能源植物斑茅在不同生長(zhǎng)時(shí)期的產(chǎn)量與組分變化

閆蕓蕓 劉健 甘禮惠 余小龍 龍敏南 Nasir Ali1

摘 要 研究不同時(shí)期斑茅產(chǎn)量及其化學(xué)組分的變化。結(jié)果表明：斑茅生物質(zhì)產(chǎn)量在11月達(dá)到最高，其后開始下降；整個(gè)生長(zhǎng)發(fā)育過程中莖葉生物質(zhì)產(chǎn)量比呈現(xiàn)上升趨勢(shì)；含水量隨生長(zhǎng)發(fā)育的進(jìn)行顯著降低；葉片灰分含量全年最低為5月，從10月份開始顯著增加，至12月份達(dá)到最高。莖稈灰分含量略低于葉片，全年最低為10月，最高為7月，變化幅度不大。葉片中木質(zhì)素含量全年由高到低排列順序?yàn)?2月>11月>9月>10月>7月>8月>6月；莖稈中木質(zhì)素含量全年由高到低排列順序?yàn)?2月>11月>9月>7月>8月>10月>6月。10月份莖稈含水量低，灰分含量最低，熱值較高，結(jié)合產(chǎn)量和燃料品質(zhì)考慮其更適于直接燃燒，而9月份葉片則更加適于作為生物轉(zhuǎn)化的材料。

關(guān)鍵詞 斑茅；收獲時(shí)間；化學(xué)組分

中圖分類號(hào) Q949.94 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

當(dāng)前環(huán)境問題和糧食安全問題已經(jīng)成為國(guó)際性難題。糧食供給緊張，把糧食作物作為原料生產(chǎn)燃料乙醇或生物柴油均存在一定的弊端。此外，森林資源也需重點(diǎn)保護(hù)，不可過度開發(fā)利用。因此，在能源植物的開發(fā)方面，需加快篩選能利用非農(nóng)用地、抗逆性強(qiáng)、易于繁殖、成活率高、單位質(zhì)量產(chǎn)能高的能源植物。與木本植物相比，某些高大的多年生禾本科植物對(duì)環(huán)境要求低，種植成本低，再生能力強(qiáng)，是更加理想的能源植物[1-2]。目前對(duì)草本能源植物研究主要有2方面：一是對(duì)不同生物質(zhì)的化學(xué)成分的研究以及通過基因工程手段改變植物細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)；二是不同預(yù)處理以及發(fā)酵等降解轉(zhuǎn)化工藝的優(yōu)化。這2種做法均存在缺陷。通過上游基因工程手段改良能源植物，有可能對(duì)能源植物本身產(chǎn)生較大負(fù)面影響，影響其生長(zhǎng)發(fā)育和最終產(chǎn)量，而且一般只能改良單一的因素，對(duì)從整個(gè)細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)來把握其降解轉(zhuǎn)化效率效果不佳；通過下游改進(jìn)預(yù)處理方式，則由于能源植物的多樣性，種間差異性，很難研究出一種適合所有能源植物的預(yù)處理方法[1-4]。因此，挑選合適的能源植物品種和制定適宜的收獲計(jì)劃，可以有效提高其利用率，促進(jìn)能源植物的開發(fā)和利用。

斑茅（Erianthus arundinaceum）為禾本科蔗茅屬植物，在中國(guó)熱帶和亞熱帶地區(qū)廣泛分布，有較強(qiáng)的抗旱能力和生態(tài)競(jìng)爭(zhēng)能力。此外，斑茅纖維含量高，在生產(chǎn)燃料乙醇方面具有很大優(yōu)勢(shì)。在國(guó)外，斑茅因其高產(chǎn)、良好的抗蟲性及方便大規(guī)模管理，被認(rèn)為比象草和甘蔗更適于作為能源作物大面積推廣[5-7]。而國(guó)內(nèi)對(duì)將斑茅作為能源植物的研究才剛剛起步，主要集中在斑茅種質(zhì)資源的雜交利用和抗性研究、生理生化研究及遺傳動(dòng)態(tài)研究，鮮見關(guān)于將其作為優(yōu)良能源植物的報(bào)道[8-11]。因此，本研究通過研究斑茅（E. arundinaceum）生長(zhǎng)過程中的有機(jī)組分、灰分、熱值的構(gòu)成或變化情況，挑選其作為原料直接燃燒或作為酶解底物的最佳收獲季節(jié)及加工方式，做到物盡其用，最大程度降低生產(chǎn)成本。

1 材料與方法

1.1 材料

實(shí)驗(yàn)材料為斑茅（E. arundinaceum），2013年5月5日播種于廈門大學(xué)翔安校區(qū)生態(tài)園，地理位置為24°26′N，118°19′E，海拔23.69 m。當(dāng)?shù)貧夂驅(qū)儆趤啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，實(shí)驗(yàn)土壤為紅壤土。種植行距為35 cm，小區(qū)面積為30 m×30 m。播種后每隔一天灌溉一次，發(fā)芽后停止灌溉，試驗(yàn)期內(nèi)不施肥。

1.2 方法

每月25日采集一次樣品，齊地面刈割，將葉片和莖稈分開，分別測(cè)其生物量與含水量，取莖稈基部以上50 cm作為測(cè)試樣品，用剪刀剪成約5 cm 長(zhǎng)的小段；葉片按其長(zhǎng)度平均分為上、中、下3部分，取中部葉片，剪成5 cm左右的小段，于45 ℃烘箱烘干，粉碎處理后過篩備用。含水量測(cè)定用烘干法，灰分含量用干灰化法測(cè)定，干重?zé)嶂涤醚鯊検綗崃坑?jì)測(cè)定[12]，纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的含量測(cè)定參照了美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室[13]（National renewable energy laboratory， NREL）制訂的實(shí)驗(yàn)規(guī)程（Laboratory analytical procedure， LAP）。預(yù)處理方法參考Banerjee等[14]的實(shí)驗(yàn)方法， 酶解方法參考趙春橋[2]的實(shí)驗(yàn)方法。

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理和相關(guān)分析采用DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。

2 結(jié)果與分析

2.1 收獲時(shí)間對(duì)斑茅生物質(zhì)產(chǎn)量的影響

斑茅在整個(gè)生長(zhǎng)季節(jié)中生長(zhǎng)迅速（圖1），在拔節(jié)期生長(zhǎng)速度最大，達(dá)到4.2 cm/d，在開花期后期，生長(zhǎng)速度也達(dá)到4.6 cm/d，結(jié)實(shí)期以及枯黃期生長(zhǎng)逐步減慢直到停止生長(zhǎng)。隨著收獲時(shí)間的推移，斑茅各組分的產(chǎn)量和比例見圖2。從圖2中可以看出，斑茅的生物質(zhì)產(chǎn)量在枯黃期早期（11月）達(dá)到最高8.23 kg/m2，其后呈下降趨勢(shì)。其生物質(zhì)產(chǎn)量的組成也隨時(shí)間發(fā)生變化，拔節(jié)期（6月）開始后，莖葉比一直呈上升趨勢(shì)，直到枯黃期稍有回落。葉的生物量從展葉期到拔節(jié)期前期增長(zhǎng)緩慢，從拔節(jié)期中期開始，伴隨著葉片的迅速伸長(zhǎng)和分蘗數(shù)的增加，直至抽穗初期生物量比拔節(jié)期初期增加了8倍，而開花期中期（9月）葉的生物量達(dá)到了整個(gè)生育期最高值，比抽穗期中期（8月）翻了約1倍。莖生物量從拔節(jié)后期（7月）到抽穗期（8月）及從抽穗期到開花期中期（9月）均翻2倍增加，從開花期后期到結(jié)實(shí)期末期增長(zhǎng)幅度減小，僅增加了16.1%?？蔹S期（11月）后產(chǎn)量開始降低。整個(gè)生長(zhǎng)發(fā)育過程中莖葉生物量比呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，生長(zhǎng)節(jié)律呈現(xiàn)出“慢-快-慢”的增長(zhǎng)規(guī)律。

2.2 收獲時(shí)間對(duì)斑茅含水量的影響

由圖3可看出，展葉期植株含水量最大，在6～7月期間波動(dòng)不大，略有減少。隨著拔節(jié)期的繼續(xù)，含水量比7月減少了12.5%，從開花期后期（9月）開始到結(jié)實(shí)期中期含水量下降了16.7%，隨后含水量呈緩慢降低，直到枯黃期末期。通過比較可以看出，枯黃期含水量比開花期中期降低了約25.8%。整個(gè)生長(zhǎng)期間含水量差異顯著（p<0.01），開花期后期到枯黃期含水量差異不顯著。

2.3 不同時(shí)間斑茅不同部位灰分含量和熱值的變化

由表1可看出，生長(zhǎng)初期（6～9月），斑茅莖的灰分含量均高于葉。莖灰分含量范圍在5.0%～8.2%，平均值7.8%，葉灰分含量5.0%～7.0%，年平均值6.4%。葉片灰分含量變化趨勢(shì)為12月>11月>10月>6月>8月>9月>7月，莖稈灰分含量變化趨勢(shì)為7月>9月>11月>6月>8月>12月>10月。開花期（9月）后，葉的灰分含量顯著增加，從6.3%增加到19.7%，增加了2倍多；而莖灰分含量始終在5.0%上下浮動(dòng)。6～9月葉片灰分含量差異均不顯著（表2）；6月、7月、9月和11月間莖稈灰分含量差異不顯著，10月和12月間差異不顯著（表3）。

斑茅葉片熱值在整個(gè)生長(zhǎng)過程中基本都高于莖稈，只在結(jié)實(shí)期到枯黃期（11月）略低于莖稈。葉片的熱值為16.59～18.85 kJ/g，年平均值為17.60 kJ/g，全年最高值出現(xiàn)在10月，最低值在9月；莖稈的熱值為16.63～17.82 kJ/g，年平均值為17.21 kJ/g，全年最高值出現(xiàn)在8月，最低值也在9月。斑茅葉片單位面積熱值最高出現(xiàn)在10月（35.91 kJ/m2），其次為9月（35.79 kJ/m2）。莖稈單位面積熱值最高出現(xiàn)在11月（113.33 kJ/m2），其次為10月（98.10 kJ/m2）。

2.4 收獲時(shí)間對(duì)斑茅有機(jī)組分含量的影響

從表4中可知，不同收獲時(shí)期斑茅葉和莖的有機(jī)組分也不同。斑茅葉片纖維素含量差異不顯著；半纖維素含量在拔節(jié)期后期有所降低，結(jié)實(shí)期后又逐漸恢復(fù)；木質(zhì)素含量變化較大，整個(gè)生長(zhǎng)期內(nèi)由高到低為12月>11月>9月>10月>7月>8月>6月；6～10月木質(zhì)素含量差異不顯著（表5），11月和12月差異極顯著（p<0.01），12月木質(zhì)素含量是6月的1.69倍。

莖稈中纖維素含量隨收獲時(shí)間的推移呈梯度增長(zhǎng)趨勢(shì)，12月纖維素含量比6月增加了33.70%；半纖維素含量在9月即開花期前期達(dá)到最高（24.17%），至12月份即枯黃期時(shí)達(dá)到穩(wěn)定，維持在22.90%左右；木質(zhì)素含量在12月份達(dá)到31.27%，比6月增加了1.01倍，整體由高到低排列為12月>11月>9月>7月>8月>10月>6月。莖稈木質(zhì)素含量在7月、8月、10月間差異均不顯著（表6），其他時(shí)期則差異顯著（p<0.01）。

對(duì)比葉片和莖稈木質(zhì)素含量可知，整個(gè)生長(zhǎng)過程中葉片平均木質(zhì)素含量為19.85%，莖稈平均木質(zhì)素含量略高，為20.74%。

2.5 收獲時(shí)間對(duì)斑茅葉片和莖稈水解產(chǎn)還原糖的影響

由圖4可看出，從展葉期到枯黃期，莖稈和葉片的酶水解所得還原糖濃度均呈下降趨勢(shì)。葉片酶水解所得還原糖濃度由高到低為6月>9月>8月>10月>7月>11月>12月，莖稈為8月>6月>9月>10月>7月>12月>11月。莖稈酶水解所得的還原糖濃度在整個(gè)生長(zhǎng)期內(nèi)平均值為1.86 mg/mL，葉片為2.12 mg/mL，莖稈較低，這可能與其木質(zhì)化程度和木質(zhì)素的結(jié)構(gòu)有關(guān)。葉片酶水解后還原糖濃度在不同物候期間差異顯著，7月和10月差異不顯著；莖稈酶水解所得還原糖濃度在不同物候期間差異較顯著，11月和12月最低，兩者間差異不顯著。

3 討論與結(jié)論

隨著收獲時(shí)間的推移，斑茅的生物質(zhì)產(chǎn)量會(huì)減少，這與Shinners等[15]對(duì)玉米秸稈生物質(zhì)產(chǎn)量的研究結(jié)果一致。Hadders等[16]分析認(rèn)為，多年生草本能源植物生物產(chǎn)量降低的原因主要包括呼吸消耗、生物降解、淋洗作用以及機(jī)械損失等。本研究中12月生物質(zhì)產(chǎn)量降低可能是成熟期后斑茅含水量降低引起的。研究結(jié)果表明斑茅生長(zhǎng)后期生物質(zhì)含水量顯著降低，這對(duì)降低運(yùn)輸和干燥成本有重要意義。

莖稈木質(zhì)素和纖維素含量隨著收獲時(shí)間的推移也有明顯的提高，而灰分含量基本保持穩(wěn)定。葉片灰分11月份比7月份增加了近1.9倍，有研究表明生物質(zhì)燃燒發(fā)電時(shí)，灰分高會(huì)造成燒結(jié)、結(jié)塊、沉積、侵蝕和腐蝕等問題，并且灰分含量越高凈化難度越大[17]。而生物質(zhì)熱解氣化也要求生物質(zhì)產(chǎn)量高、含水量低、體積密度高、熱值高、揮發(fā)性物質(zhì)多及S和Cl含量低[17]。因此，10月份（生長(zhǎng)5個(gè)月）莖稈的燃料品質(zhì)是最佳的。

植物組分或器官干重?zé)嶂档牟町愔饕茏陨斫M成物質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能的影響，熱值隨季節(jié)的變化情況與植物的物候節(jié)律及其對(duì)環(huán)境因子變化的反應(yīng)有關(guān)[18]，其次還受光照強(qiáng)度、日照長(zhǎng)短、土壤類型和植物年齡等影響。高光效植物在其生長(zhǎng)旺盛時(shí)期可從根部吸收較多的礦質(zhì)元素，而礦物質(zhì)是灰分的主要成分，其熱值變化可能受植物體內(nèi)礦質(zhì)元素的含量和種類影響[19]。葉片灰分含量一般比莖稈高，可能是由于其礦質(zhì)元素含量相對(duì)較高，可見對(duì)于選育可燃性能源植物而言，莖葉比是一個(gè)較好的評(píng)價(jià)指標(biāo)，莖葉比值偏高時(shí)品質(zhì)較好，因此也可以通過某個(gè)時(shí)期的莖葉比值大小來確定最佳收獲時(shí)期。

本研究結(jié)果也顯示，不同時(shí)期斑茅不同部位木質(zhì)素含量不同，同一預(yù)處理方式下產(chǎn)糖量也不同。隨著木質(zhì)素總含量的降低，酶水解后還原糖濃度提高，一方面是由于木質(zhì)素結(jié)構(gòu)復(fù)雜，阻礙了酶解，另一方面可能在預(yù)處理過程中產(chǎn)生了毒副產(chǎn)物，影響酶解效果。Davison等[20]研究指出，改變木質(zhì)素含量和木質(zhì)素中單體S/G值有利于楊屬植物中木糖（五碳糖）的釋放。也有一些研究認(rèn)為，預(yù)處理后木質(zhì)素的剝離效果也與木質(zhì)素的組成相關(guān)，比如（S/G比）[21]。

在解決纖維素降解過程中的難題時(shí)，可以避開復(fù)雜而昂貴的預(yù)處理過程，從材料本身出發(fā)，選取植物木質(zhì)素含量和結(jié)構(gòu)相對(duì)易于處理的生長(zhǎng)階段，直接降低成本。綜合來看，10月份莖稈含水量低，灰分含量最低，單位面積熱值較高，結(jié)合產(chǎn)量和燃料品質(zhì)考慮其更適于用作燃料。9月（生長(zhǎng)4個(gè)月）的斑茅葉片生物量積累較高，經(jīng)過預(yù)處理后，酶水解所得的還原糖濃度較高，更適于作為降解的底物。

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責(zé)任編輯：林海妹