甘蔗產(chǎn)量形成的要素及其化控措施

羅含敏，周慧文，閆海鋒，周忠鳳，范業(yè)賡，羅 霆，陳榮發(fā)，段維興，劉俊仙，丘立杭，吳建明

（廣西壯族自治區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)院甘蔗研究所/農(nóng)業(yè)部廣西甘蔗遺傳改良與生物技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/廣西甘蔗遺傳改良重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 南寧 530007）

0 引言

甘蔗是經(jīng)濟(jì)和生態(tài)日益重要的糖料作物，被廣泛種植于熱帶和亞熱帶地區(qū)，具有極高的生物產(chǎn)量，并以收獲地上部蔗莖為主要原料。因此，蔗莖的生長發(fā)育與產(chǎn)量息息相關(guān)。甘蔗單產(chǎn)由單位面積有效莖數(shù)和單莖重組成，其中有效莖數(shù)受下種量、基本苗數(shù)、分蘗及其成莖率等影響，尤其是甘蔗分蘗成莖，是蔗莖生長發(fā)育的關(guān)鍵，也是甘蔗產(chǎn)量形成的主體［1-2］；而單莖重則是莖粗（莖徑）與莖長（株高）的綜合體現(xiàn)，取決于蔗莖節(jié)間的生長發(fā)育。由此可見，甘蔗產(chǎn)量的形成受多個(gè)重要農(nóng)藝性狀的影響，而適當(dāng)調(diào)控這些農(nóng)藝性狀的生長發(fā)育對增產(chǎn)增效意義重大。

作物化學(xué)調(diào)控技術(shù)在定向控制農(nóng)藝性狀的生長發(fā)育中發(fā)揮著重要作用，已被廣泛應(yīng)用于園藝和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，并極大幅度地提高了作物產(chǎn)量［3-4］。一般認(rèn)為，化學(xué)調(diào)控是利用植物外源激素或植物生長調(diào)節(jié)劑（具有植物激素活性類似物）改變或影響其內(nèi)源激素系統(tǒng)平衡，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)作物的生育進(jìn)程或生長方向朝著即定的目標(biāo)改變的技術(shù)體系，起源于研究者對植物激素的發(fā)現(xiàn)及其生理效應(yīng)的研究，20世紀(jì)30年代生長素在農(nóng)業(yè)上用以促進(jìn)插枝生根標(biāo)志著作物化學(xué)調(diào)控的開始，基于調(diào)控赤霉素的代謝和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)為導(dǎo)向的半矮稈育種則將化學(xué)調(diào)控的研究和應(yīng)用推向新紀(jì)元。作物化學(xué)控制技術(shù)打破了常規(guī)栽培措施與環(huán)境因素的限制，極大地挖掘作物遺傳潛能，成為持續(xù)提高作物生產(chǎn)力的最有效技術(shù)體系［5-7］，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提質(zhì)增效、作物品種選育和品質(zhì)改良提供了新動(dòng)力，增強(qiáng)了生產(chǎn)者的積極性，具有廣泛的應(yīng)用前景。

甘蔗的主要產(chǎn)品是糖，蔗莖的糖分和產(chǎn)量決定著產(chǎn)糖量，我國是世界上重要的產(chǎn)糖國，而廣西糖業(yè)支撐著我國食糖供給的平衡。面對當(dāng)今全球氣候變暖加劇、水資源分布失衡、耕地面積下降、農(nóng)村勞動(dòng)力減少且趨于老齡化的背景，甘蔗生產(chǎn)面臨巨大的挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)甘蔗生產(chǎn)方式和栽培技術(shù)已經(jīng)無法達(dá)到高產(chǎn)高效的現(xiàn)代化發(fā)展要求。為了突破栽培技術(shù)壁壘和品種種性限制導(dǎo)致的甘蔗單產(chǎn)瓶頸，滿足世界對食糖供給增長的需求，甘蔗栽培需要提高甘蔗糖分和蔗莖產(chǎn)量，在同等條件下，單產(chǎn)越高，產(chǎn)糖量則越高。一直以來，化學(xué)調(diào)控技術(shù)在甘蔗增產(chǎn)增糖中的應(yīng)用和研究受到許多甘蔗產(chǎn)糖國的重視［8］。本文綜述了甘蔗產(chǎn)量形成中的內(nèi)外因素；根據(jù)甘蔗生產(chǎn)實(shí)際問題，總結(jié)甘蔗產(chǎn)量形成的化學(xué)調(diào)控措施的相關(guān)應(yīng)用研究，并進(jìn)行展望，以期為利于植物生長調(diào)節(jié)劑助力甘蔗生產(chǎn)提供指導(dǎo)。

1 甘蔗產(chǎn)量形成的主要影響因素

1.1 品種種性

縱觀甘蔗育種歷史，甘蔗屬的主要6個(gè)種（即熱帶種、印度種、中國種、割手密、大莖野生種和肉質(zhì)花穗野生種）的產(chǎn)量極低，隨著甘蔗有性繁殖法的發(fā)現(xiàn)，有性雜交育種成為了世界各主要產(chǎn)糖國甘蔗品種改良的主要途徑，而每一個(gè)優(yōu)良新品種的成功選育和推廣都推動(dòng)著甘蔗平均畝產(chǎn)的提高，極大調(diào)動(dòng)了蔗農(nóng)的積極性，促進(jìn)甘蔗產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。由此可見，甘蔗品種種性（即遺傳基礎(chǔ)）決定其基礎(chǔ)產(chǎn)量，是產(chǎn)量形成的主要內(nèi)因［9-10］。雖然高產(chǎn)和高糖性狀很難在一個(gè)品種中二者兼?zhèn)?，但選育適當(dāng)兼顧高產(chǎn)和高糖性狀的優(yōu)良新品種對甘蔗產(chǎn)業(yè)至關(guān)重要。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，1950年至2010年間，廣西甘蔗主栽品種發(fā)生了5次大的更迭，均促使了廣西甘蔗單產(chǎn)和蔗糖分有較大的提高，見表1。由此進(jìn)一步表明，甘蔗品種種性對蔗區(qū)單產(chǎn)和糖分貢獻(xiàn)巨大。

表1 1950～2010年廣西產(chǎn)糖量、甘蔗單產(chǎn)和蔗糖分變遷

1.2 環(huán)境因素

植物的生長發(fā)育與環(huán)境條件關(guān)系密切，甘蔗品種的產(chǎn)量性狀是遺傳基礎(chǔ)和環(huán)境共同作用的結(jié)果，且甘蔗各生長發(fā)育時(shí)期所要求的環(huán)境條件也各有差異。甘蔗生育期一般可分為萌芽期、幼苗期、分蘗期、伸長期和成熟期等5個(gè)時(shí)期，不同時(shí)期下甘蔗對光、溫、水等自然條件的需求量也是各有特點(diǎn)［11-14］。

萌芽期是決定甘蔗基本苗數(shù)的重要時(shí)期，確保更高的全苗和齊苗是奪取甘蔗高產(chǎn)的基礎(chǔ)。前人的研究表明，甘蔗萌芽的最低溫度范圍為13℃～15℃，發(fā)芽適宜溫度是25℃～32℃［8］；此外，蔗芽的萌發(fā)情況也與品種有關(guān)［15-16］；土壤水分對蔗種萌發(fā)的影響也非常大［17］；而光照也會(huì)影響蔗芽的萌動(dòng)與生長發(fā)育［18］。

幼苗期是甘蔗分蘗的準(zhǔn)備階段，此時(shí)以地下部分蘗節(jié)的形成、根系生長和葉片生長為主，且初期生長所需的營養(yǎng)主要來源于種莖，因此，溫度、光照、水分和土壤養(yǎng)分等是影響甘蔗幼苗期生長發(fā)育的主要環(huán)境條件。因?yàn)?，低溫環(huán)境致使甘蔗幼苗凍害，葉片光合能力下降［19］，不利于幼苗生長；然而，過多的水分對氣溫和土溫的回升也不利，土壤的通透性也受影響，不利于根系的生長發(fā)育，進(jìn)而影響?zhàn)B分的吸收［20］；同時(shí)，光照條件不足，也會(huì)造成甘蔗葉片同化物質(zhì)分配與內(nèi)源激素代謝失衡，最終抑制植株的生長［18］。當(dāng)甘蔗幼苗長至3～4葉齡時(shí)，其地下部分蘗節(jié)上的芽體開始萌動(dòng)，隨后生長成分蘗苗，標(biāo)志進(jìn)入分蘗期。分蘗期又可分為初期、盛期和末期，一般情況下，初期和盛期的分蘗大部分可以拔節(jié)成莖，成為有效分蘗，而末期的分蘗則多為無效分蘗，會(huì)自動(dòng)消亡，關(guān)于甘蔗分蘗及其成莖的相關(guān)研究進(jìn)展本課題組已經(jīng)發(fā)表了詳細(xì)的綜述報(bào)道［2］。由此可見，苗期和分蘗期甘蔗需要充足的陽光、溫度和養(yǎng)分，對水分的需求量較少，這也是甘蔗栽培中生長前期（伸長期之前）遇到長期陰雨天氣導(dǎo)致死苗或分蘗少而減產(chǎn)的主要原因。

分蘗結(jié)束后甘蔗生長進(jìn)入伸長期，主苗（幼苗期形成）和分蘗苗（分蘗期形成）先后進(jìn)行拔節(jié)并生長發(fā)育成蔗莖，伴隨著節(jié)數(shù)的增長和節(jié)間的伸長，此時(shí)甘蔗的根、莖、葉進(jìn)入全面生長時(shí)期，生物量快速積累，生理生化代謝極其活躍，是甘蔗有效莖形成的重要時(shí)期，直接決定蔗莖產(chǎn)量［21］。甘蔗伸長期的長短及其生長情況與蔗區(qū)環(huán)境、氣候有密切關(guān)系［14］，鐘楚等［22］分析結(jié)果表明，充足的雨水、熱和光照條件對促進(jìn)甘蔗莖伸長有利；本課題開展遮蔭脅迫對甘蔗莖的生長發(fā)育與品質(zhì)形成的研究結(jié)果表明，遮蔭引發(fā)的弱光導(dǎo)致株高、單莖重、蔗糖分及葉面積等指標(biāo)顯著下降（數(shù)據(jù)未發(fā)表），這暗示光照不足明顯對甘蔗產(chǎn)量不利；降雨量少及地形地貌引起的土壤水分脅迫也不利于伸長期甘蔗的生長［23］，且水分與養(yǎng)分的吸收具有協(xié)同作用，伸長期供水不足或低供水量對氮、磷、鉀等的吸收和利用有抑制作用［24-25］；此外，高溫高濕條件也是影響甘蔗株高快速生長的氣象因子［26］。

相對于伸長期甘蔗的快速營養(yǎng)生長，成熟期甘蔗主要進(jìn)行糖分積累、轉(zhuǎn)運(yùn)和轉(zhuǎn)化，溫度和水分環(huán)境條件成為了該時(shí)期最主要的影響因素，究其原因如下：一是溫度，甘蔗糖分積累需要較大的晝夜溫差，10℃左右的溫差條件比較有利于蔗莖糖分積累和轉(zhuǎn)化；如遇高溫和溫差小條件，會(huì)導(dǎo)致營養(yǎng)生長恢復(fù)，消耗自身養(yǎng)分，不利于甘蔗積累蔗糖分。二是水分，成熟期甘蔗對水分的需求較小，試驗(yàn)表明，旱坡地比水田條件下的甘蔗糖分要高［27］；且水分與甘蔗成熟期生長還與品種有關(guān)［28］；多雨潮濕的環(huán)境下甘蔗表現(xiàn)為遲熟、低糖，但干旱或者其他因素導(dǎo)致過早的干旱蔗莖糖分也較低，并且蔗汁中的膠質(zhì)含量增多，不利于榨糖［8］。

綜上可知，甘蔗不同時(shí)期的生長特性與環(huán)境條件息息相關(guān)，兩者的相互配合對甘蔗高產(chǎn)高糖栽培具有積極的指導(dǎo)價(jià)值。

1.3 栽培技術(shù)與措施

作物的產(chǎn)量除了受環(huán)境影響外，還與當(dāng)下的栽培技術(shù)、種植制度及管理措施有關(guān)［29］?，F(xiàn)今，我國蔗區(qū)在選育甘蔗優(yōu)良新品種的基礎(chǔ)上研發(fā)并集成一系列先進(jìn)適宜的栽培技術(shù)，主要包括蔗地機(jī)械深耕深松［30-32］、化肥減施［33］、地膜覆蓋［34］、節(jié)水灌溉［35］、脫毒健康種苗［36-37］、化學(xué)調(diào)控［38］、甘蔗生產(chǎn)管理機(jī)械化［39-40］和病蟲草鼠綜合防治［41］等，且它們的推廣應(yīng)用取得了較好效果。此外，甘蔗種植制度和方式也會(huì)對產(chǎn)量造成一定程度的影響，比如種植時(shí)期［42］、種植密度［43］、種植行距［44］、輪作與間套作［45-46］等。從上述前人的研究結(jié)果可知，甘蔗先進(jìn)事宜栽培技術(shù)的應(yīng)用推廣可明顯提高產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益，增收增糖，在提高產(chǎn)業(yè)競爭力方面也發(fā)揮了顯著作用。

2 甘蔗產(chǎn)量生產(chǎn)中面臨的主要問題及其解決措施

甘蔗種植屬于勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)，仍存在許多亟待解決的問題。首先，甘蔗生產(chǎn)機(jī)械化應(yīng)用范圍小。目前，除了國有農(nóng)墾農(nóng)場及少數(shù)規(guī)模較大的甘蔗專業(yè)戶或者企業(yè)采用機(jī)械化種植和收獲外，尚有90%以上的種植戶仍采用人工種植和砍收方法，少數(shù)實(shí)現(xiàn)了半機(jī)械化模式。其次，甘蔗生產(chǎn)中過量施肥施藥問題非常嚴(yán)重，特別是氮、磷、鉀三要素肥料和除草劑的施用嚴(yán)重超標(biāo)。目前，甘蔗減肥減藥、輕簡化栽培技術(shù)成為了生產(chǎn)研究熱門，同時(shí)高效低毒農(nóng)藥研發(fā)和區(qū)域化生物綜合防治成為了當(dāng)下農(nóng)作物區(qū)域聯(lián)防的技術(shù)攻關(guān)重點(diǎn)。第三，在甘蔗良種種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化配置及其病蟲害防治方面。甘蔗產(chǎn)業(yè)一直面臨著育種周期長而帶來的品種選育問題突出，且抗病育種難有進(jìn)展。雖然甘蔗健康種苗的應(yīng)用推廣在很大程度上緩解了供種難題，但蔗區(qū)長期品種單一化栽培現(xiàn)象依然嚴(yán)重，導(dǎo)致害蟲和病原菌已在蔗區(qū)土壤甚至空氣中大量積累，大面積引發(fā)螟蟲和黑穗病等頻發(fā)，且種性退化問題嚴(yán)重，進(jìn)而甘蔗宿根性年限也嚴(yán)重降低。本課題組報(bào)道的甘蔗扦插和補(bǔ)種技術(shù)在解決上述瓶頸問題上取得了突破性的進(jìn)展［47-48］；無人機(jī)高效噴施技術(shù)在安全可靠與生態(tài)環(huán)保方面給植保和化學(xué)調(diào)控技術(shù)帶來了新支撐［38，49］。第四，由于我國甘蔗生產(chǎn)條件總體較差，90%以上甘蔗栽培區(qū)域?qū)儆诳λ固氐匦蔚孛?，缺乏灌溉條件，水成為制約甘蔗單產(chǎn)提高的最重要因素，此時(shí)在條件允許的情況下，集成一系列節(jié)水灌溉技術(shù)措施是非常必要的，同時(shí)根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件，有效的避開干旱天氣并進(jìn)行適當(dāng)?shù)母收嵩耘喙芾砜赏軐?shí)現(xiàn)穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)。此外，我國甘蔗收獲周期一般為3年，即一年新植、兩年宿根，旱坡地嚴(yán)重的地方甚至每年翻種，又無可替代的作物可種植，因而勞作成本居高不下。相對于目前國際上主要甘蔗生產(chǎn)國5～8年（大部分為5年）的收獲期（即一年新植、4～7年宿根），我國甘蔗競爭力明顯不足。因此，在甘蔗單產(chǎn)基本穩(wěn)定的前提下，通過延長宿根年限，降低生產(chǎn)成本，同時(shí)適當(dāng)開展輪作或者間套作等立體種養(yǎng)模式的研發(fā)，甘蔗的總體經(jīng)濟(jì)效益將可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)步增長，提高蔗農(nóng)的積極性。與此同時(shí)，生產(chǎn)上推廣應(yīng)用宿根好的甘蔗品種、合理調(diào)整種植結(jié)構(gòu)、優(yōu)化品種配置、加強(qiáng)重視宿根蔗管理等，從根本上系統(tǒng)地解決我國甘蔗生長周期較短的難題。

3 甘蔗產(chǎn)量形成中的化學(xué)調(diào)控技術(shù)集成措施

綜上所述，在既定品種的支持下，甘蔗的產(chǎn)量形成受到許多因素的影響，且不同生育期甘蔗產(chǎn)量農(nóng)藝性狀和構(gòu)成要素是不同的。因此，在當(dāng)下的栽培條件下，通過中耕培土和“三攻一補(bǔ)施肥法”來管理和促進(jìn)甘蔗產(chǎn)量性狀的生長發(fā)育而實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)顯然無法一一滿足，也不科學(xué)，徒增生產(chǎn)成本，費(fèi)時(shí)費(fèi)工。作物化學(xué)調(diào)控技術(shù)作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要技術(shù)之一，針對作物不同時(shí)期的農(nóng)藝性狀進(jìn)行定向調(diào)控生長發(fā)育進(jìn)程，在提高作物產(chǎn)量上發(fā)揮著巨大作用。根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際，前人通過化學(xué)調(diào)控技術(shù)集成措施在甘蔗產(chǎn)量形成中開展了大量研究試驗(yàn)，取得了顯著效果。在甘蔗萌芽和幼苗期，新植的一般是春植或者冬植蔗，此時(shí)氣溫較低，降雨少，針對這種情況，李永健等［50］認(rèn)為浸種/下種后淋水灌溉并集成了地膜覆蓋技術(shù)的甘蔗出苗效果最好；保水劑的應(yīng)用也可改善甘蔗出苗情況［51-52］；此外，不同藥劑浸種處理也獲得了甘蔗萌發(fā)和苗期生長較好的效果，而乙烯利浸種在甘蔗上的應(yīng)用最為廣泛，乙烯利浸種對甘蔗萌芽及早期生長有明顯促進(jìn)作用，還可提高甘蔗分蘗［38］；赤霉素對伸長期甘蔗節(jié)間伸長具有明顯的促進(jìn)作用，也能促進(jìn)萌芽齊苗，改善蔗莖品質(zhì)和提高產(chǎn)量，但對甘蔗分蘗具有抑制作用［53］；也有報(bào)道指出分蘗期噴施乙烯利可提高甘蔗光合性能，并一定程度上促進(jìn)分蘗成莖、伸長、莖徑等產(chǎn)量性狀的總體生長［54-55］，其他的一些化學(xué)藥劑在甘蔗分蘗期和伸長期的應(yīng)用甘崇琨等［38］已進(jìn)行了詳細(xì)總結(jié)。最后，甘蔗成熟期的調(diào)控一直都是世界上主要產(chǎn)蔗國家的關(guān)注熱點(diǎn)，目前，以草甘膦和乙烯利為主配方的甘蔗化學(xué)催熟劑在國內(nèi)外得到了廣泛應(yīng)用，效果也明顯［8，56］；但其基本上都是通過抑制或延緩甘蔗生長來實(shí)現(xiàn)的，掌控不好容易造成不可預(yù)見的后果。近年來，本課題組開展了不同植物生長調(diào)節(jié)劑浸種試驗(yàn)，結(jié)果表明單一植物生長調(diào)節(jié)劑影響效果非常有限（數(shù)據(jù)未發(fā)表）；并在此基礎(chǔ)上優(yōu)化配置成多功能甘蔗浸種劑（具有促進(jìn)出苗、分蘗、壯苗及防病蟲等功能）和生長型增產(chǎn)增糖復(fù)合劑（數(shù)據(jù)均未發(fā)表）。

4 展望

近年來，雖然在生產(chǎn)中集成應(yīng)用了許多適合我國蔗區(qū)栽培條件的各種高產(chǎn)高效栽培技術(shù)，但仍存在上述較多問題，尤其在廣西，由于自然條件的復(fù)雜多變、地形地貌的限制、水利條件落后等諸多因素，許多先進(jìn)技術(shù)無法推廣應(yīng)用，尤其是作物化學(xué)調(diào)控技術(shù)，目前應(yīng)用于園藝上最多，在指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上因技術(shù)及其相關(guān)知識普及不足，不被廣大農(nóng)業(yè)工作者所認(rèn)知。雖然前人對不同植物生長調(diào)節(jié)劑在甘蔗上的應(yīng)用作了廣泛研究，但由于施用的配套技術(shù)跟不上而不被接受，目前，無人機(jī)高效配施技術(shù)的有效應(yīng)用給甘蔗化學(xué)調(diào)控帶來廣闊的市場前景，且基于化學(xué)調(diào)控技術(shù)的甘蔗高產(chǎn)高糖栽培技術(shù)體系的研發(fā)和集成將促進(jìn)甘蔗產(chǎn)業(yè)新飛躍，助力甘蔗提質(zhì)增效。