橡胶蒲公英农田生产潜力及种植技术需求分析

武兰芳

（中国科学院地理科学与资源研究所生态网络与模拟重点试验室，北京 100101)

0 引言

天然橡胶(Natural Rubber，NR)是一种以聚异戊烯为主要成分的天然高分子化合物，具有合成橡胶所无法达到的独特品性，如强劲的耐磨性和抗冲击性、高效的热分散性和伸缩性、低温下的可塑性和韧性[1]，如此多种良好的理化性能，使其成为一种重要的全球性战略物资材料，广泛应用于从医疗设备、个人防护到各种车辆和飞机轮胎等多达40000～50000种不同用途产品的制造生产[1-5]。

迄今，天然橡胶的来源一直依赖于一种三叶橡胶树的种植生产。由于受气候、生物和非生物因素共同影响，这种三叶橡胶树的种植区域主要集中在热带东南亚地区的泰国、印度尼西亚、越南和马来西亚，种植面积和产出量分别占到全球的90%左右和70%以上。近20 a来，全球天然橡胶的年产出量一直保持在1300万t左右，而需求量却从680万t增加到1240万t以上。发达国家需求的天然乳胶全部依赖于进口，每年全球进口量超过1200万t、其中美国的进口量超过120万t[5]。中国是天然橡胶消费和进口最大的国家之一，年消费量达到500万t以上，占到全球天然橡胶消费量40%以上，然而，适宜三叶橡胶树生长的区域主要集中在海南、云南、广东等地，适宜种植面积仅为115.9万hm2，多年平均单产不足700 kg/hm2，因为可用于扩大种植的耕地资源和提高单产潜力已经非常有限，年产出橡胶量仅有80万t左右，仅能满足总需求量的20%左右，导致中国对外依赖度非常高，每年总进口量占到总消费量的80%以上[6]。随着世界各国（或地区）社会经济的发展，天然橡胶的需求量还将持续增长，未来供需缺口将会更大，全球性短缺态势已经呈现；并且，三叶橡胶树的繁殖生长一直依赖于单一种质幼苗根茎克隆接穗，缺乏遗传多样性而极易衰竭，即使没有不断增长的需求，天然橡胶的可持续产出供给也存在风险[5]。因此，中国和其他高度依赖进口的国家（地区）将面临价格攀升或无天然橡胶可用的风险。对此，鉴于三叶橡胶树产胶的增长潜力受限于产地区域耕地紧缺、病虫危害重、遗传基础狭窄、单产提升困难和采胶劳力紧张、过敏反应严重等因素综合影响，致使未来单纯依靠三叶橡胶树增加天然橡胶产出供应的潜力非常有限，为了满足全球不断增长的天然橡胶需求，驯化和培育新的天然橡胶来源作物及其生产技术以增加乳胶产出供应已成必然趋势[1,2,4-5,7]。

橡胶蒲公英(Rubber dandelion/Taraxacum koksaghyz，TK)是一种草本植物，原产于哈萨克斯坦、乌兹别克斯坦和中国西部[5]，在很多气候条件下可快速生长、广泛种植于寒带和温带地区，并且其根系内所含有的乳胶成分与三叶橡胶树所含乳胶成分十分接近[5,8]，所以被认为是应对全球天然橡胶紧缺状况下的一种重要而全新的天然橡胶来源替补作物[3,6-7]。从20世纪30年代被发现至今，橡胶蒲公英蕴藏着的潜在价值已引起许多学者、政府组织及相关企业的高度关注。本研究主要通过梳理其研究进展，分析其作为农田种植经济作物产业化生产发展需要解决的问题，探讨其规模化农田种植生产潜力及技术需求。

1 橡胶蒲公英的发现与发展

橡胶蒲公英的研发始于1929年，当时为了应对二战带来的天然橡胶供需紧缺局势，前苏联科学家瓦维洛夫对栽培植株的品种组成、起源中心和野生祖先进行了广泛调查研究，并于1932年对150个本土和引进含胶株系进行了集中鉴定，认为其中79个株系值得进一步研究，其目的就是为了探寻栽培驯化和解决本国天然橡胶自给自足的可能性[9]，命名为T.Kok-saghyz的橡胶草即是在1931—1932 年从苏联1100 个本土植株中被选定为最有前景的橡胶蒲公英株系，苏联和美国在二战期间对这一株系进行了深入研究，然而，潜在的驯化却随着苏联的解体而消失了[1]。可以说，橡胶蒲公英的研发利用在近百年来时起时落：在应对全球橡胶供应极度紧缺或价格高昂时就兴起，当供应紧缺态势缓解或价格低迷时则回落。

在二战期间，因为来源于三叶橡胶树的天然橡胶供应锐减，当时的苏联开始将橡胶蒲公英应用于生产橡胶并制作军车轮胎[3]。随之，许多国家也曾纷纷努力跟进开展了利用橡胶蒲公英作为天然乳胶来源作物的相关研究，然而，二战结束后，由于三叶橡胶树的种植及其乳胶生产逐步得到恢复，且生产成本和供应价格也相对较低，而橡胶蒲公英乳胶生产则因在经济效益上没有竞争优势，而未能被进一步发展成为一种产业化规模种植生产的经济作物，相应的开发研究也因此受挫而一度停滞[3,10-11]。

进入21世纪初，由于三叶橡胶树的种植生产受到病虫危害、人体过敏严重、生产成本增加等不利因素影响而导致其种植面积缩减，从而也限制了天然乳胶产出的增长[10]；同期，石油资源受限又可能威胁到其他来源天然乳胶替补资源，因而，含有高质量乳胶成分的橡胶蒲公英再度被重新列为首选天然乳胶来源替补作物[12]。随即，一些发达国家或组织先后投资启动了橡胶蒲公英产业化发展及相关技术研究计划。例如：美国国家农业部和能源部联合资助于2007年启动了“天然橡胶替补来源卓越计划”(PENRA)[6,13-14]，其研究目标主要围绕高根胶产量和效益最大化，研究内容包括种质资源的驯化改良、植株生长发育的生物生理过程、农田生产管理的农艺农技措施、乳胶产品的炼制加工技术、副产品的开发应用、以及规模化生产的可行性与持续性等；欧盟于2008年和2012年先后分两期联合启动“替补橡胶和乳胶资源生产与开发计划项目”（EUPEARLS 和DRIVER4EU），其目标主要是以围绕橡胶蒲公英，以开发利用橡胶和菊粉产品为目标，构建天然橡胶与菊粉生产的产业链[10]；德国大陆轮胎公司在参与欧盟研发计划基础上，于2013年建立了蒲公英橡胶研究中心，为了竞争贮备技术专门投资3500万欧元用于相关设备研究，却根本不考虑成本效益问题[5]。中国于2015 年，由山东玲珑轮胎股份有限公司倡导，联合北京化工大学，以中国石油和化学联合会为依托，成立了“中国蒲公英橡胶产业技术创新战略联盟”，开创了从种质资源筛选创新、田间种植试验到蒲橡胶产品提炼加工的产、学、研、用一条龙产业链的研发进程[6,13]。在上述计划与项目的资助下，研究人员从橡胶蒲公英的田间种植、乳胶提炼、产品加工等技术方面进行了相关研究开发，对橡胶蒲公英蕴藏的潜在价值取得了进一步的了解认识，在乳胶提炼与产品加工技术上取得了较大进展，然而，产业化发展面临的突出问题却是农田种植的根胶产出量严重不足，无法满足提炼加工所需用量。

2 橡胶蒲公英农田产业化发展的潜力与挑战

实际上，橡胶蒲公英植株各部分均有利用价值，其叶子中也含有乳胶成分，只是因伴随有树脂成分而品质欠佳，然而，其根系中所含有的乳胶成分品质则表现优越[3]，其所含的顺式1,4-聚异戊二烯是一种可用于生产工业和医用产品的原材料[7]。此外，其根系中还含有一种菊粉成份，是用于功能性食品的良好配料，所以，橡胶蒲公英被作为生产天然橡胶来源替补作物的同时，也是天然菊粉的潜在来源[10,15]，并且，其所含有的乳胶和菊粉又可以被同时提取，使得橡胶蒲公英的种植生产及其产业化在经济上具有切实可行的发展潜力[3]。

根胶产量作为橡胶蒲公英种植生产的首选评价指标，是根系生物量和乳胶含量的组合。Arias M等[10]研究报道，在1949 年时根胶产量只有28.4 kg/hm2，到2007年增长到150～500 kg/hm2，到2019年Bates G等[16]研究报道达到600～1200 kg/hm2，已基本接近于同时期三叶橡胶树的乳胶产量范围：800～1100 kg/hm2。由此可知，橡胶蒲公英从发现后经过几十年的栽培驯化和遗传改进，根胶产量增长了20～400倍。橡胶蒲公英在自然生长条件下个体间形态和生理指标差异大，根系中乳胶含量介于1.07%～27.46%[17]，菊粉含量为15%～36%[10]。早期栽培基本明确了这种新型作物种植生产的一些相关问题：如群体中单株根重表现为2～150 g不等，单株根胶含量差异大、或只有微量、或高达30%，根、叶形态特征也有明显差异，这些性状似乎可以遗传，却又没有发现直接关联高根胶产量的表形[11]。尽管目前多数栽培种的产量还很低，但是，不同群体间的根系重量、乳胶含量和菊粉含量存在显著差异，有些群体在增加乳胶和菊粉产出量上具有很大空间，必须要进行相关的农学农艺研究[10]。Salehi M 等[1]研究认为将高乳胶含量（达到20%）与大根性状相结合，种植生长6个月植株的干根产量可以达到6000～9000 kg/hm2，理论上根胶产量可以达到1200～1800 kg/hm2。由此说明，根胶产量水平还有很大的增长潜力，以增加乳胶产出研发为主，再结合菊粉的提取加工利用，橡胶蒲公英产业化生产具有较大的增产增效潜力，见图1。

图1 橡胶蒲公英根系主要物质成份(A)及根胶生产增长潜力(B)

由前述可知，因为橡胶蒲公英的开发利用研究一直主要由轮胎企业主导，所以，对其植株体内乳胶的提炼加工技术研发领先于农田种植生产技术。目前，国内外已有较多关于从橡胶蒲公英植株体内提取加工天然乳胶和菊粉产品相关专利技术方法的报导，有些轮胎企业如中国的山东玲珑股份有限公司，也已经形成一些小型成熟提取生产线并具备了一定的产能潜力，然而，却没有充足的根系原料满足其提炼加工的生产能力。实际上，这种以轮胎为中心的产业化研发途径所面临的首要问题是如何扩大生产规模、并在成本效益上切实可行，如果在扩大生产规模过程中没有经济收益做支撑，则高昂的成本很难维持适合商业化生产的可持续发展[5]。因为对橡胶蒲公英的农田种植生产技术的研发，基本处于单项技术在盆栽或小块农田尺度的初期试验阶段，种植成本高、效益差，至今尚未集成有效可行的综合农技农艺技术体系可用于适度规模的田间种植示范生产，所以，很难生产出足够满足适度规模乳胶提炼加工的根系原料。由此看来，市场需求是产业化发展的驱动力，而农田种植及根系产出供应才是橡胶蒲公英整个产业链升级规模的基础，见图2。为了充分发挥橡胶蒲公英的价值潜力，要把橡胶蒲公英发展成为一种增产增值增效的产业化经济作物，首先需要解决的瓶颈问题即是橡胶蒲公英的高产优质高效农田种植生产模式技术，为此，要加快研发适应于可进行适度规模化种植生产橡胶蒲公英的农艺农技措施，这些农艺农技措施不仅在农事操作上要简便可行，而且在生产效果上要能促进根系生长发育并提高根系乳胶含量，实现有利于提高单位面积根胶产量的目标，在投入产出上经济有效。

图2 橡胶蒲公英产业化发展示意图

3 橡胶蒲公英农田产业化发展的种植技术需求与对策

栽培驯化和遗传改进是提高作物产量与品质的重要途径。正如当今世界三大粮食作物小麦、玉米和水稻一样，均是由普通野生品种历经万年驯化而成为农家品种，又经过百年发展而成为现代栽培品种。小麦的野生祖先是阿塞拜江的乌拉尔图小麦，玉米的野生祖先是墨西哥的类蜀黍，水稻的祖先是一种野生稻，经过驯化改良发展成为世界三大粮食作物，而且，增产提质增效的技术研发至今处在不断创新发展之中，为橡胶蒲公英的产业化生产发展提供了丰富经验与技术基础。粮食作物的种植生产是以增加籽粒产出和提高营养物质为主要目标，作为乳胶来源替补作物，橡胶蒲公英的种植生产是以促进根系产量形成、提高根系乳胶含量、增加单位面积根胶产量为主要目标的。虽然，目前橡胶草的种质资源匮乏、遗传改良刚刚起步、还处于野生种质驯化阶段[18]，作为橡胶来源作物处于发展之中却还没有被完全驯化，植株生物量低、根胶产量变异大[19]，迄今尚无大规模生产中所需要的高根产量、高橡胶含量和高种子活力的橡胶草基因型[15]。但是，目前小规模试验中的栽培种中不乏优良表现型，只是在用于橡胶产业化规模农田生产之前，首先需要对其农艺性状和工艺特性进行研究改善，如提高根系生物量、改变爪状根等[8]。因此，基于橡胶蒲公英在很多气候条件下快速生长的特性，当前应在不同气候生态区，重点选择栽培种的优良表型，围绕播期播量、种植方式、水肥措施、杂草防除、收获贮存等相关措施对不同表型的生长发育规律与物质积累分配进行研究，探究集成适合不同生态区域条件下良种良法配套的农技农艺模式技术体系进行试验示范，推进橡胶蒲公英农田种植生产增产增效增值，见图3。

图3 农田种植技术需求框架

3.1 抓好播种质量保全苗壮苗

橡胶蒲公英种子小且轻，对发芽出苗环境、特别是土壤水分条件变化非常敏感，播种质量难掌控致使出苗成活率低是种植生产中面临的最大挑战。播种时间、播种方式与播种密度对于个体生长发育和群体产量形成至关重要。播种可以在早春或晚秋土壤温度和水分适宜条件时进行，秋季播种有利于优化生长期，却需要注意幼苗的耐冻性与越冬成活率，如果不能保证幼苗安全越冬，则春季播种可能是唯一可行的选择，并且，要尽可能早播以延长生长期有利于提高根胶产量[11]。播前需要精细整地，在此基础上通过选择适宜种植方式、种子包衣、地表覆盖等措施有助于提高出苗成活与群体构建。在美国的田间直接播种试验表明：俄亥俄州北部5 月中旬地温达到16℃后，采用包衣种子开沟条播方式、播种深度0.6 cm、播后覆盖堆肥不超过1.7 cm，可以在秋季获得最大群体[20]。在德国通过育苗移栽试验表明，垄作比平作更有利于幼苗成活和根系生长，提高根系生物量，而且种植密度对生物量具有显著效应，然而，育苗移栽成本高、耗时费力，虽精心准备苗床，移栽植株的成活率也只有50%，而且，移栽时植株主根极易受损而形成大量侧根，这些侧根在收获时又容易被折断而导致减产[21]。所以，高密度田间直接播种比育苗移栽可能将更适合商业化生产[11]。因为种子太小并且对土壤水分变化条件非常敏感，田间直接播种时将种子置于土壤表面出苗率最好，但需要覆盖或包衣以保持土壤和种子湿润，否则即便在适宜播种的温暖季节，正常播量条件下直播种子的出苗率仍低于15%，为了保证出苗率达到产业生产需求，需要准备充足的种子以加大播种量为正常播种量的5倍或更高[12]；Bates G等[16]研究得出，当作为一年生作物当年收获时，种植密度最低应为494万株/hm2，当第一年种植后要经过越冬期到第二年才能收获时，种植密度最低应为988 万株/hm2，橡胶蒲公英的种植生产就有潜力获得经济上可行的根胶产量，但是，高密度下根系尺寸显著缩小到几乎不适宜机械收获。此外，通过改变行距与株距，也可以改善根系形态及其生长发育，Munt O等[8]研究认为株距为5～10 cm时最适宜单一主根发育，若能再结合适宜养分管理则可促进根系生长，尽可能充分发挥根胶产出的潜在产量；但是，沈光等[22]研究认为株行距均为20 cm时单位面积的根胶产量较高，然而，试验当年测得的根胶产量只有94.0 kg/hm2，可能是从移栽到收获的生长期较短，但这个产量与商业化规模生产的产量目标差距很大。尽管前人做了一些研究，但是，多数结论只是由小面积或木箱试验结果推断而得，尚未获得有效田间试验示范验证。种植密度、播种和种植方式对于构建群体结构、协调个体与群体关系促进植株根系生长特别重要，对根系大小的影响作用可能要大于对根胶含量的影响作用，抓好播种质量关保全苗、促壮苗是保障群体根胶产量形成的基础，应用研究应着重围绕田间直接播种、农机农艺结合进行试验示范。

3.2 做好田间管理促进根系生长

农田土壤养分和水分是作物生长发育的物质基础，而且会影响物质积累分配与产量形成，田间管理就是主要通过包括病虫草害防控、施肥与灌水等农作措施，调控改善作物生长发育和物质积累分配所需农田环境条件，以达到最优生产水平。然而，相关试验研究报道却非常有限。

橡胶蒲公英因其种子发芽出苗和幼苗生长速度相对缓慢而滞后于田间杂草，使得田间杂草防控至关重要而更具挑战性，要使其进入完全封垄覆盖土壤的生长阶段，就必需要在幼苗生长阶段做好杂草控制[16,20]。橡胶蒲公英虽然具有耐瘠薄、耐干旱、耐盐碱等特性，然而在光温水土等环境条件适宜时则快速生长发育。然而，就土质土壤状况、光温气候状况、水肥管理措施等对植株生长和根胶产量影响的研究报道却非常有限。中国学者在湛江气候条件下测定分析了橡胶草地上部生长速度对NPK养分的响应，发现叶片的生长速度主要受N 素影响，施N 促进生长加快[23]，但是，却没有同时测定分析土壤养分与施肥对根系生长和根胶产量形成的影响。有学者在西班牙北部地区气候土壤条件下研究发现：尽管低N含量化肥可能更有利于植株早期生长发育，但是，施用低N:P比的N、P、K肥料，并配施钙、镁养分，则可以增加根系生物量，足够的N、P养分可以促使根系和叶片生物量积累达到最大化，而对K需求量相对很低[8]；而且，根系生物量与叶片生物量具有显著的正相关关系，灌水对根系中乳胶含量也具有极显著影响，作用大小及适宜灌溉量则需要进一步试验研究[3]。在盐渍化土壤条件的种植试验表明，不同氮素用量在不同生长时期施用对叶片生长及生物量形成影响作用具有显著差异，在播种、幼苗和开花期按2:2:1 比例施用时地上部叶片鲜重最高，接近10500 kg/hm2[24]。此外，土壤酸碱度也会影响到橡胶蒲公英植株生长速度与物质积累分配，当土壤pH 由6.9 增加到8.3 时，植株根冠比和根胶产量随之增加[25]。美国Nebraska 大学的Lawrence N.进行种植试验后认为，在轻质土壤且春季多风条件的地区种植生长具有困难；而俄亥俄州州立大学的Cornish K等[11]却认为，橡胶草在俄亥俄州地区的重壤土中很难生长，但是在轻壤或沙质土壤中则可能生长良好，然而这方面却缺少研究。

土壤水土状况是影响作物生长的一个重要因素，特别是通过适宜的施肥和灌水可以调节个体生长与群体动态、平衡根系生长与乳胶含量以优化提高产胶水平，至于施用什么种类肥料、施用数量配比、施用时间与方式，以及施肥与灌水又如何与其他农艺措施相结合，则需要根据土壤理化特性与生物学状况、作物生长发育的养分需求规律及地形地貌与光温气候特点因地制宜地进行试验示范。

3.3 做到适时收获最大化根胶产量

橡胶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种植收获，也可以按二年生或多年生作物种植收获。有田间试验表明，野生橡胶蒲公英在第二个生长季的开化末期其根系中含有较高的乳胶和菊粉成分[15]。进一步研究认为，植株体内乳胶积累从种子萌发开始，大约经过1 a左右达到高峰，然后保持平稳或下降[20]。然而，农田生产中单位面积的橡胶产出量是由根系中乳胶含量水平与根系产量水平组合决定的，这2个参数受橡胶品种遗传背景、环境条件和农艺措施共同影响[21]。尽管，实验中有单株根胶产量表现为生长12个月的植株明显高于生长6个月的植株，但是，单位面积根胶产量却很相近，究其原因主要是因为近半数植株在越冬期死亡，所以，高密度种植、经过越冬期，第二年春季或早夏收获，有可能是美国俄亥俄州种植现有品种最好的实践措施[16]。但是，Conish K 等[11]试验研究于2011 年秋季田间直接播种、经过2 个越冬期、到2013 年早春收获，种植植株的单株最高根胶产量达到0.9 g，如此一个较长生长季堪比增加了一个标准作物轮作，并且认为根系、叶丛或植株生物量与根胶含量或单株根胶产量之间不存在明显负相关。

单位面积根胶产量由单位面积株数、单株根重和乳胶含量3个产量因素构成，生长期的长短、特别是经过越冬期会直接影响到群体数量、根系大小和乳胶成分积累，所以，适宜收获期需要根据群体构建形成、个体生长动态和物质积累分配规律进行确定。生产实践中，除了探寻最大化单位面积根胶和菊粉产量外，田间杂草管理的有效性、根系生长的大小形状、种植收获技术成本和橡胶价格波动等许多方面，都会成为按一年生还是二年生作物种植收获的影响因素。

总之，橡胶蒲公英作为天然乳胶潜在来源替补经济作物，其根系不仅可以主要用于生产天然乳胶，而且可以用于生产菊粉、C5-C6糖和蛋白质/氨基酸，这些产品将促使橡胶蒲公英种植生产在经济上增值增效，并成为一种具有可观经济效益的生物炼制原材料[26]，此外，其叶子作为一种菊苣酸来源，具有潜在的抗氧化剂应用价值，具有草药和营养功效可用于生产健康食品或饲料[2]。为了充分挖掘橡胶蒲公英的潜在价值，将其发展成为一种切实可行的产业化经济作物，围绕产业化发展要扩大种植规模、并确保增产增效、经济效益切实可行，则需要省时省力简便易行的农技农艺优化管理措施。在未来的研究实践中，首先需要以收获目标产量为导向通过栽培驯化改善其农学性状，根据不同区域气候状况、水土资源和生产条件等资源禀赋，集成适合于不同生态区域的优良品种与优化农艺相结合的产业模式体系，例如冬季寒冷地区，生产上可能会需要乳胶含量高、生长速度快、抗寒冷性强、能安全越冬、根系生物量大的品种及相应种植技术体系。因此，基于不同区域自然资源特点和农业生产条件，试验示范重点主要包括：田间机械化直接播种与适宜种植方式，杂草防治与群体构建，水肥优化与生长发育规律，适宜生长季与物质积累分配规律，机械化采收与采后贮存等。另外，鉴于中国耕地资源紧缺，而橡胶蒲公英又具有耐瘠薄、盐碱等特性，为了不挤占粮油等主要作物生产用耕地，可以选择在一些中低产田和边际耕地上进行单作试验示范，也可以选择一些经济林果种植园地进行间作或套种试验示范，以提高中国耕地资源利用效率。