張震嬌，張久東，劉彩紅，張偉娜，車宗賢，左元梅

（1.中國農(nóng)業(yè)大學，資源與環(huán)境學院，北京 100193；2.甘肅省農(nóng)科院土壤肥料與節(jié)水農(nóng)業(yè)研究所，甘肅蘭州 730070）

能源植物（Energy Plants）通常是指能合成較快、產(chǎn)能較高或者能夠大量合成與石油成分相近的較高還原態(tài)物質(zhì)的植物[1]。我國傳統(tǒng)的能源植物種類很多，其中包括甜高粱、玉米、大豆、木薯，甘蔗等，但這些大都是人類賴以生存的糧食作物和經(jīng)濟作物，并且發(fā)展這些能源植物需要大量的耕地，而我國人多地少，大規(guī)模開發(fā)利用這些植物是不現(xiàn)實的，發(fā)展生物質(zhì)能源植物必需遵循“不與人爭糧，不與糧爭地”的原則[2]。隨著當前能源危機日趨嚴峻，開發(fā)利用邊際土地種植高抗逆新型能源植物已成為大勢所趨。我國擁有大面積的邊際土地，其中宜農(nóng)荒地主要分布于新疆、甘肅和內(nèi)蒙古，荒草地主要分布于西藏和新疆，鹽堿地主要分布于甘肅和新疆[2]。能源植物的選擇必須與備選植物種植區(qū)域的土壤及氣候條件結(jié)合起來綜合考慮，國際上重點研究的一些能源植物可能并不適合我國西北部的邊際土壤，西北地區(qū)必須選擇符合當?shù)貧夂蚣巴寥捞厣母呖鼓娴男滦湍茉粗参?。我國西北地區(qū)生長著大量的纖維類植物，因此，篩選和評價現(xiàn)有的適合西北地區(qū)生長的高抗逆纖維類能源植物將為未來開發(fā)利用新型能源植物提供重要的理論和技術(shù)依據(jù)。

目前有關能源植物的評價方法還沒有統(tǒng)一的篩選指標，對于能源植物的開發(fā)潛力也沒有統(tǒng)一的評價體系。李高揚等以生產(chǎn)燃料乙醇等清潔生物質(zhì)能源為目標，提出以生物質(zhì)產(chǎn)量、化學成分、生態(tài)適應性和熱值4項指標來評價木質(zhì)纖維素能源植物的利用價值，并提出了具體的評價方法，為能源植物的評價和開發(fā)提供重要的借鑒和參考[3]。生物質(zhì)產(chǎn)量一般是指植物地上部分的生物量，統(tǒng)一采用單位面積年產(chǎn)出的干物質(zhì)量來計算。生物質(zhì)產(chǎn)量決定了能源植物的開發(fā)利用價值和前途，生物質(zhì)產(chǎn)量越高，生產(chǎn)潛力越大，開發(fā)利用的價值越高，開發(fā)利用的可行性也越大[4]。能源植物的化學成分包括綜纖維（纖維素和半纖維素）、木質(zhì)素和灰分，綜纖維和木質(zhì)素的含量決定著能源植物成分中的可利用比例，綜纖維含量越高，能夠轉(zhuǎn)化的低聚糖越多，就能生產(chǎn)出越多的燃料乙醇等清潔生物質(zhì)能源。木質(zhì)素和灰分含量越高，能源植物中可利用的成分含量就會降低[3]。生態(tài)適應性是指能源植物在不同生態(tài)環(huán)境條件下，通過自我調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)與功能以適應環(huán)境變化的能力，包括其分布適應性，耐貧瘠、抗病蟲害、抗旱、抗?jié)衬芰Φ萚4]。具有較強生態(tài)適應性的能源植物可降低種植管理成本。熱值是衡量生物質(zhì)燃料燃燒特性的一個重要指標。對于木質(zhì)素含量低的能源植物，其熱值越高，利用價值越大[3]。本研究選取了甘肅省民勤縣和榆中縣為調(diào)查研究區(qū)域，該區(qū)域是西北干旱區(qū)非常具有代表型的邊際土地，分別實地調(diào)查了甘肅省民勤縣和榆中縣生長的高抗逆纖維類植物，初步篩選出在當?shù)胤植紡V泛且生態(tài)適應性較強的植物，并測定分析這些高抗逆植物的能源品質(zhì)指標含量，通過進一步綜合分析評價和篩選高抗逆新型能源植物，從而為我國在西北邊際土地篩選潛在的高抗逆能源植物提供理論和技術(shù)依據(jù)，也為我國能源植物實現(xiàn)高產(chǎn)高效提供重要的理論和技術(shù)支撐。

1 調(diào)查區(qū)和調(diào)查方法

1.1 調(diào)查區(qū)概況

（1）甘肅民勤縣位于巴丹吉林沙漠和騰格里沙漠的交界處，處于東經(jīng)101°49′41″～104°12′10″，北緯38°3′45″～39°27′37″之間，地形地貌為荒漠綠洲邊緣地帶，海拔1 294 m。該區(qū)域氣候?qū)贉貛Щ哪畾夂颍嗄昶骄鶜鉁?.6 ℃，每年平均降水量為113.2 mm，每年蒸發(fā)量高達2 604.3 mm，每年9級以上大風日為27.8 d，每年沙塵暴日數(shù)為37 d。

（2）甘肅榆中縣位于蘭州市東郊，地勢南高北低、中部凹，呈馬鞍形，南部為石質(zhì)高寒山區(qū)，北部為黃土丘陵區(qū)，海波1 500～2 000 m。氣候類型為溫帶半干旱大陸性氣候，每年平均氣溫6.7℃，降水量400 m，無霜期120 d。

1.2 調(diào)查內(nèi)容及方法

1.2.1 調(diào)查內(nèi)容

實地調(diào)查在甘肅省民勤縣和榆中縣生長的纖維類植物，了解這些植物的生長特性，初步篩選出在當?shù)貜V泛生長且抗逆性較強的植物，并具體分析這些植物的能源指標含量。

1.2.2 調(diào)查評價方法

（1）調(diào)查分析方法

2015年8～10月選取了上述生物量較大、分布范圍廣、長勢良好的高抗逆纖維類植物進行隨機采樣，將每個植物品種地上部采樣處理，一部分樣品風干粉碎后測定植株綜纖維、木質(zhì)素、灰分的含量，一部分樣品在85 ℃烘箱中烘干粉碎后測植株熱值含量。其中綜纖維和木質(zhì)素的含量測定采用范氏洗滌法，使用AKNKOM220型纖維分析儀進行測定?；曳譁y定將烘干樣品放馬弗爐灼燒后測得。熱值測定將樣品粉碎后采用微機全自動量熱ZDHW-YT8000測定。

（2）評價方法

參照李高楊等人[3]關于能源植物的評價方法（如表1），根據(jù)實驗所測的植物綜纖維、木質(zhì)素、灰分和熱值含量，并結(jié)合查閱相關文獻資料所得植物生長習性，初步篩選出可深入研究能源潛力的植物，為能源植物的開發(fā)利用提供理論依據(jù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 調(diào)查植物種類

本研究實地調(diào)查分析了高抗逆纖維類的甘肅省民勤縣11種植物，具體包括草本植物堿蓬、青蒿、苦豆子、旱生蘆葦、芨芨草和木本植物紅柳、沙棗、白刺、沙拐棗、花棒和檸條。榆中縣9種植物，具體包括草本植物馬藺和冰草，木本植物野薔薇、沙棘、油松、榆樹、珍珠梅，國槐和山楊，具體植物名稱及采樣地點如表2。

2.2 調(diào)查植物生長習性、開發(fā)利用現(xiàn)狀及分布范圍

2.2.1 草本植物

草本植物的生長特性與木本植物相比，草本植物具有生長速度快、生活周期短、分布廣等特點，便于大面積推廣種植，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。近年來，國外對纖維類能源草的研究主要集中在種質(zhì)資源的探索和開發(fā)、品種改良、生態(tài)效益、能源轉(zhuǎn)化經(jīng)濟效益等方面。在多年生草本木質(zhì)纖維素作物中，研究最多的是禾本科根莖類植物。歐美國家科學家通過多種禾本科植物進行篩選，認為芒（Miscanthtts Sinens）、柳枝稷（Panicum virgatum）、草蘆（Phalaris arundinacea）和蘆竹（Arundo donax）是較理想的能源作物。其中芒屬植物三倍體奇岡（Miscanthus×giganteus）最適合在歐洲栽培，柳枝稷是美國最適宜的能源作物[5]。我國纖維類能源草資源非常豐富，但開發(fā)利用上主要集中在生態(tài)保護、造紙原料、動物飼料和藥用等方面，而用于生物質(zhì)能源的研究起步較晚，需要不斷開發(fā)探索。相關資料文獻表明，以上調(diào)查的植物（如表3）分布范圍廣，均具有較強的抗逆能力，可適應貧瘠的邊際土地，有望在邊際土地上大面積種植。

表1 能源植物遴選與評價指標計算方法

表2 調(diào)查植物種類及來源

2.2.2 木本植物

表3 草本植物的生長習性、開發(fā)利用現(xiàn)狀及分布范圍

表4 木本植物的生長習性、開發(fā)利用現(xiàn)狀及分布范圍

我國木本植物資源豐富，原料來源廣泛，生物量較大，具有較強的開發(fā)利用潛力。目前國內(nèi)外已有大量植物開發(fā)利用生產(chǎn)清潔能源。巴西是世界上第一個也是唯一不使用純汽油作汽車燃料的國家，早期開發(fā)利用甘蔗和甜高粱為原料生產(chǎn)乙醇燃料，1980年提出用棕櫚油代替柴油計劃，其熱帶叢林中一種油棕櫚樹，在栽種3年后開始產(chǎn)“油”，其成分與柴油相仿，且無需提煉，可用于柴油發(fā)動機，每公頃產(chǎn)油10 t[36]。在美國、瑞典、巴西、印度等國已有大面積的速生林用于進行能源林木質(zhì)能源生產(chǎn)[37]。迄今木本能源植物在我國的研究領域也在不斷拓寬，資源普查、 品種選育、 種質(zhì)資源保存、引進栽培、科普展示、生理生化分析、加工工藝和設備等方面均已涉足[38]。相關資料文獻表明，調(diào)查的以上植物（如表4）均具有較強的生態(tài)適應性，在我國分布范圍廣，其中檸條已被確定為可開發(fā)利用的能源植物，其他植物也有望作為潛在的能源植物進一步探討研究。

2.3 調(diào)查植物作為能源植物特性的化學成分分析評價

2.3.1 草本植物的化學成分分析

從表5可以看出，芨芨草、冰草和旱生蘆葦?shù)木C纖維含量與其他調(diào)查植物相比較高；木質(zhì)素和灰分含量直接影響能源植物的能源利用和轉(zhuǎn)化，含量越低，能源利用和轉(zhuǎn)化效率越高，表5中草本植物的木質(zhì)素都很低，但灰分含量除苦豆子外，其他植物均較高。綜合化學成分得分可以看出，芨芨草、旱生蘆葦和冰草的分值在70以上，可優(yōu)先考慮開發(fā)利用。

表5 草本植物化學成分評價結(jié)果

2.3.2 木本植物的化學成分分析

木本植物的綜纖維含量稍低于草本植物，木質(zhì)素含量明顯高于草本植物，但灰分含量較低。從表6分析可得，13種木本植物中，檸條、花棒、沙拐棗、白刺的綜纖維含量介于40%～50%之間，其他植物都低于40%；沙棗、紅柳和野薔薇的木質(zhì)素含量均低于5%。綜合化學成分得分可得，檸條和花棒化成學分得分在70以上，可優(yōu)先考慮開發(fā)利用。

表6 木本植物化學成分分析結(jié)果

2.4 調(diào)查植物作為能源植物特性的熱值分析

2.4.1 草本植物的熱值分析

熱值是用來衡量能源植物生產(chǎn)清潔生物質(zhì)能源利用價值的指標之一。從表7可以看出，調(diào)查的所有草本植物中，熱值含量均高于16 MJ/kg，處于高水平（依據(jù)表1 評價方法），其中苦豆子的熱值含量最高。

圖1 調(diào)查草本植物的熱值

2.4.2 木本植物的熱值分析

從表7可以看出，調(diào)查木本植物的熱值都在20MJ/kg以上，僅根據(jù)熱值數(shù)據(jù)分析，這些調(diào)查植物都可考慮深入研究能源潛力。

圖2 調(diào)查木本植物的熱值

3 結(jié)論

開發(fā)利用生物質(zhì)能源是解決目前能源危機的重要途徑之一，能源植物作為生物質(zhì)原料，兼具原料易得、清潔和可再生等特點，而且種類多樣，據(jù)研究在我國有超過4 000種可作為能源植物開發(fā)利用，因此具有廣闊發(fā)展前景[50]。評價某種植物是否適宜作能源植物，需要分析植物的化學成分含量、生物質(zhì)產(chǎn)量、生態(tài)適應性和熱值[3]。本研究首次調(diào)查選取了在甘肅民勤縣和榆中縣邊際土地上廣泛生長且在我國分布廣泛，生態(tài)適應性強的20種植物，通過分析這些植物的化學成分表明，草本植物的綜纖維含量稍高于木本植物，木質(zhì)素低于木本植物，但灰分含量較高。草本植物芨芨草、冰草和旱生蘆葦及木本植物檸條和花棒的化學成分得分在70以上，優(yōu)于其他植物，可優(yōu)先考慮開發(fā)利用。分析熱值含量可得，所有調(diào)查植物的熱值含量均高于16 MJ/kg，處于高水平。結(jié)合化學成分、熱值和生態(tài)適應性三項指標可得，草本植物芨芨草、冰草和旱生蘆葦及木本植物檸條和花棒可作為潛在的能源植物，有待進一步研究能源潛力。生物質(zhì)產(chǎn)量是評價能源植物品質(zhì)的重要指標之一，但由于本研究的植物主要是多年生植物，獲得當年準確的生物質(zhì)產(chǎn)量有一定的難度，但通過觀察發(fā)現(xiàn)這些植物大多數(shù)生物量很大，已經(jīng)具備了作為能源植物的應該具備的高生物量特點。更為重要的是本研究實際測定了這些植物的綜纖維、木質(zhì)素、灰分和熱值的具體含量，為能源植物評價提供了數(shù)據(jù)支撐。事實上，在所有調(diào)查的植物中，檸條已確定為一種優(yōu)良的能源植物，內(nèi)蒙古地區(qū)檸條資源特別豐富，目前有天然檸條面積1億多畝，人工種植檸條面積達5 000多萬畝，而且目前內(nèi)蒙古金驕集團已成功將檸條加工生產(chǎn)成生物質(zhì)燃油，這是我國利用高抗逆纖維植物開發(fā)利用生物質(zhì)能源的重要突破，也為開發(fā)利用其他植物生產(chǎn)生物質(zhì)能源提供重要的理論依據(jù)和技術(shù)支撐，具有廣闊的前景。

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