第一章概述
第一节甜高粱种质资源
高粱是世界第五大谷类作物，居大米、玉米、小麦和大麦之后。99个国家超过4 200万hm2土地上种植着高粱。甜高粱不同于普通高粱。全球高粱种植地中约有50%的土地可用来栽种甜高粱。 甜高粱又称芦粟、糖高粱、甜秸秆和甜秆，它是普通粒用高粱的一个变种，学名为［Sorghum bicolor（L.）Moench］。高粱是我国古老的作物之一。据甲骨文记载和考古学上的发现，有着悠久的栽培历史。但我国甜高粱栽培始于何时，尚不清楚。从我国甜高粱品种之丰富，范围之广泛和高粱栽培历史之悠久，我国有可能是甜高粱原产地之一。而从目前掌握的材料看，都认为甜高粱是从非洲传入我国的。Winberry（1980）认为，甜高粱是从东非传到中国、朝鲜、缅甸和沿海边区。甜高粱在非洲是一种具有5 000多年栽培历史的古老作物，于公元前4世纪传入印度，公元4世纪传到中国，到公元5—8世纪经朝鲜半岛传到日本，甜高粱的传播是随着粒用高粱传播而传到世界各地的。
一、国外种质资源
甜高粱在非洲已有5 000多年的栽培历史，之后传到世界各国。美国、墨西哥、意大利、澳大利亚、以色列、印度、巴西、阿根廷、前苏联、印度尼西亚及欧洲许多国家都有栽培。早在1859年，美国就从中国引进“琥珀”甜高粱并推广。第二次世界大战后美国又率先选育出高糖、抗病甜高粱品种丽欧。Brandes 经过 1961—1964年的品系试验结果，于1965年把 Mer55-1 取名丽欧(Rio)，并向生产部门推广。Smith于1969年从甜高粱汁液中成功地生产出结晶糖。1970—1985年又相继推出洛马、拉马达、雷伊、凯勒、M-81E、贝利和考利。 其中参加全美饲用甜高粱品比的考利产糖8 400kg/hm2，比丽欧提高162%；M-81E 鲜重达117 750kg/hm2，比丽欧提高205%，并且雷伊、凯勒、考利通过工艺鉴定“确定适于做结晶糖”从而解决了甜高粱生产工艺仅限于糖浆的问题，促进了高粱制糖业的发展。美国经过鉴定筛选出39个优良材料。印度、澳大利亚等国家也收集保存了一批甜高粱种质资源。
前苏联科研部门选育出了早熟、耐旱、高产、高糖分的品种，以扩大甜高粱的种植面积，用以制糖业的发展。巴西也获得了一批新成果，甜高粱系列品种有：BR-501、BR-502、BR-503、BR-504、BXH283-2 和BXH34-3-1等，还育出了适于低纬度地区种植的IPA1218、BR-505和BR-602。其中BR-602 的鲜重达92 700kg/hm2，他们在对17 个甜高粱品种的比较试验中，BR505的茎秆产量达92 805kg/hm2。
二、国内种质资源及育种
中国栽培种植甜高粱历史悠久，18世纪中国就有甜高粱品种琥珀。但种植的老品种籽粒小，颖壳大，单宁含量高，品质差，产量低。长期以来，人们只是把它种植在宅院内，作为甜秆生吃，种植面积不大。但由于自然和人工选择的作用，形成了许多适宜当地气候条件的地方甜高粱品种，如甜秆、八棵杈、甜秆大弯头、甜秫秆、黑壳甜高粱等。1974年，为增加我国甜高粱品种，中国科学院从美国引进了甜高粱品种丽欧和洛马，之后直到 20世纪80年代末，该所先后又从国外引进一批甜高粱品种，如阿特拉斯、贝利、布兰德斯 M-81E 等。丽欧、M-81E 表现含糖量高、茎秆产量高已在生产上应用推广。改革开放以来，随着市场经济的发展，甜高粱的用途也逐渐扩大，不仅用作饲料、糖料，也开始作为能源作物而受到人们的重视。20世纪70年代中科院植物所引入丽欧甜高粱品种，在我国甜高粱市场达25年，1984年植物所从美国引进凯勒甜高粱，锤度202%，从中选出的BJK-37 锤度达240％。中国甜高粱注册资源总计384份，其中地方品种159份，选系(品种)207份，不育系和保持系4 对。《中国高粱品种资源目录》中，甜高粱地方品种67份；目录续编(1982—1989)中，地方品种54份，选系(品种)3份，不育系和保持系1对；1991—1995年目录中，地方品种38份，选系(品种)204份，不育系和保持系3 对。国外引进甜高粱品种(系)1 152份。目前，已将从19 个省(区、市)收集到384份甜高粱品种资源，并做了初步的鉴定，其主要性状的变异幅度较大。生育期最短的品种85d，最长的146d; 株高最矮1674cm，最高3849cm；单株秆重最低01kg，最高11kg；茎秆出汁率最低45%，最高70%；茎秆锤度最低5%，最高22％；单穗粒重最低 20g，最高 70g 等。
我国是一个耕地少而人口众多的发展中国家，非常适于甜高粱的生产。1983年，中国高粱播种面积4 205万亩（1亩约为667m2，全书同），占世界的6%，但总产量却占全世界的16%，单位面积产量为世界平均产量的37倍，说明发展甜高粱是我国农业生产中的一大趋势。到了20世纪90年代，黎大爵等培育出一批新的优良的甜高粱新品种如BJ-238、BJ-190、BJ-281、BJ-248等，北京绿能经济植物研究所又育成甜饲一号、绿能二号、绿能三号等新品种并在生产上推广、应用。随着甜高粱种植面积的扩大，除中国科学院植物研究所外，中国科学院原子能利用研究所、辽宁省农业科学院高粱研究所、沈阳农业大学、黑龙江省农业科学院作物研究所、吉林省农业科学院作物研究所、新疆维吾尔自治区（以下简称新疆）吐鲁番地区农业科学研究所等科研院校都相继开展了甜高粱的研究工作。并先后选出了辽饲杂一号、辽饲杂二号、沈农甜杂一号、沈农甜杂二号、龙饲杂一号、吉甜一号等甜高粱杂交种。这些杂交种在生产上表现出强大的杂种优势，产量高、品质好、茎秆多糖多汁，综合利用价值高。它们的平均产量一般为45 000～75 000kg/hm2，还可产3 000～4 000kg/hm2 的籽粒。1998年，王黎明等利用花粉管通道导入技术，将不能进行常规有性杂交的生育期长、茎秆多汁、含糖量高的热带高粱总DNA 导入到黑龙江省当地高粱品种中，79% 的导入后代的茎秆含糖量有所提高。此项技术可作为甜高粱常规育种的一个辅助手段,丰富了黑龙江省甜高粱品种资源。2002年由北京泰天地能源技术开发有限公司培育的粮秆兼收的杂交种早熟1号和醇甜2号，经试种株高可达34～4m，茎秆每亩产量4 000～6 000kg，籽粒产量340～530kg，茎秆汁液含糖量（锤度）18%以上，与种植玉米相比，每亩（667平方米）可增收200元左右。2002年12月由原中国农业科学院原子能利用研究所高粱组(现中国农业科学院作物科学研究所能源作物研究室)从美国引进品种丽欧的自然变异群体中选择的优良单株，经过多年系统选育而成的原甜1号饲用甜高粱新品系通过了全国牧草品种审定委员会审定。该品种生物产量、秸秆含糖量均高，既可生产优质青贮饲料，还可生产酒精。此外，可产籽粒3 175～4 150kg/hm2；辽甜1号(L0201A /LTR102)是以自选不育系L0201A为母本，以LTR102为父本组配而成的能源用甜高粱杂交种。2004年在农业部农产品质量监督检验测试中心对其鲜茎叶进行了化验分析，完成了全部育种程序，得到了完整的试验数据。该杂交种茎秆产量高，茎秆多糖多汁，含糖锤度高，高抗丝黑穗病、叶病轻、抗倒伏，乙醇转化率高。生育期适中，作为能源作物在有效积温≥2 850℃的地区均可种植。而甜高粱杂交种辽甜3号的育成，也为我国甜高粱转化燃料乙醇产业的快速发展提供了强有力的品种和技术支撑。
中国科学院近代物理研究所对适宜在甘肃种植的甜高粱品种和种植技术做了试验研究及推广工作。2006年在甘肃省的川地、旱地、山坡地和盐碱地筛选出4个优良的甜高粱品种，亩产量达8t以上，汁液含糖质量分数20％左右。为了加快生物质能源的发展，他们还利用兰州重离子加速器提供的80MeV/u碳(12C+6)离子束对不同品种的甜高粱种子进行了不同剂量的辐照处理，旨在选育出生物学产量高、茎秆汁液丰富、糖锤度高且有较强抗逆性的优良品种，尽快实现和完成西北地区甜高粱产业化种植。当代试验结果表明：一是离子束辐照处理的品种糖锤度平均达18％以上，茎秆产量平均达75t/hm2 以上；二是在甜高粱生长的3 叶期进行出苗率的调查，田间的存活曲线为“类马鞍型”，根据测定株高和单秆重、糖锤度等指标，推出最适宜的辐照剂量为40～60Gy；三是经过离子束辐照处理，主要出现了株高、单秆重、糖锤度、早熟、茎粗等突变类型，突变率范围为200％～952％，为进一步筛选有用的基因资源奠定基础。2007年，在此基础上选育出95份不同特征的种质材料，同时选育出了早熟、高糖、高产的甜高粱新品系，将解决西北地区由于降霜较早而影响甜高粱生长的难题。
正是因为全世界都对甜高粱种质资源给予了极大地关注和致力研究，才有了这些优良的甜高粱品种，从而全世界的甜高粱产业化研究才迅猛地发展起来。
第二节植物学特征和生物学特征
一、植物学特征
甜高粱植株较高，一般为18～5m，茎秆直立，茎秆中含糖量高，株高受品种、土壤肥力、温度、日照长度的不同而异。北方和南方种植的甜高粱株高存在明显的差异，例如四川省的‘甜心高粱’在北京只有1876cm，而‘MN1500’平均高度为447cm，个别植株高达470cm。纬度较高的地区，夏季的日照较长，甜高粱的生长期也会相应的延长，植株也较高。我国的品种多在200～300cm，引进的外国品种较高，一般在300～400cm。‘M-81’和‘贝利’等品种的平均高度在400cm以上。
甜高粱的茎秆分节，节与节之间被一种环状突起分开，茎节数一般在10～20，节与节之间称为节间。节间的长度在整个植株上不是均等的，通常为13～24cm，基部节间最短，中部最长，上部又逐渐变短。茎节数的多少同时受品种和环境的影响，晚熟的品种节数较多，早熟的较少。甜高粱的根系比较发达，为须根系，由3种根组成：初生根、次生根、支持根。
初生根也称主根，是有种子的胚根发育而成，它是种子发芽时仅生的一条胚根。它具有根系的一般机能，再次生根长出之前，是幼苗吸收养分和水分的主要器官。主根垂直于地面向下生长，长到一定长度后生出许多分支，成为侧根或次生根。当甜高粱植株长出3～4片叶时，由接近地表处的茎节基部长出次生根，在植株的整个生命周期中一直担负着供给水分和养分的作用，因此也称为永久根。成长的植株其根系深度可达12～15m，宽度可达15m。土壤状况和水分多少影响植株根系的发育情况。土壤疏松，则根系较发达。在水分缺少或干旱情况下，次生根的数目减少，为了吸取利用土壤底层的水分，入土较深，因而具有较强的抗旱能力。
支持根又称为气生根，植株拔节以后，自地面上茎基部的1～4个节上所长出，它较地下根粗大而且坚韧，伸入土壤以后形成强大的根系，也是抗旱的一大因素。支持根的多少不仅受环境条件的影响，也因品种而异。一般植株较高的品系的支持根较发达，如MN1500、丽欧、M-81、泰斯等品种都有多层的支持根。据江苏省盐城市郊区南洋岸镇种子公司的观察，M-81较丽欧和凯勒的根系更发达，有四层气生根。地表以上的气生根大多50多条。由于甜高粱植株的根系发达，所以抗倒伏较强。
经调查，在1985年10～11级的台风袭击下，丽欧、泰斯、凯勒均能抗倒伏，M-81有少量植株因病虫影响而折断。支持根除支持植株防倒伏外，也能从土壤中吸取养分和水分。可以通过研究支持根的层数、总条数与抗倒伏能力来筛选抗倒伏力强的品种，还可以研究支持根与茎秆产量、糖产量的关系来培育新的优势品种。在农业的栽培技术上采用培土的方法可以充分发挥支持根的功能。
二、生物学特征
1光合作用强，生物产量高
甜高粱属一年生草本植物，株高3～5m，茎粗18～35cm，锤度一般为12%～22%。甜高粱生长能力特别强，是一种短日照的C4作物，能充分利用光热资源，光合效率很高。小麦、水稻和玉米通常分别为17%、29%和34%，而甜高粱最高可达43%，所以有“高能作物”之称。
C4植物的光饱和点很高，而CO2补偿点很低，几乎为零，当CO2浓度达到1mg/kg时，光合产物便可以积累。CO2浓度达到1 000mg/kg时，光合作用会继续上升。一般情况下，每消耗1个单位的太阳能，可以生产出的粮食和纤维167～209t，是C3作物的2倍多。高粱的光合作用强度为35～38mg CO2/(dm2·h），而小麦、水稻等作物为15～40mg CO2/(dm2·h）,表明高粱具有很高的光合产量潜势，是高产作物。甜高粱光呼吸较弱，几乎测不出，最适温度为30～35℃。而C3作物光呼吸消耗白天合成产物的一半以上，例如，甜菜为34%～55%，大豆为47%～75%。研究表明，从日干物质积累速率和单位饲料能比计算，甜高粱都是最高的，研究结果也表明甜高粱是生物学产量最高的作物之一。
中国科学院植物研究所的试验表明，甜高粱的酒精产量每公顷可达6 000L，鲜生物量可达10 667kg/亩。前南斯拉夫联邦共和国的实验也表明，在水浇地每公顷可产8 000L酒精。甜高粱的最大短期生产率每平方米土地为51g/d，德国的高产纪录为169kg/hm2，我国的高产纪录产生于湖北省公安县，为1575kg/hm2。一般甜高粱每公顷可产籽粒3～6t，产秸秆45～60t，制乙醇1 250～5 625L，相当于9 000～11 250kg粮食生产的乙醇量。因此甜高粱也被誉为“生物能源系统中的最有力竞争者”。
甜高粱具有两个生物产量贮存库，即籽粒库和茎秆库，且具有非常强大的杂种优势，叶片中光合作用的产物可以作为源，不断地运输到两个贮存库，并以淀粉或糖等不同的化学组成贮藏起来。甜高粱生长周期短，每年至少收获1次，高者可达3次，一般籽粒产量为3 000～7 500kg/hm2，茎秆产量达到60～100t/hm2。
2耐旱性强
甜高粱具有非常强大根系，分布比较广泛，为须根系，主要由三种根组成，主生根、次生根和支持根。根系和茎秆都有较高的渗透压，对土壤中水分的吸收能力很强，在根的表皮层存在着重要的物质重硅酸，成熟时根表层可以形成一个完全的硅柱，在干旱情况下有足够的机械强度来防止根系的损伤。甜高粱的茎秆和叶片表面覆盖一层厚厚的蜡质，可减小蒸腾作用，遇旱时叶片也能以自行卷缩、直立、改变开张角度的方式来减少水分的蒸发，并能休眠，当植株重新得到水分供应时，又会很快恢复生长。甜高粱每生产1kg干物质需水量明显小于其他农作物，在250～350kg，而小麦、大豆需500～700kg。可见，甜高粱具有极好的抗旱节水生物学特性。而且，高粱的蒸腾系数为250～300，比水稻（400～800）、小麦（270～600）、玉米（250～400）均低,甜高粱的凋萎系数（59）比小麦、玉米的都低。高粱的细胞壁在达到凋萎前具有伸缩性，失水速率可以自行调节，以此来延长生长期。甜高粱的分蘖特性也是其抵抗干旱等外界逆境的一大重要因素，需要进一步研究。
甜高粱在干旱情况下，体内的化学成分会发生一系列的变化，以此来抵制外界干旱环境对其造成的影响。吕金印等研究了不同浓度PEG-6000渗透溶液对甜高粱幼苗保护酶活性等生理特性的影响，比较不同品种间的抗旱性差异。荣少英对通过对水分胁迫下和复水后的甜高粱和普通高粱的叶片含水量、叶绿素含量、渗透调节物质、保护酶活性与膜脂过氧化物等指标的测定与分析，研究和比较了不同生育阶段、不同水分胁迫程度及其旱后复水甜高粱和普通高粱对水分的适应性及补偿效应，发现在不同的水分胁迫程度下，不同生育期的甜高粱的叶片含水量、均高于普通高粱，叶片保水能力较普通高粱强；通过叶绿素含量、渗透调节物质（包括脯氨酸、可溶性蛋白、钾离子、可溶性糖、MDA含量）、SOD和POD的活性等生理生化指标所表现出来的抗旱性甜高粱均优于普通高粱，旱后产生的补偿效应也强于普通高粱。
3抗涝性较强
甜高粱耐涝能力也较强，根、茎、叶鞘中髓部组织发达，都有一定的通气作用，茎叶表面存在蜡粉层，在遇水淹时能防止外界水分渗入茎叶的内部，在遇到涝灾时，只要田间积水不淹到穗部，且持续时间不太长，对其发育和产量也不会造成太大的影响。甜高粱在抽穗期、灌浆期、乳熟期这3个时期都能维持很长时间，抽穗期甜高粱可维持生存6～7d，灌浆期可维持8～10d,而作为首要的经济作物玉米只能维持1～2d。可见甜高粱与其他农作物相比耐涝性较强。
4抗盐碱性强
甜高粱是一种耐瘠薄、耐盐碱的农作物，对土壤的适应性很广，种植在任何一种类型的土壤中都可以获得一定的产量。它的耐盐碱性是很高的，一般在土壤pH值为50～85的条件下各品种都能较好的生长，据研究证明，在土壤含盐浓度为05%～09%时，甜高粱能正常生长，相比小麦、玉米、水稻等农作物的耐盐度较高。甜高粱分布的地理范围广泛，适合在山地、坡地、盐碱地(6‰以下)种植，凡在0℃以上积温达到2 600～4 100℃的地区均可正常生长，有“作物中的骆驼”之称。
5抗倒伏
倒伏是农作物生长过程中经常发生的现象，一般会造成植株茎秆弯曲，严重情况下会使茎秆折断，阻碍正常的收获，进而导致秸秆、籽粒等常量降低。倒伏是在多重因素下共同影响的结果，自然环境（如大风大雨）或者病虫害（如茎腐病、螟虫）等都会导致植株的倒伏。甜高粱的倒伏分韧性抗倒和刚性抗倒，这两种类型存在一定的区别，韧性抗倒的植株茎秆柔韧性较好，适应风力，不易倒伏。而刚性抗倒的植株茎秆硬度大，不易随风摇摆，外界压力达到一定程度时茎秆就会折断。韧性抗倒与很多农艺性状有关，例如，增加茎粗、缩短茎节和穗柄长度、降低植株高度、提高茎秆中的糖度以及干物质的量等这些措施都能增加韧性抗倒伏，而刚性抗倒伏则不同于前者，和形态性状关系较小，不能完全用这些形态性状来表示。刚性抗倒与基因遗传有关，增加茎容重、缩短茎基部节间的长度、提高茎基部叶鞘层数、增加茎壁厚度、提高灌浆期干物质向茎部的分配率、茎壁及髓部单位面积维管束的数量多且大、茎部可溶性糖及总糖含量高等有利于增强刚性抗倒。甜高粱倒伏是一直影响其高生物产量的一个重要因素，倒伏后的甜高粱最主要特征是不易收割，倒伏多发生在甜高粱的开花期至成熟期，影响籽粒的产量以及茎秆中的物质的积累。甜高粱抗倒伏也因品种、地区和年份而异，前人在抗倒伏生理和性状上都做过一些研究。
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