五节芒生物学特性及能量生产动态变化

陈慧娟，宁祖林，张卓文

（1.武汉长绿世纪园林景观工程有限公司，湖北 武汉430019；2.中国科学院华南植物园，广东 广州510650；3.中国科学院武汉植物园，湖北 武汉430074；4.华中农业大学园艺园林学院，湖北 武汉430070）

＊芒属（Miscanthus）植物俗称芒草，属禾本科（Gramineae）多年生高大禾草，被多数欧盟国家认为最具发展潜力的能源植物［1，2］。其作为能源植物的最大优势是具有巨大的生物产量，即产能效率高。植物能量生产的另一个重要方面就是植物热值，它反映了绿色植物在光合作用中固定太阳辐射能的能力，是衡量植物燃烧性能的一个指标，也是评价能源植物利用价值的重要指标［3－9］。芒草植物能量高、灰分含量低、抗性强、耐瘠薄土壤，适合荒山坡地种植，不占用耕地；这类禾草不仅可以通过直接燃烧来生产热能或电能，也可以通过固化、汽化和液化等手段转化成相应的能源产品，更重要的是在生产和利用上能产生重要生态效益，因而作为生物质能源而受到世界范围内的广泛关注［2－4，10－15］。而我国是芒草植物资源的分布中心，其资源丰富，是南方山区的一类优势群落物种，应予重视和加强芒草植物资源的研究和开发利用工作。

五节芒（Miscanthusfloridulus）为禾本科芒属的一种，为多年生C4草本植物，分布广泛、资源丰富、产量高、适应性强，是一种生态效益和经济效益兼备的植物资源。前人对其生态－生物学特性、饲用价值及茎芽繁殖特性等方面做了一定的研究工作［16－18］，但以能源开发为目的的相关研究报道比较少。本研究对五节芒生物质特性相关的生物学特性及其能量动态变化进行了探讨，旨在为五节芒作为生物质能源的评价及开发利用提供基础资料。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验材料为2～5年生五节芒，试验样地设在武汉植物园西岗引种过渡圃院墙外侧（N 30°32′，E 114°24′，海拔46 m）。试验地土壤p H 5.64，有机质1.92%，全氮0.88 g／kg，全磷0.53 g／kg，全钾15.1 g／kg，速效磷5.5 mg／kg，速效钾52.33 mg／kg。

1.2 试验设计及方法

试验地分为刈割区和非刈割区，在非刈割区随机选取15丛五年生五节芒，定期观测物候和萌蘖情况；每丛选取5个生长情况基本一致的芽挂牌，在收获期测量所挂牌的分蘖枝高度、地径、秆叶重等指标。在刈割区内，用2 m×2 m的样方框随机选择有代表性的三年生五节芒测定地上生物量，分别于2007－2008年6，7，8，9和12月测定株丛高度、地上生物量（鲜、干重）；每次测产均齐地面刈割，3次重复。

种子成熟时采收，在实验室风干去除杂质于室内通风处储存。利用光照培养箱，在恒温26℃光照和黑暗条件下进行发芽实验，每处理（4×25）粒种子，3次重复；以胚根出现时为种子萌发开始，连续5 d不发芽时为发芽实验终止时间。

每月从刈割区和非刈割区采集样品，样品经80℃烘干，粉碎处理后过筛贮存备用；另取小样于105℃烘干至恒重，求含水量。采用长沙仪器厂生产的 WGR－1型微电脑氧弹式热量计测定其干重热值（gross caloric value，GCV），3次重复，重复间误差控制在±0.2 kJ／g，测定环境控温在20℃左右。

灰分含量（ash content）测定采用干灰化法，即样品在马福炉550℃下灰化5 h后测定其灰分含量。然后计算样品的去灰分热值和能量生产效果，计算方法为：

2 结果与分析

2.1 五节芒生物学特性

2.1.1 生长发育节律 五节芒物候期可分为展叶期（2月26日－4月9日）、拔节期（4月10日－5月31日）、抽穗期（5月18日－6月20日）、开花期（6月9日－7月1日）、结实期（6月28日－8月11日）、枯黄期（8月12日－12月9日）共6个生长发育阶段（图1）。在整个生长过程中展叶期生长缓慢，日均增长为1.21 cm，株高绝对生长量为48.52 cm；拔节期逐步加速，日均增长为2.12 cm，到抽穗开花期生长速度较快，日增长达2.52 cm；而到结实期生长速度开始下降，并逐步停止生长（表1）。

表1 五节芒生长发育节律Table 1 Growth and development rhythm of M.floridulus

2.1.2 生物产量的季节变化 2008年对试验地三年生五节芒株丛从孕穗期至枯黄期进行生物产量测定，其结果（表2）表明，三年生五节芒在整个生长季节内生长迅速，干物质积累相当快，其鲜重最高峰出现在结实后的营养积累阶段。另外从调查观测中发现，开花期生殖枝占总茎枝的比例低，结实期后营养枝继续生长，而此时正处于秋季分蘖时期，此时萌发出较多新蘖，光合效率仍然很高，使株丛继续积累生物产量。

茎叶比与株丛高度的关系，有助于选定最佳刈割时期，以获取较多预期的生物产量。对3年生五节芒按照株丛不同高度测定茎叶比，其结果（表3）表明，从118.1到201.0 cm高度梯度变化过程中，其茎叶比值逐步变大，即叶的比重变小，茎秆比重增大。植株高度与叶鲜重没有相关性，而与秆鲜重存在极显著相关性；叶鲜重与秆鲜重存在相关性（表4）。

2.1.3 种子萌发特性 种子萌发试验结果（表5）表明，26℃恒温时，在黑暗条件下，五节芒种子发芽率较高。五节芒种子千粒重小（0.215 4 g），种子具有羽毛状附属物，能随风扩散；从种子萌发情况来看，在自然条件下，其种群应以种子繁殖为主。

图1 五节芒植株株高生长Fig.1 Plant height changes of M.floridulus

表2 3年生五节芒生产性状的季节变化Table 2 Seasonal changes in production traits of 3－year－old M.floridulus

表3 3年生五节芒株丛高度与茎叶比的关系Table 3 Relationship between the height and the ratio of stem to leaf of 3－year－old M.floridulus

2.2 能量生产的季节动态变化

2.2.1 五节芒干重热值的月变化 2007－2008年，对五节芒茎秆和叶的热值进行了测定，其结果（图2）表明，茎秆、叶热值具有明显的季节性变化趋势；叶干重热值16.59～18.40 kJ／g，4和10月较大，3和9月较小；茎秆干重热值在7－12月逐渐下降，翌年4－6月逐步增加。不同器官年均干重热值为：果穗（18.27 kJ／g）＞茎秆（17.76 kJ／g）＞叶（17.44 kJ／g）。

2.2.2 五节芒灰分含量的月变化 2007－2008年对五节芒灰分含量进行测定，其结果（图3）表明：五节芒叶、茎灰分含量存在差异，且月变化趋势各不相同；叶的灰分含量在9月份最高，4月份最低；茎的灰分含量在7月份最低，4月份最高，在2007年7月到2008年2月波动比较小。

五节芒叶灰分含量在5.32%～10.62%，茎秆灰分含量在1.25%～8.06%；一年中，除4月份五节芒茎的灰分含量高于叶，其余月份茎灰分含量明显小于叶，而且比较稳定。不同器官年均灰分含量为：叶（7.03%）＞果穗（3.44%）＞茎秆（2.55%）。

表4 3年生五节芒株丛高度与茎、叶鲜重相关性Table 4 Correlation of height，fresh stem weight and fresh leave weight of 3－year－old M.floridulus

表5 五节芒种子萌发试验Table 5 Seed germination experiment of M.floridulus

2.2.3 五节芒干重热值和灰分含量的相关性分析 五节芒叶的干重热值与灰分含量具有显著的线性负相关关系（P＜0.05），茎的干重热值和灰分含量具有极显著的线性负相关关系（P＜0.01）。说明灰分含量的变化对五节芒干重热值的变化有一定的影响（表6）。

图2 五节芒干重热值的月变化Fig.2 Monthly changes of caloric values for M.floridulus

图3 五节芒灰分含量的月变化Fig.3 Monthly changes of ash contents for M.floridulus

2.2.4 五节芒能量生产效果的季节变化 能量现存量等于热值和生物量的乘积，五节芒地上部分能量现存量的季节动态取决于地上部生物量和热值的季节变化。根据五年生五节芒地上部分不同季节能量测定结果（图4），五节芒地上部能量现存量的季节变化呈单峰曲线，峰值出现在8月下旬，6月初－8月下旬随着时间的进展而逐渐增加，8月份后逐渐下降。地上部分能量现存量的季节变化，主要受地上部生物量的影响，其变化规律基本与地上部生物量的变化相一致，热值的变化对其影响程度较小。

表6 五节芒各器官中干重热值与灰分含量的关系Table 6 Relationships between gross caloric values and ash contents of M.floridulus

图4 五节芒能量现存量、热值和生物量与时间的变化Fig.4 Dynamics of existent energy value，caloric value and biomass of M.floridulus

3 讨论

从五节芒不同生长发育阶段生长速度来看，拔节期和抽穗期生长速度较快，此时适当增加肥水管理有利于提高其生物产量。以前的研究认为［19，20］，五节芒以分蔸、茎芽繁殖为主要繁殖方式，种子繁殖较困难。从种子萌发试验情况来看，26℃恒温时，在光照条件下，种子发芽率都能达到60%左右；在黑暗条件下，发芽率为70%左右，而在室内散射光条件下发芽率稍微偏高，这与萧运峰等［10］研究认为室内散射光条件下种子不萌发的结果不相符；可能在观察的过程中，人为增加了间断性光照，可见在间断光照条件下更有利于种子萌发，具体情况有待于进一步研究证明。从果穗发育情况来看，果穗中存在许多空壳，而果穗结实率高，可育种子数量相对较多；野外调查过程中也发现了许多实生苗，种子具有羽毛状附属物，可随风扩散，可见自然条件下五节芒应以种子繁殖扩散为主，规模化种植利用时应以种子繁殖更为经济有效。

禾草类能源植物作为生物质能开发利用的最大优势是其生物产量高。五节芒能量动态的研究结果表明地上部分能量现存量的动态变化呈单峰曲线，与地上部生物量的变化趋势一致，热值的变化对其影响较小。郭继勋和王若丹［7］对羊草（Leymuschinensis）热值和能量特征的研究，李萍萍等［17］对镇江滨江湿地优势植物芦苇（Phragmitescommunis）和草芦（Phalarisarundinacea）的研究都反应地上部分能量现存量与生物量的变化相一致，热值的变化对其影响较小。因此，生物量可以作为生物质能评价的一个重要指标。

从五节芒茎、叶的热值和灰分的相关性分析来看（表5），热值和灰分含量存在显著的负相关性，说明灰分含量对热值存在一定的影响，这与其他种类植物热值和灰分的变化规律一致。林益明等［21］对8种棕榈植物的研究也有类似的结果。植物组分或器官干重热值的差异主要是受自身组成物质、结构和功能的影响；热值随季节的变化与植物的物候节律及对环境因子变化的反应有关［22］；其次，还受光照强度、日照长短和土壤类型和植物年龄影响［21］；另外，热值与植物体内碳、Na＋、Mg2＋、Cl－含量存在相关性［23］。五节芒属C4高光效植物，在其生长旺盛时期可能从根部吸收较多的矿物元素，而矿物质是灰分的主要成分，其热值变化可能受其植物体内矿物元素的含量和种类有关；同时，五节芒是广布种，其热值可能会与气候因子影响比较大，不同地方种源的热值或许会存在明显差异。

普遍认为［22－28］，叶片灰分含量一般比茎秆高，所含矿质元素含量也相应较高。因此，对于筛选培育可燃性能源植物而言，茎叶比是一个较好的评价指标，茎叶比值偏高时，品质较好。因此，可以通过某个时期的茎叶比值大小来确定最佳收获时期。

［1］ 刘亮.中国植物志［M］.北京：科学出版社，1977：19－26.

［2］ 解新明，周峰，赵燕慧，等.多年生能源禾草的产能和生态效益［J］.生态学报，2008，28（5）：2329－2342.

［3］ 鲍雅静，李政海，韩兴国，等.植物热值及其生物生态学属性［J］.生态学报，2006，25（9）：1095－1103.

［4］ 魏胜文，陈先江，张岩，等.能值方法与存在问题分析［J］.草业学报，2011，20（2）：247－277.

［5］ 陈慧娟，张卓文，宁祖林，等.施肥对五节芒热值和表型性状的影响［J］.草业科学，2009，26（8）：63－67.

［6］ 宁祖林，陈慧娟，张卓文，等.几种禾本科大型草本植物热值和灰分含量动态变化研究［J］.草业学报，2010，19（2）：241－247.

［7］ 郭继勋，王若丹.东北草原优势植物羊草热值和能量特征［J］.草业学报，2000，9（4）：28－32.

［8］ 郝翠，李洪远，姜超，等.北方半干旱区河流湿地优势植物的热值［J］.生态学杂志，2008，27（12）：2094－2098.

［9］ 黄明丽，韩文轩，张福锁，等.影响能源植物产量和燃烧质量的农田管理因素［J］.农业工程学报，2009，25（2）：183－187.

［10］ 萧运峰，王锐，高洁.五节芒生态—生物学特性的研究［J］.四川草原，1995，（1）：25－29.

［11］ 余辉，向佐湘，杨知建.草本能源植物资源的开发与利用［J］.草业科学，2008，25（12）：46－50.

［12］ 席庆国，刘玉新.高大禾草加工技术概况［J］.草业科学，2005，22（1）：32－33.

［13］ 曾祥艳.生物新燃料－芒草的开发利用［J］.广西热带农业，2007，5：37－38.

［14］ 赵南先，萧运峰.安徽省的芒属植物资源及其开发利用［J］.武汉植物学研究，1990，4（8）：372－382.

［15］ 萧运峰，高洁，王锐.五节芒的生产性状与饲用价值的研究［J］.四川草原，1997，（1）：20－24.

［16］ 席庆国.德国等欧洲国家重视对高大禾草的研究和利用［J］.草业科学，2002，19（4）：45.

［17］ 李萍萍，陆军，吴沿友，等.镇江滨江湿地优势植物种群的热值及能量生产动态［J］.浙江大学学报（农业与生命科学版），2008，34（2）：221－229.

［18］ 李有涵，谢昭良，解新明.5个象草品种的构件生物量特征及分配动态［J］.草业学报，2011，20（5）：11－18.

［19］ 朱邦长，叶玛丽，张川黔，等.五节芒茎芽繁殖技术的研究［J］.四川草原，1995，（1）：30－34.

［20］ 杜占池，杜菁昀.几种优良人工牧草矿质元素含量的比较研究［J］.四川草原，2003，1：26－29.

［21］ 林益明，林鹏，谭忠奇，等.棕榈科刺葵属5种植物热值的月变化研究［J］.林业科学，2003，39（1）：62－67.

［22］ 阮志平，杨志伟，李元跃，等.布迪椰子不同器官热值的季节变化研究［J］.热带亚热带植物学报，2007，15（5）：399－402.

［23］ 徐永荣，张万均，冯宗炜.天津滨海盐渍土上几种植物的热值和元素含量及其相关性［J］.生态学报，2003，23（3）：450－455.

［24］ 刘建禹，翟国勋，陈荣耀.生物质燃料直接燃烧过程特性的分析［J］.东北农业大学学报，2001，32（3）：290－294.

［25］ 刘建宁，石永红，王运琦，等.高丹草生长动态及收割期的研究［J］.草业学报，2011，20（1）：31－37.

［26］ Angelini L，Ceccarini L，Bonari E.Biomass yield and energy balance of giant reed（ArundodonaxL.）cropped in central Italy as related to different management practices［J］.European Journal Agronomy，2005，22：375－389.

［27］ Christian D，Riche A，Yates N.The yield and composition of switchgrass and coastal panic grass grown as a biofuel in Southern England［J］.Bioresource Technology，2008，83：115－124.

［28］ Heaton E A，Clifton－Brown J，Voigt B，etal.Miscanthus for renewable energy generation：European Union experience and projections for Illinois［J］.Mitigation and Adapation Strategies for Global Change，2004，9：433－451.