为了消浪护堤、促淤造陆、改善海滩生态环境等目的, 1979年互花米草(Spartina alterniflora)被引入我国^[1]。然而事与愿违, 虽然互花米草在部分地区如江苏盐城发挥了很好的保滩护堤等作用^[2], 但在全国范围内其负面影响更大。由于极强的耐盐、耐淹、繁殖和扩散能力, 互花米草在我国海岸带快速蔓延^[3-4], 对大部分沿海滩涂湿地的生物多样性维持及生态安全造成了严重威胁^[5-6]。2003年初, 国家环保总局公布了我国首批外来入侵物种名单, 互花米草作为唯一的盐沼植物名列其中(中华人民共和国生态环境部, http://www.mee.gov.cn/gkml/zj/wj/200910/t20091022_172155.htm)。

在其他很多国家和地区, 互花米草也是臭名昭彰的外来入侵种, 科学家们投入了巨大的精力研究互花米草的入侵机制与防控方法^[7-12], 并在少数地区进行了大尺度的防控实践^[13-15]。

由于互花米草防控的难度和成本很大, 在互花米草管理中, 一方面应积极探索经济有效的控制措施以扼制其扩散速率, 将其对生态系统的危害降低到最低; 另一方面应转换思维方式, 充分利用互花米草生长迅速和抗逆性强等特点, 将其作为一种资源加以利用, 通过资源化开发达到“化害为利、变废为宝”的目的。防控与利用相结合, 有可能收获生态和经济双重效益。

我国互花米草利用形式多样, 但尚处于研究阶段。互花米草利用主要是对秸秆的低值化利用(如肥料化、原料化、饲料化及燃料化等利用形式), 另外还包括对互花米草药用价值和耐盐基因等高新技术利用的研究。据笔者不完全统计, 在公开发表的互花米草利用研究论文中, 秸秆燃料化利用占比最大, 为43%, 秸秆肥料化利用和耐盐基因等其他利用的占比最小, 分别为3%和5%(图 1)。

本文系统总结了我国几十年来关于互花米草利用的研究状况, 分类阐述了不同利用形式及其技术, 对不同利用形式的可行性作了分析与展望, 以期为我国互花米草控制、利用与管理提供帮助。

1 我国互花米草入侵历史及其分布 1.1 互花米草入侵与分布

互花米草于1979年被引入我国, 之后被人为引种到从广东至河北的沿海各地^[1], 造成了互花米草在全国海岸带地区的疾速扩张。基于遥感影像数据和野外调查, 研究人员对2007年和2014年前后互花米草的分布情况进行了全国范围的调查统计, 2014—2015年, 我国互花米草总面积为54 580~ 54 551 hm², 江苏省占全国面积的比例最大, 为33%~40%(表 1)。对互花米草入侵历史过程的研究表明, 在主要分布省市中, 只有广东省的互花米草面积自1995年后呈现持续下降趋势, 其他省市均为持续上升^[15]。不同人员统计调查的全国互花米草总面积非常一致, 差别仅在1%左右, 但具体到省级面积时, 则有很大差异, 尤其是2014—2015年的数据。在Zhang等^[15]和Liu等^[16]的两份研究中, 山东、江苏、浙江、福建和广东省的互花米草面积差别均达20%以上(表 1), 这可能是由于不同研究采用的遥感影像不同, 也可能是野外调查不够充分所致。

1.2 互花米草生物量资源

在互花米草利用研究中, 绝大多数是对互花米草地上生物质的利用。因此, 本文基于文献中互花米草分布面积(表 1)和地上生物量数据(表 2), 对全国互花米草地上生物量进行了估算。用表 1中的2014年和2015年的各省市面积数据, 与表 2中生物量范围的上下限相乘, 得出每个省市的4个生物量总量数据(河北与天津合在一起), 据此得出生物量范围、均值和标准误差(图 2)。生长季末期我国互花米草地上干物质总量为7.5×10⁵~1.15×10⁶ t∙a^-1, 按照含水量82.5%^[19]计算的鲜重总量为4.29×10⁶~6.57×10⁶ t∙a^-1。互花米草地上生物量相当于2014年我国农作物秸秆产量的4.4%~ 6.7%^[20]。在互花米草主要分布区中, 江苏省的互花米草地生物量占全国总量的35%~42%, 江苏、上海、浙江和福建4省市占全国总量的93%~94%。单产高、面积大且分布集中, 为互花米草开发利用提供了便利。

2 互花米草秸秆的利用

对互花米草的利用一般是对其秸秆的利用, 我国农作物秸秆资源综合利用途径主要包括肥料化、燃料化、饲料化、原料化和基料化这5种途径, 通常称之为“五料化”利用^[20]。本文对互花米草秸秆利用形式按“五料化”进行了分类总结。

2.1 燃料化利用

植物燃料化利用是指对植物生物质能的利用, 生物质能是指由光合作用而固定在各种有机体中的太阳能。互花米草地上部分的热值约为1.6×10⁴ kJ∙kg^-1[25], 与水稻(Oryza sativa)秸、玉米(Zea mays)秸等农作物秸秆的热值基本一致^[20], 相当于0.55 kg标准煤。互花米草的高生产力(表 2)和高热值, 为其燃料化利用提供了可能。

我国互花米草生物质能利用研究集中于制备沼气, 最近几年有研究尝试用互花米草制备生物油。互花米草是较好的生产沼气的潜在原料, 其干物质产气量为0.20~0.22 L∙g^-1, 高于稻草、麦草和猪粪^[26]。互花米草茎和叶的产气能力相差无几^[27], 但不同生长期互花米草的理化特性和厌氧发酵特性有较大差别, 从生物量以及产气稳定性两方面考虑, 8月份是互花米草的最佳采收时期^[28]。

厌氧发酵是利用互花米草生物质能的重要途径, 发酵方式包括湿式发酵、半干式发酵、干式发酵以及混合发酵。为了提高产气能力, 可对互花米草进行预处理、控制发酵过程和深度气化^[29-30]。光照、γ-射线辐照、氨液浸泡和石灰堆沤等预处理可破坏互花米草的木质纤维结构, 达到提高其厌氧生物可降解性和产气量的目的^[30-34], 但NaOH处理和汽爆等预处理却适得其反^[35-36]。对互花米草厌氧发酵后的沼渣经适当处理后进行深度气化, 可进一步提高互花米草的产沼气能力并改善沼气工程原料的供给稳定性^[37-38]。把互花米草与粪肥或土豆等有机物按一定比例混合发酵, 也可提高其沼气产量^{[33, 39-40]}。

虽有研究利用热解气化技术, 将大米草中的碳、氢等元素转化为CO、H₂、CH₄等可燃气体, 并实现了气、电、热三联供^[41]。然而, 米草属是Na、K含量很高的盐生植物, 直接燃烧往往会导致结渣、沉积与腐蚀锅炉等问题^[42]。互花米草的碱金属对褐煤热解有催化作用, 可以促进CH₄和CO气体的产生, 提高热解气体质量, 因此, 将互花米草与褐煤共热解, 可使其碱金属含量高的弊端转变为有利因素^[43]。

从2007年至今, 利用互花米草生产沼气仍仅限于实验室中。既然现有研究已经证实互花米草产沼气能力与农作物秸秆类似, 相关研究的重心不应该事倍功半地集中在提高产气量上, 而应着眼于市场化应用, 包括发明或改进适宜滩涂的收割机械、消除互花米草的钠抑制、加强沼气及沼渣的深化利用、实现规模化生产及降低成本等。相比较沼气, 生物油具有易储存、易运输、能量密度高且使用方便等优点, 利用互花米草制备生物油是很好的尝试, 国内这方面的研究刚刚开始。互花米草生物油是一种组分复杂的含氧有机混合物, 包括酸类、酚类、酯类、呋喃等, 主要成分为酚类和酯类, 利用醇-水共溶剂作为液化互花米草的介质, 可提高产油率、改善生物油品质^[44]。利用催化剂KOH在乙醇-水共溶剂中催化液化互花米草, 可促进互花米草解聚初期挥发物的产生, 并对生物油质量分数有一定的影响, 酚类含量升高, 酯类含量降低^[45]。

2.2 饲料化利用 2.2.1 营养成分

互花米草含有丰富的可利用糖类, 干草含粗蛋白6.7%~13.57%、粗脂肪1.67%~3.04%、粗纤维26.00%~27.10%、粗灰分11.43%~15.55%、无氮浸出物16.64%~37.4%、盐分3.32%~3.51%、钙0.24%~0.34%、磷0.02%~0.19%, 而且氨基酸种类齐全、含量丰富, 具有一定的饲用价值^[46-49]。

2.2.2 饲养研究

1) 互花米草鲜草或草粉

拔节期至开花期的青割互花米草可作为奶牛和山羊日粮中的潜在粗草料, 但青割米草在奶牛和山羊饲料中的比例不宜超过25%和30%, 而且由于互花米草适口性较差, 山羊会优先食用其他牧草^[49-50]。在江苏大丰滩涂的野外调查中发现, 野生糜鹿喜食互花米草, 牙璋、野兔等食草野生动物也采食互花米草^[51], 但这其实是麋鹿等野生动物无奈的选择, 因为在野放麋鹿生境中只有芦苇(Phragmites australis)和互花米草2种食源植物, 圈养麋鹿有营养和口感更好的牧草, 便不会取食互花米草^[52]。

互花米草草粉可以替代猪或鸡的部分饲料, 但其可替代比例很低, 不宜超过6%, 在作为长毛兔的替代饲料时, 米草草粉所占比例可以高一些^{[47, 53-54]}。互花米草采集和加工难度大^[53], 而且在动物饲料中可占比例很小, 因此将其作为替代饲料的经济效益可能不尽如人意。

2) 互花米草生物矿质液

从互花米草中提取的生物矿质液是一种无毒具浓郁甜香味的深棕色黏稠状液体, 比重1.30, 兼有重甜、重咸味道, 亲水性好, 生物矿质液所含总可溶糖约18%、全盐约20%、总蛋白质约1.5%。较多的黄酮类化合物使互花米草生物矿质液具有抗氧化作用和增强免疫力等生物活性, 对Wistar大白鼠和昆明种小白鼠的试验证实互花米草生物质矿质液无毒, 具有使动物增重和强心的生物活性, 也具备人类食用的潜在价值^[55-56]。在饲料中添加一定比例(0.1%~ 0.5%)的互花米草生物矿质液, 能够加快黄鳝生长速度, 改善黄鳝肉质, 降低粗脂肪含量, 提高人类必需微量元素的含量, 并对黄鳝或家禽有显著的着色作用^[57-58]。

2.3 原料化利用

秸秆原料化利用是指以秸秆为原材料, 采用一系列生产工艺制备各种工业原料, 如纸张、板材、净化功能材料等, 秸秆纤维作为一种天然纤维素纤维, 具有良好的生物降解性, 因此用其开发的制品也具有良好的环保性能^[20]。目前我国互花米草原料化利用主要集中于生物炭制备和板材加工。

2.3.1 制备生物炭

生物炭(biochar)是生物质在完全或部分缺氧的条件下热解(< 700 ℃)形成的一种固态的、难熔的、稳定的、高度芳香化的富含碳的材料^[59]。生物炭含碳量高、孔隙丰富、比表面积大、吸附能力强, 目前已被应用于吸湿剂、土壤改良剂、除味剂、重金属吸附稳定剂等诸多领域^[60-62]。

互花米草秸秆的内部呈海绵状, 有许多竖直的通气孔, 适合生物炭对比表面积、孔容及吸附能力等指标的要求。把互花米草或其厌氧发酵渣用氢氧化钾或磷酸等化学溶液浸渍后高温活化, 即可制得高效生物炭, 其总孔容积和比表面积可达到市场上现有生物炭的标准, 对水体中某些污染物(如镉)的吸附性能甚至远高于大孔树脂、棉花(Gossypium spp.)秸秆活性炭等市场现有生物炭^[63-64]。

热解温度对互花米草生物炭性能有重要影响。升温裂解是一个炭化程度和芳香性逐渐增加而亲水性和极性不断减弱的过程, 不同温度下热分解互花米草制得的生物炭, 其吸附原理和能力不同。300 ℃热解制得的生物炭对土壤三氯生的吸附量显著高于600 ℃制得的生物炭, 前者的吸附以分配作用为主, 后者的吸附以表面吸收为主^[65]。在350~600 ℃区间内, 450 ℃制备的互花米草生物炭吸附镉的性能最佳, 且最大吸附量明显高于棉花和小麦(Triticum aestivum)等农作物秸秆生物炭^[66]。在利用秸秆热裂解制备生物炭的过程中, 同时可以得到CH₄、CO等可燃气体, 这些可燃气可用于发电, 因此, 气炭联产可提高对秸秆的利用效率^[67], 在互花米草利用中, 值得对此进行深入研究。

2.3.2 制备纸张板材

由于纤维短窄、含盐量高等性能的限制, 利用互花米草为原料制造纸张或板材的研究很少, 制成的成品一般性能也较差。在利用互花米草生产纸浆时, 热机械制浆技术优于化学制浆技术, 将互花米草纸浆与其他化学纸浆适当混合, 可用于制造各种模塑纸浆产品^[68]。由于互花米草碎料较细, 用其制作碎料板时, 用胶成本高, 产品性能差, 因此, 互花米草只能作为部分替代原料, 与木质刨花混合制作木草复合碎料板^[69-70]。相对于生产纸浆和碎料板, 用互花米草制造纤维板具有更好的可行性, 将互花米草秸秆与造纸污泥复配加工成的互花米草纤维板, 在硬挺度、耐破度、密度和吸水性能等指标上均明显优于纺织纤维板和废纸浆纤维板^[71]。

2.4 肥料化利用

秸秆肥料化利用指秸秆还田, 可提升土壤肥力和作物产量^[20]。互花米草肥料化利用的研究非常少, 其主要原因是大量农业秸秆尚且难以充分利用。仅有的短期研究表明, 无论是直接用作稻田基肥, 还是与羊粪混合堆肥后再还田, 互花米草对作物的增产效果和对土壤的改良效果与农业秸秆并无差异^{[47, 72]}, 另外, 若长期使用高盐分的互花米草还田, 很可能会导致土壤质量下降, 因此, 互花米草的肥料化利用是不可行的。

3 药用价值

互花米草含有糖类、氨基酸、蛋白质、类黄酮、有机酸类、香豆素类和生物碱类等成分^[73-74], 其药用价值研究集中于利用黄酮类化合物(flavonoids compounds)。互花米草地上和地下部分的总黄酮含量分别为4.16~4.67 mg∙g^-1和2.33~2.44 mg∙g^-1, 叶片中总黄酮含量为29.13 mg∙g^-1, 是根、茎、种子等其他器官的3.6~5.4倍。另外, 互花米草越冬芽的总黄酮含量随着由陆向海的方向基本呈升高趋势^[75]。

互花米草总黄酮具有抗炎、降血糖、降血脂和增强免疫力等作用。互花米草总黄酮可显著提高小鼠腹腔巨噬细胞的吞噬作用, 提高细胞免疫功能, 对非特异性免疫系统有促进作用^[76]。互花米草总黄酮外用具有一定的抗炎功效, 对炎症早期的毛细血管通透性增高和水肿、中期的炎性渗出和炎性细胞的游走与浸润具有一定的抑制作用, 而且功效随着剂量增大而有所增强^[77]。大剂量的互花米草总黄酮可能促进胰岛β-细胞分泌胰岛素, 从而显著降低正常小鼠的血糖^[78]。互花米草总黄酮还具有明显的降血脂作用, 可使大鼠血清中甘油三酯和总胆固醇明显降低^[79]。最近有研究表明, 以互花米草提取物为功能性成分, 添加到化妆品配方中, 可制成互花米草护肤霜和洗发香波等一系列天然功能性化妆品^[80]。

互花米草药用价值的研究多数发生在1991—2002年, 近十余年已鲜见此类研究报道, 这可能是互花米草药用价值较低的缘故。事实上, 迄今为止市面上并没有以互花米草药用价值为主的药品, 南京大学致力于互花米草利用研究, 与生产厂家合作推出了以米草提取物为原料的保健品, 如“复合米草口服液”(原名“肝宝口服液”)和“解风堂”(可降尿酸)。

4 其他利用形式

互花米草作为典型高度耐盐的泌盐盐生植物, 是挖掘耐盐基因的好资源。依靠分子生物学手段克隆相关耐盐基因, 并将其转移到非抗盐的作物中, 培育出耐盐的转基因新品种, 可望为我国大面积开发盐碱地提供有力支持。我国关于互花米草耐盐基因的研究刚刚起步, 目前已克隆得到了互花米草Na⁺/H⁺逆向转运蛋白基因SaNHX1和甜菜碱醛脱氢酶基因SaBADH, 后者可能在抵御盐和干旱对互花米草的胁迫中发挥重要作用^[81-82]。杂交可能是利用互花米草耐盐基因的另一种途径, 互花米草与水稻杂交的正反远缘杂交, 可作为培育粮饲兼用的滩涂耐盐水稻新品种的新策略^[83-84]。

互花米草内生菌可在湿地重金属污染修复中发挥重要作用。从互花米草根部和叶片中分离的内生菌, 可通过重金属浓度梯度筛选得出耐重金属菌株——球形赖氨酸芽孢杆菌(Lysinibacillus sphaericus), 这说明互花米草可为湿地重金属污染的植物原位修复提供良好的菌种资源^[85]。

5 总结与展望

1) 加强互花米草利用的产学研一体化。我国互花米草利用尚处于实验室研究阶段, 与规模化、市场化、产业化的距离还很远。在互花米草利用产业链上, 应该包括3个缺一不可、环环相扣的环节:米草收集、加工利用、规模市场化, 过去的研究集中于加工利用技术这一环节, 其他两个环节尤其是第3环节的研究严重缺乏, 如目前虽有履带式米草收集机械的专利申请, 但履带式机械难以通过滩涂上宽阔的潮沟。没有米草收集和市场化推广, 何谈利用？互花米草利用需要国家和地方政策的支持, 更需要从市场经济规律寻求产业化解决途径。未来研究中, 应该重视互花米草利用产业链的每一个环节, 实现产学研同步配套发展。如果离开了企业的参与, 互花米草利用研究的成果很难走出实验室, 甚至难以出现可以市场化推广的成果。

2) 结合互花米草防控, 推动互花米草低值化利用的规模化和市场化, 深化高值化利用研究。与难以消化的海量农业秸秆相比, 互花米草秸秆无论在量、质还是收获成本上, 都处于劣势, 只从利用角度考虑, 互花米草秸秆的单一常规化低值利用是没有出路的, 气炭联产等综合利用方式可能具有更好的经济效益。对互花米草的有效利用是有相当价值的, 可以降低互花米草防控的成本, 有助于大尺度的互花米草防控与管理。未来应把防控与利用结合起来, 建立防控与利用示范基地, 推动互花米草低值化利用的规模化和市场化, 同时还应加强高值化利用研究, 深挖互花米草的资源化利用潜力。