3個新引進(jìn)柳枝稷品種生長、栽培密度及生物量的研究

岳華峰，劉國順，，龐 輝，李相寬，汪志強(qiáng)，王留超

(1.國家林業(yè)局泡桐研究開發(fā)中心，河南 鄭州450003;2.信陽市林業(yè)科學(xué)研究所，河南信陽464031;3.新鄭市林業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展中心，河南鄭州450000)

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人民生活水平的不斷 提高，人類對能源的需求也節(jié)節(jié)攀升.石油、煤炭、天然氣等不可再生能源的掠奪式開采日益嚴(yán)重，全球不可再生能源的可開采年限在急劇減少，能源不足的問題日益迫切的擺在人們面前，因此尋找新的可再生替代能源成為擺在人類面前的一件迫在眉睫的工作［1，2］.可再生能源，特別是能源作物成了能源研究領(lǐng)域的新熱點［3］.生物質(zhì)能源是可再生能源，具有可貯藏性及連續(xù)轉(zhuǎn)化能源的特征，成為最有前景的替代能源［4］.柳枝稷(Panicum virgatum L.)隸屬于禾本科黍?qū)?，地理分布范圍廣，它起源于北美，是一種多年生暖季型 C4 草本植物［5，6］.美國長達(dá)10多年的研究和評估證明，將柳枝稷的生物質(zhì)與煤炭混燃發(fā)電，是成本最為低廉的生物質(zhì)利用方式，無論在近期還是長期都會在可再生能源中起重要的作用［7～9］.研究還表明，用柳枝稷制取的乙醇產(chǎn)生的能量是生產(chǎn)、收割和運輸植物以及將其轉(zhuǎn)化為乙醇所需要的能量的5倍［10］.目前，柳枝稷研究已在很多國家得到重視，阿根廷、英國、中國、印度、日本、希臘、意大利等許多國家都開展了引種試驗［11］，20世紀(jì)80年代，柳枝稷開始引入中國，但只在定西地區(qū)、北京郊區(qū)、陜西楊凌和定邊、寧夏固原等地有柳枝稷少量種植，引種柳枝稷的工作處于初級階段，系統(tǒng)的引種試驗研究尚未開展.本研究對Alamo，Kanlow，Cave-in-Rock3個品種開展了萌發(fā)試驗、生長過程觀測、種植密度、生物量測定等研究工作，為柳枝稷大面積在中國推廣應(yīng)用提供一些技術(shù)指導(dǎo)和理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2010—2013年對新引進(jìn)的3個柳枝稷品種進(jìn)行栽培種植，試驗地位于河南省中部的原陽縣境內(nèi)的國家林業(yè)局泡桐研究開發(fā)中心實驗基地(N34°53'～35°05'，E113°34'～113°52')，屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，植被屬暖溫帶落葉闊葉林，海拔75 m，年平均氣溫14.4℃，年降水量582.9 mm，其中60%集中在6～8月份，年蒸發(fā)量為2 034 mm，年平均日照時數(shù) 2 324.5 h，無霜期 224 d，土壤為黃河沖積風(fēng)沙土，沙粒較細(xì)，土層深厚，透氣性強(qiáng)，土壤肥力差，土質(zhì)偏堿性(pH7.5 ～8.5).

1.2 試驗材料

試驗材料為2010年初從美國引進(jìn)的3個柳枝稷種子，分別為 Alamo，Kanlow，Cave-in-Rock，均為多年生植物.

1.3 試驗方法

1.3.1 種子發(fā)芽試驗 種子發(fā)芽采用室內(nèi)發(fā)芽試驗，3個品種，每個品種做5次重復(fù)處理，每個處理100粒種子，試驗溫度25℃，3～5 d后統(tǒng)計種子發(fā)芽數(shù)量.

1.3.2 密度試驗 采用隨機(jī)區(qū)組試驗設(shè)計，密度4 個水平(2 250，3 750，5 250，6 750 g·hm-2)，3個小區(qū)，每小區(qū)3次重復(fù)處理，每個處理面積100 m2，收獲時每個處理全部收獲，統(tǒng)計和測量每個處理的干重，分析出最佳播種量.采用最佳播種量進(jìn)行隨機(jī)區(qū)組試驗，分3個小區(qū)，每小區(qū)3次重復(fù)處理，收獲時每個處理抽取3個樣方，每個樣方1 m2，統(tǒng)計和測量株數(shù)和干重，分析2者之間的關(guān)系.

1.3.3 生物量試驗 對3個品種的地下(根系)和地上(莖、葉)部分生物量進(jìn)行調(diào)查統(tǒng)計，調(diào)查采用抽樣調(diào)查方法，調(diào)查3個品種2 a生的生物量，每個品種隨機(jī)抽取樣方12個，每個樣方1 m2，測量地下和地上部分干重.

1.4 調(diào)查內(nèi)容與方法

主要調(diào)查發(fā)芽率、密度、株高、地上生物量、地下生物量等.株高調(diào)查方法是:對3個品種1 a生的觀測，每個品種設(shè)置9個固定樣株，定位、定期(15 d 1次，取樣點固定)觀測記錄樣株高生長和物候期，并進(jìn)行生產(chǎn)過程模擬，以相同方法，對2 a生的品種進(jìn)行觀測.生物量調(diào)查方法:分別收獲3個品種的地下和地上部分(莖、葉)，立即用水沖洗干凈，放在烘箱內(nèi)105℃下殺青15 min，然后在80℃條件下烘干至恒重，稱量其質(zhì)量.

1.5 數(shù)據(jù)分析

試驗數(shù)據(jù)采用Spss17.0軟件進(jìn)行方差顯著性分析，差異顯著水平為P=0.05;部分圖表及數(shù)據(jù)采用Excel軟件處理.

2 結(jié)果與分析

2.1 種子發(fā)芽分析

由表1可知，3個品種千粒重之間差異不顯著，其中 Cave-in-Rock千粒重最大，為1.71 g，Kanlow 最低，為1.52 g.從發(fā)芽率上看，Alamo和 Cavein-Rock的發(fā)芽率之間無差異(P=0.05)，與Kanlow差異顯著.3個品種發(fā)芽率較高，均值為91.87%.發(fā)芽率最高的為 Cave-in-Rock，96.67%，Kanlow發(fā)芽率最低，為85.33%.綜上可知，Cavein-Rock無論發(fā)芽率還是千粒重均為最大，種子相對飽滿，萌發(fā)率較高，Alamo次之，Kanlow最低.

2.2 植株生長分析

柳枝稷種子于4月中上旬出土，7～8月份出穗，9～10月種子成熟，生長周期有差異，其中Cave-in-Rock的生長期較短，生長速率較 Alamo和Kanlow快.從生長期來說，Alamo為177 d，Cave-in-Rock為146 d，Kanlow 為149 d.3 個品種株高，Cave-in-Rock為250 cm，Alamo為230 cm，Kanlow 為205 cm.植物生長采用2種方程(直線和生長曲線)進(jìn)行模型(表2)，得到:在生長周期內(nèi)，3個品種的種子生長顯現(xiàn)正增長，在直線模型中，b1的大小代表植株的生長變化速度，b1越大說明生長速率越快，表2中，Cave-in-Rock的b1為2.26最大，生長速率最快;在生長曲線模型中，常數(shù)項b0差異不大，b1大小決定植株生長快慢，從表2中可以得到，Cave-in-Rock的b1為0.015最大，生長速率最快，通過2個方程模型，均可以得到Cave-in-Rock生長速率最快，說明它的生長周期較短.

表1 種子萌發(fā)結(jié)果分析Table 1 The result analysis of seed germination

表2 3個品種生長模型Table 2 Growth model of three varieties

2.3 種植密度分析

對3個品種1 a生和2 a生種植密度與產(chǎn)量進(jìn)行分析(圖1，圖2)，在1 a生的密度試驗中，播種量在2 250～5 250 g·hm-2范圍內(nèi)，隨著播種量的增加，產(chǎn)量快速增加，當(dāng)達(dá)到5 250 g·hm-2時，產(chǎn)量開始穩(wěn)定，之后隨著播種量的增加，產(chǎn)量沒有出現(xiàn)明顯的增長，并受密度的影響，產(chǎn)量開始出現(xiàn)下落.在2 a生的密度試驗中，3個品種各個密度點的產(chǎn)量均出現(xiàn)大量增長，但變化規(guī)律和1 a生基本一樣，密度點為5 250 g·hm-2時，產(chǎn)量開始穩(wěn)定，并達(dá)到峰值.

2.4 密度及產(chǎn)量關(guān)系分析

圖1 1 a生種植密度與產(chǎn)量關(guān)系Fig.1 Relationship between the number of tress and production of 1-year-old plants

圖2 2 a生種植密度與產(chǎn)量關(guān)系Fig.2 Relationship between the number of tress and production of 2-year-old plants

圖3 1 a生Alamo密度與產(chǎn)量關(guān)系Fig.3 Relationship between the number of tress and production of 1-year-old Alamo plants

圖4 1 a生Cave-in-Rock密度與產(chǎn)量關(guān)系Fig.4 Relationship between the number of tress and production of 1-year-old Cave-in-Rock

圖5 1 a生Kanlow密度與產(chǎn)量關(guān)系Fig.5 Relationship between the number of tress and production of 1-year-old Kanlow

在播種量為5 250 g·hm-2試驗的密度時，3個品種1 a生(圖3，圖4，圖5)的模型中，株數(shù)與產(chǎn)量的關(guān)系均是產(chǎn)量隨密度的增大而增加，呈明顯的直線關(guān)系(正相關(guān))，沒有出現(xiàn)產(chǎn)量下降的密度點.2個品種(Alamo和Cave-in-Rock)2 a生(圖6、圖7)的模型中，株數(shù)與產(chǎn)量的關(guān)系與1 a生的相似，均是產(chǎn)量隨密度的增大而增加，呈明顯的直線關(guān)系(正相關(guān))，但是2 a生的產(chǎn)量要與1 a生的產(chǎn)量差異很大，Alamo的產(chǎn)量1 a生的為627～1 500 g·m-2，2 a生的為2 175～5 520 g·m-2，2 a生產(chǎn)量是1 a生的3～4倍;Cave-in-Rock的產(chǎn)量1 a生的為657～1 480 g·m-2，2 a 生的為1 488 ～5 850 g·m-2，2 a生產(chǎn)量是1 a生的3～4倍.

圖6 2 a生Alamo密度與產(chǎn)量關(guān)系Fig.6 Relationship between the number of tress and production of 2-year-old Alamo

2.5 生物量分析

3個品種中2 a生的Alamo的地上部分干重最大，Cave-in-Rock地上部分干重次之，Kanlow最低，僅為Alamo和Cave-in-Rock一半左右，經(jīng)統(tǒng)計檢驗，Alamo和Cave-in-Rock之間無差異(P=0.05)，與Kanlow差異顯著.植被地下部分的生長反映了植株的長勢［6］，通過測量，Alamo的地下部分干重最大，Cave-in-Rock地下部分干重次之，Kanlow最低，可見Alamo和Cave-in-Rock地下部分強(qiáng)于Kanlow，說明在該地區(qū)Alamo和Cave-in-Rock比Kanlow更適合生長，這也是植物生長適應(yīng)性的一種表現(xiàn).在3個品種根冠比(地下部分干重/地上部分干重)對比中，Alamo最大，Cave-in-Rock次之，Kanlow最低，也反應(yīng)出Alamo和Cave-in-Rock較適合在該地區(qū)生長.

圖7 2 a生Cave-in-Rock密度與產(chǎn)量關(guān)系Fig.7 Relationship between the number of tress and production of 2-year-old Cave-in-Rock

表3 生物量測定表Table 3 Biomass measurement table

3 結(jié)論與討論

3個品種的種子發(fā)芽率和種子千粒重，Cavein-Rock的發(fā)芽率(96.67%)和種子千粒重(1.71 g)均最大，Alamo次之，Kanlow最低.3個品種的發(fā)芽率均遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于范希峰等［12］人研究的種子發(fā)芽率(最高為52%)及千粒重(1 g)，可能是由于品種差異和2代種子的原因，范希峰的研究中未提及柳枝稷的品種.Cave-in-Rock的生長期最短為146 d，生長速率最快，Alamo的生長期最長為177 d，Kanlow的生長期為149 d;3個品種株高，Cave-in-Rock最高為250 cm，Alamo次之為230 cm，Kanlow最低為205 cm，3個品種的高度均高于陜西定邊種植柳枝稷高度(其中 Alamo為133.4 cm，Kanlow 為187.8 cm)［13］，可能是由于立地條件，尤其是水肥條件引起的差異，有待于進(jìn)一步開展引種試驗.

通過密度試驗，播種量低于5 250 g·hm-2時，隨著播種量的增加，產(chǎn)量快速增加，當(dāng)達(dá)到或超過5 250 g·hm-2時，產(chǎn)量開始穩(wěn)定，之后隨著播種量的增加，產(chǎn)量沒有出現(xiàn)明顯的增長，并受密度的影響，產(chǎn)量開始出現(xiàn)下落.在定量播種量5 250 g·hm-2時，單位面積內(nèi)3個品種1 a生和2 a生的株數(shù)與產(chǎn)量的關(guān)系均是產(chǎn)量隨密度的增大而增加，呈明顯的直線關(guān)系，但2 a的生產(chǎn)量顯著高于1 a生的，幾年生可以達(dá)到生物量最大值有待進(jìn)一步研究.本研究將為柳枝稷生產(chǎn)栽培密度選擇提供一定的理論依據(jù).

3個品種在黃河灘地的產(chǎn)量Alamo最高，Cavein-Rock次之，Kanlow最低.經(jīng)統(tǒng)計檢驗，Alamo和Cave-in-Rock之間無差異(P=0.05)，與Kanlow差異顯著.2 a生Alamo，Cave-in-Rock的地上部分干重分別為 31.03 t·hm-2和 30.98 t·hm-2，超過原產(chǎn)地美國常規(guī)產(chǎn)量 14.8 ～ 22.2 t·hm-2［14］，與北京地區(qū)種植的3種草本能源植物柳枝稷(28.33 t·hm-2)、荻(29.67 t·hm-2)和蘆竹(34.46 t·hm-2)的最高生物質(zhì)產(chǎn)量相似［12］，與楊凌種植的3個品種最大干物質(zhì)產(chǎn)量 Alamo(44.22 t·hm-2)、Cave-in-Rock(20.14 t·hm-2)、Kanlow(26.73 t·hm-2)［13］差異比較明顯，Alamo 在河南的產(chǎn)量要低于楊凌的最大量，Cave-in-Rock在河南的產(chǎn)量要遠(yuǎn)高于楊凌的產(chǎn)量，可見，不同地區(qū)相同物種差異性比較大.初步認(rèn)為Alamo、Cave-in-Rock是河南地區(qū)適宜的品種，可以在河南及中國中部地區(qū)種植.

Alamo，Cave-in-Rock適宜作為優(yōu)良的草本能源植物在河南及周邊地區(qū)推廣應(yīng)用，它們不僅生物質(zhì)產(chǎn)量高、品質(zhì)優(yōu)良，而且在水土保持、防沙治沙、鹽堿地治理等方面均具有廣闊的前景.但2種草在越冬能力和品質(zhì)特性上各有優(yōu)勢，進(jìn)行開發(fā)利用時應(yīng)根據(jù)需求合理選擇，另外2種草的引進(jìn)，是否會對當(dāng)?shù)夭莘N產(chǎn)生影響及是否會產(chǎn)生外來物種入侵現(xiàn)象，以及產(chǎn)能效率、經(jīng)濟(jì)效益及其在不同類型邊際土地上的適應(yīng)能力和生長狀況還有待進(jìn)一步深入研究.

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