項 偉，易自力,，肖 亮，劉清波，覃靜萍

（1湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)生物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，長沙 410128；2芒屬植物生態(tài)應(yīng)用技術(shù)湖南省工程實驗室，長沙 410128）

芒屬植物能源潛力評價體系的構(gòu)建

項 偉1，易自力1,2，肖 亮2，劉清波1，覃靜萍1

（1湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)生物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，長沙 410128；2芒屬植物生態(tài)應(yīng)用技術(shù)湖南省工程實驗室，長沙 410128）

【目的】芒屬植物是目前國內(nèi)外生物質(zhì)能源領(lǐng)域的研究熱點，在全球共有14個種，且具有種間雜交的特點。文章為建立芒屬植物能源潛力評價體系，為從眾多的芒屬基因型中篩選優(yōu)良種質(zhì)和選育能源作物品種奠定基礎(chǔ)?！痉椒ā客ㄟ^文獻(xiàn)法、調(diào)研法和專家咨詢法探討了芒屬植物作能源作物應(yīng)用的相關(guān)性狀指標(biāo)。運用層次分析法，根據(jù)能源用途不同按發(fā)電、制乙醇、產(chǎn)沼氣、制生物油等4類，分別從農(nóng)藝、品質(zhì)、抗逆性等3方面，選取干物質(zhì)產(chǎn)量、冠層高、莖高、莖徑、基部直徑、分蘗數(shù)、葉莖比、枯黃性、落葉性、含水量、灰分含量、揮發(fā)分含量、固定碳含量、熱值、纖維素含量、半纖維素含量、木質(zhì)素含量、礦質(zhì)元素含量、耐鹽性、抗旱性、抗寒性、耐淹性、抗病蟲性等23項指標(biāo)來構(gòu)建芒屬能源植物評價指標(biāo)體系，同時制定了性狀測量標(biāo)準(zhǔn)和能源利用潛力指數(shù)計算法則。然后使用該體系對湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)芒屬植物資源圃中 B0340（芒）、A0504（五節(jié)芒）、A0123（荻）、A0118（南荻）、D0302（奇崗）5個典型的芒屬種質(zhì)代表進(jìn)行了測量和評價示范。再將評價結(jié)果與現(xiàn)有文獻(xiàn)中有關(guān)發(fā)電、制乙醇和產(chǎn)沼氣的能源理論產(chǎn)率計算公式的計算結(jié)果予以比對?！窘Y(jié)果】芒屬植物能源利用潛力指數(shù)分成4級，分別為極宜（75—100分）、適宜（50—74分）、一般（25—49分）、不宜（0—24分）。示范評價結(jié)果顯示：A0504（五節(jié)芒）發(fā)電得60.73分，制乙醇得60.14分，產(chǎn)沼氣得60.27分，制生物油得57.19分；A0118（南荻）發(fā)電得64.32分，制乙醇得58.45分，產(chǎn)沼氣得58.20分，制生物油得60.01分；D0302（奇崗）發(fā)電得54.06分，制生物油得50.33分?？芍狝0504、A0118、D0302為適宜的能源植物，發(fā)酵制乙醇和沼氣最適用A0504為原料，燃燒發(fā)電和熱裂解制油最適用A0118為原料。此結(jié)果與現(xiàn)有文獻(xiàn)中有關(guān)發(fā)電、制乙醇和產(chǎn)沼氣的能源理論產(chǎn)率計算公式的計算結(jié)果基本一致，且比能源理論產(chǎn)率計算公式更能真實反映實際生產(chǎn)情況?！窘Y(jié)論】通過從農(nóng)藝、品質(zhì)、抗逆性等3方面構(gòu)建的芒屬植物能源潛力評價體系，能夠在發(fā)電、制乙醇、產(chǎn)沼氣和制生物油4類能源用途方面客觀評價芒屬植物的適用性，從而可用于其優(yōu)良種質(zhì)的篩選和新品種的選育。

芒屬；能源植物；層次分析法；評價體系

0 引言

【研究意義】芒屬植物（Miscanthus spp.）是隸屬禾本科（Gramineae）黍亞科（Panicoideae）高粱族（Trib. Andropogoneae）甘蔗亞族（Subtrib. Saccharinae）芒屬（Miscanthus）的一類多年生高大草本植物[1]，俗稱“芒草”。在中國有能源潛力的芒屬植物主要有芒、五節(jié)芒、荻、南荻等4個種，而歐洲目前已經(jīng)得到推廣利用的芒屬能源植物為奇崗，它是二倍體芒和四倍體荻的三倍體雜交品種[2]，原產(chǎn)自日本。面對能源短缺和環(huán)境污染雙重壓力，中國政府高度重視生物質(zhì)能源發(fā)展，在連續(xù)5個五年計劃中都把生物質(zhì)能源列為了科技攻關(guān)重點項目。2006年1月1日《可再生能源法》的實施更是使得可再生能源在現(xiàn)代能源中的地位得到法律高度上確認(rèn)[3]。而開發(fā)理想的能源植物保障優(yōu)質(zhì)生物質(zhì)原料的穩(wěn)定供給是發(fā)展生物質(zhì)能源的基本前提，同時為了保障不與人掙糧、不與糧掙地，生物質(zhì)能源的發(fā)展必須以邊際性土地為主。因此，產(chǎn)量高、品質(zhì)優(yōu)、成本低、抗逆性強(qiáng)的芒屬植物成為專用能源作物的首選來源。芒屬能源植物作為纖維生物質(zhì)原料轉(zhuǎn)化為生物燃料的技術(shù)途徑與產(chǎn)品類型主要有壓制成型燃料、燃燒發(fā)電、發(fā)酵制乙醇、發(fā)酵產(chǎn)沼氣和熱裂解制生物油、生物炭與生物氣等。而即使是同一種能源植物，由于在不同經(jīng)緯度或海拔地區(qū)的表現(xiàn)不同，其利用途徑也可能不同；而利用途徑不同，其評價指標(biāo)也會不同，所以目前對能源植物的評價還沒有一個統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。因此，建立一個科學(xué)合理的草本纖維素類植物能源潛力評價體系，來指導(dǎo)宜能品種的篩選與開發(fā)利用已成為芒屬能源植物開發(fā)的關(guān)鍵前提[4]?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】國內(nèi)外對能源植物的評價在產(chǎn)業(yè)鏈方面主要分為上游階段評價、下游階段評價和全階段（全生命周期）評價等，在評價方法構(gòu)建方面主要有層次分析法[5-10]、能值分析[11-14]和其他方法等。例如，以層次分析法構(gòu)建體系評價上游階段的有：李高揚等[15]以燃料乙醇為目標(biāo)評價能源植物的利用價值；李聰敏等[16]確立評價三峽庫區(qū)能源植物的各類不同指標(biāo)；潘偉彬[17]建立以直燃、成型燃料、熱解氣化利用和纖維素乙醇生產(chǎn)為目的的狼尾草品種篩選評價模型；李峰[18]以生產(chǎn)乙醇為目標(biāo)對 16種常見能源草進(jìn)行篩選及評價指標(biāo)體系構(gòu)建；侯新村等[19]以固體成型燃料、沼氣、纖維素乙醇為目標(biāo)對荻的應(yīng)用潛力進(jìn)行分析評價；曾漢元[20]對9種能源草的農(nóng)藝性狀和光合特性等方面構(gòu)建指標(biāo)體系；沈光等[21]建立富含油、淀粉、糖、橡膠等類能源植物、木質(zhì)纖維素能源植物和薪炭能源植物三個評價指標(biāo)體系；WERNER等[22]用多屬性決策評估能源作物事前輪作。以層次分析法構(gòu)建體系評價下游階段的有：張玉蘭[23]以燃料乙醇、生物柴油、直燃發(fā)電、沼氣為目標(biāo)建立生物質(zhì)能源品種綜合評價模型；王慧[24]以乙醇為目標(biāo)建立了纖維素乙醇轉(zhuǎn)化評價體系。以層次分析法構(gòu)建體系評價全階段的有：TURCKSIN等[25]以多人參與的多準(zhǔn)則構(gòu)架評價了不同生物燃料的選擇；COBULOGLU等[26]建立了一種可持續(xù)生物質(zhì)作物選擇的隨機(jī)多準(zhǔn)則決策分析體系。以能值分析評價全生命周期的有：張軍等[27]研究燃料乙醇系統(tǒng)3個階段的能耗問題；楊慧[28]建立植物生物質(zhì)能的能值評價指標(biāo)體系，分析能值評價在植物生物質(zhì)能可持續(xù)發(fā)展中的作用；FAZIO等[29]評估了生物能源系統(tǒng)的能量和經(jīng)濟(jì)。以其他方法評價的有：范希峰等[30]以乙醇轉(zhuǎn)化、沼氣發(fā)酵、燃燒、熱解氣化為目標(biāo)3種草本能源植物的生物質(zhì)產(chǎn)量和品質(zhì)特性；張樹振等[31]以燃料乙醇為目標(biāo)對不同苜蓿品種生物質(zhì)能源性狀進(jìn)行評價；劉建樂等[32]以燃料乙醇為目標(biāo)通過加權(quán)平均法對 30份割手密資源進(jìn)行產(chǎn)能潛力評價；BALEZENTIENE等[33]用模糊決策法選擇可持續(xù)能源作物；GIULIANO等[34]以一個多準(zhǔn)則評價玉米種植制度。【本研究切入點】國內(nèi)外有關(guān)評價體系構(gòu)建的研究雖多，但受芒屬植物資源的限制，國外尚無針對芒屬植物多能源用途的評價體系，雖然中國芒屬植物資源豐富，但由于研究起步較晚，目前也尚未見有關(guān)報道。【擬解決的關(guān)鍵問題】本文針對芒、五節(jié)芒、荻、南荻和奇崗等芒屬能源植物，從燃燒發(fā)電、發(fā)酵制乙醇、發(fā)酵產(chǎn)沼氣和熱化學(xué)轉(zhuǎn)化等利用途徑考慮，篩選能源利用潛力所涉及農(nóng)藝、品質(zhì)、抗逆性等 3方面23項性狀，通過層次分析法構(gòu)建了芒屬能源植物評價指標(biāo)體系，旨在解決如何評價何種芒屬植物符合能源作物條件并適合何種利用途徑的問題，從而為芒屬植物優(yōu)良能源種質(zhì)篩選和新品種選育提供指導(dǎo)作用，同時也為芒屬植物在其它能源用途方面的評價方法建立提供參考依據(jù)。

1 原則與方法

1.1 建立原則

全面性原則：要對芒屬植物各種質(zhì)進(jìn)行綜合評價，指標(biāo)體系就應(yīng)當(dāng)選取全面，能全面反映各種質(zhì)狀況，使評價更全面。

代表性原則：篩選指標(biāo)時，應(yīng)選取最能直接反映芒屬植物能源潛力的指標(biāo)。排除與能源潛力關(guān)系不大的從屬指標(biāo)。各指標(biāo)之間應(yīng)具有獨立性。

層次性原則：評價指標(biāo)體系層次結(jié)構(gòu)的建立，有利于進(jìn)一步的因素分析。

合理性原則：有機(jī)結(jié)合定量和定性指標(biāo)、直接和間接指標(biāo)等，確保指標(biāo)合理性。

可行性原則：指標(biāo)數(shù)據(jù)易采集、方便更新、體系簡明綜合性強(qiáng)、具有可操作性。

1.2 建立方法

先通過文獻(xiàn)法搜集和分析芒屬植物在能源相關(guān)領(lǐng)域利用的中英文文獻(xiàn)，初步選出芒屬植物與能源潛力有關(guān)的性狀指標(biāo)；再將這些指標(biāo)和相關(guān)問題編制成表式，采用問卷調(diào)查法，以提問的形式向企業(yè)及農(nóng)戶等相關(guān)人員搜集信息，然后回收整理、統(tǒng)計研究；最后篩選出文獻(xiàn)引用頻次較高，同時相關(guān)人員認(rèn)為比較重要的指標(biāo)。然后利用 yaahp10.1軟件來運用層次分析法構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)模型，再構(gòu)造判斷矩陣。以問卷方式，郵寄或直接拜訪行業(yè)內(nèi)專家，利用其知識、經(jīng)驗和分析判斷能力對芒屬植物能源用途關(guān)聯(lián)的不同指標(biāo)重要性進(jìn)行判斷。最后利用 yaahp10.1軟件檢驗一致性，根據(jù)專家排序權(quán)重結(jié)果集結(jié)或判斷矩陣集結(jié)計算評價指標(biāo)權(quán)重，再依據(jù)各個評價指標(biāo)的具體數(shù)值，分別賦予對應(yīng)的分值。

1.3 應(yīng)用示例

從湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)芒屬植物資源圃隨機(jī)挑選B0340（芒）、A0504（五節(jié)芒）、A0123（荻）、A0118（南荻）、D0302（奇崗）5份材料進(jìn)行測試。

該評價體系農(nóng)藝指標(biāo)和品質(zhì)指標(biāo)的測量原則上均選在最佳收獲期進(jìn)行，不同能源用途的最佳收獲期略有不同，一般情況下用作發(fā)電、制乙醇和制生物油時，采取延遲收獲品質(zhì)較好；而用作產(chǎn)沼氣時，采取青貯品質(zhì)較好。

1.4 結(jié)果驗證

將測量值代入現(xiàn)有文獻(xiàn)中的能源理論產(chǎn)率計算公式，檢驗其結(jié)果與該評價體系結(jié)果是否一致。

1.4.1 燃燒發(fā)電評價驗證 發(fā)電量理論計算公式[35]，見公式（1）：

發(fā)電量（kW·h·hm-2）= 熱值（MJ·kg-1）×106（將MJ·kg-1換算成KJ·t-1）×0.35（熱轉(zhuǎn)化成電過程的效率）×干物質(zhì)產(chǎn)量（t·hm-2）÷3600（將KJ換算成kW·h） （1）

1.4.2 發(fā)酵制乙醇評價驗證 乙醇理論產(chǎn)量計算公式[36]，見公式（2）：

乙醇產(chǎn)量（L·hm-2）=（纖維素含量(%)+半纖維含量(%)）×干物質(zhì)產(chǎn)量（t·hm-2）×1.11（纖維素、半纖維素水解成糖的轉(zhuǎn)換因子）×0.85（纖維素、半纖維素水解成糖過程的效率）×0.51（糖轉(zhuǎn)化成乙醇的轉(zhuǎn)換因子）×0.85（糖轉(zhuǎn)化成乙醇過程的效率）×1000/0.79（乙醇的比重g·mL-1） （2）

1.4.3 發(fā)酵產(chǎn)沼氣評價驗證 沼氣理論產(chǎn)量計算公式[37]，見公式（3）：

沼氣產(chǎn)量（m3·hm-2）=（纖維素含量(%)+半纖維含量(%)）×干物質(zhì)產(chǎn)量（t·hm-2）×103（將t換算成kg）×0.75（碳水化合物的理論沼氣轉(zhuǎn)化率m3·kg-1） （3）

2 結(jié)果

2.1 評價指標(biāo)與層次結(jié)構(gòu)

首先通過文獻(xiàn)搜索得到與能源潛力有關(guān)的性狀指標(biāo) 75項，然后經(jīng)向河南天冠、武漢凱迪、湖南谷力新能源等企業(yè)，以及洞庭湖區(qū)南荻種植戶和湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)芒屬植物研究所工作人員調(diào)研咨詢，最后篩選出認(rèn)為比較重要且文獻(xiàn)引用頻次較高的性狀指標(biāo)共 23項。采用層次分析法建模構(gòu)建芒屬植物能源潛力評價體系（圖1）[38]，目的層為評價芒屬植物能源潛力，準(zhǔn)則層為農(nóng)藝指標(biāo)、品質(zhì)指標(biāo)、抗逆性，方案層為干物質(zhì)產(chǎn)量、冠層高、莖高、莖徑、基部直徑、分蘗數(shù)、葉莖比、枯黃性、落葉性、含水量、灰分含量、揮發(fā)分含量、固定碳含量、熱值、纖維素含量、半纖維素含量、木質(zhì)素含量、礦質(zhì)元素含量、耐鹽性、抗旱性、抗寒性、耐淹性、抗病蟲性。

圖1 芒屬植物評價體系層次結(jié)構(gòu)模型Fig. 1 Hierarchical model of the Miscanthus energy production potential evaluation system

主要欲以芒屬植物本身屬性性狀判斷其能源潛力，因此，未對不同工藝、剔除不利因子或添加其他因子來改善能源轉(zhuǎn)化效果的情況進(jìn)行考慮；由于不同工藝、不同利用途徑碳排放情況也會有所區(qū)別，因此也未對環(huán)境因素方面進(jìn)行考慮。

芒屬植物能源化利用是以收獲其營養(yǎng)體作為原料來源，因此，無論何種利用方式，干物質(zhì)產(chǎn)量越大，能夠轉(zhuǎn)化的能源就越多，是品種篩選評價的首要指標(biāo)。冠層高、莖高與產(chǎn)量具有高度相關(guān)性，但其又受限于莖徑，莖徑與分蘗數(shù)呈明顯負(fù)相關(guān)，而莖徑與基部直徑卻無對應(yīng)關(guān)系[39]。

為保證糧食安全，不與糧爭地，邊際土地利用是能源作物推廣的首選。因此，對鹽堿、干旱、嚴(yán)寒、洪澇等逆境的適應(yīng)性越強(qiáng)，可推廣的面積就越大；另外，病蟲害是作物減產(chǎn)的重要因素之一，因此，抗病蟲性越強(qiáng)，干物質(zhì)產(chǎn)量就越大。

2.1.1 燃燒發(fā)電相關(guān)指標(biāo) 熱值是能源植物用作燃料的重要參數(shù)，美國一般使用高位熱值，歐洲國家通常使用低位熱值[40]。熱值與固定碳、揮發(fā)分和木質(zhì)素存在關(guān)系，且熱值一般隨著固定碳和木質(zhì)素含量的增加而增加，其中，熱值與木質(zhì)素含量存在高度線性相關(guān)性，由測量木質(zhì)素含量可以直接計算出熱值[41]。一般情況下，含水量升高，會導(dǎo)致熱值降低。而枯黃性越明顯，表明含水量越低，越有利于高熱值[42]?；曳趾颗c熱值呈負(fù)相關(guān)，此外灰分和礦質(zhì)元素在燃燒時會通過出渣、腐蝕和污染產(chǎn)生一系列問題。同時，一般來說葉會導(dǎo)致生物燃料質(zhì)量的下降，而莖稈較葉和花序具有更低的灰分和礦質(zhì)元素含量，因此，落葉性越明顯、葉莖比值越小，灰分和礦質(zhì)元素含量越低[43]。由于K或Ca的存在，Si容易與其反應(yīng)生成低熔融點的堿金屬硅酸鹽；Si/K和Ca/K比值越高，出渣趨勢就越低，但K和Cl反應(yīng)還是會形成主要的污垢混合物；P會增加潛在的出渣沉積物；其他堿金屬元素像Na、Mg容易與氯鹽、碳酸鹽和硫化物形成低共熔體。(Si + P + K)/(Ca + Mg)摩爾比值反映灰熔融性和K釋放；K、Na、Zn和Pb的總量反映潛在的氣溶膠排放；2S/Cl摩爾比值反映高溫氯腐蝕的風(fēng)險；而N含量反映燃料的潛在NOx排放[44]。

2.1.2 發(fā)酵制乙醇相關(guān)指標(biāo) 生物乙醇生產(chǎn)需要的芒屬品種不僅需要高生物質(zhì)產(chǎn)量，還需要高纖維素和半纖維含量，與低木質(zhì)素和灰分含量。而芒屬植物大多具有高纖維素、低灰分，但卻低半纖維素、高木質(zhì)素的特點，而其葉往往又具高半纖維素、低木質(zhì)素的特點[45]。另外，莖稈具有更高的纖維含量，培育低葉莖比的品種，更有利于提高生物質(zhì)品質(zhì)[46]。

2.1.3 發(fā)酵產(chǎn)沼氣相關(guān)指標(biāo) 纖維素、半纖維素的轉(zhuǎn)化率依賴多糖與木質(zhì)素含量的比值，木質(zhì)素含量越低，沼氣產(chǎn)率越高。因為有機(jī)物厭氧消化C/N消耗比在25—30，所以微生物最佳生長條件 C/N比應(yīng)該為 20—30，而根據(jù)其研究數(shù)據(jù)顯示芒屬青貯料C/N比在19.1—103.3[47]。

2.1.4 熱裂解制油相關(guān)指標(biāo) 生物質(zhì)中灰分和其他無機(jī)化合物的存在不利于生物油的質(zhì)量和產(chǎn)率[48]，灰分比木質(zhì)素對熱解產(chǎn)量影響更大，其中木質(zhì)素會在熱解油中產(chǎn)生高分子量混合物導(dǎo)致其質(zhì)量下降；而高水平的灰分（金屬）含量會導(dǎo)致有機(jī)物產(chǎn)量低，產(chǎn)出大量反應(yīng)水，導(dǎo)致油的熱值下降[49]。纖維素和半纖維素對生物油產(chǎn)量有貢獻(xiàn)，木質(zhì)素有利于生物炭的產(chǎn)量[50]。

2.2 測量標(biāo)準(zhǔn)

農(nóng)藝指標(biāo)：干物質(zhì)產(chǎn)量，指芒草在單位面積上的干物質(zhì)重量；冠層高，指地面至頂端大多數(shù)葉拐點處的高度；莖高，指最高莖從地面至最高舌葉（除旗葉外）處的高度；莖徑，指最高莖離地面5 cm處的最大直徑；基部直徑，指莖叢在地面水平的最大的直徑，取最遠(yuǎn)2個分蘗之間的距離；分蘗數(shù)，指單株芒草離地面10 cm處所有的分枝數(shù)；葉莖比，指單株芒草葉、莖分離后干物質(zhì)重量的比值；枯黃性，指芒草莖葉自然干枯變黃的比例；落葉性，指芒草葉自然凋落的比例。

品質(zhì)指標(biāo)：含水量，指芒草中水的質(zhì)量占芒草總質(zhì)量的百分比；灰分含量，指芒草熔化后產(chǎn)生的灰渣占其干物質(zhì)的比例；揮發(fā)分含量，指芒草在加熱（如熱裂解）或常溫狀態(tài)下?lián)]發(fā)出來的有機(jī)或無機(jī)物質(zhì)占其干物質(zhì)的比例；固定碳含量，指測定揮發(fā)分后的固體芒草殘渣除去灰分后的殘留物占其干物質(zhì)的比例；熱值，芒草完全燃燒時所放出的熱量；纖維素含量，芒草中纖維素占其干物質(zhì)的比例；半纖維素含量，芒草中半纖維素占其干物質(zhì)的比例；木質(zhì)素含量，芒草中木質(zhì)素占其干物質(zhì)的比例；礦質(zhì)元素含量，芒草中N、P、K、Ca、Mg、S、Si、Cl、Na等礦質(zhì)元素占其干物質(zhì)的總比例。

抗逆性：耐鹽性，指芒草對土壤里鹽堿類物質(zhì)的耐受能力，分4級，（1）耐鹽（可耐土壤中1%以上NaCl含量的濃度）；（2）中等耐鹽（可耐土壤中0.6%—1% NaCl含量的濃度）；（3）中等敏感（可耐0.3%—0.6% NaCl含量的濃度）；（4）敏感（不耐0.3% NaCl含量）?？购敌?，指芒草通過干旱屏蔽抵抗缺水脅迫和增強(qiáng)水分吸收耐旱兩方面的能力，分5級，（1）強(qiáng)（干旱時無受旱害表現(xiàn)）；（2）較強(qiáng)（個別葉片有輕微的萎蔫）；（3）中等（大量莖葉出現(xiàn)萎蔫現(xiàn)象，但生長未停止）；（4）弱（大量植株出現(xiàn)萎蔫現(xiàn)象，生長停止，并有少量死亡）⑤最弱（所有植株萎蔫，30%死亡）?？购?，指芒草忍耐或抵抗低溫或寒冷的能力，以越冬率為判定標(biāo)準(zhǔn)。耐淹性，指芒草對水分過多缺氧的適應(yīng)能力，分3級，（1）耐淹（淹水后能正常生長）；（2）中等耐淹（淹水后能存活）；（3）不耐淹（淹水后死亡）。抗病蟲性，指芒草抑制或延緩病原活動與避免受蟲害、或耐蟲害、或受蟲害后自有補(bǔ)償機(jī)制的能力，分4級，（1）高抗（未觀測到病原體或害蟲的成蟲、幼蟲、卵）；（2）中抗（5%以下植株感染，個別植株發(fā)現(xiàn)病原體或蟲害，但不影響芒草生長）；（3）低抗（5%—10%的植株感染病原體或蟲害，芒草生長受影響）；（4）不抗（10%以上植株感染病原體或蟲害，芒草生長停止，甚至死亡）。

2.3 權(quán)重賦值

根據(jù)表1和表2，構(gòu)造第一層能源潛力子指標(biāo)矩陣1個，分別構(gòu)造第二層農(nóng)藝指標(biāo)、品質(zhì)指標(biāo)、抗逆性等子指標(biāo)矩陣3個，制作成問卷并發(fā)放給10名行業(yè)內(nèi)專家，其中，正高5名、副高3名、中級2名，經(jīng)專家判斷后回收問卷進(jìn)行一致性檢驗，得到有效判斷問卷7份，最后根據(jù)群決策判斷矩陣集結(jié)計算出各性狀的權(quán)重（表3）。

2.4 評價體系

根據(jù)各個評價指標(biāo)的具體測量值，按計分規(guī)則分別計算分值（表 4）。數(shù)值指標(biāo)（農(nóng)藝指標(biāo)、品質(zhì)指標(biāo)），以各性狀最大值作為參考，正相關(guān)的性狀，指標(biāo)分值=(性狀值/最大值)×100；負(fù)相關(guān)的性狀，指標(biāo)分值=(1－性狀值/最大值)×100。非數(shù)值指標(biāo)（抗逆性指標(biāo)），根據(jù)芒屬植物具體情況，按判斷標(biāo)準(zhǔn)分級賦予不同分值。將指標(biāo)分值（Cn）和指標(biāo)權(quán)重（Wn）分別代入以下公式（4），即得到芒屬植物的能源利用潛力指數(shù)（S）：其中，W為權(quán)重；C為性狀指標(biāo)的分值；i代表某項性狀指標(biāo)，取m—n中任意整數(shù)值，m=1，n為性狀指標(biāo)的項數(shù)，1≤n≤23。

表1 評價指標(biāo)相對重要性判斷標(biāo)度Table1 Judgment scale for expressing the relative importance of the compared traits

表2 層次分析法各層指標(biāo)成對比較矩陣Table 2 The pairwise comparison matrix of the traits used in the analytic hierarchy process (AHP)

表3 層次分析法各層次性狀權(quán)重排序Table 3 The weight and order of the traits within the second and third layers of the analytic hierarchy process (AHP)

公式（4）中，由于23項性狀指標(biāo)并非對所有能源用途都為主導(dǎo)因素，所以不同能源用途所測性狀指標(biāo)將有所區(qū)別，因此，某利用途徑潛力指數(shù)的分值等于該途徑主導(dǎo)因素指標(biāo)所占權(quán)重分值和除以主導(dǎo)因素指標(biāo)權(quán)重和，最后得到的芒屬植物能源利用潛力指數(shù)分成4級，分別為極宜（75—100分）、適宜（50—74分）、一般（25—49分）、不宜（0—24分）。

2.5 應(yīng)用結(jié)果

從表5可知，A0504（五節(jié)芒）、A0118（南荻）、D0302（奇崗）為適宜的能源植物；發(fā)酵制乙醇和沼氣最適用A0504（五節(jié)芒）為原料；燃燒發(fā)電和熱裂解制油最適用A0118（南荻）為原料。

2.6 驗證結(jié)果

2.6.1 燃燒發(fā)電驗證結(jié)果 從表6可見，燃燒發(fā)電最適用A0504（五節(jié)芒）為原料，其次為A0118（南荻）。該公式結(jié)果與本文體系結(jié)果不同，原因可能是熱值是將樣品烘干后粉碎磨粉測得的，該公式未考慮實際生產(chǎn)中原料的水分對實際熱值的影響，實際生產(chǎn)中烘干工藝十分耗能，原料難以像試驗中一樣烘干，A0504（五節(jié)芒）含水量 63.24%，A0118（南荻）含水量38.78%，因此，通過對水分的考慮得出的能源利用潛力指數(shù)得分，A0118（南荻）要高于A0504（五節(jié)芒）。

表4 芒屬植物能源潛力評價體系Table 4 The Miscanthus energy production potential evaluation system

表5 5種芒屬基因型能源潛力評價結(jié)果Table 5 Energy potential evaluation results of the five selected Miscanthus genotypes

續(xù)表5 Continued table 5

表6 5種芒屬基因型理論發(fā)電量計算結(jié)果Table 6 The theoretical electricity generation potential of the five selected Miscanthus genotypes

2.6.2 發(fā)酵制乙醇驗證結(jié)果 從表7可見，發(fā)酵制乙醇最適用A0504（五節(jié)芒）為原料，該公式結(jié)果與本評價體系結(jié)果一致。

2.6.3 發(fā)酵產(chǎn)沼氣驗證結(jié)果 從表8可見，發(fā)酵產(chǎn)沼氣最適用A0504（五節(jié)芒）為原料，該公式結(jié)果與本評價體系結(jié)果一致。

綜合以上結(jié)果可以看出，其結(jié)果與本評價體系結(jié)果基本一致。不同的是，文獻(xiàn)中的理論產(chǎn)率計算公式主要是涉及能源轉(zhuǎn)化率方面，屬產(chǎn)業(yè)下游階段；而本文評價體系主要涉及原料產(chǎn)量、品質(zhì)和抗逆性等方面，屬產(chǎn)業(yè)上游階段。

3 討論

纖維類能源植物的綜合性質(zhì)是多個因素共同決定的且各因素的影響程度不一，對于多用途的芒屬植物資源進(jìn)行評價與篩選的關(guān)鍵是找出不同用途的主導(dǎo)因素[51]。本文先采用文獻(xiàn)法和調(diào)研法篩選獲得與芒屬植物不同能源用途相關(guān)的重要性狀，再結(jié)合層次分析法和專家咨詢法構(gòu)建這些性狀的判斷矩陣，計算出各性狀指標(biāo)的權(quán)重，最后依據(jù)各性狀指標(biāo)具體數(shù)值，賦予對應(yīng)的分值，從而構(gòu)建起芒屬植物能源潛力評價體系。

表7 5種芒屬基因型理論乙醇產(chǎn)量計算結(jié)果Table 7 The theoretical ethanol production potential of the five selected Miscanthus genotypes

表8 5種芒屬基因型理論沼氣產(chǎn)量計算結(jié)果Table 8 The theoretical biogas production potential of the five selected Miscanthus genotypes

本評價體系通過部分實際數(shù)據(jù)的檢驗，證實符合當(dāng)前業(yè)內(nèi)人士對芒、五節(jié)芒、荻、南荻、奇崗等芒屬植物的普遍認(rèn)識，可以較好的承擔(dān)篩選能源植物的理論基礎(chǔ)。但由于本文僅從湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)芒屬植物資源圃中隨機(jī)挑選5個基因型的數(shù)據(jù)為例，并非大量數(shù)據(jù)集合，因此，在本次評價中，對B0340、A0504、A0123、A0118和D0302等5個基因型的評價不能完全代表對芒、五節(jié)芒、荻、南荻和奇崗等5類種質(zhì)的評價。其中，B0340（芒）采集自貴州荔波，A0504（五節(jié)芒）采集自湖南瀏陽，A0123（荻）采集自陜西城固，A0118（南荻）采集自湖南常德，D0302（奇崗）來源日本，因為環(huán)境與基因的互作，種質(zhì)資源的性狀與采集地的不同存在密切關(guān)系[52]，所以，此評價結(jié)果只能反映芒屬植物移栽后在本地區(qū)的能源潛力，而非采集地的能源潛力，如荻在北方、南荻在湖區(qū)、奇崗在歐洲的性狀表現(xiàn)都強(qiáng)于在本資源圃中的表現(xiàn)。

本評價體系在將來的應(yīng)用實踐中還需通過更多的測量數(shù)據(jù)來不斷驗證，它是隨著芒屬植物研究深入而不斷完善的一個評價體系，是僅適應(yīng)于當(dāng)前能源工業(yè)發(fā)展的一個評價體系。在篩選芒屬能源植物的生產(chǎn)實踐中，除了考慮本評價體系的能源潛力分值外，還應(yīng)綜合考慮其他生產(chǎn)要素才能真正篩選出適合的芒屬能源植物。

4 結(jié)論

本評價體系不但能夠判斷何種芒屬植物符合能源作物條件并適合何種利用途徑，還能比較同一地區(qū)不同基因型芒屬植物的能源潛力差異，并可用具體分值來衡量同一基因型芒屬植物在不同地區(qū)的能源潛力差異?？梢?，通過從農(nóng)藝、品質(zhì)、抗逆性等3方面構(gòu)建的芒屬植物能源潛力評價體系，能夠在發(fā)電、制乙醇、產(chǎn)沼氣和制生物油4類能源用途方面客觀評價芒屬植物的適用性，從而可用于其優(yōu)良種質(zhì)的篩選和新品種的選育。

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（責(zé)任編輯 李莉）

Construction of Energy Potential Evaluation System for Miscanthus

XIANG Wei1, YI Zi-li1,2, XIAO Liang2, LIU Qing-bo1, QIN Jing-ping1
(1College of Bioscience and Biotechnology, Hunan Agricultural University, Changsha 410128;2Hunan Engineering Laboratory for Ecological Application of Miscanthus Resources, Changsha 410128)

【Objective】Miscanthus (Miscanthus spp.) as a promising energy crop, nowadays research on it is a hot spot in the bioenergy field. Worldwide, there are 14 species in the Miscanthus genus and they can cross interspecies. The interspecific hybridization can create many natural hybrids, including some productive hybrids that can be directly used as commercial varieties. Screening productive natural hybrids is an efficient way to shorten the Miscanthus breeding process, however, prior to the screening process, a scientific energy potential evaluation system is required. 【Method】The present work firstly summarized 23 traits thatrelated to the energy potential (including the production potential of electric, ethanol, methane and bio-oil) of Miscanthus through literature survey, questionnaire investigation and expert consultation. They are: The agronomic traits including dry matter yield, canopy height, panicle height, stem diameter, base diameter, tillering number, leaf/stem ratio, senescence score, deciduous score; the energy quality traits including moisture content, ash content, volatile solid content, fixed carbon content, calorific value, cellulose content, hemicellulose content, lignin content, mineral element content; and the stress resistance traits including saline-alkali tolerance, drought resistance, cold resistance, submerge tolerance, disease and insect resistance. Based on these traits and using the analytic hierarchy process (AHP) method, a scientific energy potential evaluation system for Miscanthus was constructed. Besides, a measurement standard was draw up and a system to calculate the Miscanthus energy potential index was established. To show how this system work, energy potential of five typical Miscanthus germplsams collected from the Nursery Garden of Miscanthus Germplsams in Hunan Agricultural University were measured and evaluated. The five germplsams were: B 0340 (Miscanthus sinensis), A0504 (Miscanthus floridulus), A0123 (Miscanthus sacchariflorus), A0118 (Miscanthus lutarioriparius) and D0302 (Miscanthus × giganteus). Their energy potentials in terms of power generation, ethanol and methane production were calculated and compared with precious results collected from literatures. 【Result】Miscanthus energy potential index was divided into four levels: very suitable (75-100 points), suitable (50-74 points), general (25-49 points), and unsuitable (0-24 points). Through calculation, for the genotype of A0504, its power generation point (PGP) was 60.73, ethanol production point (EPP) of 60.14 and biogas production point (BPP) of 60.27, extract bio-oil point (EBP) of 57.19. For the genotype of A0118, its PGP, EPP, BPP, and EBP were 64.32, 58.45, 58.20 and 60.01, respectively. For the genotype of D0302, only its PGP (54.06) and EBP (50.33) were above the level of suitable. As can be seen, plants of A0504, A0118, and D0302 can be used as energy crop; Within, material of A0504 (M. floridulus) is suitable for cellulosic ethanol and methane production, while biomass of A0118 (M. lutarioriparius) is suitable for power generation and bio-oil extraction. These results are consistent with the evaluation results that calculated using the theoretical energy production yield formula. In addition, the evaluation system established in this study can more comprehensively evaluate the energy production potential than the calculated results by the theoretical yield formula. 【Conclusion】Miscanthus energy potential evaluation system built from the agronomic, quality, resistance traits can objectively evaluate the suitability of Miscanthus in generate power, produce ethanol and methane, extract bio-oil.This evaluation system can provide a scientific guidance for Miscanthus germplsam selection and breeding of new varieties.

Miscanthus; energy plant; analytic hierarchy process (AHP); evaluation system

2016-07-07；接受日期：2016-09-21

國家“十二五”科技支撐計劃（2013BAD22B01）、湖南省研究生科研創(chuàng)新項目（CX2016B272）、省部共建國家重點實驗室培育基地科學(xué)基金開放項目（15KFXM02）

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