引用本文
侯维, 肖亮, 易自力, 覃静萍, 杨塞, 郑铖, 陈智勇. .7种能源草在酸性红壤中的性状比较及适应性评价. 草业学报, 2015,24(12): 237-244
HOU Wei, XIAO Liang, YI Zi-Li, QIN Jing-Ping, YANG Sai, ZHENG Cheng, CHEN Zhi-Yong. .Evaluation of the adaptability of bioenergy grasses in acidic red soil. Acta Prataculturae Sinica,2015,24(12): 237-244  
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7种能源草在酸性红壤中的性状比较及适应性评价
侯维1, 肖亮2,3, 易自力1,*, 覃静萍1, 杨塞1, 郑铖1, 陈智勇1
1.湖南农业大学生物科学技术学院,湖南 长沙 410128
2.湖南农业大学芒属植物研究所,湖南 长沙 410128
3.湖南农业大学生物质醇类燃料湖南省工程实验室,湖南 长沙 410128
*通信作者Corresponding author. E-mail:yizili889@163.com

作者简介:侯维(1987-),男,湖南安仁人,在读硕士。E-mail:houweichangsha@163.com

收稿日期: 2015-01-05
基金项目:“十二五”农村领域国家科技计划课题(2013BAD22B02)资助
摘要

本研究比较了7种能源草在酸性红壤中物候期、越冬率、农艺性状和化学成分等20个性状,并利用其中与适应性相关的12个性状来综合评价不同能源草在酸性红壤中的适应性。结果表明,1)7种能源草中除狼尾草以外其余各品种均能完成生育期,且都能在酸性红壤上生长良好;2)7种能源草的7个主要农艺性状和5个化学成分均有显著差异( P<0.05)。其中五节芒、湘杂芒、柳枝稷的干物质产量较高,单株分别达到5385.24,4846.09和4566.83 g,而斑茅、奇岗和湘杂芒的纤维素含量较高,分别达46.13%,45.38%和45.16%;3)对12个数量性状进行主成分分析,得到累计贡献率为92.626%的4个主成分因子,说明前4个主成分代表了主要的遗传信息;4)利用主成分线性模型综合评价7种能源草的适应性,排序结果如下:湘杂芒>五节芒>狼尾草>斑茅>柳枝稷>奇岗>荻。本研究结果可为我国南方酸性红壤边际性土地的开发与利用提供理论依据。

关键词: 能源草; 酸性红壤; 边际土地; 适应性
Evaluation of the adaptability of bioenergy grasses in acidic red soil
HOU Wei1, XIAO Liang2,3, YI Zi-Li1,*, QIN Jing-Ping1, YANG Sai1, ZHENG Cheng1, CHEN Zhi-Yong1
1.College of Bioscience and Biotechnology, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China
2.Miscanthus Institute, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China
3.Biomass Alcohol Fuel in Hunan Engineering Laboratory, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China
Abstract

Seven grass species grown as bioenergy crops were compared using 20 traits including phenological period, winter survival rate, agronomic traits and chemical composition. The results showed that, with the exception of Pennisetum purpureum, all grasses could complete their growth period and grow well in acidic red soil. There were significant differences among the grasses for seven agronomic characters and five chemical composition traits. Miscanthus floridulus, M. lutarioriparia×sinensis and Panicum virgatum had higher dry matter yield than other species; 5385.24, 4846.09 and 4566.83 g respectively. Cellulose contents of Saccharum arundinaceu, Miscanthus×giganteus and M. lutarioriparia×sinensis were 46.13%, 45.38% and 45.16% respectively, significantly higher than other species. Principal component analysis of twelve quantitative traits revealed that the cumulative contribution rate of four principal component factors accounted for was 92.626% of variation. This indicated that M. lutarioriparia×sinensis was the most adaptable species followed by M. floridulus, P. purpureum, S. arundinaceum, P. virgatum, Miscanthus×giganteus and M. sacchariflora. The results of this study will provide a theoretical basis for the development and utilization of acidic red soil in southern China.

Keyword: energy grass; acid red soil; marginal land; adaptability

目前, 我国已是世界第一大CO2排放国、第二大石油消费国和第三大石油进口国[1], 发展包括生物质能源在内的可再生清洁能源已迫在眉睫, 且具重大战略意义。因此, 选育生长迅速、生物质产量高、抗逆性强、适应性广的能源植物, 已成为世界各国关注的焦点和研究的热点。

由于我国的人均耕地面积远低于世界平均水平, 发展能源植物不能“ 与人争粮、与粮争地” , 只能利用边际土地。我国边际土地资源丰富[2, 3, 4], 现有可开发的边际土地面积近 8.3× 107 hm2, 占全国土地面积的9.3%, 这些土地不宜进行传统农作物的耕作, 却可以种植某些适应性强、抗逆性强的能源作物[5]。因此, 利用边际土地种植适应性强的能源植物是我国发展生物质能源的必由之路。

针对不同类型边际土地的特点, 选育与之相适应的能源植物资源是我国能源植物开发的基本策略。我国南方红壤区处于高温多雨的亚热带气候, 土壤风化强度大, 土壤有机质矿化分解快, 土壤有机质含量亏缺; 质地粘, 酸性强; 降雨量大, 养分易流失、含量少; 土壤粘重板结; 透水保水性和透气性差。加之土壤阳离子交换量低, 养分吸附性、缓冲性差, 给作物生长带来严重影响。据统计, 我国南方红壤区面积218× 104 hm2, 约占国土面积的22.7%。红壤大多分布在山区、半山区的缓坡地上, 长期以来不合理利用土地, 造成水土流失严重, 土壤有机质和养分亏缺, 土壤生物质量退化, 严重的地方已有“ 红色荒漠” 之称。针对这一类型边际土地而开展的能源植物适应性研究, 目前还未见报道。另外, 目前全世界已推出的能源植物有47种之多[6], 按照其生物质成分可分为糖类、淀粉类、纤维类、油脂类、烃类等五大类能源植物。草本植物能充分满足生物液体燃料的生产对原料均一性、品质稳定性、供应持续性、纤维含量及结构的严格要求, 而且草本植物在种植、管理、收获、运输、贮藏、预处理及加工等方面可实现机械化操作, 生产成本低, 因此开发利用地球上最丰富、最廉价的多年生高产草本纤维能源植物资源, 无疑是人类的首选[7, 8, 9, 10]。目前, 欧美推出的草本能源植物主要有天然杂交三倍体芒草奇岗(Miscanthus× giganteus)[8]和美国本土植物柳枝稷(Panicum virgatum)[10], 而国内则新推出了几种芒属植物, 如五节芒(Miscanthus floridulus)[9]、荻(Miscanthus sacchariflora)[10-11]、湘杂芒(Miscanthus lutarioriparia× sinensis)[12]和狼尾草属(Pennisetum)的代表种狼尾草(P. purpureum)[13-14]以及甘蔗属(Saccharum)的斑茅(S. arundinaceum)[15]等。但有关这些草本能源植物的对比性研究却鲜有报道。因此, 本研究特选取7种代表性的能源草, 开展其对南方酸性红壤的适应性综合分析, 旨在筛选出适应性强、生物量高、木质纤维素含量高的能源草种类, 为我国南方酸性红壤边际土地的开发与利用提供理论依据。

1 材料与方法
1.1 试验材料

供试的7种能源草均取自湖南农业大学芒属能源植物种质资源圃, 具体信息见表1。

表1 供试材料名称及其来源 Table 1 Variety name and source of trial material
1.2 试验地情况

试验地设在湖南农业大学浏阳试验基地, 地处东经113° 10'、北纬27° 51', 属中亚热带季风湿润气候, 年平均气温17.4℃, 无霜期232 d, 年平均降雨量1529 mm, 年平均日照1534.7 h, 土壤类型为红壤, 土壤肥力质量为:有机质5.19 g/kg, 碱解氮30.63 mg/kg, 速效磷2.69 mg/kg, 速效钾90.77 mg/kg, pH 5.12, 呈酸性至微酸性反应, 土壤贫瘠。

1.3 试验设计

本实验以经典能源植物柳枝稷[16, 17]作为对照, 试验方案采用完全随机区组设计, 每种材料4个重复, 共28个小区, 每个小区定植30株参试材料均采用穴植, 每穴植入根状茎2~3颗, 每颗根状茎带有3~5个芽头, 株行距1 m× 1 m。2011年4月初种植, 仅在定植初期浇水定根, 全生育期不施农药化肥, 田间定期进行人工除杂。于种植后第2年开始对7种供试品种各性状指标进行为期2年的观测。数量性状数据为2012和2013年连续2年平均值。

1.4 观测指标及方法

观测指标包括7个物候期指标、越冬情况统计、7个农艺性状和5个化学成分指标。

1.4.1 物候期观测及越冬情况统计

物候期和越冬率均采用目测法观测。随机选取各能源草株丛, 分别记数5次, 超过20%的植株进入某一生育期的日期为始期, 超过80%进入某一生育期的日期为盛期。超过50%的植株达到某一生育期时记载为该能源草生育期。分别记录返青期、分蘖期、孕穗期、开花期、成熟期、枯黄期、生育期。计算出苗至种子成熟的天数。在能源草成熟前期, 分别观测各品种的存活率, 次年返青后计算越冬率, 越冬率=(次年返青植株数/越冬前植株数)× 100%[18]。

1.4.2 农艺性状

1)株高:成熟期每小区随机测定10株植株的拉直高度, 计算平均高度(cm)。2)分蘖数:成熟期每个小区每个重复随机抽10株数其分蘖数, 计算平均值(No.)。 3)茎粗:成熟期每小区用游标卡尺随机测定10株植株基部到顶部中间处直径, 计算平均值(mm)。4)单丛干重:成熟期在各小区内随机选取10株单株, 齐地面刈割后, 65℃烘干至恒重称量其干质量计算平均值后按照该株分蘖数计算其单丛干重, 计算平均值(g)。5)茎叶比:成熟期在各小区内随机选取10株, 齐地面剪下, 迅速分出茎(Sg)、叶(Lg)各部, 分别称其鲜重计算茎叶比, 茎叶比=1∶ Lg/Sg。6)干物质含量:成熟期在各小区内随机选取10株, 齐地面刈割后, 迅速称量其鲜质量, 然后65℃烘干至恒重称量其干质量, 干物质含量=(干质量/ 鲜质量)× 100%。7)株幅:成熟期在各小区内随机选取10株, 把分蘖全部用绳子绑紧测量其周长(cm)。

1.4.3 化学成分

采用范氏(Van Soest)洗涤纤维分析法[19]测定纤维素、半纤维素、木质素含量, 采用干灰化法[20]测定灰分含量和结合水含量。

1.4.4 主成分分析

对7种能源草的生物质化学成分指标及不同表型性状进行主成分分析:选取反映其综合特性的12个指标:含水量、纤维素含量、半纤维素含量、木质素含量、灰分、株高、分蘖数、株幅、茎粗、干重、茎叶比、干物质成分[21]。

1.5 数据处理与分析

采用Excel 2007软件进行原始数据的整理和统计, 采用SPSS 18.0软件进行表型性状的主成分分析。以每个主成分对应的特征值占所提取主成分总的特征值之和的比例作为权重, 计算得到主成分的综合线性模型。

2 结果与分析
2.1 7种能源草物候期及越冬率比较

通过对7种能源草为期2年的物候期观察, 发现7种能源草在供试基地的生育期不完全一致, 从3月上旬到4月中旬各种能源草相继返青。参试7种能源草的开花期、成熟期和枯黄期相差较大, 其中, 五节芒开花最早在6月上旬, 7月中旬已经成熟, 枯黄期则晚到12月中旬。柳枝稷于7月中旬开花, 9月上中旬成熟, 10月中下旬枯黄。湘杂芒的开花期相对较晚, 10月中旬开花, 11月初成熟, 12月上旬才枯黄。供试的7种能源草中, 斑茅全生育期最长, 2012年为235 d, 2013年为239 d, 五节芒和奇岗生育期相对较短, 2012年分别为128和152 d, 2013年分别为127和149 d。

7种能源草中, 狼尾草从返青到枯黄的过程中不开花, 且在供试基地上越冬率仅为35%, 说明狼尾草的越冬能力差, 不适合在湖南及以北的地区种植(表2)。

表2 7种能源草的物候期比较 Table 2 Growth period of seven kinds of energy grasses
2.2 不同能源草农艺性状比较

供试7种能源草中, 柳枝稷是最早被欧美认可的第一代能源草[22]。本次供试的能源草各种农艺性状与柳枝稷相比均有显著差异(P< 0.05)。在株高方面, 湘杂芒、狼尾草及荻与柳枝稷相比, 存在显著差异(P< 0.05), 其中狼尾草植株最高, 为391.67 cm, 比柳枝稷高78.34 cm, 荻最低, 为185.33 cm。而奇岗、五节芒和斑茅在株高上与柳枝稷无显著差异(P> 0.05); 在干物质产量方面, 狼尾草及奇岗与柳枝稷存在显著差异(P< 0.05), 湘杂芒、五节芒及斑茅与柳枝稷无显著差异(P> 0.05), 狼尾草产量最高, 达到7984.55 g/m2, 荻产量最低, 为992.64 g/m2; 在茎粗方面, 狼尾草茎秆最粗, 为27.28 mm, 其次是斑茅、五节芒、湘杂芒, 均比柳枝稷粗; 在茎叶比方面, 五节芒、斑茅与柳枝稷存在显著差异(P< 0.05), 荻、奇岗、狼尾草及湘杂芒与柳枝稷均无显著差异(P> 0.05), 其中狼尾草比值最高, 为5.53, 五节芒最小, 为0.92; 在干物质含量方面, 湘杂芒、狼尾草、荻与柳枝稷存在显著差异(P< 0.05), 荻干物质含量最高, 为57.93%, 狼尾草由于自身含水量较高, 所以干物质含量相对最低, 仅21.99%(表3)。

表3 7种能源草农艺性状比较 Table 3 The phenotypic traits of seven energy grasses
2.3 7种不同能源草化学成分比较

用范氏(Van Soest)洗涤纤维分析法、干燥法、灰化法测定了7种能源草的茎秆化学成分含量(表4)。结果显示, 7种能源草各项化学成分指标均存在明显的差异。在植物细胞结合水含水量方面, 斑茅含量最高, 为7.24%, 狼尾草、荻及五节芒均显著高于对照柳枝稷(P< 0.05); 在纤维素方面, 斑茅含量最高, 为46.13%, 狼尾草含量最低, 为37.04%, 奇岗、狼尾草、湘杂芒、五节芒及斑茅与柳枝稷存在显著差异(P< 0.05); 半纤维素方面, 荻、奇岗、湘杂芒及五节芒与柳枝稷存在显著差异(P< 0.05), 五节芒含量最高, 为30.50%, 奇岗最低, 为21.71%; 木质素方面, 供试能源草与柳枝稷均存在显著差异(P< 0.05), 木质素含量从高到低分别是:湘杂芒> 柳枝稷 > 奇岗 > 斑茅 > 五节芒 > 荻 > 狼尾草; 灰分方面, 五节芒、斑茅、荻的灰分含量均高于柳枝稷且存在显著差异(P< 0.05)。五节芒灰分含量最高, 为8.69%, 狼尾草灰分含量最低, 仅4.29%。

表4 7种能源草生物质化学成分测定值统计结果 Table 4 Statistical data of biomass chemical compositions of seven kinds of energy grasses%
2.4 7种能源草性状主成分分析

将选取反映其综合特性的12个指标, 依次定义为自变量X1~X12, 对其作主成分分析(表5)。结果显示, 前4个主成分累积贡献率达到92.626%, 基本代表了原始因子的绝大部分遗传信息。其中, 主成分1的累积贡献率为40.094%, 纤维素、木质素、灰分、分蘖数和干物质成分对其影响很大, 反映了各能源草的化学成分特征, 因此称主成分1为化学成分因子。主成分2的贡献率为26.908%, 载荷较大的因子是含水量、灰分和株幅, 分别为0.826, 0.802和0.653。主成分3的贡献率为15.104%, 株幅、纤维素和木质素载荷数较大, 能源草木质素、纤维素的含量以及株幅通常与植株株型相关, 因此可称其为株型因子。主成分4的贡献率为10.520%, 半纤维素、株高和干重载荷数较大, 反映了能源草化学成分与产量之间的关系, 可称其为产量因子。

表5 7种能源草不同性状的主成分分析 Table 5 Principal components analysis of the different traits of seven energy grasses
2.5 7种能源草的适应性评价

利用主成分分析可以消除各类不同指标的权重差别, 以达到合理评价不同能源草适应性的目的[23]。采用SPSS 18.0软件计算前4个主成分的表达式, 分别获得各主成分与12个指标的线性组合, 其中主成分1的表达式为:F1=-0.1368zX1+0.3210zX2+0.1587zX3+0.2567zX4+0.2348zX5-0.3159zX6 +0.2480zX7+0.0278 zX8-0.4500zX9-0.3862zX10-0.2430zX11+0.3994zX12 (zXi为各性状Xi标准化后的数据), 其余3个主成分的线性组合公式以此类推。以每个主成分对应的特征值占所提取主成分总的特征值之和的比例作为权重, 计算得到主成分的综合线性模型为:F'=4.8113F1+3.2290F2+1.8125F3+1.2623F4。

参考4个主成分的线性组合公式及综合得分模型, 计算得出7种能源草各主成分得分和综合排名(表6), 7种能源草按综合得分高低的排名顺序依次为:湘杂芒> 五节芒> 狼尾草> 斑茅> 奇岗> 柳枝稷> 荻。

表6 7种能源草不同性状主成分适应性得分及综合得分 Table 6 Principal component score and general score of adaptability in the different characters of seven bioenergy grasses
3 讨论与结论

本试验所采用的对照材料柳枝稷[16, 17]是美国本土最具有前景的能源植物之一, 其生物质产量较高, 同时耐贫瘠与多年生的特性减少了管理强度和投入[24]。近年来, 研究者们对其进行了比较系统的研究[16]。本研究所测柳枝稷的产量及相关农艺性状指标均与国外的报道相似[17]。

物候期是评价物种适应性的重要指标之一, 相关研究表明, 植物的物候期除土壤类型外主要取决于积温[25], 且持续时间与活动积温呈显著正相关性[26]。本研究结果显示, 参试的几种能源草的生育期各不相同, 最早的五节芒为127 d左右, 供试品种狼尾草由于品种差异于浏阳试验基地不开花。说明不同的能源草对积温的要求不同。因此, 在今后的推广中要考虑能源草在当地的气候适应性问题; 能源植物干物质成分含量越高, 其可利用价值越高, 各种能源草在株高、茎粗、干重等表型性状上均有着明显的差异, 能源草的茎叶比高则利于机器收割。湘杂芒、五节芒、荻、奇岗以及柳枝稷干物质成分含量较高, 说明其具有较高的利用价值。湘杂芒和斑茅干物质产量显著高于对照柳枝稷。湘杂芒株高、茎粗与柳枝稷也存在显著差异, 各品种的茎叶比均较高, 狼尾草比值最高, 所以供试能源草均适合产业化种植。

生产清洁生物质能利用的主要是纤维素和半纤维素。综纤维素(纤维素+半纤维素)含量高, 木质素、灰分含量低的能源植物品质最佳[27]。前人的研究结果表明, 能源植物整株的综纤维素含量为50%~70%, 灰分含量一般小于15%, 将综纤维素含量划分为高(> 65%)、中(60%~64%)、低(55%~59%)、很低(< 55%)4类。本研究结果显示, 湘杂芒、荻、五节芒、斑茅及奇岗的综纤维含量均高于柳枝稷, 其中湘杂芒含量最高, 为72.61%, 荻、奇岗、湘杂芒、五节芒及斑茅的综纤维素含量均大于65%, 属于高纤维素含量品种。灰分是植物燃烧后形成剩下的固体残渣, 对燃烧过程有一定影响。灰分含量过高, 将会降低燃烧温度[24]。同时灰分对转化过程存在不利影响, 因此, 灰分的含量越低, 该植物的品质越高[28]。灰分的划分可以分为高(> 12%)、中(8%~12%)、低(4%~7%)、很低(< 4%)4类 [29, 30]。本研究结果显示, 狼尾草、柳枝稷、奇岗、湘杂芒的灰分含量在4%~7%之间, 属于低灰分植物, 而荻、斑茅及五节芒的灰分含量在7%~12%之间, 属中灰分植物。木质素的含量越高, 纤维素的聚合度也随之越高, 水解也就越难以进行[24]。7种能源草除湘杂芒, 供试的其他5种能源草的木质素含量均低于柳枝稷。所以, 供试的各能源草均属较好的纤维能源植物。

为了能够较为直观地判断各品种适应性的强弱, 本研究对主成分及综合得分进行了分析, 通过计算各品种的主成分分值, 来权衡每个性状在某个品种中所处的位置和分量, 从而进一步了解各品种在当地的适应性[23]。各品种综合得分与其适应性呈正相关, 得分越高, 其适应性越好。结果表明, 湘杂芒综合得分最高, 说明其在酸性红壤上适应性相对最好, 荻综合得分最低, 说明荻种植于酸性红壤适应性相对最差。

The authors have declared that no competing interests exist.

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