劉泉東， 孫 偉， 張 華， 劉小龍， 李 輝， 王虎存

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

西北黃土高原寒旱區(qū)地域廣闊、降雨量少且分布不均、生態(tài)脆弱，谷物類作物生長(zhǎng)發(fā)育困難、產(chǎn)量低，而馬鈴薯耐旱、耐寒、耐瘠薄、抗災(zāi)，不僅能正常生長(zhǎng)，還能減少水土流失，已成為西北旱區(qū)環(huán)境資源利用的優(yōu)勢(shì)作物和農(nóng)業(yè)支柱產(chǎn)業(yè)之一[1，2]。自然降水是西北寒旱區(qū)旱地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的唯一水源，但該區(qū)60%～70%天然降水被無(wú)效蒸發(fā)[3]。地膜覆蓋在提高水資源利用效率方面作用顯著[4]，近些年西北旱區(qū)農(nóng)技工作者把行之有效的傳統(tǒng)抗旱措施和現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)結(jié)合起來(lái)，創(chuàng)造了地膜全域覆蓋溝壟栽培模式[5]，采用該模式種植馬鈴薯比傳統(tǒng)栽培增產(chǎn)20%以上[6]。

馬鈴薯地膜全域覆蓋溝壟栽培按作業(yè)工序分為兩種，一種是先播種后覆膜，待出苗后人工放苗，優(yōu)點(diǎn)是保墑，播種速度較快；缺點(diǎn)是人工放苗費(fèi)工費(fèi)時(shí)，放苗不及時(shí)容易造成高溫?zé)?。另一種是先覆膜后破膜播種，優(yōu)點(diǎn)是可以提前覆膜，提高地溫，且不容易燒苗；缺點(diǎn)是需要人工打穴播種，播種速度慢，對(duì)地膜損傷大。另外，這兩種方式都是半機(jī)械化分段作業(yè)，需要人工封堵地膜破洞，若穴口封堵不嚴(yán)，會(huì)加劇土壤水分散失、引起春季大風(fēng)揭膜，或使封穴土壤板結(jié)，使出苗率降低；覆膜后土壤溫度偏高，不利于根系下扎和薯塊的膨大；同時(shí)膜下除草困難，容易出現(xiàn)綠薯等現(xiàn)象[7]。因此，構(gòu)建既易于機(jī)械化播種又能高效利用天然降水的馬鈴薯栽培技術(shù)對(duì)西北旱區(qū)馬鈴薯產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

研究表明，一些作物具有自動(dòng)破膜能力[8-11]，即在播種后膜上覆一層土，利用作物發(fā)芽時(shí)芽不見(jiàn)光子葉就不散開(kāi)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動(dòng)破膜，自然出苗。為此，將該成果集成應(yīng)用于馬鈴薯地膜全域覆蓋高產(chǎn)栽培技術(shù)，解決傳統(tǒng)馬鈴薯覆膜栽培人工放苗和打穴播種機(jī)械替代難的問(wèn)題，為進(jìn)一步提升西北黃土高原旱農(nóng)區(qū)馬鈴薯機(jī)械化生產(chǎn)水平提供了新思路。馬鈴薯幼芽頂膜、破膜效果如圖1所示。

圖1 馬鈴薯幼芽頂膜、破膜效果

馬鈴薯幼芽自動(dòng)破膜出苗效果是膜頂坐土促生技術(shù)推廣應(yīng)用的核心問(wèn)題之一。歐美國(guó)家馬鈴薯普遍采用露地栽培，不存在由于覆膜引起的機(jī)械化播種難題和高溫脅迫等問(wèn)題。我國(guó)覆膜馬鈴薯種植主要分布在北方干旱半干旱區(qū)，相關(guān)研究集中在不同覆蓋種植方式對(duì)土壤水熱效應(yīng)及產(chǎn)量的影響上[12-13]。對(duì)地膜全域覆蓋及種行覆土條件下膜土系統(tǒng)溫度場(chǎng)特征，以及高溫、應(yīng)力脅迫下馬鈴薯幼芽力學(xué)特性、生理特征、生長(zhǎng)行為的響應(yīng)機(jī)制等方面研究尚處在起步階段[14]，致使生產(chǎn)實(shí)踐中缺乏構(gòu)建機(jī)械播種、覆膜、種行覆土一體化高效種植技術(shù)體系的理論依據(jù)。

1 作物生長(zhǎng)機(jī)理及其影響因素研究

1.1 膜土系統(tǒng)溫度場(chǎng)特征及莖芽高溫脅迫響應(yīng)機(jī)制

地膜覆蓋具有保溫、保墑、提高作物產(chǎn)量等優(yōu)點(diǎn)，采用該技術(shù)能解決干旱-半干旱地區(qū)早春農(nóng)作物缺水和地溫低等不利因素。在地膜全域覆蓋條件下，地膜成為土壤與大氣間水汽交換的物理阻隔，從而改變了入滲與蒸發(fā)的邊界條件，并且明顯提高了地溫。對(duì)于馬鈴薯等喜涼作物而言，地膜覆蓋造成的土壤溫度過(guò)高會(huì)對(duì)其生長(zhǎng)形成脅迫[15-16]，尤其是出苗期膜下高溫容易引起燒芽、燒苗現(xiàn)象，因而作物地中莖對(duì)土壤溫度場(chǎng)的響應(yīng)機(jī)制也就成為一個(gè)不可忽略的重要研究課題。李毅[17]等對(duì)新疆某灌區(qū)地溫的連續(xù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，得出了寬地膜覆蓋條件下的土壤溫度的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律；湯瑛芳[13]、王紅麗[12]等研究了旱地馬鈴薯不同覆蓋種植方式的土壤水熱效應(yīng)。王詠梅[18]等利用fluent軟件構(gòu)了建立了太陽(yáng)—空氣—地膜—土壤傳熱系統(tǒng)，較準(zhǔn)確揭示了地膜全域覆蓋下膜土系統(tǒng)溫度場(chǎng)特征，提供了一種相比于實(shí)體實(shí)驗(yàn)更加快捷的一種數(shù)值模擬方法，對(duì)構(gòu)建膜土溫度場(chǎng)系統(tǒng)具有重要意義。

覆膜種植表層峰值溫度是限制植物生長(zhǎng)的主要非生物脅迫因子，關(guān)于作物高溫脅迫響應(yīng)研究主要集中在葉片光合作用和種子活力方面[19-21]。大量研究表明，植物在高溫脅迫下，體內(nèi)活性氧代謝失調(diào)和自由基積累，引起生理代謝的紊亂，使生物膜系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能破壞，因半透膜功能喪失而導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)電解質(zhì)外滲，對(duì)植物造成高溫傷害[22-24]，而作物力學(xué)性能與其微觀結(jié)構(gòu)、化學(xué)組分具有相關(guān)性[25-26]。為此，研究種行覆土后高溫脅迫對(duì)馬鈴薯幼芽力學(xué)特性、生理特征的影響是解析膜頂坐土促生機(jī)理重要前提，對(duì)于指導(dǎo)地膜全域覆蓋苗帶覆土栽培的生產(chǎn)實(shí)踐具有重要的理論價(jià)值。

1.2 作物幼芽生長(zhǎng)力學(xué)及應(yīng)力作用下生長(zhǎng)行為

20世紀(jì)六七十年代，人們就開(kāi)始探索如何通過(guò)物理或環(huán)境因素來(lái)調(diào)節(jié)幼芽的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。1967年，Kolp等[27]研究了在壓實(shí)的土壤條件下，6個(gè)小麥品種芽鞘結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與出苗的關(guān)系，研究表明，伴隨著土壤緊實(shí)度的增加，芽鞘長(zhǎng)度變短，出苗率會(huì)下降。Halmer P[28]、Mohan[29]、Arne[30]和Landjeva[31]指出芽鞘強(qiáng)度與耐播深能力是有一定關(guān)系的，但由于對(duì)其機(jī)制不了解，對(duì)復(fù)雜的關(guān)系沒(méi)有進(jìn)行解釋。隨著研究水平的提高，根據(jù)細(xì)胞壁的應(yīng)力松弛參數(shù)，Kawamura[32]發(fā)現(xiàn)水中生長(zhǎng)的芽鞘與暴露在空氣中的芽鞘相比，應(yīng)力松弛速率較?。谎壳时┞对诳諝庵袝r(shí)，細(xì)胞壁成分中的半纖維素、纖維素、阿魏酸會(huì)迅速增加。2012年，Pereyra[33]在研究中指出，滲透脅迫下，巴西固氮螺菌Sp245接種可以使芽鞘的木質(zhì)部變寬，對(duì)芽鞘的維管束形態(tài)結(jié)構(gòu)加以改善。王瑋[34]對(duì)抗旱性不同的小麥品種芽鞘的生長(zhǎng)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)分析，并用Logistic方程對(duì)芽鞘生長(zhǎng)進(jìn)行了模擬。從現(xiàn)有研究來(lái)看，對(duì)作物幼芽生長(zhǎng)力學(xué)的研究主要集中在增強(qiáng)幼芽力學(xué)性質(zhì)的調(diào)控方法上，而對(duì)不同環(huán)境應(yīng)力下自身力學(xué)特性的響應(yīng)機(jī)制以及幼芽在出土過(guò)程中受到的生長(zhǎng)阻力等研究較少。運(yùn)用力學(xué)理論和方法研究作物生長(zhǎng)問(wèn)題，對(duì)于促進(jìn)農(nóng)學(xué)與工程學(xué)的結(jié)合，推動(dòng)作物生長(zhǎng)規(guī)律的定量研究，加快精準(zhǔn)化農(nóng)業(yè)進(jìn)程，都具有重要的理論意義和實(shí)踐意義。

1.3 生物力學(xué)特性與作物抗逆性研究

伴隨各種力學(xué)實(shí)驗(yàn)器材的高速發(fā)展，國(guó)內(nèi)外眾多專家通過(guò)大量研究，以期構(gòu)建詳盡貼切的材料本構(gòu)。蘇工兵[35]等人通過(guò)RGT-10微型機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)臺(tái)測(cè)定苧麻莖稈木質(zhì)部力學(xué)參數(shù)，分別對(duì)比分析了苧麻莖稈木質(zhì)部最大抗彎強(qiáng)度、最大抗拉強(qiáng)度、拉伸彈性模量、壓縮彈性模量等力學(xué)參數(shù)，研究表明相同部位木質(zhì)部的抗彎彈性模量明顯高于拉伸彈性模量，最大抗彎強(qiáng)度大于最大抗拉強(qiáng)度，木質(zhì)部橫向抵抗變形能力強(qiáng)。拉伸彈性模量與壓縮彈性模量有明顯差異，苧麻秸稈屬于各向異性材料，建立苧麻莖稈力學(xué)模型應(yīng)采用各向異性材料本構(gòu)模型。劉慶庭[36]等利用萬(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)臺(tái)，進(jìn)行“桂林1號(hào)”甘蔗莖稈拉伸，壓縮、扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)，其中扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)在扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。結(jié)果表明，“桂林1號(hào)”甘蔗莖稈在拉伸載荷、壓縮載荷以及扭轉(zhuǎn)載荷作用下，失效形式主要有斷裂、屈曲、以及軸向裂紋。廖宜濤，廖慶喜[37]等試驗(yàn)測(cè)得蘆竹底部莖稈順紋拉伸最大抗拉強(qiáng)度平均值為123 MPa，彈性模量值為1 260 MPa，順紋壓縮最大抗壓強(qiáng)度平均值為52 MPa，彈性模量值為595 MPa，順紋彎曲最大抗彎強(qiáng)度平均值為125 MPa，彈性模量值為1 715 MPa。可見(jiàn)，硬度和強(qiáng)度等指標(biāo)在作物抵抗外部載荷十分重要。雖然國(guó)內(nèi)外研究人員在生物力學(xué)方面做了大量研究，但構(gòu)建的生物力學(xué)本構(gòu)模型多為各向同性，這與實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的生物力學(xué)各向異性有所矛盾。探索復(fù)雜生物力學(xué)特征，建立生物力學(xué)失效評(píng)判準(zhǔn)則，構(gòu)建出切實(shí)符合生物力學(xué)本構(gòu)模型。

長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者圍繞小麥、玉米、水稻三大主要糧食作物，對(duì)它們抗倒伏性、耐播深能力等評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了理論和試驗(yàn)研究，取得了一些初步成果，構(gòu)建了一些評(píng)判指標(biāo)，在農(nóng)作物優(yōu)良品種的選育、農(nóng)作物田間管理等方面發(fā)揮了重要作用。胡婷、袁志華、Odogherty M J[38-40]等利用力學(xué)理論和方法，研究了莖稈的力學(xué)特性，認(rèn)為機(jī)械強(qiáng)度是作為農(nóng)作物抗倒伏能力評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)。袁志華等[41]分析了典型風(fēng)載荷對(duì)水稻莖桿的影響，結(jié)合風(fēng)、雨、土壤、莖桿性狀等各種因素，給出了水稻莖桿抗倒伏的各種性質(zhì)參數(shù)的關(guān)系式，根據(jù)此關(guān)系式，可對(duì)水稻莖桿的抗倒伏能力進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)。Halmer P等[42]研究表明，不同玉米品種間胚芽鞘的硬度與耐播深能力具有相關(guān)性。通過(guò)力學(xué)角度研究作物抗逆性，深刻剖析作物抗逆性的影響因素，合理利用這些因素為作物健康生長(zhǎng)服務(wù)。

2 作物破膜出苗能力及其影響因素研究

2.1 作物生理生化特性與自動(dòng)破膜出苗能力研究

膜上覆土條件下幼莖自動(dòng)破膜出土能力是種子活力的側(cè)面反映，種子活力在很大程度上是由基因型所決定的，不同基因型種子的活力存在很大差異，這一點(diǎn)在大量的研究中都得到了證實(shí)[43-44]。王榮煥[45]等在研究了不同基因型種子的形態(tài)結(jié)構(gòu)與發(fā)芽特性后，認(rèn)為不同品種的玉米種子生理和形態(tài)結(jié)構(gòu)是造成這種差異的主要原因。張立峰、唐繼軍、楊忠娜[46]等研究了玉米、小麥、豌豆、黃豆、綠豆、西瓜、南瓜、花生等作物的自動(dòng)破膜能力后認(rèn)為不同作物的自動(dòng)破膜能力差異極顯著，隨著自動(dòng)破膜能力增強(qiáng)，自動(dòng)破膜效果受覆蓋材料變化的影響相對(duì)減弱。程春明[47]等測(cè)定了40份春大豆、40份秋大豆基因型的種子活力，試驗(yàn)結(jié)果表明，供試基因型種子的活力差異達(dá)到顯著或極顯著水平。謝皓[48]等研究表明大豆種子大小顯著影響出苗率、幼苗長(zhǎng)度和干重。小麥種子發(fā)芽率、發(fā)芽的一致性、出苗率、幼苗干重以及種子浸出液電導(dǎo)率等在基因型上均有顯著差異[49]。周盛茂[50]研究表明小粒種子對(duì)膜上覆土反應(yīng)敏感?？梢?jiàn)種子的生理特性對(duì)自動(dòng)破膜出土能力有顯著影響，不同作物品種由于其種子結(jié)構(gòu)、大小及形態(tài)特征和發(fā)芽特性等不同，其自動(dòng)破膜出土能力也有較大的差異。

2.2 覆蓋因素與作物自動(dòng)破膜出苗能力研究

早在1998年，李鐵山等[51]提出在玉米種行膜面上覆一層2 cm厚的土壤，芽鞘和子葉會(huì)自動(dòng)破膜而出，但未描述地膜特征對(duì)作物生長(zhǎng)是否有影響。許明東[52]使用可降解的超簿地膜覆蓋，創(chuàng)新出了一種農(nóng)作物地膜種植自動(dòng)出苗的播種方法。張立峰、唐繼軍、楊忠娜[46]等研究認(rèn)為影響作物自動(dòng)破膜效應(yīng)的因素及各因素間的互相作用中，以膜上覆土厚度與地膜厚度的影響最大。李明舉[11]等研究認(rèn)為地膜顏色也是影響幼莖破膜出苗能力的重要因素，黑色地膜上覆土種植模式產(chǎn)量高于白色地膜上覆土種植模式，且出苗更整齊，雜草更少，白膜無(wú)論是否覆土，都需要引導(dǎo)出苗。陳建寶[10]發(fā)現(xiàn)寒旱區(qū)馬鈴薯機(jī)械化生產(chǎn)時(shí)，對(duì)比于裸苗種植，膜上覆土更能夠抑制雜草的生長(zhǎng)、降低綠薯率，同時(shí)降低因覆膜導(dǎo)致地表溫度的升高的影響，提高馬鈴薯幼苗成活率，膜上覆土之后，也會(huì)避免太陽(yáng)直射土壤，減少水分流失，但未研究覆土厚度、地膜厚度、地膜顏色對(duì)馬鈴薯生長(zhǎng)的影響。由此可見(jiàn)，覆蓋因素的研究極其復(fù)雜，有必要從地膜厚度、地膜顏色、覆土厚度、地膜力學(xué)參數(shù)方面切入，分析構(gòu)建最優(yōu)覆蓋體系，為馬鈴薯幼苗生長(zhǎng)提供最適宜環(huán)境。

2.3 化學(xué)處理與作物自動(dòng)破膜出苗能力研究

種子播前預(yù)處理是提高種子自動(dòng)破膜出苗能力的一條重要途徑，它可以提高種子的田間出苗率，提高成苗的速率和整齊度，促進(jìn)幼苗生長(zhǎng)，增加種子在不良環(huán)境條件下的發(fā)芽率和成苗率等，因而大量研究成果己被應(yīng)用到提高種子活力方面[21，53]。

楊有[54]將綠豐95、尿素、水按1∶2∶300重量比混合攪拌制成稀釋液，用以浸泡玉米種子之后播種，在種穴(埯)地膜上面覆蓋厚2～3 cm、寬度10～12 cm土壤，并將其壓實(shí)于種穴上實(shí)現(xiàn)自動(dòng)出苗。許多研究表明[55-61]，聚乙二醇等滲調(diào)劑、CaCl2等無(wú)機(jī)鹽類和赤霉素等激素能促進(jìn)多種植物種子萌發(fā)，提高種子抗逆境能力。

3 建議與展望

從現(xiàn)有的研究來(lái)看，種薯活力、播前預(yù)處理、覆土厚度、地膜厚度、地膜顏色會(huì)極大影響作物的出苗率和幼苗生長(zhǎng)勢(shì)。相對(duì)于膜上無(wú)覆土種植，膜頂坐土措施可顯著提高出苗率，但部分仍需引苗出膜，部分破膜出土后成為小老苗，影響該技術(shù)的推廣應(yīng)用[11，14]。為此，有必要從生理生化特性、覆蓋因子和播前預(yù)處理方面切入，探索馬鈴薯膜頂坐土促生機(jī)理機(jī)制，探尋改善和提高種薯破膜出土成苗能力措施，構(gòu)建易于寒旱區(qū)馬鈴薯系統(tǒng)化種植最優(yōu)的膜土苗力學(xué)系統(tǒng)、膜土苗溫度系統(tǒng)，挖掘寒旱區(qū)馬鈴薯降水利用及單產(chǎn)潛力，為旱區(qū)馬鈴薯種植模式優(yōu)化和生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)。

通過(guò)研究膜上覆土技術(shù)在馬鈴薯種植方面的生產(chǎn)應(yīng)用特性，探索膜頂坐土促生機(jī)理機(jī)制，掌握提高種薯自動(dòng)破膜出土成苗能力的途徑，提供構(gòu)建簡(jiǎn)易高效馬鈴薯機(jī)械化覆膜栽培技術(shù)的實(shí)踐與理論依據(jù)，同時(shí)，研究結(jié)果對(duì)提高黃土高原旱作農(nóng)業(yè)區(qū)馬鈴薯產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有極大地推動(dòng)作用。