全 文 ：能源植物一乳浆大戟 ( E up h o rb ia e s u la )
B
.
D
. 马克斯维尔 S 。 M 。维阿特 P . K. 费
摘 要
乳浆大戟 ( E up h orb a i“ s a) ul是一种侵扰草场或荒地的多年生有毒杂草 , 它分布于 美
国北部大平原 。 本文的研究目的是在最适的生长条件下 , 测定它产生的潜在能量 。 在施肥和
灌溉后 , 分三次收割 , 测量计算油 、 碳氢化物和干物质的所有数据 , 并把乳浆大戟作为一种
燃料进行测量 、 分析它潜在的热能 。 并测定 12 个品系 ( tS ar i sn ) 的碳氢化物含量 , 以 研 究
其遗传变异特性 。 由于增加施肥量 , 干物质的产量比未经施肥的多一倍 , 但其中油和碳氢化
物含量的百分比没受影响 。 在干物质中 , 油和碳氢化物平均值 , 分别为 6 . 8%和。 。 6% 。 在七
月中旬的收获期得到的植物生长量 ( B沁 m as s ) 、 蛋白质和碳氢化物的含量 最多 。 在后期生
长中 , 油的含量不断提高 。 全部蛋白质产量平均为 12 % 。 整株植物的全部生物量的热量值是
每克 4 4 0 7卡 , 而油的热量值为每克 1 0 , 0 19 卡。 乳浆大戟干草每年产生的能量比小麦杆产生的
能量多四倍 。 建议乳浆大戟植株的全部生物量作为当地的燃料作物 , 直接用于家庭取暖 。
乳浆大戟 ( E u p h or b ia c 3 u l a) 是一种有毒的多年生杂草 ,生长于美国中北部及加拿大。
这种植物的乳液中含有油和碳氢化物 。 它非常茂盛地生长在边境地区 , 很少受病 虫 害 的 侵
扰 , 控制它的生长也是不经济的 。 因此 , 人们对它的利用越来越感兴趣 。 但是在这些边远地
区 , 没有专为这种植物施肥 、 灌溉和收获的技术和设备 , 因而妨碍了它的生产 。
大戟科植物 ( E u p h or b i加 e ae ) 的乳液中 , 碳氢化物的分子量很低 , 其化学性质 与 通过
催化裂变的 ( n a p ht a) 相似 。 这些产品是高值石油馏分物 , 是化学工业中的主要原料。 1 97 9
年 , 高费 ( e o f f e y ) 和哈劳瑞恩 ( H a l l o r a n ) 分析了绿玉树 ( E u p h o r b i a t i r u e a l l i ) 、 乳白
大戟 ( E . lac t ed ) 和续随子 ( E 。饭为51r i s) 后 , 认为这些植物能生产碳氢化物 。 续随 子 在农
业栽培及碳氢化物的潜能方面 , 曾被认真地研究过 。 1 9 8 2年 , 金斯劳尔曾报导过它的农艺 、
遗传及潜在能量的研究 , 文章认为它属于一种能源作物 , 但是它的限制因素之一是不适应边
境地区各种设备条件。
本研究的目的是测定栽培条件下的乳浆大戟所含的油 、 碳氢化物 、 蛋白质 、 生物量以及
生产的热量 。
实验程序
实验地设在怀特浩尔山 ( w ih t e h al l , M T ) 一块大量生有乳浆大戟的河旁 台地钓谭地上 。 分为两个区 , 一个区内施肥 , 另一个区不施肥 。 每区面积为 4 . 6米 x 9 . 1米。 每牛血内复
进而分为 3 个小区 , 面积为 3 . 0米 x 4 . 6米 。 每小区的收割日期不同 。 所有处理坏蜜剔哪夔
次。 本实验是在 1 9 81 年和 1 98 2年进行的` 一 , . 麟斋 “ 冷厂
_ ` 一赞 一 .
本实验从 6月的最后一周开始 , 在整个生长季节 , 每周喷灌 5 厘米深的水 。 在收割前一
年的十月最后一周内 , 施磷肥 , 每公顷为 80 公斤 P : o 。 区内做成 4厘米深 、 2 厘 米 宽 、 行
间距 18 厘米的带状 。 每个区从 4 月开始到 7 月的第三周 , 施硝酸按 , 每公顷 含氮 量 为 80 公
斤。 第一次收割是 7 月 15 日 , 正值植物的盛花期 ; 第二次收割是 8 月 3 日 , 开花后期 ; 第三
次收割在 8 月 17 日 , 种子半成熟期 。
收获采用一米宽的收割机 , 用耙子将割下的植物集中在一起 , 同时测定鲜重 。 然后 , 将
收割下来的植物体放在 30 ℃烘箱内烘 48 小时 , 测量其干重 。 再用 jK e l dha l 法测定蛋 白质的全
部含量 。
植物的干物质粉碎后 , 放在网眼直径为 1 毫米的筛子里过筛 , 置于 s o x hl et 仪器抽提最
少24 小时 ,然后用 B uc h a an n等 ,发明的方法继续抽提和分离 , 用以测定油 、多酚 (数据 尚未发
表 ) 以及碳氢化物的含量 。 热量的测定是把整个植株粉碎后和所有的提取物使用 P ar r的绝热
氧气热量汁 , 型号为 1 6 8。 。 每个区的实验样品分别重复分析 6 次 , , 把所有地上部分干物质重
量换算成百分数 。 ’ 「 一
1 9 80年在生长季节收获了12 个品系的乳浆大戟 , , 使用上述方法分析碳氢化物的含量 。 这
12 个品系是由美国蒙他那大学的贝克教授采集的 , 这些植物已被保存在波兹曼 ( m n B oz ea )
的波斯特研究农场 ( p o s t R e s e a r e h F a r m ) 的各个水泥槽中。
结 果
生物量的总产量 :
7 月中旬在施肥区上收割的乳浆大戟 , 干物质重量是每年每公顷7 . 5吨 , 如 表 1 所示 。
表 1 1 9 5 2年在 Wh i the a l l M T 乳浆大戟生产量
干重对施肥反应的 3 个数据
乳浆大戟产量 (吨 /公顷 )收割 日期
没 施 肥 施 肥
8 2年 7 月 1 5 日
8 2年 8 月 3 日
8 2年 8 月 1 7 日
L S D S %
3
。
l
2
。
4
3
。
0
2
。
0 5
7
。
5
4
。
9
5
。
0
2
。
5 8
从 7 月收割的产量看 ,施肥可增产两倍多 。最早期收割的每公顷生物量总产量为 2 . 5一 2 . 6吨 ,
这个数据比 8 月份收获施过肥的实验区的产量要多 , 这可能是因为乳浆大戟在成熟期 , 因过
于密集 , 使较低部位的叶子大量脱落造成的 。
油和碳氢化物 :
在施肥区平均生物量中 , 油和碳氢化物分别为 6 . 8%和0 . 6% ,如表 2 所示 。施肥没有改变
乳浆大戟生物量中油和碳氢化物的比例 。 油含量的提高是随季节而变化的 , 在 8 月初收割的
植物 , 油的含量可高达 9 . 7% , 如表 3 所示 。 随着季节的变化 , 含油量下降了 40 % , 即 过 了
两周 , 含油量降到 5 . 8% 。 人们通过观察认为 , 从生物量中得到的油含量最高时期是 8 月初 。
一 3 8 一
乳浆大戟生物量中的碳氢化物含量始终是很低的 , 并且在干物质中从来没超过 7 % 。
表 2 19 8 2年三个不同收割期中 , 施肥未尽施肥的乳浆大戟
(整株植物 ) 油 , 碳氢化物和蛋 白质含量平均值对比表
全部生物量百分数
处 理
碳氢化物 蛋 白 质
翼; ) … )!:。 …)…{2 . ::…:1
蛋白质 :
在收获到的乳浆大戟的生物量中 , 主要蛋 白质含量为 1 1 . 5% , 7 月中旬 蛋 白 质 含量高
达 1 4 . 2% , 其后 , 含量不断下降 , 到 8 月中旬 , 含量低达 8 . 2 % , 如表 3 所示 。 7 月份 收 获
的材料中 , 含蛋白质较高 , 是由于生物量的再生产 。 而 8 月中旬 , 因种子成熟而大量散失 ,
从而造成使蛋 白质大量减少 。
表 3 1 9 82年施肥区内收割 日期对乳浆大戟的油 、
碳氢化物和蛋白质的影响
全部生物量百分数收割日期
碳氢化物 蛋 白 质
8 2年 7 月 15日
82 年 8 月 3 日
82 年 8 月 17 日
L S D S %
0
。
7
0
。
5
0
。
5
1
。
0 0
1 4
。
2
1 2
。
2
8
.
2
3
。
8 1
热值与能量的生产 :
整株植物生物量的热值是每克 4 . 407 卡 , 和木材或麦杆等生物材料的热 值 相似 , 如表 4
所示 。乳浆大戟油的高热值超过每克 1 0 , 0 0 卡 , 因此 , 可与原油或优质无烟煤相媲美 。 施肥和
收获 日期的变化 , 没能影响乳浆大戟整株植物所产的生物量和油类的热值 (结果尚未发表 ) 。
各品系的差异 :
本实验测试了 12 个品系碳氢化物的含量 , 如表 5所示 。 碳氢化物的含量分别 占 干 重 的
0
。
12 ~ 2
.
27 %
, 表明 : 存在通过精选可以改进其潜能 。
讨 论
布堪那 ( B cu h a n a n) 等 , 依据每种植物的植物学 、 化学及纤维结构来评价其 生产碳氢
化物的潜在能量 , 并运用 “ 分值系统 ” 表示。 如果某植物得 5分 , 说明它具有 非 常 高 的潜
一 3 9 一
表 4乳浆大戟与原油 、 麦杆 、 无烟煤 、 扭叶松所含能量的比较
材 料 大卡 /克
乳浆大戟干材料 理, 40 7
大卡 /公顷 /年
(单位 : 十亿 )
3
。
3 1
乳浆大戟油 10 , 01 9 一
瓢覆 … `黑 . 1 二
麦 杆 } 钾0 ’ .8c扭叶松 _ _ 「 }
少翌 . `黔资t几.兄竖{北. {_ . _ _ , ~ .止燮 ~ _ _ , _ _息 _ _ _ _ _ _竺 _ _ _ _ _ _ J _ . _ _
表 5 乳浆大戟12 个品系碳氢化物含量的比较
品 系 号 一
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40劝此273856韶914八曰n月` le口1!ù U目ù n乙科 t上1, .工加拿大的阿尔伯特
加拿大的萨斯卡彻万
科罗拉多州
怀俄明州
爱达荷州
南达科他州
北达科他州 工
北达科他州 兀
密苏拉山
莫卡逊山
波杰曼山
安梯罗普山
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12345768。102
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。` 二
能 , 可以发展成为产碳氢化物和油类的作物。 若得 8分 , 说明该植物既适合生产碳氢化物 ,
又适合产油类 。 若得 n 分 , 说明该植物利用价值处于模棱两可 , 建议作为能源作物 。 若得 17
分 , 表明该植物的潜能甚小 。
例如采自野生样品白守各种借物分值如下 : 柏大戟 ( E u p h o r b i a 。 y p a r i。 s 、 a , L . ) 为 1 2 ;
斑叶地锦 ( E . S u p i n a R a f . ) 为 1 3 ; 猩猩草 ( E . h e t” o p h y l l a L 。 ) 为 1 1 ; 续随子 ( E . l a t h -
yr is L
.
)为 1诉 齿大戟 ( E . d en at 饭 M ic h x 。 ) 为 1。 。如果扶照我们研究的方法来种 植 , 这些
植物所得的 “ 分数 ” 要比原来野生状态者少 , 即利用价值旨。
若用布堪那等制定的 “ 分数系统 ” 和根据我们的研究资料评价 : 乳浆大 戟可 以 得到 10
分 。
一 4 0 一
栽培的乳浆大戟能被种植和正常收获 。 因此 , 它将得到较好的分数 。 在化学范畴内 , 乳
浆大戟含油的百分比高 (大于 8 % ) , 能得到最好的分数 “ 1 分 ” 。 如用布堪那等的分数系
统衡量人工栽培和遗传控制下的乳浆大戟 , 矛得分数会更好些 , 即 8 一 9 分 。
1 9 8 1年 , 萨克斯等报导续随子 ( E . l a ht yr is ) 的研究文章 。 每公顷可 产 类 石 油 19 。 8~
2 4
。
7桶 , 含能量为每公斤 8 . 9百万卡 。 乳浆大戟油的产量大约是每公顷 5 . 5桶 , 含能量每公斤
氏万百万卡 。 续随子在加里福尼亚州的生长期为七个月 , 而乳浆草在蒙他那州的生长期 只 有
四个月 。
,
1 9 8 2年 , 根据金斯劳尔 ( K in gs ot ve r ) 报导的 、 续随子 ( E . lat h w is ) 通 过遗传育种可
以提高其潜能的实验报告 , 乳浆大戟也可以通过遗传育种提高其能源潜力 。 这个建议是根据
表 ` 5 , 各生态型间碳氢化物含量的差异较大 , 是否可以考虑其种间杂交 。 在作出这种植物潜
能的结论前 , 通过育种技术改善活力的可能性还需要进一步探索 。
一些主要的经济吗素限制了生物燃料的生产 , 它包括 ( 1 ) 提取油和碳氢化物的成本 。
( 2 ) 运输问题 。 ( 3 ) 集中与贮藏问题 。 考虑到能源植物所有生物量的利用 , 以及乳浆大
戟生物量中的热值可直接当作燃料使用的可能性 , 上述诸不利因素是可以克服的 。
乳浆大戟的生物燃料潜能 :
农场 、 地方化小工厂以及家庭对木材及其他可更新热资源系统的兴趣已在增加 。 小麦杆
平均产量为每年每公顷 4 吨 , 而且每公斤含有 4 . 2百万卡的热能 。 扭叶松 (P i o us 。 。 nt o r 饭
D ou g l
.
) 每公顷可产 8 4 . 5吨木材 , 热值为每公斤 2 . 6百万卡 , 生产周期至少 50 年 。 通 过比较
经过施肥和灌溉的乳浆大戟平均产量为每年每公顷 5 。 8吨 , 热值为每年每公斤 9 . 5百 万 卡 。
乳浆大戟与小麦不同是多年生植物 , 不必年年种植。 进一步比较可以看出 , 小麦 杆 含能 量
8
。
1 ` 。亿卡 /公顷 /年 , 扭叶松含能量 4 。 4 ’ “亿卡 /公顷 /年 , 乳浆大戟含能量 为 3 . 1` 。亿卡 /公
顷 /年 (表 4 ) 。
乳浆大戟储存潜在能量的主要部分是叶子 , 叶子的生物量中储有纯净的高能 。 自从市场
出售几种炉子以来 , 可以把农作物的秸棵作为燃料 , 同样也可 以用来燃烧成捆的乳浆大戟。
蒙他那州农场的住宅和商店分别占地面积为 3 0 0 0平方英尺和 5 0 0 0平方英尺 , 每年需要消
耗热能 7 10 亿卡 。 因此该农场的建筑一年将需要 2 。 1公顷长满乳浆大戟的土地来生产干草以供
取暖 (假没生物材料的有效燃烧率小于 1 0 % ) 。 应考虑在边远地区长满乳浆大戟的 农 场或
牧场的草地上进行机械化的干草收割和贮藏工作 , ` 因那里的植物生长旺盛 , 土地价格又很便
宜 。
尽管从分类的角度看 , 乳浆大戟是一种毒草 , 但它却为农村地区的燃料提供了可再生的
资源 。 把乳浆大戟作为石油化工产品的代用品 , 目前为时尚早 , 然而随着矿物燃料供应的减
少 , 将来一定会看到植物作为可再生的能源加以利用 。 象乳浆大戟那样的生长在边远农村 ,
又很少有自然灾害的多年生植物 , 将是最吸引人们注意的 。
( E
e o n o m i e B o 丈a n y 》 V o l 。 3 9 , N o 。 2 。 19 8 5。
陆静梅 译 赵毓棠 校