胡萧

摘要：芒草作为一种重要的C4能源植物，在生物质能源、环境修复、畜牧饲料等方面发挥着重要的作用。本文在简单介绍芒草基本情况的基础之上，综述了近年来我国能源植物芒草能源化、饲料化、功能化（修复重金属污染及盐碱土壤）等方面的开发与利用研究进展，并对芒草今后的开发与保护提出了见解。

关键词：能源植物 芒草 开发利用 研究进展

引言

为了共同应对全球性气候变化问题，实现碳中和，当今世界各国正处在从传统石化能源向非化石清洁能源转型的关键时期[1]。其中生物质能因其具有原料绿色、可再生、来源广、储量大、能源终端形式多样且易转换等优势，是石化能的重要替代[2]。我国植物资源丰富，在能源作物产业方面占据很大优势，因此全面开发能源作物，实现规模化与产业化，对能源作物环境效应展开深入探究，对国内生态环保以及能源安全来说意义重大[3]。

1 能源植物研究进展

能源植物（Energy plant）一般指的是还有很多油脂的植物，同时也包括可替代柴油或石油、在成分方面与柴油石油比较接近的、可合成高还原性烃能力的植物[4]，一般来说主要包括4大类，除富含木质纤维素以及油脂型能源等植物之外，还包括速生丰产薪炭树以及富含碳水化合物类型的能源植物。

其中，富含碳水化合物类型的能源植物一般生产乙醇，主要包括纤维素类、淀粉类以及糖类等三种类型。可利用发酵法生产乙烯的这类植物有甜菜以及甘蔗等;在水解反应作用下才能用来生产乙烯的淀粉类植物主要有玉米与甘薯等;纤维素类型的能源植物可用来燃烧发电，常见的有桉树以及芒草等。

富含油脂型能源植物种子有很高的含油量，对油脂经酯化过程进行提取，可以直接用来生产合成柴油，一般使用的原料有油菜籽以及大豆等。还有一些植物含有大量石油型能源，包含油脂类碳氢化合物，一般用来生产与橙油成分比较接近的燃料，常见的有古巴巴香胶树、光皮树、棕榈以及麻疯树等，脱脂处理之后直接可以当做生物柴油使用。

还有一部分作物含有大量木质纤维素，一般用来生产固体类型的颗粒燃料，转化之后获得乙醇、电能或者热能，常见的主要有柳树以及桉树等。除此之外，还有一些灌木，含有大量木质纤维素，一般可以直接用来发电，通常也有大面积种植主要用来提供木炭或者薪柴，目前全球这种类型的树种主要有美国梧桐以及加拿大杨等。最近几年国内也有一些受众被用来当做薪炭使用，比如常见的泡桐、沙枣以及银合欢等。

近年来，国内有代表性的研究有如，郑循雯等[5]采用H3PO4联合H2O2对地肤进行了预处理，发现对H3PO4浓度配比、时间以及温度进行适当提升，可以明显去除木质素与半纤维，两者最大去除率最高可达90.6%以及100%，对酶解糖化发酵生产乙烯将带来很大帮助。谢茹胜等[6]研究高温热水预处理方法和酶添加量、水解工艺等对大米草水解效率的影响，研究表明，当酶添加量为3.6%，反应时间为72 h时，还原糖得率最高，为后续酶解糖化发酵乙醇奠定了良好的基础。李昌珠团队[7]综述了我国木本油脂资源的研究现状，包括木本油料作物种类与分布区域、木本油脂脂肪酸组成与品质、新木本油料作物资源挖掘、木本油料作物遗传基因发掘与调控、木本油脂的综合利用等。郝一男等[8]在催化制备生物柴油时主要使用纳米Fe3O4-PO43-/ZrO2，他发现催化剂使用量为1%，反应时间与温度分别为4 h与80℃，醇油摩尔比为9∶1的前提下，转化率最高，为92.9%。杨子飞[9]采用溶剂热法合成催化剂UiO-66及其衍生物，并开展了麻疯树油制备生物柴油的研究，正交实验中最佳反应条件下生物柴油的转化率为97.22%，甲酯率高达99%以上，醇油比的三个水平范围选择较为合理。经过分析得到理论最佳工艺条件：反应温度70℃，催化剂用量4%，醇油比25：1，反应时间4h，最佳工艺的三次验证试验，生物柴油的转化率都大于97.22%。

2 能源植物芒草

芒属植物（Miscanthus spp.）俗称芒草，含有约15到20个物种，是一类多年生高大C4草本植物，具有生物量大、纤维素含量高（综纤维素含量76.2%-82.7%）、灰分低、热值高、适应性强（适应各种逆境及边际土地）以及生产成本低（如地上部分冬季常枯萎，易于收割和储运）等诸多优点被认为是目前最具开发潜力的高产纤维类能源植物之一。同时，芒草还可以被制备成生物炭、土壤调理剂、生态板材和生态建材等产品，除用来净化水质以及改良土壤之后，还可以起到吸附重金屬的效果。

在我国最有能源潜力的芒草主要有芒、五节芒、荻、南荻4类[10]，其水平分布范围依次为：18.81-43.56°N、100.44-127.55°E，19.14-38.33°N、104.78-122.39°E，29.90-47.53°N、06.27-113.76°E，28.18-34.82°N，111.48-120.81°E，垂直分布范围依次为：-12- 678m，0-1650m，-1-1455m，0-321m。其中，南荻多分布在长江中下游地区，荻主要分布在长江北部，五节芒和芒的分布以南方为主[11]，其半纤维素含量在不同种间（或类型间）差异不显著，半纤维素、木质素在不同种间（或类型间）差异分别达到了显著和极显著水平，同时，纤维素、半纤维素的种类变异贡献大于种间变异贡献，有利于种质资源的遗传改良[12]。同时，在芒草繁殖技术产业化方面，商业化的繁殖技术正朝着：根茎直播法→根茎与茎秆育苗移栽法→种子直播法与微繁育苗移栽法的方向发展[13]。

3 芒草生物能源利用研究进展

在芒草进行能源化开发利用前，需对其进行能源潜力评估，以便建立最优的能源化转化途径。项伟等[14]从农艺、品质、抗逆性3个方面，构建了芒属植物（芒、五节芒、荻、南荻）在燃烧发电、发酵制乙醇、发酵产沼气和热化学转化的能源潜力评价体系，该体系适用性强，可以筛选优良品种，同时选育新品种。徐乐乐[15]研究对象为29个不同的芒果品系，研究内容为木质纤维所含量，结果发现因为生长环境不一样，同一品种的芒果木质纤维素含量差异比较明显，含量最高的为52.65%，这类芒果一般用来发酵制乙醇;含量较高的一般用来燃烧发电。对7种芒果品种里面的挥发油进行全面鉴定，发现挥发性成分共22种，其中癸酸的含量最多。李成丰[16]通过系统生物学分析鉴定了芒草在多种预处理条件下，影响其酶解糖化的细胞壁关键结构因子，结果表明，半纤维素分支度（Ara/ Xyl）显著降低了纤维素结晶度（CrI），提高其酶解糖化效率。同时，针对不同储存时间对生物质能源产率的影响，袁玲莉等[17]的研究显示，芒草储存0～30天之后产甲烷的能力全面下滑，储存时间超过30天产甲烷能力以及理化性质基本上保持稳定，由此可知随着存储时间的不断延长，参甲烷能力逐渐下降。

在芒草转化生物能源（如生物乙醇）过程中，采用合适的预处理方式来解除芒草的生物质抗降解屏障，有助于酶解糖化过程的顺利开展。孙丹等[18，19]对选取的芒果展开与处理，主要用到蒸汽爆破工艺，对芒草秸秆细胞壁结构、成分以及孔隙度影响要素进行分析，找到对酶解效率细胞壁产生影响的关键因素以及具体的优化条件，对降解产糖芒草材料进行鉴定，在此基础上设计出高效降解模型。相比于稀酸、稀碱处理方式，蒸汽爆破具有较强的优势，经预处理后芒草的酶解糖化率可达74.45%，较未处理最高可提高11.79倍。彭胜男等[20]开发了一种利用氨水协同60Co- γ射线辐照预处理芒草的技术，经过程优化，酶解糖化后还原糖含量达到471.74 mg/g，为芒草的绿色低毒高效预处理开辟了新途径。同时，针对芒草预处理抑制剂，佀胜利等[21]对多种浓度酸/碱预处理环境下的芒草上清液发酵产乙醇以及副产物生成规律进行探究，同时分析乙醇发酵与副产物预处理两者的关系，最终发现抑制剂产物浓度存在显著差异，与碱处理相比，酸处理生成的5-羟甲基糠醛与糠醛浓度明显更高，不过在香草醛、丁香酸等碱处理方面浓度更高，为后续酶解发酵提供了较好的基础。黄政[22]采用纳滤技术分离了辐照降解芒草水题液中的发酵抑制物，结果表明，纳滤膜对香草酸截留率较高，其他抑制物透过效果好，经分离后甲酸、乙酸分子的最小截留率由由-2.14%和-3.09%分别升高到5.83%和5.32%，香草酸的最小截留率有21.74%升筒到22.35%。

为了提高芒草生物半纤维素的转化率，进而提高生物乙醇的得率，田梦南[23]采用超声辅助碱液提取工艺，实现了芒草半纤维素的高纯度分离;分析了半纤维素化学组成、结构及热解特性;优化了硫酸法降解半纤维素工艺，并对产物进行了乙醇发酵。程绍哲[24]开展了镉胁迫影响芒草细胞壁结构、生物质酶解和乙醇产率的研究，结果表明在Cd胁迫下，四种芒草细胞壁里面的纤维素含量明显降低，碱（NaOH）预处理前提下，Cd处理芒草材料酶解效率影响更高，由此可知芒草酶解效率与果胶里面的糖醛酸含量呈正相关关系，与纤维素聚合度以及结晶度呈明显的负相关关系。

在芒草的热化学转化方面，姚灿[25]研究对象选择芒草热解特性以及具体的影响要素，与松木、玉米秸秆相比，芒草具有最低的挥发分释放特性指数，热解速度最快，

热解产物主要以气体产物以及醛酚醇酸类化合物为主，随着温度的变化酮醛类热解产物分布情况也随之发生改变。焦豪等[26]研究对象选择芒草与褐煤两者共热解，同时对褐煤与褐煤两者共热解展开对比，最终发现，芒草与褐煤共热解具有很明显的协同效果，随着生物质掺混比在不断提升，效果持续增强。刘威等[27]主要探究芒草热解焦CO2气化反应受到制备温度的影响，最终发现随着温度的逐渐提升，热解焦表面结构开始不断加深，

制备温度为600℃的时候微孔容积与总孔容积比值最大，400℃的时候平均活化能力最小。

4 芒草资源其他利用研究进展

在土壤重金属修复领域，芒草也发挥着重要的作用，近年来具有代表性的研究成果有如，吴道铭等[28]总结分析了芒属植物重金属耐性研究及其在矿山废弃地植被恢复过程中的发展潜力，具体在芒属植物生物学特性、重金属耐性特点、机理及其在矿山废弃地植被恢复中的应用潜力方面，并提出了应用芒属植物进行矿山废弃地植被恢复的基本思路。陈兆进等[29]开展了镉胁迫对芒草根际细菌群落结构、共发生网络和功能的影响，结果表明，Cd 的添加能显著提高土壤中黄色土源菌属、苯基杆菌属、芽单胞菌属、鞘氨醇单胞菌属等11个属的相对丰度，这些细菌可能在芒草耐受和富集重金属中起到作用。

为发挥芒草在畜牧业中作为饲料、饲料添加剂及优质牧草等方面的开发潜力，柴继莹[30]采用近红外光谱技术测定了芒草秸秆蛋白质含量，结果表明，原产地为中国的芒草蛋白质含量较日本、韩国和日本的在茎秆干物质中所占的比例最高（均值1.32%），為芒草优良材料的选育及其饲用价值的评估打下坚实基础。

在芒草应用于土壤盐渍化治理方面，研究表明相比于其他草本作物，芒草由于具有木质根茎，对盐分胁迫耐受性比较强[31]。在120 mmol/L盐分胁迫下芒草茎的干物重减小将近49%，由此可知芒草生长抑制临界点浓度为120 mmol/L[32]。我国本土芒、荻芒草的耐盐能力分别可达14.93 g/L（约为255 mmol /L NaCl）、12.97 g/L（约为221 mmol /L NaCl）;抗盐性最高的芒草的耐受盐分浓度为29.12 g/L（约为498 mmol /L NaCl）[33]。有其他研究表明，与五节芒和芒草相比，国内南荻芒具有更强的耐旱性能，主要原因在于水分利用率以及光合速率比较高[34]。除此之外，NaCl盐胁胁迫环境下，芒草盐分生长生理代谢主要受到膜脂过氧化以及抗氧化酶的双重影响[35]。

同时，为更好的评估芒草种植风险，郭孟齐等[36]在借鉴国外的研究成果的基础之上，以分布特征、繁殖特征、扩散特征、遗传特征、适应特征、危害特征、被控制特征为评价指标，针对国内芒属植物规模化种植生态风险展开全面探究，最终发现在生态风险方面最大的为芒，其次为荻，风险最小的为南荻;结合生态风险评估价标准，在芒草种类中南荻属于无生态风险类型，芒、荻与五节芒属于低生态风险类型。

5 结论与展望

目前，我国对能源植物芒草的开发利用方兴未艾，将实验所得成果应用在具体生产中，在芒草基生物乙醇/丁醇、芒草生物质颗粒燃料、气化产生物合成气、芒草超富集土壤重金属、芒草饲料等方面实现了规模化应用。同时，亦应当在一些涉及芒草优质种质资源开发，生态栽培，芒草生物质全量利用及生物多样性保护与生态安全等方面进一步加强研究。

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