宗俊勤，郭愛桂，陳靜波，劉建秀

(江蘇省中國科學(xué)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(yán)峻問題，開發(fā)利用不會(huì)對(duì)環(huán)境帶來危害的可再生能源資源就成為當(dāng)今國際社會(huì)的主要課題之一。生物質(zhì)能是一類既有助于減輕溫室效應(yīng)，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(zhì)作為能源就必須了解不同生物質(zhì)材料的熱能及其相關(guān)的化學(xué)成分[4]。

目前，主要的生物質(zhì)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(zhì)能的生產(chǎn)原料；一年生草本植物種植成本高，不適合進(jìn)行大規(guī)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(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[7]，更重要的是生產(chǎn)和利用多年生能源禾草還具有如下生態(tài)學(xué)益處：1)用其生物質(zhì)替代化石燃料可減少CO2的排放量；2)在長達(dá)十幾年的生產(chǎn)栽培期間，對(duì)土壤的耕作僅限于建植當(dāng)年，可降低土壤侵蝕的風(fēng)險(xiǎn)，增加土壤碳含量；3)營養(yǎng)物質(zhì)可通過根莖系統(tǒng)進(jìn)行循環(huán)利用，因此對(duì)化肥的輸入要求很低；4)天然害蟲較少，不需要或很少需要?dú)⑾x劑；5)可有效利用和改良農(nóng)業(yè)廢棄地、農(nóng)田邊際土地、荒地、鹽堿地、干旱地、山坡地、重金屬污染農(nóng)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(dòng)物和昆蟲數(shù)量的增加[8]。因此，研究和開發(fā)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(guān)注的一個(gè)焦點(diǎn)問題，其不僅可以為生物質(zhì)能源產(chǎn)業(yè)提供原料，而且能夠達(dá)到保護(hù)環(huán)境，維持生態(tài)平衡的目的[9]。

對(duì)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(duì)芒(Miscanthussinensis)、蘆竹(Arundodonax)等8種高大禾草的熱值與灰分的關(guān)系進(jìn)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(rèn)為蘆竹較芒更有潛力。而Mészáros等[12]對(duì)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(qū)別不大，說明芒是取代木本植物作為生物質(zhì)原料較理想的植物。左海濤和武菊英[9]通過對(duì)荻(Triarrhenasacchariflora)、蘆竹、雜交狼尾草(Pennisetumamericarum×P.purpureum)以及柳枝稷(Panicumvirgatum)在北京地區(qū)作為生物質(zhì)能源植物的潛力進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)雜交狼尾草干物質(zhì)產(chǎn)量最高，是4種植物中最具潛力的草本能源植物。通過對(duì)上述研究進(jìn)行分析不難發(fā)現(xiàn)，不同研究者在不同的地區(qū)對(duì)上述材料研究的結(jié)果不盡相同，因此有必要對(duì)上述材料進(jìn)行進(jìn)一步的比較分析。

本研究在上述研究的基礎(chǔ)上，對(duì)已報(bào)道可作為生物質(zhì)能源植物的芒、蘆竹等高大禾草的生物質(zhì)能潛力進(jìn)行分析，通過對(duì)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(guān)能源植物的指標(biāo)進(jìn)行測定，了解其作為能源植物的潛力，為進(jìn)一步研究和利用上述高大禾草作為生物質(zhì)能源植物提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1試驗(yàn)材料 以能源植物的模式作物柳枝稷[13]為對(duì)照，所有材料于2008年11月取自江蘇省中國科學(xué)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(jìn)材料，其余材料均為江蘇南京的鄉(xiāng)土材料。試驗(yàn)材料在種植后除必要的冬季整修外，基本不進(jìn)行其他管理。

1.2試驗(yàn)地概況 試驗(yàn)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(duì)最低氣溫-13.0 ℃，7月絕對(duì)最高氣溫43.0 ℃，年平均降水量1 013 mm。試驗(yàn)地土壤有機(jī)質(zhì)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(xiàng)目及方法 依據(jù)國外的研究經(jīng)驗(yàn)[14]，在材料冬季枯黃時(shí)進(jìn)行收割，這樣既保證材料地下部分能夠完成必要的養(yǎng)分積累以利于第2年材料的萌發(fā)，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(jī)測量每個(gè)樣方內(nèi)10株完整植株的高度，每個(gè)樣方1 m2， 3次重復(fù)。

1.3.2密度 樣方內(nèi)植株莖稈數(shù)除以樣方的面積為植株密度，每個(gè)樣方1 m2， 3次重復(fù)。

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(fù)，測定材料的鮮質(zhì)量；將測定鮮質(zhì)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(fēng)干燥箱)中，在70 ℃條件下烘干至質(zhì)量恒定并稱量，測定其干物質(zhì)產(chǎn)量；材料枯黃時(shí)含水量折算公式：

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

1.3.5生物質(zhì)折算方式 生物質(zhì)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(chǎn)出的生物質(zhì)產(chǎn)量與熱值相結(jié)合進(jìn)行分析才是具有實(shí)際意義的，因此本研究依據(jù)以下計(jì)算方式計(jì)算上述材料折合標(biāo)準(zhǔn)煤：

式中，標(biāo)準(zhǔn)煤熱值為29.26 MJ·kg-1[16]。

1.4數(shù)據(jù)處理 利用Excel 2010及SPSS 13.0軟件對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1試驗(yàn)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(duì)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(dá)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(shù)為1 879，而蘆竹的密度最低，每平方米莖稈數(shù)僅為91，二者相差1 788。

本研究測定的相關(guān)材料的生物質(zhì)產(chǎn)量與國外報(bào)道的產(chǎn)量類似[17]。其中荻的鮮質(zhì)量和干物質(zhì)產(chǎn)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(shí)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(shí)的含水量為14.61%，是所有材料中最高的。與對(duì)照柳枝稷比，荻、芒、蘆竹、蘆葦?shù)母晌镔|(zhì)產(chǎn)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(zhì)組成成分及分析

2.2.1生物質(zhì)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(duì)上述材料生物質(zhì)成分的分析發(fā)現(xiàn)，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(zhì)素及灰分含量均顯著低于柳枝稷(P<0.05)。通過對(duì)上述材料折合標(biāo)準(zhǔn)煤后進(jìn)行分析，荻、芒及蘆竹的產(chǎn)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(zhì)組成成分及折合標(biāo)準(zhǔn)煤

2.2.2生物質(zhì)組成相關(guān)性分析 木質(zhì)素與半纖維素呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，說明材料中木質(zhì)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(fù)相關(guān)關(guān)系，說明材料的灰分含量越高，其干質(zhì)量熱值就越低。其他性狀之間未發(fā)現(xiàn)明顯的相關(guān)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(zhì)熱值，單位為MJ·kg-1，x為灰分含量，單位為g·kg-1?；貧w方程表明， 1 kg干物質(zhì)中灰分含量每增加1 g干質(zhì)量熱值相應(yīng)的減少152.6 J。

表3 生物質(zhì)成分相關(guān)性分析

3 討論與結(jié)論

高生物量的多年生草本能源植物，不僅可以為生物質(zhì)能源產(chǎn)業(yè)提供原料，而且能夠達(dá)到保護(hù)環(huán)境，維持生態(tài)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(zhì)量和干物質(zhì)產(chǎn)量最高，甜茅最低；芒枯黃時(shí)含水量最低，而蘆竹在枯黃時(shí)含水量最高。與對(duì)照柳枝稷相比，荻、蘆竹、蘆葦、芒的干物質(zhì)產(chǎn)量顯著高于柳枝稷；而枯黃時(shí)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(duì)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(zhì)產(chǎn)量較柳枝稷分別高出12.08和9.93 t·hm-2，而枯黃時(shí)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(jìn)行推廣應(yīng)用的優(yōu)良生物質(zhì)能源植物和生物質(zhì)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的可靠原料來源。本研究所測定的柳枝稷的產(chǎn)量與國外的報(bào)道相比已經(jīng)處于柳枝稷產(chǎn)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(chǎn)量并不低，但是較原產(chǎn)中國的芒、蘆竹等高大禾草其產(chǎn)量卻低了很多。

荻、芒及斑葉芒等芒屬植物的燃燒性較對(duì)照柳枝稷好。芒、荻及蘆竹3份材料折合標(biāo)準(zhǔn)煤的產(chǎn)量顯著高于柳枝稷。對(duì)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(zhì)產(chǎn)量高、枯黃時(shí)含水量低，而且燃燒特性好、灰分低，是優(yōu)良的生物質(zhì)能源植物。這與Lewandowski等[17]的研究結(jié)果相類似?；貧w分析結(jié)果表明，木質(zhì)素與半纖維素呈顯著負(fù)相關(guān)，也就是說材料中木質(zhì)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(fù)相關(guān)，即材料的灰分含量越高，其干物質(zhì)熱值就越低，而其他材料之間未發(fā)現(xiàn)相關(guān)性。計(jì)算表明1 kg干物質(zhì)中灰分含量每增加1 g，干物質(zhì)熱值相應(yīng)的減少152.6 J。這與陳惠娟等[16]對(duì)五節(jié)芒(M.floridulus)的研究結(jié)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(zhì)能源發(fā)展的重要高大禾草資源之一。生物質(zhì)產(chǎn)量、灰分以及干物質(zhì)熱值是篩選和選育生物質(zhì)能源植物的有效指標(biāo)，通過對(duì)這3個(gè)指標(biāo)的測定，可以基本了解資源材料或新品系作為生物質(zhì)能源植物的特性。目前，生物質(zhì)能源在國家能源消費(fèi)中還僅占很小的比例，但是隨著對(duì)芒屬植物的深入研究，其潛在的利用價(jià)值將會(huì)被人們所認(rèn)識(shí)和接受，使其不論在國家能源領(lǐng)域還是生態(tài)環(huán)保方面都可以發(fā)揮出應(yīng)有的作用。

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