7種多年生禾草作為能源植物潛力的研究

宗俊勤，郭愛桂，陳靜波，劉建秀

(江蘇省中國科學院植物研究所 南京中山植物園，江蘇 南京 210014)

礦物能源短缺和全球氣候變暖是世界各國所面臨的嚴峻問題，開發利用不會對環境帶來危害的可再生能源資源就成為當今國際社會的主要課題之一。生物質能是一類既有助于減輕溫室效應，又可替代部分石油、煤炭等化石燃料的綠色能源[1-3]。而利用生物質作為能源就必須了解不同生物質材料的熱能及其相關的化學成分[4]。

目前，主要的生物質植物材料包括木本植物、一年生以及多年生草本植物[5]。其中木本植物生長周期長，在森林資源日益匱乏的情況下，不可能以砍伐森林資源作為生物質能的生產原料；一年生草本植物種植成本高，不適合進行大規模推廣利用[6]；而多年生草本植物不僅可以通過直接燃燒來生產熱能或電能，也可以通過固化、汽化和液化等手段轉化成相應的能源產品[7]，更重要的是生產和利用多年生能源禾草還具有如下生態學益處：1)用其生物質替代化石燃料可減少CO2的排放量；2)在長達十幾年的生產栽培期間，對土壤的耕作僅限于建植當年，可降低土壤侵蝕的風險，增加土壤碳含量；3)營養物質可通過根莖系統進行循環利用，因此對化肥的輸入要求很低；4)天然害蟲較少，不需要或很少需要殺蟲劑；5)可有效利用和改良農業廢棄地、農田邊際土地、荒地、鹽堿地、干旱地、山坡地、重金屬污染農田、濱海灘涂等土地資源；6)長期免于土壤干涉，晚冬至早春的延遲收獲制度，以及無殺蟲劑的使用，可使多年生禾草群叢中不同物種，特別是鳥類、哺乳動物和昆蟲數量的增加[8]。因此，研究和開發適合在邊際土壤上生長的、高生物量的多年生草本能源植物，就成為目前世界各國關注的一個焦點問題，其不僅可以為生物質能源產業提供原料，而且能夠達到保護環境，維持生態平衡的目的[9]。

對于高大禾草作為能源植物的潛力，前人已開展了一些研究[10]。寧祖林等[11]對芒(Miscanthussinensis)、蘆竹(Arundodonax)等8種高大禾草的熱值與灰分的關系進行了研究，所有材料中去灰分熱值較高的蘆竹的熱值平均為19.01 kJ·g-1，而芒去灰分熱值為18.52 kJ·g-1，顯然蘆竹的熱值要高于芒，因此認為蘆竹較芒更有潛力。而Mészáros等[12]對芒、冰草(Agropyroncristatum)以及2種木本植物的研究表明，2種草本植物中，芒的熱值較高、灰分含量較低，而與木本植物相比，在熱值和灰分含量上區別不大，說明芒是取代木本植物作為生物質原料較理想的植物。左海濤和武菊英[9]通過對荻(Triarrhenasacchariflora)、蘆竹、雜交狼尾草(Pennisetumamericarum×P.purpureum)以及柳枝稷(Panicumvirgatum)在北京地區作為生物質能源植物的潛力進行了研究，發現雜交狼尾草干物質產量最高，是4種植物中最具潛力的草本能源植物。通過對上述研究進行分析不難發現，不同研究者在不同的地區對上述材料研究的結果不盡相同，因此有必要對上述材料進行進一步的比較分析。

本研究在上述研究的基礎上，對已報道可作為生物質能源植物的芒、蘆竹等高大禾草的生物質能潛力進行分析，通過對芒、荻、甜茅(Glyceriamaxima)、蘆竹、蘆葦、斑葉芒(M.sinensis‘Zebrinus’)及柳枝稷等高大禾草的相關能源植物的指標進行測定，了解其作為能源植物的潛力，為進一步研究和利用上述高大禾草作為生物質能源植物提供科學依據。

1 材料與方法

1.1試驗材料 以能源植物的模式作物柳枝稷[13]為對照，所有材料于2008年11月取自江蘇省中國科學院植物研究所，蘆葦(Phragmitesaustralis)、蘆竹、斑葉芒、柳枝稷、芒、荻及甜茅均為種植3年的材料，斑葉芒和柳枝稷為美國引進材料，其余材料均為江蘇南京的鄉土材料。試驗材料在種植后除必要的冬季整修外，基本不進行其他管理。

1.2試驗地概況 試驗地位于32°02′ N，118°28′ E，海拔30～40 m，年平均氣溫15.4 ℃，1月平均氣溫為2.3 ℃，7月平均氣溫27.7 ℃，1月絕對最低氣溫-13.0 ℃，7月絕對最高氣溫43.0 ℃，年平均降水量1 013 mm。試驗地土壤有機質含量為(5.098±0.669)%，全氮含量為(0.212±0.018)%，速效磷含量為[(11.2±2.44)×10-4]%，速效鉀含量為[(257.4±26.0)×10-4]%，土壤pH值為7.08±0.11，土壤肥力中等且分布均勻。

1.3測定項目及方法 依據國外的研究經驗[14]，在材料冬季枯黃時進行收割，這樣既保證材料地下部分能夠完成必要的養分積累以利于第2年材料的萌發，又降低所收割材料的含水量，減少材料的處理成本。

1.3.1高度 隨機測量每個樣方內10株完整植株的高度，每個樣方1 m2， 3次重復。

1.3.2密度 樣方內植株莖稈數除以樣方的面積為植株密度，每個樣方1 m2， 3次重復。

1.3.3生物量 在材料枯黃后取樣稱量，取樣面積1 m2，3次重復，測定材料的鮮質量；將測定鮮質量的材料放入烘箱(上海索譜儀器有限公司101型電熱恒溫鼓風干燥箱)中，在70 ℃條件下烘干至質量恒定并稱量，測定其干物質產量；材料枯黃時含水量折算公式：

1.3.4生物質特性 熱值用XRY-1型氧彈式熱量計進行測定[13]；纖維素、半纖維素、木質素及灰分用范氏洗滌纖維分析法測定[15]。

1.3.5生物質折算方式 生物質材料作為可再生能源，其不論以何種方式加以利用，均以單位面積所產出的生物質產量與熱值相結合進行分析才是具有實際意義的，因此本研究依據以下計算方式計算上述材料折合標準煤：

式中，標準煤熱值為29.26 MJ·kg-1[16]。

1.4數據處理 利用Excel 2010及SPSS 13.0軟件對所得數據進行相應的統計分析。

2 結果與分析

2.1試驗材料表型性狀 不同的材料在植株高度和密度方面均有著明顯的差異(表1)。在高度方面，荻、芒、蘆竹及蘆葦顯著高于對照柳枝稷(P<0.05)，斑葉芒和甜茅與柳枝稷無顯著差異(P>0.05)，其中蘆竹高度最高，達到5.05 m，而柳枝稷的高度最低，為1.63 m，兩者相差3.42 m。所有材料的密度均顯著低于柳枝稷(P<0.05)，柳枝稷的密度最高,每平方米的莖稈數為1 879，而蘆竹的密度最低，每平方米莖稈數僅為91，二者相差1 788。

本研究測定的相關材料的生物質產量與國外報道的產量類似[17]。其中荻的鮮質量和干物質產量最高，分別為34.94和32.11 t·hm-2；甜茅最低，僅為15.76和14.02 t·hm-2；斑葉芒枯黃時的含水量為7.76%，是所有材料中含水量最低的；而蘆竹在枯黃時的含水量為14.61%，是所有材料中最高的。與對照柳枝稷比，荻、芒、蘆竹、蘆葦的干物質產量均顯著高于柳枝稷(P<0.05)，分別高出12.08、9.93、8.72和7.59 t·hm-2；而斑葉芒和甜茅均顯著低于柳枝稷(P<0.05),分別低3.46和6.01 t·hm-2。含水量方面，荻、芒、蘆葦、斑葉芒的含水量均低于柳枝稷，其分別低了0.69%、1.03%、0.076%和1.36%，但無顯著差異(表1)。

2.2生物質組成成分及分析

2.2.1生物質組成成分 熱值高于柳枝稷的材料有荻、芒和斑葉芒，分別高出0.229、0.739和0.035 MJ·kg-1，但差異均不顯著(表2)。通過對上述材料生物質成分的分析發現，荻、芒及斑葉芒的纖維素含量顯著高于柳枝稷(P<0.05)；半纖維素含量也高于柳枝稷，但差異不顯著；木質素及灰分含量均顯著低于柳枝稷(P<0.05)。通過對上述材料折合標準煤后進行分析，荻、芒及蘆竹的產量顯著高于柳枝稷(P<0.05)，其較柳枝稷分別高出了7.47、6.69和4.53 t·hm-2。

表1 各能源草表型性狀

表2 各能源草生物質組成成分及折合標準煤

2.2.2生物質組成相關性分析 木質素與半纖維素呈顯著負相關關系(P<0.05)，說明材料中木質素含量越高半纖維素含量就越低(表3)。而作為能源植物最重要的灰分與熱值也呈顯著負相關關系，說明材料的灰分含量越高，其干質量熱值就越低。其他性狀之間未發現明顯的相關性。通過回歸分析，其回歸方程為y=22.295 0-0.152 6x，r=0.790 2(P<0.05)，n=7，其中，y為干物質熱值，單位為MJ·kg-1，x為灰分含量，單位為g·kg-1。回歸方程表明， 1 kg干物質中灰分含量每增加1 g干質量熱值相應的減少152.6 J。

表3 生物質成分相關性分析

3 討論與結論

高生物量的多年生草本能源植物，不僅可以為生物質能源產業提供原料，而且能夠達到保護環境，維持生態平衡的目的。供試的7份材料不論在植株高度還是在密度方面均有明顯的差異，所有材料的密度均顯著低于柳枝稷；荻、芒、蘆竹及蘆葦4份材料在高度上顯著高于柳枝稷，而斑葉芒和甜茅與柳枝稷無明顯差異；荻的鮮質量和干物質產量最高，甜茅最低；芒枯黃時含水量最低，而蘆竹在枯黃時含水量最高。與對照柳枝稷相比，荻、蘆竹、蘆葦、芒的干物質產量顯著高于柳枝稷；而枯黃時含水量方面，除蘆竹和甜茅外，其余材料的含水量均低于柳枝稷。通過對材料的灰分及燃燒特性的分析，上述材料中荻、芒2份材料的干物質產量較柳枝稷分別高出12.08和9.93 t·hm-2，而枯黃時含水量較柳枝稷分別低0.69%和1.03%，并且燃燒特性好、灰分低，是適合我國乃至全球進行推廣應用的優良生物質能源植物和生物質能產業發展的可靠原料來源。本研究所測定的柳枝稷的產量與國外的報道相比已經處于柳枝稷產量的上限[13]，說明作為美國能源植物研究的模式植物的柳枝稷，在中國的產量并不低，但是較原產中國的芒、蘆竹等高大禾草其產量卻低了很多。

荻、芒及斑葉芒等芒屬植物的燃燒性較對照柳枝稷好。芒、荻及蘆竹3份材料折合標準煤的產量顯著高于柳枝稷。對灰分及燃燒特性的分析表明，上述材料中芒、荻2份材料不但生物質產量高、枯黃時含水量低，而且燃燒特性好、灰分低，是優良的生物質能源植物。這與Lewandowski等[17]的研究結果相類似。回歸分析結果表明，木質素與半纖維素呈顯著負相關，也就是說材料中木質素含量越高半纖維素含量就越低；而灰分與熱值具有線性負相關，即材料的灰分含量越高，其干物質熱值就越低，而其他材料之間未發現相關性。計算表明1 kg干物質中灰分含量每增加1 g，干物質熱值相應的減少152.6 J。這與陳惠娟等[16]對五節芒(M.floridulus)的研究結果類似。

以上的研究和分析表明，芒屬植物資源是較柳枝稷等更適合我國生物質能源發展的重要高大禾草資源之一。生物質產量、灰分以及干物質熱值是篩選和選育生物質能源植物的有效指標，通過對這3個指標的測定，可以基本了解資源材料或新品系作為生物質能源植物的特性。目前，生物質能源在國家能源消費中還僅占很小的比例，但是隨著對芒屬植物的深入研究，其潛在的利用價值將會被人們所認識和接受，使其不論在國家能源領域還是生態環保方面都可以發揮出應有的作用。

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