Yang, Wang Jing, Tang Jianzhao, et al. Coupling impacts of planting date and cultivar on potato yield base on field experiments and APSIM-Potato model[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2019, 27(2): 296－304. (in Chinese with English abstract)

[18] Keating B A, Carberry P S, Hammer G L, et al. An overview of APSIM, a model designed for farming systems simulation[J]. European Journal of Agronomy, 2003, 18(3/4): 267－288.

[19] Holzworth D, Huth N I, Fainges J, et al. APSIM next generation: overcoming challenges in modernising a farming systems model[J]. Environmental Modelling & Software, 2018, 103: 43－51.

[20] Keating B A, Robertson M J, Muchow R C, et al. Modelling sugarcane production systems I. Development and performance of the sugarcane module[J]. Field Crops Research, 1999, 61(3): 253－271.

[21] Inman-Bamber N G, Mcglinchey M G. Crop coefficients and water-use estimates for sugarcane based on longterm Bowen ratio energy balance measurements[J]. Field Crops Research, 2003, 83(2): 125－138.

[22] Inman-Bamber N G, Lakshmanan P, Park S. Sugarcane for water-limited environments: Theoretical assessment of suitable traits[J]. Field Crops Research, 2012, 134: 95－104

[23] Inman-Bamber N G, Jackson P A, Stokes C, et al. Sugarcane for water-limited environments: Enhanced capability of the APSIM sugarcane model for assessing traits for transpiration efficiency and root water supply[J]. Field Crops Research. 2016, 196: 112－123.

[24] Thorburn P J, Biggs, J S, Attard, S J, et al. Environmental impacts of fully irrigated sugarcane production: Nitrogen lost through runoff and leaching[J]. Agriculture, Ecosystems & Environment, 2011, 144(1): 1－12.

[25] 黃智剛，謝晉波. 我國亞熱帶地區(qū)甘蔗產(chǎn)量的模型模擬[J]. 中國糖料，2007(1)：8－12. Huang Zhigang, Xie Jinbo. Simulation model of sugarcane yield using in subtropical China[J]. Sugar Crops of China, 2007, (1): 8－12. (in Chinese with English abstract)

[26] 毛鈞，Inman-Bamber N G，楊昆，等. 甘蔗農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)模擬模型模塊化設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究進(jìn)展[J]. 中國糖料，2017，39(1)：44－50. Mao Jun, Inman-Bamber N G, Yang Kun, et al. Modular design and application of agricultural system simulating model for sugarcane (APSIM-Sugar)[J]. Sugar Crops of China, 2017, 39(1): 44－50. (in Chinese with English abstract)

[27] 毛鈞，Inman-Bamber N G，陸鑫，等. APSIM-Sugar模型在云南半濕潤半干旱蔗區(qū)的適應(yīng)性研究[J]. 西南農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2018，31(12)：2506－2513. Mao Jun, Inman-Bamber N G, Lu Xin, et al. Adaptability of APSIM-Sugar model in semihumid-semiarid climate region of Yunnan province[J]. Southwest China Journal of Agricultural Sciences, 2018, 31(12): 2506－2513. (in Chinese with English abstract)

[28] 黃智剛，王超然. APSIM模型對(duì)甘蔗葉面積指數(shù)和蔗葉含氮量的模擬與驗(yàn)證[J]. 中國糖料，2018，40(4)：44－47. Huang Zhigang, Wang Chaoran. Simulation and validation on sugarcane LAI and nitrogen concentration in green leaf by APSIM-Sugarcane[J]. Sugar Crops of China, 2018, 40(4): 44－47. (in Chinese with English abstract)

[29] Ruan H, Feng P, Wang B, et al. Future climate change projects positive impacts on sugarcane productivity in southern China[J]. European Journal of Agronomy, 2018, 96: 108－119.

[30] 郭豪. 基于模型的不同播期甘蔗生長和水肥條件下土壤氮素狀況研究[D]. 南寧：廣西大學(xué)，2018. Guo Hao. Study on Soil Nitrogen Status under the Conditions of Sugarcane Growth and Water Fertilizer in Different Sowing Periods Based on the Model[D]. Nanning: Guangxi University, 2018. (in Chinese with English abstract)

[31] Zu Q, Mi C, Liu D L, et al. Spatio-temporal distribution of sugarcane potential yields and yield gaps in Southern China[J]. European Journal of Agronomy, 2018, 92: 72－83.

[32] 王宇. 云南省農(nóng)業(yè)氣候資源及區(qū)劃[M]. 北京：氣象出版社, 1990.

[33] 楊曉光，李茂松. 中國南方季節(jié)性干旱特征及種植制度適應(yīng)[M]. 北京：氣象出版社，2014.

[34] 陳優(yōu)強(qiáng)，耿懷建. 云南甘蔗糖廠的榨季設(shè)置[J]. 甘蔗糖業(yè)，1999(5)：24－27. Chen Youqiang, Geng Huaijian. Study on crushing season of sugarcane mill in Yunnan province[J]. Sugarcane and Canesugar, 1999(5): 24-27. (in Chinese with English abstract)

[35] Zhang Y, Zhao P, Liu S. The Cane Sugar Industry in China[M]. Beijing: Foreign Languages Press, 2017.

[36] 張躍彬，樊仙，刀靜梅. 不同氮水平對(duì)甘蔗生長的影響[J]. 中國糖料，2013(3)：15－17. Zhang Yuebin, Fan Xian, Dao Jinmei. Different nitrogen levels on the effect of the growth of sugarcane[J]. Sugar Crops of China, 2013(3): 15－17. (in Chinese with English abstract)

[37] 譚宏偉，周柳強(qiáng)，謝如林，等. 甘蔗實(shí)現(xiàn)減量施肥的理論與實(shí)踐[J]. 廣西糖業(yè)，2014(6)：9－11. Tan Hongwei, Zhou Liuqiang, Xie Rulin, et al. Theory and practice of reducing fertilizer application in sugarcane[J]. Guangxi Sugar Industry, 2014(6): 9－11. (in Chinese with English abstract)

[38] 譚宏偉，周柳強(qiáng)，譚俊杰，等. 甘蔗節(jié)水灌溉及高效施肥關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)研究[J]. 南方農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2016，47(5)：638－643. Tan Hongwei, Zhou Liuqiang, Tan Junjie, et al. Key technical parameters of water-saving irrigation and high-efficiency fertilization for sugarcane[J]. Journal of Southern Agriculture, 2016, 47(5): 638－643. (in Chinese with English abstract)

[39] 林阿典，黃振瑞，敖俊華，等. 甘蔗需水量及土壤墑情評(píng)價(jià)指標(biāo)體系研究[J]. 甘蔗糖業(yè)，2017(3)：16－23. Lin Adian, Huang Zhenrui, Ao Junhua, et al. Study on the laws of crop water requirement and evaluation index system of soil moisture with sugarcane[J]. Sugarcane and Canesugar, 2017(3): 16－23. (in Chinese with English abstract)

[40] 黃恒掌，韋廣厚，羅廣盤. 甘蔗高產(chǎn)高效平衡施肥試驗(yàn)[J]. 南方農(nóng)業(yè)，2016，10(13)：11－12. Huang Hengzhang, Wei Guanghou, Luo Guangpan. Balanced fertilization experiment for high yield and high efficiency of sugarcane[J]. South China Agriculture, 2016, 10(13): 11－12. (in Chinese with English abstract)

[41] 李松，劉斌，余坤興，等. 緩釋肥對(duì)新植蔗生長效果的研究[J]. 中國糖料，2013(1)：14－17. Li Song, Liu Bin, Yu Kunxin, et al. Effect of slow release fertilizer on planting sugarcane growth[J]. Sugar Crops of China, 2013(1): 14－17. (in Chinese with English abstract)

[42] 李楊瑞，楊麗濤，楊柳，等. 巴西甘蔗糖業(yè)高效低耗的經(jīng)驗(yàn)與啟示[J]. 中國糖料，2015，37(4)：73－76. Li Yangrui, Yang Litao, Yang Liu, et al. Experience and enlightenment of high efficiency and low consumption in sugar industry of Brazil[J]. Sugar Crops of China, 2015, 37(4): 73－76. (in Chinese with English abstract)

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(xué)基金項(xiàng)目（31860341）；國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973計(jì)劃）項(xiàng)目（2013CB430205）資助

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

王 靖，博士，副教授，博士生導(dǎo)師，主要從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)模擬與氣候變化影響評(píng)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(lián)安，俞華先. 云南蔗區(qū)播期與水氮耦合對(duì)甘蔗產(chǎn)量和糖分影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，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