我国天然橡胶林养分管理研究现状

赵春梅 王文斌 茶正早

(1 中国热带农业科学院橡胶研究所/中国热带农业科学院土壤肥料研究中心 海南海口 571101;2 农业农村部橡胶树生物学与遗传资源利用重点实验室/省部共建国家重点实验室培育基地-海南省热带作物栽培生理学重点实验室 海南海口 571101)

天然橡胶是一种世界性的大宗工业原料，具有工业品和农产品的双重性质，是世界各国国防和经济发展不可或缺的战略物资。天然橡胶种植分布于亚洲、非洲、大洋洲、拉丁美洲40 多个国家和地区，东南亚是全球天然橡胶的主产区，其中亚洲天然橡胶产量约占全球产量的93%。我国既是天然橡胶主产国之一，也是天然橡胶最大消费国。2019 年末，全国橡胶种植面积115.2 万hm2，居世界第3位，占世界面积的7.5%。近年国内天然橡胶消费量平均仍以每年30 万t 左右的速度持续增长，2019 年消费量达到550 万t，预计将继续增长。目前我国天然橡胶仍呈现自给率下降，进口依存度高的态势。据预测，未来10 年，我国仍然是天然橡胶消费量和进口量最大的国家。为了防范市场风险、加强我国天然橡胶供应，早在2003年原农业部提出国际合作发展天然橡胶产业的对策，我国农垦等国有企业通过“走出去”已经在东南亚和少数非洲国家建设工厂和胶园。2012 年，国家倡导“一带一路”政策，我国开始与沿线天然橡胶生产国加强多方面合作，扩大境外天然橡胶生产面积，进一步稳固国家天然橡胶资源。为了保障国内天然橡胶的自主和安全供给，提高国内天然橡胶自给率，2017 年我国划定海南、云南和广东为天然橡胶生产保护区，以巩固和稳定国内天然橡胶生产能力。受国际胶价低迷影响，近年国内天然橡胶种植热情不高，胶园弃割、弃管或改种等现象日趋严重。由于长年连作、粗放经营，橡胶人工群落单一等因素导致胶园肥力持续下降、水土流失增加、生物多样性降低等问题日益凸显。国家开始鼓励生态植胶模式建设，发展橡胶人工林复合体系，加强林下资源利用，提高胶园经济效益和生态效益。在此背景下，本文主要从养分的生理特性、生态特征、研究方法以及生产管理等方面综述了橡胶林养分资源管理及研究现状，并对新形势下橡胶林养分资源管理与研究方向提出了展望，以期为我国天然橡胶林产业可持续健康发展提供参考。

1 橡胶树养分生理学研究

1.1 砧木与接穗

芽接是当前栽培种植材料的主要繁殖方式。砧木作为芽接树的重要组成部分，优良砧木材料是芽接树速生高产的基础，砧木与接穗的亲合力对嫁接后营养物质运输和生长生理特性起到关键性作用。橡胶树砧木的选育研究一直得到重视，通过优良砧木来改进橡胶树种植材料是橡胶芽接树胶乳产量再现新高的一条重要途径。研究发现，产量越高的橡胶树其砧木胶乳中各种养分含量也越高，超高产橡胶树砧木中干物质含量、总固形物、硫醇、糖的含量均极显著高于高产树和一般单株［1-2］，矿质养分在砧木不同部位和位置的含量水平和分布也有明显的差异［3］；同时，砧木与接穗嫁接之间的亲合力大小也直接影响着橡胶树的营养生长、排胶特性、抗性、养分利用等特征，即亲合性越好，砧穗之间的物质交换及分配越协调、通畅，反之亦然［4］。

1.2 品种遗传

除砧木与接穗外，品种是对橡胶树营养生长和排胶生产起决定性作用的遗传限制因子。我国植胶区自然环境条件复杂，选择和培育出适合我国植胶环境的高产品种是植胶业的根本。目前国内已成功选育出高产抗性兼优的橡胶品种30多个，大面积推广的有PR107、RRIM600、热研7-33-97、云研73-46、云研77-2、云研77-4、GT1、海垦1、大丰95 等品系。有关这些品种的研究大多集中在产量和排胶生理特性等方面，对不同品种之间橡胶树养分含量研究较少，见报道的仅有PR107、RRIM600、热研7-33-97 品系橡胶树的养分比较研究［5-8］。近年来国内橡胶树遗传育种取得显著成果，陆续研制出了许多高产抗性木材等兼优新品种，进一步开展对这些新品种的养分利用研究，有利于我国天然橡胶产量增加和品质提升。

1.3 树体器官

养分吸收与利用主要靠根系、叶片、树枝、树干、树皮等树体器官。橡胶树根系由主根和侧根组成，侧根大多以数量庞大的细根来吸收水分与养分。橡胶根系在土壤剖面上的分布与养分具有一致性，通常表现为土壤上层根系多、养分含量高，下层根系少、养分含量低的规律。试验证明通过施肥、覆盖、间作等措施可以调控胶树根系分布，提高根系活性，进而促进养分吸收与利用［9-10］。叶片作为橡胶树光合作用器官，其养分含量大体上高于其它器官。在一年中橡胶叶片养分含量整体呈下降趋势，7～9 月最接近年平均值，因此叶片营养被作为早期橡胶树营养诊断施肥的最佳标准，后来与土壤养分相结合，成为国内主要采用和普遍推广的施肥手段［11］。胶乳作为橡胶树的割胶产物，也会带走部分养分，从而影响橡胶树树体的养分平衡。据研究，不同割胶制度都将导致橡胶树体的不同矿质营养元素的流失，并且不同胶乳的产量、品质与养分含量之间都存在密切关系［12-13］。在树木营养器官氮素贮藏机制的研究中，国内Tian［14］发现树木中具有特殊生物活性的营养贮藏蛋白质及其季节变化模式，这些发现突破了人们对树木营养器官季节性贮藏氮化物认识的传统观念，为发展林木的合理施肥技术提供了重要理论基础。

2 橡胶林养分生态特征研究

橡胶林养分循环过程先由根系从土壤中吸收养分，经树体存留大部分养分后，再通过枯落物、降雨淋洗等途径归还一部分养分到土壤中，割胶、采果、挥发、径流等又将少部分养分输出到系统外，最后通过人工施肥等措施向胶园输入养分。因此，橡胶林养分循环主要发生在土壤、树体、凋落物等主要养分库之间，并与大气、水体、肥料等外界环境进行养分交换。

2.1 土壤养分库

土壤养分库占橡胶林生态系统总养分贮量的90%以上。土壤养分含量的影响因素主要包括成土母质、pH、土壤理化性状、肥料类型等。成土母质是土壤形成的物质基础，决定了土壤矿物质的成分和养分状况。由于生物气候和长期耕作等原因，逐步弱化了因母岩成分不同而造成的土壤肥力差异。我国在种胶多年后，虽然橡胶产量得到了大幅度提高，但是却以大量消耗土壤养分为代价。据测定，33 a的生长周期内，橡胶树生长和产胶消耗的养分：N、P、K、Mg 分别为2 282.9、401.6、1 695.4、496.1 kg/hm2［15］。多年来长期持续割胶和施肥不足等造成的土壤肥力下降问题日趋明显。早在1977、1987 和1998 年，云南西双版纳胶园养分调查分析发现，土壤全氮含量下降了0.023～0.033 个百分点［16］。2005 年中国热带农业科学院橡胶研究所对海南、云南、广东3大垦区胶园土壤进行测评，与20 世纪七八十年代相比，胶园土壤肥力急剧下降、酸化趋势明显［17］。后来在PR107、RRIM600、热研7-33-97 品系橡胶林养分循环与养分平衡研究中发现［18］，除幼龄外，其他年龄段的胶园土壤养分都处于亏缺状态，特别是氮素亏损最多。近年来胶园土壤酸化、土壤淋溶、肥力下降等环境问题日益严重，已经受到植胶部门的重视，进行土壤改良、改变耕作方式、保持土壤肥力将是实现橡胶产业可持续发展的一件刻不容缓的任务。

2.2 凋落物养分库

凋落物是橡胶林生态系统养分循环的重要养分库和土壤自然肥力的重要来源。橡胶林枯叶生物量为2 357.7（4 a）～7 392.3（24 a）kg/hm2，是枯枝的1.5～8.2 倍；枯叶养分归还量为147.4～498.6 kg/hm2，是枯枝的6.8～37 倍［19］。随着树龄的增长，橡胶林枯枝落叶的凋落量也逐年增长，这种规律是幼林向成林发展过程的总趋势。枯枝、落叶覆盖地表后减少了地表径流对土壤的侵蚀和水分蒸发，其分解过程影响着养分循环的速率与周期。任泳红等［20］研究了西双版纳橡胶多层林的凋落物量季节变化规律以及林地残留物现存量及分解规律，表明凋落物分解95%所需时间约为1.33 a。杨曾奖等［21］研究了凋落物分解规律，发现N、K、Mg 分解释放效率较快，而P、Ca 较缓慢。赵春梅等［22］对橡胶林枯枝、枯叶分解中氮素含量及氮素释放的变化规律研究时发现，枯叶分解主要表现为氮素净释放，枯枝分解在不同月份会发生氮素富集现象。近期有研究表明，凋落物对调节土壤pH 值有显著作用，可以促进胶园土壤肥力提升和环境改善［23］。

2.3 微生物养分库

微生物参与了土壤发生、发展、发育的全过程，在维持生态系统整体服务功能方面发挥着重要作用。土壤微生物不仅是有机质转化与养分元素循环的转化器，同时也是土壤活性养分的重要来源。早在20 世纪60 年代初期，我国在土壤生物固氮、土壤根瘤菌等方面的微生物研究已经接近或达到当时国际先进水平。进入21 世纪后，土壤微生物学研究重新得到了不同领域、学科的高度关注。我国橡胶领域的微生物研究起步较晚，主要以土壤微生物量碳为主。橡胶林土壤微生物量不仅具有随土层增加而下降的垂直分布特性［24］，还表现出不同的水平变化规律，传统胶园中土壤微生物量碳与离树的距离呈正相关，全周期胶园中土壤微生物量碳与离树的距离呈负相关［25］。据调查，我国胶园土壤微生物量碳24.2～869 mg/kg，整体处于中等低下水平，海南普遍偏低，广东属于中等水平，云南属于较高水平［26］。研究表明，施肥、间作等不同耕作方式对胶园土壤微生物量都会产生影响，如氮肥能增强土壤微生物活性［27］，化肥也会对土壤微生物产生毒害作用［28］，胶园间作可以明显增加土壤微生物量［29］等等。

3 橡胶养分研究方法

3.1 分析手段

分析测试是科学研究的手段和基础，在农林业领域多以土壤农化分析为主。胶园土壤农化分析主要包括土壤分析、植物分析、肥料分析以及胶乳测定等内容。国外马来西亚最早对胶园土壤和叶片养分进行测定分析。我国原华南热作研究院橡胶栽培研究所也较早对橡胶树叶片进行养分测定与营养诊断分析［30］，之后国内学者们陆续对胶园土壤农化的测定方法做了大量研究与不断创新［31-33］。近年来，随着技术进步和设备更新，许多大型分析测试仪器如同位素质谱仪、全自动凯氏定氮仪、AA3 型连续流动分析仪等在橡胶养分测试分析工作中得以广泛使用，既扩大了测试范围，也提高了分析精准度，而且在数据自动化处理过程中大大提高了工作效率。特别是稳定同位素质谱仪在科研上的应用［34-36］，使得同位素示踪技术在国内农林业养分循环研究中发挥了重要作用。

3.2 数量模型

早在20 世纪60 年代，橡胶领域内开始出现数学学科交叉。1965 年马来西亚科学家肖罗克斯（Shorrocks）首次建立了橡胶树地上部分生物量与树围的幂函数回归方程，80 年代，我国橡胶专家开始建立橡胶生物量测定的数学表达式及数学模型［37-38］。随着计算机技术的发展与应用，数学模型与系统模拟发展成为了橡胶林养分循环研究的热点和新方法。学者们先后建立了预报橡胶产量的灰色系统GM（1.1）模型［39］、胶园生产动态管理SD 模型［40］、橡胶林氮素循环模拟模型［41］、光合与干物质积累模拟模型［42］、橡胶树3-PG 生长模型［43］以及基于养分循环的胶园生产诊断施肥模型［44］和基于GIS 的橡胶树养分信息管理系统研究［45］等，这些数量模型研究不仅体现了我国橡胶林养分研究方法的进步和水平的提升，也为将来橡胶林实现养分数字化、信息化管理奠定了理论基础。

3.3 信息技术

现代信息技术的应用促使了橡胶林施肥管理向精准化、信息化方向发展。地理信息技术和传统土壤、叶片营养诊断技术相结合，体现了我国橡胶林施肥管理技术的一大进步。目前，中国热带农业科学院橡胶研究所已完成这方面的研究，将现代信息技术与传统施肥技术结合，借助地理信息系统、全球定位系统和遥感等技术，建立精准施肥信息系统并实现在橡胶生产上的应用与推广［46］。该研究与橡胶树传统施肥相比，具有数量精、位置准、决策快、肥效高的特点，革新了橡胶树施肥机制，达到国际领先水平。近年，随着通信网络的完善以及智能手机的普及，基于微信公众平台的橡胶树栽培技术服务系统研究为微信用户提供资讯和服务平台，也体现了我国橡胶信息技术的发展与创新［47］。

3.4 生物技术

微生物生物技术是生物工程的核心技术，在新品种培育、促进养分循环和减少环境污染方面发挥重要作用。随着基因工程、基因重组等生物技术的日益成熟，特别是免培养分子生物学技术如高通量测序等技术的普及，使得微生物生物技术在农林业领域的应用越来越广泛。近年来，稳定性同位素示踪和新一代高通量测序等先进技术已经成为我国土壤微生物功能研究的新手段。国内在橡胶领域较早报道了贝氏固氮菌的固氮作用及其在橡胶树根际和土壤中的存活情况［48］，之后研究了橡胶树体内分离内生真菌［49］和丛枝菌根真菌［50］。近些年，随着生物技术的发展与应用，出现了利用BIOLOG ECO、磷脂脂肪酸、高通量测序等技术分析土壤微生物细菌、真菌的大量报道［51-54］。土壤微生物具有庞大的基因库，其潜在功能还未充分挖掘，结合现代生物技术，进一步深入探索橡胶林土壤功能微生物，将为以后天然橡胶及其他领域生产发挥重要作用。

4 橡胶林管理

4.1 割胶制度

割胶生产已成为一套比较完善的技术在橡胶生产上广泛应用了一个多世纪。但长期频繁割胶尤其是大量使用乙烯利刺激剂，导致橡胶树病害、死皮等现象发生，限制了橡胶树正常生长与高产排胶，发生这些问题的原因可能与养分需求不足直接有关。据研究，割胶不仅排出大量胶水，同时流失大量营养物质，生产上又连年施用乙烯利刺激割胶增加了树体对土壤养分的需求［13］。割胶制度与胶园土壤管理技术的长期不配套，导致了土壤养分大量流失、土壤肥力下降等严重问题日益加剧。天然橡胶林是一种开放型人工经济林，依靠长年持续割胶获得经济效益的同时，也需要给予相应的养分补偿，才能保持天然橡胶生产可持续发展。

4.2 施肥管理

我国橡胶树营养与施肥研究先后经历了6个阶段［55］：第一阶段，自20世纪50年代初起，在土壤农化研究工作开始后10 年间，主要对华南垦区进行土壤肥力类型划分，并开展单质肥料和肥料配比早期试验；第二阶段，20 世纪60 年代至80 年代初，开展橡胶树叶片营养诊断研究，对诊断指标、采样时期、施肥量计算等都进行了系统研究；第三阶段，20 世纪80 年代至90 年代初，开展我国植胶区土壤类型、胶园土壤养分状况及土壤肥力变化情况等方面的普查和施肥研究工作；第四阶段，20 世纪90 年代，主要进行肥料养分配比和橡胶树专用复合（混）肥的研制；第五阶段，将现代信息技术与传统施肥技术结合，借助地理信息系统、全球定位系统和遥感技术等，开展橡胶树精准施肥技术研究与应用；第六阶段，2005 至2015 的10年间，主要基于GIS技术，以土壤母质类型和降雨量为依据，结合地力分区（级）配方法和叶片营养诊断技术，进行橡胶树测土营养诊断配方施肥研究，并制定出橡胶园施肥新配方。后来国内开始了橡胶专用缓控释肥的研究与探索，通过控制肥料释放速率来提高养分利用率［56］。当前橡胶新品系培育、割胶制度更新、林下间作多种模式发展等对原有施肥管理提出了新要求，以往施肥方式已经与橡胶林新的生产方式不相匹配［57］。探索新背景下橡胶林养分需求规律，构建胶园施肥新配方、新方法，将是今后橡胶林养分资源管理研究的重要方向。

4.3 栽培模式

胶林间作是早期经过生产实践提出的橡胶林复合生态种植模式［58］。目前已经发展了茶叶、砂仁、咖啡、胡椒、巴戟、木薯、香蕉、益智、花卉、牧草以及姜科、豆科等多种作物—橡胶林下间作模式。全周期种植是橡胶林发展的一种新型栽培模式，林下土地可以长期间作农作物。近年来，国内橡胶林下经济产业发展得到重视和推广，学者们也开始对间作胶林土壤微环境如土壤肥力、酶活性、微生物以及植物多样性等方面展开大量研究［29，59-62］，结果表明橡胶林下间作对改善土壤微环境、维持生态平衡都起到了很好的促进作用。受作物种类、种植年限、时期等因素影响，不同作物与胶树互作对土壤养分与肥力的影响各不相同，同一种间作模式对土壤养分和肥力的影响规律也有差异，但就其作用机理还有待进一步研究［62］。

5 展望

以往橡胶树养分研究大多是通过不同品种、树龄、树体器官的养分含量来评价养分利用效率，缺乏对树体养分的生理性研究，倘若以根系与土壤间的信息传递为基础，结合现代分子生物技术，开展橡胶树品种间养分利用效率的基因型差异和根际微生态类型等分子生物研究，根际微生态系统中养分的迁移、转化和吸收机理研究，以及橡胶根系—冠间的信息传递对橡胶树养分利用效率的调控机制等生理学研究，将有助于进一步揭示橡胶树养分高效利用的生理机制。

近年来国内胶园单一种植、频繁割胶、化肥多施引起土壤退化、肥力下降、生物多样性降低、病虫害增加等报道频频出现。这些问题迫切需要改变原有传统生产方式，重视发展橡胶林新型栽培模式如全周期模式、复合生态系统模式等等，保持橡胶林生产、生态协同发展。林下作物种植不仅能改善胶园土壤生态环境，也会积累固定相当一部分养分，复合橡胶林生态系统养分循环是在土壤库、间作库、胶树库、凋落物等四大养分库之间发生内循环，并与外界环境进行物质交换和能量流动。因此，以往基于不同割胶、施肥、栽培措施的养分管理决策系统研究对今后探索橡胶林养分外循环具有重要意义。重新探究复合橡胶林生态系统养分循环内在和外在的复杂规律，将是今后发展新种植模式橡胶林养分资源管理的必然需求。

我国橡胶施肥研究已有半个多世纪。一方面，从早期土壤勘察到中期土壤普查再到后期测土配方调查，积累了大量土壤和叶片养分基础数据；另一方面，从早期肥效试验到中期叶片营养诊断再到后期橡胶专用复合（混）肥研制，以及橡胶树精准施肥管理系统构建，为橡胶生产施肥管理做出了较大贡献。但在生产中长期采用人工取土、挖穴、沟施、撒施肥料等传统方法，消耗了大量人力和时间成本，极大程度限制了胶园施肥管理技术的发展。重视采样与施肥方法的现代化创新，同时实施土壤养分与施肥动态监测，采用无人机施肥等机械化耕作，有利于促进橡胶产业向现代农业方向发展与进步。