潜在木质纤维素能源植物香根草的初步研究

周 强，於丙军

香根草〔Vetiveria zizanioides(L.)Nash〕是禾本科(Poaceae)香根草属(Vetiveria Bory)多年生草本植物，为C4植物，原产印度等热带地区；成熟植株高1.5～2.0 m，叶宽约0.8 cm、长约75 cm，生长周期为180～247 d。大多数香根草种群不结果实和种子，以分蘖方式繁殖，不会成为入侵性杂草，具有很强的耐热、耐寒、耐旱、耐盐碱、耐瘠、耐涝、耐酸和抗重金属等综合抗性能力，在气温－10℃ ～45℃、年降水量300～6 000 mm的区域内均可生长［1］20－27；香根草植株可通过有效的渗透调节和多胺代谢机制适应中度盐胁迫(小于200 mmol·L－1NaCl)［2－3］和中度干旱胁迫(低于质量体积分数40％PEG－6000溶液)［4］；香根草光合能力强，生物产量高，产量一般为350～750 t·km－2［5］，燃烧热能达到18.6 kJ·g－1［6］。因而，香根草能够在边际性土地上、甚至条件更为恶劣的环境中推广种植，近年来该种被广泛应用于农业水土保持、工程边坡固定、矿山生态恢复、土地复垦和净化水体等环保领域。此外，香根草还具有提取香根油、作为饲料和编织原料等经济用途。目前已在中国、美国、印度和泰国等几十个国家推广应用，有着广泛的种植基础［1］20－27，［7］。

作者着重从纤维素能源植物利用的角度，对香根草植株生长以及叶片的光合特性、主要矿质元素含量、与纤维特性有关的化学组分含量及水解产物组分含量进行了初步分析，以期为拓展香根草新的开发和利用价值提供基础数据。

1 材料和方法

1.1 香根草种植与样品采集和处理

种植地分别位于江苏省南京市南京农业大学卫岗试验田和江苏省东台市沿海滩涂地；前者土壤为粘土，肥力中等；后者土壤为沙质，肥力中等。均设置3个重复小区，小区面积为2 m×5 m。于2009年5月上旬进行种苗种植，以3株为1穴，株行距20 cm× 20 cm，常规施肥、浇水和田间管理。

于2010年7月在南京农业大学卫岗试验田进行叶片光合作用测定；并于2010年11月末收割各小区香根草叶片，于105℃杀青15 min、80℃烘干后，剪切为长度约1 cm小段，混匀后备用。

于2010年11月底，分别在南京农业大学卫岗试验田和东台市沿海滩涂地，按上述方法收割香根草叶片并进行相应的预处理，用于化学组分和水解产物组分的分析。

1.2 测定方法

1.2.1 光合特性测定 参照赵玉红等［8］的方法(略有改动)测定香根草倒4叶的光合特性。于2010年7月选择天气晴朗的日子，采用LI－6400 XTP便携式光合仪(美国LI－COR公司)进行测定，温度24℃～36℃，CO2浓度为384.1～390.6μmol·mol－1，光量子通量密度设置为：0、50、150、300、600、900、1 100、1 400、1 700和2 100μmol·m－2·s－1。 重复测定5个单株。

1.2.2 叶片主要矿质元素含量测定 将叶片小段粉碎并过80目筛，烘干至质量恒定，采用四分法取样0.5 g；参考吕伟仙等［9］的方法测定叶片总氮(N)含量；使用Optima 2100DV等离子体发射光谱仪(美国Perkin Elmer公司)，参照Shen等［10］的方法测定叶片中磷(P)、钾(K)、钙(Ca)、镁(Mg)和硫(S)含量。重复测定3次。

1.2.3 株高生长速率测定 从2010年3月31日开始至11月30日结束，于每月的30日或31日定株测量香根草植株的株高，计算其株高生长速率。重复测定9个单株。

1.2.4 叶片中与纤维特性有关的化学组分分析 参照石淑兰等的方法测定叶片中纤维素［11］35、半纤维素［11］37－39、木质素(或克拉松木素)［11］46、苯－乙醇抽提物［11］33和灰分［11］26等化学组分的含量。重复测定3次。

1.2.5 水解产物组分分析 参照张红漫等［12］的方法略加修改进行样品的水解。称取适量样品粉末，加入体积分数72％硫酸3 mL，搅匀，30℃水浴水解1 h；然后用去离子水将硫酸水解液稀释至硫酸体积分数为4％，随后于121℃高温处理45 min；冷却后抽滤，用氧化钙调节滤液pH至中性，即为待测样液。

参照陈克克［13］的HPLC法测定待测样液中葡萄糖、甘露糖、乳糖、木糖和阿拉伯糖的含量。待测样液经1－苯基－3－甲基－5－吡唑啉酮衍生化后，用Waters 515高效液相色谱仪进行HPLC分析。色谱条件为：反相C18色谱柱(Novapak，150 mm×3.9 mm，4μm)；流动相为体积分数20％乙腈和0.05 mol·L－1磷酸盐缓冲液(KH2PO4－NaOH)的混合液，pH 6.8；流速0.8 mL·min－1；2487双波长紫外/可见检测器，检测波长245 nm。重复测定3次。

1.3 数据统计分析

按照公式：vH=Hn+1－Hn计算株高生长速率。式中：vH为株高生长速率(cm·month－1)；H为株高(cm)；n为月份。

用Excel 2003软件绘制净光合速率(Pn)对光量子通量密度的模拟曲线，曲线的峰值即为光饱和点。

采用SPSS 13.0软件进行均值、标准误和差异显著性分析(P＜0.05)。

2 结果和分析

2.1 香根草叶片的光合作用特性

香根草叶片净光合速率(Pn)对光量子通量密度(PFD)的响应曲线及其Pn日变化曲线见图1。由图1可见：香根草叶片的Pn对PFD的响应曲线呈单峰型，曲线方程为y=7×10－6x2+0.021 4x－1.081 2；在PFD从0增加至1 400μmol·m－2·s－1的过程中，Pn也随之增大；当PFD达到1 400μmol·m－2·s－1时，Pn达到最大值(15.2μmol·m－2·s－1)。由Pn对PFD响应曲线(图1－A)计算可知：香根草叶片净光合速率的理论最大值为15.3μmol·m－2·s－1，光饱和点为1 528.6μmol·m－2·s－1。

香根草叶片的净光合速率日变化曲线呈明显的双峰型(图1－B)，第1个高峰出现在10：00，峰值为13.3μmol·m－2·s－1；第2个高峰出现在15：00，其峰值略低于第1个峰，为10.4μmol·m－2·s－1；在2个峰之间的12：00至14：00，有1个显著的低谷期，应为植物的“午休期”。

图1 香根草叶片净光合速率(Pn)与光量子通量密度(PFD)的响应曲线(A)及其Pn日变化曲线(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 香根草株高的生长特性

在生长季香根草株高的月变化见图2。由图2可见：在南京地区，香根草可以自然越冬，从4月份开始缓慢恢复生长，5月份至10月份是其株高的快速增长期，特别是在6月份、7月份和8月份，株高增长尤为迅速；7月份的月生长量最高，达42.1 cm；11月份，香根草几乎停止生长。

图2 香根草株高的月生长速率曲线Fig.2 Curve of grow th rate per month of p lant height of Vetiveria zizanioides(L.)Nash.

2.3 香根草叶片主要矿质元素含量分析

于11月末收割香根草叶片进行主要矿质元素含量分析，结果表明：香根草叶片中K和N含量较高，分别为11.2和7.6 mg·g－1；Ca、P和Mg的含量也较高，分别为4.3、2.7和2.8mg·g－1；S含量最低，为1.5 mg·g－1。

2.4 香根草叶片中与纤维特性有关的化学组分分析

不同种植地香根草叶片中与纤维特性有关的化学组分的分析结果见表1。由表1可见，种植于试验地和滩涂地的香根草叶片中纤维素的平均含量分别为326.1和321.7mg·g－1，半纤维素的平均含量分别为380.2和369.5 mg·g－1，木质素的平均含量分别为147.8和154.0 mg·g－1，各指标在不同种植地间的差异不显著(P＞0.05)。而种植于试验地的香根草叶片中苯－乙醇抽提物和灰分的平均含量分别为59.5和81.7 mg·g－1，均高于种植于滩涂地的香根草叶片(平均含量分别为54.1和71.7 mg·g－1)，且差异显著(P＜0.05)。

2.5 香根草叶片水解产物组分分析

来源于不同种植地的香根草叶片经体积分数72％硫酸酸解后，用HPLC法检测其中各单糖的含量，结果见表2。

表1 不同种植地香根草叶片中与纤维特性有关的化学组分的含量(±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 不同种植地香根草叶片中与纤维特性有关的化学组分的含量(±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)同列中不同的小写字母表示差异显著(P＜0.05)Different small letters in the same column indicate the significant difference(P＜0.05).

种植地Planting site不同组分的含量/mg·g－1 Content of different components苯－乙醇抽提物Benzene-ethanol extractives 纤维素Cellulose 半纤维素Hemicellulose 木质素Lignin 灰分Ash试验地Experimental field 59.5±1.4a 326.1±7.2a 380.2±8.8a 147.8±11.9a 81.7±4.1a滩涂地Beach 54.1±1.2b 321.7±9.4a 369.5±7.7a 154.0±3.9a 71.7±1.3b 1)同列中不同的小写字母表示差异显著(P＜0.05)Different small letters in the same column indicate the significant difference(P＜0.05).表2 不同种植地香根草叶片中水解产物组分的含量(±SE)1) Table 2 Content of hydrolysis products in Vetiveria zizanioides(L.)Nash leaf from different p lanting sites(±SE)1)种植地Planting site各单糖的含量/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试验地Experimental field 368.3±21.7a 245.7±19.6a 39.5±3.3a 15.1±0.4a 4.0±0.4a滩涂地Beach 359.9±20.1a 204.3±3.4b 35.4±1.8a 15.8±0.6a 4.6±0.3a

由表2可见：来源于试验地和滩涂地的香根草叶片的水解产物中，葡萄糖含量均为最高，平均含量分别为368.3和359.9 mg·g－1；木糖含量次之，平均含量分别为245.7和204.3 mg·g－1；阿拉伯糖、半乳糖和甘露糖含量均较低，三者的总含量仅为58.6和55.8 mg·g－1。差异显著性分析结果显示：除种植于试验地的香根草叶片中木糖含量显著高于种植于滩涂地的香根草外(P＜0.05)，葡萄糖、阿拉伯糖、半乳糖和甘露糖含量在2个种植地间无显著差异(P＞0.05)。

3 讨 论

能源危机和全球变暖正威胁着人类社会的生存和发展，开发利用可替代能源迫在眉睫。利用纤维素资源生产生物乙醇被认为是解决能源危机的最为理想的办法，具有原料来源广泛而稳定、不占用粮食耕地以及能耗较低等显著特点［14］。寻找和培育新的廉价优质的木质纤维素能源植物用以生产生物乙醇，是目前生物质能源研究领域的热点之一。柳枝稷(Panicum virgatum L.)被普遍认为是合适的能源植物之一［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］等被认为是能源植物的候选种类。还有研究者采用杂交或基因工程等方法对植物的品质特性进行改良，如让植物能够自身产生纤维素酶，降低木质素含量或增加纤维素含量等［19－20］。能源植物的评价需考虑多方面的因素，如：生物原料的化学成分含量、栽培实践、对土地的适应能力、投入消耗的资源、对土壤水体矿物质的吸收、杀虫剂的使用、对土壤的侵蚀、对生物多样性和环境景观的影响以及水分的需求和利用等方面［21］。中国《可再生能源中长期发展规划》指出：适合中国生物乙醇植物种植的宜耕边际性土地面积约为7.02×106hm2。要积极利用宜耕边际性土地，发展适应性好、抗逆性强、生物量较高的非粮食基生物乙醇原料［22］。

南京地区香根草7月份的株高月生长量最高，达42.1 cm；光饱和点为1 528.6μmol·m－2·s－1，净光合速率(Pn)最高可达15.3μmol·m－2·s－1，其Pn对光量子通量密度的响应曲线与赵玉红等［8］对广东产香根草光合特性的测量结果接近；香根草Pn的大小及日变化的趋势均与在黄土丘陵区种植的柳枝稷［23］相似。表明在南京地区香根草的光合能力强、生长快速。

香根草叶片中主要矿质元素(N、P、K、Ca、Mg和S等)含量低于或与一般高等植物体内营养元素含量水平相当［24］，与柳枝稷［25］接近；此外，香根草体内还含有遗传多样性丰富的联合固氮菌，能够进行生物固氮［26］。这些都表明将香根草作为木质纤维素能源植物进行开发利用，具有肥料投入较低的优势，而一般纤维素原料植物在种植过程中在肥料上的能量投入可占种植能量总投入的67％［15］。另外，香根草可以作为植物性杀虫剂和杀菌剂，并且能够通过化感作用抑制杂草种子的萌发及植株的生长［1］232－241。在本研究和以往的香根草栽培过程中，均未使用除草剂等农药，也未发现明显的草害和病虫害，也说明了香根草的这一特性。

Methacanona等［27］的研究结果显示：在香根草生态型Maehae和Songkha 3中，纤维素、半纤维素和木质素的含量分别为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，种植于南京试验田的香根草叶片中纤维素含量(326.1mg·g－1)略低于上述2种生态型的香根草，半纤维素和木质素含量则略高(分别为380.2和147.8 mg·g－1)，纤维素和半纤维素总量(706.3 mg·g－1)介于生态型Maehae和Songkha 3之间(分别为678.1和738.6 mg·g－1)。推测栽培条件和生态型的不同是造成这种差异的原因之一。

与柳枝稷类似，10月中旬至11月为香根草的生长末期，一般在此时收割叶片。与同处于生长末期的柳枝稷叶片［28］相比，种植于南京的香根草叶片中纤维素与半纤维素的总含量达到706.3 mg·g－1，比柳枝稷(678 mg·g－1)略高；而木质素含量则比柳枝稷(168 mg·g－1)低12.02％。已有研究结果表明：植物细胞壁所含的木质素能够抵抗自然界中多数微生物的有效降解，它和半纤维素组分交织在一起，紧密包裹着纤维素的多糖部分，导致木质素预处理过程复杂且耗能；同时木质素还会对纤维素酶的水解活性产生致钝作用。因此，降低木质素含量或改变其组分，将有利于能源植物资源的充分利用［20］。从木质素含量看，香根草作为纤维素能源植物具有一定的优势。

本研究结果表明：香根草叶片水解后，其主要成分为葡萄糖和木糖，二者含量占总糖的91.29％，均高于柳枝稷叶片［29］。种植于江苏沿海滩涂盐碱地这类边际性土壤上的香根草叶片中纤维素和半纤维含量与种植于试验地的无显著差异；水解产物中除木糖外，葡萄糖、阿拉伯糖、半乳糖和甘露糖4种单糖的含量也没有显著差异，说明滩涂盐碱环境对香根草的品质没有明显影响，表明香根草具有较强的适应边际性土壤种植的特性。

根据以上分析结果可见：与能源植物柳枝稷类似，香根草也是禾本科多年生草本C4植物，它们有许多相似的特征。都具有较高的光合能力、较快的生长速率、在种植生长过程中对肥料要求都比较低、很少需用除草剂和杀虫剂等，都能够适应恶劣的边际性土壤种植环境，叶片中纤维素、半纤维素和木质素等化学成分及其水解产物水平相似，又各有所长。因此，香根草是潜在的优良木质纤维素能源植物，可加以深入研究和开发。

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