能源植物斑茅在不同生长时期的产量与组分变化

闫芸芸 刘健 甘礼惠 余小龙 龙敏南 Nasir Ali1

摘 要 研究不同时期斑茅产量及其化学组分的变化。结果表明：斑茅生物质产量在11月达到最高，其后开始下降；整个生长发育过程中茎叶生物质产量比呈现上升趋势；含水量随生长发育的进行显著降低；叶片灰分含量全年最低为5月，从10月份开始显著增加，至12月份达到最高。茎秆灰分含量略低于叶片，全年最低为10月，最高为7月，变化幅度不大。叶片中木质素含量全年由高到低排列顺序为12月>11月>9月>10月>7月>8月>6月；茎秆中木质素含量全年由高到低排列顺序为12月>11月>9月>7月>8月>10月>6月。10月份茎秆含水量低，灰分含量最低，热值较高，结合产量和燃料品质考虑其更适于直接燃烧，而9月份叶片则更加适于作为生物转化的材料。

关键词 斑茅；收获时间；化学组分

中图分类号 Q949.94 文献标识码 A

当前环境问题和粮食安全问题已经成为国际性难题。粮食供给紧张，把粮食作物作为原料生产燃料乙醇或生物柴油均存在一定的弊端。此外，森林资源也需重点保护，不可过度开发利用。因此，在能源植物的开发方面，需加快筛选能利用非农用地、抗逆性强、易于繁殖、成活率高、单位质量产能高的能源植物。与木本植物相比，某些高大的多年生禾本科植物对环境要求低，种植成本低，再生能力强，是更加理想的能源植物[1-2]。目前对草本能源植物研究主要有2方面：一是对不同生物质的化学成分的研究以及通过基因工程手段改变植物细胞壁结构；二是不同预处理以及发酵等降解转化工艺的优化。这2种做法均存在缺陷。通过上游基因工程手段改良能源植物，有可能对能源植物本身产生较大负面影响，影响其生长发育和最终产量，而且一般只能改良单一的因素，对从整个细胞壁结构来把握其降解转化效率效果不佳；通过下游改进预处理方式，则由于能源植物的多样性，种间差异性，很难研究出一种适合所有能源植物的预处理方法[1-4]。因此，挑选合适的能源植物品种和制定适宜的收获计划，可以有效提高其利用率，促进能源植物的开发和利用。

斑茅（Erianthus arundinaceum）为禾本科蔗茅属植物，在中国热带和亚热带地区广泛分布，有较强的抗旱能力和生态竞争能力。此外，斑茅纤维含量高，在生产燃料乙醇方面具有很大优势。在国外，斑茅因其高产、良好的抗虫性及方便大规模管理，被认为比象草和甘蔗更适于作为能源作物大面积推广[5-7]。而国内对将斑茅作为能源植物的研究才刚刚起步，主要集中在斑茅种质资源的杂交利用和抗性研究、生理生化研究及遗传动态研究，鲜见关于将其作为优良能源植物的报道[8-11]。因此，本研究通过研究斑茅（E. arundinaceum）生长过程中的有机组分、灰分、热值的构成或变化情况，挑选其作为原料直接燃烧或作为酶解底物的最佳收获季节及加工方式，做到物尽其用，最大程度降低生产成本。

1 材料与方法

1.1 材料

实验材料为斑茅（E. arundinaceum），2013年5月5日播种于厦门大学翔安校区生态园，地理位置为24°26′N，118°19′E，海拔23.69 m。当地气候属于亚热带季风气候，实验土壤为红壤土。种植行距为35 cm，小区面积为30 m×30 m。播种后每隔一天灌溉一次，发芽后停止灌溉，试验期内不施肥。

1.2 方法

每月25日采集一次样品，齐地面刈割，将叶片和茎秆分开，分别测其生物量与含水量，取茎秆基部以上50 cm作为测试样品，用剪刀剪成约5 cm 长的小段；叶片按其长度平均分为上、中、下3部分，取中部叶片，剪成5 cm左右的小段，于45 ℃烘箱烘干，粉碎处理后过筛备用。含水量测定用烘干法，灰分含量用干灰化法测定，干重热值用氧弹式热量计测定[12]，纤维素、半纤维素和木质素的含量测定参照了美国国家可再生能源实验室[13]（National renewable energy laboratory， NREL）制订的实验规程（Laboratory analytical procedure， LAP）。预处理方法参考Banerjee等[14]的实验方法， 酶解方法参考赵春桥[2]的实验方法。

1.3 数据处理

试验数据的处理和相关分析采用DPS数据处理系统。

2 结果与分析

2.1 收获时间对斑茅生物质产量的影响

斑茅在整个生长季节中生长迅速（图1），在拔节期生长速度最大，达到4.2 cm/d，在开花期后期，生长速度也达到4.6 cm/d，结实期以及枯黄期生长逐步减慢直到停止生长。随着收获时间的推移，斑茅各组分的产量和比例见图2。从图2中可以看出，斑茅的生物质产量在枯黄期早期（11月）达到最高8.23 kg/m2，其后呈下降趋势。其生物质产量的组成也随时间发生变化，拔节期（6月）开始后，茎叶比一直呈上升趋势，直到枯黄期稍有回落。叶的生物量从展叶期到拔节期前期增长缓慢，从拔节期中期开始，伴随着叶片的迅速伸长和分蘖数的增加，直至抽穗初期生物量比拔节期初期增加了8倍，而开花期中期（9月）叶的生物量达到了整个生育期最高值，比抽穗期中期（8月）翻了约1倍。茎生物量从拔节后期（7月）到抽穗期（8月）及从抽穗期到开花期中期（9月）均翻2倍增加，从开花期后期到结实期末期增长幅度减小，仅增加了16.1%。枯黄期（11月）后产量开始降低。整个生长发育过程中茎叶生物量比呈现上升趋势，生长节律呈现出“慢-快-慢”的增长规律。

2.2 收获时间对斑茅含水量的影响

由图3可看出，展叶期植株含水量最大，在6～7月期间波动不大，略有减少。随着拔节期的继续，含水量比7月减少了12.5%，从开花期后期（9月）开始到结实期中期含水量下降了16.7%，随后含水量呈缓慢降低，直到枯黄期末期。通过比较可以看出，枯黄期含水量比开花期中期降低了约25.8%。整个生长期间含水量差异显著（p<0.01），开花期后期到枯黄期含水量差异不显著。

2.3 不同时间斑茅不同部位灰分含量和热值的变化

由表1可看出，生长初期（6～9月），斑茅茎的灰分含量均高于叶。茎灰分含量范围在5.0%～8.2%，平均值7.8%，叶灰分含量5.0%～7.0%，年平均值6.4%。叶片灰分含量变化趋势为12月>11月>10月>6月>8月>9月>7月，茎秆灰分含量变化趋势为7月>9月>11月>6月>8月>12月>10月。开花期（9月）后，叶的灰分含量显著增加，从6.3%增加到19.7%，增加了2倍多；而茎灰分含量始终在5.0%上下浮动。6～9月叶片灰分含量差异均不显著（表2）；6月、7月、9月和11月间茎秆灰分含量差异不显著，10月和12月间差异不显著（表3）。

斑茅叶片热值在整个生长过程中基本都高于茎秆，只在结实期到枯黄期（11月）略低于茎秆。叶片的热值为16.59～18.85 kJ/g，年平均值为17.60 kJ/g，全年最高值出现在10月，最低值在9月；茎秆的热值为16.63～17.82 kJ/g，年平均值为17.21 kJ/g，全年最高值出现在8月，最低值也在9月。斑茅叶片单位面积热值最高出现在10月（35.91 kJ/m2），其次为9月（35.79 kJ/m2）。茎秆单位面积热值最高出现在11月（113.33 kJ/m2），其次为10月（98.10 kJ/m2）。

2.4 收获时间对斑茅有机组分含量的影响

从表4中可知，不同收获时期斑茅叶和茎的有机组分也不同。斑茅叶片纤维素含量差异不显著；半纤维素含量在拔节期后期有所降低，结实期后又逐渐恢复；木质素含量变化较大，整个生长期内由高到低为12月>11月>9月>10月>7月>8月>6月；6～10月木质素含量差异不显著（表5），11月和12月差异极显著（p<0.01），12月木质素含量是6月的1.69倍。

茎秆中纤维素含量随收获时间的推移呈梯度增长趋势，12月纤维素含量比6月增加了33.70%；半纤维素含量在9月即开花期前期达到最高（24.17%），至12月份即枯黄期时达到稳定，维持在22.90%左右；木质素含量在12月份达到31.27%，比6月增加了1.01倍，整体由高到低排列为12月>11月>9月>7月>8月>10月>6月。茎秆木质素含量在7月、8月、10月间差异均不显著（表6），其他时期则差异显著（p<0.01）。

对比叶片和茎秆木质素含量可知，整个生长过程中叶片平均木质素含量为19.85%，茎秆平均木质素含量略高，为20.74%。

2.5 收获时间对斑茅叶片和茎秆水解产还原糖的影响

由图4可看出，从展叶期到枯黄期，茎秆和叶片的酶水解所得还原糖浓度均呈下降趋势。叶片酶水解所得还原糖浓度由高到低为6月>9月>8月>10月>7月>11月>12月，茎秆为8月>6月>9月>10月>7月>12月>11月。茎秆酶水解所得的还原糖浓度在整个生长期内平均值为1.86 mg/mL，叶片为2.12 mg/mL，茎秆较低，这可能与其木质化程度和木质素的结构有关。叶片酶水解后还原糖浓度在不同物候期间差异显著，7月和10月差异不显著；茎秆酶水解所得还原糖浓度在不同物候期间差异较显著，11月和12月最低，两者间差异不显著。

3 讨论与结论

随着收获时间的推移，斑茅的生物质产量会减少，这与Shinners等[15]对玉米秸秆生物质产量的研究结果一致。Hadders等[16]分析认为，多年生草本能源植物生物产量降低的原因主要包括呼吸消耗、生物降解、淋洗作用以及机械损失等。本研究中12月生物质产量降低可能是成熟期后斑茅含水量降低引起的。研究结果表明斑茅生长后期生物质含水量显著降低，这对降低运输和干燥成本有重要意义。

茎秆木质素和纤维素含量随着收获时间的推移也有明显的提高，而灰分含量基本保持稳定。叶片灰分11月份比7月份增加了近1.9倍，有研究表明生物质燃烧发电时，灰分高会造成烧结、结块、沉积、侵蚀和腐蚀等问题，并且灰分含量越高净化难度越大[17]。而生物质热解气化也要求生物质产量高、含水量低、体积密度高、热值高、挥发性物质多及S和Cl含量低[17]。因此，10月份（生长5个月）茎秆的燃料品质是最佳的。

植物组分或器官干重热值的差异主要受自身组成物质结构和功能的影响，热值随季节的变化情况与植物的物候节律及其对环境因子变化的反应有关[18]，其次还受光照强度、日照长短、土壤类型和植物年龄等影响。高光效植物在其生长旺盛时期可从根部吸收较多的矿质元素，而矿物质是灰分的主要成分，其热值变化可能受植物体内矿质元素的含量和种类影响[19]。叶片灰分含量一般比茎秆高，可能是由于其矿质元素含量相对较高，可见对于选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，因此也可以通过某个时期的茎叶比值大小来确定最佳收获时期。

本研究结果也显示，不同时期斑茅不同部位木质素含量不同，同一预处理方式下产糖量也不同。随着木质素总含量的降低，酶水解后还原糖浓度提高，一方面是由于木质素结构复杂，阻碍了酶解，另一方面可能在预处理过程中产生了毒副产物，影响酶解效果。Davison等[20]研究指出，改变木质素含量和木质素中单体S/G值有利于杨属植物中木糖（五碳糖）的释放。也有一些研究认为，预处理后木质素的剥离效果也与木质素的组成相关，比如（S/G比）[21]。

在解决纤维素降解过程中的难题时，可以避开复杂而昂贵的预处理过程，从材料本身出发，选取植物木质素含量和结构相对易于处理的生长阶段，直接降低成本。综合来看，10月份茎秆含水量低，灰分含量最低，单位面积热值较高，结合产量和燃料品质考虑其更适于用作燃料。9月（生长4个月）的斑茅叶片生物量积累较高，经过预处理后，酶水解所得的还原糖浓度较高，更适于作为降解的底物。

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责任编辑：林海妹