高丽丽张潇逸边江东王晓美李强

(1.榆林学院陕西省陕北矿区生态修复重点实验室，陕西 榆林 719000；2.榆林市固废资源化利用工程技术研究中心，陕西 榆林 719000)

引言

柳枝稷(Panicum virgatum L.)是禾本科稷属多年生草本植物，具有很强的生态适应性。前期研究发现，柳枝稷在我国不同地区的生态适应性表现存在差异，相关研究主要集中在黄土高原、黄河三角洲以及北京周边地区，其方向聚焦在柳枝稷的抗寒抗旱性能、抗盐碱性能、抗重金属胁迫性能以及能源草、生态草、饲料草开发等领域，且取得了较为丰硕的成果。近年来，随着生态文明建设的快速推进，加之“3060双碳”目标约束，柳枝稷在生态修复治理和乡村振兴领域的应用潜力研究显得极为紧迫。

陕西榆林市位于毛乌素沙地东南缘，是我国“三北”防护林体系建设的重要生态屏障区，尽管当前毛乌素沙地治理取得了显著成效，但由于地区生态本底脆弱，造林质量不高、林木退化严重、生态自我修复能力较差、资源开发导致生态破坏等原因，已治理的毛乌素沙地仍然存在“二次沙化”[1]风险。同时，榆林为全国非牧区畜牧业第一大市、陕西畜牧业生产基地，并启动羊子“双千万”工程，面临巨大的饲料缺口。这些新老问题相互交织，严重制约榆林市农牧业高质量发展和生态修复效益。

为此，本文采用资料查阅、调研实践与试验分析相结合的研究方法，在了解柳枝稷基本特性的基础上，系统剖析了柳枝稷生态适应性。同时借助SWOT分析，研究了柳枝稷在陕北榆林的应用潜力，为柳枝稷榆林引种用于生态修复及饲草产业开发提供参考。

1 柳枝稷的基本特性

1.1 生物学特性

柳枝稷生态类型主要有2种：适应干旱环境的细茎高地生态型，该品种茎秆细长，分枝较多，长势较缓，株高1.5～2m；植株高大，茎秆粗壮，成束生长，株高可达3～4m的低地生态型，主要分布在潮湿地区。柳枝稷一般在春季播种效果较好，穗期8—11月。播种方法多为条播或撒播，不同地区根据当地土壤情况选择合适的播种方式。一般情况下播种行距50～80cm，播量10～15kg·hm-2。有研究发现，从产出率来看，柳枝稷实行窄行种植更加具有优势，窄行更利于柳枝稷形成冠层，防止杂草生长，减少水分蒸发，也能够增加生物质产量。在壤土或黏土中播种，最佳播种深度为1～2cm。在沙质土壤上播种，播种深度以3～10cm为宜。由表1可以看出，柳枝稷通常拥有较大的生物量，在北京地区种植柳枝稷，生物量可达28.33t·hm-2。针对不同品种，低地型柳枝稷Kanlow的生物量最高，而高地型柳枝稷Nebraska的生物量最低。柳枝稷引种到黄河三角洲种植后，出苗率和移栽成活率可达90%以上，鲜草和种子产量分别高达7350kg·hm-2和203kg·hm-2。

表1 不同地区柳枝稷生物学特性

于2022年5月在陕西榆林进行柳枝稷种植试验，供试品种为九圣禾，结果显示，柳枝稷在榆林的生态适应性表现良好，与其他地区相对比，榆林地区种植柳枝稷的株高和叶面积处于中上水平，尤其生物量远高于其他地区，产业发展优势明显，见表1。

1.2 发芽特性

柳枝稷的适应性主要表现在2个方面，即地域分布广，以及能适应多种土壤环境[6]。有研究表明，柳枝稷种子萌发的最低温度为10.3℃，最适宜的温度在30℃左右，且种子发芽有最适温度、最高温度和最低温度3个基本温度点。在低温下，温度对胚胎活性物质的代谢起主导作用；在高温下，温度对胚胎活性物质的变性起主导作用，最佳生长温度是35°C。柳枝稷种子发芽不仅需要合适的温度，也需要一定的时间进行温度积累。若温度为25℃时，适宜处理时间为90～120d，30℃时处理时间为75～105d。笔者选取了西北农林科技大学课题组的11个柳枝稷品种，结果发现，11个品种的平均发芽率为74.60%，“华农887号”最低，发芽率为42.67%；“先玉252号”发芽率最高，达到86.67%；“树地2016”和“雷润609”则达到了84.67%和81.33%。

图1 不同品种柳枝稷种子发芽率

1.3 营养特性

柳枝稷的木质纤维素含量主要包括纤维素、半纤维素和木质类。朱毅等在北京小汤山选用3个品种的柳枝稷测量其木质纤维素含量，认为低地型Alamo的木质纤维素含量高于Bay Canada和Cave-in-Rock；另外，对比其他人的研究，显示Alamo在不同地区种植后的木质纤维素含量基本接近一致，见表2。不仅如此，柳枝稷的价值和效益是多方面的，具有适应性强、干物质产量高、生态效益高、抗虫性强等多重优势。柳枝稷的价值是从单位面积的干物质、乙醇产量和碳封存的经济价值来评估的，对我国可再生能源的发展有着重要价值。

表2 柳枝稷木质素和纤维素含量

2 柳枝稷的生态适应性

2.1 抗寒抗旱性

干旱会降低植物的光合作用，引起植物根系自疏影响植物的正常生长。在干旱胁迫条件下，柳枝稷幼苗可通过增加游离脯氨酸和可溶性糖含量来减轻土壤干旱胁迫的损害，表现出一定的抗旱特性。由表3可以看出，在四川和北京种植的柳枝稷，高地品种相较低地品种SOD的活性更强一点，并且低地型的游离脯氨酸含量远高于高地型，能够更稳定地维持酶的活力，总体上低地型柳枝稷表现出更好的抗旱性能，这与常雯雯的研究结果一致。不同生态型柳枝稷在自然维持处理下的超氧化物歧化酶、过氧化物酶、过氧化氢酶活性均显著升高，低地型柳枝稷的超氧化物歧化酶、过氧化物酶、过氧化氢酶活性均显著高于高地型，且不同品种间存在显著差异相似。

表3 柳枝稷主要渗透调节物质和抗氧化酶活性

2.2 抗盐碱性

土壤盐碱化是我国困难立地条件下土地资源利用和开发的主要障碍之一，盐碱地的绿色改良与植物高效种植产业化技术开发极为迫切。有研究发现，不同品种的柳枝稷在盐碱地的表现存在差异，综合表现优异的品种有Cave-in-Rock、Alamo和Kanlow，这3种柳枝稷的光合能力较好，产量也相对于其他品种较高；其次是Pathfinder、An-sai和Forestberg；最差的是Black Well、Nebraska 28、Trailblazer、New York、Japan。部分研究发现，盐碱地种植柳枝稷生长会受到显著抑制，其耐盐阈值为178.6mmol·L-1NaCl。在60mmol·L-1加pH为8的盐碱胁迫下柳枝稷能维持一定的正常生长。种植柳枝稷后，土壤中SO42-、Cl-、Na+的含量呈下降趋势，而Ca2+、Mg2+的含量呈上升趋势，土壤中Ca2+、Mg2+含量与柳枝稷的种植年限呈正相关。也有研究认为，Na+是造成植物盐害和土壤盐碱的主要离子，而Ca2+和Mg2+可代替Na+进入渗滤水中置换增加，Ca2+的溶解量和Na+的淋溶载体逐渐增加。土壤中有害盐离子会随着柳枝稷种植年限的增长而降低，土壤的改良作用也就越显著。还有研究发现，柳枝稷能适应黄河三角洲的气候和土壤环境，其中Alamo适应性强，是黄河三角洲盐碱地最适宜种植和推广的品种，大规模种植柳枝稷也是有望改善土壤盐碱化的有效途径。

2.3 抗重金属胁迫性

随着工业化进程的不断推进，土壤污染日益严重，特别是重金属污染的修复极其困难。有研究发现，柳枝稷能够在多种类型的土壤上生根发芽，即使在重金属污染严重的土壤上也能生长，柳枝稷对重金属镉表现出更好的耐受性。柳枝稷种子对镉不敏感，柳枝稷种子的发芽一般不受镉的影响。在保证柳枝稷正常生长的前提下，使镉富集最大化的外界环境镉和pH值范围为50～175μmol·L-1和4.1～5.9。也有研究发现，镉胁迫下柳枝稷根系将较多的镉存储于可溶性液泡中，可能是降低镉毒害、限制镉转运到地上部的重要机制。Cd对柳枝稷生物量影响有“低促高抑”的现象，只有当土壤中的镉浓度达到50μmol·L-1以上时，柳枝稷的生物量才会显著降低。不同品种的柳枝稷对镉的耐受性表现不同，如宋刚等研究认为，柳枝稷Alamo能够在Cd含量为1mg·kg-1乃至更高的污染土地中种植，且生物量不会因Cd胁迫抑制而下降。胡冰珏研究发现，Kanlow是镉胁迫下水分利用率最高的品种，最低的是Cave in Rock，且高地型柳枝稷的水分利用率多数都低于低地型[10]。

3 榆林市柳枝稷发展的SWOT分析

柳枝稷发展的SWOT分析就是将与柳枝稷密切相关的主要内部优势S(Strengths)、劣势W(Weaknesses)和外部机会O(Opportunities)、威胁T(Threats)进行系统分析，并依照矩阵形式排列，把上述因素相互匹配起来加以分析，从中得出较为可靠的结论。

3.1 优势-S(Strengths)

3.1.1 地域优势

榆林市地处国家退耕还林、三北防护林、天然林保护、京津风沙源治理等工程的核心区域。70年的治沙历程中选择了良好的植物品种，但这类生态树种、草种植被因缺乏经济效益出现了“重栽植、轻管护”的局面。林地管护基本靠政府林地补贴维持，林地收益几乎为零，林农不愿管护，大面积的生态林出现林种单一、林分过熟、成片死亡、存在二次沙化的潜在风险。

3.1.2 效益优势

柳枝稷有耐盐碱、抗寒旱的生物学特性，具有较宽的生态位，不仅可以用于榆林采煤沉陷区生态修复和盐碱地改良，而且具有替代低效益草种，丰富植物种群，实现可持续发展生态的巨大潜力。目前以沙蒿、黄蒿等大面积的低经济价值的灌草已经实现了固沙目的，但自然繁殖后形成的生态群落及其花粉浓度过大带给人们不良反应也日趋凸显，亟需新物种减量替代。同时，作为饲草，柳枝稷种植成本低，生长迅速，植株可高达2m，最高产量可达74t·hm-2，高产期可持续15年，对环境适应性强，可以与苜蓿、蛋白桑等一起复配解决饲草饲料资源短缺问题，促进榆林市生态治理和畜牧业协同发展。

3.2 劣势-W(Weaknesses)

作为禾本科植物，柳枝稷拥有较大的生长量，需水较多。有研究报道，柳枝稷对土壤水分条件的要求较高，选择雨季期间种植较为合适。黄瑾等[11]的研究显示，柳枝稷第1年的耗水量最低，随着年份的增加逐年递增，到第5年达到最高耗水量771.03mm，第6年降到600mm左右，其他年份的耗水量基本处在500mm以下。为此，在榆林适宜于种植在盐碱滩地，煤矿开采的下湿滩地较为理想。同时通过与苜蓿、沙打旺等植物混播，充分利用生长空间，实现将劣势转化为优势。

3.3 机会-O(Opportunities)

3.3.1 经济转型，绿色发展

在“双碳”背景下绿色经济转型对实现资源型城市可持续发展具有重要影响。榆林市作为典型的煤炭资源型城市，因煤而兴，同时也存在经济对煤炭资源过度依赖而带来的一系列的生态问题，在碳中和目标下榆林经济低碳转型、绿色发展迫在眉睫。

3.3.2 尚未推广种植，发展前景广阔

榆林是我国非牧区畜牧业发展的第一大市，也是陕西省畜牧业生产基地。“十四五”期间，羊子产业在榆林将打造为“四个百亿”级产业之一，并启动“白绒山羊、湖羊双千万只”工程。为此，榆林畜牧业发展将面临巨大的饲料缺口，尤其是蛋白饲草严重短缺，严重制约榆林市农业高质量发展和乡村振兴战略实施。因此，加快发展“草畜两用”的柳枝稷成为一项市场前景广阔的朝阳产业和优势产业。

3.4 威胁-T(Threats)

3.4.1 环境污染风险加剧

随着榆林能源资源开发速度不断加快、规模不断扩大，由此带来的环境问题也越来越突出。煤化工产生的次生污染来源复杂，污染形式多样，土地利用结构复杂，呈现出多极化、交叉污染和复合污染的特征。同时煤矿开采扰动使生态系统结构和质量受损。

3.4.2 植物群落竞争加剧

在榆林地区现有生态系统中有一些功能相似的植物品种，如中科羊草、长穗冰草等都可以在恶劣环境下生存并产生一定的生态和经济价值。这为柳枝稷的引种推广带来一定的竞争。

3.5 柳枝稷产业发展的战略选择

在对影响榆林市柳枝稷产业发展因素分析的基础上，采用SWOT矩阵对推动柳枝稷产业发展的战略选择进行归纳，具体分析见表4。

表4 SWOT对策分析矩阵

4 应用潜力分析

榆林是陕西省能源产业和畜牧业比较发达的地区，矿山生态修复治理和饲草需求量巨大，榆林市大力推广发展柳枝稷产业意义重大，是藏粮于地、藏粮于技的具体实践。因此，在盐碱地、采煤塌陷区、荒漠化沙区等非农业用地上种植柳枝稷，对于矿山生态修复治理和开辟饲料来源具有重要意义。

4.1 柳枝稷生态化应用

如何发展生态产业直接关乎区域生态系统多样性、稳定性和可持续性。有研究在黄土高原地区种植了10种不同品种的柳枝稷，结果发现，Alamo、Kanlow、Ιllinois USA、Cave-in-Rock、Nebraska等品种适合在杨凌地区种植，Cave-in-Rock、Illinois USA适合在固原地区种植，Cave-in-Rock、Forestberg、Illinois USA、Pathfinder适合在榆林定边地区种植[12]。可见，Cave-in-Rock和Illinois USA这2个品种是黄土高原丘陵地区最适合引进种植的品种。此外，还有研究基于2009—2016年连续观测田间试验结果发现，对比40cm和60cm的种植行距，采用20cm窄行距种植更适合黄土高原丘陵地区，可以提高生物质产量，且水分的利用率达到最高。榆林市地处降水有限的半干旱地区，过密的植被冠层会显著影响有限降水对土壤的有效分配，造成土壤供水不足[13，14]。可见，柳枝稷在榆林盐碱地、采煤塌陷区、荒漠化沙区等非农业用地上种植生态意义重大。为了更好地推动榆林生态治理，可以根据地形采用不同的种植行距，实行宽窄结合的种植方式，既可最大限度的种植柳枝稷，增加生物量，又可保持土壤水分供应，缓解当地的水土流失。

4.2 柳枝稷饲草化应用

柳枝稷的含水量高、蛋白质量多且质优，具有优良饲草的特性，非常适合喂养牲畜。一般情况下，夏季可选择新鲜的柳枝稷用作饲草，但冬春季节，柳枝稷的纤维太老或太嫩，不利于牲畜消化和吸收，可以通过青贮的方式来减少柳枝稷养分的损失。有研究证实，柳枝稷可以通过青贮的方式来保存青贮饲料中的营养成分。如，刘晶晶等研究发现，通过添加乳酸菌复合系(SGL)和植物乳杆菌(LP)可以降低柳枝稷的pH值，特别是添加SGP后柳枝稷的pH值相较无添加的下降了15%[15]。此外，添加SGL和LP后的柳枝稷乳酸、乙酸含量均有所增长。丁酸在添加LP的柳枝稷中降低了86.71%。同时，铵态氮的浓度也大幅下降，分别比无添加柳枝稷减少了61.43%(SGL)和50%(LP)，有效抑制了蛋白质的分解。因此，在榆林地区种植柳“草畜两用”的柳枝稷将成为一项市场前景广阔的朝阳产业和优势产业，对于榆林地区农牧业高质量发展具有深远意义。