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.西北農林科技大學 黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室，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[1-3]。相比其他多年生草本植物和傳統農作物，柳枝稷具有較高的凈能源輸出，較低的維護成本、營養需求和灰分含量等，因而作為一種新型的模式能源植物備受關注[4，5]。研究表明，柳枝稷的產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能源作物，并已用于燃燒發電、氣化和生產液體燃料（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含量，有效的儲存土壤碳，降低溫室效應，可以顯著改善當地生態環境[8，9]。

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

科學合理的栽培體系和模式是實現柳枝稷大范圍種植利用的先決條件，也是提高其品質的基礎。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，種源不足和質量差是柳枝稷大規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品種，是實現柳枝稷廣泛利用的前提；二是缺乏針對不同區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潛力差異明顯，在實際生產中需要根據不同區域氣候和土壤環境特征等選擇相應的品種，并建立合理的栽培管理技術體系。

本文在總結柳枝稷建植、管理和收獲等相關研究基礎上，圍繞柳枝稷栽培管理中相關問題進行闡述，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澇抗旱，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，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型。低地型一般為四倍體，多生活在泛濫平原地區，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，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產量高、灰分含量少，更適合于生物質燃料發電[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，川地生長第五年的柳枝稷草地產量可達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

柳枝稷能適應多種土壤類型及酸性土壤環境，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，種植前應檢測土壤pH值，若pH<5.0，應適當施堿石灰[26]。柳枝稷播種可以采用免耕技術，也可使用傳統苗床。Monti等[27]在意大利南部對比4種苗床（耕作、播后碎土鎮壓、播前播后均進行碎土鎮壓、免耕）對柳枝稷種子出苗率的影響，結果發現，經過鎮壓的苗床（單次和雙次）種子出苗率要比不碎土鎮壓的苗床高20%左右，而免耕的出苗率相比較其他苗床稍微偏低。采用傳統苗床時，苗床須平整、緊實、均一，種植前應將苗床表層農作物及雜草殘落物清理干凈，播種后碎土鎮壓，使柳枝稷種子與土壤良好接觸，提高建植成功率。實際生產中具體采用何種方法，要結合當地土壤環境，免耕播種比較適用于斜坡或是水土流失嚴重地區[27]。

2.2 品種選擇

對特定地區來說，選育最適合的柳枝稷品種，需充分考慮其在該地的產量、品質和抗逆性表現[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[29]。起源于北方的品種種植在南方，產量會下降[8]，而起源于南方的品種種植在北移不超過480 km范圍內，卻能表現更高的生物量，這主要是因為推遲了其開花期，延長其營養生長期[30]。對比研究發現，低地品種如Alamo和Kanlow能更好適應于中緯和南緯地區；高地品種，如Cave-in-Rock、Sunburst、Forestberg則在中緯和北緯地區生長良好[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%，成為首批用于生產的商業化品種[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量。

2.3 種子休眠破除

柳枝稷種子屬于深度休眠類，種子質量差、休眠和發芽率低是影響柳枝稷苗期建植成功與否的關鍵因素。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。研究發現，儲存超過4年柳枝稷種子活力也顯著降低[25]。關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境中經歷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，在一些寒冷地區的11月份或是12月份進行免耕播種，通過土壤的濕冷環境使種子經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現，相對其他因素，播種量對柳枝稷產量影響不顯著。West等（2011）[37]對比四種（4.48、6.72、8.96和11.2kg·hm-2）播種量，發現4.48kg·hm-2播種量僅在建植當年產量最低，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和密度，是實現高產的基礎。一般推薦柳枝稷的平均播種量為5.6kg·hm-2，土壤肥沃地區可低至2.24 kg·hm-2，而貧瘠惡劣地區可高達11.2kg·hm-2[38]。實際上，播種量的確定不僅要考慮當地自然環境條件，還要考慮種子休眠性（即發芽率），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芽率[36]。在我國西北地區，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。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；同時在室內比較了3種土壤類型及0～64mm間7種不同的播種深度發現，播種深度對柳枝稷出苗率影響不顯著，在黏質土壤中出苗率最高，認為在粗糙質地土壤中柳枝稷播種深度為13mm。在我國半干旱地區，淺播（10～20mm）較深播（30～40mm）出苗率更高[40]。

關于播種行距對柳枝稷生物量的影響，有研究發現，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，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和保證植物群叢生物量方面要優于寬行距[10]。建植成功后，行距不是影響柳枝稷生物量的關鍵因素，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產量和改善品質等。研究發現，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]。關于柳枝稷生物量對于氮肥施用的響應，前人做了大量研究，但這些研究結果不盡相同，主要是因為影響氮肥的因素很多，如栽培品種、收割次數與時間、土壤類型等等[43-45]。當柳枝稷用作能源植物生產時，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循環轉移到根部，需要補充額外氮肥較少[33]。當柳枝稷用作飼草生產時，一般要在生長早期進行收獲，這樣會從土壤中轉移較多的營養元素，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，種植在壤土、淤泥、黏土或每年一次收割，從建植第二年起，為保證產量每年需施56～112kg·hm-2氮肥；當種植在淺灘、地表侵蝕等粗質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]。研究發現，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等冷季節型雜草生長，但其對暖季節型雜草影響甚微[53，54]。Mitchell等（2010）[55]播種后施用不同類型除草劑對比發現，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，人工除草或對雜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，收割次數的多少不僅影響其生物量還影響能源品質[57]。Reynolds等（2000）[58]研究發現雙次收割較單次收割植株的礦質元素含量更高。Monti等（2008）[59]研究了收割次數對高地和低地品種柳枝稷品種長期生產力影響，結果發現，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年份的活力和生產潛力。一般認為，雙次收割對濕潤和寒冷地區較為理想，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]。適當的延遲收割不僅能保證高產的同時，也能顯著降低其含水量以減少收割和干燥成本，還能降低生物質灰分含量，改善燃燒品質和提高燃燒效率[61]。霜降后，推遲收獲時間會造成生物量顯著降低[62]。因此，生產中應根據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，保證產草量和改善營養價值。留茬過低會損害到牧草冠層結構，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物質條件。

3 結論與展望

利用邊際土地發展生物質燃料可有效避免與糧爭田、與人爭糧的矛盾，是目前發展生物量新能源最為可行的方式之一。據統計，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、生產和維護成本低、持續時間長的抗逆能源植物，將可以最大限度地利用土地資源，促進區域生態改善。

黃土高原半干旱地區特殊的自然地理環境和土壤類型，以及不合理的土地開發利用等，使其成為我國嚴重的水蝕與荒漠化地區之一。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的牧草種質資源，還能發揮區域生產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，良好的生產性能和適應性使得柳枝稷具有較強競爭力。因此，在利用過程中，需要針對區域環境條件，圍繞品種適應性、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風險性[16]。

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