西北寒旱区马铃薯膜顶坐土促生机理研究现状及进展

刘泉东， 孙 伟， 张 华， 刘小龙， 李 辉， 王虎存

(甘肃农业大学机电工程学院，甘肃 兰州 730070)

西北黄土高原寒旱区地域广阔、降雨量少且分布不均、生态脆弱，谷物类作物生长发育困难、产量低，而马铃薯耐旱、耐寒、耐瘠薄、抗灾，不仅能正常生长，还能减少水土流失，已成为西北旱区环境资源利用的优势作物和农业支柱产业之一[1，2]。自然降水是西北寒旱区旱地农业生产的唯一水源，但该区60%～70%天然降水被无效蒸发[3]。地膜覆盖在提高水资源利用效率方面作用显著[4]，近些年西北旱区农技工作者把行之有效的传统抗旱措施和现代科学技术结合起来，创造了地膜全域覆盖沟垄栽培模式[5]，采用该模式种植马铃薯比传统栽培增产20%以上[6]。

马铃薯地膜全域覆盖沟垄栽培按作业工序分为两种，一种是先播种后覆膜，待出苗后人工放苗，优点是保墒，播种速度较快；缺点是人工放苗费工费时，放苗不及时容易造成高温烧苗。另一种是先覆膜后破膜播种，优点是可以提前覆膜，提高地温，且不容易烧苗；缺点是需要人工打穴播种，播种速度慢，对地膜损伤大。另外，这两种方式都是半机械化分段作业，需要人工封堵地膜破洞，若穴口封堵不严，会加剧土壤水分散失、引起春季大风揭膜，或使封穴土壤板结，使出苗率降低；覆膜后土壤温度偏高，不利于根系下扎和薯块的膨大；同时膜下除草困难，容易出现绿薯等现象[7]。因此，构建既易于机械化播种又能高效利用天然降水的马铃薯栽培技术对西北旱区马铃薯产业的发展具有重要意义。

研究表明，一些作物具有自动破膜能力[8-11]，即在播种后膜上覆一层土，利用作物发芽时芽不见光子叶就不散开的特性，依靠膜上的土壤重力和幼芽自然向上作用使幼苗自动破膜，自然出苗。为此，将该成果集成应用于马铃薯地膜全域覆盖高产栽培技术，解决传统马铃薯覆膜栽培人工放苗和打穴播种机械替代难的问题，为进一步提升西北黄土高原旱农区马铃薯机械化生产水平提供了新思路。马铃薯幼芽顶膜、破膜效果如图1所示。

图1 马铃薯幼芽顶膜、破膜效果

马铃薯幼芽自动破膜出苗效果是膜顶坐土促生技术推广应用的核心问题之一。欧美国家马铃薯普遍采用露地栽培，不存在由于覆膜引起的机械化播种难题和高温胁迫等问题。我国覆膜马铃薯种植主要分布在北方干旱半干旱区，相关研究集中在不同覆盖种植方式对土壤水热效应及产量的影响上[12-13]。对地膜全域覆盖及种行覆土条件下膜土系统温度场特征，以及高温、应力胁迫下马铃薯幼芽力学特性、生理特征、生长行为的响应机制等方面研究尚处在起步阶段[14]，致使生产实践中缺乏构建机械播种、覆膜、种行覆土一体化高效种植技术体系的理论依据。

1 作物生长机理及其影响因素研究

1.1 膜土系统温度场特征及茎芽高温胁迫响应机制

地膜覆盖具有保温、保墒、提高作物产量等优点，采用该技术能解决干旱-半干旱地区早春农作物缺水和地温低等不利因素。在地膜全域覆盖条件下，地膜成为土壤与大气间水汽交换的物理阻隔，从而改变了入渗与蒸发的边界条件，并且明显提高了地温。对于马铃薯等喜凉作物而言，地膜覆盖造成的土壤温度过高会对其生长形成胁迫[15-16]，尤其是出苗期膜下高温容易引起烧芽、烧苗现象，因而作物地中茎对土壤温度场的响应机制也就成为一个不可忽略的重要研究课题。李毅[17]等对新疆某灌区地温的连续动态监测，得出了宽地膜覆盖条件下的土壤温度的动态变化规律；汤瑛芳[13]、王红丽[12]等研究了旱地马铃薯不同覆盖种植方式的土壤水热效应。王咏梅[18]等利用fluent软件构了建立了太阳—空气—地膜—土壤传热系统，较准确揭示了地膜全域覆盖下膜土系统温度场特征，提供了一种相比于实体实验更加快捷的一种数值模拟方法，对构建膜土温度场系统具有重要意义。

覆膜种植表层峰值温度是限制植物生长的主要非生物胁迫因子，关于作物高温胁迫响应研究主要集中在叶片光合作用和种子活力方面[19-21]。大量研究表明，植物在高温胁迫下，体内活性氧代谢失调和自由基积累，引起生理代谢的紊乱，使生物膜系统的结构和功能破坏，因半透膜功能丧失而导致细胞内电解质外渗，对植物造成高温伤害[22-24]，而作物力学性能与其微观结构、化学组分具有相关性[25-26]。为此，研究种行覆土后高温胁迫对马铃薯幼芽力学特性、生理特征的影响是解析膜顶坐土促生机理重要前提，对于指导地膜全域覆盖苗带覆土栽培的生产实践具有重要的理论价值。

1.2 作物幼芽生长力学及应力作用下生长行为

20世纪六七十年代，人们就开始探索如何通过物理或环境因素来调节幼芽的结构强度。1967年，Kolp等[27]研究了在压实的土壤条件下，6个小麦品种芽鞘结构强度与出苗的关系，研究表明，伴随着土壤紧实度的增加，芽鞘长度变短，出苗率会下降。Halmer P[28]、Mohan[29]、Arne[30]和Landjeva[31]指出芽鞘强度与耐播深能力是有一定关系的，但由于对其机制不了解，对复杂的关系没有进行解释。随着研究水平的提高，根据细胞壁的应力松弛参数，Kawamura[32]发现水中生长的芽鞘与暴露在空气中的芽鞘相比，应力松弛速率较小；芽鞘暴露在空气中时，细胞壁成分中的半纤维素、纤维素、阿魏酸会迅速增加。2012年，Pereyra[33]在研究中指出，渗透胁迫下，巴西固氮螺菌Sp245接种可以使芽鞘的木质部变宽，对芽鞘的维管束形态结构加以改善。王玮[34]对抗旱性不同的小麦品种芽鞘的生长进行了动态分析，并用Logistic方程对芽鞘生长进行了模拟。从现有研究来看，对作物幼芽生长力学的研究主要集中在增强幼芽力学性质的调控方法上，而对不同环境应力下自身力学特性的响应机制以及幼芽在出土过程中受到的生长阻力等研究较少。运用力学理论和方法研究作物生长问题，对于促进农学与工程学的结合，推动作物生长规律的定量研究，加快精准化农业进程，都具有重要的理论意义和实践意义。

1.3 生物力学特性与作物抗逆性研究

伴随各种力学实验器材的高速发展，国内外众多专家通过大量研究，以期构建详尽贴切的材料本构。苏工兵[35]等人通过RGT-10微型机控制电子万能试验台测定苎麻茎秆木质部力学参数，分别对比分析了苎麻茎秆木质部最大抗弯强度、最大抗拉强度、拉伸弹性模量、压缩弹性模量等力学参数，研究表明相同部位木质部的抗弯弹性模量明显高于拉伸弹性模量，最大抗弯强度大于最大抗拉强度，木质部横向抵抗变形能力强。拉伸弹性模量与压缩弹性模量有明显差异，苎麻秸秆属于各向异性材料，建立苎麻茎秆力学模型应采用各向异性材料本构模型。刘庆庭[36]等利用万能力学试验台，进行“桂林1号”甘蔗茎秆拉伸，压缩、扭转试验，其中扭转试验在扭转试验机上进行。结果表明，“桂林1号”甘蔗茎秆在拉伸载荷、压缩载荷以及扭转载荷作用下，失效形式主要有断裂、屈曲、以及轴向裂纹。廖宜涛，廖庆喜[37]等试验测得芦竹底部茎秆顺纹拉伸最大抗拉强度平均值为123 MPa，弹性模量值为1 260 MPa，顺纹压缩最大抗压强度平均值为52 MPa，弹性模量值为595 MPa，顺纹弯曲最大抗弯强度平均值为125 MPa，弹性模量值为1 715 MPa。可见，硬度和强度等指标在作物抵抗外部载荷十分重要。虽然国内外研究人员在生物力学方面做了大量研究，但构建的生物力学本构模型多为各向同性，这与实验中发现的生物力学各向异性有所矛盾。探索复杂生物力学特征，建立生物力学失效评判准则，构建出切实符合生物力学本构模型。

长期以来，国内外许多学者围绕小麦、玉米、水稻三大主要粮食作物，对它们抗倒伏性、耐播深能力等评价方法进行了理论和试验研究，取得了一些初步成果，构建了一些评判指标，在农作物优良品种的选育、农作物田间管理等方面发挥了重要作用。胡婷、袁志华、Odogherty M J[38-40]等利用力学理论和方法，研究了茎秆的力学特性，认为机械强度是作为农作物抗倒伏能力评价的重要指标。袁志华等[41]分析了典型风载荷对水稻茎杆的影响，结合风、雨、土壤、茎杆性状等各种因素，给出了水稻茎杆抗倒伏的各种性质参数的关系式，根据此关系式，可对水稻茎杆的抗倒伏能力进行综合评价和预测。Halmer P等[42]研究表明，不同玉米品种间胚芽鞘的硬度与耐播深能力具有相关性。通过力学角度研究作物抗逆性，深刻剖析作物抗逆性的影响因素，合理利用这些因素为作物健康生长服务。

2 作物破膜出苗能力及其影响因素研究

2.1 作物生理生化特性与自动破膜出苗能力研究

膜上覆土条件下幼茎自动破膜出土能力是种子活力的侧面反映，种子活力在很大程度上是由基因型所决定的，不同基因型种子的活力存在很大差异，这一点在大量的研究中都得到了证实[43-44]。王荣焕[45]等在研究了不同基因型种子的形态结构与发芽特性后，认为不同品种的玉米种子生理和形态结构是造成这种差异的主要原因。张立峰、唐继军、杨忠娜[46]等研究了玉米、小麦、豌豆、黄豆、绿豆、西瓜、南瓜、花生等作物的自动破膜能力后认为不同作物的自动破膜能力差异极显著，随着自动破膜能力增强，自动破膜效果受覆盖材料变化的影响相对减弱。程春明[47]等测定了40份春大豆、40份秋大豆基因型的种子活力，试验结果表明，供试基因型种子的活力差异达到显著或极显著水平。谢皓[48]等研究表明大豆种子大小显著影响出苗率、幼苗长度和干重。小麦种子发芽率、发芽的一致性、出苗率、幼苗干重以及种子浸出液电导率等在基因型上均有显著差异[49]。周盛茂[50]研究表明小粒种子对膜上覆土反应敏感。可见种子的生理特性对自动破膜出土能力有显著影响，不同作物品种由于其种子结构、大小及形态特征和发芽特性等不同，其自动破膜出土能力也有较大的差异。

2.2 覆盖因素与作物自动破膜出苗能力研究

早在1998年，李铁山等[51]提出在玉米种行膜面上覆一层2 cm厚的土壤，芽鞘和子叶会自动破膜而出，但未描述地膜特征对作物生长是否有影响。许明东[52]使用可降解的超簿地膜覆盖，创新出了一种农作物地膜种植自动出苗的播种方法。张立峰、唐继军、杨忠娜[46]等研究认为影响作物自动破膜效应的因素及各因素间的互相作用中，以膜上覆土厚度与地膜厚度的影响最大。李明举[11]等研究认为地膜颜色也是影响幼茎破膜出苗能力的重要因素，黑色地膜上覆土种植模式产量高于白色地膜上覆土种植模式，且出苗更整齐，杂草更少，白膜无论是否覆土，都需要引导出苗。陈建宝[10]发现寒旱区马铃薯机械化生产时，对比于裸苗种植，膜上覆土更能够抑制杂草的生长、降低绿薯率，同时降低因覆膜导致地表温度的升高的影响，提高马铃薯幼苗成活率，膜上覆土之后，也会避免太阳直射土壤，减少水分流失，但未研究覆土厚度、地膜厚度、地膜颜色对马铃薯生长的影响。由此可见，覆盖因素的研究极其复杂，有必要从地膜厚度、地膜颜色、覆土厚度、地膜力学参数方面切入，分析构建最优覆盖体系，为马铃薯幼苗生长提供最适宜环境。

2.3 化学处理与作物自动破膜出苗能力研究

种子播前预处理是提高种子自动破膜出苗能力的一条重要途径，它可以提高种子的田间出苗率，提高成苗的速率和整齐度，促进幼苗生长，增加种子在不良环境条件下的发芽率和成苗率等，因而大量研究成果己被应用到提高种子活力方面[21，53]。

杨有[54]将绿丰95、尿素、水按1∶2∶300重量比混合搅拌制成稀释液，用以浸泡玉米种子之后播种，在种穴(埯)地膜上面覆盖厚2～3 cm、宽度10～12 cm土壤，并将其压实于种穴上实现自动出苗。许多研究表明[55-61]，聚乙二醇等渗调剂、CaCl2等无机盐类和赤霉素等激素能促进多种植物种子萌发，提高种子抗逆境能力。

3 建议与展望

从现有的研究来看，种薯活力、播前预处理、覆土厚度、地膜厚度、地膜颜色会极大影响作物的出苗率和幼苗生长势。相对于膜上无覆土种植，膜顶坐土措施可显著提高出苗率，但部分仍需引苗出膜，部分破膜出土后成为小老苗，影响该技术的推广应用[11，14]。为此，有必要从生理生化特性、覆盖因子和播前预处理方面切入，探索马铃薯膜顶坐土促生机理机制，探寻改善和提高种薯破膜出土成苗能力措施，构建易于寒旱区马铃薯系统化种植最优的膜土苗力学系统、膜土苗温度系统，挖掘寒旱区马铃薯降水利用及单产潜力，为旱区马铃薯种植模式优化和生产提供科学依据。

通过研究膜上覆土技术在马铃薯种植方面的生产应用特性，探索膜顶坐土促生机理机制，掌握提高种薯自动破膜出土成苗能力的途径，提供构建简易高效马铃薯机械化覆膜栽培技术的实践与理论依据，同时，研究结果对提高黄土高原旱作农业区马铃薯产业的发展具有极大地推动作用。