能源植物斑茅在不同生長時期的產量與組分變化

閆蕓蕓 劉健 甘禮惠 余小龍 龍敏南 Nasir Ali1

摘 要 研究不同時期斑茅產量及其化學組分的變化。結果表明：斑茅生物質產量在11月達到最高，其后開始下降；整個生長發(fā)育過程中莖葉生物質產量比呈現(xiàn)上升趨勢；含水量隨生長發(fā)育的進行顯著降低；葉片灰分含量全年最低為5月，從10月份開始顯著增加，至12月份達到最高。莖稈灰分含量略低于葉片，全年最低為10月，最高為7月，變化幅度不大。葉片中木質素含量全年由高到低排列順序為12月>11月>9月>10月>7月>8月>6月；莖稈中木質素含量全年由高到低排列順序為12月>11月>9月>7月>8月>10月>6月。10月份莖稈含水量低，灰分含量最低，熱值較高，結合產量和燃料品質考慮其更適于直接燃燒，而9月份葉片則更加適于作為生物轉化的材料。

關鍵詞 斑茅；收獲時間；化學組分

中圖分類號 Q949.94 文獻標識碼 A

當前環(huán)境問題和糧食安全問題已經成為國際性難題。糧食供給緊張，把糧食作物作為原料生產燃料乙醇或生物柴油均存在一定的弊端。此外，森林資源也需重點保護，不可過度開發(fā)利用。因此，在能源植物的開發(fā)方面，需加快篩選能利用非農用地、抗逆性強、易于繁殖、成活率高、單位質量產能高的能源植物。與木本植物相比，某些高大的多年生禾本科植物對環(huán)境要求低，種植成本低，再生能力強，是更加理想的能源植物[1-2]。目前對草本能源植物研究主要有2方面：一是對不同生物質的化學成分的研究以及通過基因工程手段改變植物細胞壁結構；二是不同預處理以及發(fā)酵等降解轉化工藝的優(yōu)化。這2種做法均存在缺陷。通過上游基因工程手段改良能源植物，有可能對能源植物本身產生較大負面影響，影響其生長發(fā)育和最終產量，而且一般只能改良單一的因素，對從整個細胞壁結構來把握其降解轉化效率效果不佳；通過下游改進預處理方式，則由于能源植物的多樣性，種間差異性，很難研究出一種適合所有能源植物的預處理方法[1-4]。因此，挑選合適的能源植物品種和制定適宜的收獲計劃，可以有效提高其利用率，促進能源植物的開發(fā)和利用。

斑茅（Erianthus arundinaceum）為禾本科蔗茅屬植物，在中國熱帶和亞熱帶地區(qū)廣泛分布，有較強的抗旱能力和生態(tài)競爭能力。此外，斑茅纖維含量高，在生產燃料乙醇方面具有很大優(yōu)勢。在國外，斑茅因其高產、良好的抗蟲性及方便大規(guī)模管理，被認為比象草和甘蔗更適于作為能源作物大面積推廣[5-7]。而國內對將斑茅作為能源植物的研究才剛剛起步，主要集中在斑茅種質資源的雜交利用和抗性研究、生理生化研究及遺傳動態(tài)研究，鮮見關于將其作為優(yōu)良能源植物的報道[8-11]。因此，本研究通過研究斑茅（E. arundinaceum）生長過程中的有機組分、灰分、熱值的構成或變化情況，挑選其作為原料直接燃燒或作為酶解底物的最佳收獲季節(jié)及加工方式，做到物盡其用，最大程度降低生產成本。

1 材料與方法

1.1 材料

實驗材料為斑茅（E. arundinaceum），2013年5月5日播種于廈門大學翔安校區(qū)生態(tài)園，地理位置為24°26′N，118°19′E，海拔23.69 m。當?shù)貧夂驅儆趤啛釒Ъ撅L氣候，實驗土壤為紅壤土。種植行距為35 cm，小區(qū)面積為30 m×30 m。播種后每隔一天灌溉一次，發(fā)芽后停止灌溉，試驗期內不施肥。

1.2 方法

每月25日采集一次樣品，齊地面刈割，將葉片和莖稈分開，分別測其生物量與含水量，取莖稈基部以上50 cm作為測試樣品，用剪刀剪成約5 cm 長的小段；葉片按其長度平均分為上、中、下3部分，取中部葉片，剪成5 cm左右的小段，于45 ℃烘箱烘干，粉碎處理后過篩備用。含水量測定用烘干法，灰分含量用干灰化法測定，干重熱值用氧彈式熱量計測定[12]，纖維素、半纖維素和木質素的含量測定參照了美國國家可再生能源實驗室[13]（National renewable energy laboratory， NREL）制訂的實驗規(guī)程（Laboratory analytical procedure， LAP）。預處理方法參考Banerjee等[14]的實驗方法， 酶解方法參考趙春橋[2]的實驗方法。

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)的處理和相關分析采用DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。

2 結果與分析

2.1 收獲時間對斑茅生物質產量的影響

斑茅在整個生長季節(jié)中生長迅速（圖1），在拔節(jié)期生長速度最大，達到4.2 cm/d，在開花期后期，生長速度也達到4.6 cm/d，結實期以及枯黃期生長逐步減慢直到停止生長。隨著收獲時間的推移，斑茅各組分的產量和比例見圖2。從圖2中可以看出，斑茅的生物質產量在枯黃期早期（11月）達到最高8.23 kg/m2，其后呈下降趨勢。其生物質產量的組成也隨時間發(fā)生變化，拔節(jié)期（6月）開始后，莖葉比一直呈上升趨勢，直到枯黃期稍有回落。葉的生物量從展葉期到拔節(jié)期前期增長緩慢，從拔節(jié)期中期開始，伴隨著葉片的迅速伸長和分蘗數(shù)的增加，直至抽穗初期生物量比拔節(jié)期初期增加了8倍，而開花期中期（9月）葉的生物量達到了整個生育期最高值，比抽穗期中期（8月）翻了約1倍。莖生物量從拔節(jié)后期（7月）到抽穗期（8月）及從抽穗期到開花期中期（9月）均翻2倍增加，從開花期后期到結實期末期增長幅度減小，僅增加了16.1%。枯黃期（11月）后產量開始降低。整個生長發(fā)育過程中莖葉生物量比呈現(xiàn)上升趨勢，生長節(jié)律呈現(xiàn)出“慢-快-慢”的增長規(guī)律。

2.2 收獲時間對斑茅含水量的影響

由圖3可看出，展葉期植株含水量最大，在6～7月期間波動不大，略有減少。隨著拔節(jié)期的繼續(xù)，含水量比7月減少了12.5%，從開花期后期（9月）開始到結實期中期含水量下降了16.7%，隨后含水量呈緩慢降低，直到枯黃期末期。通過比較可以看出，枯黃期含水量比開花期中期降低了約25.8%。整個生長期間含水量差異顯著（p<0.01），開花期后期到枯黃期含水量差異不顯著。

2.3 不同時間斑茅不同部位灰分含量和熱值的變化

由表1可看出，生長初期（6～9月），斑茅莖的灰分含量均高于葉。莖灰分含量范圍在5.0%～8.2%，平均值7.8%，葉灰分含量5.0%～7.0%，年平均值6.4%。葉片灰分含量變化趨勢為12月>11月>10月>6月>8月>9月>7月，莖稈灰分含量變化趨勢為7月>9月>11月>6月>8月>12月>10月。開花期（9月）后，葉的灰分含量顯著增加，從6.3%增加到19.7%，增加了2倍多；而莖灰分含量始終在5.0%上下浮動。6～9月葉片灰分含量差異均不顯著（表2）；6月、7月、9月和11月間莖稈灰分含量差異不顯著，10月和12月間差異不顯著（表3）。

斑茅葉片熱值在整個生長過程中基本都高于莖稈，只在結實期到枯黃期（11月）略低于莖稈。葉片的熱值為16.59～18.85 kJ/g，年平均值為17.60 kJ/g，全年最高值出現(xiàn)在10月，最低值在9月；莖稈的熱值為16.63～17.82 kJ/g，年平均值為17.21 kJ/g，全年最高值出現(xiàn)在8月，最低值也在9月。斑茅葉片單位面積熱值最高出現(xiàn)在10月（35.91 kJ/m2），其次為9月（35.79 kJ/m2）。莖稈單位面積熱值最高出現(xiàn)在11月（113.33 kJ/m2），其次為10月（98.10 kJ/m2）。

2.4 收獲時間對斑茅有機組分含量的影響

從表4中可知，不同收獲時期斑茅葉和莖的有機組分也不同。斑茅葉片纖維素含量差異不顯著；半纖維素含量在拔節(jié)期后期有所降低，結實期后又逐漸恢復；木質素含量變化較大，整個生長期內由高到低為12月>11月>9月>10月>7月>8月>6月；6～10月木質素含量差異不顯著（表5），11月和12月差異極顯著（p<0.01），12月木質素含量是6月的1.69倍。

莖稈中纖維素含量隨收獲時間的推移呈梯度增長趨勢，12月纖維素含量比6月增加了33.70%；半纖維素含量在9月即開花期前期達到最高（24.17%），至12月份即枯黃期時達到穩(wěn)定，維持在22.90%左右；木質素含量在12月份達到31.27%，比6月增加了1.01倍，整體由高到低排列為12月>11月>9月>7月>8月>10月>6月。莖稈木質素含量在7月、8月、10月間差異均不顯著（表6），其他時期則差異顯著（p<0.01）。

對比葉片和莖稈木質素含量可知，整個生長過程中葉片平均木質素含量為19.85%，莖稈平均木質素含量略高，為20.74%。

2.5 收獲時間對斑茅葉片和莖稈水解產還原糖的影響

由圖4可看出，從展葉期到枯黃期，莖稈和葉片的酶水解所得還原糖濃度均呈下降趨勢。葉片酶水解所得還原糖濃度由高到低為6月>9月>8月>10月>7月>11月>12月，莖稈為8月>6月>9月>10月>7月>12月>11月。莖稈酶水解所得的還原糖濃度在整個生長期內平均值為1.86 mg/mL，葉片為2.12 mg/mL，莖稈較低，這可能與其木質化程度和木質素的結構有關。葉片酶水解后還原糖濃度在不同物候期間差異顯著，7月和10月差異不顯著；莖稈酶水解所得還原糖濃度在不同物候期間差異較顯著，11月和12月最低，兩者間差異不顯著。

3 討論與結論

隨著收獲時間的推移，斑茅的生物質產量會減少，這與Shinners等[15]對玉米秸稈生物質產量的研究結果一致。Hadders等[16]分析認為，多年生草本能源植物生物產量降低的原因主要包括呼吸消耗、生物降解、淋洗作用以及機械損失等。本研究中12月生物質產量降低可能是成熟期后斑茅含水量降低引起的。研究結果表明斑茅生長后期生物質含水量顯著降低，這對降低運輸和干燥成本有重要意義。

莖稈木質素和纖維素含量隨著收獲時間的推移也有明顯的提高，而灰分含量基本保持穩(wěn)定。葉片灰分11月份比7月份增加了近1.9倍，有研究表明生物質燃燒發(fā)電時，灰分高會造成燒結、結塊、沉積、侵蝕和腐蝕等問題，并且灰分含量越高凈化難度越大[17]。而生物質熱解氣化也要求生物質產量高、含水量低、體積密度高、熱值高、揮發(fā)性物質多及S和Cl含量低[17]。因此，10月份（生長5個月）莖稈的燃料品質是最佳的。

植物組分或器官干重熱值的差異主要受自身組成物質結構和功能的影響，熱值隨季節(jié)的變化情況與植物的物候節(jié)律及其對環(huán)境因子變化的反應有關[18]，其次還受光照強度、日照長短、土壤類型和植物年齡等影響。高光效植物在其生長旺盛時期可從根部吸收較多的礦質元素，而礦物質是灰分的主要成分，其熱值變化可能受植物體內礦質元素的含量和種類影響[19]。葉片灰分含量一般比莖稈高，可能是由于其礦質元素含量相對較高，可見對于選育可燃性能源植物而言，莖葉比是一個較好的評價指標，莖葉比值偏高時品質較好，因此也可以通過某個時期的莖葉比值大小來確定最佳收獲時期。

本研究結果也顯示，不同時期斑茅不同部位木質素含量不同，同一預處理方式下產糖量也不同。隨著木質素總含量的降低，酶水解后還原糖濃度提高，一方面是由于木質素結構復雜，阻礙了酶解，另一方面可能在預處理過程中產生了毒副產物，影響酶解效果。Davison等[20]研究指出，改變木質素含量和木質素中單體S/G值有利于楊屬植物中木糖（五碳糖）的釋放。也有一些研究認為，預處理后木質素的剝離效果也與木質素的組成相關，比如（S/G比）[21]。

在解決纖維素降解過程中的難題時，可以避開復雜而昂貴的預處理過程，從材料本身出發(fā)，選取植物木質素含量和結構相對易于處理的生長階段，直接降低成本。綜合來看，10月份莖稈含水量低，灰分含量最低，單位面積熱值較高，結合產量和燃料品質考慮其更適于用作燃料。9月（生長4個月）的斑茅葉片生物量積累較高，經過預處理后，酶水解所得的還原糖濃度較高，更適于作為降解的底物。

參考文獻

[1] 李 峰. 北方能源草的篩選及其評價[D]. 蘭州： 甘肅農業(yè)大學， 2009.

[2] 趙春橋. 能源植物木質素組成結構對降解轉化效率影響的研究[D]. 武漢： 華中農業(yè)大學， 2011.

[3] Marisa A Lima. Effects of pretreatment on morphology， chemical composition and enzymatic digestibility of eucalyptus bark： a potentially valuable source of fermentable sugars for biofuel production-part 1[J]. Biotechnology for Biofuels， 2013， 6（1）： 75-77.

[4] Li X G， Wu H X， Southerton S G. Transcriptome profiling of Pinus radiata juvenile wood with contrasting stiffness identifies putative candidate genes involved in microfibril orientation and cell wall mechanics[J]. BMC Genomics， 2011， 12： 480.

[5] Venturi P， Venturi G. Analysis of energy comparison for crops in European agricultural systems[J]. Biomass and Bioenery， 2003， 25 （3）： 235-255.

[6] Berndes G， Hoogwijk M， van den Brock R. The contribution of biomass in the future globalenergy supply： a review of 17 studies[J]. Biomass and Bioenergy， 2003， 25： 1-28.

[7] Mckendry P. Energy production from biomass（part1）： overview of biomass[J]. Bioresource Technology， 2002， 83（1）： 37-46.

[8] 丁 燦， 楊清輝， 李富生， 等. 低溫脅迫等對割手密和斑茅葉片游離脯氨酸含量的影響[J]. 熱帶作物學報， 2005， 26（4）： 52-56.

[9] 何慧怡， 勞方業(yè)， 劉 睿， 等. 斑茅蔗后代雜種的分子標記分析[J]. 華中農業(yè)大學學報， 2008， 27（5）： 573-577.

[10] Uwatoko N， Tanaka M， Saito A， et al. Establishment of plant regeneration system in Erianthus arundinaceus（RetZ）Jeswiet， a potential biomass crop[J]. Grassland Science， 2011， 57（4）： 231-237.

[11] 鄧祖湖， 李玉嬋， 劉文榮， 等. 甘蔗和斑茅遠緣雜交后代的染色體遺傳分析[J]. 熱帶作物學報， 2007， 28（3）： 62-67.

[12] 陳慧娟， 寧祖林， 張卓文. 五節(jié)芒生物學特性及能量生產動態(tài)變化[J]. 草業(yè)學報， 2012， 21（6）： 252-257.

[13] Sluiter A， Hames B， Ruiz R， et al. Laboratory analytical procedure： determination of structural carbohydrates and lignin in biomas[M]. 2008.

[14] Banerjee G， Car S， Scott-Craig J S， et al. Alkaline peroxide pretreatment of corn stover： effects of biomass， peroxide， and enzyme loading and composition on yields of glucose and xylose[J]. Biotechnology for Biofuels， 2011， 4（1）： 16.

[15] Shinners K J， Binversie B N. Fractional yield and moisture of corn stover biomass produced in the Northern US Corn Belt[J]. Biomass and Bioenergy， 2007， 31（8）： 576-584.

[16] Hadders G， Olsson R. Harvest of grass for combustion in late summer and in spring[J]. Biomass and Bioenergy， 1997， 12（3）： 171-175.

[17] Mohan D， Pittman Jr C U， Stcclc P H. Pyrolysis of wood_Biomass for Bio-oil： A critical review[J]. Energy Fuels， 2006， 20（3）： 848-889.

[18] 何 曉， 包維楷， 辜 彬， 等. 中國高等植物干質量熱值特點[J]. 生態(tài)環(huán)境， 2007， 16（3）： 973-981.

[19] 官麗莉， 周小勇， 羅 艷. 我國植物熱值研究綜述[J]. 生態(tài)學雜志， 2005， 24（4）： 452-457.

[20] Davison B H， Drescher S R， Tuskan G A， et al. Variation of S/G Ratio and lignin content in a populus family influences the release of xylose by dilute acid hydrolysis[J]. Applied Biochemistry and Biotechnology， 2006， 130（1-3）：427-435.

[21]Duguid K B，Montross M D，Radtke C W，et al. Effect of anatomical fractionation on the enzymatic hydrolysis of acid and alkaline pretreated corn stover[J]. Bioresource Technology， 2009，100（21）：5 189-5 195.

責任編輯：林海妹