季节性干旱下农艺节水措施对甘蔗生长和产量的影响

安东升 严程明 陈炫 徐磊 刘洋 苏俊波 孔冉 窦美安

摘  要：為探明不同农艺节水措施在甘蔗应对季节性干旱中的作用机制，本研究以‘粤糖94-128为材料，设置地膜覆盖+有机肥（T1）、保水剂+有机肥（T2）、蔗叶覆盖+有机肥（T3）、蔗叶覆盖+保水剂（T4）4个处理，以常规种植为对照（CK），研究不同农艺节水处理下土壤水分和出苗率、农艺性状和干物质积累、光合活性和根系指标以及经济性状对季节性干旱的响应。结果表明：干旱胁迫前期土壤含水量表现为地膜覆盖>蔗叶覆盖>无覆盖;T1处理出苗率最高且显著高于CK。2015年，与CK相比，T1处理显著增加株高（18.1%）和+1叶长（30.6%），T4处理显著增加茎粗（21.8%），而T2处理的株高、茎粗和叶宽则显著降低;T1处理显著增加+1叶的最大光能利用效率（Fv/Fm）和叶片SPAD值（SPAD-502叶绿素仪测定值），T3处理显著增加+1叶PSII实际光化学效率（ΦPSII），其余各处理与CK之间差异不显著;T1、T2、T3、T4处理的总干物质积累分别增加94.5%、–37.0%、53.4%、79.9%;T3处理显著增加根长密度、根表面积和根数，T2处理各根系指标则显著降低;T2和T3处理单茎重高于T1处理，但有效茎数远低于T1处理，有效茎数高是T1处理高产的主要原因;有机肥处理显著增加田间锤度，T3处理增幅最高。2016年，与CK相比，甘蔗不同处理的农艺性状、生理指标和干物质积累差异不显著;但与2015年相比，T1处理农艺性状指标呈下降趋势，而T2处理则呈上升趋势;各处理+1叶的ΦPSII均呈下降趋势;T1、T2和T3处理总干物质积累呈下降趋势，而T1和CK则呈上升趋势。T3处理根系生物量和根长密度显著高于CK，主要是由于细根增加所致;T4处理有效茎长显著高于CK，但茎径和单茎重并无显著差异，产量差异源于有效茎数的差异;有机肥处理显著增加田间锤度且各处理的田间锤度与2015年比呈上升趋势。综上，农艺节水措施主要通过在旱季减少土壤水分散失而提高甘蔗出苗率从而增加有效茎数，并通过增加植株干物质积累和促进根系生长以应对季节性干旱，进而保障后期经济性状。

关键词：农艺节水措施;甘蔗;生长;产量;季节性干旱

中图分类号：S566.1      文献标识码：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

甘蔗是我国重要的糖料作物，在西南、华南无灌溉措施的丘陵旱坡地上的种植面积超过85%[1]。基于连续无有效降水日数指标的南方干旱时空特征研究结果显示，冬春季节性干旱逐步超过秋旱成为西南、华南地区主要的自然灾害[2-3]。自1950—2005年间有8年冬春连旱，而跨三季连旱的12 a中有11 a经历了春旱[4]。冬春连旱极大地限制了甘蔗出苗、幼苗生长和壮苗形成，严重降低甘蔗产量。如2015年春季广东粤西地区旱情最为严重，特别是雷州半岛上半年降水总量仅为179 mm，农作物中甘蔗受灾面积达3.03万hm2[5-6]。季节性干旱已成为限制华南、西南蔗区生产潜力的主要因子之一。

相对于生物节水、工程节水与管理节水，农艺节水技术是针对无灌溉措施的旱地、从栽培学角度入手的保墒技术[7]。农艺节水技术的核心是通过保墒增加土壤有效水，其主要技术模式集中于以下2类：（1）地上部分主要通过材料覆盖或作物覆盖减少地表蒸发。如地布覆盖和地膜覆盖明显提升苹果根际土壤贮水量，并分别实现增产32%和20.4%，且地布因其水气通透特性而表现出更高的增幅[8];地膜覆盖对土壤增温效果最好，具备最高的水分储量和利用效率[9]，同时显著提升作物根系指标[10]，以及土壤酶活性及有机质质量分数;秸秆覆盖则进一步增加土壤速效N和有机质，显著增加产量而不影响品质[11]。根据不同地区的水分输入和氮素水平，选择地膜覆盖或秸秆覆盖对产量和水分利用效率的提升效果更佳[12]。（2）地下部分通过增施有机质和其他保水物质改变根区土壤结构与蓄水特性。土壤有机质决定作为衡量土壤含水量及其有效性重要因子的土壤孔隙度[13]，合理施用有机肥和秸秆覆盖均能明显增加土壤有机质含量[14-15]，进而改善土壤保墒能力，提升植株根系活力与光合能力[16]。保水剂通过改变毛管孔隙持水特性增加土壤中、低水吸力段的有效贮水量[17]，延迟叶片水势和苗木生长受到干旱抑制的时间[18]。

旱地甘蔗节水保墒措施目前仍以地膜覆盖为主，耕作、蔗叶覆盖、秸秆还田、土壤改良为辅，各农艺节水措施对耕层土壤温度、土壤湿度、甘蔗生长和产量的影响均有较为系统的研究[19-22]。但从轻旱过渡至重旱过程中，土壤水分的变化、植株生长和生理指标对不同农艺节水措施的响应，仍有待于进一步研究。本研究针对甘蔗地上部分保水措施采用地膜覆盖和蔗叶覆盖;地下部分保水措施采用增施有机肥和应用保水剂，探讨不同农艺节水措施下土壤水分由轻旱至重旱的变化，通过测定分析甘蔗农艺性状、光合活性及根系指标、经济性状，探明不同农艺节水措施在甘蔗应对季节性干旱中的作用机制。

1  材料与方法

1.1  材料

试验于2015—2016年在中国热带农业科学院湛江实验站综合试验基地进行，试验地土壤速效N、P、K和有机质含量分别为120.2、43.15、303.96、17.91 g/kg。甘蔗品种选择广州甘蔗糖业研究所选育的‘粤糖94-128。地膜选用PBAT+ PLA可再生生物基材料制备的可完全生物降解地膜，覆盖种植沟;蔗叶覆盖用上茬采收后蔗叶沿着种植行向于下种后覆盖种植沟，蔗叶不作粉碎处理，覆盖量9 t/hm2;保水剂选用‘有机-无机杂化型保水剂，以0.15 t/hm2的用量于下种后沿种植行向撒入种植沟;有机肥选用商品有机肥（NPK含量5%、有机质含量45%），沿种植行向沟施作为底肥，施用量每小个区5 t/hm2。

1.2  方法

1.2.1  实验设计  2015年3月下旬完成试验田清理与机耕，4月10日完成所有小区的下种和试验处理。4月11—12日降水约22.5 mm，降水后人工补水至30 mm降水量水平，灌溉后覆膜。受10月5日台风‘彩虹影响，于11月18日挑选各处理内较为完整的植株进行经济性状测定。2016年3月上旬完成试验田清理与机耕，3月11日完成所有小区下种和试验处理，3月12—13日降雨2 mm，人工补水至30 mm降水量水平，灌溉后覆膜，并于12月26日进行经济性状测定。处理期间各月份降水和温度情况见图1。甘蔗每亩用种量2668段，每段2个芽，种植行距1 m。试验分为4个处理：地膜覆盖+有机肥（T1）、保水剂+有机肥（T2）、蔗叶覆盖+有机肥（T3）、蔗叶覆盖+保水剂（T4），以常规种植作为对照（CK），小区面积40 m2，每个处理3次重复。

1.2.2  測定项目与方法  （1）土壤水分和出苗率。采用土壤水分传感器于处理后18 d起每隔10 d测定（20±2.5） cm处土壤相对含水量（RWC），每个小区测3个位点，每处理3个小区共9个位点，统计各处理出苗率。

（2）植株农艺性状和生理指标。于2015年5月31日和2016年5月1日选取各小区内长势处于平均水平的植株3株测定各处理甘蔗农艺性状，选择每个小区内长势一致的植株3株测定不同叶位的光合生理指标;农艺性状包括株高（cm）、茎粗（cm）、叶片数、+1叶叶长（cm）和叶宽（cm）;生理指标采用SPAD-502叶绿素仪测定的+1叶SPAD值，采用MINI-PAM-II脉冲调制式叶绿素荧光仪测定的+1叶潜在最大光能利用效率（Fv/Fm）和光合有效辐射（PAR）950 μmol/m2·s下不同叶位PSII实际光化学效率（ΦPSII）。

（3）植株干物质生产及根系指标。分别于2015年6月1日和2016年5月2日对选定的植株进行破坏性取样测定植株干重，同时进行根系取样分析。采取破坏性取样通过烘干法测定植株地上和地下部分干物质的量（g）;以植株为中心，取长、宽、高0.2 m×0.2 m×0.2 m的土体，筛出根系，采用洗根根系分析系统测定根系指标，包括根长密度、表面积和根尖数，以及不同根茎范围内根系分布。

（4）经济性状。分别于2015年11月18日和2016年12月26日于每个小区选取10株统计经济性状，包括有效茎长（cm）、茎径（cm）、单茎重（kg）、有效茎数（×104/hm2），并测算产量;采用ATAGO手持式折光仪测定田间锤度（Br°）。

1.3  数据处理

采用SPSS统计分析软件中Duncan多重比较分析方法进行统计分析。

2  结果与分析

2.1  土壤含水量和出苗率对农艺节水措施组合的响应

从图2可知，2015年呈现出持续干旱的态势（定植后总降水约39 mm），处理后18 d（干旱胁

迫前期），与CK相比覆盖（T1、T3和T4）处理能够显著提高土壤含水量，表現为地膜覆盖>蔗叶覆盖>无覆盖，出苗率表现为地膜覆盖最高，保水剂处理次之。随着基本苗数和干旱程度的增加，各处理含水量大幅下降，出苗率均有不同程度的增加。处理后48 d（干旱胁迫后期），各处理土壤含水量显著高于CK，且T1处理显著低于T2、T3和T4处理。与CK相比，出苗率则表现为T1处理显著升高，而T2和T3处理显著降低。2016年定植后48 d总降水约为117 mm，因此土壤含水量远高于2015年。但是在处理后28 d（干旱胁迫前期，因处理后第11～12 d降水47.6 mm），土壤含水量仍然表现为地膜覆盖>蔗叶覆盖>无覆盖。处理后48 d的各处理土壤含水量显著高于CK，而出苗率只有T1和T4处理显著高于CK。

不同小写字母表示在0.05水平上差异显著（数据为平均值±标准差）。

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

2.2  甘蔗农艺性状对不同农艺节水措施组合的响应

2015年，处理后48 d，与CK相比，T1处理甘蔗的株高显著增加，T1和T4处理茎粗和+1叶长显著增加，T1处理的株高和叶长增幅最大，分别约为18.1%和30.6%，T4处理茎粗增幅最大，约为21.8%，而T2处理各农艺性状指标则显著降低;各处理叶片数与CK相比差异不显著，但处理间表现为T1和T4处理显著高于T2和T3处理;T2处理叶宽显著低于CK、T1和T4处理（表1）。2016年度各农艺性状指标在不同处理间的差异均不显著，且与2015年相比，T1处理各农艺性状指标呈下降趋势，而T2处理则呈上升趋势（表1）。

2.3  甘蔗生理指标对不同农艺节水措施组合的响应

干旱胁迫通过根系信号传导作用于气孔保卫细胞调节蒸腾作用，同时影响光合作用。根系是作物水分和养分吸收的重要器官，光合作用是作物能量和C库来源。因此，本研究对生理指标的测定主要关注光系统活性与叶绿素含量。由表2可知，2015年，与CK相比，T1处理+1叶的Fv/Fm和叶片SPAD值显著增加，其余各处理差异不显著;处理间表现为T2处理的Fv/Fm显著低于T1、T3和T4处理，T2处理的SPAD值显著低于T1处理。CK和T1处理的+1叶的ΦPSII显著低于T3处理，+5叶的ΦPSII显著低于T2和T3处理，而+3叶的ΦPSII则在各处理间差异不显著。2016年，Fv/Fm、SPAD值和不同叶位的ΦPSII在各处理间差异均不显著，但与2015年相比，各处理+1叶的ΦPSII呈下降趋势。

2.4  甘蔗干物质积累对不同农艺节水措施组合的响应

2015年，与CK相比，地膜覆盖和蔗叶覆盖（T1、T3和T4）处理均能显著提高甘蔗地上部分干物质积累，而只有蔗叶覆盖（T3和T4）处理能显著提高甘蔗地下部分干物质积累，无覆盖条件下采用保水剂（T2）处理则显著降低甘蔗地下部分干物质积累，地上部分下降不显著;T1、T2、T3和T4处理下甘蔗总干物质积累分别比CK增加94.5%、–37.0%、53.4%和79.9%。2016年各处理间甘蔗地上和地下部分干物质积累差异均不显著，与2015年相比，T1、T3和T4处理总干物质积累呈下降趋势，而CK和T2处理则呈上升趋势（图3）。

2.5  甘蔗根系对不同农艺节水措施组合的响应

2015年，与CK相比，T2处理根系生物量显著降低，而根长密度、根表面积和根数则表现为T3处理显著增加，而T2处理显著降低。T4处理各根系指标显著高于T2处理，说明无覆盖条件应用保水剂面临重旱时阻碍根系生长。2016年T3处理的根系生物量和根长密度显著高于CK，而根表面积和根数在不同处理间并无显著差异（表3）。

不同小写字母表示在0.05水平上差异显著（数据为平均值±标准差）。

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

对于不同根茎范围内根长的分析表明（图4），当0 mm<根茎范围<0.5 mm时，T1、T3和T4处理根长显著高于CK，T2处理显著低于CK;当0.5 mm≤根茎范围≤1 mm时，T3处理根长显著高于CK，而T2处理显著低于CK，T1和T4处理与CK间根长差异不显著;当根径>1.5 mm时，T2处理根长显著低于CK，T3处理根长显著高于T1、T2和T4处理。2016年当且仅当0 mm<根茎范围<0.5 mm时，T1、T2和T3根长高于CK且差异显著，其余根茎范围内各处理间根长差异均不显著。

2.6  甘蔗经济性状对持续干旱下不同农艺节水措施组合的响应

从表4可见，2015年，与CK相比，农艺节水措施能显著提高甘蔗茎长和单茎重，有机肥能够显著增加甘蔗田间锤度，T3处理的茎长和田间糖锤度增加最显著，T2和T3处理的单茎重增加最显著，T1处理的有效茎数增加最显著。地膜覆盖增产效果最显著，有机肥处理显著增加田间糖锤度，增幅以T3处理最大，T1和T2处理次之。2016年，与CK相比，T4处理有效茎长显著增加，而茎径和单茎重并无显著差异，产量差异显著性

不同小写字母表示在0.05水平上差异显著（数据为平均值±标准差）。

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

分析结果与有效茎数相一致。有机肥处理（T1、T2和T3）田间锤度显著增加。

3  讨论

2015年，处理后18 d（干旱胁迫前期），不同农艺节水措施下土壤含水量表现为地膜覆盖>蔗叶覆盖>保水剂，这与武继承等[23]对小麦揭膜前覆盖条件下应用保水剂提升土壤水分的效果高于单独应用保水剂的研究结果趋于一致（具体表现為地膜+保水剂>地膜>秸秆+保水剂>保水剂）。但是，在干旱胁迫后期（38 d和48 d），T1处理的土壤含水量小于T2且差异显著，这是由于较高的出苗率导致耗水强度增加所致;但T1处理的出苗率、农艺性状指标和根系指标均高于T2处理，说明在重旱条件下，保水剂会与作物根系竞争土壤水而影响作物生长发育，在不同干旱程度下保水剂对土壤有效水含量的影响有待于进一步研究。T3处理降低甘蔗出苗率，这可能是由于蔗叶中化感物质如酚酸和黄酮类物质，及秸秆覆盖对土壤的降温效应抑制甘蔗芽萌发所致[24-25]。2016年，处理后18 d，不同农艺节水措施下土壤含水量在各处理间不显著，T1、T3和T4处理的出苗率显著高于CK;处理后38 d出苗率在各处理间的差距缩小，这是由于土壤水分增加导致出苗率增加所致，且出苗率的增加滞后于土壤含水量的增加。

2015年，经48 d自然干旱后，不同农艺节水措施中有机肥处理下的出苗率、株高、+1叶长和地上部分干物质积累均表现为地膜覆盖>蔗叶覆盖>保水剂;而地下部分干物质积累和各根系指标表现为蔗叶覆盖>地膜覆盖>保水剂。说明与配施保水剂相比，有机肥在覆盖条件下更利于提高旱季植株生长发育。尽管有机肥条件下保水剂处理相对于地膜覆盖处理具有更高的单位叶片ΦPSII （地膜覆盖处理比保水剂处理低11%），但地膜覆盖处理的植株叶长、叶宽和叶片数分别高于保水剂处理32.9%、28.7%和31.7%。由于在相同的光合时间下，光合面积与光合效率是决定甘蔗光能利用和干物质生产的两大因素[26]，因此，植株干物质积累表现为地膜覆盖>保水剂是由于光合面积对光能利用效率的增益效用远高于单位叶片实际光化学效率的增益所致。Fv/Fm随着遮阴程度的增加而增大[27]，而其强光适应性有所下降，这也是2016年的Fv/Fm比2015年略有增加，但+1叶在PAR 950 μmol/m2·s下的ΦPSII均有降低的原因。

根系形态研究表明，地膜覆盖下10～50 cm深度作物根长和表面积显著增加[28]，作物覆盖对改善植株根系构型效果最好[29]。适当增加种植密度有利于增加根系数量[30]，但根系指标随着种植密度的进一步增加而有所下降，其差异幅度的表现为中密度>高密度[31]。研究发现，2015年，T3处理能够显著增加根长密度、根表面积和根数，且由于不同农艺措施导致出苗率的差异间接改变了种植密度，因此T3处理的根长密度、根表面积和根数显著高于CK，而出苗率则显著低于CK。对不同根径范围内根长的研究表明，覆盖有利于保持较高的土壤含水量，进而提高细根根长，而蔗叶覆盖下，增施有机肥处理对细根指标的增益高于保水剂处理，这与前人对于施肥处理和秸秆还田均显著增加棉花细根生物量的研究结果趋于一致[32]。但是对于根径>1.5 mm的粗根，T1和T4处理的根长则低于CK，这是由于干旱有利于植株主根生长所致;无覆盖下保水剂对土壤水的争夺则阻碍T2处理的根系生长。而在2016年，相对于CK只有T3能够显著增加根系生物量和根长密度，并且主要是由于根茎范围在0～0.5 mm的细根增加所致。

总体上，各处理间的有效茎数（T1>CK>T4、T3>T2）和出苗率（T1>CK、T4>T3>T2）表现出相同的变化趋势，而茎径（T2、T3、T4>T1、CK）和单茎重（T2、T3>T4>T1>CK）则与有效茎数呈现相反的变化趋势。较低的出苗率直接引起种植密度降低，植株个体便具有光温空间分布的优势，因此表现出较高的单茎重，这与玉米种植密度增加引起单株性状和产量负效应的研究结果趋于一致[33-34];与T1处理相比，T2处理虽然在单株个体发育上优势明显，但是其有效茎数远低于T1处理，因此导致产量显著降低，有效茎数的增加是2015年和2016年甘蔗增产的主要因素。生态有机肥及其与化肥配施有利于增加甘蔗品质，其蔗汁锤度、重力纯度和蔗糖分均表现为生态肥>配施>化肥>CK[35]，增施有机肥显著提升甘蔗田间锤度，这是由于增施有机肥通过提升土壤有机质和有机养分，并通过为微生物群落提供有机C和N，调节土壤中养分释放的强度和速率，使作物获得均衡的矿质营养，从而在品质上获得较高的可溶性固形物含量（主要是蔗糖）所致[36-37]。

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責任编辑：黄东杰