季節性干旱下農藝節水措施對甘蔗生長和產量的影響

安東升 嚴程明 陳炫 徐磊 劉洋 蘇俊波 孔冉 竇美安

摘? 要：為探明不同農藝節水措施在甘蔗應對季節性干旱中的作用機制，本研究以‘粵糖94-128為材料，設置地膜覆蓋+有機肥（T1）、保水劑+有機肥（T2）、蔗葉覆蓋+有機肥（T3）、蔗葉覆蓋+保水劑（T4）4個處理，以常規種植為對照（CK），研究不同農藝節水處理下土壤水分和出苗率、農藝性狀和干物質積累、光合活性和根系指標以及經濟性狀對季節性干旱的響應。結果表明：干旱脅迫前期土壤含水量表現為地膜覆蓋>蔗葉覆蓋>無覆蓋;T1處理出苗率最高且顯著高于CK。2015年，與CK相比，T1處理顯著增加株高（18.1%）和+1葉長（30.6%），T4處理顯著增加莖粗（21.8%），而T2處理的株高、莖粗和葉寬則顯著降低;T1處理顯著增加+1葉的最大光能利用效率（Fv/Fm）和葉片SPAD值（SPAD-502葉綠素儀測定值），T3處理顯著增加+1葉PSII實際光化學效率（ΦPSII），其余各處理與CK之間差異不顯著;T1、T2、T3、T4處理的總干物質積累分別增加94.5%、–37.0%、53.4%、79.9%;T3處理顯著增加根長密度、根表面積和根數，T2處理各根系指標則顯著降低;T2和T3處理單莖重高于T1處理，但有效莖數遠低于T1處理，有效莖數高是T1處理高產的主要原因;有機肥處理顯著增加田間錘度，T3處理增幅最高。2016年，與CK相比，甘蔗不同處理的農藝性狀、生理指標和干物質積累差異不顯著;但與2015年相比，T1處理農藝性狀指標呈下降趨勢，而T2處理則呈上升趨勢;各處理+1葉的ΦPSII均呈下降趨勢;T1、T2和T3處理總干物質積累呈下降趨勢，而T1和CK則呈上升趨勢。T3處理根系生物量和根長密度顯著高于CK，主要是由于細根增加所致;T4處理有效莖長顯著高于CK，但莖徑和單莖重并無顯著差異，產量差異源于有效莖數的差異;有機肥處理顯著增加田間錘度且各處理的田間錘度與2015年比呈上升趨勢。綜上，農藝節水措施主要通過在旱季減少土壤水分散失而提高甘蔗出苗率從而增加有效莖數，并通過增加植株干物質積累和促進根系生長以應對季節性干旱，進而保障后期經濟性狀。

關鍵詞：農藝節水措施;甘蔗;生長;產量;季節性干旱

中圖分類號：S566.1? ? ? 文獻標識碼：A

Effect of Agronomic Water Saving Measures on Growth and Yield of Sugarcane under Seasonal Drought

AN Dongsheng1，3， YAN Chengming1，4， CHEN Xuan1， XU Lei1， LIU Yang1，4， SU Junbo2， KONG Ran2， DOU Meian1，3*

1. Zhanjing Experimental Station， Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences， Zhanjiang， Guangdong 524013， China; 2. South Subtropical Crop Research Institute， Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences， Zhanjiang， Guangdong 524091， China; 3. Guangdong Modern Agriculture （Cultivated Land Conservation and Water-saving Agriculture） Industrial Technology Research and Development Center， Zhanjiang， Guangdong 524013， China; 4. Guangdong Engineering Technology Research Center for Dryland and Water Saving Agriculture， Zhanjiang， Guangdong 524091， China

Abstract： A major objective of this study is to investigate the effects and mechanisms of different agronomic water saving measures on sugarcane confronting seasonal drought. Four treatments including plastic film mulch + organic manure （T1）， water retaining agent + organic manure （T2）， sugarcane trash mulch + organic manure （T3）， sugarcane trash mulch + water retaining agent （T4） and row-planting （CK） were conducted to explore the effects on relative soil water content （RSWC） and emergence rate （ER）， root traits and photo-system indices， dry matter accumulation， agronomic and economic characters for tested cultivar ‘YT 94-128. The results showed that mulch significantly increased RSWC under the early stage of drought， which was plastic film mulch > sugarcane trash mulch > no mulch， ER of T1 was significantly higher than CK. Compared with CK in 2015， the highest plant height （PH）， stem diameter （SD）， and leaf length （LL） appeared in T1 （18.1%）， T4 （30.6%）， T1 （21.8%）， respectively， but the PH， SD and leaf width （LW） of T2 significantly decreased. Fv/Fm and SPAD significantly increased in T1， +1 leaf PSII quantum efficiency （ΦPSII） significantly increased in T4， there was no significant difference among the other treatments. Dry matter accumulation for T1， T2， T3 and T4 was 94.5%， –37.0%， 53.4% and 79.9% higher than that of CK. T3 significantly increased the root length density （RLD）， root surface area （RSA） and roots， which was opposite to T2. T2 and T3 possessed high single stalk weight （SSW） but the? millable stalks （MS） were significantly lower than that of T1， which made T1 the highest yield. In 2016， there were no significant differences for agronomic characters， physiological indies and dry matter production among each treatment comparing with CK. But compared with 2015， the agronomic characters of T1， +1 leaf ΦPSII of all treatments and dry matter accumulation of T1， T2 and T3 decreased， while the agronomic characters of T2 and dry matter accumulation of T4 and CK increased. The root biomass and root length density of T3 were significantly higher than that of CK， resulted from the increase of fine roots. The result of the difference analysis between MS and yield was consistent.The Br° of T1， T2 and T3 was significantly higher than that of T4 and CK in both 2015 and 2016， reveling that organic manure improved the sugarcane quality. In conclusion， the agronomic water saving measures promoted the emergence rate and formed strong plants via reducing loss of soil moisture， which could increase the millable stalks and dry mater accumulation， and enhance the root system of sugarcane to resist the seasonal drought， which guaranteed the cane yield and quality.

Keywords： agronomic water saving measures; sugarcane; growth; yield; seasonal drought

DOI： 10.3969/j.issn.1000-2561.2021.04.012

甘蔗是我國重要的糖料作物，在西南、華南無灌溉措施的丘陵旱坡地上的種植面積超過85%[1]。基于連續無有效降水日數指標的南方干旱時空特征研究結果顯示，冬春季節性干旱逐步超過秋旱成為西南、華南地區主要的自然災害[2-3]。自1950—2005年間有8年冬春連旱，而跨三季連旱的12 a中有11 a經歷了春旱[4]。冬春連旱極大地限制了甘蔗出苗、幼苗生長和壯苗形成，嚴重降低甘蔗產量。如2015年春季廣東粵西地區旱情最為嚴重，特別是雷州半島上半年降水總量僅為179 mm，農作物中甘蔗受災面積達3.03萬hm2[5-6]。季節性干旱已成為限制華南、西南蔗區生產潛力的主要因子之一。

相對于生物節水、工程節水與管理節水，農藝節水技術是針對無灌溉措施的旱地、從栽培學角度入手的保墑技術[7]。農藝節水技術的核心是通過保墑增加土壤有效水，其主要技術模式集中于以下2類：（1）地上部分主要通過材料覆蓋或作物覆蓋減少地表蒸發。如地布覆蓋和地膜覆蓋明顯提升蘋果根際土壤貯水量，并分別實現增產32%和20.4%，且地布因其水氣通透特性而表現出更高的增幅[8];地膜覆蓋對土壤增溫效果最好，具備最高的水分儲量和利用效率[9]，同時顯著提升作物根系指標[10]，以及土壤酶活性及有機質質量分數;秸稈覆蓋則進一步增加土壤速效N和有機質，顯著增加產量而不影響品質[11]。根據不同地區的水分輸入和氮素水平，選擇地膜覆蓋或秸稈覆蓋對產量和水分利用效率的提升效果更佳[12]。（2）地下部分通過增施有機質和其他保水物質改變根區土壤結構與蓄水特性。土壤有機質決定作為衡量土壤含水量及其有效性重要因子的土壤孔隙度[13]，合理施用有機肥和秸稈覆蓋均能明顯增加土壤有機質含量[14-15]，進而改善土壤保墑能力，提升植株根系活力與光合能力[16]。保水劑通過改變毛管孔隙持水特性增加土壤中、低水吸力段的有效貯水量[17]，延遲葉片水勢和苗木生長受到干旱抑制的時間[18]。

旱地甘蔗節水保墑措施目前仍以地膜覆蓋為主，耕作、蔗葉覆蓋、秸稈還田、土壤改良為輔，各農藝節水措施對耕層土壤溫度、土壤濕度、甘蔗生長和產量的影響均有較為系統的研究[19-22]。但從輕旱過渡至重旱過程中，土壤水分的變化、植株生長和生理指標對不同農藝節水措施的響應，仍有待于進一步研究。本研究針對甘蔗地上部分保水措施采用地膜覆蓋和蔗葉覆蓋;地下部分保水措施采用增施有機肥和應用保水劑，探討不同農藝節水措施下土壤水分由輕旱至重旱的變化，通過測定分析甘蔗農藝性狀、光合活性及根系指標、經濟性狀，探明不同農藝節水措施在甘蔗應對季節性干旱中的作用機制。

1? 材料與方法

1.1? 材料

試驗于2015—2016年在中國熱帶農業科學院湛江實驗站綜合試驗基地進行，試驗地土壤速效N、P、K和有機質含量分別為120.2、43.15、303.96、17.91 g/kg。甘蔗品種選擇廣州甘蔗糖業研究所選育的‘粵糖94-128。地膜選用PBAT+ PLA可再生生物基材料制備的可完全生物降解地膜，覆蓋種植溝;蔗葉覆蓋用上茬采收后蔗葉沿著種植行向于下種后覆蓋種植溝，蔗葉不作粉碎處理，覆蓋量9 t/hm2;保水劑選用‘有機-無機雜化型保水劑，以0.15 t/hm2的用量于下種后沿種植行向撒入種植溝;有機肥選用商品有機肥（NPK含量5%、有機質含量45%），沿種植行向溝施作為底肥，施用量每小個區5 t/hm2。

1.2? 方法

1.2.1? 實驗設計? 2015年3月下旬完成試驗田清理與機耕，4月10日完成所有小區的下種和試驗處理。4月11—12日降水約22.5 mm，降水后人工補水至30 mm降水量水平，灌溉后覆膜。受10月5日臺風‘彩虹影響，于11月18日挑選各處理內較為完整的植株進行經濟性狀測定。2016年3月上旬完成試驗田清理與機耕，3月11日完成所有小區下種和試驗處理，3月12—13日降雨2 mm，人工補水至30 mm降水量水平，灌溉后覆膜，并于12月26日進行經濟性狀測定。處理期間各月份降水和溫度情況見圖1。甘蔗每畝用種量2668段，每段2個芽，種植行距1 m。試驗分為4個處理：地膜覆蓋+有機肥（T1）、保水劑+有機肥（T2）、蔗葉覆蓋+有機肥（T3）、蔗葉覆蓋+保水劑（T4），以常規種植作為對照（CK），小區面積40 m2，每個處理3次重復。

1.2.2? 測定項目與方法? （1）土壤水分和出苗率。采用土壤水分傳感器于處理后18 d起每隔10 d測定（20±2.5） cm處土壤相對含水量（RWC），每個小區測3個位點，每處理3個小區共9個位點，統計各處理出苗率。

（2）植株農藝性狀和生理指標。于2015年5月31日和2016年5月1日選取各小區內長勢處于平均水平的植株3株測定各處理甘蔗農藝性狀，選擇每個小區內長勢一致的植株3株測定不同葉位的光合生理指標;農藝性狀包括株高（cm）、莖粗（cm）、葉片數、+1葉葉長（cm）和葉寬（cm）;生理指標采用SPAD-502葉綠素儀測定的+1葉SPAD值，采用MINI-PAM-II脈沖調制式葉綠素熒光儀測定的+1葉潛在最大光能利用效率（Fv/Fm）和光合有效輻射（PAR）950 μmol/m2·s下不同葉位PSII實際光化學效率（ΦPSII）。

（3）植株干物質生產及根系指標。分別于2015年6月1日和2016年5月2日對選定的植株進行破壞性取樣測定植株干重，同時進行根系取樣分析。采取破壞性取樣通過烘干法測定植株地上和地下部分干物質的量（g）;以植株為中心，取長、寬、高0.2 m×0.2 m×0.2 m的土體，篩出根系，采用洗根根系分析系統測定根系指標，包括根長密度、表面積和根尖數，以及不同根莖范圍內根系分布。

（4）經濟性狀。分別于2015年11月18日和2016年12月26日于每個小區選取10株統計經濟性狀，包括有效莖長（cm）、莖徑（cm）、單莖重（kg）、有效莖數（×104/hm2），并測算產量;采用ATAGO手持式折光儀測定田間錘度（Br°）。

1.3? 數據處理

采用SPSS統計分析軟件中Duncan多重比較分析方法進行統計分析。

2? 結果與分析

2.1? 土壤含水量和出苗率對農藝節水措施組合的響應

從圖2可知，2015年呈現出持續干旱的態勢（定植后總降水約39 mm），處理后18 d（干旱脅

迫前期），與CK相比覆蓋（T1、T3和T4）處理能夠顯著提高土壤含水量，表現為地膜覆蓋>蔗葉覆蓋>無覆蓋，出苗率表現為地膜覆蓋最高，保水劑處理次之。隨著基本苗數和干旱程度的增加，各處理含水量大幅下降，出苗率均有不同程度的增加。處理后48 d（干旱脅迫后期），各處理土壤含水量顯著高于CK，且T1處理顯著低于T2、T3和T4處理。與CK相比，出苗率則表現為T1處理顯著升高，而T2和T3處理顯著降低。2016年定植后48 d總降水約為117 mm，因此土壤含水量遠高于2015年。但是在處理后28 d（干旱脅迫前期，因處理后第11～12 d降水47.6 mm），土壤含水量仍然表現為地膜覆蓋>蔗葉覆蓋>無覆蓋。處理后48 d的各處理土壤含水量顯著高于CK，而出苗率只有T1和T4處理顯著高于CK。

不同小寫字母表示在0.05水平上差異顯著（數據為平均值±標準差）。

Different lowercase letters indicate significant difference at the 0.05 level （Data=Mean±SD）.

2.2? 甘蔗農藝性狀對不同農藝節水措施組合的響應

2015年，處理后48 d，與CK相比，T1處理甘蔗的株高顯著增加，T1和T4處理莖粗和+1葉長顯著增加，T1處理的株高和葉長增幅最大，分別約為18.1%和30.6%，T4處理莖粗增幅最大，約為21.8%，而T2處理各農藝性狀指標則顯著降低;各處理葉片數與CK相比差異不顯著，但處理間表現為T1和T4處理顯著高于T2和T3處理;T2處理葉寬顯著低于CK、T1和T4處理（表1）。2016年度各農藝性狀指標在不同處理間的差異均不顯著，且與2015年相比，T1處理各農藝性狀指標呈下降趨勢，而T2處理則呈上升趨勢（表1）。

2.3? 甘蔗生理指標對不同農藝節水措施組合的響應

干旱脅迫通過根系信號傳導作用于氣孔保衛細胞調節蒸騰作用，同時影響光合作用。根系是作物水分和養分吸收的重要器官，光合作用是作物能量和C庫來源。因此，本研究對生理指標的測定主要關注光系統活性與葉綠素含量。由表2可知，2015年，與CK相比，T1處理+1葉的Fv/Fm和葉片SPAD值顯著增加，其余各處理差異不顯著;處理間表現為T2處理的Fv/Fm顯著低于T1、T3和T4處理，T2處理的SPAD值顯著低于T1處理。CK和T1處理的+1葉的ΦPSII顯著低于T3處理，+5葉的ΦPSII顯著低于T2和T3處理，而+3葉的ΦPSII則在各處理間差異不顯著。2016年，Fv/Fm、SPAD值和不同葉位的ΦPSII在各處理間差異均不顯著，但與2015年相比，各處理+1葉的ΦPSII呈下降趨勢。

2.4? 甘蔗干物質積累對不同農藝節水措施組合的響應

2015年，與CK相比，地膜覆蓋和蔗葉覆蓋（T1、T3和T4）處理均能顯著提高甘蔗地上部分干物質積累，而只有蔗葉覆蓋（T3和T4）處理能顯著提高甘蔗地下部分干物質積累，無覆蓋條件下采用保水劑（T2）處理則顯著降低甘蔗地下部分干物質積累，地上部分下降不顯著;T1、T2、T3和T4處理下甘蔗總干物質積累分別比CK增加94.5%、–37.0%、53.4%和79.9%。2016年各處理間甘蔗地上和地下部分干物質積累差異均不顯著，與2015年相比，T1、T3和T4處理總干物質積累呈下降趨勢，而CK和T2處理則呈上升趨勢（圖3）。

2.5? 甘蔗根系對不同農藝節水措施組合的響應

2015年，與CK相比，T2處理根系生物量顯著降低，而根長密度、根表面積和根數則表現為T3處理顯著增加，而T2處理顯著降低。T4處理各根系指標顯著高于T2處理，說明無覆蓋條件應用保水劑面臨重旱時阻礙根系生長。2016年T3處理的根系生物量和根長密度顯著高于CK，而根表面積和根數在不同處理間并無顯著差異（表3）。

不同小寫字母表示在0.05水平上差異顯著（數據為平均值±標準差）。

Different lowercase letters indicate significant difference at the 0.05 level （Data=Mean±SD）.

對于不同根莖范圍內根長的分析表明（圖4），當0 mm<根莖范圍<0.5 mm時，T1、T3和T4處理根長顯著高于CK，T2處理顯著低于CK;當0.5 mm≤根莖范圍≤1 mm時，T3處理根長顯著高于CK，而T2處理顯著低于CK，T1和T4處理與CK間根長差異不顯著;當根徑>1.5 mm時，T2處理根長顯著低于CK，T3處理根長顯著高于T1、T2和T4處理。2016年當且僅當0 mm<根莖范圍<0.5 mm時，T1、T2和T3根長高于CK且差異顯著，其余根莖范圍內各處理間根長差異均不顯著。

2.6? 甘蔗經濟性狀對持續干旱下不同農藝節水措施組合的響應

從表4可見，2015年，與CK相比，農藝節水措施能顯著提高甘蔗莖長和單莖重，有機肥能夠顯著增加甘蔗田間錘度，T3處理的莖長和田間糖錘度增加最顯著，T2和T3處理的單莖重增加最顯著，T1處理的有效莖數增加最顯著。地膜覆蓋增產效果最顯著，有機肥處理顯著增加田間糖錘度，增幅以T3處理最大，T1和T2處理次之。2016年，與CK相比，T4處理有效莖長顯著增加，而莖徑和單莖重并無顯著差異，產量差異顯著性

不同小寫字母表示在0.05水平上差異顯著（數據為平均值±標準差）。

Different lowercase letters indicate significant difference at the 0.05 level （Data=Mean±SD）.

分析結果與有效莖數相一致。有機肥處理（T1、T2和T3）田間錘度顯著增加。

3? 討論

2015年，處理后18 d（干旱脅迫前期），不同農藝節水措施下土壤含水量表現為地膜覆蓋>蔗葉覆蓋>保水劑，這與武繼承等[23]對小麥揭膜前覆蓋條件下應用保水劑提升土壤水分的效果高于單獨應用保水劑的研究結果趨于一致（具體表現為地膜+保水劑>地膜>秸稈+保水劑>保水劑）。但是，在干旱脅迫后期（38 d和48 d），T1處理的土壤含水量小于T2且差異顯著，這是由于較高的出苗率導致耗水強度增加所致;但T1處理的出苗率、農藝性狀指標和根系指標均高于T2處理，說明在重旱條件下，保水劑會與作物根系競爭土壤水而影響作物生長發育，在不同干旱程度下保水劑對土壤有效水含量的影響有待于進一步研究。T3處理降低甘蔗出苗率，這可能是由于蔗葉中化感物質如酚酸和黃酮類物質，及秸稈覆蓋對土壤的降溫效應抑制甘蔗芽萌發所致[24-25]。2016年，處理后18 d，不同農藝節水措施下土壤含水量在各處理間不顯著，T1、T3和T4處理的出苗率顯著高于CK;處理后38 d出苗率在各處理間的差距縮小，這是由于土壤水分增加導致出苗率增加所致，且出苗率的增加滯后于土壤含水量的增加。

2015年，經48 d自然干旱后，不同農藝節水措施中有機肥處理下的出苗率、株高、+1葉長和地上部分干物質積累均表現為地膜覆蓋>蔗葉覆蓋>保水劑;而地下部分干物質積累和各根系指標表現為蔗葉覆蓋>地膜覆蓋>保水劑。說明與配施保水劑相比，有機肥在覆蓋條件下更利于提高旱季植株生長發育。盡管有機肥條件下保水劑處理相對于地膜覆蓋處理具有更高的單位葉片ΦPSII （地膜覆蓋處理比保水劑處理低11%），但地膜覆蓋處理的植株葉長、葉寬和葉片數分別高于保水劑處理32.9%、28.7%和31.7%。由于在相同的光合時間下，光合面積與光合效率是決定甘蔗光能利用和干物質生產的兩大因素[26]，因此，植株干物質積累表現為地膜覆蓋>保水劑是由于光合面積對光能利用效率的增益效用遠高于單位葉片實際光化學效率的增益所致。Fv/Fm隨著遮陰程度的增加而增大[27]，而其強光適應性有所下降，這也是2016年的Fv/Fm比2015年略有增加，但+1葉在PAR 950 μmol/m2·s下的ΦPSII均有降低的原因。

根系形態研究表明，地膜覆蓋下10～50 cm深度作物根長和表面積顯著增加[28]，作物覆蓋對改善植株根系構型效果最好[29]。適當增加種植密度有利于增加根系數量[30]，但根系指標隨著種植密度的進一步增加而有所下降，其差異幅度的表現為中密度>高密度[31]。研究發現，2015年，T3處理能夠顯著增加根長密度、根表面積和根數，且由于不同農藝措施導致出苗率的差異間接改變了種植密度，因此T3處理的根長密度、根表面積和根數顯著高于CK，而出苗率則顯著低于CK。對不同根徑范圍內根長的研究表明，覆蓋有利于保持較高的土壤含水量，進而提高細根根長，而蔗葉覆蓋下，增施有機肥處理對細根指標的增益高于保水劑處理，這與前人對于施肥處理和秸稈還田均顯著增加棉花細根生物量的研究結果趨于一致[32]。但是對于根徑>1.5 mm的粗根，T1和T4處理的根長則低于CK，這是由于干旱有利于植株主根生長所致;無覆蓋下保水劑對土壤水的爭奪則阻礙T2處理的根系生長。而在2016年，相對于CK只有T3能夠顯著增加根系生物量和根長密度，并且主要是由于根莖范圍在0～0.5 mm的細根增加所致。

總體上，各處理間的有效莖數（T1>CK>T4、T3>T2）和出苗率（T1>CK、T4>T3>T2）表現出相同的變化趨勢，而莖徑（T2、T3、T4>T1、CK）和單莖重（T2、T3>T4>T1>CK）則與有效莖數呈現相反的變化趨勢。較低的出苗率直接引起種植密度降低，植株個體便具有光溫空間分布的優勢，因此表現出較高的單莖重，這與玉米種植密度增加引起單株性狀和產量負效應的研究結果趨于一致[33-34];與T1處理相比，T2處理雖然在單株個體發育上優勢明顯，但是其有效莖數遠低于T1處理，因此導致產量顯著降低，有效莖數的增加是2015年和2016年甘蔗增產的主要因素。生態有機肥及其與化肥配施有利于增加甘蔗品質，其蔗汁錘度、重力純度和蔗糖分均表現為生態肥>配施>化肥>CK[35]，增施有機肥顯著提升甘蔗田間錘度，這是由于增施有機肥通過提升土壤有機質和有機養分，并通過為微生物群落提供有機C和N，調節土壤中養分釋放的強度和速率，使作物獲得均衡的礦質營養，從而在品質上獲得較高的可溶性固形物含量（主要是蔗糖）所致[36-37]。

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責任編輯：黃東杰