皇竹草在環境治理中的作用范文

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皇竹草(Pennisetumhydridum)又名皇草、巨象草、巨菌草、甘蔗草等，為多年生直立叢生的禾本科植物，由二倍體美洲狼尾草(又稱御谷、珍珠谷)作母本和四倍體象草(又稱紫狼尾草)雜交選育而成，故又稱雜交狼尾草，屬三倍體C4植物。我國栽培的雜交狼尾草有兩個來源，一個是1981年從美國引進的，另一個是1984年從哥倫比亞國際熱帶農業中心引進的?；手癫莞蛋l達、生長快、產量高、營養豐富，近年來逐漸引起關注，現被廣泛應用于飼料、造紙、飲料食品等領域，還被探索性地用于生物質產品和新能源領域［1－3］。長期以來，為治理荒山、荒坡、河灘、沙地，保護水土資源，人們一直在篩選投資少、種植管理簡單、效果顯著的植物品種?；手癫莸某霈F以及其在全國各地尤其是長江以南地區生態環境治理、退耕還林還草和植被修復上的應用，使其被認為是極為難得的物種［4－5］。鑒于皇竹草在生態環境治理和水土保持等方面應用的諸多成功實例，該種已被有關管理部門列為水土保持、荒坡治理、生態建設、種草養畜的主要推廣草種［6］。隨著對石漠化等荒漠化綜合治理重視程度的提高，利用草本植物進行石漠化地區植被恢復的研究與實踐也受到重視［3－4，6－8］。本文綜述了皇竹草的基本生態學特性以及近年來皇竹草在荒漠化治理、水土保持、生態修復等領域的研究與應用現狀，以助于更好地了解皇竹草在生態治理上的特點和優勢以及應用前景。

1皇竹草的生態學特性

皇竹草根系發達，須根多，可在較短的時間內形成須根網絡，其根系的84．96%集中分布于0—30cm土層內，根系密度達48．6條/100cm2［2，9］。這些特點使皇竹草對生存環境要求相對較低，在貧瘠的沙灘地、沙地和水土流失較為嚴重的陡坡地，均能適應生長。同時，皇竹草對雨水的阻截能力和吸附能力較強，體現出極強的抗旱能力，且在酸性或微堿性土壤中均能正常生長，可見其在不同生存環境下都具有極強的適應性。皇竹草生長極快，每兜皇竹草當年根部分蘗為15～25株，在第2～3年大多數有30～50株，鮮草產量一般在180～225t/hm2，條件良好的可達到375t/hm2，干草產量為15～60t/hm2［2，9－10］。皇竹草草質鮮嫩，營養成分含量高，粗蛋白含量為10%～15%，主要經濟技術指標較高。鑒于皇竹草具有的前述特性，所以逐漸被廣泛應用于荒山荒漠的綠化，并被作為主要物種應用于生態環境治理的探索，在生態經濟型環境治理模式中表現突出［9］。由于皇竹草自身難以結實，栽培時通常用分株移栽、扦插育苗和組培育苗等無性繁殖方法進行，故對于其外來物種入侵方面的顧慮相對較輕?；手癫輰貱4植物，光合效率高，喜高溫濕潤氣候?；手癫莸墓夂纤俾蕿?0～100mg/(cm2•h)，1hm2皇竹草1年可吸收空氣中的CO2氣體375～615t，同時還釋放大量的新鮮氧氣，可見其碳聚集和減排效果良好［10］。

2皇竹草在生態修復中的應用研究進展

2．1皇竹草在石漠化綜合治理中的應用研究

石漠化即石質土地的荒漠化，又稱喀斯特荒漠化，是土地劣化演變的極端形式之一。由于受人類不合理活動和自然因素的干擾和破壞，石山地表植被遭受破壞，造成土壤嚴重侵蝕，基巖大面積裸露，礫石堆積，土地生產力嚴重下降，地表出現類似荒漠景觀的土地退化過程［11－12］。我國石漠化現象主要分布在西南地區，目前該地區的石漠化總體上呈加劇趨勢，1987年到1999年，石漠化面積從8．3萬km2增加到10．5萬km2，嚴重影響了當地居民的生存和可持續發展。因而，對石漠化進行綜合治理，修復其生態環境就顯得尤為迫切，而保護現有的植被和促進已退化植被的恢復和重建是石漠化防治的根本［6］。所以，尋找適宜的植物物種及其組合，并探索與其相配套的種植模式顯得非常必要［11－14］。龍忠富等［6］研究指出，草本植物根系密集，種植后3～4個月即可有效覆蓋地表，能有效固結土壤，且每年都有大量的殘根老葉凋落腐爛于土壤中，能提供大量有機質和氮素，故能明顯改善土壤結構，增強土壤的滲透性和蓄水能力，有效減少地表徑流，控制水土流失。此外，草本植物對土壤的要求均低于林木，只要選擇適宜于不同生態環境的優良草本植物并配套相應的種植技術，即可有效恢復石漠化地區植被，增加地表覆蓋、保持水土。其后通過搭配適宜的林木，可最終恢復具有較高生態功能的植被。而皇竹草正具備了以上相應的特點，因此在石漠化綜合治理的模式中，皇竹草作為速生草類被廣泛應用［6－8］，也因此提高了林草的綜合利用率，體現出了荒漠化綜合治理的經濟、生態、社會效益的最大化原則，極大地促進了荒漠化山區的可持續發展［8－9］。李先橋等［5］也利用模糊評分法，按照生態、經濟、社會效益并重的原則進行水土保持型牧草篩選，發現皇竹草整體表現較好。其他的試驗同樣顯示皇竹草是典型喀斯特巖溶區域優良的水土保持型牧草［7－8，15］。王家錄和翠章玲［16］在貴州省花江示范區以皇竹草結合其他物種探索不同強度等級喀斯特石漠化生態系統的恢復與重建模式，經多年治理和跟蹤調查后發現，示范區植被覆蓋率增加了15．34%，土壤侵蝕模數較5年前下降了51．2%;不同程度的石漠化比例均發生較大的下降，喀斯特石漠化生態系統得以逐漸恢復和重建。張曉珊和任朝輝［17］報道，在喀斯特示范區退耕還林后，對以花椒、柚木、皇竹草等物種互相配置的不同造林模式連續監測3年后發現，地表覆蓋度達到了70%～90%，樹冠的覆蓋和阻擋作用有效減少了雨滴對地表的濺蝕和地表徑流的侵蝕作用，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，結合發展畜牧業，可使當地居民經濟收入顯著增加［18］。劉云和熊康寧［19］應用皇竹草和其他不同林木或經濟植物配置對不同等級的石漠化進行了綜合治理，明顯改善了石漠化地區土壤物理性質，減小了土壤溫度日較差，改善了土壤酸堿度。但王家錄和翠章玲［16］經系統研究后認為，隨著地理區劃、環境條件、種植習慣和經濟基礎等的不同，農林牧的模式和組織形式應該有相應的改變。在海拔900m以上地段，可推行桃+李+櫻桃+皇竹草林草模式、經果林+砂仁林藥模式、香椿+石榴+砂仁喬灌草模式;海拔900m以下地段，可試行柚木林+皇竹草模式、經濟林+日本甜柿模式、任豆+頂壇花椒+黃褐毛忍冬(金銀花)模式、柑橘+玉米果糧模式?？山Y合與當地相適應的農業生態－經濟－技術綜合體系，協調生態系統結構功能，促進當地社會、經濟和生態的可持續發展。但對于如何改善模式中的植物配置，以及皇竹草和不同組合植物在石漠化治理和植被修復中發揮的物理化學作用及其在生態恢復過程中的影響和相應機理的研究仍較少。

2．2皇竹草植物籬在水土保持中的應用研究

植物籬是坡地農業利用的一種新型技術，為達到防治水土流失的目的，依據生態經濟原則篩選適宜的草灌植物，依據不同坡度、巖性和侵蝕強度設計籬帶寬度和密度，等高種植形成密集型籬笆。農業耕作則被安排在籬帶間進行，使植物籬笆和農業耕作共同構成農林復合型技術模式［20］。諸多研究指出，應用皇竹草構筑生物籬進行水土流失治理，可使陡坡變緩，籬前土層增厚，土壤容重明顯減小，土壤結構、滲透性和通氣狀況明顯改善，土壤養分含量明顯提高，其他土壤理化性狀也得到顯著的改善。陳治諫等［20］經2年試驗跟蹤后發現，以皇竹草為主的植物籬農業技術可減小坡地坡度3°，增加土壤有機質10．39%。廖曉勇等［9］的試驗同樣證明了在陡坡地種植皇竹草生物籬后土壤容重減小、土壤孔隙度明顯增加?；手癫葜仓昝芗那o葉和根系對雨水和地表水的阻滯、攔蓄作用明顯降低了單位面積坡面上水流的侵蝕能力，使土壤蓄水能力明顯增強。同時，發達的根系又增強了對土壤和肥力的固持能力，明顯降低了侵蝕作用，從而起到了明顯的固土保肥保水作用［21－23］。陳治諫等［20］報道指出，種植皇竹草植物籬使根際土壤含水量增加65．31%，土壤侵蝕量減少96．74%，地表徑流量減少75．82%。三峽水庫建成后，庫區坡地果園的水土流失對其生態環境和農業可持續發展構成了雙重壓力。廖曉勇等［22］以皇竹草籬為紐帶間植于坡地果園營建復合生態模式，對草籬攔蓄泥沙、徑流的效應進行了長期觀測后發現，草籬間植比傳統果園經營模式徑流量減少了58．71%～65．74%，侵蝕量減少了70．70%～77．92%，并能顯著減少養分的流失總量，減少庫區面源污染，保持和提高坡地果園的土地持續性生產力。在三峽庫區紫色土坡耕地水土流失治理上，利用柚－皇竹草植物籬復合技術系統同樣獲得了理想的水土保持效果。經治理后，侵蝕量和徑流量極顯著減少，大顆粒泥沙和土壤養分流失量顯著減少［24］。陳治諫等［25］報道，植物籬生態過濾網帶技術結合籬間優質經濟林果、藥材、牧草的種植及畜牧養殖的發展，能促進產品多樣化，增加農民經濟收入。以皇竹草植物籬－花生(小麥)為例，刈割的皇竹草莖葉喂養牲畜，按1hm2年刈割量的50%用作飼料計算，可出欄3只羊，增加經濟收入1200元左右，產出投入比是傳統經營的1．25倍，明顯提高了作物產出率，并可發展成綜合型農村經濟模式，是山丘區值得大力推廣應用的農業技術體系。貴州省推廣示范的梨樹+皇竹草、楊梅+皇竹草、板栗+皇竹草等多種植物籬模式取得了較好的生態、經濟和社會效益［26］。但是，對于皇竹草和配套植物間的茬口安排以及種植組合模式和相應的生理生態機制的研究仍需進一步深入。

2．3皇竹草在人工濕地中的應用研究

濕地是自然綜合體，是一種自然景觀，與森林、海洋一起并稱為全球三大生態系統，擔負著對地球自然水體的凈化和處理功能。然而，由于城市的發展和人為的破壞，天然濕地面積急劇下降。而人工濕地作為一種由人工建造的污水處理系統逐漸興起，其要求植物具有良好的生態適應能力和營建功能，管理簡單方便。近年來，皇竹草被作為挺水草本植物應用于人工濕地系統中，在去除水體污染物，降解有機質，去除N、P和COD等方面具有較好的效果［27－29］。潘學華等［30］將皇竹草種植在三峽庫區淹沒水位線上，發現其在浪區栽培效果較好，并有利于浪區的水土保持，護坡效果明顯。陸華［31］將皇竹草作為城市污水處理的濕地植物進行應用，取得較好的效果。鄧輔唐等［32］研究也指出皇竹草處理污水的效果良好，但他們發現在構建人工濕地時皇竹草長勢較差，需要改良種植和生長的模式方可發揮其優勢?？梢?，要將皇竹草用于構建人工濕地并更好地應用于污水處理，在其植物配置、挺水生長的方式和工藝以及生理機制等多方面仍需要進行更為系統深入的研究。

2．4皇竹草在鹽堿化治理中的應用研究

陳雀民等［33］試驗報道，皇竹草在鹽堿撂荒地(沙壤土)種植的成活率高達98．49%，其成活率、生長勢、總蛋白質、脂肪、磷、粗灰分等含量均高于對照玉米?；手癫萃瑯釉趶V東珠海斗門區的鹽堿灘涂試種成功，并生長良好。可見，皇竹草可以在鹽堿化土壤上生長，鹽堿土壤充足的肥力有助于皇竹草的旺盛生長發育，種植皇竹草后鹽堿化程度明顯下降。因而，利用皇竹草來治理修復并開發鹽堿化土壤是完全可行的。但對于皇竹草抗鹽堿化的抗逆生理機制以及生長特點，和其對鹽堿土壤的影響，以及修復鹽堿化土壤相應的工藝和配套栽培措施的研究仍有待于進一步系統化。

3皇竹草替代控制紫莖澤蘭生物入侵應用研究

近年來，紫莖澤蘭入侵我國并形成極大危害。紫莖澤蘭結實多，籽實隨風傳播速度快，生存競爭力極強，其惡性傳播造成被侵害區域大面積生物多樣性的削弱和喪失，給我國的農、牧、林業帶來了極其嚴重的后果。在防治紫莖澤蘭的方法中，人工拔除法和藥劑防治法消耗人力物力極多，而應用天敵澤蘭食蠅又難以推廣。隨著環境保護意識的提高，人們日益重視替代控制紫莖澤蘭的研究［34－36］，利用紫莖澤蘭喜光不耐陰的特性，應用經濟價值高、密植、速生、遮蔽力強、適應力強的植物，通過構造植物間的相互競爭現象，最終以一種或多種新的生活力強的植物完全抑制紫莖澤蘭，從而實現植被的生態恢復［35，37－40］。姚朝輝等［41］以替代種植方式，應用皇竹草來防治紫莖澤蘭，發現皇竹草迅速形成極廣的覆蓋面，可成功地抑制紫莖澤蘭的生長和其種子的傳播。他們指出，兩者都來自美洲，具有相似的生長習性和環境適應能力，因而皇竹草是一種替代控制紫莖澤蘭的有前景的植物。張正文等［42］在紫莖澤蘭侵害區域塊狀或帶狀種植皇竹草，利用皇竹草的生長優勢影響紫莖澤蘭的生存環境。他們觀察發現，皇竹草生長速度為紫莖澤蘭的4倍，能形成天然屏障影響其籽實傳播;同時，紫莖澤蘭得不到充足的光照，難以合成有機物供根系吸收，導致植株生長勢減弱。眾多研究認為，以皇竹草為替代植物以草治草，先通過皇竹草迅速覆蓋遏制紫莖澤蘭生長，再套種喬灌木逐漸有效恢復自然植被多樣性，以草促林、以草促畜，可以實現科學生態治理的目標［39－40，42］。葛盛軍等［43］則在研究皇竹草對紫莖澤蘭的抑制效果后發現，稀植的競爭力和治理作用較密植弱，而且紫莖澤蘭未經人工鏟除時，以草治草的效果亦較差。綜合而言，對于應用皇竹草替代種植以治理紫莖澤蘭的惡性擴散的種植方式、植物配置模式以及其他配套措施上的研究與報道仍不多，對皇竹草替代種植防治紫莖澤蘭的相關生理生化指標變化以及其對生態環境產生的影響的系統跟蹤研究和報道也遠不夠深入。

4今后的研究方向

諸多研究和應用實例顯示，皇竹草在水土保持、植被修復等環境治理方面具有良好的應用前景。在生態環境惡劣或需退耕還林還草地區，林草結合的農林牧復合型生態經濟模式是一條行之有效的可持續發展道路［44］。系統研究與探索皇竹草在生態環境治理與修復上的應用，發展與其相配套的產業鏈，既可貫徹實施國家退耕還林還草建設長江、珠江流域生態屏障戰略，又有利于發展種養加一體化生態經濟型新農村模式，促進貧困山區農民脫貧致富。盡管目前國內對皇竹草在抗旱、抗鹽堿化、污水處理等生態環境治理上的應用研究較多，但對其相應的抗逆生理和植物學特點的研究國內外都鮮見報道，這必將極大地制約皇竹草的生態應用價值。因而，對于應用皇竹草進行生態環境治理以及其逆境生存的生理機制的研究仍有待不斷深入，而用外來物種控制入侵物種的生態后果如何也是應該深入研究的課題。