1 我国甘蔗机械化收获现状

我国甘蔗年产糖量约占食糖产量的10%，在全国食糖供给中占重要地位^[1-2]。甘蔗生长周期长、生物量大、生产环节工序多，种植过程中劳动强度较大、用工多、工作环境艰苦，因此发展机械化技术在甘蔗产业中尤为重要。目前，甘蔗生产除耕整地、中耕管理、公路运输等环节实现机械化外，占劳动量50%以上的收获和占劳动量20%以上的种植等生产环节主要依靠人工来完成，从而导致整个产业生产效率低、劳动成本高、产业效益低^[3-4]。发展甘蔗生产全程机械化技术，特别是机械化收获技术已成为当前我国甘蔗产业发展的重要课题，是有效解决原料蔗生产成本过高等问题的重要途径^[5-7]。

近年来，我国相继研发出整秆式甘蔗收割机和切段式甘蔗收割机^[8]。相较于切段式收割，整秆式收割含杂率低，除蔗茎及鞘、梢、叶外，非生物杂质掺杂较少，更符合糖厂、蔗农的传统观念，但因其效率较低，收割机技术路线复杂，输送通道易堵塞，剥叶损耗大，难以收割倒伏甘蔗且收割后的集堆、装载程序耗工费时等问题尚未解决，至今未见性能、故障率稳定的成熟机型。整秆式收割机目前还处于试验阶段，其使用规模远不及切段式收割机普及^[9-11]。目前我国整秆式甘蔗收割机和切段式甘蔗收割机收割后普遍存在甘蔗宿根发株差、缺塘断垄严重、宿根减产突出等问题，因此在甘蔗主产区仅小范围推广应用^[12-13]。分析其原因主要有以下几方面：① 收割机机械设计方面，其刀片转速、锋利程度、机身重量、器械轮子碾压强度等对收割效率以及宿根蔗下季生长发育情况都有显著影响；② 机具作业方面，机手作业熟练度、规范度不够，收割机、田间运输车碾压蔗蔸强度过大，收割留茬过高，以及切割刀片磨损更换不及时；③ 配套农艺方面，种植品种地下芽萌发对土壤紧实度的敏感性较高，种植行距与收割机作业行距不匹配，培土质量不够^[14-15]。另外，甘蔗机械化收获还受蔗糖企业收购政策、气候条件以及地理环境等多种因素的影响，已成为限制我国甘蔗产业发展的主要瓶颈，直接影响我国蔗糖业的国际竞争力。

2 机械化收获对宿根蔗的影响及衰退机理分析

机收后，宿根蔗的破头程度、留茬高度、蔗蔸碾压程度、不同品种适应机械化作业的差异性等都对宿根蔗产量有较大的影响^[16-17]，是造成宿根蔗生长衰退的主要原因之一。

2.1 对宿根蔗蔗蔸的影响

蔗蔸是保证宿根蔗高产高糖的重要基础。规范的机收要求贴土面甚至入土2~3 cm切割。已有研究^[18-20]表明，与人工收获相比较，机械化收获不可控因素较多，机器本身构造、机手操控水平、蔗田环境以及甘蔗长势等都对机械收割后的蔗蔸有显著影响。其中，机械化收获留茬高度较人工收获高2.6 cm，蔗蔸破头率提高36.84%^[21]，能够显著抑制宿根蔗蔸低位芽发株，从而降低宿根蔗成茎率和单茎重；另外，机械收获对宿根蔗蔗蔸破损率也有一定影响，而蔗头完好、不破裂是预防蔗蔸感染病害、提高成活率的重要前提条件。

2.2 对蔗田土壤理化性质的影响

甘蔗收获机机身庞大，整机达6~15 t，并配套有连带装载甘蔗在内的10 t左右卡车(拖车)^[22]。运行过程中，器械轮子的碾压会造成土壤容重增加，引起蔗田土壤环境的恶化，影响宿根蔗生长发育。即碾压后，土壤物理、化学、生物学性能随之改变，主要表现为土壤孔隙度减小、容积密度增加，土壤透气性、水分渗透性减小^[23]，土壤中动物数量及微生物活性改变，N、P、K等元素的分布和扩散受到限制，土壤肥料利用效率降低^[24-27]。另外，机械碾压后土壤团粒结构、通气状况发生改变，土壤中化学元素及离子的吸附、固定过程受到影响，土壤养分吸收的有效性降低^{[24, 28-29]}。Teepe et al^[30]研究发现，压实后土壤N的反硝化作用加速，N₂O的释放量是无压实土壤的40倍，且土壤中C矿化速率和NO₃^--N含量与无压实土壤相比显著下降。

2.3 对宿根蔗根系的影响

甘蔗根系在土壤中最深可达到3~4 m，一般在1 m左右。Richard et al^[31]研究发现，甘蔗根系在土壤15~30 cm处分布最多，高产稳产蔗作土壤耕作层一般能达到30 cm以上。良好的根系构型是维持作物产量的基本保证^[31-32]，同时根系的形态分布、自身功能也受外界环境的影响。甘蔗根系不仅起支撑和固定的作用，也是吸收水分和养分的重要器官，其形态及生理指标、特性与地上部生长发育及产量形成有着密切的联系。宿根蔗机械收获过程中，重机械的反复碾压容易造成土壤透气性变弱、饱和含水量下降^[33-34]，从而抑制宿根蔗根系活力以及土壤水分的吸收能力，导致甘蔗早期地上部和根系生长较弱，影响宿根蔗出苗萌发及正常生长发育，对后期甘蔗产量产生负效应^[35-36]。Bengough et al^[37]发现，豌豆生长过程中，增加根系的阻力会引起根系产生胁迫反应，根伸长速度在30 min内减小50%，当压力解除后，生长速度会略微增加。在紧实度较高的土壤中，根系通常会变短变粗(根系平均直径增加)，根长和根系下扎深度减少，根尖发生弯曲，小侧根和根毛数增加且方向改变^{[24, 38-41]}。另外当植物根系在紧实土壤中生长时，它们的分生组织会发生变化，体内的植物激素浓度也发生改变^[42-43]。

3 减缓机械化收获后宿根蔗衰退的措施

针对机械化收获宿根蔗衰退减产问题，国内外学者从甘蔗品种改良、农机农艺配套栽培技术方面进行了大量研究，并取得了显著成效。

3.1 筛选培育适宜机械化收获的甘蔗新品种

选育适应机械化收获的甘蔗新品种，既要考虑品种抗逆性和宿根性，又要考虑与机械化收获相关的可操作性指标。除了传统的评价指标外，甘蔗品种抗倒伏强度、地下芽萌发力、蔗茎基部抗破头机械性能也是甘蔗机械收割选种的重要指标。其中，近地端蔗茎是承受机械收割撕扯的主要部位，蔗茎纤维组分(纤维素、半纤维素和木质素)含量的差异可导致机收后蔗蔸破损率不同。木质素含量高的品种，其耐撕扯和耐辗压特性相对较高^[44]。因此，研究近地端蔗茎纤维组分，培育筛选相应品种对降低机收破蔸率有重要意义。

3.2 采用合理的配套农艺栽培管理措施 3.2.1 增加行距以适应机械化收获

传统甘蔗种植行距为70~90 cm，不能满足机械化收割操作要求。相关研究表明，甘蔗种植行距增加至120 cm以上，对宿根蔗生长发育及产量形成和糖分积累影响不显著，但能有效减少机械收获给蔗蔸带来的碾压损伤、减缓土壤理化性状劣变趋势，还能够显著降低蔗地湿度，增加蔗田通风透光性，提高收获机械化作业的工作质量和效率，延缓宿根蔗衰退^[45-46]。

3.2.2 深耕深松，增加土壤通气性

深耕深松栽培技术对增加土壤孔隙度、提高土壤保水保肥能力具有重要作用，是缓解机械收获后土壤理化性质恶化的重要农艺措施。廖青等^[47]研究表明，深耕深松对促进甘蔗出苗率、分蘖率、株高、茎径等农艺性状有显著作用，且深耕深松后甘蔗根系发达、根重增加、养分吸收率提高。目前，机械深耕技术在我国已经得到了广泛推广^[48]。

3.2.3 优化肥料结构，合理培土

甘蔗生物量较大、生长周期长，需要从外界吸收大量的N、P、K等营养元素满足生长发育的需求^[49]。甘蔗生长后期易发生倒伏现象，严重降低了机械化收割的效率和质量，对宿根蔗萌发出苗造成一定的不良影响。相关研究表明，甘蔗种植后3个月内N素吸收达到高峰，增加甘蔗基肥施用量，特别是增加N肥施用有利于整个生长周期内对存储N素的逐步利用，同时合理施用缓释肥，建立甘蔗高产高效N肥施肥技术能显著增加宿根蔗出苗分蘖率，防止蔗苗徒长，为后期根系发育奠定良好基础^[50]，有利于防止后期倒伏现象的发生。孙涛等^[51]研究发现，培土高度在15 cm以上能够提高蔗田机收质量。伸长期结合配方施肥技术进行培土作业能够显著增加甘蔗根系入土量，提高抗倒伏能力和机械化收获效率并降低原料蔗含杂率。

4 展望

我国甘蔗主要分布在桂中南、滇西南、粤西和琼北等热带和亚热带地区，甘蔗主产区气候条件和地形地势比较复杂，对甘蔗收割机机型要求较多。我国甘蔗机械化收获目前处于起步阶段，与国外技术发展水平仍有差距。因此，立足我国基本国情，加大甘蔗收割机研发力度，生产轻便、可操作性强的收割机显得尤其重要。甘蔗机械化收获的发展和推广要集合政府、科研、企业、蔗农等多方面的共同努力，才能取得良好效果。针对目前我国甘蔗机收后出芽发苗差、产量品质降低等一系列宿根蔗衰退问题^[52]，加强农机农艺融合技术体系的推广，通过开展不同收获条件下宿根蔗芽库系统的养分、水分运输特征、根系分布特征以及土壤理化特性等农艺研究，为甘蔗收割机的设计和改造提供基本参数和研发方向，是促使其取得快速发展的基础，对推进我国甘蔗全程机械化生产具有重要的意义。