橡膠蒲公英農田生產潛力及種植技術需求分析

武蘭芳

（中國科學院地理科學與資源研究所生態網絡與模擬重點試驗室，北京 100101)

0 引言

天然橡膠(Natural Rubber，NR)是一種以聚異戊烯為主要成分的天然高分子化合物，具有合成橡膠所無法達到的獨特品性，如強勁的耐磨性和抗沖擊性、高效的熱分散性和伸縮性、低溫下的可塑性和韌性[1]，如此多種良好的理化性能，使其成為一種重要的全球性戰略物資材料，廣泛應用于從醫療設備、個人防護到各種車輛和飛機輪胎等多達40000～50000種不同用途產品的制造生產[1-5]。

迄今，天然橡膠的來源一直依賴于一種三葉橡膠樹的種植生產。由于受氣候、生物和非生物因素共同影響，這種三葉橡膠樹的種植區域主要集中在熱帶東南亞地區的泰國、印度尼西亞、越南和馬來西亞，種植面積和產出量分別占到全球的90%左右和70%以上。近20 a來，全球天然橡膠的年產出量一直保持在1300萬t左右，而需求量卻從680萬t增加到1240萬t以上。發達國家需求的天然乳膠全部依賴于進口，每年全球進口量超過1200萬t、其中美國的進口量超過120萬t[5]。中國是天然橡膠消費和進口最大的國家之一，年消費量達到500萬t以上，占到全球天然橡膠消費量40%以上，然而，適宜三葉橡膠樹生長的區域主要集中在海南、云南、廣東等地，適宜種植面積僅為115.9萬hm2，多年平均單產不足700 kg/hm2，因為可用于擴大種植的耕地資源和提高單產潛力已經非常有限，年產出橡膠量僅有80萬t左右，僅能滿足總需求量的20%左右，導致中國對外依賴度非常高，每年總進口量占到總消費量的80%以上[6]。隨著世界各國（或地區）社會經濟的發展，天然橡膠的需求量還將持續增長，未來供需缺口將會更大，全球性短缺態勢已經呈現；并且，三葉橡膠樹的繁殖生長一直依賴于單一種質幼苗根莖克隆接穗，缺乏遺傳多樣性而極易衰竭，即使沒有不斷增長的需求，天然橡膠的可持續產出供給也存在風險[5]。因此，中國和其他高度依賴進口的國家（地區）將面臨價格攀升或無天然橡膠可用的風險。對此，鑒于三葉橡膠樹產膠的增長潛力受限于產地區域耕地緊缺、病蟲危害重、遺傳基礎狹窄、單產提升困難和采膠勞力緊張、過敏反應嚴重等因素綜合影響，致使未來單純依靠三葉橡膠樹增加天然橡膠產出供應的潛力非常有限，為了滿足全球不斷增長的天然橡膠需求，馴化和培育新的天然橡膠來源作物及其生產技術以增加乳膠產出供應已成必然趨勢[1,2,4-5,7]。

橡膠蒲公英(Rubber dandelion/Taraxacum koksaghyz，TK)是一種草本植物，原產于哈薩克斯坦、烏茲別克斯坦和中國西部[5]，在很多氣候條件下可快速生長、廣泛種植于寒帶和溫帶地區，并且其根系內所含有的乳膠成分與三葉橡膠樹所含乳膠成分十分接近[5,8]，所以被認為是應對全球天然橡膠緊缺狀況下的一種重要而全新的天然橡膠來源替補作物[3,6-7]。從20世紀30年代被發現至今，橡膠蒲公英蘊藏著的潛在價值已引起許多學者、政府組織及相關企業的高度關注。本研究主要通過梳理其研究進展，分析其作為農田種植經濟作物產業化生產發展需要解決的問題，探討其規模化農田種植生產潛力及技術需求。

1 橡膠蒲公英的發現與發展

橡膠蒲公英的研發始于1929年，當時為了應對二戰帶來的天然橡膠供需緊缺局勢，前蘇聯科學家瓦維洛夫對栽培植株的品種組成、起源中心和野生祖先進行了廣泛調查研究，并于1932年對150個本土和引進含膠株系進行了集中鑒定，認為其中79個株系值得進一步研究，其目的就是為了探尋栽培馴化和解決本國天然橡膠自給自足的可能性[9]，命名為T.Kok-saghyz的橡膠草即是在1931—1932 年從蘇聯1100 個本土植株中被選定為最有前景的橡膠蒲公英株系，蘇聯和美國在二戰期間對這一株系進行了深入研究，然而，潛在的馴化卻隨著蘇聯的解體而消失了[1]。可以說，橡膠蒲公英的研發利用在近百年來時起時落：在應對全球橡膠供應極度緊缺或價格高昂時就興起，當供應緊缺態勢緩解或價格低迷時則回落。

在二戰期間，因為來源于三葉橡膠樹的天然橡膠供應銳減，當時的蘇聯開始將橡膠蒲公英應用于生產橡膠并制作軍車輪胎[3]。隨之，許多國家也曾紛紛努力跟進開展了利用橡膠蒲公英作為天然乳膠來源作物的相關研究，然而，二戰結束后，由于三葉橡膠樹的種植及其乳膠生產逐步得到恢復，且生產成本和供應價格也相對較低，而橡膠蒲公英乳膠生產則因在經濟效益上沒有競爭優勢，而未能被進一步發展成為一種產業化規模種植生產的經濟作物，相應的開發研究也因此受挫而一度停滯[3,10-11]。

進入21世紀初，由于三葉橡膠樹的種植生產受到病蟲危害、人體過敏嚴重、生產成本增加等不利因素影響而導致其種植面積縮減，從而也限制了天然乳膠產出的增長[10]；同期，石油資源受限又可能威脅到其他來源天然乳膠替補資源，因而，含有高質量乳膠成分的橡膠蒲公英再度被重新列為首選天然乳膠來源替補作物[12]。隨即，一些發達國家或組織先后投資啟動了橡膠蒲公英產業化發展及相關技術研究計劃。例如：美國國家農業部和能源部聯合資助于2007年啟動了“天然橡膠替補來源卓越計劃”(PENRA)[6,13-14]，其研究目標主要圍繞高根膠產量和效益最大化，研究內容包括種質資源的馴化改良、植株生長發育的生物生理過程、農田生產管理的農藝農技措施、乳膠產品的煉制加工技術、副產品的開發應用、以及規模化生產的可行性與持續性等；歐盟于2008年和2012年先后分兩期聯合啟動“替補橡膠和乳膠資源生產與開發計劃項目”（EUPEARLS 和DRIVER4EU），其目標主要是以圍繞橡膠蒲公英，以開發利用橡膠和菊粉產品為目標，構建天然橡膠與菊粉生產的產業鏈[10]；德國大陸輪胎公司在參與歐盟研發計劃基礎上，于2013年建立了蒲公英橡膠研究中心，為了競爭貯備技術專門投資3500萬歐元用于相關設備研究，卻根本不考慮成本效益問題[5]。中國于2015 年，由山東玲瓏輪胎股份有限公司倡導，聯合北京化工大學，以中國石油和化學聯合會為依托，成立了“中國蒲公英橡膠產業技術創新戰略聯盟”，開創了從種質資源篩選創新、田間種植試驗到蒲橡膠產品提煉加工的產、學、研、用一條龍產業鏈的研發進程[6,13]。在上述計劃與項目的資助下，研究人員從橡膠蒲公英的田間種植、乳膠提煉、產品加工等技術方面進行了相關研究開發，對橡膠蒲公英蘊藏的潛在價值取得了進一步的了解認識，在乳膠提煉與產品加工技術上取得了較大進展，然而，產業化發展面臨的突出問題卻是農田種植的根膠產出量嚴重不足，無法滿足提煉加工所需用量。

2 橡膠蒲公英農田產業化發展的潛力與挑戰

實際上，橡膠蒲公英植株各部分均有利用價值，其葉子中也含有乳膠成分，只是因伴隨有樹脂成分而品質欠佳，然而，其根系中所含有的乳膠成分品質則表現優越[3]，其所含的順式1,4-聚異戊二烯是一種可用于生產工業和醫用產品的原材料[7]。此外，其根系中還含有一種菊粉成份，是用于功能性食品的良好配料，所以，橡膠蒲公英被作為生產天然橡膠來源替補作物的同時，也是天然菊粉的潛在來源[10,15]，并且，其所含有的乳膠和菊粉又可以被同時提取，使得橡膠蒲公英的種植生產及其產業化在經濟上具有切實可行的發展潛力[3]。

根膠產量作為橡膠蒲公英種植生產的首選評價指標，是根系生物量和乳膠含量的組合。Arias M等[10]研究報道，在1949 年時根膠產量只有28.4 kg/hm2，到2007年增長到150～500 kg/hm2，到2019年Bates G等[16]研究報道達到600～1200 kg/hm2，已基本接近于同時期三葉橡膠樹的乳膠產量范圍：800～1100 kg/hm2。由此可知，橡膠蒲公英從發現后經過幾十年的栽培馴化和遺傳改進，根膠產量增長了20～400倍。橡膠蒲公英在自然生長條件下個體間形態和生理指標差異大，根系中乳膠含量介于1.07%～27.46%[17]，菊粉含量為15%～36%[10]。早期栽培基本明確了這種新型作物種植生產的一些相關問題：如群體中單株根重表現為2～150 g不等，單株根膠含量差異大、或只有微量、或高達30%，根、葉形態特征也有明顯差異，這些性狀似乎可以遺傳，卻又沒有發現直接關聯高根膠產量的表形[11]。盡管目前多數栽培種的產量還很低，但是，不同群體間的根系重量、乳膠含量和菊粉含量存在顯著差異，有些群體在增加乳膠和菊粉產出量上具有很大空間，必須要進行相關的農學農藝研究[10]。Salehi M 等[1]研究認為將高乳膠含量（達到20%）與大根性狀相結合，種植生長6個月植株的干根產量可以達到6000～9000 kg/hm2，理論上根膠產量可以達到1200～1800 kg/hm2。由此說明，根膠產量水平還有很大的增長潛力，以增加乳膠產出研發為主，再結合菊粉的提取加工利用，橡膠蒲公英產業化生產具有較大的增產增效潛力，見圖1。

圖1 橡膠蒲公英根系主要物質成份(A)及根膠生產增長潛力(B)

由前述可知，因為橡膠蒲公英的開發利用研究一直主要由輪胎企業主導，所以，對其植株體內乳膠的提煉加工技術研發領先于農田種植生產技術。目前，國內外已有較多關于從橡膠蒲公英植株體內提取加工天然乳膠和菊粉產品相關專利技術方法的報導，有些輪胎企業如中國的山東玲瓏股份有限公司，也已經形成一些小型成熟提取生產線并具備了一定的產能潛力，然而，卻沒有充足的根系原料滿足其提煉加工的生產能力。實際上，這種以輪胎為中心的產業化研發途徑所面臨的首要問題是如何擴大生產規模、并在成本效益上切實可行，如果在擴大生產規模過程中沒有經濟收益做支撐，則高昂的成本很難維持適合商業化生產的可持續發展[5]。因為對橡膠蒲公英的農田種植生產技術的研發，基本處于單項技術在盆栽或小塊農田尺度的初期試驗階段，種植成本高、效益差，至今尚未集成有效可行的綜合農技農藝技術體系可用于適度規模的田間種植示范生產，所以，很難生產出足夠滿足適度規模乳膠提煉加工的根系原料。由此看來，市場需求是產業化發展的驅動力，而農田種植及根系產出供應才是橡膠蒲公英整個產業鏈升級規模的基礎，見圖2。為了充分發揮橡膠蒲公英的價值潛力，要把橡膠蒲公英發展成為一種增產增值增效的產業化經濟作物，首先需要解決的瓶頸問題即是橡膠蒲公英的高產優質高效農田種植生產模式技術，為此，要加快研發適應于可進行適度規模化種植生產橡膠蒲公英的農藝農技措施，這些農藝農技措施不僅在農事操作上要簡便可行，而且在生產效果上要能促進根系生長發育并提高根系乳膠含量，實現有利于提高單位面積根膠產量的目標，在投入產出上經濟有效。

圖2 橡膠蒲公英產業化發展示意圖

3 橡膠蒲公英農田產業化發展的種植技術需求與對策

栽培馴化和遺傳改進是提高作物產量與品質的重要途徑。正如當今世界三大糧食作物小麥、玉米和水稻一樣，均是由普通野生品種歷經萬年馴化而成為農家品種，又經過百年發展而成為現代栽培品種。小麥的野生祖先是阿塞拜江的烏拉爾圖小麥，玉米的野生祖先是墨西哥的類蜀黍，水稻的祖先是一種野生稻，經過馴化改良發展成為世界三大糧食作物，而且，增產提質增效的技術研發至今處在不斷創新發展之中，為橡膠蒲公英的產業化生產發展提供了豐富經驗與技術基礎。糧食作物的種植生產是以增加籽粒產出和提高營養物質為主要目標，作為乳膠來源替補作物，橡膠蒲公英的種植生產是以促進根系產量形成、提高根系乳膠含量、增加單位面積根膠產量為主要目標的。雖然，目前橡膠草的種質資源匱乏、遺傳改良剛剛起步、還處于野生種質馴化階段[18]，作為橡膠來源作物處于發展之中卻還沒有被完全馴化，植株生物量低、根膠產量變異大[19]，迄今尚無大規模生產中所需要的高根產量、高橡膠含量和高種子活力的橡膠草基因型[15]。但是，目前小規模試驗中的栽培種中不乏優良表現型，只是在用于橡膠產業化規模農田生產之前，首先需要對其農藝性狀和工藝特性進行研究改善，如提高根系生物量、改變爪狀根等[8]。因此，基于橡膠蒲公英在很多氣候條件下快速生長的特性，當前應在不同氣候生態區，重點選擇栽培種的優良表型，圍繞播期播量、種植方式、水肥措施、雜草防除、收獲貯存等相關措施對不同表型的生長發育規律與物質積累分配進行研究，探究集成適合不同生態區域條件下良種良法配套的農技農藝模式技術體系進行試驗示范，推進橡膠蒲公英農田種植生產增產增效增值，見圖3。

圖3 農田種植技術需求框架

3.1 抓好播種質量保全苗壯苗

橡膠蒲公英種子小且輕，對發芽出苗環境、特別是土壤水分條件變化非常敏感，播種質量難掌控致使出苗成活率低是種植生產中面臨的最大挑戰。播種時間、播種方式與播種密度對于個體生長發育和群體產量形成至關重要。播種可以在早春或晚秋土壤溫度和水分適宜條件時進行，秋季播種有利于優化生長期，卻需要注意幼苗的耐凍性與越冬成活率，如果不能保證幼苗安全越冬，則春季播種可能是唯一可行的選擇，并且，要盡可能早播以延長生長期有利于提高根膠產量[11]。播前需要精細整地，在此基礎上通過選擇適宜種植方式、種子包衣、地表覆蓋等措施有助于提高出苗成活與群體構建。在美國的田間直接播種試驗表明：俄亥俄州北部5 月中旬地溫達到16℃后，采用包衣種子開溝條播方式、播種深度0.6 cm、播后覆蓋堆肥不超過1.7 cm，可以在秋季獲得最大群體[20]。在德國通過育苗移栽試驗表明，壟作比平作更有利于幼苗成活和根系生長，提高根系生物量，而且種植密度對生物量具有顯著效應，然而，育苗移栽成本高、耗時費力，雖精心準備苗床，移栽植株的成活率也只有50%，而且，移栽時植株主根極易受損而形成大量側根，這些側根在收獲時又容易被折斷而導致減產[21]。所以，高密度田間直接播種比育苗移栽可能將更適合商業化生產[11]。因為種子太小并且對土壤水分變化條件非常敏感，田間直接播種時將種子置于土壤表面出苗率最好，但需要覆蓋或包衣以保持土壤和種子濕潤，否則即便在適宜播種的溫暖季節，正常播量條件下直播種子的出苗率仍低于15%，為了保證出苗率達到產業生產需求，需要準備充足的種子以加大播種量為正常播種量的5倍或更高[12]；Bates G等[16]研究得出，當作為一年生作物當年收獲時，種植密度最低應為494萬株/hm2，當第一年種植后要經過越冬期到第二年才能收獲時，種植密度最低應為988 萬株/hm2，橡膠蒲公英的種植生產就有潛力獲得經濟上可行的根膠產量，但是，高密度下根系尺寸顯著縮小到幾乎不適宜機械收獲。此外，通過改變行距與株距，也可以改善根系形態及其生長發育，Munt O等[8]研究認為株距為5～10 cm時最適宜單一主根發育，若能再結合適宜養分管理則可促進根系生長，盡可能充分發揮根膠產出的潛在產量；但是，沈光等[22]研究認為株行距均為20 cm時單位面積的根膠產量較高，然而，試驗當年測得的根膠產量只有94.0 kg/hm2，可能是從移栽到收獲的生長期較短，但這個產量與商業化規模生產的產量目標差距很大。盡管前人做了一些研究，但是，多數結論只是由小面積或木箱試驗結果推斷而得，尚未獲得有效田間試驗示范驗證。種植密度、播種和種植方式對于構建群體結構、協調個體與群體關系促進植株根系生長特別重要，對根系大小的影響作用可能要大于對根膠含量的影響作用，抓好播種質量關保全苗、促壯苗是保障群體根膠產量形成的基礎，應用研究應著重圍繞田間直接播種、農機農藝結合進行試驗示范。

3.2 做好田間管理促進根系生長

農田土壤養分和水分是作物生長發育的物質基礎，而且會影響物質積累分配與產量形成，田間管理就是主要通過包括病蟲草害防控、施肥與灌水等農作措施，調控改善作物生長發育和物質積累分配所需農田環境條件，以達到最優生產水平。然而，相關試驗研究報道卻非常有限。

橡膠蒲公英因其種子發芽出苗和幼苗生長速度相對緩慢而滯后于田間雜草，使得田間雜草防控至關重要而更具挑戰性，要使其進入完全封壟覆蓋土壤的生長階段，就必需要在幼苗生長階段做好雜草控制[16,20]。橡膠蒲公英雖然具有耐瘠薄、耐干旱、耐鹽堿等特性，然而在光溫水土等環境條件適宜時則快速生長發育。然而，就土質土壤狀況、光溫氣候狀況、水肥管理措施等對植株生長和根膠產量影響的研究報道卻非常有限。中國學者在湛江氣候條件下測定分析了橡膠草地上部生長速度對NPK養分的響應，發現葉片的生長速度主要受N 素影響，施N 促進生長加快[23]，但是，卻沒有同時測定分析土壤養分與施肥對根系生長和根膠產量形成的影響。有學者在西班牙北部地區氣候土壤條件下研究發現：盡管低N含量化肥可能更有利于植株早期生長發育，但是，施用低N:P比的N、P、K肥料，并配施鈣、鎂養分，則可以增加根系生物量，足夠的N、P養分可以促使根系和葉片生物量積累達到最大化，而對K需求量相對很低[8]；而且，根系生物量與葉片生物量具有顯著的正相關關系，灌水對根系中乳膠含量也具有極顯著影響，作用大小及適宜灌溉量則需要進一步試驗研究[3]。在鹽漬化土壤條件的種植試驗表明，不同氮素用量在不同生長時期施用對葉片生長及生物量形成影響作用具有顯著差異，在播種、幼苗和開花期按2:2:1 比例施用時地上部葉片鮮重最高，接近10500 kg/hm2[24]。此外，土壤酸堿度也會影響到橡膠蒲公英植株生長速度與物質積累分配，當土壤pH 由6.9 增加到8.3 時，植株根冠比和根膠產量隨之增加[25]。美國Nebraska 大學的Lawrence N.進行種植試驗后認為，在輕質土壤且春季多風條件的地區種植生長具有困難；而俄亥俄州州立大學的Cornish K等[11]卻認為，橡膠草在俄亥俄州地區的重壤土中很難生長，但是在輕壤或沙質土壤中則可能生長良好，然而這方面卻缺少研究。

土壤水土狀況是影響作物生長的一個重要因素，特別是通過適宜的施肥和灌水可以調節個體生長與群體動態、平衡根系生長與乳膠含量以優化提高產膠水平，至于施用什么種類肥料、施用數量配比、施用時間與方式，以及施肥與灌水又如何與其他農藝措施相結合，則需要根據土壤理化特性與生物學狀況、作物生長發育的養分需求規律及地形地貌與光溫氣候特點因地制宜地進行試驗示范。

3.3 做到適時收獲最大化根膠產量

橡膠蒲公英具有多年生植物的生活周期，使得其既可以按一年生作物種植收獲，也可以按二年生或多年生作物種植收獲。有田間試驗表明，野生橡膠蒲公英在第二個生長季的開化末期其根系中含有較高的乳膠和菊粉成分[15]。進一步研究認為，植株體內乳膠積累從種子萌發開始，大約經過1 a左右達到高峰，然后保持平穩或下降[20]。然而，農田生產中單位面積的橡膠產出量是由根系中乳膠含量水平與根系產量水平組合決定的，這2個參數受橡膠品種遺傳背景、環境條件和農藝措施共同影響[21]。盡管，實驗中有單株根膠產量表現為生長12個月的植株明顯高于生長6個月的植株，但是，單位面積根膠產量卻很相近，究其原因主要是因為近半數植株在越冬期死亡，所以，高密度種植、經過越冬期，第二年春季或早夏收獲，有可能是美國俄亥俄州種植現有品種最好的實踐措施[16]。但是，Conish K 等[11]試驗研究于2011 年秋季田間直接播種、經過2 個越冬期、到2013 年早春收獲，種植植株的單株最高根膠產量達到0.9 g，如此一個較長生長季堪比增加了一個標準作物輪作，并且認為根系、葉叢或植株生物量與根膠含量或單株根膠產量之間不存在明顯負相關。

單位面積根膠產量由單位面積株數、單株根重和乳膠含量3個產量因素構成，生長期的長短、特別是經過越冬期會直接影響到群體數量、根系大小和乳膠成分積累，所以，適宜收獲期需要根據群體構建形成、個體生長動態和物質積累分配規律進行確定。生產實踐中，除了探尋最大化單位面積根膠和菊粉產量外，田間雜草管理的有效性、根系生長的大小形狀、種植收獲技術成本和橡膠價格波動等許多方面，都會成為按一年生還是二年生作物種植收獲的影響因素。

總之，橡膠蒲公英作為天然乳膠潛在來源替補經濟作物，其根系不僅可以主要用于生產天然乳膠，而且可以用于生產菊粉、C5-C6糖和蛋白質/氨基酸，這些產品將促使橡膠蒲公英種植生產在經濟上增值增效，并成為一種具有可觀經濟效益的生物煉制原材料[26]，此外，其葉子作為一種菊苣酸來源，具有潛在的抗氧化劑應用價值，具有草藥和營養功效可用于生產健康食品或飼料[2]。為了充分挖掘橡膠蒲公英的潛在價值，將其發展成為一種切實可行的產業化經濟作物，圍繞產業化發展要擴大種植規模、并確保增產增效、經濟效益切實可行，則需要省時省力簡便易行的農技農藝優化管理措施。在未來的研究實踐中，首先需要以收獲目標產量為導向通過栽培馴化改善其農學性狀，根據不同區域氣候狀況、水土資源和生產條件等資源稟賦，集成適合于不同生態區域的優良品種與優化農藝相結合的產業模式體系，例如冬季寒冷地區，生產上可能會需要乳膠含量高、生長速度快、抗寒冷性強、能安全越冬、根系生物量大的品種及相應種植技術體系。因此，基于不同區域自然資源特點和農業生產條件，試驗示范重點主要包括：田間機械化直接播種與適宜種植方式，雜草防治與群體構建，水肥優化與生長發育規律，適宜生長季與物質積累分配規律，機械化采收與采后貯存等。另外，鑒于中國耕地資源緊缺，而橡膠蒲公英又具有耐瘠薄、鹽堿等特性，為了不擠占糧油等主要作物生產用耕地，可以選擇在一些中低產田和邊際耕地上進行單作試驗示范，也可以選擇一些經濟林果種植園地進行間作或套種試驗示范，以提高中國耕地資源利用效率。