施氮水平和收获时间对柳枝稷生物质产量和能源品质的影响

高丽欣，刘 静，邓 波，杨富裕，张蕴薇

(1.中国农业大学动物科技学院，北京 100193; 2.吉林农业大学动物科技学院，吉林长春 130118)

施氮水平和收获时间对柳枝稷生物质产量和能源品质的影响

高丽欣1，2，刘 静1，邓 波1，杨富裕1，张蕴薇1

(1.中国农业大学动物科技学院，北京 100193; 2.吉林农业大学动物科技学院，吉林长春 130118)

为提高能源植物柳枝稷(Panicum virgatum)的能源品质，通过田间试验探讨黄河三角洲盐碱地施氮水平和收获时间对柳枝稷生物质产量和氮含量、灰分含量、木质纤维素含量的影响。结果表明，收获时间对柳枝稷生物质产量、氮含量、灰分、木质纤维素含量有显著(P＜0.05)或极显著(P＜0.01)影响。生物质产量随着施氮量的增加而增加，且在施氮量为200 kg·hm－2时达到最高值;木质纤维素含量随着收获时间的推迟而增加，冬季收获含量最高，施氮水平为100 kg·hm－2时含量最高;灰分含量、氮含量随收获时间推移而降低。黄河三角洲地区柳枝稷生产时施氮肥100～150 kg·hm－2，且在冬季收获，能获得较高的能源品质。

柳枝稷;盐碱地;施氮;收获时间;能源品质

柳枝稷(Panicum virgatum)为禾本科黍属多年生C4草本植物［1］，具有耐盐、耐旱、耐贫瘠的特点，生物量大，适应范围广泛，成为能源植物开发的焦点［2-3］。我国从20世纪90年代开始引种柳枝稷［4］，目前已在半干旱的黄土丘陵沟壑区［5-6］和京郊挖沙废弃地［7-8］等地实现规模化种植。黄河三角洲是我国土壤盐碱化的重要区域，土壤贫瘠，不宜进行农田耕作，被视为开发利用面积较大的边际土地［9］，因此在此地种植柳枝稷具有一定的现实意义。另一方面，柳枝稷作为典型的纤维素类生物质，是制取燃料乙醇的重要来源，开发柳枝稷生产试验非常必要。

柳枝稷有一定的耐盐碱性，但盐碱强度胁迫对其生长有较大影响［10］。我国关于柳枝稷耐盐性的研究主要集中在室内发芽期和苗期模拟试验方面［11-12］，自然盐碱地条件下的柳枝稷种植方面研究鲜见报道。在施肥和收获时间方面，发现柳枝稷对氮肥有较高的利用效率，特别是在未施肥土壤上表现良好［13］，而增施钾肥、磷肥后变化很小［14］，Muir等［15］研究表明施磷肥对于Alamo品种的柳枝稷的产量没有影响;作为饲料要求较高的生物质产量和粗蛋白含量，适合成熟期一次收获，或者在水肥条件好的情况下，两次刈割。随着刈割次数的增加，生物质产量降低，但是木质纤维素含量会增加，这个时候适宜作为能源植物收获［16］。本试验以提高柳枝稷生物质产量(干重)和氮含量、灰分、木质纤维素含量这些品质为目的，在黄河三角洲盐碱地条件下，研究施氮水平和收获时间对柳枝稷能源品质的影响，旨为生物质能源在盐碱地的开发与生产提供理论参考。

1 材料与方法

1.1试验地概况

试验地位于黄河三角洲的山东省东营市广北农场二分场，118.49°E，37.46°N。黄河三角洲地区背陆面海，属暖温带大陆性季风气候。夏季高温多雨，7月最热月平均气温26.6℃;冬季寒冷干燥，1月最冷月平均气温－3.0℃。夏季降水364.5 mm，占全年降水量的65.6%;冬季降水20.7 mm，占全年降水量的3.7%，降水季节性差异大［17］。土壤条件相对贫瘠，其中全盐含量为3.4 g·kg－1，全氮含量为0.110 3 g·kg－1，pH为8.09，有机质含量为16.5 g·kg－1。浅层地下水主要为咸水，矿化度小于3 g·L－1的微咸水只占总数的3.5%［18］，无法用于传统的农业灌溉。

1.2试验材料

供试柳枝稷品种为Alamo，由北京市农林科学院提供。2011年3月17日在山东省东营市试验区育苗，4月25日移栽至广北农场二分场栽种。行距80 cm，株距80 cm，2011、2012、2013年无施肥、无灌溉，均冬季刈割。2014年4月初返青后，本试验正式开始。

1.3试验方法

试验用肥为商品尿素(氮含量为46.67%)。施氮(N)设6个水平，分别为0(N0)、50(N50)、100 (N100)、150(N150)、200(N200)、250(N250) kg·hm－2，分别于返青期(4月7日)和抽穗期(5月19日)两次均匀施入;收获时间(T)设3个水平，分别为夏季盛花期(7月28日)、秋季霜后枯黄期(10月26日)、冬季立枯期(12月20日)，分别用TS、TA和TW表示。

田间小区采用完全随机区组设计，重复3次，每个小区面积为4 m×6 m，小区间设1.6 m保护行(1 行)，共54个小区。

1.4测定指标和方法

生物质产量:每个处理收获时，根部以上10 cm处刈割，收获整个小区，测鲜重，取部分样品称重、烘干、测干重，利用样品的鲜干重按比例折算整个小区的干重。

氮含量:样品烘干粉碎，利用Foss 2300全自动定氮仪，凯氏法测定试样中的氮含量。

灰分:粗灰分的测定方法。

纤维素、半纤维素:应用滤袋技术测定酸性洗涤纤维(ADF)、中性洗涤纤维(NDF)，采用ANKOM A200i型半自动纤维分析仪进行具体测定。

1.5数据分析

采用Microsoft Excel 2010、Sigmaplot进行数据统计和图表制作。采用SAS 8.2软件进行方差显著性比较分析。

2 结果与分析

2.1施氮水平对柳枝稷生物质产量、氮含量、灰分含量的影响

施氮对柳枝稷生物质产量的影响极显著(P＜0.01)，对氮含量、灰分含量的影响差异显著(P＜0.05) (表1)。随着施氮水平的增加，柳枝稷生物质产量呈先增加后降低的趋势，当施氮量为200 kg·hm－2时，其生物质产量达到峰值，为4 514.63 kg·hm－2;当施氮量高于200 kg·hm－2时，生物质产量呈极显著降低趋势。施氮量为150 kg·hm－2时的生物质产量极显著高于施氮50、100及250 kg·hm－2的水平。由此可知，提高施氮量可以增加柳枝稷生物质产量，但施氮过多没有正效应，反而造成浪费。

柳枝稷氮含量随施氮水平的升高而增加，在200 kg·hm－2水平时柳枝稷株体氮含量最高，达0.77%，显著高于N50和N100处理水平;对照组N0氮含量最低(0.65%) (表1)。

施氮水平显著影响灰分含量(表1)，施氮150 kg·hm－2时株体灰分含量最高(5.64%)。对照组株体灰分含量最低(4.89%)。施氮量为50、250 kg·hm－2时柳枝稷株体灰分含量较低。

2.2收获时间对柳枝稷生物质产量、氮含量、灰分含量的影响

收获时间对柳枝稷生物质产量、氮含量、灰分含量的影响都极显著(P＜0.01) (表2)。随着收获时间的推迟，生物质产量呈上升趋势，株体氮含量则极显著降低(1.08%～0.47%)，灰分含量亦极显著降低(5.83%～4.63%)。

表1 施氮水平对柳枝稷生物质产量、氮含量、灰分含量的影响Table 1 Effects of nitrogen level on biomass yield，nitrogen content and ash content of switchgrass

2.3施氮水平对柳枝稷木质纤维素的影响

柳枝稷生物质主要由3种聚合体组成，分别为纤维素、半纤维素和木质素，统称木质纤维素。施氮水平对木质纤维素的影响各异(表3)，施氮水平在100 kg·hm－2时纤维素含量最大，随着施氮水平的提高继而降低;同样施氮水平在100 kg·hm－2时半纤维素含量最大，随着施氮水平的提高继而降低;而木质素含量则在不施氮肥时最低，随着施氮水平的提高逐渐增加，至施氮250 kg·hm2时显著高于对照和50 kg·hm2施氮水平(P＜0.05)，但与100、150和200 kg·hm2施氮水平相比差异不显著(P＞0.05)。从能源植物对木质纤维素的需求来说，施氮100 kg·hm－2时最优。

表3 施氮水平对柳枝稷木质纤维素含量(%)的影响Table 3 Effects of nitrogen level on lignocellulose(%) of switchgrass

2.4收获时间对柳枝稷木质纤维素的影响

收获时间对木质纤维素含量影响差异明显(图1)，纤维素、半纤维素含量随收获时间的延迟而增加。冬季收获，纤维素和半纤维素含量之和最高，为68.11%，比秋季收获高3.87%;秋季第1次霜后收获，纤维素和半纤维素含量之和为65.57%，比夏季收获高8.69%;夏季收获，纤维素和半纤维素含量之和最低，为60.33%。冬季收获，纤维素和木质素含量均显著高于秋季和夏季收获(P＜0.05)，半纤维素含量仅显著高于夏季，但与秋季收获无显著差异(P＞0.05)。

图1 收获时间对木质纤维素的影响Fig.1 Effects of harvest time on lignocellulose of switchgrass

2.5施氮水平和收获时间组合效应分析

为了比较并找出达到最优能源品质的施肥量、收获时间组合，进行了组合分析。结果表明，处理组合对生物质产量和氮含量的影响均差异显著(P＜0.05) (表4)。施氮200 kg·hm－2，夏季开花期收获组合生物质产量最高;冬季收获组合氮含量普遍低于夏季、秋季收获氮含量。

表4 施氮水平和收获时间组合分析Table 4 Combination effect of nitrogen level and harvest time on switchgrass

3 讨论与结论

生物质是太阳能最主要的吸收器和储存器。生物质通过光合作用，能够把太阳能富集起来，储存在有机物中。但与矿物燃料相比，均以C－H化合物组成，生物质利用过程中SO2、NOx的排放较少，造成空气污染和酸雨现象会明显降低。所以，能源植物要求生物质产量高，灰分、氮含量、水分相对含量低，木质纤维素含量高［19］，所以实际生产中应该按照能源的品质特点提高栽培管理水平。

生物质产量是评价能源价值的重要指标。本研究中当施氮肥量为200 kg·hm－2时，生物质产量达到最大。过多或过少都不利于生物量的积累，当施氮250 kg·hm－2时，生物质产量下降，这与柳枝稷的氮吸收有关，施氮过多可能会损伤株体。沈文彤［20］在河北邯郸的试验结果显示，柳枝稷生物质产量最高时的施氮量为225 kg·hm－2，与本试验结果相近。本试验中冬季收获比夏季开花期收获柳枝稷产量提高了54.4%，比秋季收获产量提高了18.5%，这与Lewandowski和Heinz［21］的研究结果一致。Sanderson和Read［22］在美国南部地区的研究表明9月收获柳枝稷生物质产量达到最大，说明冷季柳枝稷枯黄期能够获得较好的产量效益。据Madakadze等［23］研究报道，柳枝稷生物质中的氮含量春季为25 g·kg－1，生长季节结束时仅为5 g ·kg－1，不同收获时间对柳枝稷氮含量影响很大。本试验中随着收获时间的推迟，生物质氮含量呈降低的趋势，原因在于后期收割的植株，出现了氮的流失和株体的机械损失。随着施氮水平的提高，显著提高了柳枝稷生物质中的氮含量，提高了柳枝稷对氮素的吸收，与前人研究结果一致［24］。作为能源草，生物质氮含量越少越优［25］。单从氮含量来看，不施氮时能源价值最优，施氮50、100 kg·hm－2，收获期选择冬季时较优。

施氮肥有益于柳枝稷对矿质元素的选择吸收和积累，灰分含量越高，越不利于生物质燃烧［26］。因此要想使柳枝稷获得较低的灰分含量，应适度施氮肥，不宜过多。冬季收获灰分含量极显著低于秋季，极显著低于夏季收获柳枝稷灰分含量。单从灰分含量来看，不施氮时能源价值最优，施氮50、250 kg· hm－2，收获期选择冬季时较优。

柳枝稷细胞壁主要由纤维素、半纤维素和木质素组成，是一种理想的纤维素乙醇转化原料。其含量决定能源植物成分的可利用比例，木质纤维素含量越高，转化低聚糖越多，乙醇产量越高［27-28］。本试验中，施氮水平在100 kg·hm－2时纤维素、半纤维素含量最大。随着收获时间的延后，木质纤维素含量呈增加的趋势。而这样的趋势正适合于能源植物的利用，因此，选择在冬季收获最优。刘吉利和吴娜［29］对柳枝稷燃料品质做了研究，发现在冬季收获柳枝稷燃烧品质达到最佳。

评价柳枝稷能源价值还有诸多考虑的因素，未来需要针对黄河三角洲地区建立各个能源指标的关系模型，更加客观准确地进行比较分析，确定最适宜的栽培管理模式，以达到获得最高能源价值的柳枝稷种植。

在综合分析柳枝稷生物质产量、株体氮含量、灰分含量以及木质纤维素4个因素后，本研究得出:在黄河三角洲地区盐碱土土壤中从柳枝稷的能源价值上，氮肥施量应该控制在100、150 kg·hm－2，收获期选择冬季立枯期。

References)

［1］黄黔.我国的生态建设与生态现代化.草业学报，2008，17(2) : 1-8.Huang Q.The ecological construction and modernization of our country.Acta Prataculturae Sinica，2008，17(2) : 1-8.(in Chinese)

［2］李平，孙小龙，韩建国，刘天明.能源植物新看点:草类能源植物.中国草地学报，2010，32(5) : 97-100.Li P，Sun X L，Han J G，Liu T M.A New source of bio-energy: Eenergy grass.Chinese Journal of Grassland，2010，32(5) : 97-100.(in Chinese)

［3］McLaughlin S B，Walsh M E.Evaluating environmental consequences of producing herbaceous crops for bio-energy.Biomass and Bio-energy，1998，14(4) : 317-324.

［4］徐炳成，山仑，黄瑾.柳枝稷和白羊草苗期水分利用与根冠比的比较.草业学报，2003，12(4) : 73-77.Xu B C，Shan L，Huang J.Comparison of water use efficiency and root/shoot ratio in seedling stage of switchgrass (Panicum virgatum) and old world bluestems (Bothriochloa ischaemum) under different soil water conditions.Acta Prataculturae Sinica，2003，12(4) : 73-77.(in Chinese)

［5］徐炳成，山仑，李凤民.黄土丘陵半干旱区引种禾草柳枝稷的生物量与水分利用效率.生态学报，2005，25(9) : 2206-2213.Xu B C，Shan L，Li F M.Aboveground biomass and water use efficiency of an introduced grass，Panicum virgatum，in the semiarid loess hilly-gully region.Acta Ecologica Sinica，2005，25(9) : 2206-2213.(in Chinese)

［6］杨新国，李玉英，吴天龙.半干旱黄土丘陵沟壑区柳枝稷(Panicum virgatum)的生物质形成.生态学报，2008，28(12) : 6043-6050.Yang X G，Li Y Y，Wu T L.Biomass formation for switchgrass(Panicum virgatum) in the semiarid loess hilly-gully regions.Acta Ecologica Sinica，2008，28(12) : 6043-6050.(in Chinese)

［7］侯新村，范希峰，武菊英.京郊边际土地纤维素类能源草规模化种植与管理技术.作物杂志，2011(4) : 98-101.Hou X C，Fan X F，Wu J Y.Large scale cultivation and management technologies of cellulosic bioenergy grasses in marginall and in Beijing suburb.Crops，2011(4) : 98-101.(in Chinese)

［8］侯新村，范希峰，左海涛.氮肥对挖沙废弃地能源草生长特性与生物质产量的影响.草地学报，2010，18(2) : 268-273，279.Hou X C，Fan X F，Zuo H T.Effect of nitrogen fertilizer on the growth characteristics and biomass yield of bioenergy grasses on abandoned sand excavation lands.Acta Agrestia Sinica，2010，18(2) : 268-273，279.(in Chinese)

［9］贾春林，盛亦兵，张华文.黄河三角洲盐碱地甜高粱产草量和饲用价值.草业科学，2013，30(1) : 116-119.Jia C L，Sheng Y B，Zhang H W.Comparisons on forage yield and feeding value of sweet sorghum in saline soil of Yellow Revier Delta.Pratacultural Science，2013，30(1) : 116-119.(in Chinese)

［10］Kim S，Rayburn A L，Voigt T.Salinity effects on germination and plant growth of prairie cord grass and switchgrass.Bio-energy Research，2012，5(1) : 225-235.

［11］于晓丹，杜菲.盐胁迫对柳枝稷种子萌发和幼苗生长的影响.草地学报，2009，17(6) : 810-815.Yu X D，Du F.Effects of salt stress on switchgrass seed germination and seedling growth.Acta Agrestia Sinica，2009，17(6) : 810-815.(in Chinese)

［12］范希峰，侯新村，朱毅.盐胁迫对柳枝稷苗期生长和生理特性的影响.应用生态学报，2012，23(6) : 1476-1480.Fan X F，Hou X C，Zhu Y.Impacts of salt stress on the growth and physiological characteristics of Panicum virgatum seedlings. Acta Agrestia Sinica，2012，23(6) : 1476-1480.(in Chinese)

［13］杜菲，陈新，杨春华.NaCl胁迫对不同柳枝稷材料种子萌发与幼苗生长的影响.草地学报，2011，19(6) : 1018-1024.Du F，Chen X，Yang C H.Effects of NaCl stress on seed germination and seedling growth of different switchgrass materials.Acta Agrestia Sinica，2011，19(6) : 1018-1024.(in Chinese)

［14］William L S，Gerald A J.Biomass and nitrogen accumulation in switchgrass: Effects of soil and environment.Agronomy Journal，1995，8(7) : 663-669.

［15］Muir J P，Sanderson M A，Ocumpaugh W R.Biomass production of‘Alamo’switchgrass in response to nitrogen，phosphorus，and row spacing.Agronomy Journal，2001，93(5) : 896-901.

［16］Clark R.Differences among mycorrhizal fungi for uptake per root length of switchgrass grown in acidic soil.Journal of Plant Nutrition，2002，25(8) : 1753-1772.

［17］刘吉林，吴娜，熊韶峻.收获时间对黄土高原柳枝稷生物质产量与燃料品质的影响.中国农业大学学报，2012，17(6) : 138-142.Liu J L，Wu N，Xiong S J.Effect of harvesting on biomass yield and fuel quality of swithgarss in the Loess Plateau of China.Journal of China Agriculture of University，2012，17(6) : 138-142.(in Chinese)

［18］张伟华.黄河三角洲土地利用动态变化及其驱动力研究.济南:山东师范大学硕士学位论文，2008.Zhang W H.Analysis on land use change and its driving forces in the Yellow River Delta.Master Thesis.Jinan: Shandong Normal University，2008.(in Chinese)

［19］姚荣江，杨劲松，姜龙.黄河下游三角洲盐渍区表层土壤积盐影响因子及其强度分析.土壤通报，2008，39(5) : 1115-1119.Yao R J，Yang J S，Jiang L.Analysis on factors of salt accumulation and intensity in topsoil in the saline region of lower Yellow River Delta.Chinese Journal of Soil Science，2008，39(5) : 1115-1119.(in Chinese)

［20］沈文彤.种植行距与施肥量对柳枝稷产量及粗蛋白质含量的影响.草地学报，2010，18(4) : 594-597.Shen W T.Effect of planting row distance and nitrogen rate on switchgrass yield and the content of crude protein.Acta Agrestia Sinica，2010，18(4) : 594-597.(in Chinese)

［21］Lewandowski I，Heinz A.Delayed harvest of miscanthus: Influences on biomass quantity and quality and environment impacts of energy production.European Journal of Agronomy，2003，19(1) : 45-63.

［22］Sanderson M A，Read J C.Harvest management of switchgrass for biomass feedstock and forage production.Agronomy Journal，1999，80(3) : 5-10.

［23］Madakadze I C，Stewart K A，Peterson P R.Switchgrass biomass and chemical composition for bio-fuel in eastern Canada.Agronomy Journal，1999，91(3) : 696-701.

［24］Vogel K P，Brejda J.Switchgrass biomass production in the mid-west USA: Harvest and nitrogen management.Agronomy Journal，2002，9(4) : 413-420.

［25］张蕴薇，杨富裕.生物质能源工程——能源草概论.北京:化学工业出版社，2014: 30.Zhang Y W，Yang F Y.Biomass Energy Projects——Overview of Energy Grass.Beijing: Chemical Industry Press，2014: 30.(in Chinese)

［26］程备久，卢向阳，蒋立科.生物质能学.北京:化学工业出版社，2008: 83-84.Chen B J，Lu X Y，Jiang L K.Science of Biomass Energy.Beijing: Chemical Industry Press，2008: 83-84.(in Chinese)

［27］刘吉利，朱万斌，谢光辉.能源作物柳枝稷研究进展.草业学报，2009，18(3) : 232-240.Liu J L，Zhu W B，Xie G H.The development of Panicum virgatum as an energy crop.Acta Prataculturae Sinica，2009，18(3) : 232-240.(in Chinese)

［28］董平，邵伟，马同庆.纤维素乙醇生产技术及产业化现状.石油化工，2011，40(10) : 1127-1132.Dong P，Shao W，Ma T Q.Technology for production of cellulose ethanol.Petrochemical Technology，2011，40(10) :1127-1132.(in Chinese)

［29］刘吉利，吴娜.施氮量对柳枝稷生物质产量和水肥利用特性的影响.西北农业学报，2014，23(7) : 166-171.Liu J L，Wu N.Effect of nitrogen rate on biomass yield，water and fertilizer utilization characteristics of switchgrass.Acta Agriculturae Boreali-occidentalis Sinica，2014，23(7) : 166-171.(in Chinese)

(责任编辑 王芳)

Effects of nitrogen level and harvest time on biomass yield and energy characteristics of switchgrass

Gao Li-xin1，2，Liu Jing1，Deng Bo1，Yang Fu-yu1，Zhang Yun-wei1
(1.College of Animal Science and Technology，Chinese Agriculture University，Beijing 100193，China; 2.College of Animal Science and Technology，Jilin Agriculture University，Changchun 130118，China)

The study evaluated the effects of nitrogen application level and harvest time on the productivity and energy characteristics of switchgrass in saline-alkali soil of Yellow River Delta in China.The results demonstrated that nitrogen could significantly increase the biomass of switchgrass.The highest yield of switchgrass was obtained at the fertilization of 200 kg N ·ha－1(P＜0.01).The biomass，ash，nitrogen and lignocellulose contents of switchgrass showed a significant response to the harvest time(P＜0.05) ; As the harvest time delayed，the content of lignocelluloses increased，and it reached the highest in winter and the optimal nirtrogen level was 100 kg N·ha－1.However，the ash content and nitrogen content showed a downward trend by delaying the harvest time.Therefore，our study suggested the high quality switchgrass will be obtained when harvest in winter and with the fertilizer application of 100～150 kg N·ha－1in the Yellow River Delta.

switchgrass; saline-alkali soil; nitrogen application; harvest time; energy characteristics

Deng Bo E-mail: dengbo67@ cau.edu.cn

S759.409; Q949.9

A

1001-0629(2016) 1-0110-06*

10.11829/j.issn.1001-0629.2015-0401

高丽欣，刘静，邓波，杨富裕，张蕴薇.施氮水平和收获时间对柳枝稷生物质产量和能源品质的影响.草业科学，2016，33(1) :110-115.

Gao L X，Liu J，Deng B，Yang F Y，Zhang Y W.Effects of nitrogen level and harvest time on biomass yield and energy characteristics of switchgrass.Pratacultural Science，2016，33(1) : 110-115.

2015-07-12 接受日期: 2015-12-08

十二五863计划(2012AA101802) ;国家牧草产业技术体系(CARS-35)

高丽欣(1988-)，女，河北石家庄人，硕士，主要从事种质资源开发与利用研究。E-mail: gaolixin814@163.com

邓波(1967-)，男，吉林长春人，副教授，博士，主要从事草地生产与利用研究。E-mail: dengbo67@ cau.edu.cn