云南蔗区播期与水氮耦合对甘蔗产量和糖分影响

毛 钧，王 靖，黄明霞，陆 鑫，刀静梅，张跃彬，桃联安，俞华先

云南蔗区播期与水氮耦合对甘蔗产量和糖分影响

毛 钧1,2，王 靖1※，黄明霞1，陆 鑫2，刀静梅2，张跃彬2，桃联安3，俞华先3

（1. 中国农业大学资源与环境学院，北京 100193；2. 云南省农业科学院甘蔗研究所，开远 661699；3. 云南省农业科学院甘蔗研究所瑞丽育种站，瑞丽 678600）

播期调控和水氮优化管理是提高作物产量和品质的有效措施。德宏是云南甘蔗主产区之一，属于典型的湿润蔗区，然而播期和水氮管理对该区甘蔗生产的耦合效应尚不明确。该文基于云南德宏蔗区瑞丽甘蔗试验站的大田分期播种试验数据评估了APSIM-Sugar（Agricultural Production Systems sIMulator-Sugar）模型的适应性，并应用验证后的模型进行了播期和水氮耦合对甘蔗大田生产影响的情景模拟，通过比较不同耦合方式下的蔗茎产量、蔗茎含糖量、水分和氮肥利用效率等指标差异，分析了云南德宏蔗区雨养和灌溉条件下的最优播期和水氮管理耦合方案。结果表明：APSIM-Sugar模型能够较准确的模拟云南德宏蔗区甘蔗代表品种（ROC22和YZ0551）在典型播期下的蔗茎产量和含糖量变化趋势，模拟相对均方根误差在10%以内，决定系数2大于0.9。播期调控和水氮优化能够为德宏蔗区的甘蔗生产提供积极影响，雨养条件下采用春植或冬植有利于甘蔗稳产和水氮高效利用，灌溉条件下采用秋植或春植有利于甘蔗高产和水氮高效利用。云南德宏等湿润蔗区旱地甘蔗推荐种植模式为，春植蔗2月下旬播种，冬植蔗12月下旬播种，施用纯氮60 kg/hm2，可获得95～100 t/hm2的蔗茎产量（含糖量大于19%）。水浇地甘蔗推荐种植模式为，春植蔗2月下旬播种，施用纯氮120 kg/hm2，配合伸长期灌水360 mm，可获得近120 t/hm2的蔗茎产量（含糖量大于17%）；秋植蔗10月下旬播种，施用纯氮180 kg/hm2，配合分蘖期和伸长期灌水720 mm，可获得近170 t/hm2的蔗茎产量（含糖量大于18%）。研究结果可为在云南湿润蔗区进行甘蔗生产的播期调控和水氮优化提供依据，为甘蔗高产高效种植管理决策提供参考。

灌溉；施肥；播种；水氮耦合；甘蔗模型

0 引 言

云南地处低纬高原，受季风气候和地形影响，干湿季分明，降水多集中于夏秋两季，冬春两季明显偏少，降水量的时空分布不均导致农业干旱各月在不同地区均有可能发生，季节性干旱仍是制约农作物生产的重要因素[1]。作为中国第2大甘蔗主产区，云南主要有8个州市种植甘蔗，其中德宏州常年甘蔗种植面积6.2万hm2，年产糖60万t，是仅次于临沧市的云南第2大蔗区。该蔗区年均温较高、年降水总量较大，属于较典型的亚热带湿润蔗区，但降水量各月分配不均，年际变率大；同时由于丘陵旱坡地植蔗面积大，灌溉设施不完善，70%以上的蔗地只能靠雨养，干旱减产问题突出，甘蔗生产稳定性差[2-4]。有研究表明德宏州小麦和甘蔗等主要作物的生产均不同程度受到季节性干旱的影响，而播期调控和水氮优化被认为是降低季节性干旱影响的有效措施[5-7]。

有学者通过大田试验研究分析了德宏蔗区播期和水氮管理对甘蔗产量的影响[8-9]，但多为2～3 a的春植或冬植试验，较窄的播期范围和较短的试验年限无法充分反应播期、灌溉和施氮措施对甘蔗生产的长期影响和耦合效应。作物生长模型由于可以系统模拟气候、土壤和栽培管理等因素对作物生长发育和产量形成过程的影响，已被广泛应用于分析播期和水肥管理对小麦、玉米和油菜等作物产量的影响[10-17]。国外学者较早在甘蔗生长模型构建和应用方面开展了大量研究，自1991年至今已开发出AUSCANE、CANEGRO、QCANE和APSIM-Sugar（Agricultural Production Systems sIMulator-Sugar）等多个甘蔗生长模型，其中APSIM-Sugar是目前开发较为完善、使用范围较广的甘蔗生长模型，构建该模型的基础数据来自于澳大利亚、美国夏威夷、南非、新西兰和斯威士兰等30多个国家，模型应用范围涵盖了最适播期选择、生态适应性品种选育、土壤水分和氮素循环等方面[18-24]。国内目前尚没有自主开发的甘蔗生长模型，对国外甘蔗生长模型的本地化应用研究也起步较晚，近年来才开始在主产蔗区对APSIM-Sugar等模型进行适应性评估[25-28]，并在播期调控、土壤氮素变化、气候变化影响、潜在产量和产量差等方面开展了初步研究[29-31]，但尚未系统分析播期和水氮耦合对甘蔗生产的影响。因此，本研究基于云南德宏州瑞丽甘蔗试验站2014—2016年的大田分期播种试验数据，首先对APSIM-Sugar模型进行适应性评价，然后应用验证后的模型分析播期和水氮耦合对甘蔗大田生产的影响，探讨不同种植模式下适宜的播期和水氮优化管理方案，为云南湿润蔗区的甘蔗高产高效种植提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究蔗区气候条件

云南德宏蔗区（24°～25°N，97°～99°E）甘蔗主产县为陇川、盈江、芒市、梁河和瑞丽，各县海拔和气候条件相似（表1），属于南亚热带湿润蔗区。全区年均温18～21 ℃，年均降水量1 400～1 800 mm，相对湿度在80%左右，日照时数2 100～2 300 h，蒸发量大于降水量，季节性干旱问题突出，土壤类型主要为赤红壤[32-33]。从降水总量看，德宏蔗区属于典型湿润蔗区，年降水是开远、元江等半湿润半干旱蔗区的2～4倍，但年际变异较大（降水总量年际变异系数大于17%）且季节性分配不均（图1）。5—10月为湿季，降雨量高达120～360 mm，累计占全年降水量的88%；11月—次年4月为干季，降雨量仅10～65 mm，累计占全年降水量的12%。本研究选择瑞丽甘蔗试验站进行分期播种试验，该站点的气候和土壤特征能代表当地典型的甘蔗大田生产环境。

表1 云南德宏蔗区气候特征

注：MT，年均温；RH，年均相对湿度。

Note: MT, annual mean temperature; RH, annual mean relative humi­dity.

1.2 试验材料与资料来源

参试甘蔗品种为云蔗0551（YZ0551）和对照品种新台糖22号（ROC22），选取无病虫害的健康种苗按常规方法布置试验。各站点1981—2016年的逐日气象资料来自中国气象局国家气象信息中心地面气象观测资料和云南省农业科学院甘蔗研究所气象数据库，主要包括日最高气温、日最低气温、日降水量和日照时数。土壤样品采自德宏瑞丽甘蔗试验站蔗田土壤，基础物理数据如表2所示。

图1 云南德宏蔗区降雨量分布

表2 大田试验土壤基础物理参数

日总辐射采用Angstrom公式由日照时数换算得出:

R= (0.25 + 0.5/) R（1）

式中R为日地表太阳总辐射，MJ/(m2·d)；R为日晴空太阳总辐射，MJ/(m2·d)；为日照时数，h；为日长，h。

1.3 研究方法

1.3.1 甘蔗大田分期播种试验

大田分期播种试验于2014年12月—2016年3月在瑞丽甘蔗试验站进行，品种为ROC22和YZ0551，每个品种种植3个重复小区，每小区2行，行长1.5 m，行距1 m，下种量20芽/行。其中冬植试验分别于2014年12月20日和2015年1月20日播种，播种当日施尿素基肥175 kg/hm2（约折合纯氮80 kg/hm2），微喷设施灌水30 mm，6月份分蘖前期施尿素追肥650 kg（约折合纯氮300 kg/hm2），不进行补充灌水，2016年3月15日收获测产；春植试验分别于2015年2月20日和2015年3月20日种植，播种当日施尿素基肥175 kg/hm2（约合纯氮80 kg/hm2），微喷设施灌水30 mm，8月份分蘖后期施尿素追肥650 kg（约折合纯氮300 kg/hm2），分别在6月分蘖前期和11月伸长期微喷设施补充灌水90～180 mm，2016年3月15日收获测产。

1.3.2 APSIM-Sugar模型及其参数化

APSIM是由澳大利亚联邦科工组织和昆士兰州政府农业生产系统研究小组联合开发研制的农业生产系统模型。该模型采取“插拔”式设计构建高度独立的作物品种、气候、土壤和栽培管理等子模块，通过中心引擎整合后可进行不同作物品种生长发育、气候变化影响、水氮限制、产量、品质预测和生产决策等系统研究，已在世界各国得到广泛应用和完善。APSIM模型系列中的甘蔗生长模型APSIM-Sugar包括甘蔗品种、土壤水分、土壤氮素、地表残茬和栽培管理等子模块，可动态模拟甘蔗生长发育及土壤水分和氮素循环等过程[26]。APSIM-Sugar模型运行前需要进行气象、土壤、管理和甘蔗品种参数等基础数据的输入。模型运行以日为时间步长，其中逐日气象数据包括最高气温（℃）、最低气温（℃）、降水量（mm）和总辐射（MJ/(m2·d)）；土壤数据包括土层深度（cm）、土壤容重（g/cm3）、饱和含水量（mm/mm）、田间持水量（mm/mm）、凋萎含水量（mm/mm）等；管理数据包括播种日期、种植密度（株/m2）、生长日数（d）、灌溉时间和灌溉量（mm）以及施肥时间和施肥量（kg/hm2）等。模型关键输出数据包括甘蔗生长期、蔗茎产量（t/hm2）和蔗茎含糖量（%）等。

APSIM模型中，土壤水氮变化和作物对土壤水氮的吸收转化是通过土壤水模块（SoilWater）和土壤氮模块（SoilN）来进行模拟和耦合的。SoilWater模块对土壤-作物系统蒸散的模拟主要包括土壤蒸发（evaporation）和植物蒸腾（transportation）2个过程；SoilN模块可模拟土壤中碳素和氮素的动态变化，包括碳氮转运、有机质分解、硝化、反硝化、尿素水解等物理和化学过程[18-20]。APSIM-Sugar模型的水氮模拟过程采用了土壤分层阶梯式渗透模型，能够通过中心引擎与其他模块输入的甘蔗品种参数、气象资料、土壤数据和水氮管理措施等进行动态耦合，从而实现对基因、环境和管理（G×E×M）互作效应的模拟[21-30]。

本研究中APSIM-Sugar模型调参验证所需的气象、土壤数据为瑞丽甘蔗试验站气象日值数据和大田土壤抽样分析数据；水氮管理数据根据田间实际灌水和施氮措施进行设定；YZ0551品种参数是基于前期研究建立的ROC22品种遗传参数[27]采用试错法进行调参验证后获得，其中冬植播期试验用于调参，春植播期试验用于验证。情景模拟研究中，模型模拟的雨养产量为在无任何补充灌溉，完全依靠自然降水条件下获得的蔗茎产量；灌溉产量为在人工补充或模型自动灌溉条件下获得的蔗茎产量。不同播期和水氮耦合情景下的甘蔗雨养产量和灌溉产量均采用APSIM-Sugar模型7.8版本进行模拟。部分情景模拟中使用到自动灌溉模式，具体设定方法为：在APSIM-Sugar模型的Irrigation模块中进行如下设置，将Automatic irrigation选项设置为on，将Depth选项值设定为1 000（mm），将Fraction of ASW选项值设定为1，即当土壤田持低于100%时进行自动灌溉，灌溉量为0～100 cm土层达到100%田持所需的水量（mm）。氮肥的施用需要添加Fertilise after planting模块，并根据氮肥类型、施氮量和施氮时间进行相关参数设定，其中氮肥种类选择尿素（含氮量46%）并换算成纯氮含量（Urea_N，kg/hm2）输入模型，施肥深度设定为80 mm。此外，为避免长期模拟后土壤初始水氮参数差异过大，需添加Reset on sowing模块，在每年甘蔗新植时进行土壤水氮参数的重置。

1.3.3 模型评价指标

模型模拟误差通过观测值和模拟值的均方根误差（root mean squared error，RMSE）、相对均方根误差（normalized root mean squared error，NRMSE）和决定系数（2）进行评价[11-17]。 RMSE和NRMSE 反映模拟值与实测值之间的绝对误差和相对误差，其值越小，说明模拟值与实测值之间偏差越小，模拟精度越高；2越接近1，表明模型拟合度越好。

1.3.4 甘蔗高产高效种植管理方案的评价指标

用于评价和筛选甘蔗高产高效种植管理方案的产量、品质和效率指标包括：蔗茎产量（tons of cane per hectare，TCH，t/hm2）、蔗茎含糖量（content of cane sugar，CCS，%）、水分利用效率（water use efficiency，WUE，kg/m3）、氮肥农学利用效率（agricultural efficiency of nitrogen，AEN，kg/kg）、产量距平百分率（yield anomaly percentage，YAP，%）和产量年际变率（coefficient of variation，CV，%）等，其中蔗茎产量和蔗茎含糖量为模型输出变量，其他指标的计算方法如下：

WUE = TCH_sim / ET （2）

AEN =（TCH_sim - TCH_base）/ Total_N （3）

YAP =（TCH_sim - TCH_aim）/ TCH_aim （4）

CV = SD / TCH_avg （5）

式中TCH_sim为蔗茎产量模拟值（t/hm2），ET为甘蔗全生长期耗水量（m3），Total_N为总施氮量（kg）；为便于统一比较不同播期和水氮条件组合，以当地典型播期（春植）、土壤（赤红壤）和无水肥优化条件下的平均雨养产量45 t/hm2为基准产量（TCH_base），以中国主产蔗区甘蔗生产平均产量75 t/hm2为目标产量（TCH_aim）；SD（Standard deviation）为各年份蔗茎产量标准差；TCH_avg为各年份蔗茎产量平均值。

1.3.5 播期和水氮耦合情景设定

选择1981—2010年作为长期模拟时段，基于验证后的APSIM-Sugar模型分别模拟不同播期和水氮耦合情境下的甘蔗产量变化，通过上述指标的综合评价确定适合当地蔗区的甘蔗高产高效栽培管理模式。播期和水氮耦合情景模拟统一采用当地代表品种YZ0551的遗传参数和代表站点瑞丽甘蔗育种站的气象资料和土壤参数。

播期情景设定与最优播期选择：根据播期的不同可将新植甘蔗分为春植蔗、夏植蔗、秋植蔗和冬植蔗，不同播期生长期长短不同。根据播种时间、当地糖厂开榨时间和甘蔗的田间工艺成熟度来确定收获日期[34-35]，并在APSIM-Sugar模型的管理模块中对不同季节播种的甘蔗生长期进行设定，春植蔗和冬植蔗为360 d，夏植蔗为270 d，秋植蔗为480 d。同时考虑到甘蔗整个生长期较长而相对较短的播期差异对甘蔗生产影响并不大，故选择当地习惯播种日每月20号为统一的典型播期，在春夏秋冬4个播种季各设3个播期，春植分别于2月20日、3月20日和4月20日下种，生长期360 d；夏植分别于5月20日、6月20日和7月20日下种，生长期270 d；秋植分别于8月20日，9月20日和10月20日下种，生长期480 d；冬植分别于11月20日，12月20日和1月20日下种，生长期360 d。上述4个播种季合计12个播期，每个播期均在收获后当年或次年相同播期重新种植，不留宿根。在模拟时段内，春夏冬3季种植的甘蔗生长期相对较短，可获得29组产量数据；秋植蔗生长期较长，仅获得14组产量数据。在氮肥充足条件下，通过计算代表站点瑞丽1981—2010年各月分期播种模拟情景下的雨养蔗茎产量和水氮利用效率等指标来筛选不同播种季的最优播期。

灌溉量、施氮量设定及高产高效种植方案筛选：根据前人研究[36-40]设定不同的甘蔗大田生产灌溉和施氮方案，在无水分胁迫条件下模拟不同播期的蔗茎产量确定最优施氮量范围；在无养分胁迫条件下模拟不同播期的蔗茎产量确定最优灌溉量范围；然后将优选播期和水氮管理方案进行耦合情景模拟，基于1.3.4中的评价指标筛选甘蔗高产高效种植方案。

2 结果与分析

2.1 APSIM-Sugar模型适应性评价结果

基于瑞丽站播期试验数据对APSIM-Sugar模型进行调参和验证获得甘蔗品种ROC22和YZ0551的遗传参数见表3。2个品种的蒸腾效率系数transp_eff_cf、辐射利用效率rue和最大绿叶数green_leaf_no相同，有差异的参数包括出苗到拔节所需的有效积温tt_emerg_to_ begcane、蔗茎干物质分配系数cane_fraction、蔗茎糖分分配系数sucrose_fraction_stalk和蔗茎糖分积累最小生物量min_sstem_sucrose、最大叶面积leaf_size等。对于ROC22，叶片序数为1、20、24时最大叶面积为1 500、55 000、60 000 mm2；对于YZ0551，叶片序数为1、20、24时最大叶面积为1 500、60 000、60 000 mm2。

表3 参试甘蔗品种遗传参数

产量模拟结果显示，调参试验（冬植，图2a）蔗茎产量的RMSE为5.1 t/hm2，NRMSE小于5%，拟合度高（2=0.992）；验证试验（春植，图2b）蔗茎产量的RMSE增加到6.8 t/hm2，NRMSE小于10%，拟合度仍在0.9以上（2=0.909）。结果表明APSIM-Sugar模型能够较好地模拟2个甘蔗品种（ROC22和YZ0551）在典型播期下蔗茎产量的变化趋势。

注：c和d图中不同小写字母表示差异达到0.05显著水平。

糖分模拟结果显示（图2c和图2d），无论调参还是验证试验，相同品种的蔗茎含糖量模拟值均与实测值无显著差异，但不同品种之间糖分差异显著，YZ0551的平均蔗茎含糖量显著高于ROC22。总体上看，APSIM-Sugar模型能够较好模拟这2个品种在典型播期下蔗茎含糖量的变化趋势。但在糖分模拟结果中，冬植蔗含糖量模拟值略高于实测值，春植蔗含糖量的模拟值略低于实测值，而无论春植还是冬植，蔗茎产量模拟值都相对稳定地略低于实测值，因此糖分模拟结果的不确定性较产量要大。

2.2 播期对甘蔗大田生产的影响

在雨养且氮肥充足（施氮量480 kg/hm2）条件下进行的多年播期模拟试验结果见表4。从平均值上看，秋植蔗的蔗茎产量和含糖量均最高（102.73 t/hm2，16.15%），水分利用效率较高（3 kg/m3），氮肥利用效率最高（120 kg/kg），增产效果最明显，蔗茎产量年际变率较小（17.49%）；春植和冬植蔗的蔗茎产量、含糖量和氮肥利用效率低于秋植，但水分利用效率高于秋植，蔗茎产量年际变率最小（13.3%）；夏植蔗产量和糖分（43.67 t/hm2，10.98%）显著低于其他播种季，且水氮利用效率最低，蔗茎产量年际变率最大（21.83%）。

就各播种季而言，在雨养且氮肥充足条件下，秋植蔗在10月下旬播种最佳，蔗茎产量、含糖量和水氮利用效率等指标均可达到较高水平，且蔗茎产量年际变率低于15%；冬植蔗在1月下旬播种，春植蔗在2月下旬播种，蔗茎产量均超过100 t/hm2，与秋植蔗相当，且含糖量较高（>14.5%），水氮利用效率高（WUE >3 kg/m3，ANE >110 kg/kg），蔗茎产量年际变率低（8%～12%）；夏植蔗在5月下旬播种相对较好，可获得56.71 t/hm2的蔗茎产量和12.67%的含糖量，但仍较目标产量减产24%，且水氮利用效率低，产量年际变率高。综上，在同一播种季下，有利于甘蔗稳产高产和水氮高效利用的最优播期为：春植蔗在2月下旬播种，夏植蔗在5月下旬播种，秋植蔗在10月下旬播种，冬植蔗在1月下旬播种。

表4 不同播期下的甘蔗大田生产模拟结果

注：由于有些情景下施肥后的蔗茎产量低于基准产量（45 t·hm-2），其氮肥利用效率为负值。

Note: Since cane yield with nitrogen fertilization is lower than base yield (45 t·hm-2) in some cases, then the N efficiency is negative.

2.3 施氮量和施氮方式对甘蔗大田生产的影响

在水分充足条件下模拟分析不同播种季施氮量（0～480 kg/hm2）与施氮方式（只施基肥；基肥+追肥）对甘蔗大田生产的影响（图3）。结果显示：蔗茎产量随施氮量的增加而增加，但达到一定阈值后就不再增加。其中春植、夏植和冬植蔗仅需120 kg/hm2的施氮量即可达到最高蔗茎产量水平（123、70和117 t/hm2），秋植蔗需180～240 kg/hm2的施氮量才能达到最高产量水平（188 t/hm2）。当施氮量超过240 kg后，产量曲线基本保持水平。施氮方式基肥+追肥的平均蔗茎产量较只施基肥略高且年际变率略低，但差异不显著，不同播种季下2种施氮方式的产量变化曲线基本一致。

图3 不同播种处理下施氮方式对蔗茎产量的影响

2.4 灌溉量与灌溉时期对甘蔗大田生产的影响

利用APSIM-Sugar模型进行自动灌溉模拟，分析不同施氮水平下（0～480 kg/hm2）各播种季甘蔗生产所需的灌溉量范围（图4）。结果表明：春植蔗和冬植蔗生长期中等（约360 d），约需600 mm的灌溉量，平均蔗茎产量可达100 t/hm2；夏植蔗生长期短（约270 d），约需300 mm的灌溉量，平均蔗茎产量仅为60 t/hm2；秋植蔗生长期长（约480 d），约需900 mm的灌溉量，平均蔗茎产量可达140 t/hm2。根据上述结果设计灌溉时期情景模拟方案见表5。

图4 不同播期和施氮量下灌溉量对蔗茎产量的影响

表5 灌溉情景模拟方案及对应模拟产量

注：产量后不同字母代表差异达到0.05显著水平。

Note: Different letters after cane yield mean significant difference at 0.05 level.

在氮肥充足的条件下基于表5所示的灌溉方案分析灌溉时期对甘蔗生产的影响，结果见表5。从蔗茎产量上看，春植、夏植蔗在伸长期分别灌水360和180 mm可达到最高产量水平，即该方案下的蔗茎产量较雨养产量显著提升且与全期定额灌溉和100%田持灌溉产量无显著差异；冬植蔗在分蘖期灌水120 mm或在伸长期灌水360 mm可达到最高产量水平；而秋植蔗在某个时期单次灌水均无法达到最高产量水平，其中分蘖期和伸长期灌水的增产效应最显著，分别较雨养平均增产35和44 t/hm2。从灌水条件下的WUE上看，不同播种季为秋植>春植>冬植>夏植，不同灌溉时期为伸长期>分蘖期>苗期>成熟期，不同灌溉模式为定额灌溉>雨养>100%田持灌溉。

2.5 播期与水氮优化管理耦合筛选甘蔗高产高效种植方案

根据以上研究结果，优选4个播期（春植2月20日、夏植5月20日、秋植10月20日和冬植1月20日）、4种灌溉方案（雨养、分蘖期定额灌溉20%、伸长期定额灌溉60%、分蘖期定额灌溉20%+伸长期定额灌溉60%和全期定额灌溉100%）和5种施氮方案（不施肥、基肥60、120、180、240 kg/hm2）在APSIM-Sugar模型中进行耦合情景模拟计算，筛选甘蔗高产高效种植方案。雨养条件下的甘蔗生产效率如图5所示：在雨养条件下，蔗茎产量随施氮量的增加而增加，但含糖量随施氮量的增加总体呈现下降趋势，平均蔗茎产量在50～95 t/hm2之间，含糖量在14.9%～19.2%之间。其中，春植和冬植蔗在0～60 kg/hm2的施氮水平下含糖量达到最高（>19%），且产量也较高（45～110 t/hm2）；当施氮量为120～240 kg/hm2时，蔗茎产量不再增加，但含糖量下降（<17%）。秋植蔗在0～120 kg/hm2的施氮范围内均具有较高的含糖量（>18%），但蔗茎产量较春植和冬植低（35～100 t/hm2）；当施氮量为180～240 kg/hm2时，秋植蔗雨养产量超过105 t/hm2且含糖量仍然保持在17%以上。夏植蔗在蔗茎产量和含糖量上均显著低于其他播种季。从水氮利用效率上看，春植和冬植蔗只需60 kg/hm2施氮量即可获得最高的水分利用效率（>3.4 kg/m3），而秋植蔗至少需要120 kg/hm2的施氮量才能达到较高的水分利用效率（>3 kg/m3）；施氮量在60 kg/hm2时，春植蔗和冬植蔗的氮肥利用效率显著高于秋植和夏植，施肥量超过60 kg/hm2后，春植蔗和冬植蔗的氮肥利用效率显著下降至与秋植蔗相当的水平，但仍显著高于夏植蔗。

图5 不同施氮水平下雨养甘蔗的生产效率

节水灌溉条件下的甘蔗产量和糖分变化如图6和图7所示：在灌溉条件下，同样呈现蔗茎产量随施氮量的增加而增加，含糖量随施氮量的增加而降低的总体趋势；但较雨养条件平均蔗茎产量提升11.8 t/hm2，含糖量提升0.4%。春植蔗在伸长期灌水360 mm和120 kg/hm2的施氮量下即可获得超过110 t/hm2的蔗茎产量，且含糖量在17%以上。冬植蔗不同时期灌水的产量变异幅度较小，但分蘖期灌水的水分利用效率相对较高。秋植蔗在分蘖期和伸长期灌水720 mm，配合180 kg/hm2左右的施氮量，可获得超过160 t/hm2的蔗茎产量和18%以上的含糖量。夏植蔗灌溉条件下的蔗茎产量和含糖量仍然较低。

图6 灌溉条件下播期与水氮管理耦合对蔗茎产量的影响

图7 灌溉条件下播期与水氮管理耦合对蔗茎含糖量的影响

综合不同播期与水氮管理耦合情景下灌溉量、施氮量、蔗茎产量、含糖量、水肥利用效率等，根据灌溉量和施氮量少，蔗茎产量、含糖量和水氮利用效率高，产量距平百分率>25%且产量年际变率<10%的原则，分别筛选出雨养和节水灌溉条件下甘蔗高产高效种植管理优化方案（表6）。除夏植蔗雨养产量低于平均目标产量24.52%，产量年际变率超过14%，达不到标准外，其余3个播期的旱地雨养水氮管理优化方案均可满足甘蔗高产高效种植要求，其中春植蔗和冬植蔗的水氮利用效率较秋植蔗高，产量年际变率也较低。表6显示，夏植蔗灌溉产量仍然低于平均目标产量13.36%，产量年际变率高于10%；秋植蔗和春植蔗水氮需求量较大，但蔗茎产量和水氮利用效率较高，产量年际变率较小，而冬植蔗水氮需求较少，但蔗茎产量和水氮利用效率较低，产量年际变率较高。为兼顾甘蔗高产稳产和水氮高效利用，旱地雨养甘蔗推荐采用春植（2月下旬）或冬植（12月下旬），播种时施用纯氮60 kg/hm2，可获得95～100 t/hm2的蔗茎产量（含糖量大于19%）。有灌溉条件的水浇地推荐采用秋植（10月下旬）或春植（2月下旬），春植蔗播种时施用纯氮120 kg/hm2，配合伸长期灌水360 mm，可获得近120 t/hm2的蔗茎产量（含糖量大于17%）；秋植蔗播种时施用纯氮180 kg/hm2，配合分蘖期和伸长期灌水720 mm，可获得近170 t/hm2的蔗茎产量（含糖量大于18%）。

3 讨 论

前人研究表明，APSIM模型能够满足小麦[10]、玉米[14]、油菜[15]、油葵[16]、马铃薯[17]等不同作物的品种、播期、气候影响、水氮管理耦合等各种基因、环境和管理（G×E×M）互作效应分析的需要。在甘蔗上，国外学者已对APSIM-Sugar模型进行了包括水氮交互试验在内的大量田间试验验证[21-24]，国内学者也在云南和广西等主产蔗区对APSIM-Sugar模型进行了品种、播期和水氮管理等方面的适应性评价研究[25-30]，证明了该模型是有效的G×E×M互作模拟研究工具。本课题组前期已在云南半湿润半干旱蔗区代表站点开远和元江站开展过水分胁迫影响甘蔗生长发育和产量的APSIM-Sugar模型验证[27]，本研究又进一步在云南湿润蔗区瑞丽站进行了分期播种试验的模型验证，上述3个站点的气候和水氮管理存在显著差异，但产量模拟结果均比较理想，这些显著差异气候和管理条件下的大田试验数据大大提高了APISM模型调参验证结果的有效性。因此，尽管甘蔗大田水氮交互试验验证数据有限，但只要能够提供准确的气象资料、土壤参数、甘蔗品种遗传参数、播种期、收获期和水氮管理等输入数据，基本能够保证正常范围内水氮耦合情景模拟结果的可信度。另外在本研究播期和水氮耦合情景设计中，充分考虑了不同播期、不同灌溉时期和灌溉量，不同施肥方式和不同施肥量可能的交互影响，并通过模型水氮管理模块不同参数的合理取值和优化组合来实现对甘蔗水氮耦合效应的模拟。

最终的模型模拟分析结果显示，适宜的播期调控和水氮优化管理可显著提高云南湿润蔗区的甘蔗产量、含糖量和水氮利用效率，施足基肥并配合适量的灌水处理是保证甘蔗高产的关键，但超过一定施氮量后，氮肥利用效率显著下降，特别是在水分限制条件下提高施氮量并不能增加甘蔗产量，甚至还会导致蔗茎产量和含糖量的下降。从播期上看，旱地雨养条件下宜采用春植或冬植，有利于甘蔗稳产和水氮高效利用；水浇地灌溉条件下宜采用秋植或春植，有利于甘蔗高产和水氮高效利用。从灌溉时期上看，在适宜的播期下，湿润蔗区的自然降水基本能满足甘蔗苗期和成熟期的水分需求，只需在分蘖期和伸长期进行适量灌溉即可；分蘖期灌溉对秋植和冬植蔗产量提升作用显著；伸长期灌溉对于春、夏、秋播种的甘蔗均非常重要。从灌溉量上看，甘蔗全生长期多年平均需水量一般在1 000～1 200 mm，在湿润蔗区除去有效降水外，180～720 mm的补充灌水即可满足甘蔗正常生长需要。从施肥方式上看，基肥+追肥处理的产量与施基肥差异不显著，故一次性施用足量基肥，有利于节本增效，提高收益。从施肥量上看，为保证较高的水氮利用效率，旱地甘蔗较合理的纯氮施用量是60～120 kg/hm2；水浇地甘蔗较合理的纯氮施用量是120～180 kg/hm2。

有研究表明在甘蔗大田试验中适当减少化肥施用量及调整氮、磷、钾肥配比，可提高肥料利用率及甘蔗产量；而施用有机肥、控释肥能改善土壤理化性状，增强肥效并保证持续稳定的营养供给，既能减少施肥数量和次数，又能满足甘蔗整个生长期的养分需求[40]。在施肥种类与施肥方式互作方面，普通化肥通常是基肥+追肥的施肥方式比只施基肥获得的蔗茎产量高，而在施用缓释肥的研究[41]中发现，一次性施用等价值的缓释肥作为基肥处理，较蔗农习惯施肥对照处理（普通化肥，基肥+追肥）增产差异不明显，但由于施肥成本大幅降低，蔗农实际增收47%。本研究也发现在总施氮量相同的情况下，只施基肥的模拟结果与基肥+追肥无显著差异。一方面是由于在APSIM-Sugar模型施肥模块中采用了植沟底施用尿素后培土8 cm的参数设定，尿素属缓释型肥料，含氮量和肥效较高，研究站点试验田为较平缓的水浇地，土壤类型为黏性较高的红壤，在一定程度上显著降低了氮肥的淋滤损失。另一方面甘蔗模型中每公顷的氮肥施用量相对较大，水氮利用率的初始值相对较高。同时在每年甘蔗新植时进行了土壤水氮参数的重置，以避免长期模拟后土壤初始水氮参数差异过大。上述措施保证了本研究中甘蔗生长后期氮肥的有效供应。

尽管本研究中甘蔗高产高效种植管理优化方案均是通过APSIM-Sugar模型模拟得出的，但模拟结果基本符合当地甘蔗高产大田的生产实际情况。雨养条件下，晚冬（12月下旬）至早春（2月下旬）种植的甘蔗，其田间生长过程的腾发量变化曲线与当地自然降水量曲线比较吻合：苗期耗水量小，仅靠少量降水就能保证出苗，进入分蘖期和伸长期后耗水量逐渐加大，降水量也随之增加，但由于雨养条件限制，中后期有效降水量不足，有效分蘖数和最终成茎数不会太多，无需施用过多的氮肥。因此在此时段播种的冬春植蔗配合少量的氮肥供给（60 kg/hm2）可获得较稳定的雨养产量和较高的水氮利用效率。同理，在灌溉条件下，2月下旬播种的春植蔗由于苗期和分蘖期的温度相对较高，基本出苗量、出苗速度和有效分蘖数较12月下旬播种的冬植蔗要高，因此在伸长期进行适量人工补充灌水（360 mm）并配合适量的氮肥供给（120 kg/hm2）可获得较高的蔗茎产量和水氮利用效率。而10月下旬播种的秋植蔗由于苗期自然降水量充足，温度适宜，基本苗量大，生长中后期自然降水无法满足其水氮需求，如果在分蘖期和伸长期进行充分灌溉（720 mm）并保证足量的氮肥供给（180 kg/hm2），则有望获得最高产量和最优水氮利用效率。

模拟结果与实际生产差异较大的是氮肥施用量，模拟优化结果中最优施氮量为60～180 kg/hm2，与巴西等国的常规用量相当[42]，明显低于中国甘蔗大田生产习惯用量200～400 kg/hm2。大田试验研究结果表明中国甘蔗生产长期缺乏专业理论指导和技术支持，氮肥施用量和投入成本是国外的2～3倍，然而在高施氮成本投入的情况下，没有合理的播期和水氮管理配合，甘蔗产量和蔗农收益并未得到相应提高[36-37]。国内甘蔗生产施氮量过高的原因主要包括：蔗区土壤相对贫瘠，土壤有机质含量低，传统化肥的有效成分含量和肥效较低，不重视有机肥和缓释长效肥料的施用，缺乏节水灌溉设施和技术指导，灌溉和施肥不合理，旱坡地氮肥损失大，最终导致高成本低收益的巨大反差[40-41]。

综上，云南70%以上的甘蔗种植在旱坡地，蔗区自然降水时空分布不均，人工灌溉水资源极度缺乏，季节性干旱频发，同时存在灌溉和施肥方案不合理等问题，在很大程度上制约了云南甘蔗产业的发展。在开远、元江等半湿润半干旱蔗区，年降水总量少，无法满足甘蔗正常生长的需要，但对于德宏等湿润蔗区，甘蔗生产限制因子不在于年降水总量，而在于自然降水季节分布不均、年际变率高，配套的栽培管理措施不完善等。因此，云南蔗区的甘蔗生产迫切需要因地制宜地进行人工播期调控和水氮管理优化，以适应多样化的蔗区生态环境，提高气候、土壤、水肥资源的利用效率。另外选择高肥效、低残留、作用时间长的有机肥和缓释肥，并配合播期和水肥优化管理，有利于降低甘蔗种植成本、提高经济效益，从而实现甘蔗绿色轻简高产高效种植。利用作物模型工具综合评估云南蔗区甘蔗品种的产量表现和水肥利用效率，帮助蔗农选择最经济和高效的种植管理策略是今后值得深入研究的课题。APSIM-Sugar模型在云南的研究才起步，基础研究资料严重不足，而模型本身在分析甘蔗品种由于基因型遗传差异与不同生态环境、不同管理措施互作（G×E×M）引起的产量和糖分变化差异等方面还不是很精确，相关模块需要进一步完善。本研究由于试验条件有限，也未能进行多个品种多年多点的大田水氮交互作用试验验证研究。因此，APSIM- Sugar模型要实现对甘蔗品种遗传差异和G×E×M的精确模拟还需要更多更精细的试验数据进行评估和改进。

4 结 论

APSIM-Sugar模型在云南德宏蔗区的适应性较好，模型能够较准确的模拟当地甘蔗代表品种在典型播期下的蔗茎产量和含糖量变化趋势，模拟结果的相对均方根误差在10%以内，2大于0.9。播期调控和水氮优化对德宏蔗区的甘蔗生产影响显著，雨养条件下采用春植或冬植有利于甘蔗稳产和水氮高效利用，春植蔗2月下旬播种，冬植蔗12月下旬播种，施用纯氮60 kg/hm2，可获得95～100 t/hm2的蔗茎产量（含糖量大于19%）。灌溉条件下采用秋植或春植有利于甘蔗高产和水氮高效利用，春植蔗2月下旬播种，施用纯氮120 kg/hm2，配合伸长期灌水360 mm，可获得近120 t/hm2的蔗茎产量（含糖量大于17%）；秋植蔗10月下旬播种，施用纯氮180 kg/hm2，配合分蘖期和伸长期灌水720 mm，可获得近170 t/hm2的蔗茎产量（含糖量大于18%）。

致谢 感谢美国专家David M. Burner博士对英文摘要的修改。

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Effects of sowing date, water and nitrogen coupling management on cane yield and sugar content in sugarcane region of Yunnan

Mao Jun1,2, Wang Jing1※, Huang Mingxia1, Lu Xin2, Dao Jingmei2, Zhang Yuebin2, Tao Lianan3, Yu Huaxian3

(1.100193,; 2.661699, China; 3.678600,)

Sugarcane is a staple sugar crop with a consistently large planting area in Dehong, a humid sugarcane region in Yunnan province, but data are lacking on the interaction effects of sowing date, water (rainfed and irrigated), and nitrogen management on sugarcane production. In this study, the suitability of APSIM-Sugar model (version 7.8) in a humid sugarcane region in Yunnan province was tested based on sequential sowing date experiments conducted at Ruili experimental station in Dehong. Sowing date experiments of sugarcane planting in winter were used for model calibration while sowing date experiments of sugarcane planting in spring were used for model validation. Genetic parameters for 2 sugarcane varieties YZ0551 and ROC22 were derived with trial-and-error method. Using the validated APSIM-Sugar model long-term simulation experiments were designed to evaluate the impacts of coupled sowing date, water and nitrogen management on sugarcane production in Yunnan. Three typical sowing dates were used for sugarcane planting in spring, summer, autumn and winter, i.e. February 20, March 20 and April 20 for sugarcane planting in spring, May 20, June 20 and July 20 for sugarcane planting in summer, August 20, September 20 and October 20 for sugarcane planting in autumn, November 20, December 20 and January 20 for sugarcane planting in winter. We compared different evaluation indices, such as sugarcane yield, sugar content, water, and nitrogen use efficiency, to determine optimal cultivation management options for rainfed and irrigated sugarcane production. The study results confirmed that the APSIM-Sugar model performed well in simulating sugarcane yield and sugar content with normalized root mean squared error (NRMSE) less than 10% and2more than 0.9. Suitable sowing date and optimal management of water-nitrogen could improve significantly sugarcane yield, sugar content, water use efficiency and nitrogen use efficiency in Yunnan Province. Sufficient base fertilizer and appropriate irrigation were the 2 key factors in ensuring high sugarcane yield. However, nitrogen use efficiency decreased significantly when nitrogen fertilizer was applied excessively. Especially under water limited conditions, increasing nitrogen application rate did not increase sugarcane yield, and even led to the decrease of cane yield and sugar content. Planting sugarcane under the suitable sowing date, the natural precipitation in a humid sugarcane production region could meet the water demand during seedling and maturity stages of sugarcane. Irrigation at tillering stage could improve significantly the yield of autumn and winter planting sugarcane while irrigation at elongation stage could be beneficial on the growth of sugarcane planting in spring, summer and autumn season. Water requirement of sugarcane during the whole growth period was generally 1 000-1 200 mm and therefore supplementary irrigation of 180-720 mm was needed for growth and development of sugarcane. Applying base fertilizer plus additional fertilizer could not improve sugarcane yield compared with applying base fertilizer only. Therefore, applying sufficient base fertilizer at sowing was conducive to cost-saving and efficiency-increasing. In order to ensure higher water-nitrogen use efficiency, the reasonable application amount of nitrogen fertilizer for rainfed sugarcane field was 60-120 kg/hm2, and that for irrigated sugarcane field was 120-180 kg/hm2. Under rainfed condition, planting in spring or winter would probably ensure stable sugarcane yield with high water use efficiency and agricultural efficiency of nitrogen. Simulations predicted sugarcane yields of about 95-100 t/hm2and 19% sugar if planted in late February or late December with 60 kg/hm2nitrogen and no irrigation. If irrigation was possible, sugarcane planted in spring or autumn would lead to high yield and high water use efficiency and agricultural efficiency of nitrogen. Simulations predicted sugarcane yields of about 120-170 t/hm2and 17%-18% sugar for planting in late February or late October with 120-180 kg/hm2nitrogen and 360-720 mm irrigation. These results provide supports for improving sugarcane high efficiency production and manage decision by optimizing sowing date, irrigation, and nitrogen management, especially in a humid sugarcane planting region of Yunnan.

irrigation; fertilizers; sowing; water and nitrogen coupling; APSIM-Sugar

2019-02-16

2019-07-10

国家自然科学基金项目（31860341）；国家重点基础研究发展计划（973计划）项目（2013CB430205）资助

毛 钧，博士生，副研究员，主要从事甘蔗种质资源利用与甘蔗生产系统模拟研究。Email：mj_raincat@163.com

王 靖，博士，副教授，博士生导师，主要从事农业生产系统模拟与气候变化影响评估研究。Email：wangj@cau.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.16.015

S566.1; S274; S147.2

A

1002-6819(2019)-16-0134-11

毛 钧，王 靖，黄明霞，陆 鑫，刀静梅，张跃彬，桃联安，俞华先. 云南蔗区播期与水氮耦合对甘蔗产量和糖分影响[J]. 农业工程学报，2019，35(16)：134－144. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.16.015 http://www.tcsae.org

Mao Jun, Wang Jing, Huang Mingxia, Lu Xin, Dao Jingmei, Zhang Yuebin, Tao Lianan, Yu Huaxian. Effects of sowing date, water and nitrogen coupling management on cane yield and sugar content in sugarcane region of Yunnan[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(16): 134－144. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.16.015 http://www.tcsae.org