王靜遠(yuǎn) ，劉麗娜 ，吳 飛

（浙江農(nóng)林大學(xué)，浙江 杭州 311300）

1 五節(jié)芒的優(yōu)點(diǎn)與危害

在化石燃料日益稀缺和不可再生資源不斷減少的背景下，人們對(duì)綠色環(huán)保的需求不斷增加。開(kāi)發(fā)生物質(zhì)材料是減少傳統(tǒng)石油基塑料高碳排放的有效途徑[1]，生物質(zhì)是通過(guò)生物光合作用從大氣中的CO2、H2O和陽(yáng)光中生成的，生物質(zhì)燃料不僅有與石油基產(chǎn)品相媲美的性能，還具有顯著的環(huán)境優(yōu)勢(shì)與性價(jià)比。

木材雖是自然界占比最大的生物質(zhì)原料，但其珍貴性日益顯現(xiàn)，人們轉(zhuǎn)而尋找非木材生物質(zhì)原料[2]，五節(jié)芒便是其中之一。五節(jié)芒是禾本科、芒屬的多年生草本植物，生物量高且耐受力強(qiáng)。五節(jié)芒適合生物質(zhì)材料開(kāi)發(fā)有兩點(diǎn)原因，其一，我國(guó)是芒屬植物的分布中心，可以提供豐富的品類資源；其二，近些年由于民間利用減少，五節(jié)芒開(kāi)始瘋狂生長(zhǎng)，迅速上升為我國(guó)東南地區(qū)林業(yè)主要惡性雜草之一，此時(shí)將五節(jié)芒用于開(kāi)發(fā)生物質(zhì)材料有助于科學(xué)防治，變廢為寶。

五節(jié)芒（Miscanthus floridulus），被子植物門(mén)禾本科黍亞科須芒草族甘蔗亞族芒屬。芒屬植物是多年生禾本科禾草，植株高度可達(dá)2 m～4 m。它原產(chǎn)于東亞，廣泛分布于從東南亞到太平洋島嶼的熱帶、亞熱帶和溫帶地區(qū)，在非洲也有少數(shù)種類。五節(jié)芒生于低海拔撂荒地、丘陵潮濕谷地、山坡或草地。芒屬植物約有10種，我國(guó)有6種，分別為五節(jié)芒、芒、金縣芒、高山芒、紫芒和黃金芒。五節(jié)芒在中國(guó)主要存在于華東華南的江蘇、浙江、福建、臺(tái)灣、廣東、海南和廣西等地區(qū)[3]。芒屬植物適應(yīng)性強(qiáng)、生物產(chǎn)量高（45 t/hm2）、纖維品質(zhì)好、灰分低，是國(guó)內(nèi)外公認(rèn)最具潛力的能源植物之一。其中，五節(jié)芒具有光合效率高、生長(zhǎng)快、適應(yīng)性強(qiáng)、生物質(zhì)產(chǎn)量高等優(yōu)點(diǎn)，極具開(kāi)發(fā)價(jià)值[4]。

五節(jié)芒形貌特征如圖1所示，五節(jié)芒以其高大的莖稈和披針狀線形、扁平的葉片而著稱。其葉片基部漸窄或呈圓形，頂端長(zhǎng)漸尖，中脈則顯得粗壯隆起。葉面兩面均不生毛，但上部基部有柔毛，而邊緣較為粗糙。五節(jié)芒的圓錐花序體型較大，十分密集。小穗卵狀披針形，呈黃色，芒長(zhǎng)為7 mm～10 mm，表面略帶粗糙，伸直或下部稍扭曲。其內(nèi)稃微小，雄蕊為3枚，花藥長(zhǎng)1.2 mm～1.5 mm，色澤呈桔黃色?；ㄖ鶚O為短小，柱頭呈紫黑色，自小穗中部之兩側(cè)伸出。

趙佳美等[5]對(duì)五節(jié)芒的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入研究，發(fā)現(xiàn)五節(jié)芒的莖稈由三個(gè)組成部分：外皮、木質(zhì)、髓部。外皮為莖外面的部分，木質(zhì)為外皮內(nèi)圈維管束較多且密集排布的部分，髓部為莖內(nèi)部呈白色條紋狀、含少許維管束的部分。通過(guò)觀察莖的橫、縱切面切片，可以看出上面大致有三個(gè)組成部分：表皮組織、維管束和基本的薄壁組織。五節(jié)芒主要由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素組成，其中纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)47.9%[6]，纖維素具有高度的結(jié)晶度和優(yōu)異的熱穩(wěn)定性，而半纖維素和木質(zhì)素則是無(wú)定形的。五節(jié)芒具有羰基、羥基、羧基、甲基等官能團(tuán)，含有大量的愈創(chuàng)木基和紫丁香基結(jié)構(gòu)單元。

早年，五節(jié)芒為農(nóng)民提供了可用作家畜飼料的莖葉和可制成掃帚頭的花序軸等資源，同時(shí)由于人類的利用，五節(jié)芒生物量也一直保持在合理范圍內(nèi)。然而，隨著社會(huì)生活水平的提高，民間砍伐五節(jié)芒的次數(shù)不斷下降，利用率持續(xù)降低。五節(jié)芒強(qiáng)大的生命力和極快的繁殖速度使其增長(zhǎng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)人類的利用率，迅速成為我國(guó)東南地區(qū)主要的林業(yè)惡性雜草之一。

五節(jié)芒的防治成本高、難度大，對(duì)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)的危害日益顯現(xiàn)。其危害[7]有三：一是五節(jié)芒入侵造林地后，其發(fā)達(dá)的根系和強(qiáng)大的再生能力使得清理難度極大，嚴(yán)重影響了造林的成本和效率。二是五節(jié)芒具有較強(qiáng)的物種競(jìng)爭(zhēng)力，抑制其他植物生長(zhǎng)。五節(jié)芒入侵幼林地，不僅抑制喬木層的更新演替，還形成大面積的單優(yōu)群落，從而破壞生態(tài)系統(tǒng)的物種多樣性和穩(wěn)定性，破壞景觀的自然性和完整性。三是五節(jié)芒容易成為森林火災(zāi)的罪魁禍?zhǔn)?。冬季干燥時(shí)，五節(jié)芒成為常見(jiàn)的易燃物，不僅易引發(fā)火災(zāi)，還容易擴(kuò)散火災(zāi)，給滅火帶來(lái)巨大困難。

因此，五節(jié)芒的高效利用與產(chǎn)品開(kāi)發(fā)有助于提高自然資源的利用率，也能更好地促進(jìn)和諧生態(tài)，推動(dòng)五節(jié)芒加工利用這一特色產(chǎn)業(yè)的形成與發(fā)展，變廢為寶，為推動(dòng)開(kāi)發(fā)生物質(zhì)能源提供新的樣品與思路，以此緩解人類面臨的日益嚴(yán)峻的能源環(huán)境挑戰(zhàn)。

2 五節(jié)芒綜合利用研究現(xiàn)狀

五節(jié)芒的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，應(yīng)用領(lǐng)域涉及復(fù)合材料、生物能源、生態(tài)保護(hù)、園林景觀、造紙?jiān)?、飼料等方面，如圖2所示，國(guó)內(nèi)外主要的綜合利用方向如下。

圖2 五節(jié)芒的綜合利用

1）復(fù)合材料：小麥秸稈的木質(zhì)纖維素可以轉(zhuǎn)化利用，將木質(zhì)纖維素轉(zhuǎn)化為生物產(chǎn)品，如乙醇、生物氫和生物復(fù)合材料等[8]。五節(jié)芒花絮可用作吸油材料，其對(duì)植物油、機(jī)油、柴油飽和吸油容量分別為15.23 g/g、22.15 g/g和26.65 g/g，自然瀝干5 h后保油率均在70.0%以上，可制成水油分離材料，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)資源有效利用[9]。據(jù)研究，一般芒屬植物的木質(zhì)素含量為17.8%～27.7%。木質(zhì)纖維素含量為32.7%～49.5%、半纖維素含量為21%～34.8%[10]。與小麥秸稈等其他木質(zhì)纖維素生物能源作物相比，芒具有更高的生物量和纖維素含量，更有利于以低成本開(kāi)發(fā)綠色高效復(fù)合材料，以減少傳統(tǒng)塑料的使用，更加符合人類可持續(xù)綠色發(fā)展要求。

2）生物能源：五節(jié)芒含有熱值較高。Salvatore Collura等的研究表明，芒草的熱值一般為17 MJ/kg，按產(chǎn)量30 t/hm2計(jì)算，每l hm2芒草熱值可高達(dá)510 000 MJ[10]。愛(ài)爾蘭芒草產(chǎn)電量占其全國(guó)總產(chǎn)電量的37%，是歐盟各國(guó)最多的。芒草的高生物質(zhì)產(chǎn)量和其收獲時(shí)的低水分含量有利于燃燒，且其具有的較多揮發(fā)性物質(zhì)使得它比煤炭有更好的點(diǎn)火穩(wěn)定性，并且芒草的燃燒較農(nóng)作物秸稈更為穩(wěn)定和清潔[11]。Katukuri等[12]研究了過(guò)氧化氫預(yù)處理對(duì)于增強(qiáng)五節(jié)芒改善厭氧消化過(guò)程中生物質(zhì)的沼氣產(chǎn)量，結(jié)果表明，在中性pH下，在0.8%H2O2濃度下，甲烷收率為278.7 mL/g VS（揮發(fā)性固體），與未處理的樣品相比提高了49%。因此，許多科學(xué)家都把它作為第二代生物燃料中最有前景的原料之一。Ercoli等[13]對(duì)芒草的產(chǎn)能量進(jìn)行了研究，結(jié)果表明芒草是一種優(yōu)質(zhì)的能源禾草植物，比短輪伐期林木用作能源植物更具優(yōu)勢(shì)。

3）生態(tài)保護(hù)：五節(jié)芒能耐41.5 ℃的短期高溫；在長(zhǎng)達(dá)20天的35 ℃以上持續(xù)高溫下能正常生長(zhǎng)；在連續(xù)4天干熱風(fēng)的侵襲下，仍能安然無(wú)恙，有強(qiáng)大的生命力。通過(guò)對(duì)五節(jié)芒的生態(tài)特性開(kāi)展長(zhǎng)期的深入研究，發(fā)現(xiàn)五節(jié)芒是一種非常有發(fā)展?jié)摿Φ娘暡莺铜h(huán)境保護(hù)植物，五節(jié)芒根系發(fā)達(dá)，耐旱性較好，能夠截流雨水、涵養(yǎng)水源、防止表土流失和滑坡，具有較高的水土保持價(jià)值。五節(jié)芒在恢復(fù)土壤環(huán)境方面也起到了積極作用，對(duì)鎘、鋅和鉛等重金屬有較大的耐受性，能夠用作植物修復(fù)[14-15]。張崇邦等[16]為了了解五節(jié)芒這種重金屬耐性植物對(duì)尾礦砂土壤的改良作用，研究了尾礦砂堆積地五節(jié)芒自然定居對(duì)土壤微生物生物量、呼吸速率及酶活性的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著五節(jié)芒在尾礦砂上的定居，除土壤以外，土壤有機(jī)碳、總氮、總磷、速效磷的含量以及團(tuán)聚體穩(wěn)定性和最大持水量均顯著提高，而土壤重金屬總量與可提取量均顯著下降；土壤微生物生物量碳、氮、磷，基礎(chǔ)呼吸速率，基質(zhì)誘導(dǎo)呼吸速率，多種土壤酶活性均顯著提高。

4）園林景觀：芒屬植物也是可以作為觀賞性植物。在很多國(guó)家都有將芒屬植物應(yīng)用于園林景觀的先例。英國(guó)著名景觀設(shè)計(jì)師雷塞爾·佩奇（Ressel Page）使用了許多裝飾性植物，包括芒屬植物，創(chuàng)造了一個(gè)新的自然美麗的花園，打破了傳統(tǒng)園林景觀的概念。園林中應(yīng)用有5種常用的芒屬觀賞草：五節(jié)芒、芒、花葉芒、晨光芒和細(xì)葉芒[17]。然而目前的五節(jié)芒的品相無(wú)法滿足園藝審美的要求，因而我國(guó)正逐步加大對(duì)現(xiàn)有芒屬植株資源的研究，利用芒屬植物資源豐富的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)合理利用生物技術(shù)，培養(yǎng)適宜的新品種。

5）造紙?jiān)希何覈?guó)是森林資源貧乏的國(guó)家，中國(guó)紙業(yè)的發(fā)展離不開(kāi)非木材纖維。中國(guó)有豐富的禾草類纖維資源，作為造紙?jiān)峡梢跃徑馍诌^(guò)度開(kāi)采，在草類纖維制漿造紙方面也已經(jīng)積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)[18]。五節(jié)芒纖維細(xì)長(zhǎng)（1 mm～2 mm）、生物量大（45 t/hm2）、含漿量高（48.4%）[19]，是優(yōu)秀的造紙?jiān)稀７康陆ǖ萚20]分析了葛藤、蜈蚣草、飛蓬、玉草、五節(jié)芒、桑枝6種非木材原料的制漿性能，其中五節(jié)芒纖維結(jié)構(gòu)比較細(xì)長(zhǎng)但表面比較粗糙，纖維的結(jié)晶度較大，為40.39%，纖維的斷裂強(qiáng)力較大，纖維素含量在37.5%～40.62%之間，綜纖維素含量在64.83%～74.43%之間，木素、灰分、抽出物等含量相對(duì)較低，粗漿得率較高且卡伯值相對(duì)較低，是值得進(jìn)一步開(kāi)發(fā)研究的制漿造紙?jiān)?。然而，禾草類纖維制漿仍面臨如原料采集方式落后、技術(shù)落后、市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力低、環(huán)境污染等問(wèn)題，非木材造紙雖有巨大的發(fā)展?jié)摿?，但仍處于緩慢發(fā)展階段。

6）飼料：五節(jié)芒一年種植可多年利用，五節(jié)芒可青飼也可青貯或曬制干草，可將干稻草等粗飼料與五節(jié)芒青飼料摻合，以提高粗飼料的適口性。池春梅等[21]探究了不同時(shí)期（萌芽期、拔節(jié)期和抽穗期）五節(jié)芒營(yíng)養(yǎng)成分，并研究五節(jié)芒在山羊瘤胃內(nèi)的降解特性。得出結(jié)論：拔節(jié)期五節(jié)芒具有生物量大、營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)較優(yōu)的特點(diǎn)，拔節(jié)期五節(jié)芒干物質(zhì)（DM）、粗蛋白（CP）、中性洗滌纖維（NDF）和酸性洗滌纖維（ADF）在山羊瘤胃中的降解率隨時(shí)間的變化依次遞增，72 h時(shí)達(dá)到最大，最大降解率分別為42.94%、59.31%、44.15%和39.65%，有效降解率分別為30.03%、40.74%、29.80%和27.41%，因此拔節(jié)期五節(jié)芒最具營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，是一種具有開(kāi)發(fā)潛力的非常規(guī)粗飼料。

總之，五節(jié)芒的綜合應(yīng)用是其實(shí)現(xiàn)高值化利用的有效途徑，對(duì)于我國(guó)生物質(zhì)材料的開(kāi)發(fā)與研究更有其積極意義，不僅能實(shí)現(xiàn)對(duì)五節(jié)芒的綠色防治，還有利于發(fā)揮我國(guó)芒屬資源優(yōu)勢(shì)，緩解能源資源危機(jī)，提高社會(huì)效益。

3 結(jié)論

五節(jié)芒應(yīng)用廣泛，原料易得，生物量大，作為生物基材料潛在的研究?jī)r(jià)值值得被人們重視，同時(shí)，五節(jié)芒強(qiáng)大的生命力和極快的繁殖速度使其增長(zhǎng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)人類的利用率，迅速成為我國(guó)東南地區(qū)主要的林業(yè)惡性雜草之一。對(duì)五節(jié)芒實(shí)現(xiàn)高值化利用是破解五節(jié)芒防治難題、開(kāi)發(fā)清潔材料與能源的關(guān)鍵，五節(jié)芒的應(yīng)用領(lǐng)域涉及復(fù)合材料、生物能源、生態(tài)保護(hù)、園林景觀、造紙?jiān)?、飼料等方面。深入研究五?jié)芒等生物質(zhì)，推動(dòng)生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)壯大，可以為緩解能源、環(huán)境危機(jī)提供新的思路。