種植密度和深度對甘蔗產量及抗倒伏的影響

劉富成 李照杰 蔡文偉 吳偉

摘??要：為進一步提高甘蔗單位面積產量，合理的種植密度和深度一直是常用的栽培技術手段。但在增加產量的同時，往往忽略了對甘蔗倒伏的影響。為確定不同種植密度和深度對甘蔗產量及倒伏的影響，以甘蔗品種中糖3號為試驗材料進行研究，試驗共設計3.0、4.5、6.0、7.5芽/m2四個種植密度梯度及淺植（30?cm）、深植（40?cm）2種種植深度，對甘蔗的農藝性狀、倒伏相關指數（根系倒伏與莖稈倒伏）和產量等進行測定。結果表明：隨著甘蔗生育期不斷推進，甘蔗根系和莖稈安全系數逐漸降低，在下種后180?d甘蔗根系倒伏和莖稈倒伏風險較大，處于敏感時期。種植密度從3芽/m2增加至6芽/m2，甘蔗產糖量（+32%）和產量（+36%）顯著增加，同時甘蔗的莖稈倒伏抗性也隨之增加。但進一步增加種植密度到7.5芽/m2時，產糖量和產量沒有進一步顯著增加，但增加了甘蔗的根倒伏風險。與種植深度30?cm相比，種植深度40?cm具有增加甘蔗產糖量（+2.8%）和產量（+4.8%）的趨勢，二者差異不顯著。因此，綜合甘蔗產糖量、產量及抗倒伏等多個性狀，認為種植深度40?cm，種植密度為6芽/m2可以在保證產量和產糖量的同時，提高甘蔗的倒伏抗性。

關鍵詞：甘蔗；種植深度；種植密度；倒伏；產量中圖分類號：S566.1??????文獻標識碼：A

Effects?of?Planting?Density?and?Depth?on?Yield?and?Lodging?Resistance?in?Sugarcane

LIU?Fucheng1，?LI?Zhaojie1，?CAI?Wenwei2，?WU?Wei1*

1.?College?of?Tropical?Crops，?Hainan?University?/?Key?Laboratory?of?Biotechnology?of?Salt?Tolerant?Crops?of?Hainan?Provincial，?Haikou，?Hainan?570228，?China;?2.?Institute?of?Tropical?Bioscience?and?Biotechnology，?Chinese?Academy?of?Tropical?Agricultural?Sciences，?Haikou，?Hainan?571101，?China

Abstract：?Reasonable?planting?density?and?depth?are?the?common?cultivation?techniques?to?increase?sugarcane?yield?per?unit?area.?However，?the?effect?on?sugarcane?lodging?is?often?neglected?when?the?yield?is?increased.?Sugarcane?variety?Zhongtang?3?was?used?as?the?experimental?material?to?determine?the?effect?of?different?planting?density?and?depth?on?the?yield?and?lodging.?Four?planting?density?3.0，?4.5，?6.0?and?7.5?buds/m2?and?two?planting?depth?of?shallow?planting?（30?cm）?and?deep?planting?（40?cm）?were?designed?in?the?experiment.?The?agronomic?characters，?lodging?related?index?（root?lodging?and?stalk?lodging）?and?yield?of?sugarcane?were?measured.?The?results?showed?that?as?the?growth?period?of?sugarcane?continued?to?advance，?the?safety?factor?of?sugarcane?root?and?stem?gradually?decreased，?and?the?risk?of?root?lodging?and?stem?lodging?of?sugarcane?was?higher?at?180?days?after?planting，?which?was?in?a?sensitive?period.?When?the?planting?density?increased?from?3?buds/m2?to?6?buds/m2，?sugar?yield?（+32%）?and?yield?（+36%）?of?sugarcane?were?significantly?increased，?and?the?stem?lodging?resistance?of?sugarcane?was?also?increased.?However，?when?the?planting?density?was?further?increased?to?7.5?buds/m2，?the?sugar?yield?and?yield?did?not?increase?significantly，?but?the?risk?of?root?lodging?was?increased.?Compared?with?planting?depth?of?30?cm，?planting?depth?of?40?cm?had?a?tendency?to?increase?sugar?yield?（+2.8%）?and?yield?（+4.8%），?although?there?was?no?significant?difference?between?them.?Therefore，?considering?sugar?yield，?yield?and?lodging?resistance?of?sugarcane，?we?believe?that?planting?depth?of?40?cm?and?planting?density?of?6?buds/m2?can?improve?lodging?resistance?of?sugarcane?while?ensuring?yield?and?sugar?yield.

Keywords：?sugarcane;?planting?depth;?planting?density;?lodging;?production

DOI：?10.3969/j.issn.1000-2561.2024.02.013

甘蔗是我國重要的經濟作物和糖料作物，甘蔗糖占我國食糖總量的90%以上，保障甘蔗產量對維護我國食糖安全，社會平穩運作至關重要[1-2]。隨著耕地面積的不斷減少，很難通過增加種植面積來提高我國甘蔗總產量，越來越多的農業科學家更加關注于通過增加甘蔗單位面積產量來提高甘蔗總產量[3]。在常規栽培措施管理中，增加種植密度是提高甘蔗產量的有效措施之一[4]。大量研究表明，增加種植密度可以通過個體與群體之間的補償關系來提高其產量[5]。同時作物的倒伏抗性也隨種植密度的改變而發生改變[6]。

作物倒伏是發揮作物高產的主要限制因素之一[7]。倒伏發生后，會影響養分和水分的運輸以及光合產量的積累[8]。倒伏還會增加葉面病害的發生以及降低甘蔗的品質。此外，倒伏降低了甘蔗的冠層高度，增加了甘蔗的機械收獲難度及生產成本[9]。據統計，我國常年發生不同程度倒伏的甘蔗面積約占總種植面積的30%以上，即使在臺風和季風影響輕微的年份，倒伏發生率也占20%左右[10]?？梢?，提高甘蔗倒伏抗性對提高甘蔗產量，推進甘蔗機械化收獲的實施至關重要。

倒伏一般分為莖稈倒伏與根系倒伏[11]。莖稈倒伏是指甘蔗的莖基部不能承受地上部鮮重，導致莖稈出現彎曲甚至折斷的現象[12]。根系倒伏是指甘蔗的根土錨固系統不能支持地上部力矩而出現整株傾斜的現象[13]。盡管2種倒伏形式在實際倒伏中會同時發生，但不同種植密度對二者的影響機制并不一致。莖稈倒伏主要與莖稈基部的抗折力、楊氏模量、彎曲剛度及結構性碳水化合物有關[14]。根系倒伏主要受根系大小、立體構型、力學特征及土壤的質地及水分狀況有關[15]。目前，大多數研究只關注甘蔗的莖稈倒伏，而對根系倒伏研究較少。此外，很少研究同時評價不同種植密度對莖稈倒伏和根系倒伏的影響。分別評價莖稈倒伏與根系倒伏，對更好地降低甘蔗倒伏風險非常必要。

提高種植深度是保證產量和倒伏抗性的有效栽培手段[16]。前人研究表明，種植深度促進甘蔗根系的發育，增加根系的根尖數、總根長及根粗，促進根系對養分的吸收[17]。假設在高密度群體下，通過提高種植深度可以促進根系生長和植株對養分的吸收，從而提高單株產量。同時，提高種植深度還能增加根土錨固強度，降低倒伏風險。但目前關于種植密度與深度的交互作用對甘蔗產量及倒伏抗性的影響鮮有報道。因此，本研究以中糖3號為試驗品種，探討不同密度及深度對甘蔗產量及倒伏抗性之間的關系，以期為同時提高甘蔗產量和抗倒伏能力提供參考。

1??材料與方法

1.1??材料

試驗于2021年3月至2022年1月在海南省臨高縣皇桐鎮中國熱帶農業科學院熱帶生物技術研究所甘蔗試驗基地進行，該基地屬于熱帶季風氣候，雨熱同期，年平均氣溫25?℃以上，土壤類型為磚紅壤。

供試材料為甘蔗品種中糖3號，由中國熱帶農業科學院熱帶生物技術研究所培育，已獲得品種登記[GPD甘蔗（2020）460042]，并且該品種已培育健康種苗（種莖）在廣西扶綏、來賓，云南耿馬，廣東湛江以及海南等蔗區進行推廣示范，但目前還未形成大規模生產種植。該品種主要生長特征和特性：中晚熟高產高糖品種，株型緊湊，植株高大，節間較長，脫葉性好；中至大莖，蔗莖直立均勻，內容充實，不易倒伏；新植出苗整齊，宿根萌芽率高，有效莖數多，宿根性較好，高產；中后期蔗糖分較高；中抗黑穗病，高抗花葉病。

1.2??方法

1.2.1??試驗設計??試驗采用裂區設計。主區為2個不同的種植深度，分別為30?cm和40?cm。副區為4個種植密度，分別為3.0、4.5、6.0、7.5芽/m2。每處理重復3次，共24個小區，各小區面積24?m2，行距120?cm，在苗期通過人工定苗的方式確定種植密度。深度處理采用在常規起壟深度（30?cm）基礎上進行人工再挖深10?cm?；适┯脧秃戏剩∟∶P∶K=18∶22∶5），用量為300?kg/hm2，后期追施氮肥為純氮240?kg?/hm2，分別于苗期、分蘗期、伸長初期、伸長中期施用，施用比例為2∶2∶3∶3。整個甘蔗生育期的管理與常規大田生產管理一致。

1.2.2??項目測定??（1）測定時期。甘蔗下種于2021年3月5日，為確定整個生育時期甘蔗的倒伏抗性變化，分別在下種后90?d（6月30日）、120?d（7月30日）、150?d（8月30日）、180?d（9月30日）、210?d（10月30日）、240?d（11月30日）及270?d（12月30日）對甘蔗進行根倒伏及莖倒伏測定。

（2）人工根系倒伏模擬。根錨固強度Sr（Nm）是根系與土壤結合強度和對植株支撐的條件。參照WU等[18]和DELDEN等[19]的方法，在每個小區隨機選擇3株具有代表性的甘蔗植株，剪去基莖40?cm以上部分，使用測力計（Mecmesin，?Slinfold，?UK;?reading?up?to?1.5?Nm?in?0.0001?Nm?intervals）在基莖距地面35?cm（Lr）處測定基莖與地面垂直方向成傾斜30°時的根錨固力（F30°）。根錨固強度計算公式為：Sr=F30°×Lr。再在每個小區隨機選取3株具有代表性的甘蔗植株，測量整株的株高、重心高度（hr）及鮮重（mr）。重心高度（hr）的測定使用一條細小圓滑的鋼管將甘蔗植株放置上面，直至頭尾達到平衡，即平衡點到頭部為重心高度。然后分別將地上部分（不含40?cm莖稈）與40?cm莖稈用吊牌一一對應標記，并帶回實驗室進行其他指標的測定。

（3）人工莖稈倒伏模擬。莖稈倒伏與根系倒伏在同一天完成。分別記錄地上部分（不含40?cm莖稈）的株高、重心高度（hs）及鮮重（ms）。在本研究中，僅考慮甘蔗自身的倒伏抗性。因此，在莖稈倒伏中，僅考慮不包含40?cm莖稈部分的自重與莖稈抗折力的關系；在根系倒伏中，考慮整個植株的自重與根系錨固強度的關系。用立式MultiTest?2.5-d儀，采用三點彎曲實驗測定莖稈的莖稈抗折力。將40?cm莖稈水平放置于2個支點上，在莖稈中心位置持續施加相同的力，直至莖稈斷裂，2個支點的距離為30?cm（Ls）。通過與立式MultiTest?2.5-d儀連接的電腦軟件（Emperor??Force?and?Torque?Testing?Software）計算莖稈最大彎曲力（Fmax）和彎曲力與位移的最大斜率（dF/dY）。由于基莖近似圓柱型，因此莖彎曲強度Ss（Nm）計算公式為：Ss=Fmax×Ls/4[20]。使用游標卡尺測量40?cm基莖的折斷位置的最大直徑（a）與最小直徑（b），二者的平均值作為甘蔗的莖粗。后將甘蔗基莖裝入信封袋，于95?℃烘箱中烘干72?h至恒重并記錄干重（g），其中，莖稈充實度（g/cm）=莖稈干重/40?cm。

（4）倒伏“安全系數”的計算。采用“安全系數”來評價甘蔗的倒伏抗性，即安全系數越高，甘蔗抗倒伏能力越強。根據WU等[18]的方法，莖稈安全系數（SFs）和根系安全系數（SFr）計算公式如下：

SFs=Ss/Ms

SFr=Sr/Mr

式中，Ss和Sr分別為莖彎曲強度和根錨固強度，其中Ms和Mr分別為莖（除40?cm基莖外）和整個植株在θ°時的重力矩，計算公式如下：

Ms=sinθ×hs×ms×g

Mr=sinθ×hr×mr×g

式中，θ表示植株與地面垂直方向的傾斜角；hs和hr分別表示莖（除40?cm基莖外）和整株的重心高度（cm）；ms和mr分別表示莖（除40?cm基莖外）和整株的鮮重（g）；g表示重力加速度（N/kg）。

此外，莖稈的力學特性，包括莖稈彎曲剛度（EI）、彈性楊氏模量（E）和界面慣性距（I），具體計算公式如下：

EI=Ls3（dF/dY）/48

I=π×a3×b/4

E=EI/I

式中，Ls和dF/dY分別為測定基莖抗折力時立式MultiTest2.5-d儀2個支撐點的距離及彎曲力與位移的最大斜率；a和b分別表示甘蔗直徑橫截面中的長軸和短軸。

（5）甘蔗產量及含糖率的測定。成熟期時，在每個小區隨機選取面積為3.6?m2（3.0?m×1.2?m）的區域測定甘蔗產量（t/hm2）。同時選取3株甘蔗測定含糖率，分別在甘蔗的基部、中部及尾部使用糖度計測定含糖率，最終3個點含糖率的平均值作為甘蔗的含糖率（%）。甘蔗產糖量計算公式如下：產糖量（t/hm2）=總產量×含糖率。

1.3??數據處理

利用WPS?Office?2020軟件進行數據處理，利用DPS系統進行數據顯著性分析，采用LSD法進行多重比較方差分析，采用Origin?2021軟件制圖。

2??結果與分析

2.1??甘蔗不同時期倒伏風險的變化

不同生育時期的SFs與SFr如圖1A所示，隨著生育進程的推進，SFr和SFs呈先下降后逐漸平穩的趨勢，下種后180?d，SFs與SFr變化趨勢不明顯，說明此時期后的甘蔗一直存在較大的倒伏風險。與下種后90?d相比，下種后180?d的SFr和SFs分別下降了138%與342%，下種后210?d的SFr和SFs分別下降了127%與346%。隨著生育進程的推進，Ms與Mr呈逐漸上升的趨勢，Sr和Ss從下種后180?d至270?d先呈逐漸上升后下降的趨勢?；谝陨辖Y果，為深入了解不同種植密度及深度對甘蔗根系倒伏與莖稈倒伏的影響，對下種后180?d與下種后210?d的甘蔗倒伏相關性狀進行深入分析。

2.2??種植深度和密度對甘蔗農藝性狀的影響

由方差分析可知，種植密度對甘蔗株高、重心高度、鮮重、莖粗及莖稈充實度均有顯著影響，種植深度與密度交互對上述農藝性狀無顯著影響。由表1可知，下種后180?d，種植深度30?cm中，甘蔗鮮重、莖粗隨著種植密度的增加而降低，與種植密度3.0芽/m2相比，在7.5芽/m2時分別降低82.3%和25.1%；種植深度40?cm中，甘蔗鮮重、莖粗及莖稈充實度隨著種植密度的增加而降低，與3.0芽/m2相比，在7.5芽/m2時分別降低128%、35.8%和94.6%。

下種后210?d，種植深度30?cm中，隨著種植密度的增加，甘蔗鮮重和莖粗呈降低趨勢，7.5芽/m2處理較3.0芽/m2相比分別降低96.8%和39.9%；在種植深度40?cm中，株高和莖粗也隨著種植密度的增加而降低，與3.0芽/m2相比，在7.5芽/m2時分別降低14.6%和29.4%。

由表2可知，在下種后180?d時，甘蔗莖相關指數I隨著種植密度的增加而降低，與3.0芽/m2相比，在7.5芽/m2時種植深度30?cm中降低141%，在40?cm中降低244.4%，EI在40?cm中也隨著密度的增加而降低。在下種后210?d時，在種植深度30?cm中EI和I均隨著種植密度的增加而降低，而E隨著種植密度增加而增加，與3.0芽/m2相比，EI和I在7.5芽/m2時分別降低73.7%和300%，E在7.5芽/m2時提高110%；而在40?cm中，EI、E和I隨著種植密度增加無顯著性變化趨勢。

2.3??種植深度和密度對甘蔗倒伏相關指數的影響

不同種植密度對甘蔗SFs、Ss、Sr、Ms及Mr均具有顯著影響，而不同種植深度以及種植密度×種植深度交互對甘蔗倒伏相關指數無顯著影響（表3）。由圖2可知，下種后180?d，種植深度30?cm中，SFs和SFr隨著種植密度的增加具有增加的趨勢，而在40?cm中呈先增加后降低的變化趨勢，在6.0芽/m2時最高。在種植深度30?cm中，Ss、Ms及Mr隨著種植密度的增加而降低，種植深度40?cm中，Ss、Sr、Ms及Mr隨著種植密度增加而降低，種植深度30?cm中，與3.0芽/m2相比，7.5芽/m2處理下Ss、Ms及Mr分別降低61.1%、93.7%和91.6%。

由圖3可知，下種后210?d，種植深度30?cm中，SFs在6.0、7.5芽/m2時高于3.0、4.5芽/m2，SFr在6.0芽/m2時最高，種植深度40?cm中，SFs和SFr與下種后180?d時具有類似的變化趨勢，在6.0芽/m2時最高。在下種后180?d與下種后210?d中，SFs比SFr總體分別提高11.6%和9.6%，因此可知甘蔗莖抗倒伏比根抗倒伏能力強。

2.4??種植深度和密度對甘蔗產糖量、含糖率、產量的影響

由表4可知，種植密度對甘蔗產糖量和產量有顯著影響，而對含糖率無顯著影響，種植深度以及與密度互作對產量、產糖量和含糖率均無顯著影響（表3）。在種植深度30?cm和40?cm中，產量分別在7.5芽/m2和6.0芽/m2最高，分別達到66.4、68.9?t/hm2，而產糖量分別在4.5、7.5芽/m2時最高，分別達到11.6、12.1?t/hm2。在不考慮種植深度時，與3.0芽/m2相比，4.5、6.0芽/m2處理的產糖量分別提高34.9%和32.6%，產量分別提高38.2%，36.3%。雖然種植深度間產糖量和產量無顯著性差異，但相對種植深度30?cm而言，種植深度40?cm具有提高產糖量（2.8%）和產量（4.8%）的趨勢。

3??討論

3.1??下種180?d后是甘蔗群體的倒伏敏感期

倒伏是制約甘蔗產量提高的主要限制因子，明確不同生育時期的倒伏變化對提高甘蔗產量和倒伏抗性至關重要[21]。本研究表明，隨著甘蔗生育期不斷推進，在下種180?d后甘蔗的倒伏風險達到最大，之后基本不再發生明顯變化。這主要是因為株高和鮮重不斷增加，增加了Ms與Mr，增大了甘蔗的倒伏風險，SFs和SFr在下種180?d后出現變化平緩是由于Ms和Mr的增加在下種180?d之后的變化比下種180?d之前小，同時也說明甘蔗在下種后180?d之前比之后生長更快。吳炫柯等[22]研究表明甘蔗在伸長期處于產量形成的關鍵時期，倒伏會顯著影響甘蔗的光合能力及干物質積累，降低甘蔗產量。此外，在海南地區，此時期處于臺風及極端天氣頻發的季節，不利的環境因子也進一步增加了甘蔗的倒伏風險[23]。因此，在甘蔗下種后180?d時（9月）及之后應采取農學管理措施來降低甘蔗的倒伏風險，比如合理的肥水管理等。

3.2??種植深度和密度對甘蔗產量及倒伏的影響

本研究表明，當種植密度從3芽/m2增加至6芽/m2，甘蔗的產糖量顯著增加。這主要是因為增加種植密度，增加了單位面積產量，而對含糖率無顯著影響。林良文等[5]研究也發現增加種植密度可以優化甘蔗的群體結構，增加群體之間的透光率，提升群體光合能力，最終提高產量。此外，甘蔗的莖稈倒伏抗性也隨之增加。與3芽/m2相比，盡管6芽/m2處理顯著降低了甘蔗的莖粗、莖稈充實度、莖稈彎曲剛度及界面慣性距，但也降低了甘蔗的重心高度、單株鮮重及Ms。種植密度對前者的影響程度小于后者，因此增加種植密度到6芽/m2會增加甘蔗的莖稈倒伏抗性。但進一步增加種植密度至7.5芽/m2時，產糖量沒有進一步顯著增加，但提高了甘蔗的根倒伏風險。因此，本研究認為6芽/m2是甘蔗的最佳種植密度，可以在保證產量、產糖量的同時，提高甘蔗的倒伏抗性。

研究還表明，增加種植深度也能提高甘蔗的產糖量和產量，盡管差異并不顯著。前人研究表明，增加種植深度可以促進根系的發育，提高甘蔗吸收土壤中水分和養分的能力，最終提高產量及產糖量[24]。廖青等[25]研究發現增加種植深度顯著增加了甘蔗的發株率、分蘗率及產量相關性狀，例如株高、莖粗等。譚琴[26]的研究也表明，深耕深松種植甘蔗較常規種植的甘蔗產量增加了10.5%，增產效果明顯，與本研究結果一致。與種植深度30?cm相比，增加種植深度至40?cm未增加甘蔗的倒伏風險，這主要是因為甘蔗的Ss和Sr基本保持一致。楊惠淳[17]的研究發現增加種植深度可以降低甘蔗的倒伏發生率。與本研究結果不一致的原因可能是2個試驗的深度處理不同所致。因此，種植深度40?cm可以在不影響倒伏的前提下提高甘蔗的產糖量及產量。

4??結論

本研究結果表明，下種180?d后甘蔗一直處于倒伏敏感期，倒伏風險相對較高。種植密度從3芽/m2增加至6芽/m2，甘蔗的產糖量（+32%）和產量（+36%）顯著增加。這主要是因為增加種植密度，增加了單位面積群體數量從而增加產量，另外，甘蔗的莖稈倒伏抗性也隨之增加。但進一步增加種植密度到7.5芽/m2時，產糖量和產量沒有進一步顯著增加，但增加了甘蔗的根倒伏風險。由方差分析可知，種植深度間倒伏相關指數、產糖量及產量無顯著差異，但對于種植深度30?cm而言，種植深度40?cm能促進甘蔗產糖量（+2.8%）和產量（+4.8%）的提高。因此，根據產量、產糖量及倒伏抗性綜合考慮，認為種植深度40?cm，種植密度為6芽/m2可以在保證產量、產糖量的同時，提高甘蔗的倒伏抗性。

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