王静远 ，刘丽娜 ，吴 飞

（浙江农林大学，浙江 杭州 311300）

1 五节芒的优点与危害

在化石燃料日益稀缺和不可再生资源不断减少的背景下，人们对绿色环保的需求不断增加。开发生物质材料是减少传统石油基塑料高碳排放的有效途径[1]，生物质是通过生物光合作用从大气中的CO2、H2O和阳光中生成的，生物质燃料不仅有与石油基产品相媲美的性能，还具有显著的环境优势与性价比。

木材虽是自然界占比最大的生物质原料，但其珍贵性日益显现，人们转而寻找非木材生物质原料[2]，五节芒便是其中之一。五节芒是禾本科、芒属的多年生草本植物，生物量高且耐受力强。五节芒适合生物质材料开发有两点原因，其一，我国是芒属植物的分布中心，可以提供丰富的品类资源；其二，近些年由于民间利用减少，五节芒开始疯狂生长，迅速上升为我国东南地区林业主要恶性杂草之一，此时将五节芒用于开发生物质材料有助于科学防治，变废为宝。

五节芒（Miscanthus floridulus），被子植物门禾本科黍亚科须芒草族甘蔗亚族芒属。芒属植物是多年生禾本科禾草，植株高度可达2 m～4 m。它原产于东亚，广泛分布于从东南亚到太平洋岛屿的热带、亚热带和温带地区，在非洲也有少数种类。五节芒生于低海拔撂荒地、丘陵潮湿谷地、山坡或草地。芒属植物约有10种，我国有6种，分别为五节芒、芒、金县芒、高山芒、紫芒和黄金芒。五节芒在中国主要存在于华东华南的江苏、浙江、福建、台湾、广东、海南和广西等地区[3]。芒属植物适应性强、生物产量高（45 t/hm2）、纤维品质好、灰分低，是国内外公认最具潜力的能源植物之一。其中，五节芒具有光合效率高、生长快、适应性强、生物质产量高等优点，极具开发价值[4]。

五节芒形貌特征如图1所示，五节芒以其高大的茎秆和披针状线形、扁平的叶片而著称。其叶片基部渐窄或呈圆形，顶端长渐尖，中脉则显得粗壮隆起。叶面两面均不生毛，但上部基部有柔毛，而边缘较为粗糙。五节芒的圆锥花序体型较大，十分密集。小穗卵状披针形，呈黄色，芒长为7 mm～10 mm，表面略带粗糙，伸直或下部稍扭曲。其内稃微小，雄蕊为3枚，花药长1.2 mm～1.5 mm，色泽呈桔黄色。花柱极为短小，柱头呈紫黑色，自小穗中部之两侧伸出。

赵佳美等[5]对五节芒的微观结构进行了深入研究，发现五节芒的茎秆由三个组成部分：外皮、木质、髓部。外皮为茎外面的部分，木质为外皮内圈维管束较多且密集排布的部分，髓部为茎内部呈白色条纹状、含少许维管束的部分。通过观察茎的横、纵切面切片，可以看出上面大致有三个组成部分：表皮组织、维管束和基本的薄壁组织。五节芒主要由纤维素、半纤维素和木质素组成，其中纤维素质量分数高达47.9%[6]，纤维素具有高度的结晶度和优异的热稳定性，而半纤维素和木质素则是无定形的。五节芒具有羰基、羟基、羧基、甲基等官能团，含有大量的愈创木基和紫丁香基结构单元。

早年，五节芒为农民提供了可用作家畜饲料的茎叶和可制成扫帚头的花序轴等资源，同时由于人类的利用，五节芒生物量也一直保持在合理范围内。然而，随着社会生活水平的提高，民间砍伐五节芒的次数不断下降，利用率持续降低。五节芒强大的生命力和极快的繁殖速度使其增长远远超过人类的利用率，迅速成为我国东南地区主要的林业恶性杂草之一。

五节芒的防治成本高、难度大，对环境和经济的危害日益显现。其危害[7]有三：一是五节芒入侵造林地后，其发达的根系和强大的再生能力使得清理难度极大，严重影响了造林的成本和效率。二是五节芒具有较强的物种竞争力，抑制其他植物生长。五节芒入侵幼林地，不仅抑制乔木层的更新演替，还形成大面积的单优群落，从而破坏生态系统的物种多样性和稳定性，破坏景观的自然性和完整性。三是五节芒容易成为森林火灾的罪魁祸首。冬季干燥时，五节芒成为常见的易燃物，不仅易引发火灾，还容易扩散火灾，给灭火带来巨大困难。

因此，五节芒的高效利用与产品开发有助于提高自然资源的利用率，也能更好地促进和谐生态，推动五节芒加工利用这一特色产业的形成与发展，变废为宝，为推动开发生物质能源提供新的样品与思路，以此缓解人类面临的日益严峻的能源环境挑战。

2 五节芒综合利用研究现状

五节芒的应用领域十分广泛，应用领域涉及复合材料、生物能源、生态保护、园林景观、造纸原料、饲料等方面，如图2所示，国内外主要的综合利用方向如下。

图2 五节芒的综合利用

1）复合材料：小麦秸秆的木质纤维素可以转化利用，将木质纤维素转化为生物产品，如乙醇、生物氢和生物复合材料等[8]。五节芒花絮可用作吸油材料，其对植物油、机油、柴油饱和吸油容量分别为15.23 g/g、22.15 g/g和26.65 g/g，自然沥干5 h后保油率均在70.0%以上，可制成水油分离材料，实现农业资源有效利用[9]。据研究，一般芒属植物的木质素含量为17.8%～27.7%。木质纤维素含量为32.7%～49.5%、半纤维素含量为21%～34.8%[10]。与小麦秸秆等其他木质纤维素生物能源作物相比，芒具有更高的生物量和纤维素含量，更有利于以低成本开发绿色高效复合材料，以减少传统塑料的使用，更加符合人类可持续绿色发展要求。

2）生物能源：五节芒含有热值较高。Salvatore Collura等的研究表明，芒草的热值一般为17 MJ/kg，按产量30 t/hm2计算，每l hm2芒草热值可高达510 000 MJ[10]。爱尔兰芒草产电量占其全国总产电量的37%，是欧盟各国最多的。芒草的高生物质产量和其收获时的低水分含量有利于燃烧，且其具有的较多挥发性物质使得它比煤炭有更好的点火稳定性，并且芒草的燃烧较农作物秸秆更为稳定和清洁[11]。Katukuri等[12]研究了过氧化氢预处理对于增强五节芒改善厌氧消化过程中生物质的沼气产量，结果表明，在中性pH下，在0.8%H2O2浓度下，甲烷收率为278.7 mL/g VS（挥发性固体），与未处理的样品相比提高了49%。因此，许多科学家都把它作为第二代生物燃料中最有前景的原料之一。Ercoli等[13]对芒草的产能量进行了研究，结果表明芒草是一种优质的能源禾草植物，比短轮伐期林木用作能源植物更具优势。

3）生态保护：五节芒能耐41.5 ℃的短期高温；在长达20天的35 ℃以上持续高温下能正常生长；在连续4天干热风的侵袭下，仍能安然无恙，有强大的生命力。通过对五节芒的生态特性开展长期的深入研究，发现五节芒是一种非常有发展潜力的饲草和环境保护植物，五节芒根系发达，耐旱性较好，能够截流雨水、涵养水源、防止表土流失和滑坡，具有较高的水土保持价值。五节芒在恢复土壤环境方面也起到了积极作用，对镉、锌和铅等重金属有较大的耐受性，能够用作植物修复[14-15]。张崇邦等[16]为了了解五节芒这种重金属耐性植物对尾矿砂土壤的改良作用，研究了尾矿砂堆积地五节芒自然定居对土壤微生物生物量、呼吸速率及酶活性的影响。结果发现，随着五节芒在尾矿砂上的定居，除土壤以外，土壤有机碳、总氮、总磷、速效磷的含量以及团聚体稳定性和最大持水量均显著提高，而土壤重金属总量与可提取量均显著下降；土壤微生物生物量碳、氮、磷，基础呼吸速率，基质诱导呼吸速率，多种土壤酶活性均显著提高。

4）园林景观：芒属植物也是可以作为观赏性植物。在很多国家都有将芒属植物应用于园林景观的先例。英国著名景观设计师雷塞尔·佩奇（Ressel Page）使用了许多装饰性植物，包括芒属植物，创造了一个新的自然美丽的花园，打破了传统园林景观的概念。园林中应用有5种常用的芒属观赏草：五节芒、芒、花叶芒、晨光芒和细叶芒[17]。然而目前的五节芒的品相无法满足园艺审美的要求，因而我国正逐步加大对现有芒属植株资源的研究，利用芒属植物资源丰富的优点，通过合理利用生物技术，培养适宜的新品种。

5）造纸原料：我国是森林资源贫乏的国家，中国纸业的发展离不开非木材纤维。中国有丰富的禾草类纤维资源，作为造纸原料可以缓解森林过度开采，在草类纤维制浆造纸方面也已经积累了丰富的经验[18]。五节芒纤维细长（1 mm～2 mm）、生物量大（45 t/hm2）、含浆量高（48.4%）[19]，是优秀的造纸原料。房德建等[20]分析了葛藤、蜈蚣草、飞蓬、玉草、五节芒、桑枝6种非木材原料的制浆性能，其中五节芒纤维结构比较细长但表面比较粗糙，纤维的结晶度较大，为40.39%，纤维的断裂强力较大，纤维素含量在37.5%～40.62%之间，综纤维素含量在64.83%～74.43%之间，木素、灰分、抽出物等含量相对较低，粗浆得率较高且卡伯值相对较低，是值得进一步开发研究的制浆造纸原料。然而，禾草类纤维制浆仍面临如原料采集方式落后、技术落后、市场竞争能力低、环境污染等问题，非木材造纸虽有巨大的发展潜力，但仍处于缓慢发展阶段。

6）饲料：五节芒一年种植可多年利用，五节芒可青饲也可青贮或晒制干草，可将干稻草等粗饲料与五节芒青饲料掺合，以提高粗饲料的适口性。池春梅等[21]探究了不同时期（萌芽期、拔节期和抽穗期）五节芒营养成分，并研究五节芒在山羊瘤胃内的降解特性。得出结论：拔节期五节芒具有生物量大、营养品质较优的特点，拔节期五节芒干物质（DM）、粗蛋白（CP）、中性洗涤纤维（NDF）和酸性洗涤纤维（ADF）在山羊瘤胃中的降解率随时间的变化依次递增，72 h时达到最大，最大降解率分别为42.94%、59.31%、44.15%和39.65%，有效降解率分别为30.03%、40.74%、29.80%和27.41%，因此拔节期五节芒最具营养价值，是一种具有开发潜力的非常规粗饲料。

总之，五节芒的综合应用是其实现高值化利用的有效途径，对于我国生物质材料的开发与研究更有其积极意义，不仅能实现对五节芒的绿色防治，还有利于发挥我国芒属资源优势，缓解能源资源危机，提高社会效益。

3 结论

五节芒应用广泛，原料易得，生物量大，作为生物基材料潜在的研究价值值得被人们重视，同时，五节芒强大的生命力和极快的繁殖速度使其增长远远超过人类的利用率，迅速成为我国东南地区主要的林业恶性杂草之一。对五节芒实现高值化利用是破解五节芒防治难题、开发清洁材料与能源的关键，五节芒的应用领域涉及复合材料、生物能源、生态保护、园林景观、造纸原料、饲料等方面。深入研究五节芒等生物质，推动生物质产业壮大，可以为缓解能源、环境危机提供新的思路。