五節(jié)芒生物學(xué)特性及能量生產(chǎn)動態(tài)變化

陳慧娟，寧祖林，張卓文

（1.武漢長綠世紀園林景觀工程有限公司，湖北 武漢430019；2.中國科學(xué)院華南植物園，廣東 廣州510650；3.中國科學(xué)院武漢植物園，湖北 武漢430074；4.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝園林學(xué)院，湖北 武漢430070）

＊芒屬（Miscanthus）植物俗稱芒草，屬禾本科（Gramineae）多年生高大禾草，被多數(shù)歐盟國家認為最具發(fā)展?jié)摿Φ哪茉粗参铮?，2］。其作為能源植物的最大優(yōu)勢是具有巨大的生物產(chǎn)量，即產(chǎn)能效率高。植物能量生產(chǎn)的另一個重要方面就是植物熱值，它反映了綠色植物在光合作用中固定太陽輻射能的能力，是衡量植物燃燒性能的一個指標，也是評價能源植物利用價值的重要指標［3－9］。芒草植物能量高、灰分含量低、抗性強、耐瘠薄土壤，適合荒山坡地種植，不占用耕地；這類禾草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，更重要的是在生產(chǎn)和利用上能產(chǎn)生重要生態(tài)效益，因而作為生物質(zhì)能源而受到世界范圍內(nèi)的廣泛關(guān)注［2－4，10－15］。而我國是芒草植物資源的分布中心，其資源豐富，是南方山區(qū)的一類優(yōu)勢群落物種，應(yīng)予重視和加強芒草植物資源的研究和開發(fā)利用工作。

五節(jié)芒（Miscanthusfloridulus）為禾本科芒屬的一種，為多年生C4草本植物，分布廣泛、資源豐富、產(chǎn)量高、適應(yīng)性強，是一種生態(tài)效益和經(jīng)濟效益兼?zhèn)涞闹参镔Y源。前人對其生態(tài)－生物學(xué)特性、飼用價值及莖芽繁殖特性等方面做了一定的研究工作［16－18］，但以能源開發(fā)為目的的相關(guān)研究報道比較少。本研究對五節(jié)芒生物質(zhì)特性相關(guān)的生物學(xué)特性及其能量動態(tài)變化進行了探討，旨在為五節(jié)芒作為生物質(zhì)能源的評價及開發(fā)利用提供基礎(chǔ)資料。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料為2～5年生五節(jié)芒，試驗樣地設(shè)在武漢植物園西崗引種過渡圃院墻外側(cè)（N 30°32′，E 114°24′，海拔46 m）。試驗地土壤p H 5.64，有機質(zhì)1.92%，全氮0.88 g／kg，全磷0.53 g／kg，全鉀15.1 g／kg，速效磷5.5 mg／kg，速效鉀52.33 mg／kg。

1.2 試驗設(shè)計及方法

試驗地分為刈割區(qū)和非刈割區(qū)，在非刈割區(qū)隨機選取15叢五年生五節(jié)芒，定期觀測物候和萌蘗情況；每叢選取5個生長情況基本一致的芽掛牌，在收獲期測量所掛牌的分蘗枝高度、地徑、稈葉重等指標。在刈割區(qū)內(nèi)，用2 m×2 m的樣方框隨機選擇有代表性的三年生五節(jié)芒測定地上生物量，分別于2007－2008年6，7，8，9和12月測定株叢高度、地上生物量（鮮、干重）；每次測產(chǎn)均齊地面刈割，3次重復(fù)。

種子成熟時采收，在實驗室風(fēng)干去除雜質(zhì)于室內(nèi)通風(fēng)處儲存。利用光照培養(yǎng)箱，在恒溫26℃光照和黑暗條件下進行發(fā)芽實驗，每處理（4×25）粒種子，3次重復(fù)；以胚根出現(xiàn)時為種子萌發(fā)開始，連續(xù)5 d不發(fā)芽時為發(fā)芽實驗終止時間。

每月從刈割區(qū)和非刈割區(qū)采集樣品，樣品經(jīng)80℃烘干，粉碎處理后過篩貯存?zhèn)溆茫涣砣⌒佑?05℃烘干至恒重，求含水量。采用長沙儀器廠生產(chǎn)的 WGR－1型微電腦氧彈式熱量計測定其干重?zé)嶂担╣ross caloric value，GCV），3次重復(fù)，重復(fù)間誤差控制在±0.2 kJ／g，測定環(huán)境控溫在20℃左右。

灰分含量（ash content）測定采用干灰化法，即樣品在馬福爐550℃下灰化5 h后測定其灰分含量。然后計算樣品的去灰分熱值和能量生產(chǎn)效果，計算方法為：

2 結(jié)果與分析

2.1 五節(jié)芒生物學(xué)特性

2.1.1 生長發(fā)育節(jié)律 五節(jié)芒物候期可分為展葉期（2月26日－4月9日）、拔節(jié)期（4月10日－5月31日）、抽穗期（5月18日－6月20日）、開花期（6月9日－7月1日）、結(jié)實期（6月28日－8月11日）、枯黃期（8月12日－12月9日）共6個生長發(fā)育階段（圖1）。在整個生長過程中展葉期生長緩慢，日均增長為1.21 cm，株高絕對生長量為48.52 cm；拔節(jié)期逐步加速，日均增長為2.12 cm，到抽穗開花期生長速度較快，日增長達2.52 cm；而到結(jié)實期生長速度開始下降，并逐步停止生長（表1）。

表1 五節(jié)芒生長發(fā)育節(jié)律Table 1 Growth and development rhythm of M.floridulus

2.1.2 生物產(chǎn)量的季節(jié)變化 2008年對試驗地三年生五節(jié)芒株叢從孕穗期至枯黃期進行生物產(chǎn)量測定，其結(jié)果（表2）表明，三年生五節(jié)芒在整個生長季節(jié)內(nèi)生長迅速，干物質(zhì)積累相當快，其鮮重最高峰出現(xiàn)在結(jié)實后的營養(yǎng)積累階段。另外從調(diào)查觀測中發(fā)現(xiàn)，開花期生殖枝占總莖枝的比例低，結(jié)實期后營養(yǎng)枝繼續(xù)生長，而此時正處于秋季分蘗時期，此時萌發(fā)出較多新蘗，光合效率仍然很高，使株叢繼續(xù)積累生物產(chǎn)量。

莖葉比與株叢高度的關(guān)系，有助于選定最佳刈割時期，以獲取較多預(yù)期的生物產(chǎn)量。對3年生五節(jié)芒按照株叢不同高度測定莖葉比，其結(jié)果（表3）表明，從118.1到201.0 cm高度梯度變化過程中，其莖葉比值逐步變大，即葉的比重變小，莖稈比重增大。植株高度與葉鮮重沒有相關(guān)性，而與稈鮮重存在極顯著相關(guān)性；葉鮮重與稈鮮重存在相關(guān)性（表4）。

2.1.3 種子萌發(fā)特性 種子萌發(fā)試驗結(jié)果（表5）表明，26℃恒溫時，在黑暗條件下，五節(jié)芒種子發(fā)芽率較高。五節(jié)芒種子千粒重?。?.215 4 g），種子具有羽毛狀附屬物，能隨風(fēng)擴散；從種子萌發(fā)情況來看，在自然條件下，其種群應(yīng)以種子繁殖為主。

圖1 五節(jié)芒植株株高生長Fig.1 Plant height changes of M.floridulus

表2 3年生五節(jié)芒生產(chǎn)性狀的季節(jié)變化Table 2 Seasonal changes in production traits of 3－year－old M.floridulus

表3 3年生五節(jié)芒株叢高度與莖葉比的關(guān)系Table 3 Relationship between the height and the ratio of stem to leaf of 3－year－old M.floridulus

2.2 能量生產(chǎn)的季節(jié)動態(tài)變化

2.2.1 五節(jié)芒干重?zé)嶂档脑伦兓?2007－2008年，對五節(jié)芒莖稈和葉的熱值進行了測定，其結(jié)果（圖2）表明，莖稈、葉熱值具有明顯的季節(jié)性變化趨勢；葉干重?zé)嶂?6.59～18.40 kJ／g，4和10月較大，3和9月較??；莖稈干重?zé)嶂翟?－12月逐漸下降，翌年4－6月逐步增加。不同器官年均干重?zé)嶂禐椋汗耄?8.27 kJ／g）＞莖稈（17.76 kJ／g）＞葉（17.44 kJ／g）。

2.2.2 五節(jié)芒灰分含量的月變化 2007－2008年對五節(jié)芒灰分含量進行測定，其結(jié)果（圖3）表明：五節(jié)芒葉、莖灰分含量存在差異，且月變化趨勢各不相同；葉的灰分含量在9月份最高，4月份最低；莖的灰分含量在7月份最低，4月份最高，在2007年7月到2008年2月波動比較小。

五節(jié)芒葉灰分含量在5.32%～10.62%，莖稈灰分含量在1.25%～8.06%；一年中，除4月份五節(jié)芒莖的灰分含量高于葉，其余月份莖灰分含量明顯小于葉，而且比較穩(wěn)定。不同器官年均灰分含量為：葉（7.03%）＞果穗（3.44%）＞莖稈（2.55%）。

表4 3年生五節(jié)芒株叢高度與莖、葉鮮重相關(guān)性Table 4 Correlation of height，fresh stem weight and fresh leave weight of 3－year－old M.floridulus

表5 五節(jié)芒種子萌發(fā)試驗Table 5 Seed germination experiment of M.floridulus

2.2.3 五節(jié)芒干重?zé)嶂岛突曳趾康南嚓P(guān)性分析 五節(jié)芒葉的干重?zé)嶂蹬c灰分含量具有顯著的線性負相關(guān)關(guān)系（P＜0.05），莖的干重?zé)嶂岛突曳趾烤哂袠O顯著的線性負相關(guān)關(guān)系（P＜0.01）。說明灰分含量的變化對五節(jié)芒干重?zé)嶂档淖兓幸欢ǖ挠绊懀ū?）。

圖2 五節(jié)芒干重?zé)嶂档脑伦兓疐ig.2 Monthly changes of caloric values for M.floridulus

圖3 五節(jié)芒灰分含量的月變化Fig.3 Monthly changes of ash contents for M.floridulus

2.2.4 五節(jié)芒能量生產(chǎn)效果的季節(jié)變化 能量現(xiàn)存量等于熱值和生物量的乘積，五節(jié)芒地上部分能量現(xiàn)存量的季節(jié)動態(tài)取決于地上部生物量和熱值的季節(jié)變化。根據(jù)五年生五節(jié)芒地上部分不同季節(jié)能量測定結(jié)果（圖4），五節(jié)芒地上部能量現(xiàn)存量的季節(jié)變化呈單峰曲線，峰值出現(xiàn)在8月下旬，6月初－8月下旬隨著時間的進展而逐漸增加，8月份后逐漸下降。地上部分能量現(xiàn)存量的季節(jié)變化，主要受地上部生物量的影響，其變化規(guī)律基本與地上部生物量的變化相一致，熱值的變化對其影響程度較小。

表6 五節(jié)芒各器官中干重?zé)嶂蹬c灰分含量的關(guān)系Table 6 Relationships between gross caloric values and ash contents of M.floridulus

圖4 五節(jié)芒能量現(xiàn)存量、熱值和生物量與時間的變化Fig.4 Dynamics of existent energy value，caloric value and biomass of M.floridulus

3 討論

從五節(jié)芒不同生長發(fā)育階段生長速度來看，拔節(jié)期和抽穗期生長速度較快，此時適當增加肥水管理有利于提高其生物產(chǎn)量。以前的研究認為［19，20］，五節(jié)芒以分蔸、莖芽繁殖為主要繁殖方式，種子繁殖較困難。從種子萌發(fā)試驗情況來看，26℃恒溫時，在光照條件下，種子發(fā)芽率都能達到60%左右；在黑暗條件下，發(fā)芽率為70%左右，而在室內(nèi)散射光條件下發(fā)芽率稍微偏高，這與蕭運峰等［10］研究認為室內(nèi)散射光條件下種子不萌發(fā)的結(jié)果不相符；可能在觀察的過程中，人為增加了間斷性光照，可見在間斷光照條件下更有利于種子萌發(fā)，具體情況有待于進一步研究證明。從果穗發(fā)育情況來看，果穗中存在許多空殼，而果穗結(jié)實率高，可育種子數(shù)量相對較多；野外調(diào)查過程中也發(fā)現(xiàn)了許多實生苗，種子具有羽毛狀附屬物，可隨風(fēng)擴散，可見自然條件下五節(jié)芒應(yīng)以種子繁殖擴散為主，規(guī)?；N植利用時應(yīng)以種子繁殖更為經(jīng)濟有效。

禾草類能源植物作為生物質(zhì)能開發(fā)利用的最大優(yōu)勢是其生物產(chǎn)量高。五節(jié)芒能量動態(tài)的研究結(jié)果表明地上部分能量現(xiàn)存量的動態(tài)變化呈單峰曲線，與地上部生物量的變化趨勢一致，熱值的變化對其影響較小。郭繼勛和王若丹［7］對羊草（Leymuschinensis）熱值和能量特征的研究，李萍萍等［17］對鎮(zhèn)江濱江濕地優(yōu)勢植物蘆葦（Phragmitescommunis）和草蘆（Phalarisarundinacea）的研究都反應(yīng)地上部分能量現(xiàn)存量與生物量的變化相一致，熱值的變化對其影響較小。因此，生物量可以作為生物質(zhì)能評價的一個重要指標。

從五節(jié)芒莖、葉的熱值和灰分的相關(guān)性分析來看（表5），熱值和灰分含量存在顯著的負相關(guān)性，說明灰分含量對熱值存在一定的影響，這與其他種類植物熱值和灰分的變化規(guī)律一致。林益明等［21］對8種棕櫚植物的研究也有類似的結(jié)果。植物組分或器官干重?zé)嶂档牟町愔饕鞘茏陨斫M成物質(zhì)、結(jié)構(gòu)和功能的影響；熱值隨季節(jié)的變化與植物的物候節(jié)律及對環(huán)境因子變化的反應(yīng)有關(guān)［22］；其次，還受光照強度、日照長短和土壤類型和植物年齡影響［21］；另外，熱值與植物體內(nèi)碳、Na＋、Mg2＋、Cl－含量存在相關(guān)性［23］。五節(jié)芒屬C4高光效植物，在其生長旺盛時期可能從根部吸收較多的礦物元素，而礦物質(zhì)是灰分的主要成分，其熱值變化可能受其植物體內(nèi)礦物元素的含量和種類有關(guān)；同時，五節(jié)芒是廣布種，其熱值可能會與氣候因子影響比較大，不同地方種源的熱值或許會存在明顯差異。

普遍認為［22－28］，葉片灰分含量一般比莖稈高，所含礦質(zhì)元素含量也相應(yīng)較高。因此，對于篩選培育可燃性能源植物而言，莖葉比是一個較好的評價指標，莖葉比值偏高時，品質(zhì)較好。因此，可以通過某個時期的莖葉比值大小來確定最佳收獲時期。

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