甘蔗是重要的糖料作物，2019～2020 年榨季我国食糖消费量 1480 万 t，食糖生产量 1041 万 t，其中甘蔗糖 902.23 万 t，甜菜糖 139.28 万 t，供给短缺^[1]。甘蔗大田生产中如统一采用良种良法，则各年份产量糖分的变异主要由环境因子决定，其中气候和土壤是影响甘蔗生产的主要环境因子，气候条件提供了甘蔗生长的光照、温度和降水，土壤条件提供了甘蔗生长的水分和养分需求。我国南方蔗区位于热带、亚热带气候地区，干湿季明显，高温多雨，湿热同季，富铝化与生物富集互相作用，形成了南方蔗区主要以赤红壤和砖红壤为代表的蔗作土壤类型，但不同县市土壤肥力和保水性仍然存在较大差异。因此，摸清我国主产蔗区的气候土壤差异及其对甘蔗生产潜力的影响，有利于保障国家食糖安全及甘蔗产业的可持续发展。目前，对我国蔗区土壤水分和养分空间分布规律^[2-3]、蔗区养分配比状况^[4-5]的研究主要集中在耕层 0～30 cm。土壤养分是土壤肥力的重要组成部分，受种植活动和耕作方式的影响，土壤肥力会发生变化^[6-7]，同时对土地利用强度的加大也会造成肥力的下降^[8]，研究其空间分布规律可为养分管理提供依据^[9-10]。由于土壤养分迁移受土壤水在重力和土壤颗粒对其阻力的双重作用下产生不定向运动，致使不同剖面的土壤养分含量空间分布存在差异。王秀丽等^[11]报道，自然土壤表层有机碳含量与海拔、植被覆盖度显著正相关，与温度显著负相关，而造成这种分布的主导环境因子是海拔引起的水热条件和植被覆盖度的差异影响。科研工作者在气候、土壤因子对甘蔗生长发育和产量糖分影响方面开展了不少研究，如王鞠萱等^[12]在云南勐腊的研究发现日照时数和昼夜温差与糖分性状呈显著正相关，降雨量与蔗汁锤度、蔗汁蔗糖分、甘蔗纤维分及甘蔗蔗糖分均呈显著负相关。罗俊等^[13]通过深翻和深松对土壤物理结构的改善，显著提高了耕层土壤总孔隙度，提高深层土壤保水能力，能显著提高甘蔗蔗茎产量。付建涛等^[14]研究了广东、广西和云南甘蔗单位面积产量与降水和温度变化之间的关系，进一步评价气候效应对甘蔗产量的影响。罗晟昇等^[15]研究发现，降雨量对甘蔗的出苗率、发株率、分蘖率和糖分均具有不同程度的影响，甘蔗蔗糖分与降水量和温度呈负相关关系。谢平等^[16]、许文龙等^[17]、郭晋川等^[18]、陈燕丽等^[19]分析了不同气候因素对甘蔗糖分积累和变化的影响，明确了对糖分积累有利的气候条件，发现适宜的海拔、高温、高湿、高光强和中等 pH、保水透气、中高肥力土壤通常有利于甘蔗高产高糖。毛钧等^[20]基于作物模型分析了云南德宏蔗区气候、土壤条件下的播期和水氮优化对甘蔗产量和糖分的影响。前人研究报道了我国蔗区土壤水分和养分空间分布规律及 0～30 cm 土层的土壤养分配比状况，而关于我国不同蔗区的土壤剖面养分空间分布规律及其对甘蔗生产的影响研究还鲜见报道。本研究根据我国甘蔗生产潜力评估分析和土壤改良增产研究的需要，从不同生态蔗区的光、温、水、肥等自然气候和土壤因子的调查取样和差异分析入手，结合甘蔗主栽品种的产量和糖分性状进行相关分析，并通过数学模型拟合对甘蔗产量潜力进行预测。明确不同生态蔗区的气候和土壤要素差异，探讨影响甘蔗生产潜力的关键指标，提高气候土壤资源的利用效率，促进甘蔗区域生产布局和土壤水肥优化。

1 材料与方法

1.1 研究站点地理气候概况

选择国家糖料产业技术体系在我国主产蔗区设立的云南开远、云南陇川、广西来宾、广西南宁、广东遂溪共 5 个甘蔗综合实验站作为代表站点开展研究，2018～2019 年各站点地理气候因子信息见表1。云南省的实验点相对广西、广东两省 （区）的实验点海拔高（>700 m）、日照长（>1900 h）、降水量较小（700～1600 mm）、蒸发量较大 （1600～2000 mm），特别是开远市甘蔗所基地年均蒸发量远大于降水量，空气湿度仅为 70% 左右。

1.2 土壤取样方法

在 5 个实验站选择有代表性的甘蔗种植地块进行 3 次重复采样，采样前去除地表覆盖物，每个采样点一次性挖到地面以下 1.2 m 的深度，由表层垂直向下分别在 6 个不同深度土层（0～20、 20～40、40～60、60～80、80～100 和 100～120 cm）用直径 50 mm、高 50 mm 的不锈钢环刀采集土壤，同时每层取土样 1 kg，土样带回实验室测定水分、容重和养分等理化指标。

1.3 土壤养分测定方法

土壤有机质采用高温外加热重铬酸钾氧化-容量法测定，pH 采用 1∶2.5 土水比、pH 计电位法测定，碱解氮采用氢氧化钠碱解扩散法测定，有效磷采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定，速效钾采用 1 mol·L^-1 乙酸铵浸提-火焰光度法测定。其它土壤理化指标参考鲁如坤的方法^[21]。

1.4 土壤水分常数的测定和计算方法

土壤水分测定采用烘干法，土壤容重和田间含水量的测定采用环刀法，土壤最大吸湿量的测定采用硫酸钾饱和溶液法。

1.5 甘蔗产量构成指标调查与计算

参试甘蔗品种为新台糖 22 号，在 2018 年 12 月和 2019 年 11 月甘蔗成熟期随机选取 10 株甘蔗，调查甘蔗株高（cm）、茎径（cm）和锤度（%），3 个重复小区共 30 株甘蔗，同时调查 10 m² 内（10 m 行长 ×1 m 行距）株高超过 1 m 的甘蔗株数，并计算每平米有效茎数（个·m^-2）、单茎重（kg）、蔗糖分（%）、每公顷的蔗茎产量（t·hm^-2）和蔗糖产量（t·hm^-2）^[22]。其中，2018 年产量数据用于数学拟合模型的调参，2019 年产量数据用于模型的验证。上述产量构成性状的计算公式分别为：Ms=n/10；Sw=0.7854×（Ht-30）×Sd² /1000； SC=1.0825×Bx-7.703；TCH=Sd×Ms×10；TSH= TCH×SC。式中，Ms、n、Sw、Ht、Sd、SC、Bx、TCH、 TSH 分别代表有效茎数、株数、单茎重、株高、茎径、蔗糖分、锤度、蔗茎产量、蔗糖产量。

1.6 数据处理及使用软件

原始数据整理和描述性统计采用 Excel 2007 和 SPSS 18.0，方差分析、回归分析和作图采用 SAS 13。

2 结果与分析

2.1 不同土层的土壤理化指标差异

如表2 所示，各研究实验点的甘蔗种植耕作层、深层和底层各层的有机质、碱解氮、有效磷、速效钾各养分含量差异显著，特别是耕作层的有机质、碱解氮、有效磷和速效钾指标含量均显著高于其它两层，可见甘蔗栽培管理措施主要影响 0～40 cm 的土层。深层土壤的有机质和有效养分含量没有耕作层的高，由表层垂直向下随着土层加深其含量逐渐减少，呈现出随土层深度的增加而下降的趋势。不同年份相同土层比较显示，2019 年土壤耕作层的碱解氮和速效钾指标较 2018 年显著降低，其它养分指标和 pH 无显著差异。

研究实验点耕作层、深层和底层各层土壤的容重、总孔隙度无显著差异（表3），平均土壤容重在 1.35 g·cm^-3 左右，总孔隙度约 48.9%。耕作层的毛管孔隙度、饱和度显著低于深层，而充气孔隙度显著高于深层，平均毛管孔隙度约 35.5%，充气孔隙度约 13.4%，饱和度在 0.74 左右。不同年份相同土层的土壤孔隙度指标无显著差异，土壤含水量的差异也不显著。不同土层的相同含水量指标差异不大，变化趋势不明显，土壤饱和含水量均值为 365～386 g·kg^-1，田间持水量均值为 247～278 g·kg^-1，取样时土壤含水量初始值约为田间持水量的 80%（198～225 g·kg^-1）。当土壤含水量低于田间持水量的 51%（130～141 g·kg^-1） 就可能出现叶片萎蔫，影响根系吸水。不同土层的有效含水量在 110～146 g·kg^-1 之间（图1）。

注：同列不同小写字母表示指标在土层间差异显著（P<0.05）。表3 同。

2.2 各生态区实验站点的土壤理化指标差异

云南、广西和广东蔗区代表站点的蔗田土壤样品均为铁铝性红壤土，与养分相关指标见表4。酸碱度方面，除开远站点土壤呈微碱性（pH=7.5～8.0） 外，其它站点均为酸性土壤（4.5<pH<6.0）。养分方面，陇川土壤有机质和碱解氮含量最高，来宾土壤有机质和碱解氮含量相对较低；土壤有效磷含量遂溪最高，陇川最低；土壤速效钾含量南宁最高，来宾最低。相同站点不同年份比较，土壤有机质无显著差异，土壤 pH 和其它土壤养分指标均有不同程度地降低。从总体上看，南方主产蔗区各代表站点土壤以呈酸性与微酸性红壤为主；不同蔗区站点间土壤养分差异较显著。

注：同列不同小写字母表示指标在站点间差异显著（P<0.05），土壤养分和 pH 值分级标准参考文献^[2，23]。

不同生态区的土壤孔隙度相关指标差异显著 （表5），土壤容重为 1.15～1.61 g·cm^-3，来宾 >开远 >南宁 >陇川 >遂溪。陇川和遂溪的土壤总孔隙度显著高于其它站点，来宾的土壤总孔隙度最小，粘度较高；南宁的土壤毛管孔隙度超过 40%，保水性较好；而来宾的土壤毛管孔隙度低于 30%，保水性较差；开远和南宁的土壤饱和度高（>0.85），充气孔隙度小（<8%），通气性较差； 而陇川和遂溪的土壤饱和度低（<0.7），充气孔隙度大（>13%），通气性较好。

注：同列不同小写字母表示指标在站点间差异显著（P<0.05）。

图2 对不同站点不同年份的土壤饱和含水量、田持持水量（有效含水量 + 萎蔫含水量）和初始含水量进行了比较。从总体上看，陇川和遂溪的土壤饱和含水量指标高于平均水平，但遂溪的土壤田间持水量、初始含水量和有效含水量均高于陇川；南宁的土壤饱和含水量略低于平均水平，但田间持水量和初始含水量较高；而开远和来宾的土壤饱和含水量指标偏低，特别是来宾的各项指标均显著低于其它站点。除个别站点的土壤有效含水量外，多数站点的土壤水分指标年际变化不显著。

图3 对土壤有效含水量进行了重点分析。从站点上看，遂溪的土壤有效含水量最高，土层自上而下水分呈增加的趋势，不同年份各土层有效含水量均在平均值（131 g·kg^-1）以上，变化范围在 134～206 g·kg^-1 之间；南宁土壤耕作层有效含水量最低（79～101 g·kg^-1），但深层和底层有效含水量较高（171～193 g·kg^-1）；来宾和开远的不同年份各土壤层的有效含水量均在平均值以下，变化范围在 83～125 g·kg^-1 之间，特别是深层和底层土壤有效含水量显著低于其它站点；陇川 2018 年各土层的有效含水量均在平均值附近，变化范围在 119～143 g·kg^-1 之间，但 2019 年陇川各层土壤有效含水量显著下降到平均值以下，变化范围在 86～112 g·kg^-1 之间。从总体上看，2019 与 2018 年相比，除开远、来宾和南宁的深层土壤有效含水量较 2018 年略微增加外，其它各站点和土层的有效含水量均有不同程度地降低。

2.3 各生态区甘蔗产量构成指标分析

甘蔗产量构成指标的调查统计结果见表6，不同站点间甘蔗的株高、茎径、单茎重和锤度指标存在显著差异，其中开远的株高、茎径和单茎重均较低，有效茎数中等，但锤度最高；陇川和来宾各产量构成指标均处于中间水平；南宁和遂溪 2018 年的株高、茎径、单茎重和有效茎数均较高，但锤度偏低。各生态蔗区代表站点 2019 年甘蔗产量构成指标多较 2018 年有不同程度的降低，特别是南宁和遂溪的株高和有效茎数下降最为显著。2019 较 2018 年显著升高的性状只有遂溪站的茎径和单茎重，开远站 2019 年的茎径和有效茎数 2 个指标略高于 2018 年，但差异不显著。

根据表6 中的数据和 1.5 中的公式计算得到不同站点的理论蔗茎产量、蔗糖分和蔗糖产量，结果见表7。在 5 个研究站点中，2018 年蔗茎产量（t·hm^-2） 由高到低依次为南宁（169.5）>遂溪（158.1）>来宾（139.0）>陇川（138.2）>开远（98.6），站点间差异显著；蔗糖分（%）由高到低依次为开远 （15.5）>陇川（14.1）>来宾（13.3）>南宁（12.9）>遂溪（11.8），站点间差异显著；蔗糖产量（t·hm^-2） 由高到低依次为南宁（21.8）>陇川（19.4）>来宾 （18.6）>遂溪（18.5）>开远（15.3），站点间差异不显著。2019 年，各站点蔗茎产量由高到低依次为来宾（118.9）>陇川（107.6）>遂溪（106.4）>开远 （104.1）>南宁（74.9），站点间差异显著；蔗糖分 （%）由高到低依次为开远（15.3）>来宾（14.3）>南宁（12.3）>遂溪（11.7）>陇川（11.7），站点间差异显著；蔗糖产量由高到低依次为来宾（17.0）>开远（15.8）>陇川（12.6）>遂溪（12.5）>南宁 （9.2），站点间差异显著。2019 年为较典型的干旱年型，云南、广西和广东蔗区各代表站点的平均蔗茎产量和蔗糖产量显著下降，糖分无显著差异。2019 与 2018 年相比，云南陇川、广东遂溪和广西南宁的甘蔗产量下降较明显，蔗茎产量下降 20%～56%，蔗糖产量下降 32%～57%，蔗糖分仅下降 0.1%～2.4%；广西来宾的蔗茎产量下降了 14%，但蔗糖分增加了 1%，因此蔗糖产量仅下降了 8%；云南开远是唯一个甘蔗产量和蔗糖分变化均不显著的站点，蔗茎产量略微上升 5%，蔗糖分略微降低 0.2%，蔗糖产量略微上升 3%。

注：同列不同小写字母表示指标在站点间差异显著（P<0.05）。

2.4 各生态区甘蔗产量糖分与土壤气候因子的拟合分析

为探讨土壤气候要素中影响甘蔗产量和糖分的关键因子，以 14 个土壤理化指标（ 有机质、碱解氮、有效磷、速效钾、pH、容重、总孔隙度、毛管孔隙度、饱和度、充气孔隙度、初始含水量、饱和含水量、田间持水量、有效含水量）和 8 个地理气候指标（海拔、经度、纬度、年均气温、年均相对湿度、年均降水量、年均蒸发量、年均日照时数）为自变量 X，以蔗茎产量 （t·hm^-2）、蔗糖分（%） 和蔗糖产量（t·hm^-2） 为因变量 Y，进行多元回归分析。采用偏最小二乘法的简化算法对上述 22 个自变量和 3 个因变量进行因子分析及回归拟合，根据预测残差平方和（PRESS）均值根和因子数尽量小且解释因变量变异百分比尽量大的原则确定最低的因子数，并根据重要变量投影值 >0.8 的标准筛选出关键的自变量指标，重新生成拟合模型，经过多轮分析直到所有剩下的自变量投影值 >0.8，获得最优预测模型。

变量的重要性分析结果见图4。从 22 个指标中筛选出对蔗茎产量综合影响较大的 6 个关键指标，按照重要性排列依次为萎蔫含水量 >年均降水量 >海拔 >有效含水量 >速效钾含量 >年均蒸发量。这 6 个自变量拟合因变量的最小 PRESS 均值根为 0.85466，且最低因子数为 5，累计可解释 98.26% 的自变量变异和 90.28% 的因变量变异。

从拟合模型系数上看（表8），土壤因子中萎蔫含水量和有效含水量对甘蔗产量和蔗糖分的综合影响较大，其中前者对产量的负向影响最大，后者对蔗糖分的正向影响最大；速效钾含量对产量有较大的正向影响，对蔗糖分有较小的负向影响。地理气候因子中，对产量和蔗糖分的影响大小依次为海拔 >年均降水量 >年均蒸发量，但由于年均降水量对蔗糖分为负向影响，因此年均蒸发量对综合指标蔗糖产量的影响反而大于年降水量。萎蔫含水量低，有效含水量较高，速效钾含量适中的土壤有利于甘蔗高产高糖，蒸发量高而降水量适中的站点同样有利于甘蔗高产。根据无截距模型分析，甘蔗产量和蔗糖分综合指标蔗糖产量对上述地理气候因子变化的敏感度大小依次为萎蔫含水量 >有效含水量 >海拔 >年均蒸发量 >速效钾含量 >年均降水量；根据有截距模型分析，可获得得到原始变量对蔗茎产量、蔗糖分和蔗糖产量的回归预测模型如下：

TCH=-109.6859-1.2617×WMC+1.1547×AMC+ 0.2696×K+0.0791×Evp+0.0678×Alt+0.0520×Rain

TSH=-16.5909-0.1927×WMC+0.1809×AMC+ 0.0356×K+0.0131×Evp+0.0111×Alt+0.0045×Rain

SC=9.7250-0.0332×WMC+0.0465×AMC-0.0005×K+0.0026×Evp+0.0678×Alt-0.0024×Rain

式中 TCH、WMC、AMC、K、Evp、Alt、Rain、TSH、 SC 分别表示蔗茎产量、萎蔫含水量、有效含水量、速效钾含量、年均蒸发量、海拔、年均降水量、蔗糖产量、蔗糖分。

从拟合结果上看（图5），上述回归预测模型对蔗糖产量的拟合效果较好，R² =0.97，绝对误差为 0.73 t·hm^-2，相对误差为 4.54%；对蔗茎产量的拟合效果也较好，R² =0.95，绝对误差为 6.82 t·hm^-2，相对误差 5.61%；对蔗糖分的拟合效果相对较差，R² =0.79，绝对误差为 0.7 t·hm^-2，相对误差 5.27%

注：无截距模型标准化数据拟合模型，有截距模型为原始数据拟合模型。

3 讨论

3.1 气候对甘蔗产量和糖分的影响

不同生态蔗区的地理气候条件各异，甘蔗生长后期降水量与甘蔗蔗糖分含量呈反比，降水减少了成熟期的日照时数，影响了甘蔗光合作用的时间和强度；后期昼夜温差小和降水等气候条件不适宜也会降低糖分积累量。王鞠萱等^[12]研究发现云南勐腊 2017～2020 年连续 3 个榨季的月平均温差逐渐扩大，这种昼夜温差的扩大有利于甘蔗蔗糖分的积累。本研究中广西南宁和来宾属于亚热带湿润季风气候，年平均气温高，夏季高温多雨，降水量丰富，但昼夜温差小（7.3℃）；冬季低温少雨，昼夜温差也不大（6.8～7.4℃），雨量较丰富、蒸发量略大于降水量，因此甘蔗产量高，但糖分含量低（12%～14%）。云南蔗糖产业集中在滇西南和滇南，云南研究点陇川和开远分别代表了滇西亚热带湿润季风气候和滇南亚热带半湿润半干旱季风气候^[24]。陇川海拔较低，温湿多雨，正常年份降水量超过蒸发量，产量与广西来宾相当，但昼夜温差大（12℃），因此糖分高出 1%。开远海拔超过 1000 m，年均温高于 20℃，全年日照时数在 2000 h 左右，干热少雨，降水量远远小于蒸发量，昼夜温差大（11.5℃），因此，虽然甘蔗产量相对较低，但甘蔗糖分是 5 个研究点中最高的（>15%）。广东蔗糖产业集中在湛江蔗区，该蔗区代表站点遂溪县地处北热带季风气候区，高温高湿气候，日照较充足，降水量多，空气相对湿度最大（85%），但昼夜温差最小（7℃），因此甘蔗平均产量较高，但蔗糖分水平最低（11%）。

3.2 土壤对甘蔗产量和糖分的影响

云南、广西和广东蔗区土壤多呈酸性至强酸性，特别是灌溉条件差的旱坡地红壤蔗区，甘蔗产量普遍较低^[25]。蔗田原状土的有机质含量低，氮素缺乏，磷和钾含量也较低，同时耕作层易黏实板结，孔隙度较低，保水保肥能力较弱。有研究表明，在赤红壤和砖红壤等类型土壤蔗区施用磷肥和钾肥的增产效果较好^[26]。松土、灌溉、施肥等管理措施会使得土壤耕作层的理化指标发生变化，从而影响甘蔗的生长发育过程和产量^[27]。云南德宏蔗区长期坚持蔗叶还田，特别是陇川蔗区一带执行力度大，土壤肥力得到保持，因此，原状土中有机质和氮含量明显高于其它蔗区。

土壤酸碱度会直接影响甘蔗对矿物质的吸收^[28]。酸性土壤环境中吸收较多的阴离子会同时抑制阳离子的吸收，而碱性土壤环境呈现相反的现象。在土壤 pH 为 6.0～8.0 时氮元素容易被甘蔗吸收，同时也是钙和镁的最佳吸收环境。除开远土壤样品呈弱碱性（pH>7.5）外，其它站点的土壤样品 pH 均低于 6.0，土壤酸化严重。土壤酸化导致土壤中大量营养元素淋失，影响作物生长，降低作物产量^[10]。对酸性土壤的修复，最常用的改良剂是生石灰、松土精、生物菌肥和有机肥等^[7，29-30]。增施生石灰显著提高土壤 pH 值和有效磷含量。在改良土壤微生物方面，生石灰、生物菌肥和松土精的效果较佳，而从增加甘蔗产量的效果上看，有机肥最好，生物菌肥其次^[31]。

3.3 数学模型拟合分析甘蔗产量和糖分的关键环境因子

甘蔗在品种和管理措施相对一致的情况下，生产潜力主要取决于生育期内的光、温、水等主要气候因子。通过气候土壤等环境因子，可以对甘蔗的生长发育过程和产量糖分进行预测。近年来兴起的作物模型^[32]可以结合品种、种植管理、土壤水肥和气候条件等要素模拟作物的产量或品质，是评价作物品种与种植地光温资源匹配时所能达到的最大生产潜力的有效工具，但需要通过大田试验构建作物特定的生长发育模型，并进行本地化调参验证，较为复杂。由于大田试验条件和调查数据量的限制，在本研究中选择了相对简单的数学统计模型 （偏最小二乘法因子分析及回归拟合）对可能影响甘蔗产量、糖分的 22 个环境指标进行了分析，结果表明，在常规种植条件下，海拔、蒸发量和降水量的组合是代表各蔗区地理气候因子差异的最佳预测变量，土壤速效钾含量、萎蔫含水量和有效含水量是代表土壤肥力和保水能力差异的最佳预测变量，甘蔗大田生产的蔗茎产量和蔗糖分可以通过种植地的海拔、蒸发量、降水量等关键气候指标以及土壤速效钾含量、萎蔫含水量、有效含水量等土壤养分和水分指标进行较准确的预测。阳景阳等^[33] 采用 Richards 函数，以土壤氮、磷、钾变化量和甘蔗生长天数为自变量，建立了甘蔗株高的综合预测模型，发现在中等养分水平范围内，土壤有机质变化量对甘蔗茎长、茎粗以及节长的提高具有极其显著的影响；土壤全氮变化量影响甘蔗节的生长；土壤全磷变化量对甘蔗茎长和茎粗的提高有显著影响；其余单个养分因子对甘蔗的农艺性状关系不显著。这与本研究采用最小二乘法拟合的结果有差异，这可能与研究站点土壤保水能力和基础肥力的差异有关，有待进一步探讨。

4 结论

基于偏最小二乘法数学模型，采用海拔、降水量和蒸发量等代表不同蔗区环境差异的关键变量，以及土壤速效钾含量、萎蔫含水量和有效含水量等代表土壤肥力和保水能力差异的关键变量，可以对我国主产蔗区甘蔗产量和糖分进行较准确的预测。另外，建议今后除更新甘蔗良种外，还应注重提高蔗区土壤 pH 值，加强中耕培土、合理施肥并提高钾肥比例，有利于实现甘蔗高产高糖。

参考文献