可持续作物与牧草系统

Sustainable Crop and Pasture Systems

专辑文章介绍

·第八篇·

　　▎论文ID

　　Sustainable Sugarcane Cropping in China

　　中国甘蔗的可持续种植

　　发表年份：2022年

　　第一作者：罗霆¹ 

　　通讯作者：Prakash LAKSHMANAN^1,2,3 ，陈新平²，张福锁^2,4

　　邮箱：plakshmanan2018@outlook.com

　　chenxp2017@swu.edu.cn

　　zhangfs@cau.edu.cn

　　作者单位：1.广西农业科学院甘蔗研究所，农业部广西甘蔗生物技术与遗传改良重点实验室，广西甘蔗遗传改良重点实验室。2.西南大学资源与环境学院长江经济带农业绿色发展研究中心。3.昆士兰大学农业与食品创新联盟。4.中国农业大学资源环境与粮食安全研究中心。

　　Cite this article :  

　　Ting LUO, Prakash LAKSHMANAN, Zhongfeng ZHOU, Yuchi DENG, Yan DENG, Linsheng YANG, Dongliang HUANG, Xiupeng SONG, Xihui LIU, Wen-Feng CONG, Jianming WU, Xinping CHEN, Fusuo ZHANG. SUSTAINABLE SUGARCANE CROPPING IN CHINA. Front. Agr. Sci. Eng., 2022, 9(2): 272‒283 https://doi.org/10.15302/J-FASE-2022442

·文章亮点· 

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　　1.中国甘蔗生产成本上升而利润下降明显。

　　2.单作和过度使用化肥导致土壤退化和甘蔗生产力趋于停滞。

　　3.作物养分需求与供给匹配是甘蔗土壤恢复健康的关键。

　　4.需要用有机源肥料替代无机投入，以恢复土壤健康和可持续性。

　　5.构建甘蔗的可持续种植系统需要综合多学科知识。

·Graphical abstract· 

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图1 甘蔗种植系统向可持续转变的途径示意图

·研究内容· 

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　　▎引言

　　糖是全球第六大农产品出口大宗商品，也是第四大人类膳食能量来源，几十年来其需求量不断增加。中国的食糖市场需求日益增长，预期2030年糖年产量须从目前的10吨增加到16吨，其中80%–90%来自甘蔗。然而，甘蔗单产持续停滞，并且当前种植系统中存在化肥过度使用、土壤酸化以及病虫害等问题。因此，必须考虑以可持续的方式提高甘蔗产量，基于中国当前甘蔗生产状况，讨论甘蔗种植系统向绿色可持续转变的途径。提升当前甘蔗种植系统的经济效益和环境可持续性的关键要求是：减少化学投入、防止土壤退化、改善土壤健康、管理水分亏缺、提供清洁的种植材料（蔗苗和宿根）和扩大农场规模等。

　　▎甘蔗产业现状

　　甘蔗是一种成熟的热带和亚热带糖料作物，其糖产量的全球占比在80%以上。甘蔗种植于约105个国家，其中巴西、印度、中国和泰国是前四大生产国。甘蔗表现出高基因型与环境 (G*E，genotype-by-environment) 互作效应，因此一个国家培育的品种很少成为跨国商业品种。不同甘蔗种植国之间的甘蔗种植制度和作物管理存在明显差异。与许多其他国家相比，中国的甘蔗产量相对较低，需要在品种开发和种植制度方面进行重大改进，使甘蔗产业具有竞争力。

　　甘蔗是中国重要的战略作物，甘蔗农业支撑着华南地区约2800万农民的生计。但目前中国甘蔗单产停滞，加之长期单作及过量使用无机肥致使土壤退化，导致中国甘蔗生产成本上升而利润下降，甘蔗产量难以增加。鉴于通过育种获得的遗传增益较缓慢，改善种植系统对于提高中国甘蔗产量至关重要。

　　▎中国甘蔗种植

　　甘蔗育种方面的概况：

　　因为认识到基因*环境 (G*E) 互作对甘蔗产量的重要性，考虑到不同产区之间的生态差异，中国甘蔗育种遵循的策略已经从广适性转向区域适宜。选择适合当地环境的品种，以提高甘蔗产量和可持续性。

　　甘蔗栽培方面的概况：

　　（1）甘蔗在中国95%以上的产区是多年单作，大约需要12个月才能收获。

　　（2）中国约80%的甘蔗作物完全靠雨养，没有机会进行补灌。

　　（3）甘蔗播种前的土地整备方式是深耕。

　　（4）整地和几乎所有的作物管理是完全机械化的，全国仅有不到5%的生产面积采用机械收割。

　　（5）清洁的种植材料（无害虫和病原体）是决定甘蔗产量和作物周期时长的重要因素。

　　（6）在中国大多数地区，种植甘蔗还会用塑料薄膜覆盖以保持土壤水分。

　　（7）甘蔗种植常过量施肥：氮、磷、钾施用量分别为750–1300 kg·ha⁻¹ N、150–300 kg·ha⁻¹ P和250–500 kg·ha⁻¹ K。

　　（8）甘蔗间作和轮作的经济和环境潜力在包括中国在内的许多国家得到了广泛的研究。但甘蔗间作并未在实践中推广，因为在半数实践案例中，其经济效益微不足道。而甘蔗轮作几乎未进行实践。

　　目前，采用清洁的种植材料、含杀虫剂的复合肥料、有机改良剂和禁止焚烧收获残茬等举措在实践中取得了良好效果。这表明科学的作物管理实践在提高中国甘蔗的生产力、盈利能力和可持续性方面具有尚未开发的潜力。

　　▎中国甘蔗可持续种植的制约因素和解决方案

　　目前中国甘蔗生产系统面临的挑战：

　　（1）土壤酸化导致的植物营养和土壤理化性质异常，造成产量显著下降。

　　（2）种植空间配置缺乏标准。甘蔗普遍由小农户种植于山坡，而山坡地形会加速土壤侵蚀和通过径流的养分流失，小农户农场的作物空间布局进一步加剧了土壤和养分的流失。

　　（3）土壤有机质低。甘蔗大部分氮由土壤有机质矿化提供。

　　（4）农业地形和区域气候异质性高。优化作物空间配置以适应不同地区是实现甘蔗可持续生产的优先事项。

　　（5）温室气体（GHG）排放量相对较高。甘蔗种植过程中大量氮肥的投入导致温室气体排放增多。

　　（6）反复干旱。经常性干旱是中国种植甘蔗的区域性气候特征。

　　（7）作物周期短，宿根少，作物产量降低。

　　（8）缺乏轮作。甘蔗种植引入豆类轮作具有可观的经济和环境效益。

　　（9）有限清洁种植材料的供应和使用。

　　（10）深耕整地。

　　（11）地膜覆盖带来塑料污染。

　　（12）适应当地的高产品种选择有限。

　　本文通过分析甘蔗种植系统相关的问题，讨论了发展可持续甘蔗生产系统的战略及其农业生态影响，并列出支撑这些战略的研发和推广目标（表1）。

表1 中国甘蔗生产面临的主要问题及解决方案

　　▎可持续甘蔗生产系统的研发目标

　　中国不同甘蔗产区的土壤和气候差异大，各地区最佳种植系统的构成也不同。消除作物可持续生产的障碍有助于发展绿色、经济和环境可持续的甘蔗种植系统。

　　（1）发展免耕或少耕的种植系统。

　　（2）减少化肥使用以提高土壤肥力。

　　（3）采用最合适的养分配比，尽量减少养分供需不匹配和养分损失。

　　（4）在所有区域提供并最大限度地采用无害虫和病原体的种植材料。

　　（5）改善土壤生物以维持土壤肥力。

　　（6）确定并推广最合适的间作模式，以提高和保持土壤肥力。

　　（7）鼓励休耕以控制土传病害，并改善土壤肥力，提升土壤质量。

　　（8）用可生物降解的薄膜代替塑料薄膜。

　　（9）针对每个地区和种植系统选择匹配的品种。

　　（10）提高新型种植材料的质量，减少数量。

　　（11）推广精准农业技术。

　　（12）拓展作物模型模拟的多功能性。

　　（13）加快采用机器收割。

　　（14）在全行业建立高效的农业推广网络。

　　▎未来展望

　　预计中国未来的食糖需求会持续增长。目前中国甘蔗生产不仅是一个高成本、低利润的产业，而且危害环境。种植系统的创新可以为甘蔗生产提供指导并促进其向绿色、生态平衡和经济可行的作物生产系统转变。