芒屬植物能源潛力評價體系的構建

項 偉，易自力,，肖 亮，劉清波，覃靜萍

（1湖南農業大學生物科學技術學院，長沙 410128；2芒屬植物生態應用技術湖南省工程實驗室，長沙 410128）

芒屬植物能源潛力評價體系的構建

項 偉1，易自力1,2，肖 亮2，劉清波1，覃靜萍1

（1湖南農業大學生物科學技術學院，長沙 410128；2芒屬植物生態應用技術湖南省工程實驗室，長沙 410128）

【目的】芒屬植物是目前國內外生物質能源領域的研究熱點，在全球共有14個種，且具有種間雜交的特點。文章為建立芒屬植物能源潛力評價體系，為從眾多的芒屬基因型中篩選優良種質和選育能源作物品種奠定基礎。【方法】通過文獻法、調研法和專家咨詢法探討了芒屬植物作能源作物應用的相關性狀指標。運用層次分析法，根據能源用途不同按發電、制乙醇、產沼氣、制生物油等4類，分別從農藝、品質、抗逆性等3方面，選取干物質產量、冠層高、莖高、莖徑、基部直徑、分蘗數、葉莖比、枯黃性、落葉性、含水量、灰分含量、揮發分含量、固定碳含量、熱值、纖維素含量、半纖維素含量、木質素含量、礦質元素含量、耐鹽性、抗旱性、抗寒性、耐淹性、抗病蟲性等23項指標來構建芒屬能源植物評價指標體系，同時制定了性狀測量標準和能源利用潛力指數計算法則。然后使用該體系對湖南農業大學芒屬植物資源圃中 B0340（芒）、A0504（五節芒）、A0123（荻）、A0118（南荻）、D0302（奇崗）5個典型的芒屬種質代表進行了測量和評價示范。再將評價結果與現有文獻中有關發電、制乙醇和產沼氣的能源理論產率計算公式的計算結果予以比對。【結果】芒屬植物能源利用潛力指數分成4級，分別為極宜（75—100分）、適宜（50—74分）、一般（25—49分）、不宜（0—24分）。示范評價結果顯示：A0504（五節芒）發電得60.73分，制乙醇得60.14分，產沼氣得60.27分，制生物油得57.19分；A0118（南荻）發電得64.32分，制乙醇得58.45分，產沼氣得58.20分，制生物油得60.01分；D0302（奇崗）發電得54.06分，制生物油得50.33分。可知A0504、A0118、D0302為適宜的能源植物，發酵制乙醇和沼氣最適用A0504為原料，燃燒發電和熱裂解制油最適用A0118為原料。此結果與現有文獻中有關發電、制乙醇和產沼氣的能源理論產率計算公式的計算結果基本一致，且比能源理論產率計算公式更能真實反映實際生產情況。【結論】通過從農藝、品質、抗逆性等3方面構建的芒屬植物能源潛力評價體系，能夠在發電、制乙醇、產沼氣和制生物油4類能源用途方面客觀評價芒屬植物的適用性，從而可用于其優良種質的篩選和新品種的選育。

芒屬；能源植物；層次分析法；評價體系

0 引言

【研究意義】芒屬植物（Miscanthus spp.）是隸屬禾本科（Gramineae）黍亞科（Panicoideae）高粱族（Trib. Andropogoneae）甘蔗亞族（Subtrib. Saccharinae）芒屬（Miscanthus）的一類多年生高大草本植物[1]，俗稱“芒草”。在中國有能源潛力的芒屬植物主要有芒、五節芒、荻、南荻等4個種，而歐洲目前已經得到推廣利用的芒屬能源植物為奇崗，它是二倍體芒和四倍體荻的三倍體雜交品種[2]，原產自日本。面對能源短缺和環境污染雙重壓力，中國政府高度重視生物質能源發展，在連續5個五年計劃中都把生物質能源列為了科技攻關重點項目。2006年1月1日《可再生能源法》的實施更是使得可再生能源在現代能源中的地位得到法律高度上確認[3]。而開發理想的能源植物保障優質生物質原料的穩定供給是發展生物質能源的基本前提，同時為了保障不與人掙糧、不與糧掙地，生物質能源的發展必須以邊際性土地為主。因此，產量高、品質優、成本低、抗逆性強的芒屬植物成為專用能源作物的首選來源。芒屬能源植物作為纖維生物質原料轉化為生物燃料的技術途徑與產品類型主要有壓制成型燃料、燃燒發電、發酵制乙醇、發酵產沼氣和熱裂解制生物油、生物炭與生物氣等。而即使是同一種能源植物，由于在不同經緯度或海拔地區的表現不同，其利用途徑也可能不同；而利用途徑不同，其評價指標也會不同，所以目前對能源植物的評價還沒有一個統一的標準。因此，建立一個科學合理的草本纖維素類植物能源潛力評價體系，來指導宜能品種的篩選與開發利用已成為芒屬能源植物開發的關鍵前提[4]。【前人研究進展】國內外對能源植物的評價在產業鏈方面主要分為上游階段評價、下游階段評價和全階段（全生命周期）評價等，在評價方法構建方面主要有層次分析法[5-10]、能值分析[11-14]和其他方法等。例如，以層次分析法構建體系評價上游階段的有：李高揚等[15]以燃料乙醇為目標評價能源植物的利用價值；李聰敏等[16]確立評價三峽庫區能源植物的各類不同指標；潘偉彬[17]建立以直燃、成型燃料、熱解氣化利用和纖維素乙醇生產為目的的狼尾草品種篩選評價模型；李峰[18]以生產乙醇為目標對 16種常見能源草進行篩選及評價指標體系構建；侯新村等[19]以固體成型燃料、沼氣、纖維素乙醇為目標對荻的應用潛力進行分析評價；曾漢元[20]對9種能源草的農藝性狀和光合特性等方面構建指標體系；沈光等[21]建立富含油、淀粉、糖、橡膠等類能源植物、木質纖維素能源植物和薪炭能源植物三個評價指標體系；WERNER等[22]用多屬性決策評估能源作物事前輪作。以層次分析法構建體系評價下游階段的有：張玉蘭[23]以燃料乙醇、生物柴油、直燃發電、沼氣為目標建立生物質能源品種綜合評價模型；王慧[24]以乙醇為目標建立了纖維素乙醇轉化評價體系。以層次分析法構建體系評價全階段的有：TURCKSIN等[25]以多人參與的多準則構架評價了不同生物燃料的選擇；COBULOGLU等[26]建立了一種可持續生物質作物選擇的隨機多準則決策分析體系。以能值分析評價全生命周期的有：張軍等[27]研究燃料乙醇系統3個階段的能耗問題；楊慧[28]建立植物生物質能的能值評價指標體系，分析能值評價在植物生物質能可持續發展中的作用；FAZIO等[29]評估了生物能源系統的能量和經濟。以其他方法評價的有：范希峰等[30]以乙醇轉化、沼氣發酵、燃燒、熱解氣化為目標3種草本能源植物的生物質產量和品質特性；張樹振等[31]以燃料乙醇為目標對不同苜蓿品種生物質能源性狀進行評價；劉建樂等[32]以燃料乙醇為目標通過加權平均法對 30份割手密資源進行產能潛力評價；BALEZENTIENE等[33]用模糊決策法選擇可持續能源作物；GIULIANO等[34]以一個多準則評價玉米種植制度。【本研究切入點】國內外有關評價體系構建的研究雖多，但受芒屬植物資源的限制，國外尚無針對芒屬植物多能源用途的評價體系，雖然中國芒屬植物資源豐富，但由于研究起步較晚，目前也尚未見有關報道。【擬解決的關鍵問題】本文針對芒、五節芒、荻、南荻和奇崗等芒屬能源植物，從燃燒發電、發酵制乙醇、發酵產沼氣和熱化學轉化等利用途徑考慮，篩選能源利用潛力所涉及農藝、品質、抗逆性等 3方面23項性狀，通過層次分析法構建了芒屬能源植物評價指標體系，旨在解決如何評價何種芒屬植物符合能源作物條件并適合何種利用途徑的問題，從而為芒屬植物優良能源種質篩選和新品種選育提供指導作用，同時也為芒屬植物在其它能源用途方面的評價方法建立提供參考依據。

1 原則與方法

1.1 建立原則

全面性原則：要對芒屬植物各種質進行綜合評價，指標體系就應當選取全面，能全面反映各種質狀況，使評價更全面。

代表性原則：篩選指標時，應選取最能直接反映芒屬植物能源潛力的指標。排除與能源潛力關系不大的從屬指標。各指標之間應具有獨立性。

層次性原則：評價指標體系層次結構的建立，有利于進一步的因素分析。

合理性原則：有機結合定量和定性指標、直接和間接指標等，確保指標合理性。

可行性原則：指標數據易采集、方便更新、體系簡明綜合性強、具有可操作性。

1.2 建立方法

先通過文獻法搜集和分析芒屬植物在能源相關領域利用的中英文文獻，初步選出芒屬植物與能源潛力有關的性狀指標；再將這些指標和相關問題編制成表式，采用問卷調查法，以提問的形式向企業及農戶等相關人員搜集信息，然后回收整理、統計研究；最后篩選出文獻引用頻次較高，同時相關人員認為比較重要的指標。然后利用 yaahp10.1軟件來運用層次分析法構建層次結構模型，再構造判斷矩陣。以問卷方式，郵寄或直接拜訪行業內專家，利用其知識、經驗和分析判斷能力對芒屬植物能源用途關聯的不同指標重要性進行判斷。最后利用 yaahp10.1軟件檢驗一致性，根據專家排序權重結果集結或判斷矩陣集結計算評價指標權重，再依據各個評價指標的具體數值，分別賦予對應的分值。

1.3 應用示例

從湖南農業大學芒屬植物資源圃隨機挑選B0340（芒）、A0504（五節芒）、A0123（荻）、A0118（南荻）、D0302（奇崗）5份材料進行測試。

該評價體系農藝指標和品質指標的測量原則上均選在最佳收獲期進行，不同能源用途的最佳收獲期略有不同，一般情況下用作發電、制乙醇和制生物油時，采取延遲收獲品質較好；而用作產沼氣時，采取青貯品質較好。

1.4 結果驗證

將測量值代入現有文獻中的能源理論產率計算公式，檢驗其結果與該評價體系結果是否一致。

1.4.1 燃燒發電評價驗證 發電量理論計算公式[35]，見公式（1）：

發電量（kW·h·hm-2）= 熱值（MJ·kg-1）×106（將MJ·kg-1換算成KJ·t-1）×0.35（熱轉化成電過程的效率）×干物質產量（t·hm-2）÷3600（將KJ換算成kW·h） （1）

1.4.2 發酵制乙醇評價驗證 乙醇理論產量計算公式[36]，見公式（2）：

乙醇產量（L·hm-2）=（纖維素含量(%)+半纖維含量(%)）×干物質產量（t·hm-2）×1.11（纖維素、半纖維素水解成糖的轉換因子）×0.85（纖維素、半纖維素水解成糖過程的效率）×0.51（糖轉化成乙醇的轉換因子）×0.85（糖轉化成乙醇過程的效率）×1000/0.79（乙醇的比重g·mL-1） （2）

1.4.3 發酵產沼氣評價驗證 沼氣理論產量計算公式[37]，見公式（3）：

沼氣產量（m3·hm-2）=（纖維素含量(%)+半纖維含量(%)）×干物質產量（t·hm-2）×103（將t換算成kg）×0.75（碳水化合物的理論沼氣轉化率m3·kg-1） （3）

2 結果

2.1 評價指標與層次結構

首先通過文獻搜索得到與能源潛力有關的性狀指標 75項，然后經向河南天冠、武漢凱迪、湖南谷力新能源等企業，以及洞庭湖區南荻種植戶和湖南農業大學芒屬植物研究所工作人員調研咨詢，最后篩選出認為比較重要且文獻引用頻次較高的性狀指標共 23項。采用層次分析法建模構建芒屬植物能源潛力評價體系（圖1）[38]，目的層為評價芒屬植物能源潛力，準則層為農藝指標、品質指標、抗逆性，方案層為干物質產量、冠層高、莖高、莖徑、基部直徑、分蘗數、葉莖比、枯黃性、落葉性、含水量、灰分含量、揮發分含量、固定碳含量、熱值、纖維素含量、半纖維素含量、木質素含量、礦質元素含量、耐鹽性、抗旱性、抗寒性、耐淹性、抗病蟲性。

圖1 芒屬植物評價體系層次結構模型Fig. 1 Hierarchical model of the Miscanthus energy production potential evaluation system

主要欲以芒屬植物本身屬性性狀判斷其能源潛力，因此，未對不同工藝、剔除不利因子或添加其他因子來改善能源轉化效果的情況進行考慮；由于不同工藝、不同利用途徑碳排放情況也會有所區別，因此也未對環境因素方面進行考慮。

芒屬植物能源化利用是以收獲其營養體作為原料來源，因此，無論何種利用方式，干物質產量越大，能夠轉化的能源就越多，是品種篩選評價的首要指標。冠層高、莖高與產量具有高度相關性，但其又受限于莖徑，莖徑與分蘗數呈明顯負相關，而莖徑與基部直徑卻無對應關系[39]。

為保證糧食安全，不與糧爭地，邊際土地利用是能源作物推廣的首選。因此，對鹽堿、干旱、嚴寒、洪澇等逆境的適應性越強，可推廣的面積就越大；另外，病蟲害是作物減產的重要因素之一，因此，抗病蟲性越強，干物質產量就越大。

2.1.1 燃燒發電相關指標 熱值是能源植物用作燃料的重要參數，美國一般使用高位熱值，歐洲國家通常使用低位熱值[40]。熱值與固定碳、揮發分和木質素存在關系，且熱值一般隨著固定碳和木質素含量的增加而增加，其中，熱值與木質素含量存在高度線性相關性，由測量木質素含量可以直接計算出熱值[41]。一般情況下，含水量升高，會導致熱值降低。而枯黃性越明顯，表明含水量越低，越有利于高熱值[42]。灰分含量與熱值呈負相關，此外灰分和礦質元素在燃燒時會通過出渣、腐蝕和污染產生一系列問題。同時，一般來說葉會導致生物燃料質量的下降，而莖稈較葉和花序具有更低的灰分和礦質元素含量，因此，落葉性越明顯、葉莖比值越小，灰分和礦質元素含量越低[43]。由于K或Ca的存在，Si容易與其反應生成低熔融點的堿金屬硅酸鹽；Si/K和Ca/K比值越高，出渣趨勢就越低，但K和Cl反應還是會形成主要的污垢混合物；P會增加潛在的出渣沉積物；其他堿金屬元素像Na、Mg容易與氯鹽、碳酸鹽和硫化物形成低共熔體。(Si + P + K)/(Ca + Mg)摩爾比值反映灰熔融性和K釋放；K、Na、Zn和Pb的總量反映潛在的氣溶膠排放；2S/Cl摩爾比值反映高溫氯腐蝕的風險；而N含量反映燃料的潛在NOx排放[44]。

2.1.2 發酵制乙醇相關指標 生物乙醇生產需要的芒屬品種不僅需要高生物質產量，還需要高纖維素和半纖維含量，與低木質素和灰分含量。而芒屬植物大多具有高纖維素、低灰分，但卻低半纖維素、高木質素的特點，而其葉往往又具高半纖維素、低木質素的特點[45]。另外，莖稈具有更高的纖維含量，培育低葉莖比的品種，更有利于提高生物質品質[46]。

2.1.3 發酵產沼氣相關指標 纖維素、半纖維素的轉化率依賴多糖與木質素含量的比值，木質素含量越低，沼氣產率越高。因為有機物厭氧消化C/N消耗比在25—30，所以微生物最佳生長條件 C/N比應該為 20—30，而根據其研究數據顯示芒屬青貯料C/N比在19.1—103.3[47]。

2.1.4 熱裂解制油相關指標 生物質中灰分和其他無機化合物的存在不利于生物油的質量和產率[48]，灰分比木質素對熱解產量影響更大，其中木質素會在熱解油中產生高分子量混合物導致其質量下降；而高水平的灰分（金屬）含量會導致有機物產量低，產出大量反應水，導致油的熱值下降[49]。纖維素和半纖維素對生物油產量有貢獻，木質素有利于生物炭的產量[50]。

2.2 測量標準

農藝指標：干物質產量，指芒草在單位面積上的干物質重量；冠層高，指地面至頂端大多數葉拐點處的高度；莖高，指最高莖從地面至最高舌葉（除旗葉外）處的高度；莖徑，指最高莖離地面5 cm處的最大直徑；基部直徑，指莖叢在地面水平的最大的直徑，取最遠2個分蘗之間的距離；分蘗數，指單株芒草離地面10 cm處所有的分枝數；葉莖比，指單株芒草葉、莖分離后干物質重量的比值；枯黃性，指芒草莖葉自然干枯變黃的比例；落葉性，指芒草葉自然凋落的比例。

品質指標：含水量，指芒草中水的質量占芒草總質量的百分比；灰分含量，指芒草熔化后產生的灰渣占其干物質的比例；揮發分含量，指芒草在加熱（如熱裂解）或常溫狀態下揮發出來的有機或無機物質占其干物質的比例；固定碳含量，指測定揮發分后的固體芒草殘渣除去灰分后的殘留物占其干物質的比例；熱值，芒草完全燃燒時所放出的熱量；纖維素含量，芒草中纖維素占其干物質的比例；半纖維素含量，芒草中半纖維素占其干物質的比例；木質素含量，芒草中木質素占其干物質的比例；礦質元素含量，芒草中N、P、K、Ca、Mg、S、Si、Cl、Na等礦質元素占其干物質的總比例。

抗逆性：耐鹽性，指芒草對土壤里鹽堿類物質的耐受能力，分4級，（1）耐鹽（可耐土壤中1%以上NaCl含量的濃度）；（2）中等耐鹽（可耐土壤中0.6%—1% NaCl含量的濃度）；（3）中等敏感（可耐0.3%—0.6% NaCl含量的濃度）；（4）敏感（不耐0.3% NaCl含量）。抗旱性，指芒草通過干旱屏蔽抵抗缺水脅迫和增強水分吸收耐旱兩方面的能力，分5級，（1）強（干旱時無受旱害表現）；（2）較強（個別葉片有輕微的萎蔫）；（3）中等（大量莖葉出現萎蔫現象，但生長未停止）；（4）弱（大量植株出現萎蔫現象，生長停止，并有少量死亡）⑤最弱（所有植株萎蔫，30%死亡）。抗寒性，指芒草忍耐或抵抗低溫或寒冷的能力，以越冬率為判定標準。耐淹性，指芒草對水分過多缺氧的適應能力，分3級，（1）耐淹（淹水后能正常生長）；（2）中等耐淹（淹水后能存活）；（3）不耐淹（淹水后死亡）。抗病蟲性，指芒草抑制或延緩病原活動與避免受蟲害、或耐蟲害、或受蟲害后自有補償機制的能力，分4級，（1）高抗（未觀測到病原體或害蟲的成蟲、幼蟲、卵）；（2）中抗（5%以下植株感染，個別植株發現病原體或蟲害，但不影響芒草生長）；（3）低抗（5%—10%的植株感染病原體或蟲害，芒草生長受影響）；（4）不抗（10%以上植株感染病原體或蟲害，芒草生長停止，甚至死亡）。

2.3 權重賦值

根據表1和表2，構造第一層能源潛力子指標矩陣1個，分別構造第二層農藝指標、品質指標、抗逆性等子指標矩陣3個，制作成問卷并發放給10名行業內專家，其中，正高5名、副高3名、中級2名，經專家判斷后回收問卷進行一致性檢驗，得到有效判斷問卷7份，最后根據群決策判斷矩陣集結計算出各性狀的權重（表3）。

2.4 評價體系

根據各個評價指標的具體測量值，按計分規則分別計算分值（表 4）。數值指標（農藝指標、品質指標），以各性狀最大值作為參考，正相關的性狀，指標分值=(性狀值/最大值)×100；負相關的性狀，指標分值=(1－性狀值/最大值)×100。非數值指標（抗逆性指標），根據芒屬植物具體情況，按判斷標準分級賦予不同分值。將指標分值（Cn）和指標權重（Wn）分別代入以下公式（4），即得到芒屬植物的能源利用潛力指數（S）：其中，W為權重；C為性狀指標的分值；i代表某項性狀指標，取m—n中任意整數值，m=1，n為性狀指標的項數，1≤n≤23。

表1 評價指標相對重要性判斷標度Table1 Judgment scale for expressing the relative importance of the compared traits

表2 層次分析法各層指標成對比較矩陣Table 2 The pairwise comparison matrix of the traits used in the analytic hierarchy process (AHP)

表3 層次分析法各層次性狀權重排序Table 3 The weight and order of the traits within the second and third layers of the analytic hierarchy process (AHP)

公式（4）中，由于23項性狀指標并非對所有能源用途都為主導因素，所以不同能源用途所測性狀指標將有所區別，因此，某利用途徑潛力指數的分值等于該途徑主導因素指標所占權重分值和除以主導因素指標權重和，最后得到的芒屬植物能源利用潛力指數分成4級，分別為極宜（75—100分）、適宜（50—74分）、一般（25—49分）、不宜（0—24分）。

2.5 應用結果

從表5可知，A0504（五節芒）、A0118（南荻）、D0302（奇崗）為適宜的能源植物；發酵制乙醇和沼氣最適用A0504（五節芒）為原料；燃燒發電和熱裂解制油最適用A0118（南荻）為原料。

2.6 驗證結果

2.6.1 燃燒發電驗證結果 從表6可見，燃燒發電最適用A0504（五節芒）為原料，其次為A0118（南荻）。該公式結果與本文體系結果不同，原因可能是熱值是將樣品烘干后粉碎磨粉測得的，該公式未考慮實際生產中原料的水分對實際熱值的影響，實際生產中烘干工藝十分耗能，原料難以像試驗中一樣烘干，A0504（五節芒）含水量 63.24%，A0118（南荻）含水量38.78%，因此，通過對水分的考慮得出的能源利用潛力指數得分，A0118（南荻）要高于A0504（五節芒）。

表4 芒屬植物能源潛力評價體系Table 4 The Miscanthus energy production potential evaluation system

表5 5種芒屬基因型能源潛力評價結果Table 5 Energy potential evaluation results of the five selected Miscanthus genotypes

續表5 Continued table 5

表6 5種芒屬基因型理論發電量計算結果Table 6 The theoretical electricity generation potential of the five selected Miscanthus genotypes

2.6.2 發酵制乙醇驗證結果 從表7可見，發酵制乙醇最適用A0504（五節芒）為原料，該公式結果與本評價體系結果一致。

2.6.3 發酵產沼氣驗證結果 從表8可見，發酵產沼氣最適用A0504（五節芒）為原料，該公式結果與本評價體系結果一致。

綜合以上結果可以看出，其結果與本評價體系結果基本一致。不同的是，文獻中的理論產率計算公式主要是涉及能源轉化率方面，屬產業下游階段；而本文評價體系主要涉及原料產量、品質和抗逆性等方面，屬產業上游階段。

3 討論

纖維類能源植物的綜合性質是多個因素共同決定的且各因素的影響程度不一，對于多用途的芒屬植物資源進行評價與篩選的關鍵是找出不同用途的主導因素[51]。本文先采用文獻法和調研法篩選獲得與芒屬植物不同能源用途相關的重要性狀，再結合層次分析法和專家咨詢法構建這些性狀的判斷矩陣，計算出各性狀指標的權重，最后依據各性狀指標具體數值，賦予對應的分值，從而構建起芒屬植物能源潛力評價體系。

表7 5種芒屬基因型理論乙醇產量計算結果Table 7 The theoretical ethanol production potential of the five selected Miscanthus genotypes

表8 5種芒屬基因型理論沼氣產量計算結果Table 8 The theoretical biogas production potential of the five selected Miscanthus genotypes

本評價體系通過部分實際數據的檢驗，證實符合當前業內人士對芒、五節芒、荻、南荻、奇崗等芒屬植物的普遍認識，可以較好的承擔篩選能源植物的理論基礎。但由于本文僅從湖南農業大學芒屬植物資源圃中隨機挑選5個基因型的數據為例，并非大量數據集合，因此，在本次評價中，對B0340、A0504、A0123、A0118和D0302等5個基因型的評價不能完全代表對芒、五節芒、荻、南荻和奇崗等5類種質的評價。其中，B0340（芒）采集自貴州荔波，A0504（五節芒）采集自湖南瀏陽，A0123（荻）采集自陜西城固，A0118（南荻）采集自湖南常德，D0302（奇崗）來源日本，因為環境與基因的互作，種質資源的性狀與采集地的不同存在密切關系[52]，所以，此評價結果只能反映芒屬植物移栽后在本地區的能源潛力，而非采集地的能源潛力，如荻在北方、南荻在湖區、奇崗在歐洲的性狀表現都強于在本資源圃中的表現。

本評價體系在將來的應用實踐中還需通過更多的測量數據來不斷驗證，它是隨著芒屬植物研究深入而不斷完善的一個評價體系，是僅適應于當前能源工業發展的一個評價體系。在篩選芒屬能源植物的生產實踐中，除了考慮本評價體系的能源潛力分值外，還應綜合考慮其他生產要素才能真正篩選出適合的芒屬能源植物。

4 結論

本評價體系不但能夠判斷何種芒屬植物符合能源作物條件并適合何種利用途徑，還能比較同一地區不同基因型芒屬植物的能源潛力差異，并可用具體分值來衡量同一基因型芒屬植物在不同地區的能源潛力差異。可見，通過從農藝、品質、抗逆性等3方面構建的芒屬植物能源潛力評價體系，能夠在發電、制乙醇、產沼氣和制生物油4類能源用途方面客觀評價芒屬植物的適用性，從而可用于其優良種質的篩選和新品種的選育。

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（責任編輯 李莉）

Construction of Energy Potential Evaluation System for Miscanthus

XIANG Wei1, YI Zi-li1,2, XIAO Liang2, LIU Qing-bo1, QIN Jing-ping1
(1College of Bioscience and Biotechnology, Hunan Agricultural University, Changsha 410128;2Hunan Engineering Laboratory for Ecological Application of Miscanthus Resources, Changsha 410128)

【Objective】Miscanthus (Miscanthus spp.) as a promising energy crop, nowadays research on it is a hot spot in the bioenergy field. Worldwide, there are 14 species in the Miscanthus genus and they can cross interspecies. The interspecific hybridization can create many natural hybrids, including some productive hybrids that can be directly used as commercial varieties. Screening productive natural hybrids is an efficient way to shorten the Miscanthus breeding process, however, prior to the screening process, a scientific energy potential evaluation system is required. 【Method】The present work firstly summarized 23 traits thatrelated to the energy potential (including the production potential of electric, ethanol, methane and bio-oil) of Miscanthus through literature survey, questionnaire investigation and expert consultation. They are: The agronomic traits including dry matter yield, canopy height, panicle height, stem diameter, base diameter, tillering number, leaf/stem ratio, senescence score, deciduous score; the energy quality traits including moisture content, ash content, volatile solid content, fixed carbon content, calorific value, cellulose content, hemicellulose content, lignin content, mineral element content; and the stress resistance traits including saline-alkali tolerance, drought resistance, cold resistance, submerge tolerance, disease and insect resistance. Based on these traits and using the analytic hierarchy process (AHP) method, a scientific energy potential evaluation system for Miscanthus was constructed. Besides, a measurement standard was draw up and a system to calculate the Miscanthus energy potential index was established. To show how this system work, energy potential of five typical Miscanthus germplsams collected from the Nursery Garden of Miscanthus Germplsams in Hunan Agricultural University were measured and evaluated. The five germplsams were: B 0340 (Miscanthus sinensis), A0504 (Miscanthus floridulus), A0123 (Miscanthus sacchariflorus), A0118 (Miscanthus lutarioriparius) and D0302 (Miscanthus × giganteus). Their energy potentials in terms of power generation, ethanol and methane production were calculated and compared with precious results collected from literatures. 【Result】Miscanthus energy potential index was divided into four levels: very suitable (75-100 points), suitable (50-74 points), general (25-49 points), and unsuitable (0-24 points). Through calculation, for the genotype of A0504, its power generation point (PGP) was 60.73, ethanol production point (EPP) of 60.14 and biogas production point (BPP) of 60.27, extract bio-oil point (EBP) of 57.19. For the genotype of A0118, its PGP, EPP, BPP, and EBP were 64.32, 58.45, 58.20 and 60.01, respectively. For the genotype of D0302, only its PGP (54.06) and EBP (50.33) were above the level of suitable. As can be seen, plants of A0504, A0118, and D0302 can be used as energy crop; Within, material of A0504 (M. floridulus) is suitable for cellulosic ethanol and methane production, while biomass of A0118 (M. lutarioriparius) is suitable for power generation and bio-oil extraction. These results are consistent with the evaluation results that calculated using the theoretical energy production yield formula. In addition, the evaluation system established in this study can more comprehensively evaluate the energy production potential than the calculated results by the theoretical yield formula. 【Conclusion】Miscanthus energy potential evaluation system built from the agronomic, quality, resistance traits can objectively evaluate the suitability of Miscanthus in generate power, produce ethanol and methane, extract bio-oil.This evaluation system can provide a scientific guidance for Miscanthus germplsam selection and breeding of new varieties.

Miscanthus; energy plant; analytic hierarchy process (AHP); evaluation system

2016-07-07；接受日期：2016-09-21

國家“十二五”科技支撐計劃（2013BAD22B01）、湖南省研究生科研創新項目（CX2016B272）、省部共建國家重點實驗室培育基地科學基金開放項目（15KFXM02）

聯系方式：項偉，E-mail：hnnydxxw@163.com。通信作者易自力，E-mail：yizili889@163.com