我国甘蔗养分高效利用的研究进展

王继华，商贺阳，杨少海*

（1.广东省农业科学院作物研究所，广东 广州510640；2.广西大学农学院，广西 南宁 530004）

甘蔗是世界主要的糖料经济作物，蔗糖产量占全球食糖产量的79.4%，甘蔗产业的健康持续发展对保障世界食糖供给安全起着至关重要的作用[1－2]。甘蔗广泛种植于热带、亚热带地区，主要集中在亚洲和美洲，其中巴西、印度、中国和泰国是四大甘蔗种植国，产量分别占世界的39.38%、18.18%、6.83%和5.33%[3－4]。近年来，我国甘蔗种植面积及产量都逐年减少，由2013年的181.6万hm2（产蔗量12 820.1万t）减少至2016年的152.68万hm2（产蔗量11 382.46万t），在甘蔗单产上略有上升，由2013年的70.60 t/hm2提高到2016年的74.55 t/hm2，但远低于世界单产排名第一的秘鲁（133.72 t/hm2），可见提高我国甘蔗单产潜力很大[1，4－5]。

甘蔗是C4高光效作物，生物量大，也是一种对养分和水需求量都较大的作物，其产量和品质与氮、磷和钾等主要养分密切相关，肥料是甘蔗产量形成的重要因素，也是生产上的主要开支。20世纪40年代起，澳大利亚采用增加氮肥施用量提高甘蔗产量，90年代氮肥施用量达到200 kg/hm2，但产量没有随着施肥量的增加而持续增长，过量施肥不仅会增加种植成本，还会造成环境污染[1]。1997—2013年，在政府的干预指导下，澳大利亚的甘蔗氮肥施用量持续减少，近几年来基本稳定在170 kg/hm2，氮肥利用率保持在50%～60%[1，6]。我国甘蔗产业氮肥施用量为360 kg/hm2，远高于澳大利亚，氮肥利用率较低（10%），远低于澳大利亚的氮肥利用率55%[2，6]。由于我国耕地面积受限，无法依靠扩大甘蔗种植面积提高甘蔗产量。在确保甘蔗种植面积的前提下，可通过加大科技投入力度，提高甘蔗养分利用率，从而实现甘蔗增产增收的目的[7]。

养分对甘蔗产量和品质影响较大，甘蔗养分高效利用是相关领域研究的主要热点之一。本文综述了国内关于甘蔗生长与养分利用的规律和影响养分高效利用的因素包括栽培技术和育种等方面的研究进展，展望了甘蔗养分高效利用的研究方向，以期为甘蔗养分高效利用的研究提供参考。

1 甘蔗的养分需求规律

甘蔗在不同生长期对养分的需求量和种类有很大差异，在苗期和成熟期对养分的需求量相对较少，伸长期对养分的需求量多。甘蔗萌芽期种茎贮藏的养分供其利用，不需要从土壤中吸收；萌芽期到幼苗期需要的养分总量较少，但不能亏缺。在此期间，甘蔗幼苗对氮的需求量较大，其次为钾和磷；在分蘖期甘蔗对养分的需求量逐渐增大，氮、磷、钾的吸收量占整个生长期的10%～20%；进入伸长期后，随着蔗茎的迅速伸长，对养分的需求量大大增加，占整个生长期的50%以上；进入工艺成熟期后，甘蔗对养分的需求量逐渐减少，对钾元素的需求量最大[8]。

甘蔗对养分的需求量还与甘蔗品种、土壤养分含量、生态条件、施肥量与种类和管理水平等因素直接相关，在整个生育期其对氮、磷、钾的吸收量为K2O＞N＞P2O5，一般每千克原料蔗对N、P2O5、K2O吸收量的范围分别为 1.08～3.20 g、0.27～0.70 g、1.01～3.34 g[9－10]。在不同的甘蔗生产地区，甘蔗对养分的吸收量也不同。 巴西蔗区 1 t蔗茎对氮、磷、钾的吸收量分别为 0.80、0.30、1.33 kg，而广东湛江蔗区为 1.72、0.42、4.09 kg[11－13]。在湛江蔗区，含有斑茅血缘的BC2－32需求量大，分别为2.31、0.57、4.74 kg，比粤糖60号、新台糖22号、粤糖55号等要高，这主要是由基因型导致甘蔗对养分的吸收能力和茎叶分配比不同所致[11]。

2 甘蔗养分高效利用的影响因素

在我国，甘蔗和其它作物一样对养分利用率相对较低，尿素、钙磷镁、氯化钾的利用率仅为25%、5%和33%。甘蔗养分利用率的高低与品种、施肥技术、土壤养分含量、肥料种类和施肥量等[12－18]因素有关。同时，甘蔗对氮、磷、钾养分利用率相互联系，具有协同作用，一般对钾利用率较高的基因型对氮、磷的利用率也较高。合理施用氮、磷、钾肥可提高甘蔗产量和养分利用率，对增产效果的影响表现为氮＞钾＞磷，过量施用氮、磷、钾肥不仅会增加甘蔗生产成本、污染环境，还会造成单位施肥量的甘蔗增产量下降，从而降低肥料利用率[15]。

在基因型方面，粤糖55号对N、P2O5、K2O的利用率分别为41.04%、9.56%、57.46%，显著高于粤糖00－236和桂糖02－901[19]。甘蔗生育期对氮的需求量不同，对基肥、分蘖肥和攻茎肥的利用率为攻茎肥＞分蘖肥＞基肥。甘蔗生长前期对氮素的吸收量较少，土壤中过量的氮素通过挥发、反硝化等作用损失，从而降低了氮素利用率；甘蔗拔节期对氮素的吸收量较大，相应提高了氮素利用率[14]。

在缺钾或低钾条件下，甘蔗对钾素利用效率显著高于正常处理和高钾处理。在低钾胁迫下，粤糖60号的钾素利用效率显著高于其他基因型，对钾素的利用效率表现为粤糖60号＞粤糖55号＞斑茅杂交后代BC2－32＞新台糖22号，在钾充足条件下差异不显著，这主要是由于不同甘蔗品种耐低钾能力不同所致[15]。

施肥种类和施肥量也与甘蔗养分利用率相关。在广西坡耕地赤红壤环境下，甘蔗对氮的利用率随着施氮量增加而增加；对磷利用率随着施磷的减少而增加，并且农家肥的使用有助于提高甘蔗对磷的利用率；而甘蔗对钾利用率以80%常规施肥量最高，农家肥的使用则降低了钾的利用率[17]。甘蔗对新型肥料和常规肥料的利用率也不同，在减量缓控释肥处理中，氮、磷、钾养分利用率均显著高于常规氮磷钾化肥、优化氮磷钾化肥+硅镁肥处理[18]。

3 甘蔗栽培技术与养分高效利用

甘蔗测土配方施肥技术已在多种作物上应用，可根据甘蔗需肥规律、土壤供肥性能和肥料效应及农业生产需求，在合理施用有机肥料的基础上，适时、适量、适法地施用氮、磷、钾等营养元素肥料[20]。甘蔗测土配方施肥技术可提高甘蔗肥料利用率、产量和经济效益，与常规施肥相比，产量和经济效益均有所提高，分别提高5.65%和 1 359.35 元/hm2，应用前景较为广阔[21－22]。

近年来，节水灌溉技术在甘蔗种植上开始应用，以较少的灌溉水量取得较好的经济效益，不仅可以充分利用淡水资源，还可以提高甘蔗肥料利用率和产量[23]。目前主要的节水灌溉技术有喷灌、微灌和滴灌，在3种节水灌溉技术中，微灌的整体效果优于喷灌和滴灌，甘蔗对氮、磷、钾和水的利用率分别为50.39%、29.41%、51.64%和89.24%，有效灌溉面积为30%～50%；喷灌可以全面灌溉，但甘蔗对养分的利用率最低；滴灌的甘蔗对氮、磷、钾和水的利用率最高，分别为51.32%、30.21%、52.11%、90.01%，但有效灌溉面积小于30%[24]。谭宏伟等研究表明，滴灌减量施肥区的甘蔗产量达183.855 t/hm2，甘蔗产量较无灌溉区增产62.73%，能实现甘蔗高产优质的目标[25]。

甘蔗水肥一体化技术是利用微灌系统，根据土壤的水分和养分状况及甘蔗对水和肥料的需求规律，将肥料和灌溉水一起适时适量地输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产量[26]。水肥一体化技术主要有滴灌水肥一体化、微喷灌水肥一体化、膜下滴灌水肥一体化，甘蔗水肥一体化技术主要为甘蔗滴灌水肥一体化。滴灌区的土层减量施肥与无灌溉区的土层常规施肥相比，可以显著提高肥料利用率和甘蔗产量，但滴灌设备投入较高，纯收益低于无灌溉的常规施肥，滴灌区的土层减量施肥+滴灌施肥纯收益显著高于无灌溉区的土层常规施肥，这种差异主要是由于滴灌区的土层减量施肥和滴灌水肥一体化均能提高肥料利用率和甘蔗产量所致[27]。滴灌施肥和常规施肥+滴灌处理与常规施肥+无滴灌处理相比，分别增产31.9%、22.8%[28]。

4 甘蔗养分高效利用的种质资源筛选

不同作物品种对养分的吸收和利用效率存在较大的差异，这种差异是受遗传基因控制的，并且有很大的遗传改良潜力[29]。筛选作物养分高效利用基因，可以促进提高养分利用率，通过营养效率评价，已经筛选得到一批营养高效的作物品种，在营养元素高效利用机制上也取得一定进展。近年来，国内科研人员已筛选出氮、磷、钾高效和低效甘蔗品种（见表1）。养分高效品种在低养分胁迫下，株高、茎径、地上部生物量等方面具有较大的优势，磷高效基因型大多都是具有生长旺盛、分蘖力强、有效茎数多、高糖、高产等特点的栽培品种，具有更优秀的综合遗传种资源，适应性强[30－32]。

5 甘蔗养分高效利用的分子育种

甘蔗遗传背景复杂，开花难，缺乏高产、优质、养分高效利用的亲本，采用传统育种手段很难选育出有突破性的优良品种。通过转基因技术可以将目的性状定向转移，为甘蔗品种改良提供了有效途径，如对甘蔗抗逆性、抗病性、抗虫性的遗传改良。近年来，多种植物的钾营养性状基因被陆续克隆出来，它们可能都是介导植物根部从土壤中吸收钾离子。国内研究人员利用RT－PCR技术，从甘蔗根系中克隆得到钾通道蛋白SsAKT1、钾转运蛋白基因SsHAK2、与CBL互作的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶基因SsCIPK23，这些基因可能在甘蔗耐低钾中起重要的调控作用[32－34]。有研究表明，外源超表达基因AtCBL9、AtCIPK23、AtAKT1使甘蔗的耐低钾能力得到显著提高[35]。这主要是由于随着甘蔗对钾的不断吸收，培养基中钾含量逐渐降低，而转基因植株的根系分布较为分散，并且K+通道蛋白的数量和活性显著提高所致。

表1 不同营养元素高效和低效甘蔗品种

6 展望

甘蔗的研究相对于其它作物而言相对落后，关于高产甘蔗养分需求规律及其机制的研究还不深入，需要进一步完善高产甘蔗养分高效利用调控理论与技术。在栽培方法和施肥技术上由于蔗田单元面积狭小，若依据田块推荐测土配方施肥有一定的偏差。在肥料方面，区域甘蔗专用肥料配方将成为甘蔗肥料发展的主要趋势，新型缓释肥可以降低人工成本，在甘蔗种植上有发展的空间。甘蔗水肥一体化技术的推广应用发展迅速，但受施肥参数不明确的影响，很难做到甘蔗需肥、需水规律同步。“大配方、小调整”区域配肥技术与精准精细灌溉技术相结合的水肥一体化精准精细灌溉施肥技术将是甘蔗产业发展的必然趋势。在育种方面，虽然已筛选出一批养分高效利用甘蔗品种，但甘蔗遗传背景复杂，开花难，缺乏高产、优质、养分高效的亲本，采用传统育种手段很难选育出有突破性的优良品种。若在甘蔗前期进行养分高效基因转化，获得养分高效的转基因植株，将会缩短育种周期，提高育种效率。