香根草的研究进展及发展趋势.doc

香根草的生态特征及研究现状与展望摘 要：香根草是一种理想的水土保持植物，它具有许多优良特性。本文综述了对香根草的植物学特性与生态适应性；系统总结了香根草在保持水土、提高作物产量、改善土壤理化性状、固堤护坡、治理环境以及经济利用等方面的作用；并对其在农业、水土保持、环境保护和经济等领域的发展前景进行展望。关键词：香根草；生态特征；作用；效应；前景 随着世界人口的增长和社会经济的发展，环境与可持续发展问题为全人类所关注。我国的生态环境状况也颇为令人担忧，水土流失、水体富营养化、生活垃圾污染以及采矿造成的环境污染与环境破坏等问题日益突出。近几年来，在国际上兴起了“香根草生态工程”， 香根草被广泛称之为“神奇之草”，香根草技术被誉为“21世纪最有价值的生态工程技术”之一，这一工程也许对解决以上问题提供了一条重要途径。有专家指出：“使用香根草的工程在同样效果前提下只需传统工程方法造价的 1/10-1/5，而由此带来的生态效益是传统土木工程所不具备的” 1。然而，香根草对许多科研工作者而言还相当陌生，为了更为广泛地推动应用香根草及其技术的研究，现对香根草的生态特征及国内外在各领域的研究进展做一综述。1. 香根草的生态特征香根草(vetiveria zizanioides)又名岩兰草，属禾本科多年生草本植物，原产于我国东南部、印度、印度尼西亚、斯里兰卡和缅甸等热带和亚热带地区2。该草无根状茎、葡匐茎，靠根系分枝成株繁殖；再生力强，分蘖快，须根系统发达，固土作用强；根的主要成分为岩兰草醇，经蒸汽蒸馏而得香根油。香根草属C4植物光合能力强，生长量大，是一种适应性广、抗逆性强的植物。具有较强的抗盐性和抗重金属污染能力，易种植，易管理，极少感染病虫害。它在山坡地水土保持、持续农业、海滩、河岸固沙以及在治理污染、土工工程防护、鱼畜饲料、菌草及工艺编织品，造纸和燃料使用等方面存在巨大应用潜力和价值，受到各国政府、科学家和生产者的高度重视，并在全球形成了国际香根草技术服务网络。香根草根系发达致密，粗12 mm，深23 m，平均抗拉强度7585 MPa，能提高土壤剪切强度，起到固土作用3,4。茎秆中空坚硬，高 1.01.5 m，抽穗时株高1.52.0m；叶片剑形，坚韧光洁，宽0.61.0cm，长70100 cm；圆锥花序，长 1540 cm，雌雄同株，大多品种不开花或花而不实，且无匍匐茎， 不会自然扩散蔓延成为杂草3；香根草除具有旱生植物结构，还兼有水生植物结构特点，其根、茎、叶有发达的通气组织，并贯穿一起5，这也是其具有较广生态适应性的主要原因之一。香根草属C4植物，喜光，光照不足时株高、分蘖和单茎干质量均明显下降6。香根草在气温-1045、年降水量为3006 000 mm的地区均能生长。它是陆生植物，但是耐水淹，在完全淹水5个月后，仍能存活，部分淹水条件下，分蘖和株高与陆生没有明显差异，而净光合速率强于陆生7。香根草属抗盐植物，在抗盐机理上，表现出拒盐特性，而且将所吸收的大部分盐分(尤其是 Na+)滞留在根系内9。香根草对强酸(pH值3.8)、强碱(pH值10.5)或受金属污染的土壤上也有较强的适应能力，在pH值 3.8，Al饱和度 68的强酸性土壤上香根草可正常生长9,10，当Al饱和度达到87时仍能长出新叶并维持3个星期的绿色11，种植香根草可以降低土壤中可交换Al含量12。Truong报道，香根草对 Cr，Ni，As，Cd 等4种重金属的忍耐程度分别为18，347，72和48 mg/kg，而一般作物对它们的忍耐水平分别只有0.020.2，1030，110和520 mg/kg13。2. 香根草的应用和研究现状 2.1 在水土保持方面的应用与研究 最初，香根草就是被应用来作生物绿篱以保持水土。早在20世纪30年代，坦桑尼亚的科学工作者研究发现，在坡地茶园种植香根草可以很好地控制水土流失，成为世界上最早发现香根草具有良好水土保持功效的国家。1969年，新西兰学者约翰格林菲尔德在斐济群岛的坡地进行水土保持试验研究工作，首次用试验证实了香根草在水土保护方面的价值，经过近30年的观测，肯定了香根草篱保持水土的功效14。目前，应用香根草来防治水土流失的国家有印度、斐济、泰国、马来西亚、印尼、澳大利亚、美国等。马来西亚学者研究发现，香根草能将地表径流减少73，土壤流失降低98，对地表土壤流失的截留量为600 g m-2，而牛草（Axonopus Compressus）仅能截留89 g m-2；我国的研究结果表明，和光坡地相比，种植香根草后，地表径流量和土壤侵蚀量分别下降60和93。在坡度为1542的坡耕地上，种植香根草篱后，可减少土壤侵蚀9015J。由于香根草带对地表径流的有效拦截，这样能使地表水缓慢地渗入到土壤中，从而可以增加土壤的含水量，种植香根草后，土壤含水量可以上升4-4212，16。实践表明：香根草带间作模式较梯田有更好的保持水土功能，而且更省工、作业更方便；等高种植的香根草篱可以有效减少农田径流量、土壤流失量、养分流失量，增加土壤水分含量，提高土壤临界侵蚀量和地表植被覆盖度12，17，19，23。香根草具有这一功能的主要原因：1)根系纵深发达，能牢固地固持土壤；2)地上部分簇生成丛，等高密植，半年多就能形成致密的绿篱，成为能有效拦截地表径流和泥沙的永久“生物坝”；3)香根草篱有自动抬升的能力，当泥沙淤积而掩盖其基部时，地下的生长点会向上抬升，若此时香根草已拔节，在近地面的茎节会长出新根和分蘖，使草篱升高，这种随着冲积土壤增多而长高的特性，一般人造工程无法比拟；4)香根草具有很强的适应性和抗逆性。2.2 在提高作物产量方面的应用与研究香根草形成“生物坝”或“生物篱”后，在改善农田小气候、促进农作物增产方面也有十分明显的效果。在夏季，它可使果园内的气温下降1.2-1.9，相对湿度增加1.7-4.312；在冬季，草篱又是果园挡风御寒的天然屏障，能减缓冷空气的对流和扩散，使果园温度提高 1-317。同时，香根草92的根系集中分布在水平半径为20cm的范围内18，一般不会出现与作物争水争肥现象。此外，香根草篱还能有效地降低风速，在农田周围种植可以减少风沙对作物的不良影响19，这对提高作物产量也有一定的作用。由于香根草篱在坡地农业生态系统中具有以上多种功能，因而，它能较好地促进坡地农作物的生长发育，最终使作物增产。在坡地上种植高粱，顺坡种植、沿坡等高种植和沿草篱等高种植的产量分别为1.55、1.84和2.07t hm-2，其水分利用系数分别为5.21、6.69和6.99 kg hm-2 (籽实)20。在土层浅(20cm)、坡度缓(1.5坡度)的坡地上种植作物，沿草带种植的比沿坡等高种植的和顺坡种植的分别增产21.5和104.7。农业专家指出，香根草篱种在旱坡地或严重水土流失坡地上使农作物增产5O是可能的21。2.3 在改良土壤性质方面的应用与研究由于香根草绿篱拦截的表土泥沙和枯枝落叶不断累积在草篱上方的坡面上，从而逐渐增加坡面熟土层的厚度。另外，香根草纵深发达的根系可将23m深处的土壤养分吸收上来，当植株或根系死亡后，养分重新返回到土壤中，这些特性都能起到改良土壤、增加土壤养分的效应。研究结果表明，在酸性紫色土上种植香根草29个月后，土壤pH上升0.50.7，孔隙度增加近5，土壤有机质、全氮、速效氮、速效钾等含量均有不同程度的增加12，22；在柑桔园土壤上种植香根草可以提高土壤Fe，Mn，Zn，B，Mo等微量元素的速效成分和2O种氨基酸的含量23。与梯田种植和沿坡等高种植相比，沿香根草篱的种植能分别增加残余 N 26 kg hm-2和 29 kg hm-2、有效P2O5 1.6 kg hm-2和 4.5 kg hm-2，有效K2O 29 kg hm-2和 42 kg hm-224。同时，在坡地上种植香根草篱不仅提高土壤养分含量,改善理化性状，还可以减少土壤的养分流失，和对照(无保护措施)相比，草篱措施减少氮素损失达14.3127.0425，26。最近的研究结果发现，香根草的根际周围含有15种固氮菌，这对提高土壤肥力具有重要意义24。2.4 在固坡护堤方面的应用与研究 由于香根草根系发达，在其纵向生长的同时可以相互交错，形成网状根，具有强大的固结能力,且具有较强的抗逆性，在恶劣土壤条件下能够正常生长，加之其浓密生长的叶片通过蒸腾作用可以减少土壤水分(即土壤抽吸现象)、提高土壤剪切力，被农学家称为是一种理想的固坡护堤首选材料3，27。近几年来，利用香根草稳固边坡已在公路、铁路、矿山各领域得到广泛应用28，29。我国在实践中已成功将香根草应用于海岸、河岸的防护。常年7级以上大风的福建平潭岛，风蚀现象十分严重，风沙土占耕地面积9O以上，种植香根草能起到较好的防风固沙作用30，荒漠化607O的云南元谋干热河谷地区种植香根草可以起到恢复植被的作用31。目前这方面的研究和应用可进一步推广深入到湖泊、水库、溪流周围的 防风固沙及环境整治。试验表明，应用香根草对公路坡面进行护坡治理，半年后就能产生明显的效果，4年后生物多样性大幅度增加，土壤水分与养分含量都不同程度升高，公路两边的生态环境明显改善。1999年江西省公路局在武夷山区易滑坡路段建立了 1 hm2的示范区，该工程在 2002年荣获中国公路协会三等奖。目前，这项技术在江西、浙江、广东等省的公路部门得到了应用与推广，福建、江西 2省的交通部门还分别于1998年和2001年发文肯定和推广这一技术34。2.5 在环境治理上的应用与研究 矿产资源是人类的一个主要的财富资源，但是采矿过程及尾矿带来了生态景观遭破坏、土壤结构变差、养分水分缺乏、生物多样性锐减、金属污染等诸多生态环境问题32。据报道，20世纪90年代以来，我国矿山废弃地生态恢复率仅8.7533。因此，开展人工修复对加速矿山生态环境恢复、土壤改良及污染消除是十分必要的。香根草所具备的广泛土壤适应性、对大多数污染元素的高度耐性与强吸收力(如Cd浓度仅为0.33 mg kg-1的土壤上，能吸收Cd 218g hm-234，使得香根草成为矿山生态环境治理的理想材料。不同类型的矿山试验都表明，香根草能有效提高矿山植被覆盖率，改善矿区生态环境35-37。龙健等在铅锌矿区的试验38、夏汉平在油页岩矿渣土的试验39证实了香根草在矿山治理上作用的同时，还深入研究了香根草不同器官对 Zn，Cu，Pb，Cd等金属的吸收特性。姜必亮、夏汉平等研究发现香根草对垃圾填埋场渗滤液有较强的耐性，对其中N，P，Cl的吸收率较高，对渗滤液污染的土壤和污水有较好的净化修复能力40-42。将香根草种在尾矿和垃圾组成的混合基质上，发现香根草根系对 Zn，Cu，Pb 3种重金属滞留率均在50以上，尾矿植被恢复快，而且能使垃圾资源得到充分合理的利用，防止重金属的二次污染或生物富集。因此，添加一定量的生活垃圾(25-50)是开展尾矿治理的一个新思路43。随着我国人口的增长和社会经济的发展，淡水资源氮磷污染和富营养化问题越来越突出。香根草庞大的根系可快速吸收N和P素，而这2类元素正是造成河川富营养化的主要原因。香根草的生物量高达750 t hm-2，若按其N和P含量分别为0.15O.18和0.06O.08推算，理论上这种植物去除N和P的量可分别达 1 1251 350和 450600 kg hm-2。郑春荣等用浮岛法将香根草分别种在自来水、池塘水和受生活污水污染的河水上，34周后，后2种水体感官明显改善，透明度提高，总P去除率达97，总N去除率达7044。司友斌、马立珊和Summerfelt用类似方法也证实香根草对富营养化水体中的N 和P等具有明显的去除效果，能显著改善富营养化水体的水质，并认为浮床香根草技术是一种潜在的净化富营养水体的方法45-47。人工湿地作为废水处理的一种设施，可以不同程度地去除废水中的悬浮物，有机物，N，P和重金属等。香根草人工湿地对去除NH4+，PO43-，废水TN和TP效果明显48，而且，香根草人工湿地抗有机负荷冲击能力强，对COD(化学需氧量)、BOD(生物需氧量) 有较稳定的去除效果，废水在人工湿地停留 12d，COD和BOD去除率都可达5O以上49。试验还发现，香根草不仅可去除污水中的NH4-N，COD和BOD，还可以去除炼油废水中的油类物质50。此外，有研究报道，香根草在农用化学物的束缚、脱污过程中有重要作用，尤其释除虫剂（如虫螨威，久效磷等），可以防止蔬菜污染并在其菜体内的积累。香根草对线虫的抗性也很大，香根草对根结线虫的主要种类均具有免疫力。所以应用香根草作为覆盖作物、伴生或绿篱作物在防治虫害方面有一定的作用51。2.6 在经济利用方面的应用与研究 香根草根系富含岩兰草醇，过去对它的利用主要是提取其根油，经蒸馏得到的香根油定香力强，可作为各种香精和化妆品香料的重要材料。现已测出香根草油总醇含量达50，含60多个组分52，且出油率达2.0。因此，种植香根草后，提取其根油的经济效益十分可观53。近来的研究发现，香根油还是一种“杀菌剂”或“杀虫剂”。以青霉素或链霉素作对照，香根油对微球菌和链球菌的抑制效果分别为6070和5054。以亚胺环己酮和哈霉素作标准杀菌剂，纯香根油对4种真菌Aspergillus niger，Aflavus，Fusarium orysporum和 Penicillium sp.的抑制效果达708055。香根油对黄瓜、胡萝卜等蔬菜上的害虫的杀灭效果与化学杀虫剂无统计上的差异，而且对其产量不会产生影响。香根草种在甘蔗地里还可免破根结线虫对甘蔗的危害1。由于香根草是一种可食用性草，幼嫩时牛羊均喜欢啃食，茎叶中含有大量动物所需的蛋白质、氨基酸及其它矿物质等，可以作为饲料开发。据研究：香根草的粗蛋白、无机氮浸出液含量比稻草高；与紫花苜蓿相比灰分含量无差异，但脂肪率低40；与胡萝卜相比粗蛋白质含量高8356。在印度、斐济两国香根草被广泛用作做牧草和淡水养殖的饲料。老叶和茎可作干草粉、燃料和纸浆的原材科，也可以作为食用菌的培养料56。同时，香根草还可以用来生产地砖、胶合板、装饰材料，甚至家具、茶杯和碗筷，编织草绳、席子、垫子、刷子、帽子、鞋子、篓子、扇子等，以减少对木材的砍伐。 3. 展望 目前，国内外对香根草的理论研究和实践应用已经取得了一定成就，并在不断深化之中.香根草在农业、工程、环保以及经济等领域广阔的应用前景已得到世人的认可。但随着香根草研究与推广的深入开展，香根草在农业、生态、环境等方面的功能将会引起更多的重视。香根草的研究将有望在以下几个方面取得更新的进展：水土保持方面：香根草是一种两栖类植物，既耐干旱，又耐淹水，对于荒漠和严寒等自然条件也能适应。它这种非凡的生存能力究竟是怎样形成的是将来香根草研究的一个主要内容；现在我国南方的蔬菜种植面积逐年增加，由于蔬菜复垦指数高，且肥料用量大，是我国南方水土流失和土壤养分流失的一个新源头，如何利用香根草技术防止我国南方菜地土壤水土流失和土壤养分流失是进一步完善香根草技术研究的一个重要范畴。环境保护方面：研究已经证明，香根草对土壤中重金属、有机污染物和水体中N、P等都具有较强的抗逆性和吸收能力。应用香根草技术处理废水、垃圾废物净化、矿山废弃地等还在试验之中，这一技术的广泛推广还没有开展，今后加大香根草技术的推广是推动香根草研究与应用的一个重点；其次，用香根草改造受重金属污染的矿山和填充地，应避免其因动物取食，使有害金属进入食物链，危害动物和人类健康。此外，我国大、中型养殖场快速兴起，造成了因污水、废水以及臭气等对周围环境的污染，研究利用香根草技术来整治养殖场周围环境以及由于养殖带来的一系列污染问题是一个具有十分重要现实意义的课题。经济利用开发方面：香根草的栽种技术简单，投资成本低，用途广泛：其根可提取香根油，干根、叶可以用作编制工艺品的原料，嫩叶可作饲料；还可以作燃料。然而，开发香根草的经济价值还存在的一定的问题：香根草根系的挖掘十分困难，且容易造成新的水土流失；提取香根油时蒸馏时间长，且提取率低；香根草作为饲料开发研究仍缺乏系统性和完整性；用香根草编制工艺品后的销售途径仍需要解决。总之，香根草生态工程投入少、回报多。生态效益、社会效益和经济效益都是显而易见的，在我国有着十分广泛的应用前景。大面积推广和实施对国土治理、环境保护和农业的可持续发展乃至整个国民经济的健康发展都将起到积极的推动作用。但是，香根草技术毕竟是一门新兴技术，在应用时一定要本着科学严谨的态度，慎重行事，这样才能更好地推动香根草技术的应用。参考文献1 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