0 引言
【研究意义】芒属植物（Miscanthus spp.）是隶属禾本科（Gramineae）黍亚科（Panicoideae）高粱族（Trib. Andropogoneae）甘蔗亚族（Subtrib. Saccharinae）芒属（Miscanthus）的一类多年生高大草本植物[1],俗称“芒草”。在中国有能源潜力的芒属植物主要有芒、五节芒、荻、南荻等4个种,而欧洲目前已经得到推广利用的芒属能源植物为奇岗,它是二倍体芒和四倍体荻的三倍体杂交品种[2],原产自日本。面对能源短缺和环境污染双重压力,中国政府高度重视生物质能源发展,在连续5个五年计划中都把生物质能源列为了科技攻关重点项目。2006年1月1日《可再生能源法》的实施更是使得可再生能源在现代能源中的地位得到法律高度上确认[3]。而开发理想的能源植物保障优质生物质原料的稳定供给是发展生物质能源的基本前提,同时为了保障不与人挣粮、不与粮挣地,生物质能源的发展必须以边际性土地为主。因此,产量高、品质优、成本低、抗逆性强的芒属植物成为专用能源作物的首选来源。芒属能源植物作为纤维生物质原料转化为生物燃料的技术途径与产品类型主要有压制成型燃料、燃烧发电、发酵制乙醇、发酵产沼气和热裂解制生物油、生物炭与生物气等。而即使是同一种能源植物,由于在不同经纬度或海拔地区的表现不同,其利用途径也可能不同;而利用途径不同,其评价指标也会不同,所以目前对能源植物的评价还没有一个统一的标准。因此,建立一个科学合理的草本纤维素类植物能源潜力评价体系,来指导宜能品种的筛选与开发利用已成为芒属能源植物开发的关键前提[4]。【前人研究进展】国内外对能源植物的评价在产业链方面主要分为上游阶段评价、下游阶段评价和全阶段（全生命周期）评价等,在评价方法构建方面主要有层次分析法[5-10]、能值分析[11-14]和其他方法等。例如,以层次分析法构建体系评价上游阶段的有：李高扬等[15]以燃料乙醇为目标评价能源植物的利用价值;李聪敏等[16]确立评价三峡库区能源植物的各类不同指标;潘伟彬[17]建立以直燃、成型燃料、热解气化利用和纤维素乙醇生产为目的的狼尾草品种筛选评价模型;李峰[18]以生产乙醇为目标对16种常见能源草进行筛选及评价指标体系构建;侯新村等[19]以固体成型燃料、沼气、纤维素乙醇为目标对荻的应用潜力进行分析评价;曾汉元[20]对9种能源草的农艺性状和光合特性等方面构建指标体系;沈光等[21]建立富含油、淀粉、糖、橡胶等类能源植物、木质纤维素能源植物和薪炭能源植物三个评价指标体系;WERNER等[22]用多属性决策评估能源作物事前轮作。以层次分析法构建体系评价下游阶段的有：张玉兰[23]以燃料乙醇、生物柴油、直燃发电、沼气为目标建立生物质能源品种综合评价模型;王慧[24]以乙醇为目标建立了纤维素乙醇转化评价体系。以层次分析法构建体系评价全阶段的有：TURCKSIN等[25]以多人参与的多准则构架评价了不同生物燃料的选择;COBULOGLU等[26]建立了一种可持续生物质作物选择的随机多准则决策分析体系。以能值分析评价全生命周期的有：张军等[27]研究燃料乙醇系统3个阶段的能耗问题;杨慧[28]建立植物生物质能的能值评价指标体系,分析能值评价在植物生物质能可持续发展中的作用;FAZIO等[29]评估了生物能源系统的能量和经济。以其他方法评价的有：范希峰等[30]以乙醇转化、沼气发酵、燃烧、热解气化为目标3种草本能源植物的生物质产量和品质特性;张树振等[31]以燃料乙醇为目标对不同苜蓿品种生物质能源性状进行评价;刘建乐等[32]以燃料乙醇为目标通过加权平均法对30份割手密资源进行产能潜力评价;BALEZENTIENE等[33]用模糊决策法选择可持续能源作物;GIULIANO等[34]以一个多准则评价玉米种植制度。【本研究切入点】国内外有关评价体系构建的研究虽多,但受芒属植物资源的限制,国外尚无针对芒属植物多能源用途的评价体系,虽然中国芒属植物资源丰富,但由于研究起步较晚,目前也尚未见有关报道。【拟解决的关键问题】本文针对芒、五节芒、荻、南荻和奇岗等芒属能源植物,从燃烧发电、发酵制乙醇、发酵产沼气和热化学转化等利用途径考虑,筛选能源利用潜力所涉及农艺、品质、抗逆性等3方面23项性状,通过层次分析法构建了芒属能源植物评价指标体系,旨在解决如何评价何种芒属植物符合能源作物条件并适合何种利用途径的问题,从而为芒属植物优良能源种质筛选和新品种选育提供指导作用,同时也为芒属植物在其它能源用途方面的评价方法建立提供参考依据。1 原则与方法
1.1 建立原则
全面性原则：要对芒属植物各种质进行综合评价,指标体系就应当选取全面,能全面反映各种质状况,使评价更全面。代表性原则：筛选指标时,应选取最能直接反映芒属植物能源潜力的指标。排除与能源潜力关系不大的从属指标。各指标之间应具有独立性。
层次性原则：评价指标体系层次结构的建立,有利于进一步的因素分析。
合理性原则：有机结合定量和定性指标、直接和间接指标等,确保指标合理性。
可行性原则：指标数据易采集、方便更新、体系简明综合性强、具有可操作性。
1.2 建立方法
先通过文献法搜集和分析芒属植物在能源相关领域利用的中英文文献,初步选出芒属植物与能源潜力有关的性状指标;再将这些指标和相关问题编制成表式,采用问卷调查法,以提问的形式向企业及农户等相关人员搜集信息,然后回收整理、统计研究;最后筛选出文献引用频次较高,同时相关人员认为比较重要的指标。然后利用yaahp10.1软件来运用层次分析法构建层次结构模型,再构造判断矩阵。以问卷方式,邮寄或直接拜访行业内专家,利用其知识、经验和分析判断能力对芒属植物能源用途关联的不同指标重要性进行判断。最后利用yaahp10.1软件检验一致性,根据专家排序权重结果集结或判断矩阵集结计算评价指标权重,再依据各个评价指标的具体数值,分别赋予对应的分值。1.3 应用示例
从湖南农业大学芒属植物资源圃随机挑选B0340（芒）、A0504（五节芒）、A0123（荻）、A0118（南荻）、D0302（奇岗）5份材料进行测试。该评价体系农艺指标和品质指标的测量原则上均选在最佳收获期进行,不同能源用途的最佳收获期略有不同,一般情况下用作发电、制乙醇和制生物油时,采取延迟收获品质较好;而用作产沼气时,采取青贮品质较好。
1.4 结果验证
将测量值代入现有文献中的能源理论产率计算公式,检验其结果与该评价体系结果是否一致。1.4.1 燃烧发电评价验证 发电量理论计算公式[35],
见公式（1）：
发电量（kW·h·hm-2）= 热值（MJ·kg-1）×106（将MJ·kg-1换算成KJ·t-1）×0.35（热转化成电过程的效率）×干物质产量（t·hm-2）÷3600（将KJ换算成kW·h） （1）
1.4.2 发酵制乙醇评价验证 乙醇理论产量计算公式[36],见公式（2）：
乙醇产量（L·hm-2）=（纤维素含量(%)+半纤维含量(%)）×干物质产量（t·hm-2）×1.11（纤维素、半纤维素水解成糖的转换因子）×0.85（纤维素、半纤维素水解成糖过程的效率）×0.51（糖转化成乙醇的转换因子）×0.85（糖转化成乙醇过程的效率）×1000/0.79（乙醇的比重g·mL-1） （2）
1.4.3 发酵产沼气评价验证 沼气理论产量计算公式[37],见公式（3）：
沼气产量（m3·hm-2）=（纤维素含量(%)+半纤维含量(%)）×干物质产量（t·hm-2）×103（将t换算成kg）×0.75（碳水化合物的理论沼气转化率m3·kg-1） （3）
2 结果
2.1 评价指标与层次结构
首先通过文献搜索得到与能源潜力有关的性状指标75项,然后经向河南天冠、武汉凯迪、湖南谷力新能源等企业,以及洞庭湖区南荻种植户和湖南农业大学芒属植物研究所工作人员调研咨询,最后筛选出认为比较重要且文献引用频次较高的性状指标共23项。采用层次分析法建模构建芒属植物能源潜力评价体系（图1）[38],目的层为评价芒属植物能源潜力,准则层为农艺指标、品质指标、抗逆性,方案层为干物质产量、冠层高、茎高、茎径、基部直径、分蘖数、叶茎比、枯黄性、落叶性、含水量、灰分含量、挥发分含量、固定碳含量、热值、纤维素含量、半纤维素含量、木质素含量、矿质元素含量、耐盐性、抗旱性、抗寒性、耐淹性、抗病虫性。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图1芒属植物评价体系层次结构模型
-->Fig. 1Hierarchical model of the Miscanthus energy production potential evaluation system
-->
主要欲以芒属植物本身属性性状判断其能源潜力,因此,未对不同工艺、剔除不利因子或添加其他因子来改善能源转化效果的情况进行考虑;由于不同工艺、不同利用途径碳排放情况也会有所区别,因此也未对环境因素方面进行考虑。
芒属植物能源化利用是以收获其营养体作为原料来源,因此,无论何种利用方式,干物质产量越大,能够转化的能源就越多,是品种筛选评价的首要指标。冠层高、茎高与产量具有高度相关性,但其又受限于茎径,茎径与分蘖数呈明显负相关,而茎径与基部直径却无对应关系[39]。
为保证粮食安全,不与粮争地,边际土地利用是能源作物推广的首选。因此,对盐碱、干旱、严寒、洪涝等逆境的适应性越强,可推广的面积就越大;另外,病虫害是作物减产的重要因素之一,因此,抗病虫性越强,干物质产量就越大。
2.1.1 燃烧发电相关指标 热值是能源植物用作燃料的重要参数,美国一般使用高位热值,欧洲国家通常使用低位热值[40]。热值与固定碳、挥发分和木质素存在关系,且热值一般随着固定碳和木质素含量的增加而增加,其中,热值与木质素含量存在高度线性相关性,由测量木质素含量可以直接计算出热值[41]。一般情况下,含水量升高,会导致热值降低。而枯黄性越明显,表明含水量越低,越有利于高热值[42]。灰分含量与热值呈负相关,此外灰分和矿质元素在燃烧时会通过出渣、腐蚀和污染产生一系列问题。同时,一般来说叶会导致生物燃料质量的下降,而茎秆较叶和花序具有更低的灰分和矿质元素含量,因此,落叶性越明显、叶茎比值越小,灰分和矿质元素含量越低[43]。由于K或Ca的存在,Si容易与其反应生成低熔融点的碱金属硅酸盐;Si/K和Ca/K比值越高,出渣趋势就越低,但K和Cl反应还是会形成主要的污垢混合物;P会增加潜在的出渣沉积物;其他碱金属元素像Na、Mg容易与氯盐、碳酸盐和硫化物形成低共熔体。(Si + P + K)/(Ca + Mg)摩尔比值反映灰熔融性和K释放;K、Na、Zn和Pb的总量反映潜在的气溶胶排放;2S/Cl摩尔比值反映高温氯腐蚀的风险;而N含量反映燃料的潜在NOx排放[44]。
2.1.2 发酵制乙醇相关指标 生物乙醇生产需要的芒属品种不仅需要高生物质产量,还需要高纤维素和半纤维含量,与低木质素和灰分含量。而芒属植物大多具有高纤维素、低灰分,但却低半纤维素、高木质素的特点,而其叶往往又具高半纤维素、低木质素的特点[45]。另外,茎秆具有更高的纤维含量,培育低叶茎比的品种,更有利于提高生物质品质[46]。
2.1.3 发酵产沼气相关指标 纤维素、半纤维素的转化率依赖多糖与木质素含量的比值,木质素含量越低,沼气产率越高。因为有机物厌氧消化C/N消耗比在25—30,所以微生物最佳生长条件C/N比应该为20—30,而根据其研究数据显示芒属青贮料C/N比在19.1—103.3[47]。
2.1.4 热裂解制油相关指标 生物质中灰分和其他无机化合物的存在不利于生物油的质量和产率[48],灰分比木质素对热解产量影响更大,其中木质素会在热解油中产生高分子量混合物导致其质量下降;而高水平的灰分（金属）含量会导致有机物产量低,产出大量反应水,导致油的热值下降[49]。纤维素和半纤维素对生物油产量有贡献,木质素有利于生物炭的产量[50]。
2.2 测量标准
农艺指标：干物质产量,指芒草在单位面积上的干物质重量;冠层高,指地面至顶端大多数叶拐点处的高度;茎高,指最高茎从地面至最高舌叶（除旗叶外）处的高度;茎径,指最高茎离地面5 cm处的最大直径;基部直径,指茎丛在地面水平的最大的直径,取最远2个分蘖之间的距离;分蘖数,指单株芒草离地面10 cm处所有的分枝数;叶茎比,指单株芒草叶、茎分离后干物质重量的比值;枯黄性,指芒草茎叶自然干枯变黄的比例;落叶性,指芒草叶自然凋落的比例。品质指标：含水量,指芒草中水的质量占芒草总质量的百分比;灰分含量,指芒草熔化后产生的灰渣占其干物质的比例;挥发分含量,指芒草在加热（如热裂解）或常温状态下挥发出来的有机或无机物质占其干物质的比例;固定碳含量,指测定挥发分后的固体芒草残渣除去灰分后的残留物占其干物质的比例;热值,芒草完全燃烧时所放出的热量;纤维素含量,芒草中纤维素占其干物质的比例;半纤维素含量,芒草中半纤维素占其干物质的比例;木质素含量,芒草中木质素占其干物质的比例;矿质元素含量,芒草中N、P、K、Ca、Mg、S、Si、Cl、Na等矿质元素占其干物质的总比例。
抗逆性：耐盐性,指芒草对土壤里盐碱类物质的耐受能力,分4级,（1）耐盐（可耐土壤中1%以上NaCl含量的浓度）;（2）中等耐盐（可耐土壤中0.6%—1% NaCl含量的浓度）;（3）中等敏感（可耐0.3%—0.6% NaCl含量的浓度）;（4）敏感（不耐0.3% NaCl含量）。抗旱性,指芒草通过干旱屏蔽抵抗缺水胁迫和增强水分吸收耐旱两方面的能力,分5级,（1）强（干旱时无受旱害表现）;（2）较强（个别叶片有轻微的萎蔫）;（3）中等（大量茎叶出现萎蔫现象,但生长未停止）;（4）弱（大量植株出现萎蔫现象,生长停止,并有少量死亡）⑤最弱（所有植株萎蔫,30%死亡）。抗寒性,指芒草忍耐或抵抗低温或寒冷的能力,以越冬率为判定标准。耐淹性,指芒草对水分过多缺氧的适应能力,分3级,（1）耐淹（淹水后能正常生长）;（2）中等耐淹（淹水后能存活）;（3）不耐淹（淹水后死亡）。抗病虫性,指芒草抑制或延缓病原活动与避免受虫害、或耐虫害、或受虫害后自有补偿机制的能力,分4级,（1）高抗（未观测到病原体或害虫的成虫、幼虫、卵）;（2）中抗（5%以下植株感染,个别植株发现病原体或虫害,但不影响芒草生长）;（3）低抗（5%—10%的植株感染病原体或虫害,芒草生长受影响）;（4）不抗（10%以上植株感染病原体或虫害,芒草生长停止,甚至死亡）。
2.3 权重赋值
根据表1和表2,构造第一层能源潜力子指标矩阵1个,分别构造第二层农艺指标、品质指标、抗逆性等子指标矩阵3个,制作成问卷并发放给10名行业内专家,其中,正高5名、副高3名、中级2名,经专家判断后回收问卷进行一致性检验,得到有效判断问卷7份,最后根据群决策判断矩阵集结计算出各性状的权重（表3）。Table1
表1
表1评价指标相对重要性判断标度
Table1Judgment scale for expressing the relative importance of the compared traits
| 判断标度 Judgment Scale | 含义 Meaning |
|---|---|
| 1 | 表示2个性状相比,具有相同重要性 It represents two traits have the same importance |
| 3 | 表示2个性状相比,前者比后者稍重要 It represents the former trait is slightly more important than the latter trait |
| 5 | 表示2个性状相比,前者比后者明显重要 It represents the former trait is obviously more important than the latter one |
| 7 | 表示2个性状相比,前者比后者强烈重要 It represents the former trait is strongly more improtant than the latter one |
| 9 | 表示2个性状相比,前者比后者极端重要 It represents the former trait is extremely more improtant than the latter one |
| 2,4,6,8 | 表示上述相邻判断的中间值 They represent the intermediate values of the above neighboring judgment |
| 倒数 Reciprocal | 若性状i与性状j的重要性之比为aij,那么性状j与i重要性之比为aji=1/aij。 If the ratio of the importance of the traits i to the traits j for aij, the ratio of the importance of the traits j to the traits i is aji=1/aij. |
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Table 2
表2
表2层次分析法各层指标成对比较矩阵
Table 2The pairwise comparison matrix of the traits used in the analytic hierarchy process (AHP)
| 上层指标 Upper Indicator | 性状1 Trait 1 | 性状2 Trait 2 | … | 性状j Trait j | … | 性状n Trait n |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 性状1 Trait 1 | a11 | a12 | … | a1j | … | a1n |
| 性状2 Trait 2 | a21 | a22 | … | a2j | … | a2n |
| … | … | … | … | … | … | … |
| 性状i Trait i | ai1 | ai2 | … | aij | … | ain |
| … | … | … | … | … | … | … |
| 性状n Trait n | an1 | an2 | … | anj | … | ann |
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Table 3
表3
表3层次分析法各层次性状权重排序
Table 3The weight and order of the traits within the second and third layers of the analytic hierarchy process (AHP)
| C\B | 农艺指标B1 Agronomic trait | 品质指标B2 Energy-related quality trait | 抗逆性B3 Stress-resistance trait | CW | 位次 Order |
|---|---|---|---|---|---|
| Bi权重 Bi Weight | 0.5591 | 0.3522 | 0.0887 | ||
| 干物质产量C1 Dry matter yield | 0.3354 | 0 | 0 | 0.1875 | 1 |
| 冠层高C2 Canopy height | 0.1533 | 0 | 0 | 0.0857 | 2 |
| 茎高C3 Panicle height | 0.1314 | 0 | 0 | 0.0735 | 4 |
| 茎径C4 Stem diameter | 0.0966 | 0 | 0 | 0.0540 | 8 |
| 基部直径C5 Base diameter | 0.0544 | 0 | 0 | 0.0304 | 12 |
| 分蘖数C6 Tiller number | 0.1127 | 0 | 0 | 0.0630 | 6 |
| 叶茎比C7 Leaf/Stem ratio | 0.0467 | 0 | 0 | 0.0261 | 14 |
| 枯黄性C8 Senescence score | 0.0293 | 0 | 0 | 0.0164 | 18 |
| 落叶性C9 Deciduous score | 0.0400 | 0 | 0 | 0.0224 | 17 |
| 含水量C10 Moisture content | 0 | 0.0644 | 0 | 0.0227 | 16 |
| 灰分含量C11 Ash content | 0 | 0.0877 | 0 | 0.0309 | 11 |
| 挥发分含量C12 Volatile solid content | 0 | 0.0329 | 0 | 0.0116 | 21 |
| 固定碳含量C13 Fixed carbon content | 0 | 0.0384 | 0 | 0.0135 | 20 |
| 热值C14 Calorific value | 0 | 0.2361 | 0 | 0.0832 | 3 |
| 纤维素含量C15 Cellulose content | 0 | 0.1646 | 0 | 0.0580 | 7 |
| 半纤维素含量C16 Hemicellulose content | 0 | 0.1089 | 0 | 0.0383 | 9 |
| 木质素含量C17 Lignin content | 0 | 0.1920 | 0 | 0.0676 | 5 |
| 矿质元素含量C18 Mineral element content | 0 | 0.0751 | 0 | 0.0265 | 13 |
| 耐盐性C19 Saline-Alkali tolerance | 0 | 0 | 0.2762 | 0.0245 | 15 |
| 抗旱性C20 Drought resistance | 0 | 0 | 0.3842 | 0.0341 | 10 |
| 抗寒性C21 Cold resistance | 0 | 0 | 0.1663 | 0.0148 | 19 |
| 耐淹性C22 Submerge tolerance | 0 | 0 | 0.0794 | 0.0070 | 23 |
| 抗病虫性C23 Disease & Insect resistance | 0 | 0 | 0.0940 | 0.0083 | 22 |
| 层次总排序一致性 CI=0.0016 RI=1.4203 CR=0.0676 Consistency of hierarchy total sequencing | |||||
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2.4 评价体系
根据各个评价指标的具体测量值,按计分规则分别计算分值（表4）。数值指标（农艺指标、品质指标）,以各性状最大值作为参考,正相关的性状,指标分值=(性状值/最大值)×100;负相关的性状,指标分值=(1–性状值/最大值)×100。非数值指标（抗逆性指标）,根据芒属植物具体情况,按判断标准分级赋予不同分值。将指标分值（Cn）和指标权重（Wn）分别代入以下公式（4）,即得到芒属植物的能源利用潜力指数（S）：S=
其中,W为权重;C为性状指标的分值;i代表某项性状指标,取m—n中任意整数值,m=1,n为性状指标的项数,1≤n≤23。
Table 4
表4
表4芒属植物能源潜力评价体系
Table 4The Miscanthus energy production potential evaluation system
| 体系分类 Systematic classification | 指标 Trait | 单位 Unit | 权重 Weight | 燃烧发电分值计算 Combustion generation formula | 发酵制乙醇分值计算 Ethanol fermentation formula | 发酵产沼气分值计算 Biogas fermentation formula | 热裂解制油分值计算 Pyrolysis oil formula |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 农艺指标B1 Agronomic trait | 干物质产量C1 Dry matter yield | t·hm-2 | 0.1875 | (产量/35)×100 (Yield/35)×100 | |||
| 冠层高C2 Canopy height | cm | 0.0857 | 丛生：(高度/350)×100;散生：(高度/650)×100 Clumping: (height/350)×100; Scattered: (height/650)×100 | ||||
| 茎高C3 Panicle height | cm | 0.0735 | (高度/700)×100 (Height/700)×100 | ||||
| 茎径C4 Stem diameter | mm | 0.0540 | (直径/30)×100 (Diameter/30)×100 | ||||
| 基部直径C5 Base diameter | cm | 0.0304 | 丛生：(直径/300)×100;散生：(直径/500)×100 Clumping: (diameter/300)×100; Scattered: (diameter/500)×100 | ||||
| 分蘖数C6 Tiller number | 0.0630 | 丛生：(单株分蘖/700)×100;散生：(每平米分蘖/200)×100 Clumping: (tillers per plant/700)×100; Scattered: (tillers per centare/200)×100 | |||||
| 叶茎比C7 Leaf/Stem ratio | 0.0261 | (1–比值/10)×100 (1–ratio/10)×100 | (1–比值/10)×100 (1–ratio/10)×100 | ||||
| 枯黄性C8 Senescence score | % | 0.0164 | 枯黄比例 Senescence ratio | 枯黄比例 Senescence ratio | |||
| 落叶性C9 Deciduous score | % | 0.0224 | 落叶比例 Deciduous ratio | 落叶比例 Deciduous ratio | |||
| 品质指标B2 Energy-related quality trait | 含水量C10 Moisture content | % | 0.0227 | (1–含量/80)×100 (1–content/80)×100 | (1–含量/80)×100 (1–content/80)×100 | ||
| 灰分含量C11 Ash content | g·kg-1 | 0.0309 | (1–含量/120)×100 (1–content/120)×100 | (1–含量/120)×100 (1–content/120)×100 | (1–含量/120)×100 (1–content/120)×100 | ||
| 挥发分含量C12 Volatile solid content | g·kg-1 | 0.0116 | (含量/1000)×100 (Content/1000)×100 | ||||
| 固定碳含量C13 Fixed carbon content | g·kg-1 | 0.0135 | (1–含量/200)×100 (1–content/200)×100 | ||||
| 热值C14 Calorific value | MJ·kg-1 | 0.0832 | (热值/20)×100 (Value/20)×100 | ||||
| 纤维素含量C15 Cellulose content | % | 0.0580 | (含量/55)×100 (Content/55)×100 | (含量/55)×100 (Content/55)×100 | (含量/55)×100 (Content/55)×100 | ||
| 半纤维素含量C16 Hemicellulose content | % | 0.0383 | (含量/45)×100 (Content/45)×100 | (含量/45)×100 (Content/45)×100 | (含量/45)×100 (Content/45)×100 | ||
| 木质素含量C17 Lignin content | % | 0.0676 | (含量/20)×100 (Content/20)×100 | (1–含量/20)×100 (1–content/20)×100 | (1–含量/20)×100 (1–content/20)×100 | (1–含量/20)×100 (1–content/20)×100 | |
| 矿质元素含量C18 Mineral element content | g·kg-1 | 0.0265 | (1–含量/50)×100 (1–content/50)×100 | (1–含量/50)×100 (1–content/50)×100 | |||
| 抗逆性B3 Stress-resistance trait | 耐盐性C19 Saline-Alkali tolerance | 0.0245 | 耐盐76—100;中等耐盐51—75;中等敏感26—50;敏感0—25 Resistance 76-100; Medium resistance 51-75; Medium sensitive 26-50; Sensitive 0~25 | ||||
| 抗旱性C20 Drought resistance | 0.0341 | 强81—100;较强61—80;中等41—60;弱21—40;最弱0—20 Very strong 81-100; Strong 61-80; Intermidiate 41-60; Weak 21-40; Very weak 0-20 | |||||
| 抗寒性C21 Cold resistance | % | 0.0148 | 越冬率 winter survival rate | ||||
| 耐淹性C22 Submerge tolerance | 0.0070 | 耐淹67—100;中等耐淹34—66;不耐淹0—33 High resistance 67-100; Medium resistance 34-66; Not resistance 0-33 | |||||
| 抗病虫性C23 Disease & Insect resistance | 0.0083 | 高抗76—100;中抗51—75;低抗26—50;不抗0—25 High resistance 76-100; Medium resistance 51-75; Low resistance 26-50; Not resistance 0-25 | |||||
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公式（4）中,由于23项性状指标并非对所有能源用途都为主导因素,所以不同能源用途所测性状指标将有所区别,因此,某利用途径潜力指数的分值等于该途径主导因素指标所占权重分值和除以主导因素指标权重和,最后得到的芒属植物能源利用潜力指数分成4级,分别为极宜（75—100分）、适宜（50—74分）、一般（25—49分）、不宜（0—24分）。
2.5 应用结果
从表5可知,A0504（五节芒）、A0118（南荻）、D0302（奇岗）为适宜的能源植物;发酵制乙醇和沼气最适用A0504（五节芒）为原料;燃烧发电和热裂解制油最适用A0118（南荻）为原料。Table 5
表5
表55种芒属基因型能源潜力评价结果
Table 5Energy potential evaluation results of the five selected Miscanthus genotypes
| 分类 Classification | 指标 Traits | 权重 Weight | B0340（芒 M. sinensis） | A0504（五节芒M. floridulus） | A0123（荻M. sacchariflorus） | A0118（南荻M. lutarioriparius） | D0302（奇岗Miscanthus×giganteus） | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 测量值 Measurement | 得分 Score | 测量值 Measurement | 得分 Score | 测量值 Measurement | 得分 Score | 测量值 Measurement | 得分 Score | 测量值 Measurement | 得分 Score | |||
| 农艺指标 Agronomic trait | 干物质产量 Dry matter yield | 0.1875 | 11.042 | 31.55 | 24.609 | 70.31 | 6.107 | 17.45 | 21.085 | 60.24 | 12.391 | 35.40 |
| 冠层高 Canopy height | 0.0857 | 263.5 | 75.29 | 216.7 | 61.91 | 155.5 | 23.92 | 359.4 | 55.29 | 240.5 | 37.00 | |
| 茎高 Panicle height | 0.0735 | 312.8 | 44.69 | 370.1 | 52.86 | 199.4 | 28.49 | 410.2 | 58.60 | 320.6 | 45.80 | |
| 茎径 Stem diameter | 0.0540 | 7.71 | 25.70 | 8.33 | 27.77 | 4.31 | 14.37 | 15.99 | 53.30 | 8.15 | 27.17 | |
| 基部直径 Base diameter | 0.0304 | 93.3 | 31.10 | 171.2 | 57.07 | 376.1 | 75.22 | 430.5 | 86.10 | 210.4 | 42.08 | |
| 分蘖数 Tillering number | 0.0630 | 169 | 24.14 | 662 | 94.57 | 156 | 78.00 | 52 | 26.00 | 148 | 74.00 | |
| 叶茎比 Leaf/Stem ratio | 0.0261 | 1.508 | 84.92 | 1.646 | 83.54 | 0.109 | 98.91 | 0.284 | 97.16 | 0.581 | 94.19 | |
| 枯黄性 Senescence score | 0.0164 | 10 | 10 | 30 | 30 | 90 | 90 | 90 | 90 | 90 | 90 | |
| 落叶性 Deciduous score | 0.0224 | 10 | 10 | 10 | 10 | 30 | 30 | 70 | 70 | 10 | 10 | |
| 品质指标 Energy-related quality trait | 含水量 Moisture content | 0.0227 | 51.86 | 35.18 | 63.24 | 20.95 | 43.92 | 45.10 | 38.78 | 51.53 | 38.05 | 52.44 |
| 灰分含量 Ash content | 0.0309 | 38.5 | 67.92 | 51.6 | 57 | 67.5 | 43.75 | 42.4 | 64.67 | 37.3 | 68.92 | |
| 挥发分含量 Volatile solid content | 0.0116 | 813 | 81.3 | 758 | 75.8 | 749 | 74.9 | 806 | 80.6 | 778 | 77.8 | |
| 固定碳含量 Fixed carbon content | 0.0135 | 108 | 46.0 | 141 | 29.5 | 127 | 36.5 | 113 | 43.5 | 137 | 31.5 | |
| 热值 Calorific value | 0.0832 | 17.42 | 87.10 | 17.61 | 88.05 | 17.54 | 87.70 | 17.73 | 88.65 | 17.69 | 88.45 | |
| 纤维素含量 Cellulose content | 0.0580 | 31.58 | 57.42 | 36.12 | 65.67 | 43.13 | 78.42 | 49.92 | 90.76 | 45.37 | 82.49 | |
| 半纤维素含量 Hemicellulose content | 0.0383 | 31.21 | 69.36 | 34.89 | 77.53 | 34.58 | 76.84 | 30.42 | 67.60 | 26.54 | 58.98 | |
| 木质素含量 Lignin content | 0.0676 | 9.25 | 46.25/ 53.75 | 13.05 | 65.25/ 34.75 | 12.15 | 60.75/ 39.25 | 15.28 | 76.40/ 23.60 | 13.45 | 67.25/ 32.75 | |
| 矿质元素含量 Mineral element content | 0.0265 | 33.37 | 33.26 | 33.81 | 32.38 | 22.67 | 54.66 | 25.27 | 49.46 | 28.38 | 43.24 | |
| 抗逆性 Stress- resistance trait | 耐盐性 Saline-Alkali tolerance | 0.0245 | 中感 Medium sensitive | 50 | 中感 Medium sensitive | 30 | 耐盐 Resistance | 80 | 中耐 Medium resistance | 75 | 中耐 Medium resistance | 60 |
| 抗旱性 Drought resistance | 0.0341 | 较强 Strong | 80 | 中等 Intermidiate | 60 | 强 Very strong | 90 | 较强 Strong | 65 | 较强 Strong | 75 | |
| 抗寒性 Cold resistance | 0.0148 | 90 | 90 | 30 | 30 | 95 | 95 | 80 | 80 | 90 | 90 | |
| 耐淹性 Submerge tolerance | 0.0070 | 中耐 Medium resistance | 55 | 中耐 Medium resistance | 60 | 中耐 Medium resistance | 40 | 耐淹 High resistance | 90 | 中耐 Medium resistance | 50 | |
| 抗病虫性 Disease & Insect resistance | 0.0083 | 中抗 Medium resistance | 75 | 高抗 High resistance | 80 | 高抗 High resistance | 80 | 高抗 High resistance | 80 | 高抗 High resistance | 85 | |
| 评价得分 Evaluation score | 发电分值 Combustion generation score | 0.9037 | 一般 General | 48.82 | 适宜 Suitable | 60.73 | 一般 General | 48.79 | 适宜 Suitable | 64.32 | 适宜 Suitable | 54.06 |
| 乙醇分值 Ethanol fermentation score | 0.7776 | 一般 General | 48.25 | 适宜 Suitable | 60.14 | 一般 General | 44.07 | 适宜 Suitable | 58.45 | 一般 General | 49.36 | |
| 沼气分值 Biogas fermentation score | 0.7467 | 一般 General | 47.43 | 适宜 Suitable | 60.27 | 一般 General | 44.08 | 适宜 Suitable | 58.20 | 一般 General | 48.55 | |
| 制油分值 Pyrolysis oil score | 0.8917 | 一般 General | 46.88 | 适宜 Suitable | 57.19 | 一般 General | 46.51 | 适宜 Suitable | 60.01 | 适宜 Suitable | 50.33 | |
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2.6 验证结果
2.6.1 燃烧发电验证结果 从表6可见,燃烧发电最适用A0504（五节芒）为原料,其次为A0118（南荻）。该公式结果与本文体系结果不同,原因可能是热值是将样品烘干后粉碎磨粉测得的,该公式未考虑实际生产中原料的水分对实际热值的影响,实际生产中烘干工艺十分耗能,原料难以像试验中一样烘干,A0504（五节芒）含水量63.24%,A0118（南荻）含水量38.78%,因此,通过对水分的考虑得出的能源利用潜力指数得分,A0118（南荻）要高于A0504（五节芒）。Table 6
表6
表65种芒属基因型理论发电量计算结果
Table 6The theoretical electricity generation potential of the five selected Miscanthus genotypes
| 指标 Traits | 单位 Unit | B0340（芒 M. sinensis） | A0504（五节芒 M. floridulus） | A0123（荻 M. sacchariflorus） | A0118（南荻 M. lutarioriparius） | D0302（奇岗Miscanthus×giganteus） |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 干物质产量 Dry matter yield | t·hm-2 | 11.042 | 24.609 | 6.107 | 21.085 | 12.391 |
| 热值 Calorific value | MJ·kg-1 | 17.42 | 17.61 | 17.54 | 17.73 | 17.69 |
| 发电量 Electricity generation potential | kW·h·hm-2 | 18700.854 | 42132.659 | 10414.131 | 36345.269 | 21310.799 |
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2.6.2 发酵制乙醇验证结果 从表7可见,发酵制乙醇最适用A0504（五节芒）为原料,该公式结果与本评价体系结果一致。
Table 7
表7
表75种芒属基因型理论乙醇产量计算结果
Table 7The theoretical ethanol production potential of the five selected Miscanthus genotypes
| 指标 Traits | 单位 Unit | B0340（芒M. sinensis） | A0504（五节芒M. floridulus） | A0123（荻M. sacchariflorus） | A0118（南荻M. lutarioriparius） | D0302（奇岗Miscanthus×giganteus） |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 干物质产量 Dry matter yield | t·hm-2 | 11.042 | 24.609 | 6.107 | 21.085 | 12.391 |
| 纤维素含量 Cellulose content | % | 31.58 | 36.12 | 43.13 | 49.92 | 45.37 |
| 半纤维素含量 Hemicellulose content | % | 31.21 | 34.89 | 34.58 | 30.42 | 26.54 |
| 乙醇产量 Ethanol production | L·hm-2 | 358956.76 | 904726.67 | 245702.03 | 877019.70 | 461317.11 |
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2.6.3 发酵产沼气验证结果 从表8可见,发酵产沼气最适用A0504（五节芒）为原料,该公式结果与本评价体系结果一致。
Table 8
表8
表85种芒属基因型理论沼气产量计算结果
Table 8The theoretical biogas production potential of the five selected Miscanthus genotypes
| 指标 Traits | 单位 Unit | B0340（芒M. sinensis） | A0504（五节芒M. floridulus） | A0123（荻M. sacchariflorus） | A0118（南荻M. lutarioriparius） | D0302（奇岗Miscanthus×giganteus） |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 干物质产量 Dry matter yield | t·hm-2 | 11.042 | 24.609 | 6.107 | 21.085 | 12.391 |
| 纤维素含量 Cellulose content | % | 31.58 | 36.12 | 43.13 | 49.92 | 45.37 |
| 半纤维素含量 Hemicellulose content | % | 31.21 | 34.89 | 34.58 | 30.42 | 26.54 |
| 沼气产量 Biogas yield | m3·hm-2 | 519995.39 | 1310613.80 | 355931.23 | 1270476.70 | 668277.61 |
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综合以上结果可以看出,其结果与本评价体系结果基本一致。不同的是,文献中的理论产率计算公式主要是涉及能源转化率方面,属产业下游阶段;而本文评价体系主要涉及原料产量、品质和抗逆性等方面,属产业上游阶段。
3 讨论
纤维类能源植物的综合性质是多个因素共同决定的且各因素的影响程度不一,对于多用途的芒属植物资源进行评价与筛选的关键是找出不同用途的主导因素[51]。本文先采用文献法和调研法筛选获得与芒属植物不同能源用途相关的重要性状,再结合层次分析法和专家咨询法构建这些性状的判断矩阵,计算出各性状指标的权重,最后依据各性状指标具体数值,赋予对应的分值,从而构建起芒属植物能源潜力评价体系。本评价体系通过部分实际数据的检验,证实符合当前业内人士对芒、五节芒、荻、南荻、奇岗等芒属植物的普遍认识,可以较好的承担筛选能源植物的理论基础。但由于本文仅从湖南农业大学芒属植物资源圃中随机挑选5个基因型的数据为例,并非大量数据集合,因此,在本次评价中,对B0340、A0504、A0123、A0118和D0302等5个基因型的评价不能完全代表对芒、五节芒、荻、南荻和奇岗等5类种质的评价。其中,B0340（芒）采集自贵州荔波,A0504（五节芒）采集自湖南浏阳,A0123（荻）采集自陕西城固,A0118（南荻）采集自湖南常德,D0302（奇岗）来源日本,因为环境与基因的互作,种质资源的性状与采集地的不同存在密切关系[52],所以,此评价结果只能反映芒属植物移栽后在本地区的能源潜力,而非采集地的能源潜力,如荻在北方、南荻在湖区、奇岗在欧洲的性状表现都强于在本资源圃中的表现。
本评价体系在将来的应用实践中还需通过更多的测量数据来不断验证,它是随着芒属植物研究深入而不断完善的一个评价体系,是仅适应于当前能源工业发展的一个评价体系。在筛选芒属能源植物的生产实践中,除了考虑本评价体系的能源潜力分值外,还应综合考虑其他生产要素才能真正筛选出适合的芒属能源植物。
4 结论
本评价体系不但能够判断何种芒属植物符合能源作物条件并适合何种利用途径,还能比较同一地区不同基因型芒属植物的能源潜力差异,并可用具体分值来衡量同一基因型芒属植物在不同地区的能源潜力差异。可见,通过从农艺、品质、抗逆性等3方面构建的芒属植物能源潜力评价体系,能够在发电、制乙醇、产沼气和制生物油4类能源用途方面客观评价芒属植物的适用性,从而可用于其优良种质的筛选和新品种的选育。The authors have declared that no competing interests exist.
