施氮水平和收獲時間對柳枝稷生物質產量和能源品質的影響

高麗欣，劉 靜，鄧 波，楊富裕，張?zhí)N薇

(1.中國農業(yè)大學動物科技學院，北京 100193; 2.吉林農業(yè)大學動物科技學院，吉林長春 130118)

施氮水平和收獲時間對柳枝稷生物質產量和能源品質的影響

高麗欣1，2，劉 靜1，鄧 波1，楊富裕1，張?zhí)N薇1

(1.中國農業(yè)大學動物科技學院，北京 100193; 2.吉林農業(yè)大學動物科技學院，吉林長春 130118)

為提高能源植物柳枝稷(Panicum virgatum)的能源品質，通過田間試驗探討黃河三角洲鹽堿地施氮水平和收獲時間對柳枝稷生物質產量和氮含量、灰分含量、木質纖維素含量的影響。結果表明，收獲時間對柳枝稷生物質產量、氮含量、灰分、木質纖維素含量有顯著(P＜0.05)或極顯著(P＜0.01)影響。生物質產量隨著施氮量的增加而增加，且在施氮量為200 kg·hm－2時達到最高值;木質纖維素含量隨著收獲時間的推遲而增加，冬季收獲含量最高，施氮水平為100 kg·hm－2時含量最高;灰分含量、氮含量隨收獲時間推移而降低。黃河三角洲地區(qū)柳枝稷生產時施氮肥100～150 kg·hm－2，且在冬季收獲，能獲得較高的能源品質。

柳枝稷;鹽堿地;施氮;收獲時間;能源品質

柳枝稷(Panicum virgatum)為禾本科黍屬多年生C4草本植物［1］，具有耐鹽、耐旱、耐貧瘠的特點，生物量大，適應范圍廣泛，成為能源植物開發(fā)的焦點［2-3］。我國從20世紀90年代開始引種柳枝稷［4］，目前已在半干旱的黃土丘陵溝壑區(qū)［5-6］和京郊挖沙廢棄地［7-8］等地實現規(guī)模化種植。黃河三角洲是我國土壤鹽堿化的重要區(qū)域，土壤貧瘠，不宜進行農田耕作，被視為開發(fā)利用面積較大的邊際土地［9］，因此在此地種植柳枝稷具有一定的現實意義。另一方面，柳枝稷作為典型的纖維素類生物質，是制取燃料乙醇的重要來源，開發(fā)柳枝稷生產試驗非常必要。

柳枝稷有一定的耐鹽堿性，但鹽堿強度脅迫對其生長有較大影響［10］。我國關于柳枝稷耐鹽性的研究主要集中在室內發(fā)芽期和苗期模擬試驗方面［11-12］，自然鹽堿地條件下的柳枝稷種植方面研究鮮見報道。在施肥和收獲時間方面，發(fā)現柳枝稷對氮肥有較高的利用效率，特別是在未施肥土壤上表現良好［13］，而增施鉀肥、磷肥后變化很?。?4］，Muir等［15］研究表明施磷肥對于Alamo品種的柳枝稷的產量沒有影響;作為飼料要求較高的生物質產量和粗蛋白含量，適合成熟期一次收獲，或者在水肥條件好的情況下，兩次刈割。隨著刈割次數的增加，生物質產量降低，但是木質纖維素含量會增加，這個時候適宜作為能源植物收獲［16］。本試驗以提高柳枝稷生物質產量(干重)和氮含量、灰分、木質纖維素含量這些品質為目的，在黃河三角洲鹽堿地條件下，研究施氮水平和收獲時間對柳枝稷能源品質的影響，旨為生物質能源在鹽堿地的開發(fā)與生產提供理論參考。

1 材料與方法

1.1試驗地概況

試驗地位于黃河三角洲的山東省東營市廣北農場二分場，118.49°E，37.46°N。黃河三角洲地區(qū)背陸面海，屬暖溫帶大陸性季風氣候。夏季高溫多雨，7月最熱月平均氣溫26.6℃;冬季寒冷干燥，1月最冷月平均氣溫－3.0℃。夏季降水364.5 mm，占全年降水量的65.6%;冬季降水20.7 mm，占全年降水量的3.7%，降水季節(jié)性差異大［17］。土壤條件相對貧瘠，其中全鹽含量為3.4 g·kg－1，全氮含量為0.110 3 g·kg－1，pH為8.09，有機質含量為16.5 g·kg－1。淺層地下水主要為咸水，礦化度小于3 g·L－1的微咸水只占總數的3.5%［18］，無法用于傳統的農業(yè)灌溉。

1.2試驗材料

供試柳枝稷品種為Alamo，由北京市農林科學院提供。2011年3月17日在山東省東營市試驗區(qū)育苗，4月25日移栽至廣北農場二分場栽種。行距80 cm，株距80 cm，2011、2012、2013年無施肥、無灌溉，均冬季刈割。2014年4月初返青后，本試驗正式開始。

1.3試驗方法

試驗用肥為商品尿素(氮含量為46.67%)。施氮(N)設6個水平，分別為0(N0)、50(N50)、100 (N100)、150(N150)、200(N200)、250(N250) kg·hm－2，分別于返青期(4月7日)和抽穗期(5月19日)兩次均勻施入;收獲時間(T)設3個水平，分別為夏季盛花期(7月28日)、秋季霜后枯黃期(10月26日)、冬季立枯期(12月20日)，分別用TS、TA和TW表示。

田間小區(qū)采用完全隨機區(qū)組設計，重復3次，每個小區(qū)面積為4 m×6 m，小區(qū)間設1.6 m保護行(1 行)，共54個小區(qū)。

1.4測定指標和方法

生物質產量:每個處理收獲時，根部以上10 cm處刈割，收獲整個小區(qū)，測鮮重，取部分樣品稱重、烘干、測干重，利用樣品的鮮干重按比例折算整個小區(qū)的干重。

氮含量:樣品烘干粉碎，利用Foss 2300全自動定氮儀，凱氏法測定試樣中的氮含量。

灰分:粗灰分的測定方法。

纖維素、半纖維素:應用濾袋技術測定酸性洗滌纖維(ADF)、中性洗滌纖維(NDF)，采用ANKOM A200i型半自動纖維分析儀進行具體測定。

1.5數據分析

采用Microsoft Excel 2010、Sigmaplot進行數據統計和圖表制作。采用SAS 8.2軟件進行方差顯著性比較分析。

2 結果與分析

2.1施氮水平對柳枝稷生物質產量、氮含量、灰分含量的影響

施氮對柳枝稷生物質產量的影響極顯著(P＜0.01)，對氮含量、灰分含量的影響差異顯著(P＜0.05) (表1)。隨著施氮水平的增加，柳枝稷生物質產量呈先增加后降低的趨勢，當施氮量為200 kg·hm－2時，其生物質產量達到峰值，為4 514.63 kg·hm－2;當施氮量高于200 kg·hm－2時，生物質產量呈極顯著降低趨勢。施氮量為150 kg·hm－2時的生物質產量極顯著高于施氮50、100及250 kg·hm－2的水平。由此可知，提高施氮量可以增加柳枝稷生物質產量，但施氮過多沒有正效應，反而造成浪費。

柳枝稷氮含量隨施氮水平的升高而增加，在200 kg·hm－2水平時柳枝稷株體氮含量最高，達0.77%，顯著高于N50和N100處理水平;對照組N0氮含量最低(0.65%) (表1)。

施氮水平顯著影響灰分含量(表1)，施氮150 kg·hm－2時株體灰分含量最高(5.64%)。對照組株體灰分含量最低(4.89%)。施氮量為50、250 kg·hm－2時柳枝稷株體灰分含量較低。

2.2收獲時間對柳枝稷生物質產量、氮含量、灰分含量的影響

收獲時間對柳枝稷生物質產量、氮含量、灰分含量的影響都極顯著(P＜0.01) (表2)。隨著收獲時間的推遲，生物質產量呈上升趨勢，株體氮含量則極顯著降低(1.08%～0.47%)，灰分含量亦極顯著降低(5.83%～4.63%)。

表1 施氮水平對柳枝稷生物質產量、氮含量、灰分含量的影響Table 1 Effects of nitrogen level on biomass yield，nitrogen content and ash content of switchgrass

2.3施氮水平對柳枝稷木質纖維素的影響

柳枝稷生物質主要由3種聚合體組成，分別為纖維素、半纖維素和木質素，統稱木質纖維素。施氮水平對木質纖維素的影響各異(表3)，施氮水平在100 kg·hm－2時纖維素含量最大，隨著施氮水平的提高繼而降低;同樣施氮水平在100 kg·hm－2時半纖維素含量最大，隨著施氮水平的提高繼而降低;而木質素含量則在不施氮肥時最低，隨著施氮水平的提高逐漸增加，至施氮250 kg·hm2時顯著高于對照和50 kg·hm2施氮水平(P＜0.05)，但與100、150和200 kg·hm2施氮水平相比差異不顯著(P＞0.05)。從能源植物對木質纖維素的需求來說，施氮100 kg·hm－2時最優(yōu)。

表3 施氮水平對柳枝稷木質纖維素含量(%)的影響Table 3 Effects of nitrogen level on lignocellulose(%) of switchgrass

2.4收獲時間對柳枝稷木質纖維素的影響

收獲時間對木質纖維素含量影響差異明顯(圖1)，纖維素、半纖維素含量隨收獲時間的延遲而增加。冬季收獲，纖維素和半纖維素含量之和最高，為68.11%，比秋季收獲高3.87%;秋季第1次霜后收獲，纖維素和半纖維素含量之和為65.57%，比夏季收獲高8.69%;夏季收獲，纖維素和半纖維素含量之和最低，為60.33%。冬季收獲，纖維素和木質素含量均顯著高于秋季和夏季收獲(P＜0.05)，半纖維素含量僅顯著高于夏季，但與秋季收獲無顯著差異(P＞0.05)。

圖1 收獲時間對木質纖維素的影響Fig.1 Effects of harvest time on lignocellulose of switchgrass

2.5施氮水平和收獲時間組合效應分析

為了比較并找出達到最優(yōu)能源品質的施肥量、收獲時間組合，進行了組合分析。結果表明，處理組合對生物質產量和氮含量的影響均差異顯著(P＜0.05) (表4)。施氮200 kg·hm－2，夏季開花期收獲組合生物質產量最高;冬季收獲組合氮含量普遍低于夏季、秋季收獲氮含量。

表4 施氮水平和收獲時間組合分析Table 4 Combination effect of nitrogen level and harvest time on switchgrass

3 討論與結論

生物質是太陽能最主要的吸收器和儲存器。生物質通過光合作用，能夠把太陽能富集起來，儲存在有機物中。但與礦物燃料相比，均以C－H化合物組成，生物質利用過程中SO2、NOx的排放較少，造成空氣污染和酸雨現象會明顯降低。所以，能源植物要求生物質產量高，灰分、氮含量、水分相對含量低，木質纖維素含量高［19］，所以實際生產中應該按照能源的品質特點提高栽培管理水平。

生物質產量是評價能源價值的重要指標。本研究中當施氮肥量為200 kg·hm－2時，生物質產量達到最大。過多或過少都不利于生物量的積累，當施氮250 kg·hm－2時，生物質產量下降，這與柳枝稷的氮吸收有關，施氮過多可能會損傷株體。沈文彤［20］在河北邯鄲的試驗結果顯示，柳枝稷生物質產量最高時的施氮量為225 kg·hm－2，與本試驗結果相近。本試驗中冬季收獲比夏季開花期收獲柳枝稷產量提高了54.4%，比秋季收獲產量提高了18.5%，這與Lewandowski和Heinz［21］的研究結果一致。Sanderson和Read［22］在美國南部地區(qū)的研究表明9月收獲柳枝稷生物質產量達到最大，說明冷季柳枝稷枯黃期能夠獲得較好的產量效益。據Madakadze等［23］研究報道，柳枝稷生物質中的氮含量春季為25 g·kg－1，生長季節(jié)結束時僅為5 g ·kg－1，不同收獲時間對柳枝稷氮含量影響很大。本試驗中隨著收獲時間的推遲，生物質氮含量呈降低的趨勢，原因在于后期收割的植株，出現了氮的流失和株體的機械損失。隨著施氮水平的提高，顯著提高了柳枝稷生物質中的氮含量，提高了柳枝稷對氮素的吸收，與前人研究結果一致［24］。作為能源草，生物質氮含量越少越優(yōu)［25］。單從氮含量來看，不施氮時能源價值最優(yōu)，施氮50、100 kg·hm－2，收獲期選擇冬季時較優(yōu)。

施氮肥有益于柳枝稷對礦質元素的選擇吸收和積累，灰分含量越高，越不利于生物質燃燒［26］。因此要想使柳枝稷獲得較低的灰分含量，應適度施氮肥，不宜過多。冬季收獲灰分含量極顯著低于秋季，極顯著低于夏季收獲柳枝稷灰分含量。單從灰分含量來看，不施氮時能源價值最優(yōu)，施氮50、250 kg· hm－2，收獲期選擇冬季時較優(yōu)。

柳枝稷細胞壁主要由纖維素、半纖維素和木質素組成，是一種理想的纖維素乙醇轉化原料。其含量決定能源植物成分的可利用比例，木質纖維素含量越高，轉化低聚糖越多，乙醇產量越高［27-28］。本試驗中，施氮水平在100 kg·hm－2時纖維素、半纖維素含量最大。隨著收獲時間的延后，木質纖維素含量呈增加的趨勢。而這樣的趨勢正適合于能源植物的利用，因此，選擇在冬季收獲最優(yōu)。劉吉利和吳娜［29］對柳枝稷燃料品質做了研究，發(fā)現在冬季收獲柳枝稷燃燒品質達到最佳。

評價柳枝稷能源價值還有諸多考慮的因素，未來需要針對黃河三角洲地區(qū)建立各個能源指標的關系模型，更加客觀準確地進行比較分析，確定最適宜的栽培管理模式，以達到獲得最高能源價值的柳枝稷種植。

在綜合分析柳枝稷生物質產量、株體氮含量、灰分含量以及木質纖維素4個因素后，本研究得出:在黃河三角洲地區(qū)鹽堿土土壤中從柳枝稷的能源價值上，氮肥施量應該控制在100、150 kg·hm－2，收獲期選擇冬季立枯期。

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(責任編輯 王芳)

Effects of nitrogen level and harvest time on biomass yield and energy characteristics of switchgrass

Gao Li-xin1，2，Liu Jing1，Deng Bo1，Yang Fu-yu1，Zhang Yun-wei1
(1.College of Animal Science and Technology，Chinese Agriculture University，Beijing 100193，China; 2.College of Animal Science and Technology，Jilin Agriculture University，Changchun 130118，China)

The study evaluated the effects of nitrogen application level and harvest time on the productivity and energy characteristics of switchgrass in saline-alkali soil of Yellow River Delta in China.The results demonstrated that nitrogen could significantly increase the biomass of switchgrass.The highest yield of switchgrass was obtained at the fertilization of 200 kg N ·ha－1(P＜0.01).The biomass，ash，nitrogen and lignocellulose contents of switchgrass showed a significant response to the harvest time(P＜0.05) ; As the harvest time delayed，the content of lignocelluloses increased，and it reached the highest in winter and the optimal nirtrogen level was 100 kg N·ha－1.However，the ash content and nitrogen content showed a downward trend by delaying the harvest time.Therefore，our study suggested the high quality switchgrass will be obtained when harvest in winter and with the fertilizer application of 100～150 kg N·ha－1in the Yellow River Delta.

switchgrass; saline-alkali soil; nitrogen application; harvest time; energy characteristics

Deng Bo E-mail: dengbo67@ cau.edu.cn

S759.409; Q949.9

A

1001-0629(2016) 1-0110-06*

10.11829/j.issn.1001-0629.2015-0401

高麗欣，劉靜，鄧波，楊富裕，張?zhí)N薇.施氮水平和收獲時間對柳枝稷生物質產量和能源品質的影響.草業(yè)科學，2016，33(1) :110-115.

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2015-07-12 接受日期: 2015-12-08

十二五863計劃(2012AA101802) ;國家牧草產業(yè)技術體系(CARS-35)

高麗欣(1988-)，女，河北石家莊人，碩士，主要從事種質資源開發(fā)與利用研究。E-mail: gaolixin814@163.com

鄧波(1967-)，男，吉林長春人，副教授，博士，主要從事草地生產與利用研究。E-mail: dengbo67@ cau.edu.cn