我國甘蔗養分高效利用的研究進展

王繼華，商賀陽，楊少海*

（1.廣東省農業科學院作物研究所，廣東 廣州510640；2.廣西大學農學院，廣西 南寧 530004）

甘蔗是世界主要的糖料經濟作物，蔗糖產量占全球食糖產量的79.4%，甘蔗產業的健康持續發展對保障世界食糖供給安全起著至關重要的作用[1－2]。甘蔗廣泛種植于熱帶、亞熱帶地區，主要集中在亞洲和美洲，其中巴西、印度、中國和泰國是四大甘蔗種植國，產量分別占世界的39.38%、18.18%、6.83%和5.33%[3－4]。近年來，我國甘蔗種植面積及產量都逐年減少，由2013年的181.6萬hm2（產蔗量12 820.1萬t）減少至2016年的152.68萬hm2（產蔗量11 382.46萬t），在甘蔗單產上略有上升，由2013年的70.60 t/hm2提高到2016年的74.55 t/hm2，但遠低于世界單產排名第一的秘魯（133.72 t/hm2），可見提高我國甘蔗單產潛力很大[1，4－5]。

甘蔗是C4高光效作物，生物量大，也是一種對養分和水需求量都較大的作物，其產量和品質與氮、磷和鉀等主要養分密切相關，肥料是甘蔗產量形成的重要因素，也是生產上的主要開支。20世紀40年代起，澳大利亞采用增加氮肥施用量提高甘蔗產量，90年代氮肥施用量達到200 kg/hm2，但產量沒有隨著施肥量的增加而持續增長，過量施肥不僅會增加種植成本，還會造成環境污染[1]。1997—2013年，在政府的干預指導下，澳大利亞的甘蔗氮肥施用量持續減少，近幾年來基本穩定在170 kg/hm2，氮肥利用率保持在50%～60%[1，6]。我國甘蔗產業氮肥施用量為360 kg/hm2，遠高于澳大利亞，氮肥利用率較低（10%），遠低于澳大利亞的氮肥利用率55%[2，6]。由于我國耕地面積受限，無法依靠擴大甘蔗種植面積提高甘蔗產量。在確保甘蔗種植面積的前提下，可通過加大科技投入力度，提高甘蔗養分利用率，從而實現甘蔗增產增收的目的[7]。

養分對甘蔗產量和品質影響較大，甘蔗養分高效利用是相關領域研究的主要熱點之一。本文綜述了國內關于甘蔗生長與養分利用的規律和影響養分高效利用的因素包括栽培技術和育種等方面的研究進展，展望了甘蔗養分高效利用的研究方向，以期為甘蔗養分高效利用的研究提供參考。

1 甘蔗的養分需求規律

甘蔗在不同生長期對養分的需求量和種類有很大差異，在苗期和成熟期對養分的需求量相對較少，伸長期對養分的需求量多。甘蔗萌芽期種莖貯藏的養分供其利用，不需要從土壤中吸收；萌芽期到幼苗期需要的養分總量較少，但不能虧缺。在此期間，甘蔗幼苗對氮的需求量較大，其次為鉀和磷；在分蘗期甘蔗對養分的需求量逐漸增大，氮、磷、鉀的吸收量占整個生長期的10%～20%；進入伸長期后，隨著蔗莖的迅速伸長，對養分的需求量大大增加，占整個生長期的50%以上；進入工藝成熟期后，甘蔗對養分的需求量逐漸減少，對鉀元素的需求量最大[8]。

甘蔗對養分的需求量還與甘蔗品種、土壤養分含量、生態條件、施肥量與種類和管理水平等因素直接相關，在整個生育期其對氮、磷、鉀的吸收量為K2O＞N＞P2O5，一般每千克原料蔗對N、P2O5、K2O吸收量的范圍分別為 1.08～3.20 g、0.27～0.70 g、1.01～3.34 g[9－10]。在不同的甘蔗生產地區，甘蔗對養分的吸收量也不同。 巴西蔗區 1 t蔗莖對氮、磷、鉀的吸收量分別為 0.80、0.30、1.33 kg，而廣東湛江蔗區為 1.72、0.42、4.09 kg[11－13]。在湛江蔗區，含有斑茅血緣的BC2－32需求量大，分別為2.31、0.57、4.74 kg，比粵糖60號、新臺糖22號、粵糖55號等要高，這主要是由基因型導致甘蔗對養分的吸收能力和莖葉分配比不同所致[11]。

2 甘蔗養分高效利用的影響因素

在我國，甘蔗和其它作物一樣對養分利用率相對較低，尿素、鈣磷鎂、氯化鉀的利用率僅為25%、5%和33%。甘蔗養分利用率的高低與品種、施肥技術、土壤養分含量、肥料種類和施肥量等[12－18]因素有關。同時，甘蔗對氮、磷、鉀養分利用率相互聯系，具有協同作用，一般對鉀利用率較高的基因型對氮、磷的利用率也較高。合理施用氮、磷、鉀肥可提高甘蔗產量和養分利用率，對增產效果的影響表現為氮＞鉀＞磷，過量施用氮、磷、鉀肥不僅會增加甘蔗生產成本、污染環境，還會造成單位施肥量的甘蔗增產量下降，從而降低肥料利用率[15]。

在基因型方面，粵糖55號對N、P2O5、K2O的利用率分別為41.04%、9.56%、57.46%，顯著高于粵糖00－236和桂糖02－901[19]。甘蔗生育期對氮的需求量不同，對基肥、分蘗肥和攻莖肥的利用率為攻莖肥＞分蘗肥＞基肥。甘蔗生長前期對氮素的吸收量較少，土壤中過量的氮素通過揮發、反硝化等作用損失，從而降低了氮素利用率；甘蔗拔節期對氮素的吸收量較大，相應提高了氮素利用率[14]。

在缺鉀或低鉀條件下，甘蔗對鉀素利用效率顯著高于正常處理和高鉀處理。在低鉀脅迫下，粵糖60號的鉀素利用效率顯著高于其他基因型，對鉀素的利用效率表現為粵糖60號＞粵糖55號＞斑茅雜交后代BC2－32＞新臺糖22號，在鉀充足條件下差異不顯著，這主要是由于不同甘蔗品種耐低鉀能力不同所致[15]。

施肥種類和施肥量也與甘蔗養分利用率相關。在廣西坡耕地赤紅壤環境下，甘蔗對氮的利用率隨著施氮量增加而增加；對磷利用率隨著施磷的減少而增加，并且農家肥的使用有助于提高甘蔗對磷的利用率；而甘蔗對鉀利用率以80%常規施肥量最高，農家肥的使用則降低了鉀的利用率[17]。甘蔗對新型肥料和常規肥料的利用率也不同，在減量緩控釋肥處理中，氮、磷、鉀養分利用率均顯著高于常規氮磷鉀化肥、優化氮磷鉀化肥+硅鎂肥處理[18]。

3 甘蔗栽培技術與養分高效利用

甘蔗測土配方施肥技術已在多種作物上應用，可根據甘蔗需肥規律、土壤供肥性能和肥料效應及農業生產需求，在合理施用有機肥料的基礎上，適時、適量、適法地施用氮、磷、鉀等營養元素肥料[20]。甘蔗測土配方施肥技術可提高甘蔗肥料利用率、產量和經濟效益，與常規施肥相比，產量和經濟效益均有所提高，分別提高5.65%和 1 359.35 元/hm2，應用前景較為廣闊[21－22]。

近年來，節水灌溉技術在甘蔗種植上開始應用，以較少的灌溉水量取得較好的經濟效益，不僅可以充分利用淡水資源，還可以提高甘蔗肥料利用率和產量[23]。目前主要的節水灌溉技術有噴灌、微灌和滴灌，在3種節水灌溉技術中，微灌的整體效果優于噴灌和滴灌，甘蔗對氮、磷、鉀和水的利用率分別為50.39%、29.41%、51.64%和89.24%，有效灌溉面積為30%～50%；噴灌可以全面灌溉，但甘蔗對養分的利用率最低；滴灌的甘蔗對氮、磷、鉀和水的利用率最高，分別為51.32%、30.21%、52.11%、90.01%，但有效灌溉面積小于30%[24]。譚宏偉等研究表明，滴灌減量施肥區的甘蔗產量達183.855 t/hm2，甘蔗產量較無灌溉區增產62.73%，能實現甘蔗高產優質的目標[25]。

甘蔗水肥一體化技術是利用微灌系統，根據土壤的水分和養分狀況及甘蔗對水和肥料的需求規律，將肥料和灌溉水一起適時適量地輸送到甘蔗的根部土壤，供甘蔗吸收利用，可提高甘蔗肥料利用率和產量[26]。水肥一體化技術主要有滴灌水肥一體化、微噴灌水肥一體化、膜下滴灌水肥一體化，甘蔗水肥一體化技術主要為甘蔗滴灌水肥一體化。滴灌區的土層減量施肥與無灌溉區的土層常規施肥相比，可以顯著提高肥料利用率和甘蔗產量，但滴灌設備投入較高，純收益低于無灌溉的常規施肥，滴灌區的土層減量施肥+滴灌施肥純收益顯著高于無灌溉區的土層常規施肥，這種差異主要是由于滴灌區的土層減量施肥和滴灌水肥一體化均能提高肥料利用率和甘蔗產量所致[27]。滴灌施肥和常規施肥+滴灌處理與常規施肥+無滴灌處理相比，分別增產31.9%、22.8%[28]。

4 甘蔗養分高效利用的種質資源篩選

不同作物品種對養分的吸收和利用效率存在較大的差異，這種差異是受遺傳基因控制的，并且有很大的遺傳改良潛力[29]。篩選作物養分高效利用基因，可以促進提高養分利用率，通過營養效率評價，已經篩選得到一批營養高效的作物品種，在營養元素高效利用機制上也取得一定進展。近年來，國內科研人員已篩選出氮、磷、鉀高效和低效甘蔗品種（見表1）。養分高效品種在低養分脅迫下，株高、莖徑、地上部生物量等方面具有較大的優勢，磷高效基因型大多都是具有生長旺盛、分蘗力強、有效莖數多、高糖、高產等特點的栽培品種，具有更優秀的綜合遺傳種資源，適應性強[30－32]。

5 甘蔗養分高效利用的分子育種

甘蔗遺傳背景復雜，開花難，缺乏高產、優質、養分高效利用的親本，采用傳統育種手段很難選育出有突破性的優良品種。通過轉基因技術可以將目的性狀定向轉移，為甘蔗品種改良提供了有效途徑，如對甘蔗抗逆性、抗病性、抗蟲性的遺傳改良。近年來，多種植物的鉀營養性狀基因被陸續克隆出來，它們可能都是介導植物根部從土壤中吸收鉀離子。國內研究人員利用RT－PCR技術，從甘蔗根系中克隆得到鉀通道蛋白SsAKT1、鉀轉運蛋白基因SsHAK2、與CBL互作的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶基因SsCIPK23，這些基因可能在甘蔗耐低鉀中起重要的調控作用[32－34]。有研究表明，外源超表達基因AtCBL9、AtCIPK23、AtAKT1使甘蔗的耐低鉀能力得到顯著提高[35]。這主要是由于隨著甘蔗對鉀的不斷吸收，培養基中鉀含量逐漸降低，而轉基因植株的根系分布較為分散，并且K+通道蛋白的數量和活性顯著提高所致。

表1 不同營養元素高效和低效甘蔗品種

6 展望

甘蔗的研究相對于其它作物而言相對落后，關于高產甘蔗養分需求規律及其機制的研究還不深入，需要進一步完善高產甘蔗養分高效利用調控理論與技術。在栽培方法和施肥技術上由于蔗田單元面積狹小，若依據田塊推薦測土配方施肥有一定的偏差。在肥料方面，區域甘蔗專用肥料配方將成為甘蔗肥料發展的主要趨勢，新型緩釋肥可以降低人工成本，在甘蔗種植上有發展的空間。甘蔗水肥一體化技術的推廣應用發展迅速，但受施肥參數不明確的影響，很難做到甘蔗需肥、需水規律同步?！按笈浞?、小調整”區域配肥技術與精準精細灌溉技術相結合的水肥一體化精準精細灌溉施肥技術將是甘蔗產業發展的必然趨勢。在育種方面，雖然已篩選出一批養分高效利用甘蔗品種，但甘蔗遺傳背景復雜，開花難，缺乏高產、優質、養分高效的親本，采用傳統育種手段很難選育出有突破性的優良品種。若在甘蔗前期進行養分高效基因轉化，獲得養分高效的轉基因植株，將會縮短育種周期，提高育種效率。