退化土壤種植能源植物的研究進(jìn)展

鄭麗芳，阮 麗

（1.衢州中等專業(yè)學(xué)校，浙江 衢州 324000；

2.浙江師范大學(xué)旅游與資源管理學(xué)院，浙江 金華 321004）

能源短缺和生態(tài)破壞已成為人類社會所面臨的巨大挑戰(zhàn)。據(jù)估計(jì)，地球上每年通過植物光合作用固定的碳達(dá) 2×1011t，含能量 3×1021J，被認(rèn)為是僅次于煤炭、石油、天然氣的第四大能源。因此，為解決能源短缺問題，世界各國掀起了研究能源植物的熱潮。

土壤圈是地球各圈層中最為活躍最富生命力的圈層。土壤退化是生態(tài)破壞中最為嚴(yán)重的部分。我國土壤退化面積廣、強(qiáng)度大、類型多，主要包括土壤鹽漬化、沙化、土壤重金屬污染、水土流失等[1]。隨著土壤生態(tài)系統(tǒng)植物修復(fù)研究的成熟，能源植物逐漸成為焦點(diǎn)。研究發(fā)現(xiàn)，許多能源植物具有抗旱、耐鹽、耐酸等生物學(xué)特性。如果能將能源植物的土壤生態(tài)修復(fù)功能充分發(fā)揮，人類所面臨的能源短缺和生態(tài)破壞兩大挑戰(zhàn)將會大大緩解。在退化土壤中種植能源植物的研究還處于試驗(yàn)階段，需要走的路還很長，但前景廣闊。因此，本文著重探討了不同土壤退化區(qū)種植能源植物的研究現(xiàn)狀，并對退化土壤種植能源植物的潛力進(jìn)行了分析。

1 能源植物概況

能源植物通常是指那些具有合成較高還原性烴能力、可產(chǎn)生接近石油成分和替代石油使用的產(chǎn)品的植物，以及富含油脂的植物。它是可再生能源開發(fā)的唯一資源對象。廣義的能源植物包含所有的陸地和海洋植物。狹義的能源植物指植物本身（不是籽粒）含有油脂或石油類似物質(zhì)的植物[2]。能源植物通過光合作用固定二氧化碳和水，將太陽能以化學(xué)能形式儲藏在植物中。能源植物是綠色世界的重要組成部分，科學(xué)家們預(yù)測，它將成為21世紀(jì)的動(dòng)力源泉。能源植物除直接燃燒產(chǎn)生熱能外，還可轉(zhuǎn)化成固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)燃料[3]。按照化學(xué)成分，能源植物分為三類：（1）富含類似石油成分的能源植物。石油的主要成分是烴類，富含烴類的植物是植物能源的最佳來源，生產(chǎn)成本低，利用率高，如麻瘋樹、油楠、續(xù)隨子、綠玉樹、古巴香膠樹等[4]。（2）富含碳水化合物的能源植物。利用這些植物所得到的最終產(chǎn)品是乙醇，如木薯、甜菜、甘蔗等[5]。（3）富含油脂的能源植物。據(jù)估計(jì)，約有7類高等植物中某一器官（多為種子）含油率在10%以上，有些含油率很高，如木姜子種仁含油率達(dá)55.4%，紅脈釣樟種子含油率高達(dá)44.9%[6]，還有蒼耳子等，這些既是人類食物的重要組成部分，也是工業(yè)用途非常廣泛的原料。能源植物具有4大優(yōu)點(diǎn)：（1）環(huán)保，能保持地球上大自然碳——二氧化碳的平衡；（2）可再生；（3）能源植物種類較多，易于普及推廣；（4）能源使用安全。

2 能源植物的土壤生態(tài)修復(fù)

土壤退化包括土壤侵蝕、沙化、鹽漬化、污染、耕地的非農(nóng)業(yè)占用以及土壤性質(zhì)惡化（如土壤板結(jié)、酸化、養(yǎng)分貧瘠化等）。能源植物的土壤生態(tài)修復(fù)研究主要是在土壤鹽漬化、沙化、重金屬污染、水土流失的修復(fù)。

2.1 土壤鹽漬化的修復(fù)

鹽漬土在我國分布較廣，從熱帶到寒溫帶、濱海到內(nèi)陸、濕潤地區(qū)到極端干旱的荒漠地區(qū)，均有大量鹽漬土的分布[7]。我國鹽漬土總面積約為3 600萬hm2，占全國可利用土地面積的4.88%。西北、華北、東北地區(qū)及沿海是我國鹽漬土的主要集中分布地區(qū)。我國耕地中鹽漬化面積達(dá)到920.9萬hm2，占全國耕地面積的6.62%[8-9]。鹽漬土是我國最主要的中低產(chǎn)土壤類型之一，其生產(chǎn)力水平與質(zhì)量狀況有非常密切的關(guān)系。同時(shí)，鹽漬土質(zhì)量的變動(dòng)過程較快，受人類影響明顯，不當(dāng)利用常迅速導(dǎo)致土壤的退化和生產(chǎn)力水平的降低。目前，耐鹽能源植物的研究主要是富含碳水化合物植物、富含油脂植物。富含碳水化合物的植物較多，包括甘蔗、甜菜、甜高粱、甘薯和菊芋等，而富含類似石油成分（烷烴、環(huán)烷烴）的能源植物比較少。

2.1.1 富含碳水化合物植物 糖類作物包括甘蔗、甜菜和甜高粱。除甘蔗外，甜菜和甜高粱都具較強(qiáng)的抗鹽堿能力，可以在沿海灘涂荒地上種植。甜菜適于北方氣候，耐干旱，目前其制糖量已占中國總產(chǎn)糖量的10%以上。甜高粱原產(chǎn)非洲，為碳四植物，生物產(chǎn)量高，可收獲1.5～6 t/hm2籽粒和60～75 t/hm2富含糖分（18%～21%）的莖稈[10-11]。

淀粉作物中的甘薯淀粉出酒率高，2.8～2.9 t甘薯干可生產(chǎn)1 t酒精，而生產(chǎn)同樣數(shù)量的酒精卻需要玉米3.2 t、小麥3.3 t[12]。郭小丁等[13]在濱海新墾鹽漬地上進(jìn)行甘薯耐鹽性種植試驗(yàn)，篩選出耐鹽性強(qiáng)、可在含鹽量0.5%左右的土壤上正常生長的甘薯品種有5個(gè)：魯薯1號、陜薯1號、內(nèi)紅3號、大白苕、紅砂薯，耐鹽性指數(shù)1.056～1.927，產(chǎn)量為31.71～38.59 t/hm2，淀粉產(chǎn)量達(dá) 7.93～9.65 t/hm2。

值得提出的是另一具發(fā)展前景的淀粉植物——菊芋。其主要成分是菊粉，占其干重的70%～80%。菊粉為多聚果糖，可以在酸或菊粉酶的作用下水解為果糖，是微生物發(fā)酵生產(chǎn)乙醇和油脂的良好糖源。菊芋對土壤的適應(yīng)性較強(qiáng)，能從難溶的硅酸鹽土層中吸收養(yǎng)分，即使在含鹽量7%～10%的鹽堿地上也能生長良好。由于菊芋獨(dú)特的生態(tài)適應(yīng)性，不僅能在濱海鹽堿區(qū)種植，還能在西北鹽堿區(qū)種植，菊芋的研究發(fā)展迅速。隆小華等[14]從全國各地?cái)?shù)十個(gè)菊芋品種中篩選培育了高耐海水、生物產(chǎn)量高、能量密度大、綜合利用前景廣闊的南芋1號、南芋2號菊芋品系。

2.1.2 富含油脂植物 棉花具有較強(qiáng)的耐鹽性，適于濱海鹽漬區(qū)生長，但需選擇高油品種種植，可用于生物柴油生產(chǎn)。

海蓬子，為藜科海蓬子屬（鹽角草屬）植物，在鹽生植物分類中，屬于莖肉質(zhì)化真鹽生植物，其種子中油含量達(dá)到27.2%～32.0%，其籽粒產(chǎn)量與產(chǎn)油量介于油菜與大豆之間。北美洲的美國、墨西哥，非洲的厄立特里亞、埃及，亞洲的沙特阿拉伯、中國、阿聯(lián)酋、科威特、也門、印度和巴基斯坦等國家都已成功種植[15]。

堿蓬，屬于藜科堿蓬屬，一年生肉質(zhì)草本鹽生植物。堿蓬種子也同樣富含油脂和蛋白質(zhì)，其種子脂肪含量占干物質(zhì)36.5%，出油率為26.1%，脂肪中不飽和脂肪酸占總脂肪酸的90%以上，是品質(zhì)優(yōu)良的食品和工業(yè)用油料。適合于用海水灌溉的潮間帶、海濱鹽堿地帶生長，廣泛分布于我國的東北、內(nèi)蒙古、河北、山東、江蘇等地。

海濱錦葵是錦葵科海濱錦葵屬多年生宿根、耐鹽的油料植物，自然分布于美國含鹽沼澤地帶，1992年被南京大學(xué)生命科學(xué)院鹽生植物實(shí)驗(yàn)室引種中國。在江蘇省大豐海堤灘涂區(qū)十幾年的試驗(yàn)表明，海濱錦葵是多年生多用途的優(yōu)良耐鹽草本經(jīng)濟(jì)植物[16]。海濱錦葵種子含有高蛋白質(zhì)和不飽和脂肪酸，低Na的營養(yǎng)結(jié)構(gòu)十分合理，可以作為優(yōu)良的保健品。海濱錦葵種子不飽和脂肪酸含量較高[17]，與其他的能源植物相比，海濱錦葵因其具有較高的耐鹽性、能利用鹽堿灘涂種植等優(yōu)點(diǎn)，可以作為生物柴油原料，具有較大的發(fā)展?jié)摿Α：蔚澫榈萚18]研究發(fā)現(xiàn)，我國目前獲得的海濱錦葵品系種子的產(chǎn)量和含油量與美國原產(chǎn)地仍有很大差距，說明海濱錦葵種子產(chǎn)量的提高和品質(zhì)的改良仍有很大空間。然而，目前的海濱錦葵自然生長群體急需改良，單株間種子產(chǎn)量和含油量存在顯著變異。

油葵是世界重要油料作物之一，是我國第四大油料作物。它耐寒、耐旱、耐鹽堿、耐瘠薄、適應(yīng)性強(qiáng)，已成為半干旱區(qū)和輕鹽堿地區(qū)的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)油料作物。其籽粒含油率高，一般達(dá)50%～70%，且油品質(zhì)好。油葵作為優(yōu)質(zhì)的生物柴油原料植物，其轉(zhuǎn)化為生物柴油的技術(shù)已經(jīng)成熟[19]。從1998年起，我國開始在海涂引種油葵的研究，在江蘇大豐海涂不同強(qiáng)度的鹽漬化土上種植從美國迪卡布公司引進(jìn)的G101B、DK3792、DK1油葵新品種，前兩個(gè)品種表現(xiàn)了很強(qiáng)的耐鹽能力，在含鹽量0.28%～0.35%的中度鹽漬化土上，單季產(chǎn)量達(dá)3 035.0～2 331.5 kg/hm2；在含鹽量0.62%～0.77%的強(qiáng)度鹽漬化土上，單季產(chǎn)量亦達(dá)到2 364.5～1 285.2 kg/hm2。為充分利用海水資源，從2002年起，在山東萊州海涂進(jìn)行大田海水灌溉油葵G101B的試驗(yàn)，20%海水灌溉下一年兩季單產(chǎn)達(dá)到6 163 kg/hm2，按含油率50%計(jì)，折植物油3 082 kg/hm2；40%海水灌溉下兩季產(chǎn)量也達(dá)到5 868 kg/hm2，折植物油 2 934 kg/hm2[20]。

2.2 土壤沙化的修復(fù)

全世界干旱區(qū)面積占全球陸地面積的24%。我國干旱區(qū)面積超過250萬km2，占國土總面積的1/4以上，其中干旱土的面積為116.9萬km2，占國土總面積的12.9%。水分是影響干旱區(qū)林木的生長和產(chǎn)量的主導(dǎo)生態(tài)因子，因此能源林植物的選擇，首要是其對干旱生境的抗旱適應(yīng)性，即抗旱能力的強(qiáng)弱，其次考慮其代謝效率，這樣才能達(dá)到預(yù)期的速生高產(chǎn)營林目的。

中國科學(xué)院、水利部水土保持研究所通過對刺槐、紫穗槐、山杏、沙棘等13種植物水分生理指標(biāo)的分析，發(fā)現(xiàn)沙化土壤的修復(fù)應(yīng)優(yōu)先選用沙棘和山杏，其次為沙柳、檉柳、沙棗、山桃和刺槐等；牧草中沙打旺抗旱性比紅豆草強(qiáng)[21]。

有些多年生植物由于抗逆性強(qiáng)、水肥利用率高、種植成本低、生態(tài)效應(yīng)好，被認(rèn)為是極有發(fā)展?jié)摿Φ哪茉粗参铮诎l(fā)達(dá)國家有廣泛研究。如歐美超過20 a的篩選研究確定了柳枝稷、芒草、草蘆和蘆竹是理想的能源植物種類。特別是草蘆，抗旱、耐寒能力好，熱值高（達(dá)到 16.9～19.3 MJ/kg），種植成本低，可在我國干旱區(qū)推廣種植。柳枝稷于20世紀(jì)80年代初因我國水土保持需要從美國引進(jìn)，目前零星分布于陜西、甘肅、寧夏、內(nèi)蒙古、廣西等地區(qū)[22]。自20世紀(jì)90年代，對黃土高原丘陵地區(qū)引種的柳枝稷的生理生態(tài)學(xué)研究表明，與白羊草、沙打旺比較，柳枝稷具有較高的水分利用效率，在黃土高原川地生物量可達(dá)13～16 t/hm2，在坡地的生物量可達(dá)2.2～2.6 t/hm2[23-24]。

多年生草本植物——菊芋根系發(fā)達(dá)，每株有上百根0.5～2m長的根系深扎土中。由于繁殖力強(qiáng)，只需2～3 a就會在土地表層形成茂密的菊芋莖和根系，牢固鎖住地表層水土。菊芋的細(xì)胞器在環(huán)境脅迫下的自動(dòng)調(diào)節(jié)能力，使其具有特殊的抗旱耐寒能力，因而在我國北方、西北干旱缺水地區(qū)的應(yīng)用前景廣闊。目前，我國的青海、陜西、內(nèi)蒙和遼寧等地已經(jīng)開展菊芋豐產(chǎn)栽培和荒漠化治理試驗(yàn)，取得的數(shù)據(jù)為菊芋在沙漠區(qū)的進(jìn)一步推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)[25]。

野生草本植物作為極為重要的戰(zhàn)略資源也已經(jīng)被世界上許多國家的科學(xué)家所重視。我國是世界上野生植物資源種類最為豐富的國家之一，約有野生植物1萬種，而且野生植物具有優(yōu)良的遺傳基因，抗旱、抗鹽、耐瘠薄，可以有效利用荒地和鹽堿地，還能治理荒山，改善生態(tài)環(huán)境。張偉玉等[26]研究了4種野生植物發(fā)現(xiàn)，野生蓖麻種子含油量高達(dá)40%以上，而且植株含油量也接近14%，且其細(xì)胞膜透性低、束縛水含量高，抗旱性強(qiáng)，是一種非常有潛力的抗旱能源植物。

2.3 土壤重金屬污染的修復(fù)

隨著礦產(chǎn)資源的深度開發(fā)，所產(chǎn)生的大量酸性礦井水和尾礦使礦區(qū)及其周圍地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)受到重金屬污染，所導(dǎo)致的植被、土地及水生態(tài)破壞問題已經(jīng)嚴(yán)重制約了經(jīng)濟(jì)和社會的可持續(xù)發(fā)展。植物修復(fù)重金屬污染土壤的機(jī)理主要是利用植物吸收重金屬，而植物本身不受毒害。對于重金屬污染土壤的植物修復(fù)，較高的植物生物產(chǎn)量及較高的體內(nèi)富集濃度是決定重金屬去除率的關(guān)鍵因素。能源植物具有較大的土壤重金屬污染修復(fù)潛力。

蘆竹是多年生能源禾草。通常，一年生作物需要將能量投入的50%用于耕作和播種生產(chǎn)，而多年生禾草的優(yōu)勢在于能把種植投入分散到整個(gè)栽培期間，這樣就使得能量輸出輸入比更高。蘆竹在6 a種植期內(nèi)的能量輸出輸入比為26～100（從施肥到不施肥），遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于谷類作物的8.5，甚至高于芒草。韓志萍和胡正海[27]的研究發(fā)現(xiàn)，蘆竹能在濃度為100 mg/kg 左右的 Cu2+、Pb2+、Cd2+、Zn2+、Ni2+、Hg2+和濃度為50mg/kg的Cr6+污染環(huán)境中正常成活，植株高度基本不受重金屬脅迫的影響。并且，土壤中重金屬濃度隨植物生長而降低，除被植物吸收和揮發(fā)外，還存在著重金屬向根際圈環(huán)境遷移的趨勢。盡管蘆竹不屬于重金屬的超富集植物，但它具有生物量大、根系發(fā)達(dá)、繁殖容易、抗病蟲害性能強(qiáng)等優(yōu)勢，對修復(fù)多種重金屬復(fù)合污染濕地有一定的應(yīng)用潛力，是一種值得重視的能源兼金屬污染治理的重要資源[28]。

五節(jié)芒是禾本科芒屬多年生草本植物，株叢高大，生長快，分蘗力強(qiáng)，生物產(chǎn)量高，適應(yīng)性廣，抗逆性強(qiáng)，可種植于荒山地、灘涂、農(nóng)業(yè)廢棄地等不宜種糧的土地上，是一種極有開發(fā)前景的能源植物。五節(jié)芒與重金屬關(guān)系的研究已有一些報(bào)道，國內(nèi)一些學(xué)者對廣西刁江流域和安徽有色金屬礦區(qū)一些植物的調(diào)查研究表明，五節(jié)芒對Mn、Ni、As和Zn均具有較強(qiáng)的吸收能力[29]；孫健等[30]在湖南郴州鉛鋅礦區(qū)的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，五節(jié)芒對鉛和鋅具有較強(qiáng)的吸收與轉(zhuǎn)運(yùn)能力。雖然五節(jié)芒對鉛、鋅、砷、錳和鎳等重金屬均具有較強(qiáng)的吸收能力，但均未達(dá)到超富集標(biāo)準(zhǔn)，被認(rèn)為屬于重金屬耐性植物。

現(xiàn)有研究表明，土壤施用可降解螯合劑EDDS后，可促進(jìn)纖維大麻、芥菜、玉米和向日葵等作物對污染土壤中重金屬的高量吸收和積累[31-32]。Linger等[33]發(fā)現(xiàn)，工業(yè)能源植物大麻對土壤中重金屬具有較高的毒性耐受能力。王國慶等[34]研究發(fā)現(xiàn)，在Cu污染土壤上種植紅麻，可望實(shí)現(xiàn)紅麻纖維的安全生產(chǎn)，同時(shí)有可能實(shí)現(xiàn)對輕度Cu污染土壤的植物穩(wěn)定和吸收修復(fù)。

馬淑敏等[35]研究發(fā)現(xiàn)，甜高粱不僅生物量大，而且對重金屬Cd有一定積累作用，在蚯蚓作用下其富集效果得到提高。所以在鎘污染土壤上種植能源作物甜高粱，不僅能夠解決土壤重金屬污染問題，而且還可以利用富集鎘后的甜高粱生產(chǎn)工業(yè)酒精，這樣也避免了吸附重金屬的植物難以處理而造成的二次環(huán)境污染，是一種同時(shí)解決環(huán)境問題與能源問題的新理念，發(fā)展前景廣闊。

2.4 紅壤區(qū)水土流失的修復(fù)

我國南方紅壤丘陵區(qū)水土流失嚴(yán)重。據(jù)南方東部閔粵贛漸桂湘和豫皖等部分地區(qū)統(tǒng)計(jì)，水土流失面積達(dá)0.2億hm2，占總土地面積的17.5%。水土流失導(dǎo)致土壤嚴(yán)重退化，惡化水土資源，破壞生態(tài)環(huán)境，是國民經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展的主要障礙[36]。紅壤具有酸、瘦、粘的劣勢。

象草系禾本科狼尾草屬多年生草本植物。象草在沙土和粘土中均能生長，且抗土壤酸性能力強(qiáng)，在pH值4～5的紅壤土中種植，均比蘇丹草、危地馬拉磨擦禾了、堅(jiān)尼草、高粱、玉米、甘蔗等飼料作物的適應(yīng)性強(qiáng)、產(chǎn)量高。象草的根系多分布在土層的40 cm左右，最深者可達(dá)4 m，因此能夠在貧瘠土壤地帶發(fā)揮固土保水、綠化護(hù)坡的作用。此外，象草的生長迅速，排擠雜草能力強(qiáng)。于我國長江流域以南的地區(qū)，只要能注意低溫期對象草生長的影響，抓住越冬期宿根的保溫環(huán)節(jié)，就會有可觀的經(jīng)濟(jì)、生態(tài)和社會效益[37]。

山桐子為大風(fēng)子科，山桐子屬落葉喬木。其適應(yīng)性強(qiáng)，耐旱、耐瘠薄，在酸性、中性、微堿性土壤上能正常繁殖生長?？衫蒙酵┳又圃焐锊裼?，其果實(shí)含油量達(dá)到36%～38%，高于菜籽油，可以與麻瘋樹油及棕櫚油媲美，而單株產(chǎn)油量高達(dá)25～30 kg，盛產(chǎn)期長達(dá)50 a。山桐子主要分布于我國秦嶺、淮河以南，如浙江、江西、福建、廣東等紅壤區(qū)，且在淺薄的石礫土、粗骨土、灰?guī)r土壤上也能較好地生長[38]。

3 存在的問題及展望

雖然能源植物的土壤生態(tài)修復(fù)研究日漸完善，技術(shù)也日趨成熟，但一些問題還有待進(jìn)一步解決。

3.1 存在的問題

能源植物在退化土壤上推廣種植仍然存在一些問題：（1）優(yōu)質(zhì)品種資源較為短缺，要達(dá)到同時(shí)具有較高的能源利用率和較強(qiáng)的土壤生態(tài)修復(fù)能力的能源植物品種還比較少，有待進(jìn)一步的探索研究；（2）連續(xù)多年的產(chǎn)量穩(wěn)定性還尚未得到全面評價(jià)；（3）高產(chǎn)高效的能源植物篩選和培育成本仍然較高；（4）目前能源植物的主要利用方式是直接燃燒、固化和氣化發(fā)電，生物與化學(xué)轉(zhuǎn)化利用仍處在試驗(yàn)研究階段；（5）對于一些用于土壤生態(tài)修復(fù)的能源植物的食品安全還有待進(jìn)一步研究；（6）由于一些能源植物生態(tài)適應(yīng)能力強(qiáng)，能源植物對其他生物群落的威脅有待進(jìn)一步研究。

3.2 展 望

由于世界土壤退化面積廣闊，耕地面積日益減少，能源供需矛盾日益突出，因而在退化土壤上種植能源植物具有廣闊的前景：（1）土壤圈是地球各圈層中最為活躍最富生命力的圈層，土壤生態(tài)系統(tǒng)的修復(fù)在全球生態(tài)的修復(fù)上有不可限量的作用；（2）有利于解決能源短缺問題；（3）隨著轉(zhuǎn)基因技術(shù)的成熟，更多的優(yōu)質(zhì)能源植物品種將被大量推廣種植；（4）隨著國際交流加強(qiáng)，人類將共同享有全球基因庫，便于發(fā)現(xiàn)更多優(yōu)質(zhì)能源植物，建群成本也將大大降低。

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