潛在木質(zhì)纖維素能源植物香根草的初步研究

周 強，於丙軍

香根草〔Vetiveria zizanioides(L.)Nash〕是禾本科(Poaceae)香根草屬(Vetiveria Bory)多年生草本植物，為C4植物，原產(chǎn)印度等熱帶地區(qū)；成熟植株高1.5～2.0 m，葉寬約0.8 cm、長約75 cm，生長周期為180～247 d。大多數(shù)香根草種群不結(jié)果實和種子，以分蘗方式繁殖，不會成為入侵性雜草，具有很強的耐熱、耐寒、耐旱、耐鹽堿、耐瘠、耐澇、耐酸和抗重金屬等綜合抗性能力，在氣溫－10℃ ～45℃、年降水量300～6 000 mm的區(qū)域內(nèi)均可生長［1］20－27；香根草植株可通過有效的滲透調(diào)節(jié)和多胺代謝機制適應(yīng)中度鹽脅迫(小于200 mmol·L－1NaCl)［2－3］和中度干旱脅迫(低于質(zhì)量體積分數(shù)40％PEG－6000溶液)［4］；香根草光合能力強，生物產(chǎn)量高，產(chǎn)量一般為350～750 t·km－2［5］，燃燒熱能達到18.6 kJ·g－1［6］。因而，香根草能夠在邊際性土地上、甚至條件更為惡劣的環(huán)境中推廣種植，近年來該種被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)水土保持、工程邊坡固定、礦山生態(tài)恢復(fù)、土地復(fù)墾和凈化水體等環(huán)保領(lǐng)域。此外，香根草還具有提取香根油、作為飼料和編織原料等經(jīng)濟用途。目前已在中國、美國、印度和泰國等幾十個國家推廣應(yīng)用，有著廣泛的種植基礎(chǔ)［1］20－27，［7］。

作者著重從纖維素能源植物利用的角度，對香根草植株生長以及葉片的光合特性、主要礦質(zhì)元素含量、與纖維特性有關(guān)的化學(xué)組分含量及水解產(chǎn)物組分含量進行了初步分析，以期為拓展香根草新的開發(fā)和利用價值提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料和方法

1.1 香根草種植與樣品采集和處理

種植地分別位于江蘇省南京市南京農(nóng)業(yè)大學(xué)衛(wèi)崗試驗田和江蘇省東臺市沿海灘涂地；前者土壤為粘土，肥力中等；后者土壤為沙質(zhì)，肥力中等。均設(shè)置3個重復(fù)小區(qū)，小區(qū)面積為2 m×5 m。于2009年5月上旬進行種苗種植，以3株為1穴，株行距20 cm× 20 cm，常規(guī)施肥、澆水和田間管理。

于2010年7月在南京農(nóng)業(yè)大學(xué)衛(wèi)崗試驗田進行葉片光合作用測定；并于2010年11月末收割各小區(qū)香根草葉片，于105℃殺青15 min、80℃烘干后，剪切為長度約1 cm小段，混勻后備用。

于2010年11月底，分別在南京農(nóng)業(yè)大學(xué)衛(wèi)崗試驗田和東臺市沿海灘涂地，按上述方法收割香根草葉片并進行相應(yīng)的預(yù)處理，用于化學(xué)組分和水解產(chǎn)物組分的分析。

1.2 測定方法

1.2.1 光合特性測定 參照趙玉紅等［8］的方法(略有改動)測定香根草倒4葉的光合特性。于2010年7月選擇天氣晴朗的日子，采用LI－6400 XTP便攜式光合儀(美國LI－COR公司)進行測定，溫度24℃～36℃，CO2濃度為384.1～390.6μmol·mol－1，光量子通量密度設(shè)置為：0、50、150、300、600、900、1 100、1 400、1 700和2 100μmol·m－2·s－1。 重復(fù)測定5個單株。

1.2.2 葉片主要礦質(zhì)元素含量測定 將葉片小段粉碎并過80目篩，烘干至質(zhì)量恒定，采用四分法取樣0.5 g；參考呂偉仙等［9］的方法測定葉片總氮(N)含量；使用Optima 2100DV等離子體發(fā)射光譜儀(美國Perkin Elmer公司)，參照Shen等［10］的方法測定葉片中磷(P)、鉀(K)、鈣(Ca)、鎂(Mg)和硫(S)含量。重復(fù)測定3次。

1.2.3 株高生長速率測定 從2010年3月31日開始至11月30日結(jié)束，于每月的30日或31日定株測量香根草植株的株高，計算其株高生長速率。重復(fù)測定9個單株。

1.2.4 葉片中與纖維特性有關(guān)的化學(xué)組分分析 參照石淑蘭等的方法測定葉片中纖維素［11］35、半纖維素［11］37－39、木質(zhì)素(或克拉松木素)［11］46、苯－乙醇抽提物［11］33和灰分［11］26等化學(xué)組分的含量。重復(fù)測定3次。

1.2.5 水解產(chǎn)物組分分析 參照張紅漫等［12］的方法略加修改進行樣品的水解。稱取適量樣品粉末，加入體積分數(shù)72％硫酸3 mL，攪勻，30℃水浴水解1 h；然后用去離子水將硫酸水解液稀釋至硫酸體積分數(shù)為4％，隨后于121℃高溫處理45 min；冷卻后抽濾，用氧化鈣調(diào)節(jié)濾液pH至中性，即為待測樣液。

參照陳克克［13］的HPLC法測定待測樣液中葡萄糖、甘露糖、乳糖、木糖和阿拉伯糖的含量。待測樣液經(jīng)1－苯基－3－甲基－5－吡唑啉酮衍生化后，用Waters 515高效液相色譜儀進行HPLC分析。色譜條件為：反相C18色譜柱(Novapak，150 mm×3.9 mm，4μm)；流動相為體積分數(shù)20％乙腈和0.05 mol·L－1磷酸鹽緩沖液(KH2PO4－NaOH)的混合液，pH 6.8；流速0.8 mL·min－1；2487雙波長紫外/可見檢測器，檢測波長245 nm。重復(fù)測定3次。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

按照公式：vH=Hn+1－Hn計算株高生長速率。式中：vH為株高生長速率(cm·month－1)；H為株高(cm)；n為月份。

用Excel 2003軟件繪制凈光合速率(Pn)對光量子通量密度的模擬曲線，曲線的峰值即為光飽和點。

采用SPSS 13.0軟件進行均值、標(biāo)準(zhǔn)誤和差異顯著性分析(P＜0.05)。

2 結(jié)果和分析

2.1 香根草葉片的光合作用特性

香根草葉片凈光合速率(Pn)對光量子通量密度(PFD)的響應(yīng)曲線及其Pn日變化曲線見圖1。由圖1可見：香根草葉片的Pn對PFD的響應(yīng)曲線呈單峰型，曲線方程為y=7×10－6x2+0.021 4x－1.081 2；在PFD從0增加至1 400μmol·m－2·s－1的過程中，Pn也隨之增大；當(dāng)PFD達到1 400μmol·m－2·s－1時，Pn達到最大值(15.2μmol·m－2·s－1)。由Pn對PFD響應(yīng)曲線(圖1－A)計算可知：香根草葉片凈光合速率的理論最大值為15.3μmol·m－2·s－1，光飽和點為1 528.6μmol·m－2·s－1。

香根草葉片的凈光合速率日變化曲線呈明顯的雙峰型(圖1－B)，第1個高峰出現(xiàn)在10：00，峰值為13.3μmol·m－2·s－1；第2個高峰出現(xiàn)在15：00，其峰值略低于第1個峰，為10.4μmol·m－2·s－1；在2個峰之間的12：00至14：00，有1個顯著的低谷期，應(yīng)為植物的“午休期”。

圖1 香根草葉片凈光合速率(Pn)與光量子通量密度(PFD)的響應(yīng)曲線(A)及其Pn日變化曲線(B) Fig.1 Response curve(A)of net photosynthetic rate(Pn)with PFD and Pn daily change curve(B)of Vetiveria zizanioides(L.)Nash leaf

2.2 香根草株高的生長特性

在生長季香根草株高的月變化見圖2。由圖2可見：在南京地區(qū)，香根草可以自然越冬，從4月份開始緩慢恢復(fù)生長，5月份至10月份是其株高的快速增長期，特別是在6月份、7月份和8月份，株高增長尤為迅速；7月份的月生長量最高，達42.1 cm；11月份，香根草幾乎停止生長。

圖2 香根草株高的月生長速率曲線Fig.2 Curve of grow th rate per month of p lant height of Vetiveria zizanioides(L.)Nash.

2.3 香根草葉片主要礦質(zhì)元素含量分析

于11月末收割香根草葉片進行主要礦質(zhì)元素含量分析，結(jié)果表明：香根草葉片中K和N含量較高，分別為11.2和7.6 mg·g－1；Ca、P和Mg的含量也較高，分別為4.3、2.7和2.8mg·g－1；S含量最低，為1.5 mg·g－1。

2.4 香根草葉片中與纖維特性有關(guān)的化學(xué)組分分析

不同種植地香根草葉片中與纖維特性有關(guān)的化學(xué)組分的分析結(jié)果見表1。由表1可見，種植于試驗地和灘涂地的香根草葉片中纖維素的平均含量分別為326.1和321.7mg·g－1，半纖維素的平均含量分別為380.2和369.5 mg·g－1，木質(zhì)素的平均含量分別為147.8和154.0 mg·g－1，各指標(biāo)在不同種植地間的差異不顯著(P＞0.05)。而種植于試驗地的香根草葉片中苯－乙醇抽提物和灰分的平均含量分別為59.5和81.7 mg·g－1，均高于種植于灘涂地的香根草葉片(平均含量分別為54.1和71.7 mg·g－1)，且差異顯著(P＜0.05)。

2.5 香根草葉片水解產(chǎn)物組分分析

來源于不同種植地的香根草葉片經(jīng)體積分數(shù)72％硫酸酸解后，用HPLC法檢測其中各單糖的含量，結(jié)果見表2。

表1 不同種植地香根草葉片中與纖維特性有關(guān)的化學(xué)組分的含量(±SE)1)Table 1 Content of chem ical components related to fiber property of Vetiveria zizanioides(L.)Nash leaf from different planting sites(± SE)1)

表1 不同種植地香根草葉片中與纖維特性有關(guān)的化學(xué)組分的含量(±SE)1)Table 1 Content of chem ical components related to fiber property of Vetiveria zizanioides(L.)Nash leaf from different planting sites(± SE)1)

1)同列中不同的小寫字母表示差異顯著(P＜0.05)Different small letters in the same column indicate the significant difference(P＜0.05).

種植地Planting site不同組分的含量/mg·g－1 Content of different components苯－乙醇抽提物Benzene-ethanol extractives 纖維素Cellulose 半纖維素Hemicellulose 木質(zhì)素Lignin 灰分Ash試驗地Experimental field 59.5±1.4a 326.1±7.2a 380.2±8.8a 147.8±11.9a 81.7±4.1a灘涂地Beach 54.1±1.2b 321.7±9.4a 369.5±7.7a 154.0±3.9a 71.7±1.3b 1)同列中不同的小寫字母表示差異顯著(P＜0.05)Different small letters in the same column indicate the significant difference(P＜0.05).表2 不同種植地香根草葉片中水解產(chǎn)物組分的含量(±SE)1) Table 2 Content of hydrolysis products in Vetiveria zizanioides(L.)Nash leaf from different p lanting sites(±SE)1)種植地Planting site各單糖的含量/mg·g－1 Content of different single sugars葡萄糖 Glucose 木糖 Xylose 阿拉伯糖 Arabinose 半乳糖 Galactose 甘露糖Mannose試驗地Experimental field 368.3±21.7a 245.7±19.6a 39.5±3.3a 15.1±0.4a 4.0±0.4a灘涂地Beach 359.9±20.1a 204.3±3.4b 35.4±1.8a 15.8±0.6a 4.6±0.3a

由表2可見：來源于試驗地和灘涂地的香根草葉片的水解產(chǎn)物中，葡萄糖含量均為最高，平均含量分別為368.3和359.9 mg·g－1；木糖含量次之，平均含量分別為245.7和204.3 mg·g－1；阿拉伯糖、半乳糖和甘露糖含量均較低，三者的總含量僅為58.6和55.8 mg·g－1。差異顯著性分析結(jié)果顯示：除種植于試驗地的香根草葉片中木糖含量顯著高于種植于灘涂地的香根草外(P＜0.05)，葡萄糖、阿拉伯糖、半乳糖和甘露糖含量在2個種植地間無顯著差異(P＞0.05)。

3 討 論

能源危機和全球變暖正威脅著人類社會的生存和發(fā)展，開發(fā)利用可替代能源迫在眉睫。利用纖維素資源生產(chǎn)生物乙醇被認為是解決能源危機的最為理想的辦法，具有原料來源廣泛而穩(wěn)定、不占用糧食耕地以及能耗較低等顯著特點［14］。尋找和培育新的廉價優(yōu)質(zhì)的木質(zhì)纖維素能源植物用以生產(chǎn)生物乙醇，是目前生物質(zhì)能源研究領(lǐng)域的熱點之一。柳枝稷(Panicum virgatum L.)被普遍認為是合適的能源植物之一［15－16］，而百喜草(Paspalum notatum Flügge)、狗牙 根〔Cynodon dactylon（L.）Pers.〕、紫 狼 尾(Pennisetum purpureum Schum.)［17］和苦草〔Vallisneria natans(Lour.)Hara〕［18］等被認為是能源植物的候選種類。還有研究者采用雜交或基因工程等方法對植物的品質(zhì)特性進行改良，如讓植物能夠自身產(chǎn)生纖維素酶，降低木質(zhì)素含量或增加纖維素含量等［19－20］。能源植物的評價需考慮多方面的因素，如：生物原料的化學(xué)成分含量、栽培實踐、對土地的適應(yīng)能力、投入消耗的資源、對土壤水體礦物質(zhì)的吸收、殺蟲劑的使用、對土壤的侵蝕、對生物多樣性和環(huán)境景觀的影響以及水分的需求和利用等方面［21］。中國《可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃》指出：適合中國生物乙醇植物種植的宜耕邊際性土地面積約為7.02×106hm2。要積極利用宜耕邊際性土地，發(fā)展適應(yīng)性好、抗逆性強、生物量較高的非糧食基生物乙醇原料［22］。

南京地區(qū)香根草7月份的株高月生長量最高，達42.1 cm；光飽和點為1 528.6μmol·m－2·s－1，凈光合速率(Pn)最高可達15.3μmol·m－2·s－1，其Pn對光量子通量密度的響應(yīng)曲線與趙玉紅等［8］對廣東產(chǎn)香根草光合特性的測量結(jié)果接近；香根草Pn的大小及日變化的趨勢均與在黃土丘陵區(qū)種植的柳枝稷［23］相似。表明在南京地區(qū)香根草的光合能力強、生長快速。

香根草葉片中主要礦質(zhì)元素(N、P、K、Ca、Mg和S等)含量低于或與一般高等植物體內(nèi)營養(yǎng)元素含量水平相當(dāng)［24］，與柳枝稷［25］接近；此外，香根草體內(nèi)還含有遺傳多樣性豐富的聯(lián)合固氮菌，能夠進行生物固氮［26］。這些都表明將香根草作為木質(zhì)纖維素能源植物進行開發(fā)利用，具有肥料投入較低的優(yōu)勢，而一般纖維素原料植物在種植過程中在肥料上的能量投入可占種植能量總投入的67％［15］。另外，香根草可以作為植物性殺蟲劑和殺菌劑，并且能夠通過化感作用抑制雜草種子的萌發(fā)及植株的生長［1］232－241。在本研究和以往的香根草栽培過程中，均未使用除草劑等農(nóng)藥，也未發(fā)現(xiàn)明顯的草害和病蟲害，也說明了香根草的這一特性。

Methacanona等［27］的研究結(jié)果顯示：在香根草生態(tài)型Maehae和Songkha 3中，纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的含量分別為395.7和394.0 mg·g－1、282.4和344.6 mg·g－1、100.9和78.7 mg·g－1；而在本研究中，種植于南京試驗田的香根草葉片中纖維素含量(326.1mg·g－1)略低于上述2種生態(tài)型的香根草，半纖維素和木質(zhì)素含量則略高(分別為380.2和147.8 mg·g－1)，纖維素和半纖維素總量(706.3 mg·g－1)介于生態(tài)型Maehae和Songkha 3之間(分別為678.1和738.6 mg·g－1)。推測栽培條件和生態(tài)型的不同是造成這種差異的原因之一。

與柳枝稷類似，10月中旬至11月為香根草的生長末期，一般在此時收割葉片。與同處于生長末期的柳枝稷葉片［28］相比，種植于南京的香根草葉片中纖維素與半纖維素的總含量達到706.3 mg·g－1，比柳枝稷(678 mg·g－1)略高；而木質(zhì)素含量則比柳枝稷(168 mg·g－1)低12.02％。已有研究結(jié)果表明：植物細胞壁所含的木質(zhì)素能夠抵抗自然界中多數(shù)微生物的有效降解，它和半纖維素組分交織在一起，緊密包裹著纖維素的多糖部分，導(dǎo)致木質(zhì)素預(yù)處理過程復(fù)雜且耗能；同時木質(zhì)素還會對纖維素酶的水解活性產(chǎn)生致鈍作用。因此，降低木質(zhì)素含量或改變其組分，將有利于能源植物資源的充分利用［20］。從木質(zhì)素含量看，香根草作為纖維素能源植物具有一定的優(yōu)勢。

本研究結(jié)果表明：香根草葉片水解后，其主要成分為葡萄糖和木糖，二者含量占總糖的91.29％，均高于柳枝稷葉片［29］。種植于江蘇沿海灘涂鹽堿地這類邊際性土壤上的香根草葉片中纖維素和半纖維含量與種植于試驗地的無顯著差異；水解產(chǎn)物中除木糖外，葡萄糖、阿拉伯糖、半乳糖和甘露糖4種單糖的含量也沒有顯著差異，說明灘涂鹽堿環(huán)境對香根草的品質(zhì)沒有明顯影響，表明香根草具有較強的適應(yīng)邊際性土壤種植的特性。

根據(jù)以上分析結(jié)果可見：與能源植物柳枝稷類似，香根草也是禾本科多年生草本C4植物，它們有許多相似的特征。都具有較高的光合能力、較快的生長速率、在種植生長過程中對肥料要求都比較低、很少需用除草劑和殺蟲劑等，都能夠適應(yīng)惡劣的邊際性土壤種植環(huán)境，葉片中纖維素、半纖維素和木質(zhì)素等化學(xué)成分及其水解產(chǎn)物水平相似，又各有所長。因此，香根草是潛在的優(yōu)良木質(zhì)纖維素能源植物，可加以深入研究和開發(fā)。

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