7種能源草在酸性紅壤中的性狀比較及適應性評價

侯維,肖亮,易自力*,覃靜萍,楊塞,鄭鋮，陳智勇

(1.湖南農業(yè)大學生物科學技術學院，湖南 長沙 410128；2.湖南農業(yè)大學芒屬植物研究所，湖南 長沙 410128；3.湖南農業(yè)大學生物質醇類燃料湖南省工程實驗室，湖南 長沙 410128)

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7種能源草在酸性紅壤中的性狀比較及適應性評價

侯維1,肖亮2,3,易自力1*,覃靜萍1,楊塞1,鄭鋮1，陳智勇1

(1.湖南農業(yè)大學生物科學技術學院，湖南 長沙 410128；2.湖南農業(yè)大學芒屬植物研究所，湖南 長沙 410128；3.湖南農業(yè)大學生物質醇類燃料湖南省工程實驗室，湖南 長沙 410128)

本研究比較了7種能源草在酸性紅壤中物候期、越冬率、農藝性狀和化學成分等20個性狀，并利用其中與適應性相關的12個性狀來綜合評價不同能源草在酸性紅壤中的適應性。結果表明，1)7種能源草中除狼尾草以外其余各品種均能完成生育期，且都能在酸性紅壤上生長良好；2)7種能源草的7個主要農藝性狀和5個化學成分均有顯著差異(P<0.05)。其中五節(jié)芒、湘雜芒、柳枝稷的干物質產量較高，單株分別達到5385.24,4846.09和4566.83 g，而斑茅、奇崗和湘雜芒的纖維素含量較高，分別達46.13%，45.38%和45.16%；3)對12個數(shù)量性狀進行主成分分析，得到累計貢獻率為92.626%的4個主成分因子，說明前4個主成分代表了主要的遺傳信息；4)利用主成分線性模型綜合評價7種能源草的適應性，排序結果如下：湘雜芒>五節(jié)芒>狼尾草>斑茅>柳枝稷>奇崗>荻。本研究結果可為我國南方酸性紅壤邊際性土地的開發(fā)與利用提供理論依據。

能源草；酸性紅壤；邊際土地；適應性

目前，我國已是世界第一大CO2排放國、第二大石油消費國和第三大石油進口國[1]，發(fā)展包括生物質能源在內的可再生清潔能源已迫在眉睫，且具重大戰(zhàn)略意義。因此，選育生長迅速、生物質產量高、抗逆性強、適應性廣的能源植物，已成為世界各國關注的焦點和研究的熱點。

由于我國的人均耕地面積遠低于世界平均水平，發(fā)展能源植物不能“與人爭糧、與糧爭地”，只能利用邊際土地。我國邊際土地資源豐富[2-4]，現(xiàn)有可開發(fā)的邊際土地面積近 8.3×107hm2，占全國土地面積的9.3%，這些土地不宜進行傳統(tǒng)農作物的耕作，卻可以種植某些適應性強、抗逆性強的能源作物[5]。因此，利用邊際土地種植適應性強的能源植物是我國發(fā)展生物質能源的必由之路。

針對不同類型邊際土地的特點，選育與之相適應的能源植物資源是我國能源植物開發(fā)的基本策略。我國南方紅壤區(qū)處于高溫多雨的亞熱帶氣候，土壤風化強度大，土壤有機質礦化分解快，土壤有機質含量虧缺；質地粘，酸性強；降雨量大，養(yǎng)分易流失、含量少；土壤粘重板結；透水保水性和透氣性差。加之土壤陽離子交換量低，養(yǎng)分吸附性、緩沖性差，給作物生長帶來嚴重影響。據統(tǒng)計，我國南方紅壤區(qū)面積218×104hm2，約占國土面積的22.7%。紅壤大多分布在山區(qū)、半山區(qū)的緩坡地上，長期以來不合理利用土地，造成水土流失嚴重，土壤有機質和養(yǎng)分虧缺，土壤生物質量退化，嚴重的地方已有“紅色荒漠”之稱。針對這一類型邊際土地而開展的能源植物適應性研究，目前還未見報道。另外，目前全世界已推出的能源植物有47種之多[6]，按照其生物質成分可分為糖類、淀粉類、纖維類、油脂類、烴類等五大類能源植物。草本植物能充分滿足生物液體燃料的生產對原料均一性、品質穩(wěn)定性、供應持續(xù)性、纖維含量及結構的嚴格要求，而且草本植物在種植、管理、收獲、運輸、貯藏、預處理及加工等方面可實現(xiàn)機械化操作，生產成本低，因此開發(fā)利用地球上最豐富、最廉價的多年生高產草本纖維能源植物資源，無疑是人類的首選[7-10]。目前，歐美推出的草本能源植物主要有天然雜交三倍體芒草奇崗(Miscanthus×giganteus)[8]和美國本土植物柳枝稷(Panicumvirgatum)[10]，而國內則新推出了幾種芒屬植物，如五節(jié)芒(Miscanthusfloridulus)[9]、荻(Miscanthussacchariflora)[10-11]、湘雜芒(Miscanthuslutarioriparia×sinensis)[12]和狼尾草屬(Pennisetum)的代表種狼尾草(P.purpureum)[13-14]以及甘蔗屬(Saccharum)的斑茅(S.arundinaceum)[15]等。但有關這些草本能源植物的對比性研究卻鮮有報道。因此，本研究特選取7種代表性的能源草，開展其對南方酸性紅壤的適應性綜合分析，旨在篩選出適應性強、生物量高、木質纖維素含量高的能源草種類，為我國南方酸性紅壤邊際土地的開發(fā)與利用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1試驗材料

供試的7種能源草均取自湖南農業(yè)大學芒屬能源植物種質資源圃，具體信息見表1。

表1 供試材料名稱及其來源Table 1 Variety name and source of trial material

1.2試驗地情況

試驗地設在湖南農業(yè)大學瀏陽試驗基地，地處東經113°10′、北緯27°51′，屬中亞熱帶季風濕潤氣候，年平均氣溫17.4℃，無霜期232 d，年平均降雨量1529 mm，年平均日照1534.7 h，土壤類型為紅壤，土壤肥力質量為：有機質5.19 g/kg，堿解氮30.63 mg/kg，速效磷2.69 mg/kg，速效鉀90.77 mg/kg，pH 5.12，呈酸性至微酸性反應，土壤貧瘠。

1.3試驗設計

本實驗以經典能源植物柳枝稷[16-17]作為對照，試驗方案采用完全隨機區(qū)組設計，每種材料4個重復，共28個小區(qū)，每個小區(qū)定植30株參試材料均采用穴植，每穴植入根狀莖2～3顆，每顆根狀莖帶有3～5個芽頭，株行距1 m×1 m。2011年4月初種植，僅在定植初期澆水定根，全生育期不施農藥化肥，田間定期進行人工除雜。于種植后第2年開始對7種供試品種各性狀指標進行為期2年的觀測。數(shù)量性狀數(shù)據為2012和2013年連續(xù)2年平均值。

1.4觀測指標及方法

觀測指標包括7個物候期指標、越冬情況統(tǒng)計、7個農藝性狀和5個化學成分指標。

1.4.1物候期觀測及越冬情況統(tǒng)計 物候期和越冬率均采用目測法觀測。隨機選取各能源草株叢，分別記數(shù)5次，超過20%的植株進入某一生育期的日期為始期，超過80%進入某一生育期的日期為盛期。超過50%的植株達到某一生育期時記載為該能源草生育期。分別記錄返青期、分蘗期、孕穗期、開花期、成熟期、枯黃期、生育期。計算出苗至種子成熟的天數(shù)。在能源草成熟前期，分別觀測各品種的存活率，次年返青后計算越冬率，越冬率=(次年返青植株數(shù)/越冬前植株數(shù))×100%[18]。

1.4.2農藝性狀 1)株高：成熟期每小區(qū)隨機測定10株植株的拉直高度，計算平均高度(cm)。2)分蘗數(shù)：成熟期每個小區(qū)每個重復隨機抽10株數(shù)其分蘗數(shù)，計算平均值(No.)。 3)莖粗：成熟期每小區(qū)用游標卡尺隨機測定10株植株基部到頂部中間處直徑，計算平均值(mm)。4)單叢干重：成熟期在各小區(qū)內隨機選取10株單株，齊地面刈割后，65℃烘干至恒重稱量其干質量計算平均值后按照該株分蘗數(shù)計算其單叢干重，計算平均值(g)。5)莖葉比：成熟期在各小區(qū)內隨機選取10株，齊地面剪下，迅速分出莖(Sg)、葉(Lg)各部，分別稱其鮮重計算莖葉比，莖葉比=1∶Lg/Sg。6)干物質含量：成熟期在各小區(qū)內隨機選取10株，齊地面刈割后，迅速稱量其鮮質量，然后65℃烘干至恒重稱量其干質量，干物質含量=(干質量/ 鮮質量)×100%。7)株幅：成熟期在各小區(qū)內隨機選取10株，把分蘗全部用繩子綁緊測量其周長(cm)。

1.4.3化學成分 采用范氏(Van Soest)洗滌纖維分析法[19]測定纖維素、半纖維素、木質素含量，采用干灰化法[20]測定灰分含量和結合水含量。

1.4.4主成分分析 對7種能源草的生物質化學成分指標及不同表型性狀進行主成分分析：選取反映其綜合特性的12個指標：含水量、纖維素含量、半纖維素含量、木質素含量、灰分、株高、分蘗數(shù)、株幅、莖粗、干重、莖葉比、干物質成分[21]。

1.5數(shù)據處理與分析

采用Excel 2007軟件進行原始數(shù)據的整理和統(tǒng)計，采用SPSS 18.0軟件進行表型性狀的主成分分析。以每個主成分對應的特征值占所提取主成分總的特征值之和的比例作為權重，計算得到主成分的綜合線性模型。

2 結果與分析

2.17種能源草物候期及越冬率比較

通過對7種能源草為期2年的物候期觀察，發(fā)現(xiàn)7種能源草在供試基地的生育期不完全一致，從3月上旬到4月中旬各種能源草相繼返青。參試7種能源草的開花期、成熟期和枯黃期相差較大，其中，五節(jié)芒開花最早在6月上旬，7月中旬已經成熟，枯黃期則晚到12月中旬。柳枝稷于7月中旬開花，9月上中旬成熟，10月中下旬枯黃。湘雜芒的開花期相對較晚，10月中旬開花，11月初成熟，12月上旬才枯黃。供試的7種能源草中，斑茅全生育期最長，2012年為235 d，2013年為239 d，五節(jié)芒和奇崗生育期相對較短，2012年分別為128和152 d，2013年分別為127和149 d。

7種能源草中，狼尾草從返青到枯黃的過程中不開花，且在供試基地上越冬率僅為35%，說明狼尾草的越冬能力差，不適合在湖南及以北的地區(qū)種植(表2)。

表2 7種能源草的物候期比較Table 2 Growth period of seven kinds of energy grasses

2.2不同能源草農藝性狀比較

供試7種能源草中，柳枝稷是最早被歐美認可的第一代能源草[22]。本次供試的能源草各種農藝性狀與柳枝稷相比均有顯著差異(P<0.05)。在株高方面，湘雜芒、狼尾草及荻與柳枝稷相比，存在顯著差異(P<0.05)，其中狼尾草植株最高，為391.67 cm，比柳枝稷高78.34 cm，荻最低，為185.33 cm。而奇崗、五節(jié)芒和斑茅在株高上與柳枝稷無顯著差異(P>0.05)；在干物質產量方面，狼尾草及奇崗與柳枝稷存在顯著差異(P<0.05)，湘雜芒、五節(jié)芒及斑茅與柳枝稷無顯著差異(P>0.05)，狼尾草產量最高，達到7984.55 g/m2，荻產量最低，為992.64 g/m2；在莖粗方面，狼尾草莖稈最粗，為27.28 mm，其次是斑茅、五節(jié)芒、湘雜芒，均比柳枝稷粗；在莖葉比方面，五節(jié)芒、斑茅與柳枝稷存在顯著差異(P<0.05)，荻、奇崗、狼尾草及湘雜芒與柳枝稷均無顯著差異(P>0.05)，其中狼尾草比值最高，為5.53，五節(jié)芒最小，為0.92；在干物質含量方面，湘雜芒、狼尾草、荻與柳枝稷存在顯著差異(P<0.05)，荻干物質含量最高，為57.93%，狼尾草由于自身含水量較高，所以干物質含量相對最低，僅21.99%(表3)。

2.37種不同能源草化學成分比較

用范氏(Van Soest)洗滌纖維分析法、干燥法、灰化法測定了7種能源草的莖稈化學成分含量(表4)。結果顯示，7種能源草各項化學成分指標均存在明顯的差異。在植物細胞結合水含水量方面，斑茅含量最高，為7.24%，狼尾草、荻及五節(jié)芒均顯著高于對照柳枝稷(P<0.05)；在纖維素方面，斑茅含量最高，為46.13%，狼尾草含量最低，為37.04%，奇崗、狼尾草、湘雜芒、五節(jié)芒及斑茅與柳枝稷存在顯著差異(P<0.05)；半纖維素方面，荻、奇崗、湘雜芒及五節(jié)芒與柳枝稷存在顯著差異(P<0.05)，五節(jié)芒含量最高，為30.50%，奇崗最低，為21.71%；木質素方面，供試能源草與柳枝稷均存在顯著差異(P<0.05)，木質素含量從高到低分別是：湘雜芒>柳枝稷 >奇崗 >斑茅 >五節(jié)芒 >荻 >狼尾草；灰分方面，五節(jié)芒、斑茅、荻的灰分含量均高于柳枝稷且存在顯著差異(P<0.05)。五節(jié)芒灰分含量最高，為8.69%，狼尾草灰分含量最低，僅4.29%。

2.47種能源草性狀主成分分析

將選取反映其綜合特性的12個指標，依次定義為自變量X1～X12，對其作主成分分析(表5)。結果顯示，前4個主成分累積貢獻率達到92.626%，基本代表了原始因子的絕大部分遺傳信息。其中，主成分1的累積貢獻率為40.094%，纖維素、木質素、灰分、分蘗數(shù)和干物質成分對其影響很大，反映了各能源草的化學成分特征，因此稱主成分1為化學成分因子。主成分2的貢獻率為26.908%，載荷較大的因子是含水量、灰分和株幅，分別為0.826，0.802和0.653。主成分3的貢獻率為15.104%，株幅、纖維素和木質素載荷數(shù)較大，能源草木質素、纖維素的含量以及株幅通常與植株株型相關，因此可稱其為株型因子。主成分4的貢獻率為10.520%，半纖維素、株高和干重載荷數(shù)較大，反映了能源草化學成分與產量之間的關系，可稱其為產量因子。

表3 7種能源草農藝性狀比較Table 3 The phenotypic traits of seven energy grasses

注：同列不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)，下同。

Note:Different lowercase letters in the same column mean significant differences at 0.05 level, the same below.

表4 7種能源草生物質化學成分測定值統(tǒng)計結果Table 4 Statistical data of biomass chemical compositions of seven kinds of energy grasses %

2.57種能源草的適應性評價

利用主成分分析可以消除各類不同指標的權重差別，以達到合理評價不同能源草適應性的目的[23]。采用SPSS 18.0軟件計算前4個主成分的表達式，分別獲得各主成分與12個指標的線性組合，其中主成分1的表達式為：F1=-0.1368zX1+0.3210zX2+0.1587zX3+0.2567zX4+0.2348zX5-0.3159zX6+0.2480zX7+0.0278zX8-0.4500zX9-0.3862zX10-0.2430zX11+0.3994zX12(zXi為各性狀Xi標準化后的數(shù)據)，其余3個主成分的線性組合公式以此類推。以每個主成分對應的特征值占所提取主成分總的特征值之和的比例作為權重，計算得到主成分的綜合線性模型為：F′=4.8113F1+3.2290F2+1.8125F3+1.2623F4。

參考4個主成分的線性組合公式及綜合得分模型，計算得出7種能源草各主成分得分和綜合排名(表6)，7種能源草按綜合得分高低的排名順序依次為：湘雜芒>五節(jié)芒>狼尾草>斑茅>奇崗>柳枝稷>荻。

表5 7種能源草不同性狀的主成分分析Table 5 Principal components analysis of the different traits of seven energy grasses

X1：含水量 Total moisture content;X2：纖維素Cellulose;X3：半纖維素Hemicellulose;X4：木質素 Acid detergent lignin;X5：灰分 Total ash content;X6：株高Height;X7：分蘗數(shù)Stem number;X8：株幅Plant width;X9：莖粗Diameter of stem;X10：干重Dry weight;X11：莖葉比Stem/leaf;X12：干物質成分Dry matter content.

表6 7種能源草不同性狀主成分適應性得分及綜合得分Table 6 Principal component score and general score of adaptability in the different characters of seven bioenergy grasses

3 討論與結論

本試驗所采用的對照材料柳枝稷[16-17]是美國本土最具有前景的能源植物之一，其生物質產量較高，同時耐貧瘠與多年生的特性減少了管理強度和投入[24]。近年來，研究者們對其進行了比較系統(tǒng)的研究[16]。本研究所測柳枝稷的產量及相關農藝性狀指標均與國外的報道相似[17]。

物候期是評價物種適應性的重要指標之一，相關研究表明，植物的物候期除土壤類型外主要取決于積溫[25]，且持續(xù)時間與活動積溫呈顯著正相關性[26]。本研究結果顯示，參試的幾種能源草的生育期各不相同，最早的五節(jié)芒為127 d左右，供試品種狼尾草由于品種差異于瀏陽試驗基地不開花。說明不同的能源草對積溫的要求不同。因此，在今后的推廣中要考慮能源草在當?shù)氐臍夂蜻m應性問題；能源植物干物質成分含量越高，其可利用價值越高，各種能源草在株高、莖粗、干重等表型性狀上均有著明顯的差異，能源草的莖葉比高則利于機器收割。湘雜芒、五節(jié)芒、荻、奇崗以及柳枝稷干物質成分含量較高，說明其具有較高的利用價值。湘雜芒和斑茅干物質產量顯著高于對照柳枝稷。湘雜芒株高、莖粗與柳枝稷也存在顯著差異，各品種的莖葉比均較高，狼尾草比值最高，所以供試能源草均適合產業(yè)化種植。

生產清潔生物質能利用的主要是纖維素和半纖維素。綜纖維素(纖維素+半纖維素)含量高，木質素、灰分含量低的能源植物品質最佳[27]。前人的研究結果表明，能源植物整株的綜纖維素含量為50%～70%，灰分含量一般小于15%，將綜纖維素含量劃分為高(>65%)、中(60%～64%)、低(55%～59%)、很低(<55%)4類。本研究結果顯示，湘雜芒、荻、五節(jié)芒、斑茅及奇崗的綜纖維含量均高于柳枝稷，其中湘雜芒含量最高，為72.61%，荻、奇崗、湘雜芒、五節(jié)芒及斑茅的綜纖維素含量均大于65%，屬于高纖維素含量品種?；曳质侵参锶紵笮纬墒Ｏ碌墓腆w殘渣，對燃燒過程有一定影響?；曳趾窟^高，將會降低燃燒溫度[24]。同時灰分對轉化過程存在不利影響，因此，灰分的含量越低，該植物的品質越高[28]?；曳值膭澐挚梢苑譃楦?>12%)、中(8%～12%)、低(4%～7%)、很低(<4%)4類[29-30]。本研究結果顯示，狼尾草、柳枝稷、奇崗、湘雜芒的灰分含量在4%～7%之間，屬于低灰分植物，而荻、斑茅及五節(jié)芒的灰分含量在7%～12%之間，屬中灰分植物。木質素的含量越高，纖維素的聚合度也隨之越高，水解也就越難以進行[24]。7種能源草除湘雜芒，供試的其他5種能源草的木質素含量均低于柳枝稷。所以，供試的各能源草均屬較好的纖維能源植物。

為了能夠較為直觀地判斷各品種適應性的強弱，本研究對主成分及綜合得分進行了分析，通過計算各品種的主成分分值，來權衡每個性狀在某個品種中所處的位置和分量，從而進一步了解各品種在當?shù)氐倪m應性[23]。各品種綜合得分與其適應性呈正相關，得分越高，其適應性越好。結果表明，湘雜芒綜合得分最高，說明其在酸性紅壤上適應性相對最好，荻綜合得分最低，說明荻種植于酸性紅壤適應性相對最差。

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Evaluation of the adaptability of bioenergy grasses in acidic red soil

HOU Wei1, XIAO Liang2,3, YI Zi-Li1*, QIN Jing-Ping1, YANG Sai1, ZHENG Cheng1, CHEN Zhi-Yong1

1.CollegeofBioscienceandBiotechnology,HunanAgriculturalUniversity,Changsha410128,China; 2.MiscanthusInstitute,HunanAgriculturalUniversity,Changsha410128,China; 3.BiomassAlcoholFuelinHunanEngineeringLaboratory,HunanAgriculturalUniversity,Changsha410128,China

Seven grass species grown as bioenergy crops were compared using 20 traits including phenological period, winter survival rate, agronomic traits and chemical composition.The results showed that, with the exception ofPennisetumpurpureum, all grasses could complete their growth period and grow well in acidic red soil.There were significant differences among the grasses for seven agronomic characters and five chemical composition traits.Miscanthusfloridulus,M.lutarioriparia×sinensisandPanicumvirgatumhad higher dry matter yield than other species; 5385.24, 4846.09 and 4566.83 g respectively.Cellulose contents ofSaccharumarundinaceu,Miscanthus×giganteusandM.lutarioriparia×sinensiswere 46.13%, 45.38% and 45.16% respectively, significantly higher than other species.Principal component analysis of twelve quantitative traits revealed that the cumulative contribution rate of four principal component factors accounted for was 92.626% of variation.This indicated thatM.lutarioriparia×sinensiswas the most adaptable species followed byM.floridulus,P.purpureum,S.arundinaceum,P.virgatum,Miscanthus×giganteusandM.sacchariflora.The results of this study will provide a theoretical basis for the development and utilization of acidic red soil in southern China.

energy grass; acid red soil; marginal land; adaptability

10.11686/cyxb2015005

http://cyxb.lzu.edu.cn

2015-01-05；改回日期：2015-02-11

“十二五”農村領域國家科技計劃課題(2013BAD22B02)資助。

侯維(1987-)，男，湖南安仁人，在讀碩士。E-mail：houweichangsha@163.com

*通信作者Corresponding author.E-mail：yizili889@163.com

侯維, 肖亮, 易自力, 覃靜萍, 楊塞, 鄭鋮, 陳智勇.7種能源草在酸性紅壤中的性狀比較及適應性評價.草業(yè)學報, 2015, 24(12):237-244.

HOU Wei, XIAO Liang, YI Zi-Li, QIN Jing-Ping, YANG Sai, ZHENG Cheng, CHEN Zhi-Yong.Evaluation of the adaptability of bioenergy grasses in acidic red soil.Acta Prataculturae Sinica, 2015, 24(12):237-244.