不同品系象草的生物產量及木質纖維素ひ掖忌產潛力研究

張建麗 吳娟子 錢晨 鐘小仙 劉智微 潘玉梅

摘要：為探討不同品系象草的生物產量及生物乙醇生產潛力，以不同品系象草為材料，研究不同品系象草的生物產量及利用干物質組成分中纖維素、半纖維素含量計算乙醇理論產量，并進行比較，旨在為象草作為生物質能源開發利用的品種選擇提供技術指導。結果表明，不同品系象草株高、分蘗數、莖葉比等指標均存在品系間顯著或極顯著差異，總體趨勢是植株高大、分蘗數較少的品系生物產量高；結構組成中纖維素、半纖維素和木質素含量在不同品系間存在顯著或極顯著差異。綜合不同品系的生物產量及生物乙醇產量表現，品系P118、P115和P33表現較好，具有較高的木質纖維素乙醇生產潛力，可作為生物質能源植物新品種開發利用。

關鍵詞：象草；品系；生物產量；生物乙醇；生產潛力

中圖分類號： S543文獻標志碼：

文章編號：1002-1302（2016）08-0503-03

能源短缺是當前人類面臨的重大挑戰。生物質能是僅次于石油、煤炭和天然氣而位居世界第4位的能源，作為一種產量巨大的可再生能源，可以替代化石能源，緩解能源危機，因而越來越受到世界各國的高度關注[1]。在生物質能中植物生物質能又具有基礎地位，能源植物通過光合作用吸收二氧化碳，有利于氣候環境的改善，使能源植物開發與利用成為世界各國的研究重點。

象草（Pennisetum purpureum）是禾本科狼尾草屬多年生草本植物，原產于熱帶非洲，是熱帶和亞熱帶地區普遍栽培的牧草[2]，具有無病蟲害、產量高等很多優點，已受到不少歐美國家的重視，報道預測，若歐盟25個國家的適當土地上都種植象草，就此一項所帶來的發電量將超過目前歐盟發電總量的9%，其整體經濟效益十分可觀[3]。自20世紀30年代象草從緬甸引入我國廣東、四川等省試種，取得了良好的成效，至20世紀80年代象草的種植地區已發展到云南、貴州、福建、湖南、湖北、四川、江西、江蘇、浙江等省，其利用已不僅局限于優良的飼料作物，而開始向造紙工業、生物質能源以及生態護坡等領域拓展[4]。國內外有關象草作為生物質能源應用的研究已有一些報道，20世紀70年代美國率先將象草作為能源作物開展研究工作，經過40多年的研究，證明其可用于乙醇、沼氣和電能的生產[5-8]。目前關于象草的研究主要集中在針對其單位面積生物產量的提高以及抗性的增強，在耐性方面的研究主要針對象草的抗寒性進行研究，旨在提高象草在較高緯度地區的自然越冬率，減少栽植頻率，節省勞動力，拓展象草的種植范圍，提高象草的可利用性[9]。象草為多年生四倍體種，遺傳背景相對較復雜[9]，不同品種（系）的植物學特殊性征和生物學特性差異較大，本研究旨在綜合評價不同品系象草的生產力以及作為生物質能源利用的潛力，為篩選適于生物質能源利用的象草新種質材料，以及為象草生物質能源利用提供技術指導。

[BT1+3][STHZ]1材料與方法

1.1試驗地概況

試驗在江蘇省農業科學院試驗田進行，地處長江中下游，32°32′N、118°48′E，屬亞熱帶季風氣候，年平均溫度15.7 ℃，年均降水量1 100 mm 左右，全年無霜期220～240 d，不小于10 ℃ 年積溫約4 800 ℃。試驗區土壤為低山丘陵黃棕壤土，前茬為蠶豆。

1.2供試材料

供試材料為江蘇省農業科學院畜牧研究所經多年選育的植株較高大、生長繁茂的象草新品系13個。

1.3試驗方法

田間試驗于2014年5月至11月間進行，試驗采用隨機區組設計，3次重復，小區面積3.0 m ×4.2 m。2014年5月23日進行分苗移栽，株距45 cm，行距60 cm，每個小區栽6行，移栽活棵后施尿素1次，119.4 kg/hm2，并進行鋤草1次。2014年10月30日進行一次性刈割，刈割時調查株高、分蘗數。刈割后測鮮草產量，取樣測定水分，計算干草產量、莖葉比。

1.3測定項目和方法

取鮮草樣1 000 g左右，將莖葉分離并分別烘干稱質量，計算莖葉比。烘干的莖和葉分別粉碎，過80目篩（篩孔尺寸 0.18 mm），冷卻后于密封袋中保存，待進一步分析。纖維素（cellulose，CEL）、半纖維素（hemicellulose，HMC）和酸性木質素（acid detergent lignin，ADL）采用范氏洗滌纖維法測定[10]。

1.4生物乙醇理論產量

參照Zhao等的方法[11]計算，即木質纖維素乙醇產量（L/hm2）=（CEL+HMC）%×干物質產量（t/hm2）×1.11[JP3]（CEL和HMC轉化為糖的轉換因子）×0.85（CEL和HMC轉化為糖的過程效率）×0.51（糖轉化為乙醇的轉換因子）×085（糖轉化為乙醇的過程效率）×1 000/0.79（乙醇比重g/mL）。

1.5數據處理

數據采用Excel進行整理，運用SPSS 16.0軟件中的單因素方差分析，并采用新復極差法在α=0.05和α=0.01水平上進行多重比較分析。

2結果與分析

2.1[JP3]不同品系象草的主要植物學特征、生物產量及主要組成分

13個不同品系象草的株高在1.98～3.32 m，不同品系間存在顯著或極顯著差異，其中品系P33最高，為3.81 m，品系P15最矮，為1.98 m。單株分蘗數差異較大，在6.0～18.7之間，P18單位平均分蘗數最多，為18.7個，品系P05和P99單株分蘗數較少，分別僅為6.0和6.3個。不同株系的莖葉比在1.87～3.44之間，不同品系間存在顯著或極顯著差異，其中品系P01的莖葉比極顯著高于其他各品系，品系P18的莖葉比最低，極顯著低于其他各品系。不同品系的干物質產量在30 477～50 678 kg/hm2，但不同品系間的干物質產量差異較明顯，分別達顯著或極顯著水平，其中品系P118干物質產量最高，極顯著高于其他各品系，達50 678 kg/hm2，品系P33干物質產量其次，極顯著高于其他11個品系的干物質產量，品系P18的單位面積干物質產量表現最差，僅為 30 477 kg/hm2，極顯著低于其他各品系（表1）。

2.2不同品系象草的纖維素、半纖維素、木質素含量及木質纖維素乙醇理論產量

不同品系象草的纖維素含量在30.11%～38.47%之間，不同品系間存在顯著或極顯著差異，其中品系P115的纖維素含量最高，其次是品系P01，分別達38.47%和37.80%，極顯著高于除P48之外的其他各品系，P99的纖維素含量最低，為30.11%，極顯著低于其他各品系（表2）。不同品系的半纖維素含量介于23.47%～29.19%之間，品系間存在顯著或極顯著差異，品系P118和P110的半纖維素含量較高且含量較接近，極顯著高于除P15之外的其他品系，品系P05的半纖維素的含量最低，僅2347%，極顯著低于其他各品系。不同品系的酸性木質素含量在不同品系之間的差異達顯著或極顯著差異，最低的僅為6.53%（品系P110），最高的為11.56%（品系P01），但主要集中在7.10%～9.84%之間。從表2中可以看出，不同品系纖維素乙醇理論產量介于9 419～16 784 L/hm2，不同品系間存在顯著或極顯著差異，其中品系P118、P115和P33等3個品系的纖維素乙醇產量較高，極顯著高于其他各品系，品系P18的最低，僅9 419 L/hm2。

3討論與結論

生物乙醇主要由植物體內的糖類物質，如可溶性糖、纖維素和半纖維素等經生物酶的作用轉化而來，植物特別是禾本科植物在生長的過程中，隨著生長期的延長，其體內可溶性糖的含量積累到一定程度不再增加，隨著植株衰老還表現為含量逐漸減少的趨勢，而纖維素和半纖維素的積累呈不斷積累增加趨勢[12-13]。Dolciotti等研究表明，植物的莖是糖類積累的主要器官，也是生產生物乙醇的重要器官[14]。莖中積累大量的纖維素和半纖維素，約占莖干物質的50%以上。因此生物產量的高低以及莖葉比的大小直接影響其生物乙醇的產率。木質素是植物莖中被纖維素、半纖維素緊密結合的一類不易被降解的物質，木質素的存在以及含量的多少直接影響生物酶的作用，進而影響生物乙醇的產率。本研究中的生物乙醇產率是以纖維素和半纖維素的含量通過經驗公式計算而來，而沒有考慮不同木質素含量對生物乙醇產率的影響[6]，有關木質素對生物乙醇的轉化率的影響有待進一步研究。綜合考慮不同品系的生物產量及生物乙醇產量，品系P118、P115和P33具有較高的生物質能源開發利用價值。

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