甘蔗產量形成的要素及其化控措施

羅含敏，周慧文，閆海鋒，周忠鳳，范業賡，羅 霆，陳榮發，段維興，劉俊仙，丘立杭，吳建明

（廣西壯族自治區農業科學院甘蔗研究所/農業部廣西甘蔗遺傳改良與生物技術重點實驗室/廣西甘蔗遺傳改良重點實驗室，廣西 南寧 530007）

0 引言

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

作物化學調控技術在定向控制農藝性狀的生長發育中發揮著重要作用，已被廣泛應用于園藝和農業生產中，并極大幅度地提高了作物產量［3-4］。一般認為，化學調控是利用植物外源激素或植物生長調節劑（具有植物激素活性類似物）改變或影響其內源激素系統平衡，實現調節作物的生育進程或生長方向朝著即定的目標改變的技術體系，起源于研究者對植物激素的發現及其生理效應的研究，20世紀30年代生長素在農業上用以促進插枝生根標志著作物化學調控的開始，基于調控赤霉素的代謝和信號轉導為導向的半矮稈育種則將化學調控的研究和應用推向新紀元。作物化學控制技術打破了常規栽培措施與環境因素的限制，極大地挖掘作物遺傳潛能，成為持續提高作物生產力的最有效技術體系［5-7］，為農業生產提質增效、作物品種選育和品質改良提供了新動力，增強了生產者的積極性，具有廣泛的應用前景。

甘蔗的主要產品是糖，蔗莖的糖分和產量決定著產糖量，我國是世界上重要的產糖國，而廣西糖業支撐著我國食糖供給的平衡。面對當今全球氣候變暖加劇、水資源分布失衡、耕地面積下降、農村勞動力減少且趨于老齡化的背景，甘蔗生產面臨巨大的挑戰，傳統甘蔗生產方式和栽培技術已經無法達到高產高效的現代化發展要求。為了突破栽培技術壁壘和品種種性限制導致的甘蔗單產瓶頸，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量，在同等條件下，單產越高，產糖量則越高。一直以來，化學調控技術在甘蔗增產增糖中的應用和研究受到許多甘蔗產糖國的重視［8］。本文綜述了甘蔗產量形成中的內外因素；根據甘蔗生產實際問題，總結甘蔗產量形成的化學調控措施的相關應用研究，并進行展望，以期為利于植物生長調節劑助力甘蔗生產提供指導。

1 甘蔗產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個種（即熱帶種、印度種、中國種、割手密、大莖野生種和肉質花穗野生種）的產量極低，隨著甘蔗有性繁殖法的發現，有性雜交育種成為了世界各主要產糖國甘蔗品種改良的主要途徑，而每一個優良新品種的成功選育和推廣都推動著甘蔗平均畝產的提高，極大調動了蔗農的積極性，促進甘蔗產業的可持續發展。由此可見，甘蔗品種種性（即遺傳基礎）決定其基礎產量，是產量形成的主要內因［9-10］。雖然高產和高糖性狀很難在一個品種中二者兼備，但選育適當兼顧高產和高糖性狀的優良新品種對甘蔗產業至關重要。據不完全統計，1950年至2010年間，廣西甘蔗主栽品種發生了5次大的更迭，均促使了廣西甘蔗單產和蔗糖分有較大的提高，見表1。由此進一步表明，甘蔗品種種性對蔗區單產和糖分貢獻巨大。

表1 1950～2010年廣西產糖量、甘蔗單產和蔗糖分變遷

1.2 環境因素

植物的生長發育與環境條件關系密切，甘蔗品種的產量性狀是遺傳基礎和環境共同作用的結果，且甘蔗各生長發育時期所要求的環境條件也各有差異。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個時期，不同時期下甘蔗對光、溫、水等自然條件的需求量也是各有特點［11-14］。

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

幼苗期是甘蔗分蘗的準備階段，此時以地下部分蘗節的形成、根系生長和葉片生長為主，且初期生長所需的營養主要來源于種莖，因此，溫度、光照、水分和土壤養分等是影響甘蔗幼苗期生長發育的主要環境條件。因為，低溫環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育，進而影響養分的吸收［20］；同時，光照條件不足，也會造成甘蔗葉片同化物質分配與內源激素代謝失衡，最終抑制植株的生長［18］。當甘蔗幼苗長至3～4葉齡時，其地下部分蘗節上的芽體開始萌動，隨后生長成分蘗苗，標志進入分蘗期。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成莖，成為有效分蘗，而末期的分蘗則多為無效分蘗，會自動消亡，關于甘蔗分蘗及其成莖的相關研究進展本課題組已經發表了詳細的綜述報道［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致死苗或分蘗少而減產的主要原因。

分蘗結束后甘蔗生長進入伸長期，主苗（幼苗期形成）和分蘗苗（分蘗期形成）先后進行拔節并生長發育成蔗莖，伴隨著節數的增長和節間的伸長，此時甘蔗的根、莖、葉進入全面生長時期，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期，直接決定蔗莖產量［21］。甘蔗伸長期的長短及其生長情況與蔗區環境、氣候有密切關系［14］，鐘楚等［22］分析結果表明，充足的雨水、熱和光照條件對促進甘蔗莖伸長有利；本課題開展遮蔭脅迫對甘蔗莖的生長發育與品質形成的研究結果表明，遮蔭引發的弱光導致株高、單莖重、蔗糖分及葉面積等指標顯著下降（數據未發表），這暗示光照不足明顯對甘蔗產量不利；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］，且水分與養分的吸收具有協同作用，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生長，成熟期甘蔗主要進行糖分積累、轉運和轉化，溫度和水分環境條件成為了該時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化；如遇高溫和溫差小條件，會導致營養生長恢復，消耗自身養分，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［28］；多雨潮濕的環境下甘蔗表現為遲熟、低糖，但干旱或者其他因素導致過早的干旱蔗莖糖分也較低，并且蔗汁中的膠質含量增多，不利于榨糖［8］。

綜上可知，甘蔗不同時期的生長特性與環境條件息息相關，兩者的相互配合對甘蔗高產高糖栽培具有積極的指導價值。

1.3 栽培技術與措施

作物的產量除了受環境影響外，還與當下的栽培技術、種植制度及管理措施有關［29］。現今，我國蔗區在選育甘蔗優良新品種的基礎上研發并集成一系列先進適宜的栽培技術，主要包括蔗地機械深耕深松［30-32］、化肥減施［33］、地膜覆蓋［34］、節水灌溉［35］、脫毒健康種苗［36-37］、化學調控［38］、甘蔗生產管理機械化［39-40］和病蟲草鼠綜合防治［41］等，且它們的推廣應用取得了較好效果。此外，甘蔗種植制度和方式也會對產量造成一定程度的影響，比如種植時期［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果可知，甘蔗先進事宜栽培技術的應用推廣可明顯提高產量和經濟效益，增收增糖，在提高產業競爭力方面也發揮了顯著作用。

2 甘蔗產量生產中面臨的主要問題及其解決措施

甘蔗種植屬于勞動密集型產業，仍存在許多亟待解決的問題。首先，甘蔗生產機械化應用范圍小。目前，除了國有農墾農場及少數規模較大的甘蔗專業戶或者企業采用機械化種植和收獲外，尚有90%以上的種植戶仍采用人工種植和砍收方法，少數實現了半機械化模式。其次，甘蔗生產中過量施肥施藥問題非常嚴重，特別是氮、磷、鉀三要素肥料和除草劑的施用嚴重超標。目前，甘蔗減肥減藥、輕簡化栽培技術成為了生產研究熱門，同時高效低毒農藥研發和區域化生物綜合防治成為了當下農作物區域聯防的技術攻關重點。第三，在甘蔗良種種植結構優化配置及其病蟲害防治方面。甘蔗產業一直面臨著育種周期長而帶來的品種選育問題突出，且抗病育種難有進展。雖然甘蔗健康種苗的應用推廣在很大程度上緩解了供種難題，但蔗區長期品種單一化栽培現象依然嚴重，導致害蟲和病原菌已在蔗區土壤甚至空氣中大量積累，大面積引發螟蟲和黑穗病等頻發，且種性退化問題嚴重，進而甘蔗宿根性年限也嚴重降低。本課題組報道的甘蔗扦插和補種技術在解決上述瓶頸問題上取得了突破性的進展［47-48］；無人機高效噴施技術在安全可靠與生態環保方面給植保和化學調控技術帶來了新支撐［38，49］。第四，由于我國甘蔗生產條件總體較差，90%以上甘蔗栽培區域屬于喀斯特地形地貌，缺乏灌溉條件，水成為制約甘蔗單產提高的最重要因素，此時在條件允許的情況下，集成一系列節水灌溉技術措施是非常必要的，同時根據當地的氣候條件，有效的避開干旱天氣并進行適當的甘蔗栽培管理可望能實現穩產高產。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，在甘蔗單產基本穩定的前提下，通過延長宿根年限，降低生產成本，同時適當開展輪作或者間套作等立體種養模式的研發，甘蔗的總體經濟效益將可實現穩步增長，提高蔗農的積極性。與此同時，生產上推廣應用宿根好的甘蔗品種、合理調整種植結構、優化品種配置、加強重視宿根蔗管理等，從根本上系統地解決我國甘蔗生長周期較短的難題。

3 甘蔗產量形成中的化學調控技術集成措施

綜上所述，在既定品種的支持下，甘蔗的產量形成受到許多因素的影響，且不同生育期甘蔗產量農藝性狀和構成要素是不同的。因此，在當下的栽培條件下，通過中耕培土和“三攻一補施肥法”來管理和促進甘蔗產量性狀的生長發育而實現增產顯然無法一一滿足，也不科學，徒增生產成本，費時費工。作物化學調控技術作為農業生產的重要技術之一，針對作物不同時期的農藝性狀進行定向調控生長發育進程，在提高作物產量上發揮著巨大作用。根據生產實際，前人通過化學調控技術集成措施在甘蔗產量形成中開展了大量研究試驗，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，此時氣溫較低，降雨少，針對這種情況，李永健等［50］認為浸種/下種后淋水灌溉并集成了地膜覆蓋技術的甘蔗出苗效果最好；保水劑的應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和苗期生長較好的效果，而乙烯利浸種在甘蔗上的應用最為廣泛，乙烯利浸種對甘蔗萌芽及早期生長有明顯促進作用，還可提高甘蔗分蘗［38］；赤霉素對伸長期甘蔗節間伸長具有明顯的促進作用，也能促進萌芽齊苗，改善蔗莖品質和提高產量，但對甘蔗分蘗具有抑制作用［53］；也有報道指出分蘗期噴施乙烯利可提高甘蔗光合性能，并一定程度上促進分蘗成莖、伸長、莖徑等產量性狀的總體生長［54-55］，其他的一些化學藥劑在甘蔗分蘗期和伸長期的應用甘崇琨等［38］已進行了詳細總結。最后，甘蔗成熟期的調控一直都是世界上主要產蔗國家的關注熱點，目前，以草甘膦和乙烯利為主配方的甘蔗化學催熟劑在國內外得到了廣泛應用，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現的，掌控不好容易造成不可預見的后果。近年來，本課題組開展了不同植物生長調節劑浸種試驗，結果表明單一植物生長調節劑影響效果非常有限（數據未發表）；并在此基礎上優化配置成多功能甘蔗浸種劑（具有促進出苗、分蘗、壯苗及防病蟲等功能）和生長型增產增糖復合劑（數據均未發表）。

4 展望

近年來，雖然在生產中集成應用了許多適合我國蔗區栽培條件的各種高產高效栽培技術，但仍存在上述較多問題，尤其在廣西，由于自然條件的復雜多變、地形地貌的限制、水利條件落后等諸多因素，許多先進技術無法推廣應用，尤其是作物化學調控技術，目前應用于園藝上最多，在指導農業生產上因技術及其相關知識普及不足，不被廣大農業工作者所認知。雖然前人對不同植物生長調節劑在甘蔗上的應用作了廣泛研究，但由于施用的配套技術跟不上而不被接受，目前，無人機高效配施技術的有效應用給甘蔗化學調控帶來廣闊的市場前景，且基于化學調控技術的甘蔗高產高糖栽培技術體系的研發和集成將促進甘蔗產業新飛躍，助力甘蔗提質增效。