黄河菌草生态安全屏障建设的研究与应用

林占熺, 苏德伟, 林 辉, 林兴生, 林冬梅, 郑 丹, 蔡杨星, 余世葵, 罗宗志

(福建农林大学国家菌草工程技术研究中心，福建 福州 350002)

黄河流经9省区，流域面积7.95×106km2，是沿黄地区经济社会发展的生命线.目前黄河流域水土流失面积超过4.65×106km2，荒漠化面积2.2×106km2，是世界上输沙量最大、含沙量最高的河流.保护黄河生态环境、保护好母亲河，是功在当代、利在千秋的伟大事业.

1986年福建农林大学首创了“菌草技术”，理论上打破了木腐菌和草腐菌的界限，从根本上解决了“菌林矛盾”，为菌业可持续发展开辟了新途径.经30多年的努力，已从“以草代木”栽培食药用菌拓展到菌草生态治理、菌草菌物饲料、菌草有机肥料、菌草生物质能源等领域[1-3]；构建了菌草科学技术体系和菌草产业体系，形成“植物—菌物—动物”三物循环，并逐渐发展成为一个高产、优质、高效、生态、安全的新兴产业体系——菌草生态产业，开辟了“菌草”这一新的科学研究领域，创立了新科学——菌草学，并在国外多所大学开设了菌草学课程[4-6].2017年，菌草技术被联合国列为中国—联合国和平与发展基金重点推进项目，向全球推广.菌草技术项目紧扣发展中国家普遍关心的消除贫困、减少饥饿、可再生能源利用、促进就业和保护环境等问题，为帮助发展中国家落实联合国2030年可持续发展目标，积极贡献“中国方案”.

菌草用于生态治理始于1989年.针对黄河流域不同类型生态脆弱区生态治理的难题，根据太阳能光合作用率高，富含内生菌的固氮作用强，根系发达、保水固土好，长速快，植株高大，产量高，营养丰富，粗蛋白含量高，综合利用价值高，抗逆性强，适应性广等育种指标，采用系统选育方法，选育出巨菌草、绿洲1号、绿洲2号、绿洲3号、莱牧1号等系列优良菌草草种.黄河菌草生态安全屏障建设的研究与应用始于宁夏贺兰山下永宁县闽宁镇，首次用菌草治理荒漠获得成功.2010年经专家测产验收，巨菌草鲜草产量达300 t·hm-2，经济、生态、社会效益显著[7].此后，在青海、四川、甘肃、宁夏、内蒙古、陕西、山西、河南、山东等沿黄河各省区，开展菌草治理水土流失、治理荒漠化、防沙固沙、治理砒砂岩、治理洪积扇、改良盐碱地等研究与示范，取得系列国际领先的成果.本文通过总结黄河流域不同类型生态脆弱区菌草生态治理的研究和应用情况，旨在为黄河菌草生态安全屏障建设提供技术和模式.

1 材料与方法

1.1 供试材料

巨菌草(Pennisetumgiganteumlin)、绿洲1号(Arunddonaxcv. lvzhou No.1)和象草(P.purpureum)等菌草草种由福建农林大学国家菌草工程技术研究中心提供.

1.2 试验地概况

黄河上游高寒地区洪积扇菌草生态治理试验地在青海省贵德县，处于黄河上游.年平均气温7.2 ℃，年平均降水量251～559 mm，全年无霜期258 d，作物生长期223 d.全境沟壑纵横，山川相间，呈现多级河流阶地和盆地丘陵地貌.试验地海拔最低为黄河松巴峡口(2 170 m).

黄河上中游沙漠菌草生态治理试验地在乌兰布和沙漠，地处内蒙古阿拉善盟左旗和巴彦淖尔盟磴口县境内.沙漠南部多流沙，中部多垄岗形沙丘，北部多固定和半固定沙丘.属中温带典型的大陆性干旱气候，年平均降水量102.9 mm，最大年降水量150.3 mm，最小年水降水量33.3 mm,年均气温7.8 ℃，绝对最高气温39 ℃，绝对最低气温-29.6 ℃，年均蒸发量2 258.8 mm，无霜期168 d，光照3 181 h，年均风速4.1 m·s-1，风沙危害为主要自然灾害.

黄河中游黄土高原丘陵沟壑区砒砂岩菌草生态治理试验地在内蒙古鄂尔多斯准格尔旗砒砂岩区，属于黄河流域黄土高原丘陵沟壑区的砒砂岩，东经110°05′—110°27′、北纬39°16′—40°20′，海拔1 050～1 200 m，属大陆性季风气候，年平均气温6.2～8.7 ℃，历年极端最高气温39 ℃，极端最低气温-32.8 ℃，多年平均降水量390 mm，全年无霜期145 d.

黄河中游黄土高原黄土阶地区河滩地水土流失菌草生态治理试验地在山西省运城市万荣县，地处黄河与汾河交汇处，属暖温带大陆性季风气候，昼夜温差大，四季分明.年均气温11.9 ℃，1月份平均气温3.8 ℃，7月份平均气温25 ℃；年降雨量500 mm，无霜期190 d左右.

黄河下游冲积平原盐碱地菌草生态治理试验地在山东省滨州市惠民县，地处山东省北部，东经117°17′，北纬37°01′—37°17′，地质构造上属于华北陆台的下坳地带.由于历史上黄河的迁徙、泛滥，大量泥沙沉积、填充，地质结构松散，多年平均气温12.38 ℃；1月份多年平均气温-3.4 ℃；7月份多年平均气温最高，达26.3 ℃.多年平均降水量593.1 mm.

1.3 试验方法

1.3.1 黄河上游高寒地区植被恢复和洪积扇菌草生态治理 试验场地长25 m，宽20 m，共划分5个小区，每个小区面积100 m2，总面积为500 m2.

1.3.2 黄河上中游沙漠菌草生态治理 具体试验步骤如下：(1)制作草方格，规格为1 m×1 m.(2)采用等高线铺设滴灌带，带距2 m.(3)开种植沟种植巨菌草，沟宽5～8 cm，沟深8～10 cm，采用一秆3～4芽的草种，平放入沟，覆沙，植株行距200 cm×40 cm.(4)靠近滴管带挖穴种植绿洲1号，穴直径30 cm，穴深30 cm.采用兜栽移苗，种植株行距200 cm×80 cm.(5)种后立即浇水，沙面下30 cm处湿透为止.

1.3.3 黄河中游黄土高原丘陵沟壑区砒砂岩菌草生态治理 选取4种菌草与当地传统治理黄土高原丘陵沟壑区砒砂岩植物进行成苗率、生物学特性对比试验，研究菌草在该立地条件下的水土保持作用及工程空间梯层生态修复技术.

1.3.4 黄河中游黄土高原黄土阶地区河滩地水土流失菌草生态治理 4月中下旬种植巨菌草，收割2次，11月中下旬收割结束，期间每公顷施肥尿素和复合肥900 kg，基本不需灌溉.分别在裸地和种植巨菌草的地块收集土壤样品，在种植前和收获后各采集1次，分析巨菌草生长对土壤酶活性和肥力的影响.

1.3.5 黄河下游冲积平原盐碱地菌草生态治理 采用育苗移栽绿洲1号草种，种植密度为100 cm×80 cm.种植后1个月每株绿洲1号施100 g尿素，后期当年内不再施肥，必要时进行灌溉.定期观察其生长情况以及土壤流失情况.2018年10月20日进行随机取样测产.

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2010软件对数据进行处理和绘图，采用DPS 7.05和SPSS 11.5统计分析软件对数据进行差异显著性检验(LSD法).

2 结果与分析

2.1 黄河上游高寒地区植被恢复情况和洪积扇菌草生态治理

2.1.1 黄河上游高寒地区植被恢复情况 由表1可知，种植巨菌草带的植被恢复时间最短，平均株高3.71 m，平均分蘖数16.3个，鲜草产量178.05 t·hm-2，鲜根重31.35 t·hm-2.与其他两种模式相比，除鲜草产量存在显著差异外，其他均存在极显著差异.巨菌草、甘草套种模式的植被恢复时间、平均株高、平均分蘖数和鲜草产量与巨菌草、冬小麦轮作模式无明显差异，鲜根重与之比较差异显著.

表1 黄河上游高寒地区几种模式植被的恢复情况1) Table 1 Vegetation recovery situations in several alpine regions in the upper reaches of the Yellow River

1)同列数据后不同字母者表示差异显著(P<0.05);相同字母者表示差异不显著(P>0.05).

2.1.2 洪积扇地区植被恢复情况 由表2可知，洪积扇扇缘植被恢复天数为92 d，菌草平均株高为3.28 m，与扇中、山顶相比具有极显著差异；洪积扇扇缘的菌草鲜草产量最高，达162.45 t·hm-2，与扇中相比差异显著，与扇顶相差异极显著；洪积扇扇中种植的菌草平均株高及分蘖数与扇顶的相比差异显著，鲜草产量与扇顶差异极显著.扇顶、扇中和扇缘种植的菌草鲜根重无明显差异.

表2 洪积扇区植被恢复情况1) Table 2 Vegetation recovery situations in the proluvial fan area

1)同列数据后不同字母者表示差异显著(P<0.05);相同字母者表示差异不显著(P>0.05).

2.1.3 黄河上游菌草治理洪积扇的生态效应 从表3可知，巨菌草种植区地表水的流失量最小，为0.004 4 m3，与巨菌草-绿洲1号套种区地表水的流失量无显著差异(P>0.05)，与绿洲1号种植区地表水的流失量差异显著(0.01

表3 5个小区地表水流失量比较1) Table 3 Comparative analysis on surface water loss in 5 experimental communities

1)同列数据后不同字母者表示差异显著(P<0.05);相同字母者表示差异不显著(P>0.05).

2.2 黄河上中游沙漠菌草的生态治理

2.2.1 菌草生态治理和植被恢复 沙漠流沙地种植巨菌草，根系发达，生长4个月，总根长近1 000 m、根尖数超过50万，须根分支数近90万，根系连成网络状，丛固沙面积达15.2 m2，固沙速度快.由表2～4可知，只需55 d沙地表面呈现密集草秆，有效增加沙地表粗糙度和沙地覆盖物，明显降低风速，从而达到防风减沙的效果.地下部分亦连接在一起形成密集的网络，将流沙固定，达到快速固沙的效果.在菌草作为饲用作物栽培模式中生长近120 d的巨菌草在贫瘠的沙漠产量达183.45 t·hm-2，是相同水肥管理条件下玉米的3.2倍，增产效果明显.高大流动沙丘的治理是世界难题，利用菌草作为先锋植物挡风固沙，只需85 d就能将流动沙丘固定住，增加沙地有机质含量，为多年生的沙蒿、花棒和梭梭等沙生植物营造良好生长环境，提高其存活率并促进生长.不同种植时间、种植密度、种植模式，菌草的株高和产量差异极其显著(P<0.01)，如菌草作为饲用作物栽培模式中菌草株高达353 cm，鲜草产量达183.45 t·hm-2；而流动沙地菌草快速阻沙固沙生态治理模式中菌草株高只有104 cm，鲜草产量则只有18.3 t·hm-2.由此可见，利用菌草治理黄河上中游沙漠生态脆弱区是一种投入省、见效快、效果好的防风固沙生态治理模式.

2.2.2 菌草复合草篱防风效果 如图1所示，随着菌草复合草篱数量的不断增加，近地面风速得到有效减缓.以空旷沙地为参照对象，风吹过第1个复合草篱时，从低到高不同层面的风速分别降低了72.7%、66.7%、56%、29.3%，经四层菌草复合草篱的阻挡，近地面风速呈微风状态.

如表5所示，菌草复合草篱的防风效能在不同高度是不同的，随着高度的逐渐升高，菌草的防风效能逐渐下降.当测量高度0.5 m时，菌草的防风效能可达62.03%；当测量高度达到2 m时，菌草的防风效能只有15.41%.

2.2.3 菌草复合草篱的阻沙作用 如图2所示，种植5个月后，巨菌草的生长高度可达3 m，对风沙产生较好的控制作用.在风速为9 m·s-1的条件下，在20 cm的高度，1 h内收集的沙量为1.5 g；随着测量高度的降低，积沙量呈指数增长趋势，在2 cm高度风沙量可达32.5 g.但巨菌草后方未收集到风沙，表明其阻截流沙效果显著.

表4 菌草黄河上中游沙漠菌草生态治理和植被恢复效果1) Table 4 Effects of ecological management and vegetation restoration by Juncao in the desert located in the upper and middle reaches of the Yellow River

1)同列数据后不同字母者表示差异显著(P<0.05);相同字母者表示差异不显著(P>0.05).

图1 菌草复合草篱中不同层面的风速值Fig.1 Wind speeds at different heights of Juncao hedgerow

高度/m0.51.01.52.0沙地风速/(m·s-1)4.09±0.304.72±0.305.42±0.366.06±0.30草地风速/(m·s-1)1.55±0.272.19±0.303.27±0.345.12±0.33防风效能/%62.03±7.5053.30±7.8039.29±8.1015.41±4.30

图2 迎风面巨菌草不同高度积沙量的变化Fig.2 Variations in sediment contents at the windward side of giant Juncao at different heights

2.2.4 流动沙丘菌草复合草篱的固沙效果 从2014年4月到2014年10月，乌兰布和沙漠菌草试验点以南风和东南风为主，沙堆由南向北推进了15 m(图3)；2014年10月—2015年4月，试验点以北风和西北风为主，由于在沙堆北边种植了巨菌草，地表粗糙度增加，风力被削弱，沙堆基本上没有移动.

菌草复合草篱外围5个观测点，沙子厚度分别降低了12、17、17、8、23 cm；菌草第1层5个观测点，沙子厚度分别增高了56、42、68、38、31 cm；菌草第2层5个观测点，沙子厚度分别增高了3、1、1、1、2 cm；菌草第3层5个观测点，沙子厚度分别增高了1、0、1、0、1 cm；菌草第4层5个观测点，沙子厚度都没有增高，结果如图4所示.

由此可见，巨菌草外围沙子高度平均降低了15.4 cm；菌草第1层沙子高度平均增加了47 cm；菌草第2层沙子高度平均增加了1.6 cm；菌草第3层沙子高度平均增加了0.6 cm；菌草第4层沙子高度没有增加.巨菌草根系发达，可以将沙子固定，地上草杆密集，可以有效的增加地表粗糙度.结果表明，巨菌草第1层基本上可以将大部分沙子阻挡下来，第2、3层沙子高度变化很小，第4层沙子高度基本没有变化，沙子被完全挡下来.

图3 沙堆推进示意图Fig.3 Schematic diagram of the propulsion of sand piles

2.3 黄河中游黄土高原丘陵沟壑区砒砂岩菌草的生态治理

2.3.1 砒砂岩毛沟菌草的成苗率与其他传统治理植物的比较 砒砂岩区主河道中的粗砂粒，很大程度上归因于雨水对毛沟的剧烈冲刷.砒砂岩区雨水时空分布不均，导致毛沟中的大量泥沙(含粗砂粒)进入河道，最终随水流汇入黄河，对其造成危害.研究毛沟中菌草的生长状况，对于砒砂岩入河泥沙的防范具有重要意义.

试验选取4种菌草与当地传统治理砒砂岩植物进行对比，结果表明，以绿洲1号、巨菌草为主的菌草成苗率优于沙棘、杨树等灌木、乔木，其中绿洲1号最高，为98.8%；巨菌草次之，为93.5%；而杨柳和杨树最低，分别为22.3%和12.5%(图5).由于该区域雨水较为集中，冲刷剧烈，对灌木、乔木影响较大，大量传统植物植株被雨水冲走，造成成苗率低下.绿洲1号、巨菌草、象草等通过种茎繁殖，根系生长较快，生物量大，具有较好的固定作用，可起到一定的减流作用.

2.3.2 砒砂岩毛沟中菌草生长特性与其他传统治理植物的比较 砒砂岩区毛沟众多，成为入黄流沙的主要来源区域.深入分析“草、灌、乔”等各类植物的生长特性，对于进一步研究菌草生态治理砒砂岩具有重要意义.从7种植物在短时间内(移栽80 d)的生长优势来看(表6)，草本植物生长速度快，分蘖数多，茎秆粗壮，其中巨菌草高达218 cm，茎秆直径达2.55 cm，分蘖数多达20个，地上部分与地下部分产量高，与其他植物存在显著性差异，是砒砂岩区毛沟水土治理的“利器”.本试验选取的3类菌草，均与其他4类植物(含灌木和乔木)存在显著差异，结果表明菌草适用于砒砂岩区毛沟的生态治理.

图4 菌草防风固沙模式示意图Fig.4 Schematic diagram of the wind prevention and sand fixation modes of Juncao

图5 毛沟中菌草成苗率与其他传统治理砒砂岩植物比较Fig.5 Comparisons on emergence percentages between Juncao grown in gully and other traditional plants for sandstone control

2.3.3 砒砂岩区植被与工程空间梯层的生态修复技术 针对不同砒砂岩立地类型，以小流域为单元，通过坡面、沟坡、沟底等不同立地类型下的雨养菌草建植技术以及小流域整体空间梯层优化配置，形成独具特色的“菌草生态治理砒砂岩模式”，它是集整地技术、淤地坝技术、优质菌草种苗选择、草灌乔结合植被建植技术为一体的坡面固土防蚀技术为一体的生态修复技术模式.不同立地条件下，根据实际情况进行不同的配置，近自然修复，将生态修复功能最大化(表7).

2.4 黄河中游黄土高原黄土阶地区河滩地水土流失菌草生态治理

黄河河滩地种植绿洲1号2 a后，越冬成活率98%，其平均株高616.73 cm，平均分蘖44.35个.随机选取3个小区对绿洲1号进行测产，鲜草产量分别为234.3、205.65、79.35 t·hm-2，平均鲜草产量173.1 t·hm-2，测得干物质含量达78.54%.说明绿洲1号适在黄河滩地生长，能越冬，生态治理效果好(表8).

表6 毛沟中菌草生物学特性与其他传统治理砒砂岩植物比较1) Table 6 Comparative analysis on the biological characteristics between Juncao grown in gully and other traditional plants for sandstone control

1)同列数据后不同字母者表示差异显著(P<0.05);相同字母者表示差异不显著(P>0.05).

表7 砒砂岩区植被与工程空间梯层分布Table 7 Distribution of vegetation and engineered spatial staircase in sandstone areas

表8 黄河中游黄土高原黄土阶地区河滩地水土流失菌草生态治理效果 Table 8 Effects of vegetation restoration by Juncao on soil and water erosion on the Loess Plateau, in the middle reaches of the Yellow River

2.5 黄河下游冲积平原和盐碱地和河滩地水土流失菌草生态治理研究

结果表明，由于施肥和杂草的作用，裸地对照的有机质、全氮、全磷、过氧化氢酶、多酚氧化酶和脲酶均有一定程度的升高，全钾有较大幅度的降低.而种植巨菌草的土壤，pH向中性方向发展，有机质、全氮、全磷、过氧化氢酶、多酚氧化酶和脲酶的含量比对照的增加幅度更大，全钾的降低幅度较小(表9).

黄河下游冲积平原河滩地水土流失区巨菌草生长77 d后，第1茬平均株高301 cm，平均分蘖数为7个，鲜草产量156.75 t·hm-2；收割第1茬后，再生长44 d后，第2茬平均株高245 cm，平均分蘖数为14个，鲜草产量112.5 t·hm-2.说明收割有助于分蘖数量增加，而且之后巨菌草的生物量积累速度更快(表10).

3 讨论与小结

菌草分蘖能力强，生长快，水分利用率高[8]，富含内生菌[9-10]，地上部分生物量大[11]，在洪积扇区能有效截留地表水土，防止因骤发性山洪冲刷地表造成大量泥沙和水流失；巨菌草根系发达，覆盖面广，可有效增强土壤的抗剪强度[12]，提升土壤涵养水源效能，有效防止地表水流失.

表9 山东滨州种植巨菌草对肥力和酶活性的影响 Table 9 Effects of Juncao on soil fertility and enzyme activities in Binzhou City, Shandong Province

表10 黄河下游冲积平原河滩地水土流失菌草生态治理植被的恢复效果 Table 10 Effects of vegetation restoration by Juncao on soil and water erosion in the alluvial plain along the Yellow River

流沙运动过程中主要动力因素是风的运动，风沙运动是一种贴近地表对流沙搬运的过程[13].在流动沙地种植菌草，建立复合草篱，增大地表粗糙度，减小风的动能，阻碍风沙运动，改变风沙流结构，从而达到保护地表的目的[14].沙障是工程治沙的主要措施之一，多用于干旱地区，在沙面上设置各种形式的障碍物，以控制风沙流的方向、速度、结构和蚀积状况，从而达到防风固沙的目的[15].杨文斌等[16]对低覆盖度(20%～25%)灌丛固沙林对风速的影响的研究结果表明，行带式风速降低36%～43%，该固沙林具有显著的阻碍和降低风速的作用.在沙漠地种植菌草具有明显的防风作用，从低层到高层的风速降低了29.3%～72.7%，经4层菌草复合草篱的阻挡，近地面风速基本呈微风状态.结果表明，在风速为9 m·s-1条件下，在20 cm的高度，1 h内收集的沙量为1.5 g，在2 cm高度，风沙量可达32.5 g，但菌草复合草篱后方未收集到风沙，表明其阻截流沙效果显著.沙障的设置应遵循高效、成本低廉、环保的原则[17].菌草复合草篱沙障防风固沙效益高于常见的麦草沙障、土工沙障等，且投入省、见效快、材料环保、无污染.沙漠地种植菌草最快55 d就能把流沙完全固住.将留茬巨菌草作为沙障，巨菌草地上部分起防风固沙作用，地下部分可防止表土吹蚀，根系腐烂后又能增加土壤中的有机质含量，是一种低廉且防风固沙效果好的沙障材料，其生态作用至少维持3～5 a.

黄土高原丘陵沟壑区地处中国西北部干旱沙漠戈壁与东部华北平原的过渡地带，其黄土厚度大，结构松散，孔隙度大，丘陵起伏，沟壑纵横，生态脆弱，地质灾害发育频繁发生，成为我国严重的水蚀荒漠化地区之一[18-12]，其中，砒砂岩被称为地球癌症.毕慈芬等[21-24]研究了砒砂岩区完整的土壤侵蚀系统，及植物柔性坝对其拦截粗泥沙的情况，结果表明植物措施(柔性坝)可有效减缓该区域的水土流失、沟头发育，阻截泥沙等.本试验创建了以菌草为主，与当地乡土植物相结合的砒砂岩区菌草生态修复模式，生态修复效果显著.巨菌草生长速度快，根系发达，可有效调水减沙，控制地表风蚀和重力侵蚀，固沙固土效果好.绿洲1号耐低温，抗埋压，分蘖能力强，可有效控制汛期河水对坡体的冲刷，减少泥沙沿岸搬运.

黄河含沙量高，年输沙量大，河床逐年上升，泄洪排沙能力逐年降低.利用多年生绿洲1号生态栽培治理河滩地，根系发达，根毛密布，水土保持效果好，土壤侵蚀量下降82%以上，是生态脆弱区修复的优良草种，效果显著，适合大面积河滩地推广种植.其综合开发利用价值高，可作饲料，用于造纸、生产食药用菌和板材等.