五節芒綜合利用研究綜述*

王靜遠 ，劉麗娜 ，吳 飛

（浙江農林大學，浙江 杭州 311300）

1 五節芒的優點與危害

在化石燃料日益稀缺和不可再生資源不斷減少的背景下，人們對綠色環保的需求不斷增加。開發生物質材料是減少傳統石油基塑料高碳排放的有效途徑[1]，生物質是通過生物光合作用從大氣中的CO2、H2O和陽光中生成的，生物質燃料不僅有與石油基產品相媲美的性能，還具有顯著的環境優勢與性價比。

木材雖是自然界占比最大的生物質原料，但其珍貴性日益顯現，人們轉而尋找非木材生物質原料[2]，五節芒便是其中之一。五節芒是禾本科、芒屬的多年生草本植物，生物量高且耐受力強。五節芒適合生物質材料開發有兩點原因，其一，我國是芒屬植物的分布中心，可以提供豐富的品類資源；其二，近些年由于民間利用減少，五節芒開始瘋狂生長，迅速上升為我國東南地區林業主要惡性雜草之一，此時將五節芒用于開發生物質材料有助于科學防治，變廢為寶。

五節芒（Miscanthus floridulus），被子植物門禾本科黍亞科須芒草族甘蔗亞族芒屬。芒屬植物是多年生禾本科禾草，植株高度可達2 m～4 m。它原產于東亞，廣泛分布于從東南亞到太平洋島嶼的熱帶、亞熱帶和溫帶地區，在非洲也有少數種類。五節芒生于低海拔撂荒地、丘陵潮濕谷地、山坡或草地。芒屬植物約有10種，我國有6種，分別為五節芒、芒、金縣芒、高山芒、紫芒和黃金芒。五節芒在中國主要存在于華東華南的江蘇、浙江、福建、臺灣、廣東、海南和廣西等地區[3]。芒屬植物適應性強、生物產量高（45 t/hm2）、纖維品質好、灰分低，是國內外公認最具潛力的能源植物之一。其中，五節芒具有光合效率高、生長快、適應性強、生物質產量高等優點，極具開發價值[4]。

五節芒形貌特征如圖1所示，五節芒以其高大的莖稈和披針狀線形、扁平的葉片而著稱。其葉片基部漸窄或呈圓形，頂端長漸尖，中脈則顯得粗壯隆起。葉面兩面均不生毛，但上部基部有柔毛，而邊緣較為粗糙。五節芒的圓錐花序體型較大，十分密集。小穗卵狀披針形，呈黃色，芒長為7 mm～10 mm，表面略帶粗糙，伸直或下部稍扭曲。其內稃微小，雄蕊為3枚，花藥長1.2 mm～1.5 mm，色澤呈桔黃色。花柱極為短小，柱頭呈紫黑色，自小穗中部之兩側伸出。

趙佳美等[5]對五節芒的微觀結構進行了深入研究，發現五節芒的莖稈由三個組成部分：外皮、木質、髓部。外皮為莖外面的部分，木質為外皮內圈維管束較多且密集排布的部分，髓部為莖內部呈白色條紋狀、含少許維管束的部分。通過觀察莖的橫、縱切面切片，可以看出上面大致有三個組成部分：表皮組織、維管束和基本的薄壁組織。五節芒主要由纖維素、半纖維素和木質素組成，其中纖維素質量分數高達47.9%[6]，纖維素具有高度的結晶度和優異的熱穩定性，而半纖維素和木質素則是無定形的。五節芒具有羰基、羥基、羧基、甲基等官能團，含有大量的愈創木基和紫丁香基結構單元。

早年，五節芒為農民提供了可用作家畜飼料的莖葉和可制成掃帚頭的花序軸等資源，同時由于人類的利用，五節芒生物量也一直保持在合理范圍內。然而，隨著社會生活水平的提高，民間砍伐五節芒的次數不斷下降，利用率持續降低。五節芒強大的生命力和極快的繁殖速度使其增長遠遠超過人類的利用率，迅速成為我國東南地區主要的林業惡性雜草之一。

五節芒的防治成本高、難度大，對環境和經濟的危害日益顯現。其危害[7]有三：一是五節芒入侵造林地后，其發達的根系和強大的再生能力使得清理難度極大，嚴重影響了造林的成本和效率。二是五節芒具有較強的物種競爭力，抑制其他植物生長。五節芒入侵幼林地，不僅抑制喬木層的更新演替，還形成大面積的單優群落，從而破壞生態系統的物種多樣性和穩定性，破壞景觀的自然性和完整性。三是五節芒容易成為森林火災的罪魁禍首。冬季干燥時，五節芒成為常見的易燃物，不僅易引發火災，還容易擴散火災，給滅火帶來巨大困難。

因此，五節芒的高效利用與產品開發有助于提高自然資源的利用率，也能更好地促進和諧生態，推動五節芒加工利用這一特色產業的形成與發展，變廢為寶，為推動開發生物質能源提供新的樣品與思路，以此緩解人類面臨的日益嚴峻的能源環境挑戰。

2 五節芒綜合利用研究現狀

五節芒的應用領域十分廣泛，應用領域涉及復合材料、生物能源、生態保護、園林景觀、造紙原料、飼料等方面，如圖2所示，國內外主要的綜合利用方向如下。

圖2 五節芒的綜合利用

1）復合材料：小麥秸稈的木質纖維素可以轉化利用，將木質纖維素轉化為生物產品，如乙醇、生物氫和生物復合材料等[8]。五節芒花絮可用作吸油材料，其對植物油、機油、柴油飽和吸油容量分別為15.23 g/g、22.15 g/g和26.65 g/g，自然瀝干5 h后保油率均在70.0%以上，可制成水油分離材料，實現農業資源有效利用[9]。據研究，一般芒屬植物的木質素含量為17.8%～27.7%。木質纖維素含量為32.7%～49.5%、半纖維素含量為21%～34.8%[10]。與小麥秸稈等其他木質纖維素生物能源作物相比，芒具有更高的生物量和纖維素含量，更有利于以低成本開發綠色高效復合材料，以減少傳統塑料的使用，更加符合人類可持續綠色發展要求。

2）生物能源：五節芒含有熱值較高。Salvatore Collura等的研究表明，芒草的熱值一般為17 MJ/kg，按產量30 t/hm2計算，每l hm2芒草熱值可高達510 000 MJ[10]。愛爾蘭芒草產電量占其全國總產電量的37%，是歐盟各國最多的。芒草的高生物質產量和其收獲時的低水分含量有利于燃燒，且其具有的較多揮發性物質使得它比煤炭有更好的點火穩定性，并且芒草的燃燒較農作物秸稈更為穩定和清潔[11]。Katukuri等[12]研究了過氧化氫預處理對于增強五節芒改善厭氧消化過程中生物質的沼氣產量，結果表明，在中性pH下，在0.8%H2O2濃度下，甲烷收率為278.7 mL/g VS（揮發性固體），與未處理的樣品相比提高了49%。因此，許多科學家都把它作為第二代生物燃料中最有前景的原料之一。Ercoli等[13]對芒草的產能量進行了研究，結果表明芒草是一種優質的能源禾草植物，比短輪伐期林木用作能源植物更具優勢。

3）生態保護：五節芒能耐41.5 ℃的短期高溫；在長達20天的35 ℃以上持續高溫下能正常生長；在連續4天干熱風的侵襲下，仍能安然無恙，有強大的生命力。通過對五節芒的生態特性開展長期的深入研究，發現五節芒是一種非常有發展潛力的飼草和環境保護植物，五節芒根系發達，耐旱性較好，能夠截流雨水、涵養水源、防止表土流失和滑坡，具有較高的水土保持價值。五節芒在恢復土壤環境方面也起到了積極作用，對鎘、鋅和鉛等重金屬有較大的耐受性，能夠用作植物修復[14-15]。張崇邦等[16]為了了解五節芒這種重金屬耐性植物對尾礦砂土壤的改良作用，研究了尾礦砂堆積地五節芒自然定居對土壤微生物生物量、呼吸速率及酶活性的影響。結果發現，隨著五節芒在尾礦砂上的定居，除土壤以外，土壤有機碳、總氮、總磷、速效磷的含量以及團聚體穩定性和最大持水量均顯著提高，而土壤重金屬總量與可提取量均顯著下降；土壤微生物生物量碳、氮、磷，基礎呼吸速率，基質誘導呼吸速率，多種土壤酶活性均顯著提高。

4）園林景觀：芒屬植物也是可以作為觀賞性植物。在很多國家都有將芒屬植物應用于園林景觀的先例。英國著名景觀設計師雷塞爾·佩奇（Ressel Page）使用了許多裝飾性植物，包括芒屬植物，創造了一個新的自然美麗的花園，打破了傳統園林景觀的概念。園林中應用有5種常用的芒屬觀賞草：五節芒、芒、花葉芒、晨光芒和細葉芒[17]。然而目前的五節芒的品相無法滿足園藝審美的要求，因而我國正逐步加大對現有芒屬植株資源的研究，利用芒屬植物資源豐富的優點，通過合理利用生物技術，培養適宜的新品種。

5）造紙原料：我國是森林資源貧乏的國家，中國紙業的發展離不開非木材纖維。中國有豐富的禾草類纖維資源，作為造紙原料可以緩解森林過度開采，在草類纖維制漿造紙方面也已經積累了豐富的經驗[18]。五節芒纖維細長（1 mm～2 mm）、生物量大（45 t/hm2）、含漿量高（48.4%）[19]，是優秀的造紙原料。房德建等[20]分析了葛藤、蜈蚣草、飛蓬、玉草、五節芒、桑枝6種非木材原料的制漿性能，其中五節芒纖維結構比較細長但表面比較粗糙，纖維的結晶度較大，為40.39%，纖維的斷裂強力較大，纖維素含量在37.5%～40.62%之間，綜纖維素含量在64.83%～74.43%之間，木素、灰分、抽出物等含量相對較低，粗漿得率較高且卡伯值相對較低，是值得進一步開發研究的制漿造紙原料。然而，禾草類纖維制漿仍面臨如原料采集方式落后、技術落后、市場競爭能力低、環境污染等問題，非木材造紙雖有巨大的發展潛力，但仍處于緩慢發展階段。

6）飼料：五節芒一年種植可多年利用，五節芒可青飼也可青貯或曬制干草，可將干稻草等粗飼料與五節芒青飼料摻合，以提高粗飼料的適口性。池春梅等[21]探究了不同時期（萌芽期、拔節期和抽穗期）五節芒營養成分，并研究五節芒在山羊瘤胃內的降解特性。得出結論：拔節期五節芒具有生物量大、營養品質較優的特點，拔節期五節芒干物質（DM）、粗蛋白（CP）、中性洗滌纖維（NDF）和酸性洗滌纖維（ADF）在山羊瘤胃中的降解率隨時間的變化依次遞增，72 h時達到最大，最大降解率分別為42.94%、59.31%、44.15%和39.65%，有效降解率分別為30.03%、40.74%、29.80%和27.41%，因此拔節期五節芒最具營養價值，是一種具有開發潛力的非常規粗飼料。

總之，五節芒的綜合應用是其實現高值化利用的有效途徑，對于我國生物質材料的開發與研究更有其積極意義，不僅能實現對五節芒的綠色防治，還有利于發揮我國芒屬資源優勢，緩解能源資源危機，提高社會效益。

3 結論

五節芒應用廣泛，原料易得，生物量大，作為生物基材料潛在的研究價值值得被人們重視，同時，五節芒強大的生命力和極快的繁殖速度使其增長遠遠超過人類的利用率，迅速成為我國東南地區主要的林業惡性雜草之一。對五節芒實現高值化利用是破解五節芒防治難題、開發清潔材料與能源的關鍵，五節芒的應用領域涉及復合材料、生物能源、生態保護、園林景觀、造紙原料、飼料等方面。深入研究五節芒等生物質，推動生物質產業壯大，可以為緩解能源、環境危機提供新的思路。