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Studies on the biological characteristics and dynamics of energy production of Miscanthus floridulus

五节芒生物学特性及能量生产动态变化



全 文 :书五节芒生物学特性及能量生产动态变化
陈慧娟1,宁祖林2,3,张卓文4
(1.武汉长绿世纪园林景观工程有限公司,湖北 武汉430019;2.中国科学院华南植物园,广东 广州510650;
3.中国科学院武汉植物园,湖北 武汉430074;4.华中农业大学园艺园林学院,湖北 武汉430070)
摘要:本研究从获得最大的能量生产效果出发,依据五节芒的生长特性、生物量、热值、生物质特性等指标,明确其
生物量、热值的变化规律,以获得最大能量生产效果,从而为其合理开发利用提供理论依据。通过对五节芒生物学
特性及能量生产动态的相关观测研究,结果表明:五节芒在展叶期生长缓慢,拔节期逐步加速,日均增长为2.12
cm,抽穗开花期日均增长达2.52cm;结实期生长速度开始下降,并逐步停止生长;在年生长周期中,春季和秋季为
分蘖高峰;黑暗条件下更有利于种子萌发。年均干重热值为果穗(18.27kJ/g)>茎秆(17.76kJ/g)>叶(17.44
kJ/g),年均灰分含量为叶(7.03%)>果穗(3.44%)>茎秆(2.55%)。能量现存量的季节变化主要受地上部生物
量的影响,其变化规律基本与地上部生物量的变化相一致,热值的变化对其影响较小。
关键词:五节芒;能源植物;生物学特性;能量生产
中图分类号:S543+.901;Q948.1  文献标识码:A  文章编号:10045759(2012)06025206
  芒属(犕犻狊犮犪狀狋犺狌狊)植物俗称芒草,属禾本科(Gramineae)多年生高大禾草,被多数欧盟国家认为最具发展潜
力的能源植物[1,2]。其作为能源植物的最大优势是具有巨大的生物产量,即产能效率高。植物能量生产的另一
个重要方面就是植物热值,它反映了绿色植物在光合作用中固定太阳辐射能的能力,是衡量植物燃烧性能的一个
指标,也是评价能源植物利用价值的重要指标[39]。芒草植物能量高、灰分含量低、抗性强、耐瘠薄土壤,适合荒山
坡地种植,不占用耕地;这类禾草不仅可以通过直接燃烧来生产热能或电能,也可以通过固化、汽化和液化等手段
转化成相应的能源产品,更重要的是在生产和利用上能产生重要生态效益,因而作为生物质能源而受到世界范围
内的广泛关注[24,1015]。而我国是芒草植物资源的分布中心,其资源丰富,是南方山区的一类优势群落物种,应予
重视和加强芒草植物资源的研究和开发利用工作。
五节芒(犕犻狊犮犪狀狋犺狌狊犳犾狅狉犻犱狌犾狌狊)为禾本科芒属的一种,为多年生C4草本植物,分布广泛、资源丰富、产量高、
适应性强,是一种生态效益和经济效益兼备的植物资源。前人对其生态-生物学特性、饲用价值及茎芽繁殖特性
等方面做了一定的研究工作[1618],但以能源开发为目的的相关研究报道比较少。本研究对五节芒生物质特性相
关的生物学特性及其能量动态变化进行了探讨,旨在为五节芒作为生物质能源的评价及开发利用提供基础资料。
1 材料与方法
1.1 试验材料
试验材料为2~5年生五节芒,试验样地设在武汉植物园西岗引种过渡圃院墙外侧(N30°32′,E114°24′,海
拔46m)。试验地土壤pH5.64,有机质1.92%,全氮0.88g/kg,全磷0.53g/kg,全钾15.1g/kg,速效磷5.5
mg/kg,速效钾52.33mg/kg。
1.2 试验设计及方法
试验地分为刈割区和非刈割区,在非刈割区随机选取15丛五年生五节芒,定期观测物候和萌蘖情况;每丛选
取5个生长情况基本一致的芽挂牌,在收获期测量所挂牌的分蘖枝高度、地径、秆叶重等指标。在刈割区内,用
2m×2m的样方框随机选择有代表性的三年生五节芒测定地上生物量,分别于2007-2008年6,7,8,9和12月
测定株丛高度、地上生物量(鲜、干重);每次测产均齐地面刈割,3次重复。
252-257
2012年12月
   草 业 学 报   
   ACTAPRATACULTURAESINICA   
第21卷 第6期
Vol.21,No.6
收稿日期:20110902;改回日期:20120329
基金项目:中国科学院重要方向性项目(KSCX2G0274)资助。
作者简介:陈慧娟(1982),女,湖北天门人,硕士。Email:chenhuijuan111@163.com
通讯作者。Email:ningzulin@163.com
种子成熟时采收,在实验室风干去除杂质于室内通风处储存。利用光照培养箱,在恒温26℃光照和黑暗条
件下进行发芽实验,每处理(4×25)粒种子,3次重复;以胚根出现时为种子萌发开始,连续5d不发芽时为发芽实
验终止时间。
每月从刈割区和非刈割区采集样品,样品经80℃烘干,粉碎处理后过筛贮存备用;另取小样于105℃烘干至
恒重,求含水量。采用长沙仪器厂生产的 WGR1型微电脑氧弹式热量计测定其干重热值(grosscaloricvalue,
GCV),3次重复,重复间误差控制在±0.2kJ/g,测定环境控温在20℃左右。
灰分含量(ashcontent)测定采用干灰化法,即样品在马福炉550℃下灰化5h后测定其灰分含量。然后计算
样品的去灰分热值和能量生产效果,计算方法为:
去灰分热值=
干重热值
1-灰分含量
能量生产效果=热值×单位面积生物量
2 结果与分析
2.1 五节芒生物学特性
2.1.1 生长发育节律 五节芒物候期可分为展叶期(2月26日-4月9日)、拔节期(4月10日-5月31日)、抽
穗期(5月18日-6月20日)、开花期(6月9日-7月1日)、结实期(6月28日-8月11日)、枯黄期(8月12日
-12月9日)共6个生长发育阶段(图1)。在整个生长过程中展叶期生长缓慢,日均增长为1.21cm,株高绝对
生长量为48.52cm;拔节期逐步加速,日均增长为2.12cm,到抽穗开花期生长速度较快,日增长达2.52cm;而
到结实期生长速度开始下降,并逐步停止生长(表1)。
表1 五节芒生长发育节律
犜犪犫犾犲1 犌狉狅狑狋犺犪狀犱犱犲狏犲犾狅狆犿犲狀狋狉犺狔狋犺犿狅犳犕.犳犾狅狉犻犱狌犾狌狊
项目Item
观察日期 Observationtime(月日 Monthday)
325 410 428 524 61 611 621 73 731 828
时间段内净生长量Netgrowthduringtheperiod(cm) 48.52 32.57 35.21 59.38 25.77 24.09 19.30 8.36 10.96 5.07
日均生长量Averagedailygrowth(cm/d) 1.21 2.04 1.96 2.28 3.22 2.41 1.93 0.70 0.39 0.18
2.1.2 生物产量的季节变化 2008年对试验地三年
图1 五节芒植株株高生长
犉犻犵.1 犘犾犪狀狋犺犲犻犵犺狋犮犺犪狀犵犲狊狅犳犕.犳犾狅狉犻犱狌犾狌狊
生五节芒株丛从孕穗期至枯黄期进行生物产量测定,
其结果(表2)表明,三年生五节芒在整个生长季节内
生长迅速,干物质积累相当快,其鲜重最高峰出现在结
实后的营养积累阶段。另外从调查观测中发现,开花
期生殖枝占总茎枝的比例低,结实期后营养枝继续生
长,而此时正处于秋季分蘖时期,此时萌发出较多新
蘖,光合效率仍然很高,使株丛继续积累生物产量。
茎叶比与株丛高度的关系,有助于选定最佳刈割
时期,以获取较多预期的生物产量。对3年生五节芒
按照株丛不同高度测定茎叶比,其结果(表3)表明,从
118.1到201.0cm高度梯度变化过程中,其茎叶比值
逐步变大,即叶的比重变小,茎秆比重增大。植株高度
与叶鲜重没有相关性,而与秆鲜重存在极显著相关性;叶鲜重与秆鲜重存在相关性(表4)。
2.1.3 种子萌发特性  种子萌发试验结果(表5)表明,26℃恒温时,在黑暗条件下,五节芒种子发芽率较高。
五节芒种子千粒重小(0.2154g),种子具有羽毛状附属物,能随风扩散;从种子萌发情况来看,在自然条件下,其
种群应以种子繁殖为主。
352第21卷第6期 草业学报2012年
表2 3年生五节芒生产性状的季节变化
犜犪犫犾犲2 犛犲犪狊狅狀犪犾犮犺犪狀犵犲狊犻狀狆狉狅犱狌犮狋犻狅狀狋狉犪犻狋狊狅犳3狔犲犪狉狅犾犱犕.犳犾狅狉犻犱狌犾狌狊
年月日
Yearmonthday
物候期
Phenophase

Tilers(m2)
株丛高
Height(cm)
鲜重
Freshweight(kg/m2)
干物质重
Dryweight(kg/m2)
干∶鲜
Dry∶fresh
200866 孕穗期Bootingstage 236 145.5 3.577 1.089 1∶3.28
200872 开花期Floweringstage 324 155.4 3.613 1.247 1∶2.90
200886 结果期Fruiting 374 181.1 8.215 3.142 1∶2.61
2008828 果后营养期Vegetativegrowthafterfruiting 366 196.1 9.148 4.147 1∶2.21
2008127 枯黄期Leafyelowstage 274 162.9 6.861 3.158 1∶2.16
表3 3年生五节芒株丛高度与茎叶比的关系
犜犪犫犾犲3 犚犲犾犪狋犻狅狀狊犺犻狆犫犲狋狑犲犲狀狋犺犲犺犲犻犵犺狋犪狀犱狋犺犲狉犪狋犻狅狅犳狊狋犲犿狋狅犾犲犪犳狅犳3狔犲犪狉狅犾犱犕.犳犾狅狉犻犱狌犾狌狊
株丛高度Height(cm)样品鲜重Freshsamplesweight(g)茎秆鲜重Freshstemweight(g) 叶鲜重Freshleaveweight(g) 茎∶叶Stem∶leaf
118.1 237.7 55.7 182.0 1∶3.27
130.0 252.1 66.5 185.6 1∶2.79
147.5 262.8 81.2 181.6 1∶2.24
161.8 443.7 141.7 302.0 1∶2.05
176.2 357.1 133.6 223.5 1∶1.67
190.1 604.0 242.1 361.9 1∶1.49
201.0 493.1 226.2 266.9 1∶1.18
2.2 能量生产的季节动态变化
2.2.1 五节芒干重热值的月变化 2007-2008年,
对五节芒茎秆和叶的热值进行了测定,其结果(图2)
表明,茎秆、叶热值具有明显的季节性变化趋势;叶干
重热值16.59~18.40kJ/g,4和10月较大,3和9月
较小;茎秆干重热值在7-12月逐渐下降,翌年4-6
月逐步增加。不同器官年均干重热值为:果穗(18.27
kJ/g)>茎秆(17.76kJ/g)>叶(17.44kJ/g)。
2.2.2 五节芒灰分含量的月变化 2007-2008年对
五节芒灰分含量进行测定,其结果(图3)表明:五节芒
叶、茎灰分含量存在差异,且月变化趋势各不相同;叶
的灰分含量在9月份最高,4月份最低;茎的灰分含量
在7月份最低,4月份最高,在2007年7月到2008年
2月波动比较小。
五节芒叶灰分含量在5.32%~10.62%,茎秆灰
分含量在1.25%~8.06%;一年中,除4月份五节芒
茎的灰分含量高于叶,其余月份茎灰分含量明显小于
叶,而且比较稳定。不同器官年均灰分含量为:叶
(7.03%)>果穗(3.44%)>茎秆(2.55%)。
表4 3年生五节芒株丛高度与茎、叶鲜重相关性
犜犪犫犾犲4 犆狅狉狉犲犾犪狋犻狅狀狅犳犺犲犻犵犺狋,犳狉犲狊犺狊狋犲犿狑犲犻犵犺狋犪狀犱犳狉犲狊犺
犾犲犪狏犲狑犲犻犵犺狋狅犳3狔犲犪狉狅犾犱犕.犳犾狅狉犻犱狌犾狌狊
项目
Item
叶鲜重
Freshleaveweight
鲜重
Height
茎秆鲜重Freshstemweight 0.871 0.941
叶鲜重Freshleaveweight 0.729
 :犘<0.05;犘<0.01.
表5 五节芒种子萌发试验
犜犪犫犾犲5 犛犲犲犱犵犲狉犿犻狀犪狋犻狅狀犲狓狆犲狉犻犿犲狀狋狅犳犕.犳犾狅狉犻犱狌犾狌狊
物种
Species
处理
Treatment
(℃)
发芽率
Germination
rate(%)
发芽指数
Germination
index
平均发芽速度
Averagespeed
ofgermination
五节芒
犕.犳犾狅狉犻犱狌犾狌狊
26(+) 53.3±5.5 3.738 4.322
26(-) 65.7±7.5 2.383 4.774
 注:(+)为光照,(-)为黑暗。
 Note:Thesign (+)denotesaniluminativetreatment,thesign
(-)denotesadarktreatment.
2.2.3 五节芒干重热值和灰分含量的相关性分析 五节芒叶的干重热值与灰分含量具有显著的线性负相关关
系(犘<0.05),茎的干重热值和灰分含量具有极显著的线性负相关关系(犘<0.01)。说明灰分含量的变化对五节
芒干重热值的变化有一定的影响(表6)。
452 ACTAPRATACULTURAESINICA(2012) Vol.21,No.6
图2 五节芒干重热值的月变化
犉犻犵.2 犕狅狀狋犺犾狔犮犺犪狀犵犲狊狅犳犮犪犾狅狉犻犮狏犪犾狌犲狊犳狅狉犕.犳犾狅狉犻犱狌犾狌狊
图3 五节芒灰分含量的月变化
犉犻犵.3 犕狅狀狋犺犾狔犮犺犪狀犵犲狊狅犳犪狊犺犮狅狀狋犲狀狋狊犳狅狉犕.犳犾狅狉犻犱狌犾狌狊
2.2.4 五节芒能量生产效果的季节变化 能量现存
量等于热值和生物量的乘积,五节芒地上部分能量现
存量的季节动态取决于地上部生物量和热值的季节变
化。根据五年生五节芒地上部分不同季节能量测定结
果(图4),五节芒地上部能量现存量的季节变化呈单
峰曲线,峰值出现在8月下旬,6月初-8月下旬随着
时间的进展而逐渐增加,8月份后逐渐下降。地上部
分能量现存量的季节变化,主要受地上部生物量的影
响,其变化规律基本与地上部生物量的变化相一致,热
值的变化对其影响程度较小。
表6 五节芒各器官中干重热值与灰分含量的关系
犜犪犫犾犲6 犚犲犾犪狋犻狅狀狊犺犻狆狊犫犲狋狑犲犲狀犵狉狅狊狊犮犪犾狅狉犻犮狏犪犾狌犲狊犪狀犱
犪狊犺犮狅狀狋犲狀狋狊狅犳犕.犳犾狅狉犻犱狌犾狌狊
器官
Organ
方程
Equation
相关系数
Correlation
coefficient
样本数
Numberof
samples
叶Leaf 狔=-2.09狓+18.91 -0.656 11
茎Stem 狔=-2.08狓+18.29 -0.943 10
 y:干重热值 Grosscaloricvalue(kJ/g);x:灰分含量 Ashcontent
(%);犚0.05(9)=0.602,犚0.01(9)=0.735.
图4 五节芒能量现存量、热值和生物量与时间的变化
犉犻犵.4 犇狔狀犪犿犻犮狊狅犳犲狓犻狊狋犲狀狋犲狀犲狉犵狔狏犪犾狌犲,犮犪犾狅狉犻犮狏犪犾狌犲犪狀犱犫犻狅犿犪狊狊狅犳犕.犳犾狅狉犻犱狌犾狌狊
3 讨论
从五节芒不同生长发育阶段生长速度来看,拔节期和抽穗期生长速度较快,此时适当增加肥水管理有利于提
高其生物产量。以前的研究认为[19,20],五节芒以分蔸、茎芽繁殖为主要繁殖方式,种子繁殖较困难。从种子萌发
试验情况来看,26℃恒温时,在光照条件下,种子发芽率都能达到60%左右;在黑暗条件下,发芽率为70%左右,
而在室内散射光条件下发芽率稍微偏高,这与萧运峰等[10]研究认为室内散射光条件下种子不萌发的结果不相
符;可能在观察的过程中,人为增加了间断性光照,可见在间断光照条件下更有利于种子萌发,具体情况有待于进
552第21卷第6期 草业学报2012年
一步研究证明。从果穗发育情况来看,果穗中存在许多空壳,而果穗结实率高,可育种子数量相对较多;野外调查
过程中也发现了许多实生苗,种子具有羽毛状附属物,可随风扩散,可见自然条件下五节芒应以种子繁殖扩散为
主,规模化种植利用时应以种子繁殖更为经济有效。
禾草类能源植物作为生物质能开发利用的最大优势是其生物产量高。五节芒能量动态的研究结果表明地上
部分能量现存量的动态变化呈单峰曲线,与地上部生物量的变化趋势一致,热值的变化对其影响较小。郭继勋和
王若丹[7]对羊草(犔犲狔犿狌狊犮犺犻狀犲狀狊犻狊)热值和能量特征的研究,李萍萍等[17]对镇江滨江湿地优势植物芦苇
(犘犺狉犪犵犿犻狋犲狊犮狅犿犿狌狀犻狊)和草芦(犘犺犪犾犪狉犻狊犪狉狌狀犱犻狀犪犮犲犪)的研究都反应地上部分能量现存量与生物量的变化相
一致,热值的变化对其影响较小。因此,生物量可以作为生物质能评价的一个重要指标。
从五节芒茎、叶的热值和灰分的相关性分析来看(表5),热值和灰分含量存在显著的负相关性,说明灰分含
量对热值存在一定的影响,这与其他种类植物热值和灰分的变化规律一致。林益明等[21]对8种棕榈植物的研究
也有类似的结果。植物组分或器官干重热值的差异主要是受自身组成物质、结构和功能的影响;热值随季节的变
化与植物的物候节律及对环境因子变化的反应有关[22];其次,还受光照强度、日照长短和土壤类型和植物年龄影
响[21];另外,热值与植物体内碳、Na+、Mg2+、Cl-含量存在相关性[23]。五节芒属C4 高光效植物,在其生长旺盛
时期可能从根部吸收较多的矿物元素,而矿物质是灰分的主要成分,其热值变化可能受其植物体内矿物元素的含
量和种类有关;同时,五节芒是广布种,其热值可能会与气候因子影响比较大,不同地方种源的热值或许会存在明
显差异。
普遍认为[2228],叶片灰分含量一般比茎秆高,所含矿质元素含量也相应较高。因此,对于筛选培育可燃性能
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,可以通过某个时期的茎叶比值大
小来确定最佳收获时期。
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犛狋狌犱犻犲狊狅狀狋犺犲犫犻狅犾狅犵犻犮犪犾犮犺犪狉犪犮狋犲狉犻狊狋犻犮狊犪狀犱犱狔狀犪犿犻犮狊狅犳犲狀犲狉犵狔狆狉狅犱狌犮狋犻狅狀狅犳犕犻狊犮犪狀狋犺狌狊犳犾狅狉犻犱狌犾狌狊
CHENHuijuan1,NINGZulin2,3,ZHANGZhuowen4
(1.WuhanGreenCenturyLandscapeCo.,Ltd,Wuhan430019,China;2.SouthChinaBotanical
Garden,ChineseAcademyofScience,Guangzhou510650,China;3.WuhanBotanicalGarden,
ChineseAcademyofSciences,Wuhan430074,China;4.ColegeofHorticultureand
ForestrySciences,HuazhongAgriculturalUniversity,Wuhan430070,China)
犃犫狊狋狉犪犮狋:Toobtainthegreatestenergyoutputof犕犻狊犮犪狀狋犺狌狊犳犾狅狉犻犱狌犾狌狊,thebasicbiologicaltraitsandbiomass
dynamics,includingyearlydynamicsofbiomassandcalorificvalue,thebiomasscharacteristicsandotherindi
cators,werestudied.犕.犳犾狅狉犻犱狌犾狌狊growsslowlyattheleaf-expansionstageandincreasinglyfasteratthe
stemelongationstage.Theaveragegrowthratewas2.12cmperdayattheearsproutingstageand2.52cm
perdayatthefloweringstage,afterwhich,thegrowthratedecreasedandthenstopped.Therewasstrongtil
eringabilitywithpeaksinspringandautumn.Thedarktreatmentwasbeneficialforseedgermination.Thean
nualaveragecaloricvalueofdifferentorganswas:spike(18.27kJ/g)>stem (17.76kJ/g)>leaf(17.44
kJ/g).Theannualaverageashwasintheorder:leaf(7.03%)>spike(3.44%)>stem (2.55%).Although
thebiomassenergyvariedwiththebiomasschange,thecaloricvaluehadlittlesignificanteffectonit.
犓犲狔狑狅狉犱狊:犕犻狊犮犪狀狋犺狌狊犳犾狅狉犻犱狌犾狌狊;energyplant;biologicalcharacteristics;energyproduction
752第21卷第6期 草业学报2012年