陳慧娟，寧祖林，張卓文

（1.武漢長綠世紀園林景觀工程有限公司，湖北 武漢430019；2.中國科學(xué)院華南植物園，廣東 廣州510650；3.中國科學(xué)院武漢植物園，湖北 武漢430074；4.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝園林學(xué)院，湖北 武漢430070）

＊芒屬（Miscanthus）植物俗稱芒草，屬禾本科（Gramineae）多年生高大禾草，被多數(shù)歐盟國家認為最具發(fā)展?jié)摿Φ哪茉粗参铮?，2］。其作為能源植物的最大優(yōu)勢是具有巨大的生物產(chǎn)量，即產(chǎn)能效率高。植物能量生產(chǎn)的另一個重要方面就是植物熱值，它反映了綠色植物在光合作用中固定太陽輻射能的能力，是衡量植物燃燒性能的一個指標，也是評價能源植物利用價值的重要指標［3－9］。芒草植物能量高、灰分含量低、抗性強、耐瘠薄土壤，適合荒山坡地種植，不占用耕地；這類禾草不僅可以通過直接燃燒來生產(chǎn)熱能或電能，也可以通過固化、汽化和液化等手段轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的能源產(chǎn)品，更重要的是在生產(chǎn)和利用上能產(chǎn)生重要生態(tài)效益，因而作為生物質(zhì)能源而受到世界范圍內(nèi)的廣泛關(guān)注［2－4，10－15］。而我國是芒草植物資源的分布中心，其資源豐富，是南方山區(qū)的一類優(yōu)勢群落物種，應(yīng)予重視和加強芒草植物資源的研究和開發(fā)利用工作。

五節(jié)芒（Miscanthusfloridulus）為禾本科芒屬的一種，為多年生C4草本植物，分布廣泛、資源豐富、產(chǎn)量高、適應(yīng)性強，是一種生態(tài)效益和經(jīng)濟效益兼?zhèn)涞闹参镔Y源。前人對其生態(tài)－生物學(xué)特性、飼用價值及莖芽繁殖特性等方面做了一定的研究工作［16－18］，但以能源開發(fā)為目的的相關(guān)研究報道比較少。本研究對五節(jié)芒生物質(zhì)特性相關(guān)的生物學(xué)特性及其能量動態(tài)變化進行了探討，旨在為五節(jié)芒作為生物質(zhì)能源的評價及開發(fā)利用提供基礎(chǔ)資料。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料為2～5年生五節(jié)芒，試驗樣地設(shè)在武漢植物園西崗引種過渡圃院墻外側(cè)（N 30°32′，E 114°24′，海拔46 m）。試驗地土壤p H 5.64，有機質(zhì)1.92%，全氮0.88 g／kg，全磷0.53 g／kg，全鉀15.1 g／kg，速效磷5.5 mg／kg，速效鉀52.33 mg／kg。

1.2 試驗設(shè)計及方法

試驗地分為刈割區(qū)和非刈割區(qū)，在非刈割區(qū)隨機選取15叢五年生五節(jié)芒，定期觀測物候和萌蘗情況；每叢選取5個生長情況基本一致的芽掛牌，在收獲期測量所掛牌的分蘗枝高度、地徑、稈葉重等指標。在刈割區(qū)內(nèi)，用2 m×2 m的樣方框隨機選擇有代表性的三年生五節(jié)芒測定地上生物量，分別于2007－2008年6，7，8，9和12月測定株叢高度、地上生物量（鮮、干重）；每次測產(chǎn)均齊地面刈割，3次重復(fù)。

種子成熟時采收，在實驗室風(fēng)干去除雜質(zhì)于室內(nèi)通風(fēng)處儲存。利用光照培養(yǎng)箱，在恒溫26℃光照和黑暗條件下進行發(fā)芽實驗，每處理（4×25）粒種子，3次重復(fù)；以胚根出現(xiàn)時為種子萌發(fā)開始，連續(xù)5 d不發(fā)芽時為發(fā)芽實驗終止時間。

每月從刈割區(qū)和非刈割區(qū)采集樣品，樣品經(jīng)80℃烘干，粉碎處理后過篩貯存?zhèn)溆茫涣砣⌒佑?05℃烘干至恒重，求含水量。采用長沙儀器廠生產(chǎn)的 WGR－1型微電腦氧彈式熱量計測定其干重?zé)嶂担╣ross caloric value，GCV），3次重復(fù)，重復(fù)間誤差控制在±0.2 kJ／g，測定環(huán)境控溫在20℃左右。

灰分含量（ash content）測定采用干灰化法，即樣品在馬福爐550℃下灰化5 h后測定其灰分含量。然后計算樣品的去灰分熱值和能量生產(chǎn)效果，計算方法為：

2 結(jié)果與分析

2.1 五節(jié)芒生物學(xué)特性

2.1.1 生長發(fā)育節(jié)律 五節(jié)芒物候期可分為展葉期（2月26日－4月9日）、拔節(jié)期（4月10日－5月31日）、抽穗期（5月18日－6月20日）、開花期（6月9日－7月1日）、結(jié)實期（6月28日－8月11日）、枯黃期（8月12日－12月9日）共6個生長發(fā)育階段（圖1）。在整個生長過程中展葉期生長緩慢，日均增長為1.21 cm，株高絕對生長量為48.52 cm；拔節(jié)期逐步加速，日均增長為2.12 cm，到抽穗開花期生長速度較快，日增長達2.52 cm；而到結(jié)實期生長速度開始下降，并逐步停止生長（表1）。

表1 五節(jié)芒生長發(fā)育節(jié)律Table 1 Growth and development rhythm of M.floridulus

2.1.2 生物產(chǎn)量的季節(jié)變化 2008年對試驗地三年生五節(jié)芒株叢從孕穗期至枯黃期進行生物產(chǎn)量測定，其結(jié)果（表2）表明，三年生五節(jié)芒在整個生長季節(jié)內(nèi)生長迅速，干物質(zhì)積累相當快，其鮮重最高峰出現(xiàn)在結(jié)實后的營養(yǎng)積累階段。另外從調(diào)查觀測中發(fā)現(xiàn)，開花期生殖枝占總莖枝的比例低，結(jié)實期后營養(yǎng)枝繼續(xù)生長，而此時正處于秋季分蘗時期，此時萌發(fā)出較多新蘗，光合效率仍然很高，使株叢繼續(xù)積累生物產(chǎn)量。

莖葉比與株叢高度的關(guān)系，有助于選定最佳刈割時期，以獲取較多預(yù)期的生物產(chǎn)量。對3年生五節(jié)芒按照株叢不同高度測定莖葉比，其結(jié)果（表3）表明，從118.1到201.0 cm高度梯度變化過程中，其莖葉比值逐步變大，即葉的比重變小，莖稈比重增大。植株高度與葉鮮重沒有相關(guān)性，而與稈鮮重存在極顯著相關(guān)性；葉鮮重與稈鮮重存在相關(guān)性（表4）。

2.1.3 種子萌發(fā)特性 種子萌發(fā)試驗結(jié)果（表5）表明，26℃恒溫時，在黑暗條件下，五節(jié)芒種子發(fā)芽率較高。五節(jié)芒種子千粒重?。?.215 4 g），種子具有羽毛狀附屬物，能隨風(fēng)擴散；從種子萌發(fā)情況來看，在自然條件下，其種群應(yīng)以種子繁殖為主。

圖1 五節(jié)芒植株株高生長Fig.1 Plant height changes of M.floridulus

表2 3年生五節(jié)芒生產(chǎn)性狀的季節(jié)變化Table 2 Seasonal changes in production traits of 3－year－old M.floridulus

表3 3年生五節(jié)芒株叢高度與莖葉比的關(guān)系Table 3 Relationship between the height and the ratio of stem to leaf of 3－year－old M.floridulus

2.2 能量生產(chǎn)的季節(jié)動態(tài)變化

2.2.1 五節(jié)芒干重?zé)嶂档脑伦兓?2007－2008年，對五節(jié)芒莖稈和葉的熱值進行了測定，其結(jié)果（圖2）表明，莖稈、葉熱值具有明顯的季節(jié)性變化趨勢；葉干重?zé)嶂?6.59～18.40 kJ／g，4和10月較大，3和9月較??；莖稈干重?zé)嶂翟?－12月逐漸下降，翌年4－6月逐步增加。不同器官年均干重?zé)嶂禐椋汗耄?8.27 kJ／g）＞莖稈（17.76 kJ／g）＞葉（17.44 kJ／g）。

2.2.2 五節(jié)芒灰分含量的月變化 2007－2008年對五節(jié)芒灰分含量進行測定，其結(jié)果（圖3）表明：五節(jié)芒葉、莖灰分含量存在差異，且月變化趨勢各不相同；葉的灰分含量在9月份最高，4月份最低；莖的灰分含量在7月份最低，4月份最高，在2007年7月到2008年2月波動比較小。

五節(jié)芒葉灰分含量在5.32%～10.62%，莖稈灰分含量在1.25%～8.06%；一年中，除4月份五節(jié)芒莖的灰分含量高于葉，其余月份莖灰分含量明顯小于葉，而且比較穩(wěn)定。不同器官年均灰分含量為：葉（7.03%）＞果穗（3.44%）＞莖稈（2.55%）。

表4 3年生五節(jié)芒株叢高度與莖、葉鮮重相關(guān)性Table 4 Correlation of height，fresh stem weight and fresh leave weight of 3－year－old M.floridulus

表5 五節(jié)芒種子萌發(fā)試驗Table 5 Seed germination experiment of M.floridulus

2.2.3 五節(jié)芒干重?zé)嶂岛突曳趾康南嚓P(guān)性分析 五節(jié)芒葉的干重?zé)嶂蹬c灰分含量具有顯著的線性負相關(guān)關(guān)系（P＜0.05），莖的干重?zé)嶂岛突曳趾烤哂袠O顯著的線性負相關(guān)關(guān)系（P＜0.01）。說明灰分含量的變化對五節(jié)芒干重?zé)嶂档淖兓幸欢ǖ挠绊懀ū?）。

圖2 五節(jié)芒干重?zé)嶂档脑伦兓疐ig.2 Monthly changes of caloric values for M.floridulus

圖3 五節(jié)芒灰分含量的月變化Fig.3 Monthly changes of ash contents for M.floridulus

2.2.4 五節(jié)芒能量生產(chǎn)效果的季節(jié)變化 能量現(xiàn)存量等于熱值和生物量的乘積，五節(jié)芒地上部分能量現(xiàn)存量的季節(jié)動態(tài)取決于地上部生物量和熱值的季節(jié)變化。根據(jù)五年生五節(jié)芒地上部分不同季節(jié)能量測定結(jié)果（圖4），五節(jié)芒地上部能量現(xiàn)存量的季節(jié)變化呈單峰曲線，峰值出現(xiàn)在8月下旬，6月初－8月下旬隨著時間的進展而逐漸增加，8月份后逐漸下降。地上部分能量現(xiàn)存量的季節(jié)變化，主要受地上部生物量的影響，其變化規(guī)律基本與地上部生物量的變化相一致，熱值的變化對其影響程度較小。

表6 五節(jié)芒各器官中干重?zé)嶂蹬c灰分含量的關(guān)系Table 6 Relationships between gross caloric values and ash contents of M.floridulus

圖4 五節(jié)芒能量現(xiàn)存量、熱值和生物量與時間的變化Fig.4 Dynamics of existent energy value，caloric value and biomass of M.floridulus

3 討論

從五節(jié)芒不同生長發(fā)育階段生長速度來看，拔節(jié)期和抽穗期生長速度較快，此時適當增加肥水管理有利于提高其生物產(chǎn)量。以前的研究認為［19，20］，五節(jié)芒以分蔸、莖芽繁殖為主要繁殖方式，種子繁殖較困難。從種子萌發(fā)試驗情況來看，26℃恒溫時，在光照條件下，種子發(fā)芽率都能達到60%左右；在黑暗條件下，發(fā)芽率為70%左右，而在室內(nèi)散射光條件下發(fā)芽率稍微偏高，這與蕭運峰等［10］研究認為室內(nèi)散射光條件下種子不萌發(fā)的結(jié)果不相符；可能在觀察的過程中，人為增加了間斷性光照，可見在間斷光照條件下更有利于種子萌發(fā)，具體情況有待于進一步研究證明。從果穗發(fā)育情況來看，果穗中存在許多空殼，而果穗結(jié)實率高，可育種子數(shù)量相對較多；野外調(diào)查過程中也發(fā)現(xiàn)了許多實生苗，種子具有羽毛狀附屬物，可隨風(fēng)擴散，可見自然條件下五節(jié)芒應(yīng)以種子繁殖擴散為主，規(guī)?；N植利用時應(yīng)以種子繁殖更為經(jīng)濟有效。

禾草類能源植物作為生物質(zhì)能開發(fā)利用的最大優(yōu)勢是其生物產(chǎn)量高。五節(jié)芒能量動態(tài)的研究結(jié)果表明地上部分能量現(xiàn)存量的動態(tài)變化呈單峰曲線，與地上部生物量的變化趨勢一致，熱值的變化對其影響較小。郭繼勛和王若丹［7］對羊草（Leymuschinensis）熱值和能量特征的研究，李萍萍等［17］對鎮(zhèn)江濱江濕地優(yōu)勢植物蘆葦（Phragmitescommunis）和草蘆（Phalarisarundinacea）的研究都反應(yīng)地上部分能量現(xiàn)存量與生物量的變化相一致，熱值的變化對其影響較小。因此，生物量可以作為生物質(zhì)能評價的一個重要指標。

從五節(jié)芒莖、葉的熱值和灰分的相關(guān)性分析來看（表5），熱值和灰分含量存在顯著的負相關(guān)性，說明灰分含量對熱值存在一定的影響，這與其他種類植物熱值和灰分的變化規(guī)律一致。林益明等［21］對8種棕櫚植物的研究也有類似的結(jié)果。植物組分或器官干重?zé)嶂档牟町愔饕鞘茏陨斫M成物質(zhì)、結(jié)構(gòu)和功能的影響；熱值隨季節(jié)的變化與植物的物候節(jié)律及對環(huán)境因子變化的反應(yīng)有關(guān)［22］；其次，還受光照強度、日照長短和土壤類型和植物年齡影響［21］；另外，熱值與植物體內(nèi)碳、Na＋、Mg2＋、Cl－含量存在相關(guān)性［23］。五節(jié)芒屬C4高光效植物，在其生長旺盛時期可能從根部吸收較多的礦物元素，而礦物質(zhì)是灰分的主要成分，其熱值變化可能受其植物體內(nèi)礦物元素的含量和種類有關(guān)；同時，五節(jié)芒是廣布種，其熱值可能會與氣候因子影響比較大，不同地方種源的熱值或許會存在明顯差異。

普遍認為［22－28］，葉片灰分含量一般比莖稈高，所含礦質(zhì)元素含量也相應(yīng)較高。因此，對于篩選培育可燃性能源植物而言，莖葉比是一個較好的評價指標，莖葉比值偏高時，品質(zhì)較好。因此，可以通過某個時期的莖葉比值大小來確定最佳收獲時期。

［1］ 劉亮.中國植物志［M］.北京：科學(xué)出版社，1977：19－26.

［2］ 解新明，周峰，趙燕慧，等.多年生能源禾草的產(chǎn)能和生態(tài)效益［J］.生態(tài)學(xué)報，2008，28（5）：2329－2342.

［3］ 鮑雅靜，李政海，韓興國，等.植物熱值及其生物生態(tài)學(xué)屬性［J］.生態(tài)學(xué)報，2006，25（9）：1095－1103.

［4］ 魏勝文，陳先江，張巖，等.能值方法與存在問題分析［J］.草業(yè)學(xué)報，2011，20（2）：247－277.

［5］ 陳慧娟，張卓文，寧祖林，等.施肥對五節(jié)芒熱值和表型性狀的影響［J］.草業(yè)科學(xué)，2009，26（8）：63－67.

［6］ 寧祖林，陳慧娟，張卓文，等.幾種禾本科大型草本植物熱值和灰分含量動態(tài)變化研究［J］.草業(yè)學(xué)報，2010，19（2）：241－247.

［7］ 郭繼勛，王若丹.東北草原優(yōu)勢植物羊草熱值和能量特征［J］.草業(yè)學(xué)報，2000，9（4）：28－32.

［8］ 郝翠，李洪遠，姜超，等.北方半干旱區(qū)河流濕地優(yōu)勢植物的熱值［J］.生態(tài)學(xué)雜志，2008，27（12）：2094－2098.

［9］ 黃明麗，韓文軒，張福鎖，等.影響能源植物產(chǎn)量和燃燒質(zhì)量的農(nóng)田管理因素［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2009，25（2）：183－187.

［10］ 蕭運峰，王銳，高潔.五節(jié)芒生態(tài)—生物學(xué)特性的研究［J］.四川草原，1995，（1）：25－29.

［11］ 余輝，向佐湘，楊知建.草本能源植物資源的開發(fā)與利用［J］.草業(yè)科學(xué)，2008，25（12）：46－50.

［12］ 席慶國，劉玉新.高大禾草加工技術(shù)概況［J］.草業(yè)科學(xué)，2005，22（1）：32－33.

［13］ 曾祥艷.生物新燃料－芒草的開發(fā)利用［J］.廣西熱帶農(nóng)業(yè)，2007，5：37－38.

［14］ 趙南先，蕭運峰.安徽省的芒屬植物資源及其開發(fā)利用［J］.武漢植物學(xué)研究，1990，4（8）：372－382.

［15］ 蕭運峰，高潔，王銳.五節(jié)芒的生產(chǎn)性狀與飼用價值的研究［J］.四川草原，1997，（1）：20－24.

［16］ 席慶國.德國等歐洲國家重視對高大禾草的研究和利用［J］.草業(yè)科學(xué)，2002，19（4）：45.

［17］ 李萍萍，陸軍，吳沿友，等.鎮(zhèn)江濱江濕地優(yōu)勢植物種群的熱值及能量生產(chǎn)動態(tài)［J］.浙江大學(xué)學(xué)報（農(nóng)業(yè)與生命科學(xué)版），2008，34（2）：221－229.

［18］ 李有涵，謝昭良，解新明.5個象草品種的構(gòu)件生物量特征及分配動態(tài)［J］.草業(yè)學(xué)報，2011，20（5）：11－18.

［19］ 朱邦長，葉瑪麗，張川黔，等.五節(jié)芒莖芽繁殖技術(shù)的研究［J］.四川草原，1995，（1）：30－34.

［20］ 杜占池，杜菁昀.幾種優(yōu)良人工牧草礦質(zhì)元素含量的比較研究［J］.四川草原，2003，1：26－29.

［21］ 林益明，林鵬，譚忠奇，等.棕櫚科刺葵屬5種植物熱值的月變化研究［J］.林業(yè)科學(xué)，2003，39（1）：62－67.

［22］ 阮志平，楊志偉，李元躍，等.布迪椰子不同器官熱值的季節(jié)變化研究［J］.熱帶亞熱帶植物學(xué)報，2007，15（5）：399－402.

［23］ 徐永榮，張萬均，馮宗煒.天津濱海鹽漬土上幾種植物的熱值和元素含量及其相關(guān)性［J］.生態(tài)學(xué)報，2003，23（3）：450－455.

［24］ 劉建禹，翟國勛，陳榮耀.生物質(zhì)燃料直接燃燒過程特性的分析［J］.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2001，32（3）：290－294.

［25］ 劉建寧，石永紅，王運琦，等.高丹草生長動態(tài)及收割期的研究［J］.草業(yè)學(xué)報，2011，20（1）：31－37.

［26］ Angelini L，Ceccarini L，Bonari E.Biomass yield and energy balance of giant reed（ArundodonaxL.）cropped in central Italy as related to different management practices［J］.European Journal Agronomy，2005，22：375－389.

［27］ Christian D，Riche A，Yates N.The yield and composition of switchgrass and coastal panic grass grown as a biofuel in Southern England［J］.Bioresource Technology，2008，83：115－124.

［28］ Heaton E A，Clifton－Brown J，Voigt B，etal.Miscanthus for renewable energy generation：European Union experience and projections for Illinois［J］.Mitigation and Adapation Strategies for Global Change，2004，9：433－451.