芒属植物的经济价值和应用研究进展

淮 北 师 范 大 学芒属植物的经济价值和应用研究进展摘要:芒属植物是具有高光合效能的 C4 禾本科植物，被认为是优秀的生物质能源。该文对芒属植物在工业开发和生物学特性研究方面的相关内容进行了综述。研究表明芒属植物是一种兼具经济效益和生态效益的植物资源，目前的研究重点是与其工业价值相关的开发研究。对于芒属植物的生物学研究也主要是在与其高光合效能机理相关的研究上，对于其他领域的研究则相对较少，特别是在与遗传育种工作紧密相关的种质资源研究和遗传多样性方面的研究十分缺乏。关键词: 芒属植物；工业用途；生物学特性；研究进展AbstractMiscanthus Anderss is the high photosynthetic-efficient C4 grasses and expected to provide abundant and sustainable resources of lignocellulosic biomass for the production of biofuels.This article reviews the progress in researches about industrial application and biological characteristics of Miscanthus Anderss.Firstly，studies have proved Miscanthus Anderss is one kind of economic resource containing important ecological benefit，and the recent researches have focused on the exploitation about its industrial usage.Secondly，the biological studies were mainly interested in its high photosynthetic-淮 北 师 范 大 学efficient，other research areas were limited，especially the germplasm resoure and genetic variation researches were related to the genetic breeding.At last，the authors put forward a proposal for Miscanthus Anderss research status.KeywordsMiscanthus Anderss；industrial application; biological characteristics；research advances生物能源被认为是21世纪最有希望在解决能源危机方面有所作为的能源。生物能源资源包括糖类（甘蔗、甜高粱、甜菜） 、淀粉类（粮食、薯类） 、纤维素类（农作物秸秆、草类、薪材等） 、油料类（大豆、油果林木、油菜等） 。在上述资源中，大部分与人类粮食有关，在制造生物能源的同时，可能会引起粮食危机。芒属（Miscanthus）植物俗称芒草，属禾本科多年生高大草类。由于芒草不属于粮食作物，其主要生长在荒地上，所以作为能源植物的芒草就受到世界范围的广泛关注。各国纷纷出台相应的政策措施，以期在能源植物的开发和研究上走在前列。中国是世界芒类植物资源的分布中心，更应该重视和加强芒类资源的研究利用工作。一. 芒属植物的经济价值芒草在我国广泛分布，一直以来人们都将其视作杂草，仅用作生火之用，但是随着研究的深入，人们发现芒是一类兼具生态效益和经济效益的植物资源。芒类植物具有生长快、产量高、易繁殖的特点，播种后能迅速覆盖地面，是适合于荒坡、湖洲发展的先锋植物，能有效地起到固淮 北 师 范 大 学土保水、防止冲刷、改善周边生态环境的作用。周存宇等1采用不同部位的繁殖体进行无性繁殖，定量研究不定根的长度和数量、根状茎新生芽数量和地下部分包裹土壤的体积，以预测其护坡效果。研究者发现，五节芒在重金属矿业废弃地恢复实践中具有较大的应用潜力，五节芒定居不仅促进了尾矿砂重金属朝着沉淀态和螯合态方面转化，而且还显著地改善了尾矿砂微生物群落的功能发挥2。尽管五节芒不属于重金属超富集植物，但对污染土壤中的铅、锌等重金属均具有较强的吸收能力，这一现象说明五节芒将对降低污染土壤中的重金属含量及改善土壤环境具有重要作用3。研究发现，芒忍受铝离子、重金属和氧胁迫的环境，并认为这种对非生物逆境较强的忍耐力可能是因为芒具有其特殊的耐受机制所造成的4-5。由于芒属植物茎秆纤维细胞含量高，可以作为一种优良造纸材料。据测定，南荻的纤维产量和质量都比芦苇、麻类、毛竹、杨树和柳树高，纤维细胞的含量达到50%左右，其平均长度约3 mm，最长纤维达6.8 mm。杨春生等6研究了荻的2个变种胖节荻和突节荻的纤维品质及农艺性状，发现它们纤维含量高、品质好、抗逆性强、抗病虫性强、对土壤肥料的适应性强，属优良型造纸原料。何立珍等7采用组培诱变的方法，获得了1个四倍体新资源“芙蓉南荻” ，其产量大幅度提高，纤维质量更好，可以用来制造中、高档文化用纸。由于芒属植物株型美观，目前已经成为城市绿化造景的重要素材。例如，现在已经开发出花叶芒、彩色芒、斑叶芒、细叶芒等园林专用品种。武菊英等8在盆栽条件下研究了分株和遮荫对观赏植物花淮 北 师 范 大 学叶芒（M.sinensisVariegatus）生长的影响，为种苗快速扩繁和应用配置提供技术依据。芒草类植物还可以用作饲草。例如，民间就用南荻的根茎饲喂芒鼠（又叫冬狸） 。芒属类植物最受重视的一个用途，就是作为能源植物进行开发，将其直接作为燃料，不仅燃值高，而且放出的 CO2低，且不含有害气体，残留的灰烬也少，同时也可通过纤维素降解生产燃料乙醇。由此可见，芒属植物不仅在生物能源领域拥有巨大的经济价值，同时在生态环保、农业、工业方面都具有很大的开发潜力和市场价值。二.芒属植物的应用研究进展我国研究者最早开展的是芒属植物的农艺学研究。早在1980年，张友德等9就研究了荻的种子萌发试验，探索了荻在生产上以种子繁殖的可行性。朱邦长等10研究了五节芒的茎芽繁殖技术，有效降低了五节芒的栽培成本。黄杰等11研究了芒属植物荻的第1、2生长季在不同栽培管理条件下的生长特性及生物质成分的情况。余新华12开发出了在南方山区利用五节芒种蘑菇的实用技术，为山区农村脱贫致富开辟了一条新途径。为了更好地开发利用五节芒这一野生植物资源，萧运峰等13于1987l993年在安徽省合肥地区，对其开展了引种栽培工作研究，结果表明在第8年鲜草产量达到最高，以后基本稳定，是一种长寿、高产的优良牧草。该研究组通过长期的引种栽培，发现五节芒分化出宽叶和窄叶类型，并证明宽叶类型的生产性状明显优于窄叶类型14。陈慧娟等15研究了施肥对五节淮 北 师 范 大 学芒热值和表型性状的影响，结果表明不同施肥水平对叶干质量热值、叶灰分含量、茎灰分含量、单支高度、地径、茎叶比达到显著影响，但对产量影响不显著。随着芒属植物可以作为造纸原料这一用途的发现，我国研究者开展了对其纤维特征的一系列研究。例如，胡久清等16 对 5个荻品种的茎秆形态结构及其纤维进行了比较，其中胖节荻、突节荻2个品种内部结构较接近；而平节荻、细荻和茅荻3个品种又较近似；5个荻品种纤维的形态存在明显的差异，以胖节荻纤维质量和产量居首位，突节荻次之，平节荻居第3位，细荻与茅荻较差。何凤仙等17比较了荻的2种类型的材料岗柴与刹柴的茎秆和纤维的解剖形态特征，二者的外部形态和内部结构基本上相似，岗柴和刹柴的纤维形态差异较大，岗柴纤维的质量远比刹柴的好，且岗柴单位面积产量高。为正确认识和区分芒、荻及芦苇这3种常用的造纸原料，张乐彝18详细地比较了这3种植物的形态分类学特征，发现三者最主要区别是：芒秆的花小穗有芒，而荻花和苇花小穗无芒；芒秆的茎秆是实心的，而苇秆是空心的，荻秆上部是实心，中下部是空心的；芒秆无腋芽，不会分枝，而苇和荻的茎秆有腋芽会萌芽分枝。对于芒属植物作为能源植物的研究，我国研究者发表的相关报道较少。袁振宏等19对芒草稀酸水解工艺的正交试验研究，为利用芒草作为生产燃料乙醇的原料提供技术支持。邹玲等20以芒草为原料，采用新型机制木炭制棒机，就芒草的含水率、粉碎粒径和加热温度等因素对成型燃料松弛密度、抗水性、抗跌碎性的影响进行了研究。淮 北 师 范 大 学从国外的研究来看，英国是较早将芒草作为能源植物进行研究、开发的国家。早在20世纪90年代，他们就开始从现有的芒草品种中筛选、培育适宜作为火力发电厂燃料的理想品种。现在，多个国家也已开始大规模种植芒草。德国已兴建了1座发电能力为12万 kW 的发电厂，其燃料就是芒属植物。在美国，科学家们正在考虑将农作物与煤以11的比例混合来发电，在农作物的选择上，科学家们也倾向于杂交后的芒草21。英国的研究者发现，不同的施肥处理对芒在细胞壁成分的浓度和灰分以及液体燃料的成分和质量有较大影响。特别是使用较多氮肥的时候，会对其生物质的生产产生负面影响，降低了细胞壁的面积，增加了灰分的积累。因此，低氮处理能够利于芒产量和品质的提高，而钾肥就没有此类影响22。利用特殊的极端嗜热菌能够利用水解芒所得到的可溶性糖类生产氢气，这为近一步开发和利用能源植物提供了新的途径23。法国科学家研究了能源植物芦竹（Arundo donax）和奇岗（Miscanthusgiganthus ）燃烧过程中的热比重和热量散失的特点24。柳枝稷（Panicum virgatum）也是一种能源植物，研究者将芒属植物与柳枝稷的叶片的光合作用能力进行了比较，发现芒比柳枝稷高33%，在芒叶片的光合作用中，电子转运、叶片对氮和水分的利用均较高，从而使其在光合合成率和产量上优于柳枝稷25。芒也可以用来制造纸浆，研究者对利用奇岗为原料制造纸浆过程中水解的反应条件及相应的细胞显微结构变化进行了观察26-27。西班牙的研究者也详细研究了奇岗的木质素结构及其在酸水解过程中的结构变化，并指出只要通淮 北 师 范 大 学过改良的有机溶剂处理程序对奇岗进行加工，就可以得到相应的纤维和木质素。通过 GC-MS 分析奇岗茎的皮部及髓部的脂溶性抽提液发现，抽提液（特别是髓部的抽提液）中含有大量的酚和甾醇类物质，这一发现对于奇岗的综合利用提供了新的思路。东京农业大学的研究者对芒条纹病毒（MiSV ）进行了克隆和物理图谱的绘制，为芒的病害防治提供了基础数据。综上所述，我国同国外研究者在芒属植物的利用研究上各有侧重，但是芒属植物作为能源植物是其目前最具有开发潜力和经济价值的用途。因此，我国研究者还需要在芒的综合利用和规模化生产方向上进行研究。四.参考文献1 周存宇，杨朝东，任双宝.不同荻繁殖体地下部分生长的初步研究J.安徽农学通报，2008，14（21）：56-60.2 张崇邦，王江，柯世省，等.五节芒定居对尾矿砂重金属形态、微生物群落功能及多样性的影响J.植物生态学报，2009，33（4）：629-637.3 王江，张崇邦，常杰，等.五节芒对重金属污染土壤微生物生物量和呼吸的影响J.应用生态学报，2008，19（8）：1835-1840.4 WATANABE T，JANSEN S，OSAKI M.Al-Fe interactions and growth enhancement in Melastoma malabathricum and Miscanthus sinensis dom-inating acid sulphate soilsJ.Plant Cell Environ，2006 ，29（12）：2124-2132.淮 北 师 范 大 学5 EZAKI B，NAGAO E，YAMAMOTO Y，et al.Wild plants，Andropogon virginicus L. and Miscanthus sinensis Anders，are tolerant to multiple stresses including aluminum，heavy metals and oxidative stressesJ.Plant Cell Rep，2008，27 （5）：951-961.6 杨春生，杨丽红.胖节荻和突节荻纤维品质及农艺性状J. 中国造纸，1994，13（1）：76.7 何立珍，周朴华，刘选明 .南荻同源四倍体“芙蓉南荻”的选育J.中国造纸，1997，16（1）：69-70.8 武菊英，滕文军，袁小环，等.分株和遮荫对花叶芒生长的影响J.园艺学报，2009，36（11）：1691-1696.9 张友德，谢成章.荻的种子萌发试验J. 华中农业大学学报，1980，8（1）：79-81.10 朱邦长，叶玛丽，张川黔，等.五节芒茎芽繁殖技术的研究J.四川草原，1995（1）：30-34.11 黄杰，黄平，左海涛.栽培管理对荻生长特性及生物质成分的影响J.草地学报，2008，16（6）：646-651.12 余新华 .五节芒栽培蘑菇J. 农村实用科技，2000（2）：9.13 萧运峰，高洁，王锐.五节芒的生产性状及饲用价值的研究J.四川草原，1997（1）：20-24. 14 萧运峰，高洁.五节芒的分化类型及生产性状的比较研究J. 四川草原，1998（1）：21-15 陈慧娟，张卓文，宁祖林，等.施肥对五节芒热值和表型性淮 北 师 范 大 学状的影响J.草业科学，2009，26（8）：63-67.16 胡久清，马辉华，陈鹏飞.五个荻品种的茎秆形态结构及其纤维的比较观察J.湖南农学院学报，1989，15（1）：23-29.17 何凤仙，谢成章.岗柴与刹柴（茅柴）的茎秆与纤维的比较解剖观察J.武汉植物学研究，1989，7（3）：227-233.18 张乐彝.芒秆与荻、苇的植物学区别J. 中国造纸，1993（1）：69-70.19 袁振宏，孔晓英，颜涌捷，等.芒草稀硫酸水解工艺条件的正交实验J.太阳能学报，2006，27（6）：631-634.20 邹玲，孙军，谢启强.芒草成型燃料工业化生产影响因素的研究J.林业科技开发，2008，22（2）：79-81.21 曾祥艳.生物新燃料芒草的开发利用J. 广西热带农业，2007（5）：37-38.22 HODGSON E M，FAHMI R，YATES N，et al.Miscanthus as a feedstock for fast-pyrolysis：does agronomic treatment affect quality?J.Bioresour Technol，2010，101（15）：6185-6191.23 DE VRIJE T，BAKKER R R，BUDDE M A，et al.Efficient hydrogen production from the lignocellulosic energy crop Miscanthus by the extreme thermophilic bacteria Caldicellulosiruptor saccharolyticus and Thermotoga neapolitanaJ.Biotechnol Biofuels，2009，2（1）：12.24 JEGUIRIM M，DORGE S，TROUVE G.Thermogravimetri