高麗麗張瀟逸邊江東王曉美李強

(1.榆林學院陜西省陜北礦區(qū)生態(tài)修復重點實驗室，陜西 榆林 719000；2.榆林市固廢資源化利用工程技術(shù)研究中心，陜西 榆林 719000)

引言

柳枝稷(Panicum virgatum L.)是禾本科稷屬多年生草本植物，具有很強的生態(tài)適應(yīng)性。前期研究發(fā)現(xiàn)，柳枝稷在我國不同地區(qū)的生態(tài)適應(yīng)性表現(xiàn)存在差異，相關(guān)研究主要集中在黃土高原、黃河三角洲以及北京周邊地區(qū)，其方向聚焦在柳枝稷的抗寒抗旱性能、抗鹽堿性能、抗重金屬脅迫性能以及能源草、生態(tài)草、飼料草開發(fā)等領(lǐng)域，且取得了較為豐碩的成果。近年來，隨著生態(tài)文明建設(shè)的快速推進，加之“3060雙碳”目標約束，柳枝稷在生態(tài)修復治理和鄉(xiāng)村振興領(lǐng)域的應(yīng)用潛力研究顯得極為緊迫。

陜西榆林市位于毛烏素沙地東南緣，是我國“三北”防護林體系建設(shè)的重要生態(tài)屏障區(qū)，盡管當前毛烏素沙地治理取得了顯著成效，但由于地區(qū)生態(tài)本底脆弱，造林質(zhì)量不高、林木退化嚴重、生態(tài)自我修復能力較差、資源開發(fā)導致生態(tài)破壞等原因，已治理的毛烏素沙地仍然存在“二次沙化”[1]風險。同時，榆林為全國非牧區(qū)畜牧業(yè)第一大市、陜西畜牧業(yè)生產(chǎn)基地，并啟動羊子“雙千萬”工程，面臨巨大的飼料缺口。這些新老問題相互交織，嚴重制約榆林市農(nóng)牧業(yè)高質(zhì)量發(fā)展和生態(tài)修復效益。

為此，本文采用資料查閱、調(diào)研實踐與試驗分析相結(jié)合的研究方法，在了解柳枝稷基本特性的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)剖析了柳枝稷生態(tài)適應(yīng)性。同時借助SWOT分析，研究了柳枝稷在陜北榆林的應(yīng)用潛力，為柳枝稷榆林引種用于生態(tài)修復及飼草產(chǎn)業(yè)開發(fā)提供參考。

1 柳枝稷的基本特性

1.1 生物學特性

柳枝稷生態(tài)類型主要有2種：適應(yīng)干旱環(huán)境的細莖高地生態(tài)型，該品種莖稈細長，分枝較多，長勢較緩，株高1.5～2m；植株高大，莖稈粗壯，成束生長，株高可達3～4m的低地生態(tài)型，主要分布在潮濕地區(qū)。柳枝稷一般在春季播種效果較好，穗期8—11月。播種方法多為條播或撒播，不同地區(qū)根據(jù)當?shù)赝寥狼闆r選擇合適的播種方式。一般情況下播種行距50～80cm，播量10～15kg·hm-2。有研究發(fā)現(xiàn)，從產(chǎn)出率來看，柳枝稷實行窄行種植更加具有優(yōu)勢，窄行更利于柳枝稷形成冠層，防止雜草生長，減少水分蒸發(fā)，也能夠增加生物質(zhì)產(chǎn)量。在壤土或黏土中播種，最佳播種深度為1～2cm。在沙質(zhì)土壤上播種，播種深度以3～10cm為宜。由表1可以看出，柳枝稷通常擁有較大的生物量，在北京地區(qū)種植柳枝稷，生物量可達28.33t·hm-2。針對不同品種，低地型柳枝稷Kanlow的生物量最高，而高地型柳枝稷Nebraska的生物量最低。柳枝稷引種到黃河三角洲種植后，出苗率和移栽成活率可達90%以上，鮮草和種子產(chǎn)量分別高達7350kg·hm-2和203kg·hm-2。

表1 不同地區(qū)柳枝稷生物學特性

于2022年5月在陜西榆林進行柳枝稷種植試驗，供試品種為九圣禾，結(jié)果顯示，柳枝稷在榆林的生態(tài)適應(yīng)性表現(xiàn)良好，與其他地區(qū)相對比，榆林地區(qū)種植柳枝稷的株高和葉面積處于中上水平，尤其生物量遠高于其他地區(qū)，產(chǎn)業(yè)發(fā)展優(yōu)勢明顯，見表1。

1.2 發(fā)芽特性

柳枝稷的適應(yīng)性主要表現(xiàn)在2個方面，即地域分布廣，以及能適應(yīng)多種土壤環(huán)境[6]。有研究表明，柳枝稷種子萌發(fā)的最低溫度為10.3℃，最適宜的溫度在30℃左右，且種子發(fā)芽有最適溫度、最高溫度和最低溫度3個基本溫度點。在低溫下，溫度對胚胎活性物質(zhì)的代謝起主導作用；在高溫下，溫度對胚胎活性物質(zhì)的變性起主導作用，最佳生長溫度是35°C。柳枝稷種子發(fā)芽不僅需要合適的溫度，也需要一定的時間進行溫度積累。若溫度為25℃時，適宜處理時間為90～120d，30℃時處理時間為75～105d。筆者選取了西北農(nóng)林科技大學課題組的11個柳枝稷品種，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，11個品種的平均發(fā)芽率為74.60%，“華農(nóng)887號”最低，發(fā)芽率為42.67%；“先玉252號”發(fā)芽率最高，達到86.67%；“樹地2016”和“雷潤609”則達到了84.67%和81.33%。

圖1 不同品種柳枝稷種子發(fā)芽率

1.3 營養(yǎng)特性

柳枝稷的木質(zhì)纖維素含量主要包括纖維素、半纖維素和木質(zhì)類。朱毅等在北京小湯山選用3個品種的柳枝稷測量其木質(zhì)纖維素含量，認為低地型Alamo的木質(zhì)纖維素含量高于Bay Canada和Cave-in-Rock；另外，對比其他人的研究，顯示Alamo在不同地區(qū)種植后的木質(zhì)纖維素含量基本接近一致，見表2。不僅如此，柳枝稷的價值和效益是多方面的，具有適應(yīng)性強、干物質(zhì)產(chǎn)量高、生態(tài)效益高、抗蟲性強等多重優(yōu)勢。柳枝稷的價值是從單位面積的干物質(zhì)、乙醇產(chǎn)量和碳封存的經(jīng)濟價值來評估的，對我國可再生能源的發(fā)展有著重要價值。

表2 柳枝稷木質(zhì)素和纖維素含量

2 柳枝稷的生態(tài)適應(yīng)性

2.1 抗寒抗旱性

干旱會降低植物的光合作用，引起植物根系自疏影響植物的正常生長。在干旱脅迫條件下，柳枝稷幼苗可通過增加游離脯氨酸和可溶性糖含量來減輕土壤干旱脅迫的損害，表現(xiàn)出一定的抗旱特性。由表3可以看出，在四川和北京種植的柳枝稷，高地品種相較低地品種SOD的活性更強一點，并且低地型的游離脯氨酸含量遠高于高地型，能夠更穩(wěn)定地維持酶的活力，總體上低地型柳枝稷表現(xiàn)出更好的抗旱性能，這與常雯雯的研究結(jié)果一致。不同生態(tài)型柳枝稷在自然維持處理下的超氧化物歧化酶、過氧化物酶、過氧化氫酶活性均顯著升高，低地型柳枝稷的超氧化物歧化酶、過氧化物酶、過氧化氫酶活性均顯著高于高地型，且不同品種間存在顯著差異相似。

表3 柳枝稷主要滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)和抗氧化酶活性

2.2 抗鹽堿性

土壤鹽堿化是我國困難立地條件下土地資源利用和開發(fā)的主要障礙之一，鹽堿地的綠色改良與植物高效種植產(chǎn)業(yè)化技術(shù)開發(fā)極為迫切。有研究發(fā)現(xiàn)，不同品種的柳枝稷在鹽堿地的表現(xiàn)存在差異，綜合表現(xiàn)優(yōu)異的品種有Cave-in-Rock、Alamo和Kanlow，這3種柳枝稷的光合能力較好，產(chǎn)量也相對于其他品種較高；其次是Pathfinder、An-sai和Forestberg；最差的是Black Well、Nebraska 28、Trailblazer、New York、Japan。部分研究發(fā)現(xiàn)，鹽堿地種植柳枝稷生長會受到顯著抑制，其耐鹽閾值為178.6mmol·L-1NaCl。在60mmol·L-1加pH為8的鹽堿脅迫下柳枝稷能維持一定的正常生長。種植柳枝稷后，土壤中SO42-、Cl-、Na+的含量呈下降趨勢，而Ca2+、Mg2+的含量呈上升趨勢，土壤中Ca2+、Mg2+含量與柳枝稷的種植年限呈正相關(guān)。也有研究認為，Na+是造成植物鹽害和土壤鹽堿的主要離子，而Ca2+和Mg2+可代替Na+進入滲濾水中置換增加，Ca2+的溶解量和Na+的淋溶載體逐漸增加。土壤中有害鹽離子會隨著柳枝稷種植年限的增長而降低，土壤的改良作用也就越顯著。還有研究發(fā)現(xiàn)，柳枝稷能適應(yīng)黃河三角洲的氣候和土壤環(huán)境，其中Alamo適應(yīng)性強，是黃河三角洲鹽堿地最適宜種植和推廣的品種，大規(guī)模種植柳枝稷也是有望改善土壤鹽堿化的有效途徑。

2.3 抗重金屬脅迫性

隨著工業(yè)化進程的不斷推進，土壤污染日益嚴重，特別是重金屬污染的修復極其困難。有研究發(fā)現(xiàn)，柳枝稷能夠在多種類型的土壤上生根發(fā)芽，即使在重金屬污染嚴重的土壤上也能生長，柳枝稷對重金屬鎘表現(xiàn)出更好的耐受性。柳枝稷種子對鎘不敏感，柳枝稷種子的發(fā)芽一般不受鎘的影響。在保證柳枝稷正常生長的前提下，使鎘富集最大化的外界環(huán)境鎘和pH值范圍為50～175μmol·L-1和4.1～5.9。也有研究發(fā)現(xiàn)，鎘脅迫下柳枝稷根系將較多的鎘存儲于可溶性液泡中，可能是降低鎘毒害、限制鎘轉(zhuǎn)運到地上部的重要機制。Cd對柳枝稷生物量影響有“低促高抑”的現(xiàn)象，只有當土壤中的鎘濃度達到50μmol·L-1以上時，柳枝稷的生物量才會顯著降低。不同品種的柳枝稷對鎘的耐受性表現(xiàn)不同，如宋剛等研究認為，柳枝稷Alamo能夠在Cd含量為1mg·kg-1乃至更高的污染土地中種植，且生物量不會因Cd脅迫抑制而下降。胡冰玨研究發(fā)現(xiàn)，Kanlow是鎘脅迫下水分利用率最高的品種，最低的是Cave in Rock，且高地型柳枝稷的水分利用率多數(shù)都低于低地型[10]。

3 榆林市柳枝稷發(fā)展的SWOT分析

柳枝稷發(fā)展的SWOT分析就是將與柳枝稷密切相關(guān)的主要內(nèi)部優(yōu)勢S(Strengths)、劣勢W(Weaknesses)和外部機會O(Opportunities)、威脅T(Threats)進行系統(tǒng)分析，并依照矩陣形式排列，把上述因素相互匹配起來加以分析，從中得出較為可靠的結(jié)論。

3.1 優(yōu)勢-S(Strengths)

3.1.1 地域優(yōu)勢

榆林市地處國家退耕還林、三北防護林、天然林保護、京津風沙源治理等工程的核心區(qū)域。70年的治沙歷程中選擇了良好的植物品種，但這類生態(tài)樹種、草種植被因缺乏經(jīng)濟效益出現(xiàn)了“重栽植、輕管護”的局面。林地管護基本靠政府林地補貼維持，林地收益幾乎為零，林農(nóng)不愿管護，大面積的生態(tài)林出現(xiàn)林種單一、林分過熟、成片死亡、存在二次沙化的潛在風險。

3.1.2 效益優(yōu)勢

柳枝稷有耐鹽堿、抗寒旱的生物學特性，具有較寬的生態(tài)位，不僅可以用于榆林采煤沉陷區(qū)生態(tài)修復和鹽堿地改良，而且具有替代低效益草種，豐富植物種群，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展生態(tài)的巨大潛力。目前以沙蒿、黃蒿等大面積的低經(jīng)濟價值的灌草已經(jīng)實現(xiàn)了固沙目的，但自然繁殖后形成的生態(tài)群落及其花粉濃度過大帶給人們不良反應(yīng)也日趨凸顯，亟需新物種減量替代。同時，作為飼草，柳枝稷種植成本低，生長迅速，植株可高達2m，最高產(chǎn)量可達74t·hm-2，高產(chǎn)期可持續(xù)15年，對環(huán)境適應(yīng)性強，可以與苜蓿、蛋白桑等一起復配解決飼草飼料資源短缺問題，促進榆林市生態(tài)治理和畜牧業(yè)協(xié)同發(fā)展。

3.2 劣勢-W(Weaknesses)

作為禾本科植物，柳枝稷擁有較大的生長量，需水較多。有研究報道，柳枝稷對土壤水分條件的要求較高，選擇雨季期間種植較為合適。黃瑾等[11]的研究顯示，柳枝稷第1年的耗水量最低，隨著年份的增加逐年遞增，到第5年達到最高耗水量771.03mm，第6年降到600mm左右，其他年份的耗水量基本處在500mm以下。為此，在榆林適宜于種植在鹽堿灘地，煤礦開采的下濕灘地較為理想。同時通過與苜蓿、沙打旺等植物混播，充分利用生長空間，實現(xiàn)將劣勢轉(zhuǎn)化為優(yōu)勢。

3.3 機會-O(Opportunities)

3.3.1 經(jīng)濟轉(zhuǎn)型，綠色發(fā)展

在“雙碳”背景下綠色經(jīng)濟轉(zhuǎn)型對實現(xiàn)資源型城市可持續(xù)發(fā)展具有重要影響。榆林市作為典型的煤炭資源型城市，因煤而興，同時也存在經(jīng)濟對煤炭資源過度依賴而帶來的一系列的生態(tài)問題，在碳中和目標下榆林經(jīng)濟低碳轉(zhuǎn)型、綠色發(fā)展迫在眉睫。

3.3.2 尚未推廣種植，發(fā)展前景廣闊

榆林是我國非牧區(qū)畜牧業(yè)發(fā)展的第一大市，也是陜西省畜牧業(yè)生產(chǎn)基地?！笆奈濉逼陂g，羊子產(chǎn)業(yè)在榆林將打造為“四個百億”級產(chǎn)業(yè)之一，并啟動“白絨山羊、湖羊雙千萬只”工程。為此，榆林畜牧業(yè)發(fā)展將面臨巨大的飼料缺口，尤其是蛋白飼草嚴重短缺，嚴重制約榆林市農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展和鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略實施。因此，加快發(fā)展“草畜兩用”的柳枝稷成為一項市場前景廣闊的朝陽產(chǎn)業(yè)和優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)。

3.4 威脅-T(Threats)

3.4.1 環(huán)境污染風險加劇

隨著榆林能源資源開發(fā)速度不斷加快、規(guī)模不斷擴大，由此帶來的環(huán)境問題也越來越突出。煤化工產(chǎn)生的次生污染來源復雜，污染形式多樣，土地利用結(jié)構(gòu)復雜，呈現(xiàn)出多極化、交叉污染和復合污染的特征。同時煤礦開采擾動使生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和質(zhì)量受損。

3.4.2 植物群落競爭加劇

在榆林地區(qū)現(xiàn)有生態(tài)系統(tǒng)中有一些功能相似的植物品種，如中科羊草、長穗冰草等都可以在惡劣環(huán)境下生存并產(chǎn)生一定的生態(tài)和經(jīng)濟價值。這為柳枝稷的引種推廣帶來一定的競爭。

3.5 柳枝稷產(chǎn)業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略選擇

在對影響榆林市柳枝稷產(chǎn)業(yè)發(fā)展因素分析的基礎(chǔ)上，采用SWOT矩陣對推動柳枝稷產(chǎn)業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略選擇進行歸納，具體分析見表4。

表4 SWOT對策分析矩陣

4 應(yīng)用潛力分析

榆林是陜西省能源產(chǎn)業(yè)和畜牧業(yè)比較發(fā)達的地區(qū)，礦山生態(tài)修復治理和飼草需求量巨大，榆林市大力推廣發(fā)展柳枝稷產(chǎn)業(yè)意義重大，是藏糧于地、藏糧于技的具體實踐。因此，在鹽堿地、采煤塌陷區(qū)、荒漠化沙區(qū)等非農(nóng)業(yè)用地上種植柳枝稷，對于礦山生態(tài)修復治理和開辟飼料來源具有重要意義。

4.1 柳枝稷生態(tài)化應(yīng)用

如何發(fā)展生態(tài)產(chǎn)業(yè)直接關(guān)乎區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)多樣性、穩(wěn)定性和可持續(xù)性。有研究在黃土高原地區(qū)種植了10種不同品種的柳枝稷，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，Alamo、Kanlow、Ιllinois USA、Cave-in-Rock、Nebraska等品種適合在楊凌地區(qū)種植，Cave-in-Rock、Illinois USA適合在固原地區(qū)種植，Cave-in-Rock、Forestberg、Illinois USA、Pathfinder適合在榆林定邊地區(qū)種植[12]。可見，Cave-in-Rock和Illinois USA這2個品種是黃土高原丘陵地區(qū)最適合引進種植的品種。此外，還有研究基于2009—2016年連續(xù)觀測田間試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，對比40cm和60cm的種植行距，采用20cm窄行距種植更適合黃土高原丘陵地區(qū)，可以提高生物質(zhì)產(chǎn)量，且水分的利用率達到最高。榆林市地處降水有限的半干旱地區(qū)，過密的植被冠層會顯著影響有限降水對土壤的有效分配，造成土壤供水不足[13，14]?？梢?，柳枝稷在榆林鹽堿地、采煤塌陷區(qū)、荒漠化沙區(qū)等非農(nóng)業(yè)用地上種植生態(tài)意義重大。為了更好地推動榆林生態(tài)治理，可以根據(jù)地形采用不同的種植行距，實行寬窄結(jié)合的種植方式，既可最大限度的種植柳枝稷，增加生物量，又可保持土壤水分供應(yīng)，緩解當?shù)氐乃亮魇А?/p>

4.2 柳枝稷飼草化應(yīng)用

柳枝稷的含水量高、蛋白質(zhì)量多且質(zhì)優(yōu)，具有優(yōu)良飼草的特性，非常適合喂養(yǎng)牲畜。一般情況下，夏季可選擇新鮮的柳枝稷用作飼草，但冬春季節(jié)，柳枝稷的纖維太老或太嫩，不利于牲畜消化和吸收，可以通過青貯的方式來減少柳枝稷養(yǎng)分的損失。有研究證實，柳枝稷可以通過青貯的方式來保存青貯飼料中的營養(yǎng)成分。如，劉晶晶等研究發(fā)現(xiàn)，通過添加乳酸菌復合系(SGL)和植物乳桿菌(LP)可以降低柳枝稷的pH值，特別是添加SGP后柳枝稷的pH值相較無添加的下降了15%[15]。此外，添加SGL和LP后的柳枝稷乳酸、乙酸含量均有所增長。丁酸在添加LP的柳枝稷中降低了86.71%。同時，銨態(tài)氮的濃度也大幅下降，分別比無添加柳枝稷減少了61.43%(SGL)和50%(LP)，有效抑制了蛋白質(zhì)的分解。因此，在榆林地區(qū)種植柳“草畜兩用”的柳枝稷將成為一項市場前景廣闊的朝陽產(chǎn)業(yè)和優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)，對于榆林地區(qū)農(nóng)牧業(yè)高質(zhì)量發(fā)展具有深遠意義。