能源牧草柳枝稷栽培管理研究進展

黃 瑾 高志娟 丁文利 安勤勤 王 智 徐炳成

（1.西北農(nóng)林科技大學 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室，陜西楊凌 712100；2.中國科學院水利部水土保持研究所，陜西楊凌 712100）

柳枝稷（Panicum virgatum L.）為一種暖季型C4叢生禾本科多年生草本植物，源于中、北美洲，具有廣闊地域適應(yīng)性，可有效地固碳保土，被廣泛用于水土保持、退化草地恢復以及青儲飼料生產(chǎn)[1-3]。相比其他多年生草本植物和傳統(tǒng)農(nóng)作物，柳枝稷具有較高的凈能源輸出，較低的維護成本、營養(yǎng)需求和灰分含量等，因而作為一種新型的模式能源植物備受關(guān)注[4，5]。研究表明，柳枝稷的產(chǎn)能是投入能量的五倍，美國能源部將其列為一種理想的可再生生物質(zhì)能源作物，并已用于燃燒發(fā)電、氣化和生產(chǎn)液體燃料（如生物乙醇）[6，7]。柳枝稷龐大的根系可用于防止河岸緩沖帶非點源污染，能有效地提高土壤有機質(zhì)含量，有效的儲存土壤碳，降低溫室效應(yīng)，可以顯著改善當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境[8，9]。

在北美、南美和非洲等地區(qū)，柳枝稷已有50多年的種植和利用歷史；在歐洲的結(jié)果表明，柳枝稷能適應(yīng)歐洲的多個地理環(huán)境，并表現(xiàn)出較高的生產(chǎn)力，并已用于生產(chǎn)乙醇及纖維素造紙[10，11]。我國對于柳枝稷的研究，期初是基于生態(tài)恢復建設(shè)的草種引種開始。監(jiān)測結(jié)果表明，在陜北黃土丘陵區(qū)，柳枝稷能夠適應(yīng)不同的立地生境條件，具有較高的生物量和水肥利用效率，表現(xiàn)出較強的生態(tài)適應(yīng)性及水土保持能力[12-17]。由于較強的廣域適應(yīng)性和高生物量，以及多元用途，種植柳枝稷能減少農(nóng)業(yè)投入，具有明顯的社會及經(jīng)濟效益，也利于一些偏遠地區(qū)農(nóng)民增加收入[4，8]。

科學合理的栽培體系和模式是實現(xiàn)柳枝稷大范圍種植利用的先決條件，也是提高其品質(zhì)的基礎(chǔ)。當前，在柳枝稷引種栽培存在的主要障礙有兩個：一是缺乏優(yōu)良品種，柳枝稷為野生種，其種子具有深度休眠特性，種源不足和質(zhì)量差是柳枝稷大規(guī)模種植的主要限制因子。因此，如何提高種子活力和培育無休眠特性品種，選育適合干旱沙漠、鹽堿及寒冷等不同生境條件的高抗高產(chǎn)品種，是實現(xiàn)柳枝稷廣泛利用的前提；二是缺乏針對不同區(qū)域特點的栽培與利用體系，柳枝稷品種較多，品種間抗逆性和生產(chǎn)潛力差異明顯，在實際生產(chǎn)中需要根據(jù)不同區(qū)域氣候和土壤環(huán)境特征等選擇相應(yīng)的品種，并建立合理的栽培管理技術(shù)體系。

本文在總結(jié)柳枝稷建植、管理和收獲等相關(guān)研究基礎(chǔ)上，圍繞柳枝稷栽培管理中相關(guān)問題進行闡述，以期為柳枝稷的大范圍栽培與合理利用提供參考。

1 生物學特性

柳枝稷主要靠種子進行繁殖，種子細小，表面堅實光滑。株高一般在0.5～2.7m，根系具有較強的生長和分蘗能力、分布深、抗拉力大，深可達3m，具橫向根狀莖。龐大的根系可以有效地抗?jié)晨购?，以及提高河岸緩沖帶抗沖能力[18]。柳枝稷葉片扁平，長30～80cm，寬0.8～1.3cm，被柔毛，兩面有蠟質(zhì)，圓錐花序長15～50cm，分枝末端有小穗，葉與莖連接處有白色絨毛[4，11]。

柳枝稷可分為低地和高地兩種生態(tài)型。低地型一般為四倍體，多生活在泛濫平原地區(qū)，株高一般為2.1～3.0m，莖稈粗壯、分蘗多，開花晚，生長速度快。高地型通常為六倍體或八倍體，以八倍體為主，多生活在干燥的高緯度地區(qū)，株高一般為1.5～1.8m，莖干細弱，呈半匍匐狀[20，21]。研究表明，低地品種柳枝稷較高地品種生物質(zhì)產(chǎn)量高、灰分含量少，更適合于生物質(zhì)燃料發(fā)電[22]。

柳枝稷基本染色體x=9，染色體倍性在二倍體2n=18到十二倍體12n=108間均有[22]。柳枝稷形態(tài)多樣，并具有較高的自我不親和性[23]。

柳枝稷生物量主要受土壤類型和地理條件影響。在我國陜北黃土丘陵區(qū)，川地生長第五年的柳枝稷草地產(chǎn)量可達16t·hm-2，坡地和山地梯田約為2.65 t·hm-2[10]。在寧夏固原，生長第五年的Cave-in-Rock和Illinois US柳枝稷地上部分干物質(zhì)量可分別達到12.3 t·hm-2和10.93 t·hm-2[19]。

2 柳枝稷草地建植

影響柳枝稷建植成敗的因素主要包括生長條件、種子質(zhì)量與休眠、播種方法以及田間管理等[4，24]。

2.1 土壤類型及苗床準備

柳枝稷能適應(yīng)多種土壤類型及酸性土壤環(huán)境，在中性土壤條件下生長最好，最適宜的土壤pH值一般為4.9～7.6[25]。柳枝稷較適應(yīng)于含有一定量磷，鉀和石灰性土壤上生長（或可以采用這種方式處理播前土壤）。因此，種植前應(yīng)檢測土壤pH值，若pH<5.0，應(yīng)適當施堿石灰[26]。柳枝稷播種可以采用免耕技術(shù)，也可使用傳統(tǒng)苗床。Monti等[27]在意大利南部對比4種苗床（耕作、播后碎土鎮(zhèn)壓、播前播后均進行碎土鎮(zhèn)壓、免耕）對柳枝稷種子出苗率的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過鎮(zhèn)壓的苗床（單次和雙次）種子出苗率要比不碎土鎮(zhèn)壓的苗床高20%左右，而免耕的出苗率相比較其他苗床稍微偏低。采用傳統(tǒng)苗床時，苗床須平整、緊實、均一，種植前應(yīng)將苗床表層農(nóng)作物及雜草殘落物清理干凈，播種后碎土鎮(zhèn)壓，使柳枝稷種子與土壤良好接觸，提高建植成功率。實際生產(chǎn)中具體采用何種方法，要結(jié)合當?shù)赝寥拉h(huán)境，免耕播種比較適用于斜坡或是水土流失嚴重地區(qū)[27]。

2.2 品種選擇

對特定地區(qū)來說，選育最適合的柳枝稷品種，需充分考慮其在該地的產(chǎn)量、品質(zhì)和抗逆性表現(xiàn)[4]。高地品種較低地品種耐旱耐冷，但生物量潛力較低[28]。柳枝稷是一種光敏感型植物，只有種植在與其起源地緯度相近地才能獲得高產(chǎn)[29]。起源于北方的品種種植在南方，產(chǎn)量會下降[8]，而起源于南方的品種種植在北移不超過480 km范圍內(nèi)，卻能表現(xiàn)更高的生物量，這主要是因為推遲了其開花期，延長其營養(yǎng)生長期[30]。對比研究發(fā)現(xiàn)，低地品種如Alamo和Kanlow能更好適應(yīng)于中緯和南緯地區(qū)；高地品種，如Cave-in-Rock、Sunburst、Forestberg則在中緯和北緯地區(qū)生長良好[31]。此外，通過基因育種培育新品種，如低地品種EG1101、EG1102和高地品種EG2101（分別為Alamo、Kanlow和Cave-in-Rock的改良品種），比原品種生物量高出約20%，成為首批用于生產(chǎn)的商業(yè)化品種[25]。概括而言，實際利用中盡可能選擇低地品種，或使南方品種適當北移，以延長生長期和提高產(chǎn)量。

2.3 種子休眠破除

柳枝稷種子屬于深度休眠類，種子質(zhì)量差、休眠和發(fā)芽率低是影響柳枝稷苗期建植成功與否的關(guān)鍵因素。新收獲的柳枝稷種子具有深度休眠性，播種需要利用自然狀態(tài)下至少貯藏2年的種子，或可選擇在冬末春初利用土壤本身的冷濕環(huán)境打破休眠播種。在室溫條件下儲存一年以上其休眠程度顯著減弱。研究發(fā)現(xiàn)，儲存超過4年柳枝稷種子活力也顯著降低[25]。關(guān)于柳枝稷種子的休眠機制尚不完全清楚[32，33]。Duclos等（2009）認為種皮是引起柳枝稷種子休眠的主要原因[32]。種子干藏、擦種，浸泡均對破除柳枝稷種子休眠有不同程度的作用，其中以濕潤冷凍層化最有效[34]。濕潤冷凍層化有兩種：一是人為使種子預先在一個寒冷潮濕的環(huán)境中經(jīng)歷2周的冷凍層化作用，并儲存到播種時期，需要注意的是，經(jīng)過冷凍層化作用處理的種子必須種植在一個溫暖、潮濕的苗床中，否則可能會使破除休眠的種子再次進入休眠[35]。二是通過自然冷凍層化作用，在一些寒冷地區(qū)的11月份或是12月份進行免耕播種，通過土壤的濕冷環(huán)境使種子經(jīng)歷一個自然的冷凍層化作用打破休眠[35]。

2.4 播種管理

影響柳枝稷種子萌發(fā)的自然因素主要包括地理位置、土壤水分和溫度等，以此來確定合適的播種量、播種時間，播種深度及行距等。Mooney等（2009）[36]在美國田納西州研究發(fā)現(xiàn)，相對其他因素，播種量對柳枝稷產(chǎn)量影響不顯著。West等（2011）[37]對比四種（4.48、6.72、8.96和11.2kg·hm-2）播種量，發(fā)現(xiàn)4.48kg·hm-2播種量僅在建植當年產(chǎn)量最低，其后與其他播種量無顯著差異，并認為該播種量完全可以實現(xiàn)柳枝稷的成功建植。低播種量雖可建植成功，但較高的播種量能夠確保苗數(shù)和密度，是實現(xiàn)高產(chǎn)的基礎(chǔ)。一般推薦柳枝稷的平均播種量為5.6kg·hm-2，土壤肥沃地區(qū)可低至2.24 kg·hm-2，而貧瘠惡劣地區(qū)可高達11.2kg·hm-2[38]。實際上，播種量的確定不僅要考慮當?shù)刈匀画h(huán)境條件，還要考慮種子休眠性（即發(fā)芽率），適當高播種量利于出苗率和成功率。

當苗床表層土壤溫度在10oC以上，并且存在少量水分時為最佳播種時期，水分過多或苗床過干均可降低柳枝稷種子發(fā)芽率[39]。在歐洲北部，播種時間一般在每年的四月末或五月份[40]。當柳枝稷種子種齡不足一年，且沒有經(jīng)過冷凍層化處理，可在每年11月中旬到4月中旬播種，以通過自然冷凍層化作用打破種子休眠提高發(fā)芽率[36]。在我國西北地區(qū)，早春4月份土壤溫度較低，表層土壤易干燥，此時播種需適當覆膜，以提高土壤溫度，促進種子萌發(fā)。若選擇在雨季前的7月份播種，可采用干草等覆蓋保存水分和避免高溫灼燒，且播前適當灌溉均能顯著提高種子出苗率[40]。

柳枝稷播種深度需綜合品種、土壤類型和環(huán)境因子確定。Berti等（2013）[41]分別對比了4種（13，19，30，38mm）播種深度下柳枝稷出苗率得出，播種深度為13mm時種子出苗率最高（80%），當超過13mm時，出苗率隨播種深度增加而降低；同時在室內(nèi)比較了3種土壤類型及0～64mm間7種不同的播種深度發(fā)現(xiàn)，播種深度對柳枝稷出苗率影響不顯著，在黏質(zhì)土壤中出苗率最高，認為在粗糙質(zhì)地土壤中柳枝稷播種深度為13mm。在我國半干旱地區(qū)，淺播（10～20mm）較深播（30～40mm）出苗率更高[40]。

關(guān)于播種行距對柳枝稷生物量的影響，有研究發(fā)現(xiàn)，當行距從15cm增加到61cm時，柳枝稷生物量變化對行距變化并不敏感[42]。Muir 等（2001）[43]從窄到寬的四種行距（25、50、75、100 cm）實驗表明，種植行距從寬到窄柳枝稷的產(chǎn)量依次增加。就建植當年來說，窄行距較寬行距更利于柳枝稷迅速形成冠層，以及有效控制雜草生長[40]。在黃土高原半干旱區(qū)，實行窄行播種不僅可以迅速形成冠層控制雜草生長，而且在降低土壤水分蒸發(fā)和保證植物群叢生物量方面要優(yōu)于寬行距[10]。建植成功后，行距不是影響柳枝稷生物量的關(guān)鍵因素，因其也存在自疏行為[44]。

2.5 肥料管理

柳枝稷對肥料的要求不高，但合理的施肥有利于提高生物質(zhì)產(chǎn)量和改善品質(zhì)等。研究發(fā)現(xiàn)，柳枝稷氮肥利用效率很高，其氮肥施用量為玉米的1/3～1/2，對P、K肥反應(yīng)不敏感，在建植期間，一般不需要施用P肥和K肥，除非含量低于正常水平（K肥低于202kg·hm-2，P肥低于22kg·hm-2）[25]。關(guān)于柳枝稷生物量對于氮肥施用的響應(yīng)，前人做了大量研究，但這些研究結(jié)果不盡相同，主要是因為影響氮肥的因素很多，如栽培品種、收割次數(shù)與時間、土壤類型等等[43-45]。當柳枝稷用作能源植物生產(chǎn)時，因主要在生長末期收獲，這時莖部及葉片中的氮會通過體內(nèi)循環(huán)轉(zhuǎn)移到根部，需要補充額外氮肥較少[33]。當柳枝稷用作飼草生產(chǎn)時，一般要在生長早期進行收獲，這樣會從土壤中轉(zhuǎn)移較多的營養(yǎng)元素，需要在夏初到夏中補施氮肥。一般認為，建植當年不需施用氮肥，因為這會促使雜草生長，導致建植失敗[46]。在美國東南部地區(qū)，種植在壤土、淤泥、黏土或每年一次收割，從建植第二年起，為保證產(chǎn)量每年需施56～112kg·hm-2氮肥；當種植在淺灘、地表侵蝕等粗質(zhì)土壤中或雙次收割中時，氮肥用量需超過112kg·hm-2，且為避免一次施肥過多造成燒苗，分施較好[47，48]。

2.6 雜草與病蟲害防治

有效的田間雜草管理對柳枝稷生產(chǎn)非常必要。在建植當年，由于柳枝稷競爭能力很弱，雜草的良好控制與否，會顯著影響柳枝稷草地的建植[49-50]。研究發(fā)現(xiàn)，在柳枝稷建植前一年，通過種植先前作物如小米和高粱，可明顯抑制一些暖季節(jié)型雜草生長[37]。利用化學除草劑能顯著提高柳枝稷建植成功率：如2-4D能顯著抑制雙子葉草類生長[52]，阿特拉津能顯著抑制闊葉草及C3等冷季節(jié)型雜草生長，但其對暖季節(jié)型雜草影響甚微[53，54]。Mitchell等（2010）[55]播種后施用不同類型除草劑對比發(fā)現(xiàn)，甲咪唑煙酸對柳枝稷有一定毒害作用，不能用作柳枝稷建植時防治雜草的方法，而快殺稗和阿特拉津聯(lián)合使用，不僅可使柳枝稷建植成功，而且可獲得最高生物量。當柳枝稷免耕播種時，可在播前或出苗前使用除草劑甘草磷，能顯著降低雜草生長[56]。此外，人工除草或?qū)﹄s草進行修剪也能有效防治雜草，但高度須大于柳枝稷幼苗高度，不能夠損傷柳枝稷葉片[51]。焚燒也是控制雜草尤其是多年生雜草有效方法[27]。由于柳枝稷對病蟲害的抵抗能力很強，一般不需要進行病蟲害防治。

2.7 收獲管理

對柳枝稷等能源作物來說，收割次數(shù)的多少不僅影響其生物量還影響能源品質(zhì)[57]。Reynolds等（2000）[58]研究發(fā)現(xiàn)雙次收割較單次收割植株的礦質(zhì)元素含量更高。Monti等（2008）[59]研究了收割次數(shù)對高地和低地品種柳枝稷品種長期生產(chǎn)力影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，雙次收割只在建植前兩年能夠增加高地品種地上部分生物量，對低地品種無顯著影響，但會降低柳枝稷后續(xù)年份的活力和生產(chǎn)潛力。一般認為，雙次收割對濕潤和寒冷地區(qū)較為理想，第一次收割于夏中或夏末進行，第二次于秋季進行。一年一次收獲對柳枝稷用作能源生產(chǎn)最合適，收獲時間一般在首次霜降后一個月左右進行[60]。適當?shù)难舆t收割不僅能保證高產(chǎn)的同時，也能顯著降低其含水量以減少收割和干燥成本，還能降低生物質(zhì)灰分含量，改善燃燒品質(zhì)和提高燃燒效率[61]。霜降后，推遲收獲時間會造成生物量顯著降低[62]。因此，生產(chǎn)中應(yīng)根據(jù)不同品種的枯黃時期和最終利用目的來確定最佳收割時間。

適宜的留茬高度能夠促進禾草分蘗與再生，保證產(chǎn)草量和改善營養(yǎng)價值。留茬過低會損害到牧草冠層結(jié)構(gòu)，降低次年再生長，其原因是高留茬一方面能夠相對增加地表粗糙度，有效降低近地表風速，對于防止坡地水土流失具有明顯的蓄水保墑效果。一般認為，不論采用何種收獲制度，柳枝稷留茬高度不得低于15cm[25]。這不僅可避免損壞收獲機械，還可在冬季截獲雪保留水分，降低土壤侵蝕，且適當留茬還可使柳枝稷莖基部保存一定氮素和糖類，為來年再生長奠定營養(yǎng)物質(zhì)條件。

3 結(jié)論與展望

利用邊際土地發(fā)展生物質(zhì)燃料可有效避免與糧爭田、與人爭糧的矛盾，是目前發(fā)展生物量新能源最為可行的方式之一。據(jù)統(tǒng)計，我國有可以直接利用的荒山、荒坡和鹽堿地等邊際土地約260萬hm2[63]。若將這些邊際土地種植像柳枝稷這樣水肥需求量少、生產(chǎn)和維護成本低、持續(xù)時間長的抗逆能源植物，將可以最大限度地利用土地資源，促進區(qū)域生態(tài)改善。

黃土高原半干旱地區(qū)特殊的自然地理環(huán)境和土壤類型，以及不合理的土地開發(fā)利用等，使其成為我國嚴重的水蝕與荒漠化地區(qū)之一。柳枝稷既可作為牧草，也可作為水土保持和風障植物。合理利用柳枝稷不僅能夠豐富和拓寬該地區(qū)的牧草種質(zhì)資源，還能發(fā)揮區(qū)域生產(chǎn)潛力和起到防治水土流失和荒漠化的功能[64，65]。柳枝稷強大的根系，良好的生產(chǎn)性能和適應(yīng)性使得柳枝稷具有較強競爭力。因此，在利用過程中，需要針對區(qū)域環(huán)境條件，圍繞品種適應(yīng)性、資源有效性與生物入侵性開展合理的利用途徑，以及配套的栽培措施，以提高利用的針對性和降低生態(tài)風險性[16]。

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