張震嬌，張久東，劉彩紅，張偉娜，車(chē)宗賢，左元梅

（1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)，資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100193；2.甘肅省農(nóng)科院土壤肥料與節(jié)水農(nóng)業(yè)研究所，甘肅蘭州 730070）

能源植物（Energy Plants）通常是指能合成較快、產(chǎn)能較高或者能夠大量合成與石油成分相近的較高還原態(tài)物質(zhì)的植物[1]。我國(guó)傳統(tǒng)的能源植物種類(lèi)很多，其中包括甜高粱、玉米、大豆、木薯，甘蔗等，但這些大都是人類(lèi)賴(lài)以生存的糧食作物和經(jīng)濟(jì)作物，并且發(fā)展這些能源植物需要大量的耕地，而我國(guó)人多地少，大規(guī)模開(kāi)發(fā)利用這些植物是不現(xiàn)實(shí)的，發(fā)展生物質(zhì)能源植物必需遵循“不與人爭(zhēng)糧，不與糧爭(zhēng)地”的原則[2]。隨著當(dāng)前能源危機(jī)日趨嚴(yán)峻，開(kāi)發(fā)利用邊際土地種植高抗逆新型能源植物已成為大勢(shì)所趨。我國(guó)擁有大面積的邊際土地，其中宜農(nóng)荒地主要分布于新疆、甘肅和內(nèi)蒙古，荒草地主要分布于西藏和新疆，鹽堿地主要分布于甘肅和新疆[2]。能源植物的選擇必須與備選植物種植區(qū)域的土壤及氣候條件結(jié)合起來(lái)綜合考慮，國(guó)際上重點(diǎn)研究的一些能源植物可能并不適合我國(guó)西北部的邊際土壤，西北地區(qū)必須選擇符合當(dāng)?shù)貧夂蚣巴寥捞厣母呖鼓娴男滦湍茉粗参铩Ｎ覈?guó)西北地區(qū)生長(zhǎng)著大量的纖維類(lèi)植物，因此，篩選和評(píng)價(jià)現(xiàn)有的適合西北地區(qū)生長(zhǎng)的高抗逆纖維類(lèi)能源植物將為未來(lái)開(kāi)發(fā)利用新型能源植物提供重要的理論和技術(shù)依據(jù)。

目前有關(guān)能源植物的評(píng)價(jià)方法還沒(méi)有統(tǒng)一的篩選指標(biāo)，對(duì)于能源植物的開(kāi)發(fā)潛力也沒(méi)有統(tǒng)一的評(píng)價(jià)體系。李高揚(yáng)等以生產(chǎn)燃料乙醇等清潔生物質(zhì)能源為目標(biāo)，提出以生物質(zhì)產(chǎn)量、化學(xué)成分、生態(tài)適應(yīng)性和熱值4項(xiàng)指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)木質(zhì)纖維素能源植物的利用價(jià)值，并提出了具體的評(píng)價(jià)方法，為能源植物的評(píng)價(jià)和開(kāi)發(fā)提供重要的借鑒和參考[3]。生物質(zhì)產(chǎn)量一般是指植物地上部分的生物量，統(tǒng)一采用單位面積年產(chǎn)出的干物質(zhì)量來(lái)計(jì)算。生物質(zhì)產(chǎn)量決定了能源植物的開(kāi)發(fā)利用價(jià)值和前途，生物質(zhì)產(chǎn)量越高，生產(chǎn)潛力越大，開(kāi)發(fā)利用的價(jià)值越高，開(kāi)發(fā)利用的可行性也越大[4]。能源植物的化學(xué)成分包括綜纖維（纖維素和半纖維素）、木質(zhì)素和灰分，綜纖維和木質(zhì)素的含量決定著能源植物成分中的可利用比例，綜纖維含量越高，能夠轉(zhuǎn)化的低聚糖越多，就能生產(chǎn)出越多的燃料乙醇等清潔生物質(zhì)能源。木質(zhì)素和灰分含量越高，能源植物中可利用的成分含量就會(huì)降低[3]。生態(tài)適應(yīng)性是指能源植物在不同生態(tài)環(huán)境條件下，通過(guò)自我調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)與功能以適應(yīng)環(huán)境變化的能力，包括其分布適應(yīng)性，耐貧瘠、抗病蟲(chóng)害、抗旱、抗?jié)衬芰Φ萚4]。具有較強(qiáng)生態(tài)適應(yīng)性的能源植物可降低種植管理成本。熱值是衡量生物質(zhì)燃料燃燒特性的一個(gè)重要指標(biāo)。對(duì)于木質(zhì)素含量低的能源植物，其熱值越高，利用價(jià)值越大[3]。本研究選取了甘肅省民勤縣和榆中縣為調(diào)查研究區(qū)域，該區(qū)域是西北干旱區(qū)非常具有代表型的邊際土地，分別實(shí)地調(diào)查了甘肅省民勤縣和榆中縣生長(zhǎng)的高抗逆纖維類(lèi)植物，初步篩選出在當(dāng)?shù)胤植紡V泛且生態(tài)適應(yīng)性較強(qiáng)的植物，并測(cè)定分析這些高抗逆植物的能源品質(zhì)指標(biāo)含量，通過(guò)進(jìn)一步綜合分析評(píng)價(jià)和篩選高抗逆新型能源植物，從而為我國(guó)在西北邊際土地篩選潛在的高抗逆能源植物提供理論和技術(shù)依據(jù)，也為我國(guó)能源植物實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效提供重要的理論和技術(shù)支撐。

1 調(diào)查區(qū)和調(diào)查方法

1.1 調(diào)查區(qū)概況

（1）甘肅民勤縣位于巴丹吉林沙漠和騰格里沙漠的交界處，處于東經(jīng)101°49′41″～104°12′10″，北緯38°3′45″～39°27′37″之間，地形地貌為荒漠綠洲邊緣地帶，海拔1 294 m。該區(qū)域氣候?qū)贉貛Щ哪畾夂?，多年平均氣?.6 ℃，每年平均降水量為113.2 mm，每年蒸發(fā)量高達(dá)2 604.3 mm，每年9級(jí)以上大風(fēng)日為27.8 d，每年沙塵暴日數(shù)為37 d。

（2）甘肅榆中縣位于蘭州市東郊，地勢(shì)南高北低、中部凹，呈馬鞍形，南部為石質(zhì)高寒山區(qū)，北部為黃土丘陵區(qū)，海波1 500～2 000 m。氣候類(lèi)型為溫帶半干旱大陸性氣候，每年平均氣溫6.7℃，降水量400 m，無(wú)霜期120 d。

1.2 調(diào)查內(nèi)容及方法

1.2.1 調(diào)查內(nèi)容

實(shí)地調(diào)查在甘肅省民勤縣和榆中縣生長(zhǎng)的纖維類(lèi)植物，了解這些植物的生長(zhǎng)特性，初步篩選出在當(dāng)?shù)貜V泛生長(zhǎng)且抗逆性較強(qiáng)的植物，并具體分析這些植物的能源指標(biāo)含量。

1.2.2 調(diào)查評(píng)價(jià)方法

（1）調(diào)查分析方法

2015年8～10月選取了上述生物量較大、分布范圍廣、長(zhǎng)勢(shì)良好的高抗逆纖維類(lèi)植物進(jìn)行隨機(jī)采樣，將每個(gè)植物品種地上部采樣處理，一部分樣品風(fēng)干粉碎后測(cè)定植株綜纖維、木質(zhì)素、灰分的含量，一部分樣品在85 ℃烘箱中烘干粉碎后測(cè)植株熱值含量。其中綜纖維和木質(zhì)素的含量測(cè)定采用范氏洗滌法，使用AKNKOM220型纖維分析儀進(jìn)行測(cè)定。灰分測(cè)定將烘干樣品放馬弗爐灼燒后測(cè)得。熱值測(cè)定將樣品粉碎后采用微機(jī)全自動(dòng)量熱ZDHW-YT8000測(cè)定。

（2）評(píng)價(jià)方法

參照李高楊等人[3]關(guān)于能源植物的評(píng)價(jià)方法（如表1），根據(jù)實(shí)驗(yàn)所測(cè)的植物綜纖維、木質(zhì)素、灰分和熱值含量，并結(jié)合查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料所得植物生長(zhǎng)習(xí)性，初步篩選出可深入研究能源潛力的植物，為能源植物的開(kāi)發(fā)利用提供理論依據(jù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 調(diào)查植物種類(lèi)

本研究實(shí)地調(diào)查分析了高抗逆纖維類(lèi)的甘肅省民勤縣11種植物，具體包括草本植物堿蓬、青蒿、苦豆子、旱生蘆葦、芨芨草和木本植物紅柳、沙棗、白刺、沙拐棗、花棒和檸條。榆中縣9種植物，具體包括草本植物馬藺和冰草，木本植物野薔薇、沙棘、油松、榆樹(shù)、珍珠梅，國(guó)槐和山楊，具體植物名稱(chēng)及采樣地點(diǎn)如表2。

2.2 調(diào)查植物生長(zhǎng)習(xí)性、開(kāi)發(fā)利用現(xiàn)狀及分布范圍

2.2.1 草本植物

草本植物的生長(zhǎng)特性與木本植物相比，草本植物具有生長(zhǎng)速度快、生活周期短、分布廣等特點(diǎn)，便于大面積推廣種植，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。近年來(lái)，國(guó)外對(duì)纖維類(lèi)能源草的研究主要集中在種質(zhì)資源的探索和開(kāi)發(fā)、品種改良、生態(tài)效益、能源轉(zhuǎn)化經(jīng)濟(jì)效益等方面。在多年生草本木質(zhì)纖維素作物中，研究最多的是禾本科根莖類(lèi)植物。歐美國(guó)家科學(xué)家通過(guò)多種禾本科植物進(jìn)行篩選，認(rèn)為芒（Miscanthtts Sinens）、柳枝稷（Panicum virgatum）、草蘆（Phalaris arundinacea）和蘆竹（Arundo donax）是較理想的能源作物。其中芒屬植物三倍體奇岡（Miscanthus×giganteus）最適合在歐洲栽培，柳枝稷是美國(guó)最適宜的能源作物[5]。我國(guó)纖維類(lèi)能源草資源非常豐富，但開(kāi)發(fā)利用上主要集中在生態(tài)保護(hù)、造紙?jiān)?、?dòng)物飼料和藥用等方面，而用于生物質(zhì)能源的研究起步較晚，需要不斷開(kāi)發(fā)探索。相關(guān)資料文獻(xiàn)表明，以上調(diào)查的植物（如表3）分布范圍廣，均具有較強(qiáng)的抗逆能力，可適應(yīng)貧瘠的邊際土地，有望在邊際土地上大面積種植。

表1 能源植物遴選與評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算方法

表2 調(diào)查植物種類(lèi)及來(lái)源

2.2.2 木本植物

表3 草本植物的生長(zhǎng)習(xí)性、開(kāi)發(fā)利用現(xiàn)狀及分布范圍

表4 木本植物的生長(zhǎng)習(xí)性、開(kāi)發(fā)利用現(xiàn)狀及分布范圍

我國(guó)木本植物資源豐富，原料來(lái)源廣泛，生物量較大，具有較強(qiáng)的開(kāi)發(fā)利用潛力。目前國(guó)內(nèi)外已有大量植物開(kāi)發(fā)利用生產(chǎn)清潔能源。巴西是世界上第一個(gè)也是唯一不使用純汽油作汽車(chē)燃料的國(guó)家，早期開(kāi)發(fā)利用甘蔗和甜高粱為原料生產(chǎn)乙醇燃料，1980年提出用棕櫚油代替柴油計(jì)劃，其熱帶叢林中一種油棕櫚樹(shù)，在栽種3年后開(kāi)始產(chǎn)“油”，其成分與柴油相仿，且無(wú)需提煉，可用于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，每公頃產(chǎn)油10 t[36]。在美國(guó)、瑞典、巴西、印度等國(guó)已有大面積的速生林用于進(jìn)行能源林木質(zhì)能源生產(chǎn)[37]。迄今木本能源植物在我國(guó)的研究領(lǐng)域也在不斷拓寬，資源普查、 品種選育、 種質(zhì)資源保存、引進(jìn)栽培、科普展示、生理生化分析、加工工藝和設(shè)備等方面均已涉足[38]。相關(guān)資料文獻(xiàn)表明，調(diào)查的以上植物（如表4）均具有較強(qiáng)的生態(tài)適應(yīng)性，在我國(guó)分布范圍廣，其中檸條已被確定為可開(kāi)發(fā)利用的能源植物，其他植物也有望作為潛在的能源植物進(jìn)一步探討研究。

2.3 調(diào)查植物作為能源植物特性的化學(xué)成分分析評(píng)價(jià)

2.3.1 草本植物的化學(xué)成分分析

從表5可以看出，芨芨草、冰草和旱生蘆葦?shù)木C纖維含量與其他調(diào)查植物相比較高；木質(zhì)素和灰分含量直接影響能源植物的能源利用和轉(zhuǎn)化，含量越低，能源利用和轉(zhuǎn)化效率越高，表5中草本植物的木質(zhì)素都很低，但灰分含量除苦豆子外，其他植物均較高。綜合化學(xué)成分得分可以看出，芨芨草、旱生蘆葦和冰草的分值在70以上，可優(yōu)先考慮開(kāi)發(fā)利用。

表5 草本植物化學(xué)成分評(píng)價(jià)結(jié)果

2.3.2 木本植物的化學(xué)成分分析

木本植物的綜纖維含量稍低于草本植物，木質(zhì)素含量明顯高于草本植物，但灰分含量較低。從表6分析可得，13種木本植物中，檸條、花棒、沙拐棗、白刺的綜纖維含量介于40%～50%之間，其他植物都低于40%；沙棗、紅柳和野薔薇的木質(zhì)素含量均低于5%。綜合化學(xué)成分得分可得，檸條和花棒化成學(xué)分得分在70以上，可優(yōu)先考慮開(kāi)發(fā)利用。

表6 木本植物化學(xué)成分分析結(jié)果

2.4 調(diào)查植物作為能源植物特性的熱值分析

2.4.1 草本植物的熱值分析

熱值是用來(lái)衡量能源植物生產(chǎn)清潔生物質(zhì)能源利用價(jià)值的指標(biāo)之一。從表7可以看出，調(diào)查的所有草本植物中，熱值含量均高于16 MJ/kg，處于高水平（依據(jù)表1 評(píng)價(jià)方法），其中苦豆子的熱值含量最高。

圖1 調(diào)查草本植物的熱值

2.4.2 木本植物的熱值分析

從表7可以看出，調(diào)查木本植物的熱值都在20MJ/kg以上，僅根據(jù)熱值數(shù)據(jù)分析，這些調(diào)查植物都可考慮深入研究能源潛力。

圖2 調(diào)查木本植物的熱值

3 結(jié)論

開(kāi)發(fā)利用生物質(zhì)能源是解決目前能源危機(jī)的重要途徑之一，能源植物作為生物質(zhì)原料，兼具原料易得、清潔和可再生等特點(diǎn)，而且種類(lèi)多樣，據(jù)研究在我國(guó)有超過(guò)4 000種可作為能源植物開(kāi)發(fā)利用，因此具有廣闊發(fā)展前景[50]。評(píng)價(jià)某種植物是否適宜作能源植物，需要分析植物的化學(xué)成分含量、生物質(zhì)產(chǎn)量、生態(tài)適應(yīng)性和熱值[3]。本研究首次調(diào)查選取了在甘肅民勤縣和榆中縣邊際土地上廣泛生長(zhǎng)且在我國(guó)分布廣泛，生態(tài)適應(yīng)性強(qiáng)的20種植物，通過(guò)分析這些植物的化學(xué)成分表明，草本植物的綜纖維含量稍高于木本植物，木質(zhì)素低于木本植物，但灰分含量較高。草本植物芨芨草、冰草和旱生蘆葦及木本植物檸條和花棒的化學(xué)成分得分在70以上，優(yōu)于其他植物，可優(yōu)先考慮開(kāi)發(fā)利用。分析熱值含量可得，所有調(diào)查植物的熱值含量均高于16 MJ/kg，處于高水平。結(jié)合化學(xué)成分、熱值和生態(tài)適應(yīng)性三項(xiàng)指標(biāo)可得，草本植物芨芨草、冰草和旱生蘆葦及木本植物檸條和花棒可作為潛在的能源植物，有待進(jìn)一步研究能源潛力。生物質(zhì)產(chǎn)量是評(píng)價(jià)能源植物品質(zhì)的重要指標(biāo)之一，但由于本研究的植物主要是多年生植物，獲得當(dāng)年準(zhǔn)確的生物質(zhì)產(chǎn)量有一定的難度，但通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)這些植物大多數(shù)生物量很大，已經(jīng)具備了作為能源植物的應(yīng)該具備的高生物量特點(diǎn)。更為重要的是本研究實(shí)際測(cè)定了這些植物的綜纖維、木質(zhì)素、灰分和熱值的具體含量，為能源植物評(píng)價(jià)提供了數(shù)據(jù)支撐。事實(shí)上，在所有調(diào)查的植物中，檸條已確定為一種優(yōu)良的能源植物，內(nèi)蒙古地區(qū)檸條資源特別豐富，目前有天然檸條面積1億多畝，人工種植檸條面積達(dá)5 000多萬(wàn)畝，而且目前內(nèi)蒙古金驕集團(tuán)已成功將檸條加工生產(chǎn)成生物質(zhì)燃油，這是我國(guó)利用高抗逆纖維植物開(kāi)發(fā)利用生物質(zhì)能源的重要突破，也為開(kāi)發(fā)利用其他植物生產(chǎn)生物質(zhì)能源提供重要的理論依據(jù)和技術(shù)支撐，具有廣闊的前景。

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