桑樹的生態(tài)應用前景

蔣勇兵 顏新培 黃仁志 蔣詩夢 張 俊 秦志雄 李章寶

(湖南省蠶?？茖W研究所， 湖南長沙 410127)

生態(tài)環(huán)境是人類社會生存和發(fā)展必不可少的自然基礎，它不僅反映人與自然的關系，而且體現人與社會的關系。但是，近些年隨著工業(yè)化、城鎮(zhèn)化的不斷發(fā)展，我國的生態(tài)環(huán)境面臨著嚴峻考驗[1]。習近平總書記指出：“我國多年快速發(fā)展積累的生態(tài)環(huán)境問題十分突出，不僅影響經濟社會的可持續(xù)發(fā)展，而且嚴重影響人民群眾的健康，必須下大力氣解決好”[2]。湖南省的地形以山地、丘陵為主，有湘江、資水、沅水和澧水等4大水系，水土流失嚴重；水庫總量占全國的14.29%，消落帶面積巨大；2014年石漠化面積達1.50萬km2，嚴重程度排全國第4位[3]；尤其是作為“有色金屬之鄉(xiāng)”，湖南省重金屬污染農田生態(tài)治理任務艱巨[4]。近幾年，湖南省蠶?？茖W研究所在“桑樹治理重金屬污染土壤和石漠化土地”“礦區(qū)、尾礦庫桑樹生態(tài)修復與庫區(qū)避水農業(yè)構建”“蠶桑資源開發(fā)與多元化蠶業(yè)發(fā)展”等研究領域進行了一些基礎應用研究工作，在此對桑樹的生態(tài)應用現狀進行總結并對其應用前景進行展望，以期為桑樹資源的多元化創(chuàng)新利用提供參考。

1 桑樹種質資源及應用

桑樹(MorusalbaL.)屬于?？粕伲淙~喬木，廣泛分布于我國各地。作為栽桑養(yǎng)蠶的起源地，中國保存的桑樹種質資源就有3 000多份，并育有近千個桑樹栽培品種，是世界上桑樹品種最多的國家[5]，同時也是世界上最早栽桑養(yǎng)蠶、繅絲織綢的國家[6]。

我國先民發(fā)明栽桑養(yǎng)蠶，不僅創(chuàng)造了我國燦爛的絲綢文化，而且在促進我國的經濟發(fā)展、社會進步以及東西方的文化交流和友好合作等方面均做出了巨大貢獻[7]。自17世紀初興起，20世紀80年代在珠江三角洲大量發(fā)展的獨特的生態(tài)農業(yè)生產方式——“桑基魚塘”，被聯合國教科文組織贊為“世間少有美景，良性循環(huán)典范”[7]。2017年11月23日，“浙江湖州?；~塘系統(tǒng)”通過聯合國糧農組織專家評審并獲得批準，入選全球重要農業(yè)文化遺產保護名錄[8]。

桑樹被稱為“東方神木”“木之精”。自2006年國家商務部實施“東桑西移”工程以來，中國栽桑養(yǎng)蠶業(yè)的重心逐步從東部地區(qū)向西部地區(qū)轉移。作為生態(tài)環(huán)境十分脆弱的西部地區(qū)，應科學合理地利用桑樹的生態(tài)功能優(yōu)勢，走生態(tài)栽培之路[9]。桑樹對空氣、光照、溫度、土壤、水分等自然環(huán)境因素具有廣泛的適應性，從高原到盆地，從熱帶到寒帶，氣溫-40～40 ℃，土壤pH值4.5～9.0，桑樹都能正常生長發(fā)育[10-11]。桑樹的品種繁多，特性各異，根系發(fā)達，枝葉繁茂，具有頑強的生命力和廣泛的適應性，生命周期長，容易成林，因此根據不同地區(qū)的自然特點及利用形式，選擇合適的桑樹品種，既可用于營造生態(tài)防護林、城市綠化帶，又可用于庫區(qū)消落帶的生態(tài)保護與恢復、石漠化和鹽堿地的治理等，同時還能用于重金屬污染土壤的修復[1， 11]。

2 桑樹的生態(tài)應用

2.1 生態(tài)防護林構建

桑樹是深根性喬木，根系十分發(fā)達。張光燦等[12]研究表明，在山東省栽植的4年生黃魯桑根系的垂直深度超過80 cm，地下部分的生物量占其總生物量的53.10%。還有資料顯示，15年生高干桑樹根系的垂直深度甚至超過4 m[9]。桑樹根系分布近地面部分的水平根與最深能深入土中3～4 m的垂直根構成了一個立體交叉的吸水固土網絡，可以有效地固持土壤，涵蓄降雨，表現出良好的水土保持效果。參照經濟林指標，桑園單位土地面積的貯水量為1 533.40 m3/hm2，是無林土地的1.49倍[9]。同時，桑樹繁茂的枝葉可以承接一部分降雨，減少降雨對土壤的直接沖刷，另外延緩雨水的落地時間，降低雨水侵蝕土壤的程度[13]。

張光燦等[12]研究表明，與空曠地土壤相比，桑園土壤的總孔隙度、含水量和飽和含水量分別提高8.84%、4.05%和5.44%；桑園土壤的滲透深度、滲透速度和滲透系數分別是空曠地土壤的1.65、1.91和3.07倍；并且桑園土壤中的石礫含量較少，粒徑大于1 mm的石礫只有52.60%，而空曠地土壤中粒徑大于1 mm的石礫達到87.00%。表明桑樹能有效地防止地表徑流，從而減少土壤細土粒的流失，改善土壤的物理結構，使降雨較多地滲入土壤內變?yōu)橥寥浪偷叵滤?，顯著提高土壤水源涵養(yǎng)量及土壤持水保水能力。因此，桑樹是很好的生態(tài)防護林樹種，可應用于生態(tài)防護林構建(圖1)。

圖片由湖南省蠶桑科學研究所高級農藝師龍?zhí)浦姨峁﹫D1 位于四川省涼山州寧南縣的一處桑樹生態(tài)防護林

2.2 城市綠化帶修建

塵埃、煤煙、炭粒、細菌、氮氧化物和花粉等是城市空氣的主要污染源，人們長時間吸入帶有污染物的空氣，易引發(fā)多種呼吸道疾病。桑樹的滯塵能力很強，對二氧化硫(SO2)的吸收量大、抗性強，可以作為城市綠化樹種。有研究顯示，一般每公頃成林桑樹每年可滯留灰塵27.20 t[14]，吸收SO2氣體450 kg[15]；每天可以吸收二氧化碳(CO2)100 kg，釋放氧氣(O2)73 kg[16]；而且桑樹還有很強的吸氟、抗氟能力，是良好的凈化空氣樹種[17]。種植在道路兩旁的桑樹不僅可以防止水土流失、保護公路路基，而且成行的桑樹還可以成為城市一道亮麗的風景線(圖2)[18]。另外，桑樹樹冠豐滿，枝葉茂密濃綠，可為城市道路提供綠蔭；而且桑樹比較耐修剪，栽植在道路邊或公園里可以統(tǒng)一修剪，控制樹形，達到整齊美觀的效果，如九紋龍桑(圖3)和垂枝桑(圖4)等由于其獨特的外形特征很適合用于行道景觀樹[19]。但桑樹屬于花粉源植物，每年4月下旬花粉致敏性開始出現，5月上旬達到最強[20]。因此在選擇桑樹品種作為行道用樹時，應根據道路特征，合理選擇桑樹品種以減少花粉污染，如選擇雄花少的桑樹品種。

圖片來源于參考文獻[18]圖2 新疆維吾爾自治區(qū)克拉瑪依市公路兩旁的行道桑樹

圖3 湖南省蠶?？茖W研究所所內的九紋龍桑

圖片來源于參考文獻[19]圖4 栽植在苗圃地里待移栽的垂枝桑

2.3 消落帶生態(tài)恢復

長江三峽水利樞紐工程是我國實施跨世紀經濟發(fā)展戰(zhàn)略的一個宏大工程，也是我國最大、世界上為數不多的巨型水利樞紐之一。消落帶是水生生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)和陸地生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)交替出現的不穩(wěn)定的特殊季節(jié)性濕地生態(tài)系統(tǒng)，三峽水庫消落帶植被恢復情況與庫區(qū)環(huán)境衛(wèi)生、庫區(qū)穩(wěn)定、旅游景觀和社會穩(wěn)定密切相關，同時庫區(qū)移民和生態(tài)修復與環(huán)境整治還是水庫高效安全運行的關鍵[21]。

桑樹曾是三峽水庫建設以前廣泛種植的特種經濟林木之一，也是三峽庫區(qū)消落帶能夠存活的極少數木本植物之一，已被推薦作為三峽水庫生態(tài)屏障區(qū)建設的優(yōu)良樹種[22-23]。調查顯示，2006年大旱期間，三峽庫區(qū)消落帶的桑樹利用其發(fā)達的根系來滿足對水分的需求，生長基本良好，沒有枯死現象[21]。而且桑樹對澇害也有一定的耐受性，有文獻報道[24]，成林的桑樹在生長期受淹20 d以內都不會死亡；在三峽庫區(qū)消落帶，桑樹在超過10 m的水深下被淹6個多月，在消落帶露出地面后部分桑樹依然能夠較好地生長[23]，并且桑樹的根莖在庫區(qū)消落帶強烈浪涌沖擊侵蝕下保存完好，而同處于消落帶內的其它喬木全部死亡[21]。桑樹可廣泛用于消落帶的生態(tài)恢復。

2.4 石漠化、荒漠化治理

2015年，我國約有12.00萬 km2的石漠化土地和173.00萬 km2的沙化土地，邊治理、邊破壞的現象很突出[25]。尤其是我國西部地區(qū)，沙化和水土流失嚴重，是我國生態(tài)環(huán)境最脆弱的地區(qū)。有調查顯示，我國每年因土地沙化造成的直接經濟損失達540億元，并有近4億人因此受到影響[26]。

桑樹抗逆性強，在中國南北方都能生長(圖5)，是北方眾多省區(qū)生態(tài)環(huán)境建設中的首選樹種之一[27]。并且，桑樹有著超強貯水功能的根系網絡，在遏制風沙、保持水土方面表現突出。有研究表明，桑樹根垂直分布最深可達4 m，其地下根系分布的面積常為其樹冠投影面積的4～5倍，有的甚至高達7～8倍[18， 28]。桑樹的這些根系網絡足以保證桑樹在年降水量250～300 mm的干燥氣候條件下正常生長[28]。另有調查顯示，在中國北方干旱、半干旱地區(qū)1年生的桑樹定植苗，其根系總長度可達100 m，10年生桑樹的根系總長度可達10 000 m，最深的主根系達8 m，側根最長超過9 m[6]；沙地1年生定植苗，樹冠直徑為1 m，其根系向四周輻射的圓面積直徑超過4 m，桑樹的根系分布面積為其樹冠投影面積的15倍之多[6]；樹齡同樣為30年，桑樹在北緯42°、年降水量300 mm的干旱沙地中的生長量是刺槐、榆樹的5倍[6]。桑樹生長快，在沙荒地種植，林木覆蓋率可快速提高，在自然條件下6個月可以長到120 cm以上，能起到降低風速、固定流沙、改變荒漠面貌的作用，而且經濟效益好[29]。

圖5 湖南省婁底市石漠化區(qū)域桑樹的生長情況

2.5 鹽堿地治理

土壤鹽漬化是世界性的資源問題和生態(tài)環(huán)境問題。據測算，我國約有100.00萬km2的鹽堿地[30]。而桑樹是改良鹽堿地的合適樹種，已成為我國脆弱生態(tài)區(qū)植被恢復和重建工程中重要的先鋒樹種之一[31]。桑樹耐干旱、耐瘠薄，在酸性、鹽堿土中均能正常生長(圖6)。桑樹擁有巨大的樹冠，有的高度可達12 m，能蒸發(fā)大量的水分，根系像一臺抽水機，將地下的水源源不斷地向樹冠輸送，地下水位就慢慢地下降，溶解在水中的鹽堿也就隨著水慢慢地移到土壤的深層，這也是桑樹生物排水、降低地下水位的作用[32]。

圖6 生長在新疆維吾爾自治區(qū)克拉瑪依市鹽堿地上的桑樹

在鹽堿地種植耐鹽堿的桑樹，既可以減少地表水分的蒸發(fā)、防止土壤表面積鹽，又可以降低地下水位和鹽分，改良土壤的物理性狀，增加有機質和土壤微生物，降低土壤pH值，從而改善周圍的生態(tài)環(huán)境。如在黑龍江省肇東市的德昌、四站等地的部分鹽堿地種植桑樹的實踐表明，桑樹可以在pH值8.30～9.50范圍內生長，桑樹種植3年后，土壤體積質量顯著下降，土壤砂粒和粘粒含量降低，粉粒含量升高，含水量明顯增加，含鹽量明顯降低，pH值減小0.50～1.00；同時，土壤N、P、K、有機質和腐殖質含量，土壤微生物數量和土壤酶活性均呈增大的趨勢[31]。

2.6 重金屬污染土壤生態(tài)修復

2013年，媒體披露湖南省稻米鎘(Cd)超標事件后，引起社會的廣泛關注[33]。發(fā)展一種合理、經濟的治理重金屬污染土壤的方法成為必需[34-35]。桑樹不僅對重金屬具有一定的耐受和富集能力，而且蠶桑模式消除了土壤中重金屬通過食物鏈進入人體造成累積毒害的危險，有可能成為治理我國農田重金屬污染、實現農作物種植結構調整的一種理想樹種[1， 11， 36]。2014年農業(yè)部與財政部聯合頒發(fā)了《關于<湖南重金屬污染耕地修復及農作物種植結構調整試點2014年實施方案>的意見》，在長(長沙)株(株洲)潭(湘潭)地區(qū)啟動的0.95萬hm2Cd超標農田產業(yè)調整中，就有超過一半面積已落實發(fā)展蠶桑產業(yè)[4]。

桑樹對Cd有較強的富集能力，其根、莖、葉、皮等器官都能富集Cd。有研究表明，桑樹從土壤中富集的Cd約有50%富集在根部，主莖和分枝中各約占20%，葉子中占10%左右，在Cd污染區(qū)栽桑，耕作層土壤Cd含量年均下降1.33 mg/kg[37]。當土壤中的Cd濃度小于或等于40.60 mg/kg時，桑樹地上部分的生物量與對照接近或稍有增加；當土壤中的Cd濃度達到145.00 mg/kg時，桑樹分枝少而纖細，臨近死亡[38]。我們通過盆栽試驗發(fā)現，桑樹品種育71-1從土壤中富集的Cd有53%～70%集中在根部，桑葉中僅占10%左右[39]。在此基礎上，我們在岳陽市臨湘市的重金屬污染區(qū)按照3種種植密度(15 000株/hm2、30 000株/hm2和45 000株/hm2)種植3個品種的桑樹(粵桑11號、農桑14號和強桑1號)，并對桑樹植株中Cd的含量與分布規(guī)律進行了分析，結果顯示：不同品種的桑樹從土壤中富集的Cd有50%～52%分布在桑樹的根部，其次為分枝(21%～24%)、主莖(12%～16%)和桑葉(7%～13%)[40]；在設置的種植密度下，桑樹地上部(莖、枝、葉)Cd含量隨著種植密度的增加而升高，高密度的種植方式能夠提高桑樹對Cd污染土壤的修復效率[41]。不僅如此，我們還在岳陽市臨湘市工礦區(qū)，分別于2014年的夏季[42]和秋季[43]，利用生長在重金屬污染農田中桑樹的桑葉進行家蠶飼養(yǎng)試驗，即家蠶4齡后按照3個桑樹品種、3種栽植密度、3個重復分區(qū)飼養(yǎng)，對照區(qū)用無污染的桑葉飼養(yǎng)，結果表明：各處理間的蟲蛹統(tǒng)一生命率、全繭量、繭層率、公斤繭顆數差異不顯著，在工礦區(qū)Cd、鉛(Pb)超標農田栽植農桑14號較好，密度以15 000～30 000株/hm2為宜。因此，在湖南省的大部分重金屬污染農田，桑樹都可以作為替代植物種植。栽桑養(yǎng)蠶不僅可以利用重金屬污染農田增加農民的收入，而且蠶桑模式一定程度上消除了土壤的重金屬污染。值得注意的是蠶沙不能隨意堆放或丟棄，應統(tǒng)一收集后送至垃圾填埋場安全填埋或交由專業(yè)處理機構處理。

桑樹除了對重金屬Cd具有較好的富集和耐受能力外，還對其它一些重金屬元素具有較好的吸收能力(表1)。如ZHOU等[44]通過盆栽試驗研究了農桑14號對土壤中Pb的富集分配規(guī)律，發(fā)現桑樹從土壤中富集的Pb大部分集中在根部，且Pb在桑樹各部位的含量分布情況為根>莖>葉；其中桑葉中富集的Pb有超過92%集中在細胞壁，減少了其對細胞器的損害。而張興等[45]則通過野外試驗研究了湖桑1號對礦區(qū)農田土壤中Cd、Pb、銅(Cu)、鋅(Zn)這4種重金屬的原位去除效應，結果顯示這4種重金屬在桑樹各部位的含量趨勢為根>葉>皮>骨；在栽植密度為16 650株/hm2的條件下，每平方米耕作層土壤上桑樹每年對Cd、Pb、Cu和Zn的遷移總量分別為2 056.40、7 409.83、12 116.10和254 532.80 mg，表明桑樹可以較好較快地修復礦區(qū)受重金屬污染的土壤，同時可獲得較好的經濟效益和社會效益。

表1 桑樹吸收富集重金屬的有關文獻報道

#—桑樹品種為空白的表示該試驗研究未提到桑樹品種名。

3 展望

由于城鎮(zhèn)化進程加快、農村勞動力轉移及環(huán)境污染加重等多種自然因素和社會因素的影響，傳統(tǒng)的蠶桑產業(yè)面臨許多發(fā)展問題。但近些年來，隨著人們對桑樹資源調查研究的不斷深入，桑樹的多種生態(tài)功能被發(fā)掘，桑樹栽培的目的也不再僅僅是單一的養(yǎng)蠶收繭，而是呈現出多元化創(chuàng)新利用的趨勢，如桑樹已經在我國的一些地方用于生態(tài)防護林構建、石漠化治理、鹽堿地治理等。為了能充分發(fā)揮桑樹的生態(tài)功能優(yōu)勢，相關科研院所應加強合作、資源共享、優(yōu)勢互補、協作創(chuàng)新，從眾多的桑樹品種資源中篩選出能適應不同外部環(huán)境脅迫(鹽堿、高溫、干旱、重金屬等)的優(yōu)良桑樹品種，并對相應的耐受機理進行深度剖析，同時強化桑樹生態(tài)產業(yè)系統(tǒng)的開發(fā)研究及配套技術體系的構建，以最大限度地利用桑樹資源，走生態(tài)發(fā)展之路。另外，要將蠶桑產業(yè)的發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護結合起來，最大限度利用蠶桑資源的同時減少環(huán)境污染，實現蠶桑產業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。