西南德国田间评价中苋菜作为沼气作物的农艺表现与甲烷潜力

《Energies》：Amaranth as a Biogas Crop: Agronomic Performance and Methane Potential from a Field Evaluation in Southwest Germany Moritz von Cossel, Kathrin Klasen, Joana Iwaniw, Iris Lewandowski and Andrea Bauerle

　　

尽管青贮玉米（Zea mays L.）仍是德国主导性的沼气原料作物，但景观同质化及其生态风险方面的担忧促进了更多样化能源作物的探索。该研究采用田间试验结合生物质组分分析与实验室批次沼气检测的方法，对德国西南部的12个苋菜基因型（GT01–12；Amaranthus spp.）进行了评价。与以往研究主要聚焦于品种'Baernkraft'（GT04）不同，该研究考察了更为广泛的遗传材料。研究人员观察到不同基因型间在植株密度、干物质产量（dry matter yield, DMY）、干物质含量（dry matter content, DMC）及生物质组成方面存在显著差异。产量最高的基因型（GT09和GT11）DMY超过10 Mg ha^-1，明显优于Baernkraft。然而，即使这些基因型也未达到可靠青贮所需的约28% DMC阈值。木质素（lignin）浓度范围为干物质的4.7%至7.2%。甲烷浓度（methane concentration, MC）保持相对稳定（54–55%），所有基因型及收获日期的平均甲烷产量为1788 ± 441 m³ CH₄ ha^-1（最高值：2677.8 m³ CH₄ ha^-1）。这些发现表明，苋菜可能有助于沼气种植系统的多样化，尽管在其研究条件下，苋菜的农艺及底物相关表现仍不及玉米。

该研究由Moritz von Cossel、Kathrin Klasen、Joana Iwaniw、Iris Lewandowski和Andrea Bauerle完成，发表于《Energies》。研究背景源于德国生物燃气产业长期面临的结构性挑战：青贮玉米（Zea mays L.）作为主导性能源作物，虽具备高生物量生产力、良好青贮特性及高甲烷产率等优势，但其大规模扩张导致了景观同质化、作物轮作简化及土壤侵蚀、农业生物多样性降低等环境风险。尽管替代性多年生或促进生物多样性的沼气作物已有开发，玉米仍占据德国沼气原料生产最大种植面积。苋菜（Amaranthus spp.）作为C4作物，因其耐热性、较低投入需求及适应多样化种植系统的潜力而备受关注，但早期研究受制于以'Baernkraft'为主的狭窄遗传基础，该品种本为籽粒用途而非生物量用途选育，导致对其沼气适用性评价偏低。近期育种研究表明，生物量导向的苋菜基因型在干物质积累和成熟性状上存在显著表型变异，提示早期负面结论可能受基因型选择偏差影响。

该研究旨在基于更广泛的基因型筛选，重新评估苋菜作为沼气作物的适宜性。研究人员在德国西南部霍恩海姆大学Kleinhohenheim有机管理试验农场开展了田间试验，该场地海拔约435 m，年均温8.8°C，年降水量约700 mm，土壤为黄土衍生的棕色土，持水能力强。试验采用随机区组设计，3次重复，包含12个苋菜基因型（GT01–GT12）及1个藜麦基因型（未纳入分析），共计39个小区，每个小区面积24 m²。种子来源于霍恩海姆大学Ihinger Hof试验站及奥地利ZENO项目。2011年5月17日播种，播种深度1.5 cm，行距12.5 cm。因有机管理，未施矿物肥料，人工除草。基于干物质含量的预先评估，选定3个收获日期：8月18日、8月24日和8月31日。每次收获采用1 m²样方，距边界至少1 m以减少边缘效应，植株人工割取、计数、称鲜重后切碎，取500–1000 g subsample于30°C干燥至少24 h以测定DMC。需特别说明的是，因人员变动后的沟通失误，第一次收获后除GT11（能源型）外，其余样品在DMC测定后被废弃，故第一次收获的生化分析数据仅GT11可用。

干样品经Brabender谷物磨粉碎后，于室温密封保存待分析。灰分含量采用马弗炉灼烧按VDLUFA标准程序测定；中性洗涤纤维（neutral detergent fiber, NDF）、酸性洗涤纤维（acid detergent fiber, ADF）及酸性洗涤木质素（acid detergent lignin, ADL）按VDLUFA方法书III规程分析；纤维素（cellulose, CEL）和半纤维素（hemicellulose, HC）含量由洗涤纤维组分计算得出。总碳（C）和总氮（N）采用元素分析仪（Vario Max CNS）测定。实验室批次沼气检测依据VDI指南4630原则，在中温（39°C）条件下进行。每种生物质样品取约200 mg有机干物质，与30 g接种物（来源于农业沼气厂，DMC约4%，有机干物质含量约60%）混合于100 mL气密培养瓶中，以氮气冲洗顶空后密封，预培养以降低残余沼气产量。接种物与底物比（inoculum-to-substrate ratio, ISR）足够高以确保底物完全降解。设接种物空白对照，每样品4次技术重复，培养期35天。通过手持数字压力计测量瓶内压力增量以监测产气，按标准条件（0°C和1013 hPa）校正。培养结束时采用气相色谱-热导检测器（GC-2014）测定沼气中甲烷浓度，计算底物特异性沼气产量（substrate-specific biogas yield, SBY）和底物特异性甲烷产量（substrate-specific methane yield, SMY）。统计分析采用SAS 9.3版PROC MIXED过程拟合线性混合模型，以基因型（GT）、收获日期（HD）为固定效应，重复为随机效应，采用最小二乘均数进行多重比较。

研究结果表明，混合模型分析显示基因型效应对所有考察性状（DMY、DMC、木质素含量、CEL、HC、灰分、氮含量、碳氮比、SMY、MC）均显著；收获日期对多项生物质组成性状及DMC有显著影响，但对DMY影响不显著；未观察到显著的GT×HD互作。这说明基因型差异是数据集变异的主要来源。

田间 establishment 与生物量发育方面，12个基因型均成功出苗并形成均匀群体，表型差异显著，尤其体现在花序颜色和株高上。植株密度因基因型而异，GT09和GT11最高，GT04（Baernkraft）偏低。DMY和DMC亦存在显著基因型差异：GT09和GT11产量最高，超过10 Mg ha^-1，明显优于Baernkraft；但即使这些高产品种，DMC仍未达到可靠青贮的28%阈值，表现出生产力与可青贮性之间的明显权衡。SBY和甲烷浓度在不同基因型间变异中等，甲烷浓度相对稳定于54–55%，表明基因型间差异主要与生物量特性而非甲烷浓度变化相关。结合DMY计算的公顷甲烷产量（methane yield per hectare, MYH）平均为1788 ± 441 m³ CH₄ ha^-1，主要由生物量生产力驱动，SMY变异范围相对较窄。SMY与木质素含量呈明显负相关，表明木质化加剧降低了底物厌氧消化中的可降解性。生物质 composition 方面，木质素浓度约4.7%–7.2% DM，CEL 25%–33%，HC 10%–16%，灰分12%–16%。Baernkraft木质素较低，但农艺表现差未能转化为整体优势；GT09兼具较高产量、中等木质素水平和较优碳氮比；GT11则以中等木质素和较低灰分为特征。多变量分析证实木质素与SMY负相关，而CEL、HC关系较弱，灰分倾向于在甲烷表现较差样品中升高，说明单一组分不能决定沼气适用性，而是农艺生产力、结构性生物质组成和DMC的联合作用。

讨论部分，研究人员指出该研究的核心发现是：基于Baernkraft的负面评价不应推广至全部苋菜材料，GT09和GT11在农艺上尤其植株密度和DMY方面显著优于Baernkraft，支持基因型选择对生物量用途评估的关键作用。但即使最优基因型，DMC仍不足以实现可靠青贮，这是实践中的关键瓶颈；延迟收获以提高DMC亦不可取，因苋菜霜冻敏感易折断，且落籽可能加剧后续作物杂草问题。与玉米相比，苋菜木质素浓度偏高（>5% DM vs. 玉米约2.5% DM），限制了底物可降解性，MYH（平均1788 ± 441 m³ CH₄ ha^-1）远低于玉米（4334–8144 m³ CH₄ ha^-1）。该研究的实际意义更在于完善多样化选项的筛选而非替代玉米——鉴于玉米主导地位变化缓慢，苋菜作为年度作物可补充轮作、提升景观异质性，其C4生理、耐热性及育种潜力仍具科学价值。未来育种目标应聚焦于提高干物质积累、收获时DMC及降低木质化，同时需开展多环境试验评估基因型×环境互作。

研究存在若干局限：有机管理未施肥限制了生产潜力充分表达；第一次收获生化数据缺失；收获日期比较受样方非随机布置限制。此外，2011年的单年评价可能无法完全反映当前气候条件下的表现。

研究结论部分指出：该研究揭示了12个苋菜基因型在农艺表现和沼气底物质量方面的显著变异。GT09和GT11在DMY和群体建立方面明显优于Baernkraft（GT04），表明早期基于Baernkraft的负面评价过于狭隘。然而，最高产品种DMC仍低于可靠青贮最适水平，且生物质木质化构成进一步的底物质量限制。因此，在所研究条件下，苋菜目前不能视为玉米的直接替代品。尽管如此，鉴于德国沼气系统对玉米的强烈结构性依赖变化缓慢，该作物仍作为多样化选项具有科学和农艺意义。未来研究应聚焦于生物量导向的育种策略，旨在改善干物质积累、收获时DMC及降低木质化以增强底物可降解性；同时需要改进作物管理策略、优化收获时间，并在有机和常规管理下进行多环境测试，以更好评估苋菜作为沼气作物的农艺稳定性。最后，将苋菜纳入现有轮作时，应考虑与自生苋菜植株相关的潜在杂草管理问题，以及在镉丰富土壤上生物质中镉浓度升高的可能性。