易鎮(zhèn)邪，王 禹，王學(xué)華，屠乃美，易自力

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，湖南 長沙 410128； 2.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)生物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410128)

隨著化石能源危機(jī)的日趨凸顯，生物質(zhì)能源已成為當(dāng)今世界新能源研發(fā)的熱點(diǎn)。芒屬植物作為一種符合“不與人爭糧，不與糧爭地”的非糧能源植物，受到人們的廣泛關(guān)注。芒屬植物(Miscanthus)系禾本科多年生C4植物，共有14個(gè)種，其中芒(M.sinensis)、五節(jié)芒(M.floridulus)、荻(M.sacchariflorus)和南荻(M.lutarioriparius)4個(gè)種生物質(zhì)產(chǎn)量高、適應(yīng)性廣且種植成本低，具有較大利用價(jià)值。

隨著研究的深入，芒屬植物作為能源植物的優(yōu)勢不斷得到人們的認(rèn)可，并被認(rèn)為是最具開發(fā)前景的纖維素類能源植物。前人已對芒屬植物栽培技術(shù)，如種植密度[1-4]、灌溉[4-6]、施肥[7-9]、收獲期[10-13]等，開展了一系列研究，為其產(chǎn)業(yè)化開發(fā)奠定了一定的基礎(chǔ)；但是，大面積推廣種植必將造成收獲季節(jié)、收獲機(jī)械和勞動(dòng)力之間的沖突。可見，如何讓部分植株提前進(jìn)入成熟期以錯(cuò)開收獲時(shí)間，是解決上述問題的有效方法，同時(shí)也是延長原料供應(yīng)期的有效途徑。因此，芒屬植物催熟劑的篩選與應(yīng)用研究很有意義。農(nóng)撻和乙烯利都具有催熟效果[14-15]，并被成功地應(yīng)用于油菜(Brassicanapus)等作物。本研究以兩種芒屬植物(五節(jié)芒、雜交種)為材料，比較3種催熟劑(農(nóng)撻、乙烯利及二者的混合制劑)的催熟效果。

1 材料與方法

1.1試驗(yàn)材料 供試芒屬植物材料為五節(jié)芒02142和雜交種湘雜芒2號(hào)(芒與南荻的雜交種)，由湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)芒屬能源植物研究所提供。供試材料通過分蔸方式獲得，于2011年4月種植在湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)芒屬植物試驗(yàn)圃。

乙烯利：四川省精細(xì)化工研究設(shè)計(jì)院生產(chǎn)，產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)證號(hào)為GB23554-2009，水劑，有效成分含量40%。

農(nóng)撻：山東先達(dá)化工有限公司生產(chǎn)，產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)證號(hào)為GB206842006，水劑，有效成分草甘膦異丙酸銨鹽(Glyphosate)含量41%。

1.2試驗(yàn)方法 催熟劑有農(nóng)撻、乙烯利和農(nóng)撻-乙烯利混合制劑3種，設(shè)置了5個(gè)處理，以噴清水為對照(表1)。于2011年11月1日采用噴施法進(jìn)行催熟處理，每個(gè)處理噴施3株，每處理3次重復(fù)。

1.3測定項(xiàng)目 分別在處理后第14、21和28天，用SPAD-502葉綠素計(jì)測定植株上、中、下部葉片SPAD值，每次測同一片葉，每片葉測定葉尖、葉中和葉基各3個(gè)點(diǎn)，以平均值表示該葉的SPAD值；于處理后的第21天和第42天取樣，測定植株含水量及氮、磷和鉀含量。

表1 不同處理的成分配比Table 1 Ratio of composition in different treatments mL·L-1

2 結(jié)果與分析

2.1催熟劑對芒屬植物葉片SPAD值的影響 植株上、中及下部葉片SPAD值在處理間與時(shí)期間變化趨勢基本相同，故本文采用3個(gè)部位的平均值(表2)。

五節(jié)芒葉片SPAD值自處理后即呈現(xiàn)持續(xù)下降趨勢；除處理后第14天的處理3和5 外，各時(shí)期各催熟劑處理葉片的SPAD值均較對照顯著降低(P<0.05)(表2)。可見，各催熟劑處理均有一定效果。從處理后第28天來看，對照SPAD值最大，其次是處理5，再次是處理4，而處理2的SPAD值最小，且與處理1和3差異不顯著。可見，在降低五節(jié)芒SPAD的效果上，農(nóng)撻、農(nóng)撻-乙烯利混合制劑優(yōu)于乙烯利；農(nóng)撻與農(nóng)撻-乙烯利混合制劑比較，在農(nóng)撻濃度為10 mL·L-1時(shí)二者差異不顯著，而農(nóng)撻濃度為 20 mL·L-1時(shí)農(nóng)撻-乙烯利混合制劑效果顯著優(yōu)于農(nóng)撻。

雜交種葉片SPAD值整體表現(xiàn)趨勢與五節(jié)芒相同，催熟劑在各時(shí)期均有顯著降低SPAD值的作用(表2)。3種催熟劑比較，農(nóng)撻與農(nóng)撻-乙烯利混合制劑效果優(yōu)于乙烯利，但農(nóng)撻與農(nóng)撻-乙烯利混合制劑之間無顯著差異(P>0.05)，各時(shí)期表現(xiàn)一致。綜上所述，農(nóng)撻、乙烯利和農(nóng)撻-乙烯利混合制劑對芒屬植物葉片SPAD值均有降低效果，其中乙烯利效果最差，農(nóng)撻與農(nóng)撻-乙烯利混合制劑效果相當(dāng)，但在不同芒屬植物材料間表現(xiàn)有一定差異。

表2 催熟劑對芒屬植物葉片SPAD值的影響Table 2 Effects of ripener on SPAD of Miscanthus leaves

2.2催熟劑對芒屬植物植株含水量的影響 催熟劑處理后第21天，五節(jié)芒各催熟處理植株含水量均較對照顯著降低(P<0.05)，3種催熟劑處理之間以乙烯利處理最高，農(nóng)撻與農(nóng)撻-乙烯利混合制劑最低，三者間差異顯著。雜交種除乙烯利處理與對照之間差異不顯著外，其余表現(xiàn)與五節(jié)芒相同(表3)。

催熟劑處理后第42 天，五節(jié)芒各催熟處理植株含水量均較對照顯著降低(P<0.05)，3種催熟劑處理之間整體表現(xiàn)仍以乙烯利處理最高，農(nóng)撻處理其次，農(nóng)撻與農(nóng)撻-乙烯利混合制劑最低，但處理間差異較小，雜交種表現(xiàn)趨勢與五節(jié)芒基本一致(表3)。

綜上所述，農(nóng)撻、乙烯利和農(nóng)撻-乙烯利混合制劑均有促進(jìn)芒屬植物脫水的效果，其中乙烯利效果最差，但與農(nóng)撻配制后有明顯增效作用。

2.3催熟劑對芒屬植物植株的氮磷鉀含量的影響 催熟劑處理后第21天，各處理植株氮、磷及鉀含量差異顯著(P<0.05)，其中含氮量最高的為處理4，但與處理3及對照之間差異不顯著(P>0.05)，其余各處理表現(xiàn)為處理5>處理2>處理1，且均差異顯著；含磷量最高的為處理2，顯著高于對照，而其它各處理均顯著低于對照；含鉀量最高的為處理3，其次是處理4和5，處理2和對照相當(dāng)，處理1較對照顯著降低(表4)。催熟劑處理后第21天雜交種含氮量最高的為處理5，顯著高于其他各處理，處理4與對照相當(dāng)，處理1、2和3較對照顯著降低；處理3、4和5含磷量相當(dāng)，顯著高于處理1和2，對照含磷量最低；含鉀量最高的為處理5和3，其次是處理4和對照，處理1和2最低(表4)。

催熟劑處理后第42天，五節(jié)芒含氮量最高的為處理5，顯著高于對照(P<0.05)，其余各處理均顯著低于對照，處理1最低，顯著低于其它各處理；含磷量最高的為處理2，顯著高于對照，而其它各處理均顯著低于對照；含鉀量最高的為處理5，顯著高于對照，處理2與對照相當(dāng)，其它處理均顯著低于對照。催熟劑處理后第42天雜交種各處理含氮量均較對照顯著降低，處理1和2降幅最大；處理1含磷量與對照相當(dāng)，其余處理顯著高于對照；處理1和3含鉀量與對照相當(dāng)，其它各處理均顯著高于對照(表5)。

表3 催熟劑對芒屬植物植株含水量的影響Table 3 Effects of ripener on water content of Miscanthus plant %

表4 催熟劑處理后第21天芒屬植物植株氮磷鉀含量 Table 4 N, P and K contents in Miscanthus plants on the 21st day after ripener treating %

表5 催熟劑處理后42 d芒屬植物植株氮磷鉀含量 Table 5 N, P and K contents in Miscanthus plants on the 42nd day after ripener treating %

綜上所述，催熟劑處理后芒屬植物植株氮、磷和鉀含量變化顯著(P<0.05)，從降低含氮量來看以處理1和2效果最好，從降低含磷量來看處理1效果最好，從降低含氮量來看處理1和3效果最好。無論芒屬植物被用于燃燒還是被轉(zhuǎn)化為乙醇，都要求其含有較低的礦質(zhì)元素。因此，從促進(jìn)芒屬植物植株養(yǎng)分回流、降低植株養(yǎng)分含量、減少土壤養(yǎng)分消耗和減少燃燒空氣污染的角度來看，處理1效果最好，能顯著降低芒屬植物植株氮、磷和鉀含量。

3 討論與結(jié)論

芒屬植物被公認(rèn)為最具開發(fā)前景的能源植物。近年來，有關(guān)芒屬植物的遺傳、育種、栽培和能源轉(zhuǎn)化等方面的研究越來越多，并且已經(jīng)出現(xiàn)了人工選育的雜交種[16]，這為芒屬植物的產(chǎn)業(yè)化開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。但是，芒屬植物的產(chǎn)業(yè)化開發(fā)中，有一個(gè)極其重要的問題必須解決，即原料的供應(yīng)問題。自然條件下，五節(jié)芒四季常綠，根本沒有枯黃現(xiàn)象，是不能直接收割、打捆的，而芒、南荻、荻和雜交種地上部雖然會(huì)隨著生殖生長的完成而枯黃，但也存在收獲季節(jié)過于集中的問題。因此，研發(fā)芒屬植物催熟劑，不僅解決芒屬植物不能直接收割、打捆的問題，還能解決收獲季節(jié)集中帶來的機(jī)械與勞力緊張的問題，更重要的是，它還能延長原料供應(yīng)期。

農(nóng)撻和乙烯利都具有催熟效果[14-15]，但此兩類物質(zhì)在芒屬植物上的應(yīng)用效果尚未見報(bào)道。為開發(fā)芒屬植物的高效催熟劑，本研究以具有自然枯黃特性的雜交種和不具自然枯黃特性的五節(jié)芒為材料，比較研究了農(nóng)撻、乙烯及兩者的混合制劑對芒屬植物的催熟效果。結(jié)果表明，農(nóng)撻、乙烯利和農(nóng)撻-乙烯利混合制劑對芒屬植物葉片SPAD值均有降低效果，其中乙烯利效果最差，農(nóng)撻與農(nóng)撻-乙烯利混合制劑效果相當(dāng)，但在不同芒屬植物材料間表現(xiàn)有一定差異。對雜交種而言，農(nóng)撻與農(nóng)撻-乙烯利混合制劑效果相當(dāng)；對五節(jié)芒而言，農(nóng)撻-乙烯利混合制劑效果略優(yōu)于農(nóng)撻。在促進(jìn)芒屬植物植株脫水上，農(nóng)撻、乙烯利和農(nóng)撻-乙烯利混合制劑均有明顯效果，其中農(nóng)撻-乙烯利混合制劑效果最好，乙烯利效果最差，但與農(nóng)撻配置后有明顯增效作用。從促進(jìn)植株枯黃與脫水來看，農(nóng)撻-乙烯利混合制劑效果最好。

有關(guān)乙烯利和農(nóng)撻的催熟機(jī)理，前人做了一些研究。乙烯利促進(jìn)植物成熟和脫水是因?yàn)槠淠軌蜥尫拧俺墒旒に亍薄蚁?，通過增強(qiáng)磷酸化酶的活性而起作用[14]。農(nóng)撻(農(nóng)達(dá))作為一種內(nèi)吸傳導(dǎo)式催熟劑，主要作用機(jī)理是抑制莽草酸途徑中5-烯醇丙酮莽草酸-3-磷酸合成酶的活性，阻斷植株體內(nèi)芳香族氨基酸(色氨酸、酪氨酸和苯丙氨酸等)的生物合成，擾亂植物體正常的氮代謝，使植株缺少相應(yīng)蛋白而枯黃甚至死亡[15]。還有研究[17]表明，農(nóng)撻可以作為環(huán)境脅迫因素，通過影響滲透壓、葉面溫度及水分等因素而影響光合作用。有關(guān)乙烯利、農(nóng)撻及其混合制劑催熟芒屬植物的內(nèi)在生理機(jī)理有待進(jìn)一步研究。本研究發(fā)現(xiàn)，乙烯利對農(nóng)撻有明顯增效作用，其可能作用途徑是乙烯利使葉片呼吸作用增強(qiáng)，加速了農(nóng)撻藥劑的內(nèi)吸傳導(dǎo)作用。

目前，芒屬植物的主要利用途徑是作為生物能源，一是直接燃燒發(fā)電，二是通過發(fā)酵轉(zhuǎn)化為乙醇，而以上兩種利用方式，都需要其含有較低的礦質(zhì)元素，因?yàn)檩^低的礦質(zhì)元素含量，意味著對土壤養(yǎng)分的低消耗，意味著燃燒時(shí)的低污染。因此，理想的催熟劑必須能降低植株礦質(zhì)養(yǎng)分含量。本研究發(fā)現(xiàn)，各催熟劑處理后芒屬植物植株氮磷鉀含量變化顯著，在降低氮磷鉀含量上以處理1(農(nóng)撻10 mL·L-1+乙烯利2 mL·L-1)效果最好。

本研究僅進(jìn)行了1年，且所用試驗(yàn)材料均是當(dāng)年分蔸移栽的材料，而五節(jié)芒是多年生植物，其地上部進(jìn)入冬季后也不枯黃。因此，有關(guān)芒屬植物，尤其是五節(jié)芒的催熟劑研究還需深入，需采用多年生材料開展多年研究，以確定其最佳催熟時(shí)間和催熟劑配方。同時(shí)，應(yīng)開展催熟劑影響芒屬植物的生理生化機(jī)制研究及催熟劑對生態(tài)環(huán)境的影響研究。

[1] 李忠杰,王春艷,王連敏,等.野生植物荻的馴化栽培[J].黑龍江生態(tài)工程職業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),2009,22(3):28-29.

[2] 范希峰,左海濤,侯新村,等.芒和荻作為草本能源植物的潛力分析[J].中國農(nóng)學(xué)通報(bào)，2010,26(14):381-387.

[3] Danalatos N G,Archontoulis S V,Mitsios I.Potential growth and biomass productivity ofMiscanthus×giganteusas affected by plant density and N-fertilization in central Greece[J].Biomass and Bioenergy,2007,31(2-3):145-152.

[4] 黃杰,黃平,左海濤.栽培管理對荻生長特性及生物質(zhì)成分的影響[J].草地學(xué)報(bào),2008,16(6):646-651.

[5] Hansen J,Kristiansen K.Short-term in vitro storage ofMiscanthus×ogiformisHonda ‘Giganteus’ as affected by medium composition,temperature,and photon flux density[J].Plant Cell,Tissue and Organ Culture,1997,49(3):161-169.

[6] Ercoli L,Mariotti M,Masoni A,etal.Effect of irrigation and nitrogen fertilization on biomass yield and efficiency use in crop production ofMiscanthus[J].Field Crops Research,1999,63(1):3-11.

[7] Lewandowski I,Schrnidt U.Nitrogen,energy and land use efficiencies of miscanthus,reed canary grass and triticale as determined by the boundary line approach[J].Agriculture Ecosystems and Environment,2006,112(4):335-346.

[8] Lewandowski I,Kicherer A.Combustion quality of biomass:Practical relevance and experiments to modify the biomass quality ofMiscanthus×giganteus[J].European Journal of Argonomy,1997,6(3-4):163-177.

[9] 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.

[10] Huisman W，Venture P，Molenaar J.Costs of supply chains ofMiscanthus×giganteus[J].Crops Production,1997(6):353-366.

[11] Lewnadowski I,Clifton-Brown J C,Andersson B,etal.Environment and harvest time affects the combustion qualities ofMiscanthusgenotypes[J].Agronomy Journal,2003,95(5):1274-1280.

[12] Christian D G,Riche A B,Yates N E.Nutrient requirement and cycling in energy crops[J].Sustainable Agriculture for Food,Energy and Industry,1997,2:799-804.

[13] Jorgensen U.Genotypic variation in dry matter accumulation and content of N,K and Cl inMiscanthusin Denmark[J].Biomass and Bioenergy,1997,12(3):155-169.

[14] 肖文娜,周可金.作物化學(xué)催熟技術(shù)的研究與應(yīng)用[J].湖北農(nóng)業(yè)科學(xué),2010,49(7):1721-1725.

[15] 原向陽,張麗光,王宏富,等.第一復(fù)葉期噴施農(nóng)達(dá)41%水劑對大豆生理指標(biāo)的影響[J].中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào),2008,16(2):401-404.

[16] 世界首例芒屬植物人工雜交獲得雜交新品種在湖南農(nóng)大誕生[EB/OL].[2012-08-15]http://www.miscanthus.cn/ show.asp?id= 1905,2010.

[17] 周可金,官春云,譚太龍,等.催熟劑對油菜角果光合特性、品質(zhì)及產(chǎn)量的影響[J].作物學(xué)報(bào),2009,35(7):1369-1373.