不同品系象草的生物产量及木质纤维素ひ掖忌产潜力研究

张建丽 吴娟子 钱晨 钟小仙 刘智微 潘玉梅

摘要：为探讨不同品系象草的生物产量及生物乙醇生产潜力，以不同品系象草为材料，研究不同品系象草的生物产量及利用干物质组成分中纤维素、半纤维素含量计算乙醇理论产量，并进行比较，旨在为象草作为生物质能源开发利用的品种选择提供技术指导。结果表明，不同品系象草株高、分蘖数、茎葉比等指标均存在品系间显著或极显著差异，总体趋势是植株高大、分蘖数较少的品系生物产量高；结构组成中纤维素、半纤维素和木质素含量在不同品系间存在显著或极显著差异。综合不同品系的生物产量及生物乙醇产量表现，品系P118、P115和P33表现较好，具有较高的木质纤维素乙醇生产潜力，可作为生物质能源植物新品种开发利用。

关键词：象草；品系；生物产量；生物乙醇；生产潜力

中图分类号： S543文献标志码：

文章编号：1002-1302（2016）08-0503-03

能源短缺是当前人类面临的重大挑战。生物质能是仅次于石油、煤炭和天然气而位居世界第4位的能源，作为一种产量巨大的可再生能源，可以替代化石能源，缓解能源危机，因而越来越受到世界各国的高度关注[1]。在生物质能中植物生物质能又具有基础地位，能源植物通过光合作用吸收二氧化碳，有利于气候环境的改善，使能源植物开发与利用成为世界各国的研究重点。

象草（Pennisetum purpureum）是禾本科狼尾草属多年生草本植物，原产于热带非洲，是热带和亚热带地区普遍栽培的牧草[2]，具有无病虫害、产量高等很多优点，已受到不少欧美国家的重视，报道预测，若欧盟25个国家的适当土地上都种植象草，就此一项所带来的发电量将超过目前欧盟发电总量的9%，其整体经济效益十分可观[3]。自20世纪30年代象草从缅甸引入我国广东、四川等省试种，取得了良好的成效，至20世纪80年代象草的种植地区已发展到云南、贵州、福建、湖南、湖北、四川、江西、江苏、浙江等省，其利用已不仅局限于优良的饲料作物，而开始向造纸工业、生物质能源以及生态护坡等领域拓展[4]。国内外有关象草作为生物质能源应用的研究已有一些报道，20世纪70年代美国率先将象草作为能源作物开展研究工作，经过40多年的研究，证明其可用于乙醇、沼气和电能的生产[5-8]。目前关于象草的研究主要集中在针对其单位面积生物产量的提高以及抗性的增强，在耐性方面的研究主要针对象草的抗寒性进行研究，旨在提高象草在较高纬度地区的自然越冬率，减少栽植频率，节省劳动力，拓展象草的种植范围，提高象草的可利用性[9]。象草为多年生四倍体种，遗传背景相对较复杂[9]，不同品种（系）的植物学特殊性征和生物学特性差异较大，本研究旨在综合评价不同品系象草的生产力以及作为生物质能源利用的潜力，为筛选适于生物质能源利用的象草新种质材料，以及为象草生物质能源利用提供技术指导。

[BT1+3][STHZ]1材料与方法

1.1试验地概况

试验在江苏省农业科学院试验田进行，地处长江中下游，32°32′N、118°48′E，属亚热带季风气候，年平均温度15.7 ℃，年均降水量1 100 mm 左右，全年无霜期220～240 d，不小于10 ℃ 年积温约4 800 ℃。试验区土壤为低山丘陵黄棕壤土，前茬为蚕豆。

1.2供试材料

供试材料为江苏省农业科学院畜牧研究所经多年选育的植株较高大、生长繁茂的象草新品系13个。

1.3试验方法

田间试验于2014年5月至11月间进行，试验采用随机区组设计，3次重复，小区面积3.0 m ×4.2 m。2014年5月23日进行分苗移栽，株距45 cm，行距60 cm，每个小区栽6行，移栽活棵后施尿素1次，119.4 kg/hm2，并进行锄草1次。2014年10月30日进行一次性刈割，刈割时调查株高、分蘖数。刈割后测鲜草产量，取样测定水分，计算干草产量、茎叶比。

1.3测定项目和方法

取鲜草样1 000 g左右，将茎叶分离并分别烘干称质量，计算茎叶比。烘干的茎和叶分别粉碎，过80目筛（筛孔尺寸 0.18 mm），冷却后于密封袋中保存，待进一步分析。纤维素（cellulose，CEL）、半纤维素（hemicellulose，HMC）和酸性木质素（acid detergent lignin，ADL）采用范氏洗涤纤维法测定[10]。

1.4生物乙醇理论产量

参照Zhao等的方法[11]计算，即木質纤维素乙醇产量（L/hm2）=（CEL+HMC）%×干物质产量（t/hm2）×1.11[JP3]（CEL和HMC转化为糖的转换因子）×0.85（CEL和HMC转化为糖的过程效率）×0.51（糖转化为乙醇的转换因子）×085（糖转化为乙醇的过程效率）×1 000/0.79（乙醇比重g/mL）。

1.5数据处理

数据采用Excel进行整理，运用SPSS 16.0软件中的单因素方差分析，并采用新复极差法在α=0.05和α=0.01水平上进行多重比较分析。

2结果与分析

2.1[JP3]不同品系象草的主要植物学特征、生物产量及主要组成分

13个不同品系象草的株高在1.98～3.32 m，不同品系间存在显著或极显著差异，其中品系P33最高，为3.81 m，品系P15最矮，为1.98 m。单株分蘖数差异较大，在6.0～18.7之间，P18单位平均分蘖数最多，为18.7个，品系P05和P99单株分蘖数较少，分别仅为6.0和6.3个。不同株系的茎叶比在1.87～3.44之间，不同品系间存在显著或极显著差异，其中品系P01的茎叶比极显著高于其他各品系，品系P18的茎叶比最低，极显著低于其他各品系。不同品系的干物质产量在30 477～50 678 kg/hm2，但不同品系间的干物质产量差异较明显，分别达显著或极显著水平，其中品系P118干物质产量最高，极显著高于其他各品系，达50 678 kg/hm2，品系P33干物质产量其次，极显著高于其他11个品系的干物质产量，品系P18的单位面积干物质产量表现最差，仅为 30 477 kg/hm2，极显著低于其他各品系（表1）。

2.2不同品系象草的纤维素、半纤维素、木质素含量及木质纤维素乙醇理论产量

不同品系象草的纤维素含量在30.11%～38.47%之间，不同品系间存在显著或极显著差异，其中品系P115的纤维素含量最高，其次是品系P01，分别达38.47%和37.80%，极显著高于除P48之外的其他各品系，P99的纤维素含量最低，为30.11%，极显著低于其他各品系（表2）。不同品系的半纤维素含量介于23.47%～29.19%之间，品系间存在显著或极显著差异，品系P118和P110的半纤维素含量较高且含量较接近，极显著高于除P15之外的其他品系，品系P05的半纤维素的含量最低，仅2347%，极显著低于其他各品系。不同品系的酸性木质素含量在不同品系之间的差异达显著或极显著差异，最低的仅为6.53%（品系P110），最高的为11.56%（品系P01），但主要集中在7.10%～9.84%之间。从表2中可以看出，不同品系纤维素乙醇理论产量介于9 419～16 784 L/hm2，不同品系间存在显著或极显著差异，其中品系P118、P115和P33等3个品系的纤维素乙醇产量较高，极显著高于其他各品系，品系P18的最低，仅9 419 L/hm2。

3讨论与结论

生物乙醇主要由植物体内的糖类物质，如可溶性糖、纤维素和半纤维素等经生物酶的作用转化而来，植物特别是禾本科植物在生长的过程中，随着生长期的延长，其体内可溶性糖的含量積累到一定程度不再增加，随着植株衰老还表现为含量逐渐减少的趋势，而纤维素和半纤维素的积累呈不断积累增加趋势[12-13]。Dolciotti等研究表明，植物的茎是糖类积累的主要器官，也是生产生物乙醇的重要器官[14]。茎中积累大量的纤维素和半纤维素，约占茎干物质的50%以上。因此生物产量的高低以及茎叶比的大小直接影响其生物乙醇的产率。木质素是植物茎中被纤维素、半纤维素紧密结合的一类不易被降解的物质，木质素的存在以及含量的多少直接影响生物酶的作用，进而影响生物乙醇的产率。本研究中的生物乙醇产率是以纤维素和半纤维素的含量通过经验公式计算而来，而没有考虑不同木质素含量对生物乙醇产率的影响[6]，有关木质素对生物乙醇的转化率的影响有待进一步研究。综合考虑不同品系的生物产量及生物乙醇产量，品系P118、P115和P33具有较高的生物质能源开发利用价值。

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