甘蔗是热带和亚热带经济作物,是最主要的糖料作物和糖料来源[1]。甘蔗在广西的种植面积最大[2],是重要的经济支柱产业之一,对当地经济发展与社会稳定有重要作用[3]。但连年种植与肥料的高投入导致蔗地土壤结构紧实,保肥保水能力下降,甘蔗养分吸收利用率低,植株不健壮,肥料被雨水冲刷和残留溶解在土壤中,造成当地生态环境污染[4],种植甘蔗的效益下降。耕作方式可改变土壤的物理性质,进而改变土壤的质量,最终影响作物的生长发育及产量[5,6]。粉垄是广西农业科学院韦本辉研究员研发的新型农耕方法,采用粉垄机螺旋钻头将土壤垂直旋磨粉碎且自然成垄,深入耕层以下土壤达30~60 cm,不改变土壤主体层次的深耕深松技术[7]。粉垄可以一次性完成深耕、粉碎、成垄等作业[8]。目前,粉垄技术已在广西等全国20多个省市及水稻等30多种作物上应用,结果表明,与传统耕作相比,在零增加或适量减用农药化肥的条件下可增产10%~ 30%以上,作物品质提高5%以上,具有显著的增产效果[9,10,11,12]。粉垄耕作能提高甘蔗的产量和品质[13,14,15],促进甘蔗根系深扎,能起到保温保湿、抵御干旱等不良环境的作用[16]。粉垄耕作下的甘蔗出苗率、分蘖率、茎径和月生长速度均大于常规耕作[8],根长、根重增加,完全展开叶片数增多,叶宽增加,有效光合面积增加[17,18]。但粉垄耕作下甘蔗的光合生理特性及其对甘蔗产量品质影响的研究尚不多见。因此,本研究拟通过研究粉垄条件下甘蔗光合特性和光合作用相关的酶活性等特征及其与甘蔗农艺性状和产量品质的关系,从而为粉垄技术在甘蔗栽培中的应用推广提供参考,为甘蔗产业的发展提供新思路。
1 材料与方法
1.1 材料
供试甘蔗品种为‘桂糖42号’,由广西甘蔗研究所提供。
1.2 方法
1.2.1 试验设计 试验于2018年3月16日至2019年1月19日在广西隆安县粉垄综合示范基地进行。该地地理位置为22°99°28''N,107°88°52''E,属于亚热带季风气候,全年湿润多雨,日照充足,年均气温22 ℃。试验地为平地,土壤为黏土。试验采用田间随机区组试验设计,设2个处理,分别为常规耕作（旋耕机耕作,CK,深20 cm）和粉垄机耕作（自走式粉垄机,深40 cm）,每个小区长10 m,宽6 m,种植5行,种植密度为14芽/m,行距1.2 m。每个处理设3个重复。
以复合肥（广西物宝农业科技集团有限责任公司生产,N-P2O5-K2O比例为15-15-15,总养分≥45%）作为基肥,用量1200 kg/hm2,种植同时施用杀虫霜125 kg/hm2（山东泗水丰田农药有限公司生产）,以防地下害虫伤害。于2018年6月10日开始追肥,分别施用尿素486.1 kg/hm2,钾肥486.1 kg/hm2,复合肥1388.9 kg/hm2（安徽六国化工股份有限公司生产,N-P2O5-K2O比例为16-16-16,总养分≥48%）,田间管理与常规大田管理一致,于2019年1月19日进行甘蔗砍收及品质测定。
1.2.2 农艺性状及产量品质测定 于2018年4月17日和2018年5月11日分别统计出苗率及分蘖率。出苗率=出苗数量/下种量×100%;分蘖率=（总苗数–出苗数）/出苗数×100%,并测量苗长（苗期用卷尺测根部至叶尖部的长）。分别于2018年6月6日、2018年7月31日、2018年9月21日和2018年10月28日用卷尺和游标卡尺测量甘蔗株高和茎径（株高测量地上甘蔗基部至甘蔗生长点处的长,茎径测量地上+3节节间、中部节间和+7节节间的长）。于2019年1月19日甘蔗砍收时,每个重复选取20株,统计节间数,有效茎数（以长1 m以上的甘蔗茎作为有效茎）,测量茎长、节间长度、茎径、单茎重及产量。同时,每个重复选取代表性的植株6株送至广西农业科学院甘蔗研究所进行品质测定。
1.2.3 样品采集及生理生化指标测定 分别在苗期（2018-04-17）、伸长期（2018-07-02）及成熟期（2018-10-28）每个重复均取10株甘蔗样品,用SPAD-502叶绿素仪测定+1叶叶绿素含量;用LI-6400XT光合仪测定+1叶的净光合速率（Pn）、气孔导度（Cond）、胞间二氧化碳浓度（Ci）及蒸腾速率（Tr）;采+1叶叶片,用液氮冻存后置于‒40 ℃冰箱保存,用于酶活测定。
1.2.4 酶活性的测定 苹果酸脱氢酶（NADP- MDH）活性的测定参考《植物生理生化实验教程》[19]。磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶（PEPC）和核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶（RuBPC）的活性用江莱生物公司的ELISA试剂盒测定,其编号分别为JL18294-96T和JL22727-96T,使用Multiskan GO 1.00.40酶标仪测定OD值。
1.3 数据处理
采用Microsoft Excel 2010软件进行数据基础整理及作图,用SPSS 20统计软件进行显著性及方差分析,用ELISA计算程序软件计算ELISA试剂盒测出酶活力的数据。
2 结果与分析
2.1 粉垄耕作对甘蔗叶绿素含量及光合参数的影响
随着甘蔗的生长发育,Pn、Cond、Ci、Tr和叶绿素含量呈现先高后低的趋势,伸长期最高。在伸长期,粉垄耕作下的Pn、Cond、Ci、Tr和叶绿素含量分别提高37.1%、45%、19.12%、25.9%和5.4%,显著大于常规耕作,但叶绿素含量在苗期和成熟期差异不显著。在成熟期,粉垄甘蔗的Pn、Cond、Tr均显著大于常规耕作甘蔗,分别提高14.1%、70%、6.7%。在苗期,常规耕作甘蔗与粉垄甘蔗的光合参数无显著差异（表1）。
表1 粉垄耕作下甘蔗叶绿素含量及光合作用Tab. 1 Chlorophyll content and photosynthesis of sugarcane under Fenlong tillage |
| 时期 Stage | 处理 Treatment | 净光合速率 Pn/(μmol·m‒2·s‒1) | 气孔导度 Cond/(mol·m‒2·s‒1) | 胞间二氧化碳浓度 Ci/(μmol·mol‒1) | 蒸腾速率 Tr/(mmol·m‒2·s‒1) | 叶绿素含量 Chlorophyll content(SPAD) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 苗期 | CK | 19.27±1.05a | 0.10±0.004a | 84.47±6.68a | 3.60±0.94a | 37.19±0.9a |
| 粉垄 | 20.59±0.48a | 0.12±0.016a | 91.35±2.53a | 3.74±0.31a | 36.59±1.8a | |
| 伸长期 | CK | 22.29±1.50b | 0.20±0.008b | 149.76±15.5b | 4.52±0.21b | 44.33±0.4b |
| 粉垄 | 30.56±0.82a | 0.29±0.008a | 178.4±6.16a | 5.69±0.10a | 46.72±0.2a | |
| 成熟期 | CK | 19.27±0.25b | 0.10±0.004b | 101.47±6.68a | 3.60±0.946b | 39.78±1.1a |
| 粉垄 | 21.99±0.48a | 0.17±0.016a | 88.35±2.53b | 3.84±0.31a | 40.86±0.2a |
注：不同小写字母表示处理间在0.05水平上差异显著。 | |
Note: Different lowercase letters indicate significant difference among treatments at 0.05 level. |
2.2 粉垄耕作对甘蔗光合作用相关酶活性的影响
从图1可知,在苗期、伸长期和成熟期的NADP-MDH、PEPC和RuBPC的活性呈先升高后降低的趋势。在粉垄耕作模式下,伸长期的甘蔗,其NADP-MDH、PEPC和RuBPC活性显著高于常规耕作甘蔗,分别提高23.5%,30.9%和18.6%。而在苗期和成熟期的甘蔗,2种模式的NADP- MDH、PEPC和RuBPC活性差异不显著。
2.3 粉垄耕作对甘蔗农艺性状和工艺品质的影响
图2表明,粉垄机与常规旋耕机不同,螺旋钻头将土壤垂直旋磨粉碎,深入耕层以下土壤达30~60 cm,不改变土壤主体层次的深耕深松技术。粉垄耕作与常规耕作相比,粉垄耕作下苗期甘蔗的根系更发达,叶片数量更多;伸长期与成熟期甘蔗生长更健壮,更高,绿叶数目更多,甘蔗有效茎数更密集。
图2 粉垄耕作下甘蔗的生长发育A. 粉垄机作业;B. 苗期甘蔗;C. 伸长期甘蔗;D. 成熟期甘蔗;CK（常规耕作甘蔗）;粉垄（粉垄耕作甘蔗） Fig. 2 Growth and development of sugarcane under Fenlong tillage A. Fenlong operation; B. Seedling stage of sugarcane; C. Elongation stage sugarcane; D. Mature stage sugarcane;CK: Sugarcane grows under tractor tillage; Fenlong: Sugarcane grows under Fenlong tillage |
由表2可知,粉垄耕作下,甘蔗的出苗率和分蘖率分别为44%和86%,分别比常规耕作提高了10%和7.5%。在苗期、分蘖期和伸长初期,粉垄甘蔗与CK的苗长、株高无显著差异。在伸长盛期、后期和成熟期,粉垄甘蔗的株高、茎径均显著大于CK。
表2 粉垄耕作下甘蔗不同生长时期的农艺性状Tab. 2 Agronomic traits of sugarcane at different growing stages under Fenlong tillage |
| 处理 Treatment | 出苗率Emergence rate/% | 分蘖率Tillering rate/% | 苗长 Seedling length/cm | 株高 Plant height/cm | 茎径 Stem diameter/cm | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 4月Apr | 5月May | 6月Jun | 7月Jul | 9月Sep | 10月Oct | 7月Jul | 9月Sep | 10月Oct | |||
| CK | 40±2.0a | 80±9a | 46.5±2.7a | 130.8±3.5a | 54.5±2.0a | 160.6±4.5b | 259.3±1.4b | 293.3±4.4b | 2.34±0.49b | 2.47±0.28b | 2.55±0.35b |
| 粉垄 | 44±5.1a | 86±21a | 47.5±2.0a | 131.7±4.2a | 56.3±1.6a | 178.9±3.3a | 304.3±3.4a | 331.8±4.8a | 2.51±0.05a | 2.89±0.47a | 2.97±0.57a |
注：不同小写字母表示处理间在0.05水平上差异显著。 | |
Note: Different lowercase letters indicate significant difference among treatments at 0.05 level. |
由表3可知,粉垄耕作下,砍收时甘蔗的茎长、茎径、节数、单茎重、有效茎和理论产量分别比常规耕作提高了13%、17.56%、18.26%、32.7%、5.3%和18.9%,差异显著,但节间长度无显著差异。
表3 粉垄耕作下甘蔗砍收时的农艺性状Tab. 3 Agronomic traits of sugarcane during harvest under Fenlong tillage |
| 处理 Treatment | 茎长 Stem length/cm | 茎径 Stem diameter/cm | 节间长度Internode length/cm | 节数 Number of sugarcane nodes | 单茎重 Single stem weight/kg | 有效茎数Number of effective stalk | 产量（理论值） Cane yield(theoretical value)/(kg·hm‒2) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| CK | 295.4±7.8b | 2.56±0.6b | 12.9±0.26a | 21.9±0.7b | 1.65±0.03b | 69 907±912b | 109 814±2252b |
| 粉垄 | 334.1±0.4a | 3.01±0.7a | 12.4±0.33a | 25.9±0.2a | 2.19±0.16a | 73 611±802a | 130 555±3539a |
注：不同小写字母表示处理间在0.05水平上差异显著。 | |
Note: Different lowercase letters indicate significant difference among treatments at 0.05 level. |
粉垄耕作下锤度、国标糖度、蔗汁糖分和甘蔗糖分分别比常规耕作甘蔗显著提高9%、15%、14.5%和13.3%,而粉垄甘蔗的出汁率、纯度有所增高（表4）,但与常规耕作相比差异不显著。
表4 粉垄耕作下甘蔗的工艺品质Tab. 4 Quality of sugarcane under Fenlong tillage |
| 处理 Treatment | 出汁率 Juice yield/% | 纯度 Purity/% | 锤度 Brix | 国标糖度 National standard sugar | 蔗汁糖分 Sucrose content in juice/% | 甘蔗糖分 Sugar content/% |
|---|---|---|---|---|---|---|
| CK | 75.4±1.2a | 83.1±1.6a | 16.6±0.5b | 56.6±2.8b | 13.8±1.1b | 11.90±0.5b |
| 粉垄 | 75.6±0.2a | 87.4±0.2a | 18.1±0.2a | 65.1±0.7a | 15.8±0.3a | 13.49±0.2a |
注：不同小写字母表示处理间在0.05水平上差异显著。 | |
Note: Different lowercase letters indicate significant difference among treatments at 0.05 level. |
3 讨论
光合作用效率是作物产量高低的决定性因素[20,21]。PEPC、RuBPC与NADP-MDH是C4植物光合作用途径的关键酶[22],PEPC、NADP-MDH的活性均与Pn呈显著正相关[23]。在超高产栽培模式下,玉米叶片的PEPC、RuBPC活性均有所提高,加快了CO2同化效率,为产量形成奠定了基础[24]。粉垄耕作下,玉米、花生、水稻的后期功能叶片的净光合速率提高10%以上,产量增加8%以上[25,26],且能提高冬小麦旗叶的光合性能[27]。本研究结果表明,在甘蔗的苗期–伸长期–成熟期,叶绿素含量、NADP-MDH活性、PEPC活性、RuBPC活性、Pn、Cond、Ci与Tr等与光合作用相关的生理指标的动态变化均呈先升后降的趋势,在甘蔗伸长期最高。
洛育[28]研究结果表明,在苗期,为了给植株创造良好的营养生长条件,要促进根系生长,增大根冠比;理论上认为,根冠比越大,说明其根系系统越发达,则越有利于土壤中水分养分的吸收,从而促进产量提高。粉垄有利于甘蔗苗期的根系生长[13,14]。本研究结果表明,虽然在苗期,粉垄甘蔗与常规耕作下甘蔗的光合相关指标、农艺性状等差异并不大,但根系发育较好,可为甘蔗后期的快速生长打下良好的基础,也会促进后期光合能力的提高。到甘蔗快速生长期（伸长期）,与光合作用相关的生理指标均大于常规耕作,表明粉垄耕作条件下,甘蔗具有较高的光合能力,有利于积累更多的有机物,是粉垄甘蔗产量高于常规耕作甘蔗的主要原因,这现象符合植物生长地上部分和地下部分生长相关性和作物高产的源库流理论[29]。
在成熟期,粉垄甘蔗的Pn、Cond与Tr的差异仍然高于常规耕作甘蔗。通常情况下,甘蔗工艺成熟期,其株高、茎粗不再明显增加,但干物质的累积（以蔗糖的形式贮藏在茎薄壁细胞中）仍有所增加,直到收获[30],此时叶片输出的蔗糖将主要用于贮存在甘蔗茎内,有利于成熟期甘蔗糖分的积累,这可能是粉垄甘蔗工艺成熟期蔗茎糖分含量较高的原因。
综上所述,粉垄条件下,苗期甘蔗光合能力和常规耕作条件下差异不显著,但根系发育较好,从而为后期的快速生长打下较好的基础;而伸长期则具有较高的光合能力,是粉垄甘蔗伸长期生长速度较快的重要原因之一;而在成熟期,粉垄甘蔗仍有较高的光合能力,则可能是其糖分积累较高的主要因素,这都是粉垄甘蔗高产优质的原因。