西北干旱地区边际土地高抗逆纤维类能源植物的筛选与初探

张震娇，张久东，刘彩红，张伟娜，车宗贤，左元梅

（1.中国农业大学，资源与环境学院，北京 100193；2.甘肃省农科院土壤肥料与节水农业研究所，甘肃兰州 730070）

能源植物（Energy Plants）通常是指能合成较快、产能较高或者能够大量合成与石油成分相近的较高还原态物质的植物[1]。我国传统的能源植物种类很多，其中包括甜高粱、玉米、大豆、木薯，甘蔗等，但这些大都是人类赖以生存的粮食作物和经济作物，并且发展这些能源植物需要大量的耕地，而我国人多地少，大规模开发利用这些植物是不现实的，发展生物质能源植物必需遵循“不与人争粮，不与粮争地”的原则[2]。随着当前能源危机日趋严峻，开发利用边际土地种植高抗逆新型能源植物已成为大势所趋。我国拥有大面积的边际土地，其中宜农荒地主要分布于新疆、甘肃和内蒙古，荒草地主要分布于西藏和新疆，盐碱地主要分布于甘肃和新疆[2]。能源植物的选择必须与备选植物种植区域的土壤及气候条件结合起来综合考虑，国际上重点研究的一些能源植物可能并不适合我国西北部的边际土壤，西北地区必须选择符合当地气候及土壤特色的高抗逆的新型能源植物。我国西北地区生长着大量的纤维类植物，因此，筛选和评价现有的适合西北地区生长的高抗逆纤维类能源植物将为未来开发利用新型能源植物提供重要的理论和技术依据。

目前有关能源植物的评价方法还没有统一的筛选指标，对于能源植物的开发潜力也没有统一的评价体系。李高扬等以生产燃料乙醇等清洁生物质能源为目标，提出以生物质产量、化学成分、生态适应性和热值4项指标来评价木质纤维素能源植物的利用价值，并提出了具体的评价方法，为能源植物的评价和开发提供重要的借鉴和参考[3]。生物质产量一般是指植物地上部分的生物量，统一采用单位面积年产出的干物质量来计算。生物质产量决定了能源植物的开发利用价值和前途，生物质产量越高，生产潜力越大，开发利用的价值越高，开发利用的可行性也越大[4]。能源植物的化学成分包括综纤维（纤维素和半纤维素）、木质素和灰分，综纤维和木质素的含量决定着能源植物成分中的可利用比例，综纤维含量越高，能够转化的低聚糖越多，就能生产出越多的燃料乙醇等清洁生物质能源。木质素和灰分含量越高，能源植物中可利用的成分含量就会降低[3]。生态适应性是指能源植物在不同生态环境条件下，通过自我调节结构与功能以适应环境变化的能力，包括其分布适应性，耐贫瘠、抗病虫害、抗旱、抗涝能力等[4]。具有较强生态适应性的能源植物可降低种植管理成本。热值是衡量生物质燃料燃烧特性的一个重要指标。对于木质素含量低的能源植物，其热值越高，利用价值越大[3]。本研究选取了甘肃省民勤县和榆中县为调查研究区域，该区域是西北干旱区非常具有代表型的边际土地，分别实地调查了甘肃省民勤县和榆中县生长的高抗逆纤维类植物，初步筛选出在当地分布广泛且生态适应性较强的植物，并测定分析这些高抗逆植物的能源品质指标含量，通过进一步综合分析评价和筛选高抗逆新型能源植物，从而为我国在西北边际土地筛选潜在的高抗逆能源植物提供理论和技术依据，也为我国能源植物实现高产高效提供重要的理论和技术支撑。

1 调查区和调查方法

1.1 调查区概况

（1）甘肃民勤县位于巴丹吉林沙漠和腾格里沙漠的交界处，处于东经101°49′41″～104°12′10″，北纬38°3′45″～39°27′37″之间，地形地貌为荒漠绿洲边缘地带，海拔1 294 m。该区域气候属温带荒漠气候，多年平均气温7.6 ℃，每年平均降水量为113.2 mm，每年蒸发量高达2 604.3 mm，每年9级以上大风日为27.8 d，每年沙尘暴日数为37 d。

（2）甘肃榆中县位于兰州市东郊，地势南高北低、中部凹，呈马鞍形，南部为石质高寒山区，北部为黄土丘陵区，海波1 500～2 000 m。气候类型为温带半干旱大陆性气候，每年平均气温6.7℃，降水量400 m，无霜期120 d。

1.2 调查内容及方法

1.2.1 调查内容

实地调查在甘肃省民勤县和榆中县生长的纤维类植物，了解这些植物的生长特性，初步筛选出在当地广泛生长且抗逆性较强的植物，并具体分析这些植物的能源指标含量。

1.2.2 调查评价方法

（1）调查分析方法

2015年8～10月选取了上述生物量较大、分布范围广、长势良好的高抗逆纤维类植物进行随机采样，将每个植物品种地上部采样处理，一部分样品风干粉碎后测定植株综纤维、木质素、灰分的含量，一部分样品在85 ℃烘箱中烘干粉碎后测植株热值含量。其中综纤维和木质素的含量测定采用范氏洗涤法，使用AKNKOM220型纤维分析仪进行测定。灰分测定将烘干样品放马弗炉灼烧后测得。热值测定将样品粉碎后采用微机全自动量热ZDHW-YT8000测定。

（2）评价方法

参照李高杨等人[3]关于能源植物的评价方法（如表1），根据实验所测的植物综纤维、木质素、灰分和热值含量，并结合查阅相关文献资料所得植物生长习性，初步筛选出可深入研究能源潜力的植物，为能源植物的开发利用提供理论依据。

2 结果与讨论

2.1 调查植物种类

本研究实地调查分析了高抗逆纤维类的甘肃省民勤县11种植物，具体包括草本植物碱蓬、青蒿、苦豆子、旱生芦苇、芨芨草和木本植物红柳、沙枣、白刺、沙拐枣、花棒和柠条。榆中县9种植物，具体包括草本植物马蔺和冰草，木本植物野蔷薇、沙棘、油松、榆树、珍珠梅，国槐和山杨，具体植物名称及采样地点如表2。

2.2 调查植物生长习性、开发利用现状及分布范围

2.2.1 草本植物

草本植物的生长特性与木本植物相比，草本植物具有生长速度快、生活周期短、分布广等特点，便于大面积推广种植，实现产业化。近年来，国外对纤维类能源草的研究主要集中在种质资源的探索和开发、品种改良、生态效益、能源转化经济效益等方面。在多年生草本木质纤维素作物中，研究最多的是禾本科根茎类植物。欧美国家科学家通过多种禾本科植物进行筛选，认为芒（Miscanthtts Sinens）、柳枝稷（Panicum virgatum）、草芦（Phalaris arundinacea）和芦竹（Arundo donax）是较理想的能源作物。其中芒属植物三倍体奇冈（Miscanthus×giganteus）最适合在欧洲栽培，柳枝稷是美国最适宜的能源作物[5]。我国纤维类能源草资源非常丰富，但开发利用上主要集中在生态保护、造纸原料、动物饲料和药用等方面，而用于生物质能源的研究起步较晚，需要不断开发探索。相关资料文献表明，以上调查的植物（如表3）分布范围广，均具有较强的抗逆能力，可适应贫瘠的边际土地，有望在边际土地上大面积种植。

表1 能源植物遴选与评价指标计算方法

表2 调查植物种类及来源

2.2.2 木本植物

表3 草本植物的生长习性、开发利用现状及分布范围

表4 木本植物的生长习性、开发利用现状及分布范围

我国木本植物资源丰富，原料来源广泛，生物量较大，具有较强的开发利用潜力。目前国内外已有大量植物开发利用生产清洁能源。巴西是世界上第一个也是唯一不使用纯汽油作汽车燃料的国家，早期开发利用甘蔗和甜高粱为原料生产乙醇燃料，1980年提出用棕榈油代替柴油计划，其热带丛林中一种油棕榈树，在栽种3年后开始产“油”，其成分与柴油相仿，且无需提炼，可用于柴油发动机，每公顷产油10 t[36]。在美国、瑞典、巴西、印度等国已有大面积的速生林用于进行能源林木质能源生产[37]。迄今木本能源植物在我国的研究领域也在不断拓宽，资源普查、 品种选育、 种质资源保存、引进栽培、科普展示、生理生化分析、加工工艺和设备等方面均已涉足[38]。相关资料文献表明，调查的以上植物（如表4）均具有较强的生态适应性，在我国分布范围广，其中柠条已被确定为可开发利用的能源植物，其他植物也有望作为潜在的能源植物进一步探讨研究。

2.3 调查植物作为能源植物特性的化学成分分析评价

2.3.1 草本植物的化学成分分析

从表5可以看出，芨芨草、冰草和旱生芦苇的综纤维含量与其他调查植物相比较高；木质素和灰分含量直接影响能源植物的能源利用和转化，含量越低，能源利用和转化效率越高，表5中草本植物的木质素都很低，但灰分含量除苦豆子外，其他植物均较高。综合化学成分得分可以看出，芨芨草、旱生芦苇和冰草的分值在70以上，可优先考虑开发利用。

表5 草本植物化学成分评价结果

2.3.2 木本植物的化学成分分析

木本植物的综纤维含量稍低于草本植物，木质素含量明显高于草本植物，但灰分含量较低。从表6分析可得，13种木本植物中，柠条、花棒、沙拐枣、白刺的综纤维含量介于40%～50%之间，其他植物都低于40%；沙枣、红柳和野蔷薇的木质素含量均低于5%。综合化学成分得分可得，柠条和花棒化成学分得分在70以上，可优先考虑开发利用。

表6 木本植物化学成分分析结果

2.4 调查植物作为能源植物特性的热值分析

2.4.1 草本植物的热值分析

热值是用来衡量能源植物生产清洁生物质能源利用价值的指标之一。从表7可以看出，调查的所有草本植物中，热值含量均高于16 MJ/kg，处于高水平（依据表1 评价方法），其中苦豆子的热值含量最高。

图1 调查草本植物的热值

2.4.2 木本植物的热值分析

从表7可以看出，调查木本植物的热值都在20MJ/kg以上，仅根据热值数据分析，这些调查植物都可考虑深入研究能源潜力。

图2 调查木本植物的热值

3 结论

开发利用生物质能源是解决目前能源危机的重要途径之一，能源植物作为生物质原料，兼具原料易得、清洁和可再生等特点，而且种类多样，据研究在我国有超过4 000种可作为能源植物开发利用，因此具有广阔发展前景[50]。评价某种植物是否适宜作能源植物，需要分析植物的化学成分含量、生物质产量、生态适应性和热值[3]。本研究首次调查选取了在甘肃民勤县和榆中县边际土地上广泛生长且在我国分布广泛，生态适应性强的20种植物，通过分析这些植物的化学成分表明，草本植物的综纤维含量稍高于木本植物，木质素低于木本植物，但灰分含量较高。草本植物芨芨草、冰草和旱生芦苇及木本植物柠条和花棒的化学成分得分在70以上，优于其他植物，可优先考虑开发利用。分析热值含量可得，所有调查植物的热值含量均高于16 MJ/kg，处于高水平。结合化学成分、热值和生态适应性三项指标可得，草本植物芨芨草、冰草和旱生芦苇及木本植物柠条和花棒可作为潜在的能源植物，有待进一步研究能源潜力。生物质产量是评价能源植物品质的重要指标之一，但由于本研究的植物主要是多年生植物，获得当年准确的生物质产量有一定的难度，但通过观察发现这些植物大多数生物量很大，已经具备了作为能源植物的应该具备的高生物量特点。更为重要的是本研究实际测定了这些植物的综纤维、木质素、灰分和热值的具体含量，为能源植物评价提供了数据支撑。事实上，在所有调查的植物中，柠条已确定为一种优良的能源植物，内蒙古地区柠条资源特别丰富，目前有天然柠条面积1亿多亩，人工种植柠条面积达5 000多万亩，而且目前内蒙古金骄集团已成功将柠条加工生产成生物质燃油，这是我国利用高抗逆纤维植物开发利用生物质能源的重要突破，也为开发利用其他植物生产生物质能源提供重要的理论依据和技术支撑，具有广阔的前景。

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