皇竹草在环境治理中的作用范文

皇竹草(Pennisetumhydridum)又名皇草、巨象草、巨菌草、甘蔗草等，为多年生直立丛生的禾本科植物，由二倍体美洲狼尾草(又称御谷、珍珠谷)作母本和四倍体象草(又称紫狼尾草)杂交选育而成，故又称杂交狼尾草，属三倍体C4植物。我国栽培的杂交狼尾草有两个来源，一个是1981年从美国引进的，另一个是1984年从哥伦比亚国际热带农业中心引进的。皇竹草根系发达、生长快、产量高、营养丰富，近年来逐渐引起关注，现被广泛应用于饲料、造纸、饮料食品等领域，还被探索性地用于生物质产品和新能源领域［1－3］。长期以来，为治理荒山、荒坡、河滩、沙地，保护水土资源，人们一直在筛选投资少、种植管理简单、效果显著的植物品种。皇竹草的出现以及其在全国各地尤其是长江以南地区生态环境治理、退耕还林还草和植被修复上的应用，使其被认为是极为难得的物种［4－5］。鉴于皇竹草在生态环境治理和水土保持等方面应用的诸多成功实例，该种已被有关管理部门列为水土保持、荒坡治理、生态建设、种草养畜的主要推广草种［6］。随着对石漠化等荒漠化综合治理重视程度的提高，利用草本植物进行石漠化地区植被恢复的研究与实践也受到重视［3－4，6－8］。本文综述了皇竹草的基本生态学特性以及近年来皇竹草在荒漠化治理、水土保持、生态修复等领域的研究与应用现状，以助于更好地了解皇竹草在生态治理上的特点和优势以及应用前景。

1皇竹草的生态学特性

皇竹草根系发达，须根多，可在较短的时间内形成须根网络，其根系的84．96%集中分布于0—30cm土层内，根系密度达48．6条/100cm2［2，9］。这些特点使皇竹草对生存环境要求相对较低，在贫瘠的沙滩地、沙地和水土流失较为严重的陡坡地，均能适应生长。同时，皇竹草对雨水的阻截能力和吸附能力较强，体现出极强的抗旱能力，且在酸性或微碱性土壤中均能正常生长，可见其在不同生存环境下都具有极强的适应性。皇竹草生长极快，每兜皇竹草当年根部分蘖为15～25株，在第2～3年大多数有30～50株，鲜草产量一般在180～225t/hm2，条件良好的可达到375t/hm2，干草产量为15～60t/hm2［2，9－10］。皇竹草草质鲜嫩，营养成分含量高，粗蛋白含量为10%～15%，主要经济技术指标较高。鉴于皇竹草具有的前述特性，所以逐渐被广泛应用于荒山荒漠的绿化，并被作为主要物种应用于生态环境治理的探索，在生态经济型环境治理模式中表现突出［9］。由于皇竹草自身难以结实，栽培时通常用分株移栽、扦插育苗和组培育苗等无性繁殖方法进行，故对于其外来物种入侵方面的顾虑相对较轻。皇竹草属C4植物，光合效率高，喜高温湿润气候。皇竹草的光合速率为60～100mg/(cm2•h)，1hm2皇竹草1年可吸收空气中的CO2气体375～615t，同时还释放大量的新鲜氧气，可见其碳聚集和减排效果良好［10］。

2皇竹草在生态修复中的应用研究进展

2．1皇竹草在石漠化综合治理中的应用研究

石漠化即石质土地的荒漠化，又称喀斯特荒漠化，是土地劣化演变的极端形式之一。由于受人类不合理活动和自然因素的干扰和破坏，石山地表植被遭受破坏，造成土壤严重侵蚀，基岩大面积裸露，砾石堆积，土地生产力严重下降，地表出现类似荒漠景观的土地退化过程［11－12］。我国石漠化现象主要分布在西南地区，目前该地区的石漠化总体上呈加剧趋势，1987年到1999年，石漠化面积从8．3万km2增加到10．5万km2，严重影响了当地居民的生存和可持续发展。因而，对石漠化进行综合治理，修复其生态环境就显得尤为迫切，而保护现有的植被和促进已退化植被的恢复和重建是石漠化防治的根本［6］。所以，寻找适宜的植物物种及其组合，并探索与其相配套的种植模式显得非常必要［11－14］。龙忠富等［6］研究指出，草本植物根系密集，种植后3～4个月即可有效覆盖地表，能有效固结土壤，且每年都有大量的残根老叶凋落腐烂于土壤中，能提供大量有机质和氮素，故能明显改善土壤结构，增强土壤的渗透性和蓄水能力，有效减少地表径流，控制水土流失。此外，草本植物对土壤的要求均低于林木，只要选择适宜于不同生态环境的优良草本植物并配套相应的种植技术，即可有效恢复石漠化地区植被，增加地表覆盖、保持水土。其后通过搭配适宜的林木，可最终恢复具有较高生态功能的植被。而皇竹草正具备了以上相应的特点，因此在石漠化综合治理的模式中，皇竹草作为速生草类被广泛应用［6－8］，也因此提高了林草的综合利用率，体现出了荒漠化综合治理的经济、生态、社会效益的最大化原则，极大地促进了荒漠化山区的可持续发展［8－9］。李先桥等［5］也利用模糊评分法，按照生态、经济、社会效益并重的原则进行水土保持型牧草筛选，发现皇竹草整体表现较好。其他的试验同样显示皇竹草是典型喀斯特岩溶区域优良的水土保持型牧草［7－8，15］。王家录和翠章玲［16］在贵州省花江示范区以皇竹草结合其他物种探索不同强度等级喀斯特石漠化生态系统的恢复与重建模式，经多年治理和跟踪调查后发现，示范区植被覆盖率增加了15．34%，土壤侵蚀模数较5年前下降了51．2%;不同程度的石漠化比例均发生较大的下降，喀斯特石漠化生态系统得以逐渐恢复和重建。张晓珊和任朝辉［17］报道，在喀斯特示范区退耕还林后，对以花椒、柚木、皇竹草等物种互相配置的不同造林模式连续监测3年后发现，地表覆盖度达到了70%～90%，树冠的覆盖和阻挡作用有效减少了雨滴对地表的溅蚀和地表径流的侵蚀作用，增加了土壤的蓄水能力。推行花椒、柚木、皇竹草等配置的不同林草配置模式，结合发展畜牧业，可使当地居民经济收入显著增加［18］。刘云和熊康宁［19］应用皇竹草和其他不同林木或经济植物配置对不同等级的石漠化进行了综合治理，明显改善了石漠化地区土壤物理性质，减小了土壤温度日较差，改善了土壤酸碱度。但王家录和翠章玲［16］经系统研究后认为，随着地理区划、环境条件、种植习惯和经济基础等的不同，农林牧的模式和组织形式应该有相应的改变。在海拔900m以上地段，可推行桃+李+樱桃+皇竹草林草模式、经果林+砂仁林药模式、香椿+石榴+砂仁乔灌草模式;海拔900m以下地段，可试行柚木林+皇竹草模式、经济林+日本甜柿模式、任豆+顶坛花椒+黄褐毛忍冬(金银花)模式、柑橘+玉米果粮模式。可结合与当地相适应的农业生态－经济－技术综合体系，协调生态系统结构功能，促进当地社会、经济和生态的可持续发展。但对于如何改善模式中的植物配置，以及皇竹草和不同组合植物在石漠化治理和植被修复中发挥的物理化学作用及其在生态恢复过程中的影响和相应机理的研究仍较少。

2．2皇竹草植物篱在水土保持中的应用研究

植物篱是坡地农业利用的一种新型技术，为达到防治水土流失的目的，依据生态经济原则筛选适宜的草灌植物，依据不同坡度、岩性和侵蚀强度设计篱带宽度和密度，等高种植形成密集型篱笆。农业耕作则被安排在篱带间进行，使植物篱笆和农业耕作共同构成农林复合型技术模式［20］。诸多研究指出，应用皇竹草构筑生物篱进行水土流失治理，可使陡坡变缓，篱前土层增厚，土壤容重明显减小，土壤结构、渗透性和通气状况明显改善，土壤养分含量明显提高，其他土壤理化性状也得到显著的改善。陈治谏等［20］经2年试验跟踪后发现，以皇竹草为主的植物篱农业技术可减小坡地坡度3°，增加土壤有机质10．39%。廖晓勇等［9］的试验同样证明了在陡坡地种植皇竹草生物篱后土壤容重减小、土壤孔隙度明显增加。皇竹草植株密集的茎叶和根系对雨水和地表水的阻滞、拦蓄作用明显降低了单位面积坡面上水流的侵蚀能力，使土壤蓄水能力明显增强。同时，发达的根系又增强了对土壤和肥力的固持能力，明显降低了侵蚀作用，从而起到了明显的固土保肥保水作用［21－23］。陈治谏等［20］报道指出，种植皇竹草植物篱使根际土壤含水量增加65．31%，土壤侵蚀量减少96．74%，地表径流量减少75．82%。三峡水库建成后，库区坡地果园的水土流失对其生态环境和农业可持续发展构成了双重压力。廖晓勇等［22］以皇竹草篱为纽带间植于坡地果园营建复合生态模式，对草篱拦蓄泥沙、径流的效应进行了长期观测后发现，草篱间植比传统果园经营模式径流量减少了58．71%～65．74%，侵蚀量减少了70．70%～77．92%，并能显著减少养分的流失总量，减少库区面源污染，保持和提高坡地果园的土地持续性生产力。在三峡库区紫色土坡耕地水土流失治理上，利用柚－皇竹草植物篱复合技术系统同样获得了理想的水土保持效果。经治理后，侵蚀量和径流量极显著减少，大颗粒泥沙和土壤养分流失量显著减少［24］。陈治谏等［25］报道，植物篱生态过滤网带技术结合篱间优质经济林果、药材、牧草的种植及畜牧养殖的发展，能促进产品多样化，增加农民经济收入。以皇竹草植物篱－花生(小麦)为例，刈割的皇竹草茎叶喂养牲畜，按1hm2年刈割量的50%用作饲料计算，可出栏3只羊，增加经济收入1200元左右，产出投入比是传统经营的1．25倍，明显提高了作物产出率，并可发展成综合型农村经济模式，是山丘区值得大力推广应用的农业技术体系。贵州省推广示范的梨树+皇竹草、杨梅+皇竹草、板栗+皇竹草等多种植物篱模式取得了较好的生态、经济和社会效益［26］。但是，对于皇竹草和配套植物间的茬口安排以及种植组合模式和相应的生理生态机制的研究仍需进一步深入。

2．3皇竹草在人工湿地中的应用研究

湿地是自然综合体，是一种自然景观，与森林、海洋一起并称为全球三大生态系统，担负着对地球自然水体的净化和处理功能。然而，由于城市的发展和人为的破坏，天然湿地面积急剧下降。而人工湿地作为一种由人工建造的污水处理系统逐渐兴起，其要求植物具有良好的生态适应能力和营建功能，管理简单方便。近年来，皇竹草被作为挺水草本植物应用于人工湿地系统中，在去除水体污染物，降解有机质，去除N、P和COD等方面具有较好的效果［27－29］。潘学华等［30］将皇竹草种植在三峡库区淹没水位线上，发现其在浪区栽培效果较好，并有利于浪区的水土保持，护坡效果明显。陆华［31］将皇竹草作为城市污水处理的湿地植物进行应用，取得较好的效果。邓辅唐等［32］研究也指出皇竹草处理污水的效果良好，但他们发现在构建人工湿地时皇竹草长势较差，需要改良种植和生长的模式方可发挥其优势。可见，要将皇竹草用于构建人工湿地并更好地应用于污水处理，在其植物配置、挺水生长的方式和工艺以及生理机制等多方面仍需要进行更为系统深入的研究。

2．4皇竹草在盐碱化治理中的应用研究

陈雀民等［33］试验报道，皇竹草在盐碱撂荒地(沙壤土)种植的成活率高达98．49%，其成活率、生长势、总蛋白质、脂肪、磷、粗灰分等含量均高于对照玉米。皇竹草同样在广东珠海斗门区的盐碱滩涂试种成功，并生长良好。可见，皇竹草可以在盐碱化土壤上生长，盐碱土壤充足的肥力有助于皇竹草的旺盛生长发育，种植皇竹草后盐碱化程度明显下降。因而，利用皇竹草来治理修复并开发盐碱化土壤是完全可行的。但对于皇竹草抗盐碱化的抗逆生理机制以及生长特点，和其对盐碱土壤的影响，以及修复盐碱化土壤相应的工艺和配套栽培措施的研究仍有待于进一步系统化。

3皇竹草替代控制紫茎泽兰生物入侵应用研究

近年来，紫茎泽兰入侵我国并形成极大危害。紫茎泽兰结实多，籽实随风传播速度快，生存竞争力极强，其恶性传播造成被侵害区域大面积生物多样性的削弱和丧失，给我国的农、牧、林业带来了极其严重的后果。在防治紫茎泽兰的方法中，人工拔除法和药剂防治法消耗人力物力极多，而应用天敌泽兰食蝇又难以推广。随着环境保护意识的提高，人们日益重视替代控制紫茎泽兰的研究［34－36］，利用紫茎泽兰喜光不耐阴的特性，应用经济价值高、密植、速生、遮蔽力强、适应力强的植物，通过构造植物间的相互竞争现象，最终以一种或多种新的生活力强的植物完全抑制紫茎泽兰，从而实现植被的生态恢复［35，37－40］。姚朝辉等［41］以替代种植方式，应用皇竹草来防治紫茎泽兰，发现皇竹草迅速形成极广的覆盖面，可成功地抑制紫茎泽兰的生长和其种子的传播。他们指出，两者都来自美洲，具有相似的生长习性和环境适应能力，因而皇竹草是一种替代控制紫茎泽兰的有前景的植物。张正文等［42］在紫茎泽兰侵害区域块状或带状种植皇竹草，利用皇竹草的生长优势影响紫茎泽兰的生存环境。他们观察发现，皇竹草生长速度为紫茎泽兰的4倍，能形成天然屏障影响其籽实传播;同时，紫茎泽兰得不到充足的光照，难以合成有机物供根系吸收，导致植株生长势减弱。众多研究认为，以皇竹草为替代植物以草治草，先通过皇竹草迅速覆盖遏制紫茎泽兰生长，再套种乔灌木逐渐有效恢复自然植被多样性，以草促林、以草促畜，可以实现科学生态治理的目标［39－40，42］。葛盛军等［43］则在研究皇竹草对紫茎泽兰的抑制效果后发现，稀植的竞争力和治理作用较密植弱，而且紫茎泽兰未经人工铲除时，以草治草的效果亦较差。综合而言，对于应用皇竹草替代种植以治理紫茎泽兰的恶性扩散的种植方式、植物配置模式以及其他配套措施上的研究与报道仍不多，对皇竹草替代种植防治紫茎泽兰的相关生理生化指标变化以及其对生态环境产生的影响的系统跟踪研究和报道也远不够深入。

4今后的研究方向

诸多研究和应用实例显示，皇竹草在水土保持、植被修复等环境治理方面具有良好的应用前景。在生态环境恶劣或需退耕还林还草地区，林草结合的农林牧复合型生态经济模式是一条行之有效的可持续发展道路［44］。系统研究与探索皇竹草在生态环境治理与修复上的应用，发展与其相配套的产业链，既可贯彻实施国家退耕还林还草建设长江、珠江流域生态屏障战略，又有利于发展种养加一体化生态经济型新农村模式，促进贫困山区农民脱贫致富。尽管目前国内对皇竹草在抗旱、抗盐碱化、污水处理等生态环境治理上的应用研究较多，但对其相应的抗逆生理和植物学特点的研究国内外都鲜见报道，这必将极大地制约皇竹草的生态应用价值。因而，对于应用皇竹草进行生态环境治理以及其逆境生存的生理机制的研究仍有待不断深入，而用外来物种控制入侵物种的生态后果如何也是应该深入研究的课题。