甘蔗脫毒原種苗生物量累積特征及水分需求研究

蔣淑停，彭李順，曹崢英，楊本鵬，楊 學(xué)

（1.海南大學(xué)園藝學(xué)院，海南 ?？?570228；2.中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院熱帶生物技術(shù)研究所/中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院甘蔗研究中心/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部熱帶作物生物學(xué)與遺傳資源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，海南 ?？?571101）

【研究意義】甘蔗（Saccharumspp.hybrid）是大宗無性繁殖作物，長期無性繁殖易遭受多種病原物（花葉病和宿根矮化病等）的反復(fù)侵染，導(dǎo)致多種病害積累，造成減產(chǎn)［1］。通過熱處理結(jié)合莖尖分生組織培養(yǎng)技術(shù)培育的甘蔗脫毒健康種苗可以很好地解決這些病害問題［2］，相比常規(guī)種苗，脫毒健康種苗還具有生長快速、分蘗能力強(qiáng)、產(chǎn)量高等特性［3-5］。因此，甘蔗脫毒健康種苗的推廣種植可以有效減少甘蔗病害發(fā)生，提高甘蔗產(chǎn)量和蔗農(nóng)收益。甘蔗脫毒健康種苗的推廣離不開種苗繁育，其中由脫毒原種苗到健康種莖的生產(chǎn)種植過程是最重要的環(huán)節(jié)之一。甘蔗脫毒原種苗幼嫩、生長速度快，在田間繁育過程中栽培和水分管理至關(guān)重要，明確甘蔗脫毒原種苗的生長規(guī)律和水分需求，可以為甘蔗脫毒種苗繁育和健康種莖的規(guī)?；a(chǎn)提供指導(dǎo)。

【前人研究進(jìn)展】目前針對甘蔗干物質(zhì)量累積規(guī)律和水分需求方面的研究，主要集中在原料蔗上。原料蔗以春植蔗為主，生長周期通常為10—12月，干物質(zhì)量累積呈現(xiàn)明顯“中間大兩頭小”的趨勢，生長前期干物質(zhì)量累積相對較少，6月開始拔節(jié)進(jìn)入莖伸長生長期，干物質(zhì)量快速大量累積，11月后逐漸進(jìn)入工藝成熟期，生長和干物質(zhì)量累積速度均大幅減緩［6-8］。與干物質(zhì)量規(guī)律相似，原料蔗水分需求呈明顯單峰曲線變化，全年需水量為1 050～1 250 mm，在苗期和分蘗期需水相對較少、不足30%，伸長期需水量較高、占近60%，成熟期占10%左右。我國甘蔗主產(chǎn)區(qū)的年降雨量為1 000～2 000 mm，其中廣西區(qū)年降雨量約為1 400 mm，4—9月為降雨充沛的雨季，降水量占全年總降水量的75%左右，10月至次年3月為旱季，降水較少。春植蔗出苗期的降雨量僅能滿足甘蔗需水量的70%左右，分蘗期約能滿足甘蔗需水量的65%；而在秋季，甘蔗成熟期的降雨量僅能滿足甘蔗需水量的35%左右［9-14］。

【本研究切入點(diǎn)】甘蔗脫毒原種苗從大田移栽到健康達(dá)到最佳全莖做種要求（12～15莖節(jié)）時(shí)收獲［15］，種植周期通常僅6個(gè)月，其在生長和水分供需規(guī)律方面與原料蔗存在較大差異?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本研究通過對甘蔗脫毒原種苗繁育過程中生物量累積和生長過程進(jìn)行監(jiān)測，同時(shí)結(jié)合廣西扶綏縣試驗(yàn)地氣象站的氣象資料和觀測數(shù)據(jù)，利用作物系數(shù)法對甘蔗脫毒原種苗各生長發(fā)育階段的需水規(guī)律及水分需求狀況進(jìn)行分析，旨在為甘蔗脫毒原種苗田間繁育過程中栽培和水分管理提供理論依據(jù)和參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2019年7—12月在廣西壯族自治區(qū)崇左市扶綏縣昌平鄉(xiāng)國家甘蔗脫毒健康種苗繁育基地進(jìn)行。

供試甘蔗脫毒健康種苗品種為中糖1號，為中大莖、中晚熟品種，產(chǎn)量高、宿根性，由中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院熱帶生物技術(shù)研究所于2018年育成登記，目前在廣西扶綏、海南等蔗區(qū)推廣種植。

1.2 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)甘蔗脫毒原種苗是經(jīng)過脫毒培育的原原種苗，再經(jīng)增殖快繁、誘導(dǎo)生根后形成完整原種苗，于2019年6月15日洗凈根系移栽至苗圃地進(jìn)行穴盤假植培養(yǎng)25 d，7月10日再移栽至田間種植，12月31日采收健康種莖，參照相關(guān)甘蔗脫毒原種苗的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行田間管理。

1.2.1生物量 選擇移栽大田后長勢基本一致的甘蔗脫毒原種苗，于2019年7月20日、7月31日、8月31日、9月30日、10月31日、11月30日和12月31日，分別采樣一次，每次取樣后烘干，稱取整株干重，5次重復(fù)。

1.2.2作物需水量 作物需水量（ETc）的計(jì)算通過作物系數(shù)法確定，主要取決于氣象因素（當(dāng)年氣象資料來自廣西扶綏試驗(yàn)基地氣象站）和具體作物生物學(xué)特性：

ETc=Kc·ET0

式中，ETc為作物需水量（mm/d），Kc為作物系數(shù)，ET0為參照騰發(fā)量（mm/d）。

ET0綜合考慮了各種氣候因素的主要影響，利用聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織（FAO）推薦使用的Penman-Monteith公式法［16-17］計(jì)算參照騰發(fā)量（ET0）：

式中，ET0為參照騰發(fā)量（mm/d），Rn為表面的凈輻射（MJ m2/d），G為土壤熱通量（MJ m2/d），T為2 m高度處的空氣溫度（℃），U2為2 m高度處的風(fēng)速（m/s），es為飽和水汽壓（kPa），ea為實(shí)際水汽壓（kPa），e-ea為飽和水汽壓差（kPa），Δ為水汽壓曲線斜率（kPa/℃），γ為濕度計(jì)常數(shù)（kPa/℃）。

Kc主要隨具體作物的各種特性和氣候的有限范圍而變化，以FAO提供的作物生長在RHmin≈45%、U2≈2 m/s的氣候區(qū)、無水分脅迫、管理水平高條件下甘蔗的系數(shù)為基準(zhǔn)，根據(jù)甘蔗脫毒原種苗的實(shí)際因素進(jìn)行修正校準(zhǔn)［16-20］：

式中，Kctab為不同生育階段標(biāo)準(zhǔn)條件下的作物系數(shù)，U2為2 m高度的風(fēng)速（m/s），RHmin為該生育階段內(nèi)日最低相對濕度的平均值，h為該生育階段內(nèi)作物平均高度（m）。

1.2.3降雨量 在作物生長發(fā)育期，能被作物利用的降雨量為有效降雨量。有效降雨量是指該段時(shí)間內(nèi)天然降雨量減掉深層滲透量及地下徑流量后所剩余水量，計(jì)算公式如下：

P=α·P0

式中，α為降雨有效利用系數(shù)，參考廣西糖料蔗灌溉定額及灌溉技術(shù)規(guī)程［21］確定；P0為天然降雨量（mm），利用雨量器進(jìn)行測定。

1.2.4作物水分盈虧 作物水分盈虧用于作物測定需水量進(jìn)而制定灌溉制度，由于試驗(yàn)地地下水位較深，地下水補(bǔ)給量G可忽略。

ΔW=P-ETc

式中，ΔW為作物水分盈虧量（mm），反映了試驗(yàn)地作物水分盈虧量，P為時(shí)段內(nèi)有效降雨量（mm），ETc為作物需水量（mm）。

當(dāng)P＞ETc時(shí)，水分盈虧量為正，此時(shí)有效降雨量能滿足作物需水量；當(dāng)P＜ETC時(shí)，水分盈虧量為負(fù)，此時(shí)有效降雨量不能滿足作物需水量。

1.3 統(tǒng)計(jì)分析

采用Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)整理分析，采用SPSS進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 甘蔗脫毒原種苗生物量累積變化

作物生物量為作物長勢及作物產(chǎn)量監(jiān)測提供重要指標(biāo)。從圖1可以看出，7月中旬至8月上旬甘蔗脫毒原種苗正處于苗期和分蘗期，蔗株生物累積量相對較少，僅占整個(gè)生育期3.9%。8月中旬甘蔗脫毒原種苗開始拔節(jié)進(jìn)入莖伸長生長期，至8月31日甘蔗脫毒原種苗已有4莖節(jié)，此期間生物量開始快速大量累積，8月中旬至10月下旬莖節(jié)累積至11莖節(jié)，日均累積量可達(dá)到2.92 g。11月上旬至12月下旬甘蔗脫毒原種苗莖節(jié)數(shù)增長減緩至月均2節(jié)，生物量累積速度也明顯減緩，日均累積量降至1.77 g。

2.2 甘蔗脫毒原種苗需水量變化

廣西扶綏甘蔗脫毒原種苗生育期內(nèi)總作物需水量為659.6 mm，整體呈先上升后下降趨勢（圖2）。在7月中旬（苗期）甘蔗脫毒原種苗植株較小、葉面積較小、植株蒸騰量較小，因此在苗期甘蔗脫毒原種苗的作物需水量較少，僅占全生育期需水量的2.2%。7月下旬進(jìn)入分蘗期后作物需水量整體開始增長，占全生育期需水量的11.8%。8月中旬后進(jìn)入莖伸長生長期，至9月下旬（莖伸長生長期0～8莖節(jié)）需水量累積達(dá)275.2 mm，占全生育期的41.7%，各旬需水量維持在46.1～58.9 mm，10月開始?xì)鉁?、地面溫度降低，需水量整體有所下降，10月至12月下旬（莖伸長生長期9～15莖節(jié)）各旬平均需水量為32.4 mm。

2.3 甘蔗脫毒原種苗有效降雨量變化

甘蔗脫毒原種苗生育期內(nèi)總降雨量僅為200.3 mm，且不同時(shí)期降雨量分布不均勻。由圖3可知，降雨主要集中在甘蔗脫毒原種苗生長前期（7月中旬至9月中旬），占整個(gè)生長周期總降水量的88.9%。在此期間，除7月下旬和8月中旬降雨量較低，分別為6.7、0 mm外，其余各旬平均降雨量為34.3 mm，在8月下旬時(shí)最高、達(dá)54.4 mm。進(jìn)入9月下旬后，有效降雨量大幅減少，除11月中旬降雨達(dá)到15.8 mm外，10月上下旬、11月和12下旬僅有零星降雨，其余各旬均無降雨量記錄。

2.4 甘蔗脫毒原種苗水分盈虧量變化

作物水分盈虧主要由降雨量與作物需水量之差表示，當(dāng)水分虧缺時(shí)需要進(jìn)行灌溉，否則會(huì)造成減產(chǎn)。在甘蔗脫毒原種苗整個(gè)生育期內(nèi)，僅有苗期（7月中旬）水分呈現(xiàn)盈余狀態(tài)，其余各生育期均表現(xiàn)為水分虧缺。在甘蔗脫毒原種苗分蘗期（7月下旬至8月上旬）累積虧缺量為30.0 mm，7月下旬虧缺量達(dá)23.9 mm。莖伸長生長期（8月中旬至12月下旬）累積虧缺量達(dá)443.5 mm，占總虧缺量的93.7%，其中8月中旬和9月下旬虧缺量分別高達(dá)55.7、58.9 mm，其余各旬平均虧缺量為27.4 mm。

3 討論

與原料蔗不同，甘蔗脫毒原種苗種植以收獲具有萌發(fā)能力較強(qiáng)蔗芽的種莖為目的，生長周期僅為6個(gè)月，大約在移栽1個(gè)月后即開始拔節(jié)進(jìn)入生物量快速累積的莖伸長生長期，8月中旬至10月下旬共可產(chǎn)生約11個(gè)莖節(jié)，月均可產(chǎn)生4個(gè)莖節(jié)。進(jìn)入11月后，甘蔗脫毒原種苗生物量累積速率開始變緩，至12月底月均可產(chǎn)生2個(gè)莖節(jié)，此階段為種莖生理成熟期，基部蔗莖芽眼具有飽滿、新鮮、萌發(fā)能力強(qiáng)等特點(diǎn)，可進(jìn)行健康種莖的采收。12月底，每株甘蔗平均可產(chǎn)生15個(gè)莖節(jié)，此時(shí)采收可在保持種莖質(zhì)量的同時(shí)兼具較好經(jīng)濟(jì)性。

根據(jù)作物系數(shù)法計(jì)算出甘蔗脫毒原種苗在廣西扶綏全生育期總需水量約為659.6 mm，相當(dāng)于原料蔗65%左右［14,22］。在不同生育階段，甘蔗脫毒原種苗與原料蔗的需水量比例也存在一定差異。甘蔗脫毒原種苗在苗期、分蘗期、莖伸長生長期及種莖生理成熟期需水量占全生育期需水量分別為2.2%、11.8%、59.3%和26.7%。相比而言，原料蔗苗期和分蘗期由于生長周期較長，需水量占比也相對更高，分別達(dá)到整個(gè)生育期8%～18%、15%～21%；伸長期需水量占比與甘蔗脫毒原種苗莖伸長生長期需水量占比接近，均達(dá)到60%左右；成熟期原料蔗生長大幅減緩，后期接近停滯，需水量占比也相對較少，降至10%左右［10,23-25］。

降雨是甘蔗脫毒原種苗生長所需水分的重要來源，降雨量多少和降雨時(shí)間分布都會(huì)對甘蔗生物量的累積及產(chǎn)量產(chǎn)生較大影響［26］。在2019年甘蔗脫毒原種苗繁育周期內(nèi)總有效降雨量僅為200.3 mm，相較于廣西扶綏縣歷年同期（約為300.0 mm［27］）減少100.0 mm左右，但2019年及歷年有效降雨量均不及甘蔗脫毒原種苗總需水量的50%。在繁育周期內(nèi)降雨分布方面，不同月份存在明顯差異，7—9月正值雨季，降雨相對較為集中，平均每旬有效降雨量為22.2 mm，占整個(gè)生育期88.9%；10月后進(jìn)入旱季，大部分時(shí)間僅有零星降雨，平均每旬有效降雨量僅為2.5 mm。對比前期報(bào)道，發(fā)現(xiàn)7—9月通常為雨季，降雨普遍較為充沛，10月后降雨量明顯減少［28-31］，表明2019年廣西扶綏試驗(yàn)地降雨分布基本符合廣西蔗區(qū)的降雨分布特征。

在甘蔗脫毒原種苗生育期內(nèi)，有效降雨量僅為需水量的30.3%，且主要集中在甘蔗生長前期，因此甘蔗脫毒原種苗大部分時(shí)期均表現(xiàn)出不同程度的虧缺狀況。在苗期，由于需水量相對較少，而降雨較多，表現(xiàn)為水分盈余，非常利于移栽后蔗苗新生根系生長。進(jìn)入分蘗期后，需水量開始明顯上升，水分開始出現(xiàn)明顯虧缺，而此階段是甘蔗脫毒原種苗單位面積有效莖數(shù)形成的關(guān)鍵時(shí)期，應(yīng)根據(jù)水分虧缺狀況進(jìn)行適時(shí)灌溉，以促進(jìn)蔗株快速生長和分蘗率的提高。8月中旬甘蔗脫毒原種苗進(jìn)入生長速度最快的莖伸長生長期，是甘蔗脫毒原種苗種莖形成的關(guān)鍵時(shí)期，此階段水分虧缺最為嚴(yán)重，累積虧缺量達(dá)到287.1 mm，占整個(gè)生育期虧缺量的60.7%，因此需要保持一定灌溉強(qiáng)度，以保證土壤水分的持續(xù)供給能力，維持甘蔗持續(xù)旺盛生長。11月開始進(jìn)入種莖生理成熟期，至12月下旬表現(xiàn)為持續(xù)水分虧缺，虧缺量達(dá)到156.3 mm，占整個(gè)生育期虧缺量的33.0%，此階段甘蔗脫毒原種苗蔗莖仍有月均2節(jié)的生長速度，需要根據(jù)各旬水分虧缺量保持持續(xù)的補(bǔ)充灌溉，保證蔗莖正常生長，達(dá)到最佳采收狀態(tài)。

4 結(jié)論

甘蔗脫毒原種苗移栽后經(jīng)過半年的田間繁育每株甘蔗可產(chǎn)生約15個(gè)莖節(jié)，此時(shí)采收可在保持種莖質(zhì)量的同時(shí)兼具較好經(jīng)濟(jì)性。在水分需求方面，甘蔗脫毒原種苗生育期內(nèi)總需水量為659.6 mm，呈先升后降的趨勢，其中8—10月對水分需求最高，每旬達(dá)到48.7 mm。在繁育周期內(nèi)，2019年下半年廣西扶綏縣有效降雨量偏低，僅為甘蔗脫毒原種苗需水量的30.3%，除苗期外各時(shí)期均表現(xiàn)出不同程度水分虧缺，因此需要根據(jù)各旬水分虧缺狀況，及時(shí)合理的補(bǔ)充灌溉，才能保證甘蔗脫毒原種苗的持續(xù)快速生長，確保收獲時(shí)健康種莖的質(zhì)量和數(shù)量，提高甘蔗脫毒健康種苗繁育效率。