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(chǎn)量及生物乙醇生產(chǎn)潛力，以不同品系象草為材料，研究不同品系象草的生物產(chǎn)量及利用干物質(zhì)組成分中纖維素、半纖維素含量計算乙醇理論產(chǎn)量，并進行比較，旨在為象草作為生物質(zhì)能源開發(fā)利用的品種選擇提供技術指導。結(jié)果表明，不同品系象草株高、分蘗數(shù)、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(shù)較少的品系生物產(chǎn)量高；結(jié)構(gòu)組成中纖維素、半纖維素和木質(zhì)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(chǎn)量及生物乙醇產(chǎn)量表現(xiàn)，品系P118、P115和P33表現(xiàn)較好，具有較高的木質(zhì)纖維素乙醇生產(chǎn)潛力，可作為生物質(zhì)能源植物新品種開發(fā)利用。

關鍵詞：象草；品系；生物產(chǎn)量；生物乙醇；生產(chǎn)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(zhàn)。生物質(zhì)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(chǎn)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(zhì)能中植物生物質(zhì)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(huán)境的改善，使能源植物開發(fā)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(chǎn)于熱帶非洲，是熱帶和亞熱帶地區(qū)普遍栽培的牧草[2]，具有無病蟲害、產(chǎn)量高等很多優(yōu)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(fā)電量將超過目前歐盟發(fā)電總量的9%，其整體經(jīng)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(qū)已發(fā)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(yōu)良的飼料作物，而開始向造紙工業(yè)、生物質(zhì)能源以及生態(tài)護坡等領域拓展[4]。國內(nèi)外有關象草作為生物質(zhì)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(jīng)過40多年的研究，證明其可用于乙醇、沼氣和電能的生產(chǎn)[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(chǎn)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(qū)的自然越冬率，減少栽植頻率，節(jié)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(chǎn)力以及作為生物質(zhì)能源利用的潛力，為篩選適于生物質(zhì)能源利用的象草新種質(zhì)材料，以及為象草生物質(zhì)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(nóng)業(yè)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(qū)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(nóng)業(yè)科學院畜牧研究所經(jīng)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(qū)組設計，3次重復，小區(qū)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(qū)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(diào)查株高、分蘗數(shù)。刈割后測鮮草產(chǎn)量，取樣測定水分，計算干草產(chǎn)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(zhì)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(zhì)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(chǎn)量

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

1.5數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)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(jié)果與分析

2.1[JP3]不同品系象草的主要植物學特征、生物產(chǎn)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(shù)差異較大，在6.0～18.7之間，P18單位平均分蘗數(shù)最多，為18.7個，品系P05和P99單株分蘗數(shù)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(zhì)產(chǎn)量在30 477～50 678 kg/hm2，但不同品系間的干物質(zhì)產(chǎn)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(zhì)產(chǎn)量最高，極顯著高于其他各品系，達50 678 kg/hm2，品系P33干物質(zhì)產(chǎn)量其次，極顯著高于其他11個品系的干物質(zhì)產(chǎn)量，品系P18的單位面積干物質(zhì)產(chǎn)量表現(xiàn)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(zhì)素含量及木質(zhì)纖維素乙醇理論產(chǎn)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(zhì)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(chǎn)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(chǎn)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(jié)論

生物乙醇主要由植物體內(nèi)的糖類物質(zhì)，如可溶性糖、纖維素和半纖維素等經(jīng)生物酶的作用轉(zhuǎn)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(nèi)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(xiàn)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(chǎn)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(zhì)的50%以上。因此生物產(chǎn)量的高低以及莖葉比的大小直接影響其生物乙醇的產(chǎn)率。木質(zhì)素是植物莖中被纖維素、半纖維素緊密結(jié)合的一類不易被降解的物質(zhì)，木質(zhì)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(chǎn)率。本研究中的生物乙醇產(chǎn)率是以纖維素和半纖維素的含量通過經(jīng)驗公式計算而來，而沒有考慮不同木質(zhì)素含量對生物乙醇產(chǎn)率的影響[6]，有關木質(zhì)素對生物乙醇的轉(zhuǎn)化率的影響有待進一步研究。綜合考慮不同品系的生物產(chǎn)量及生物乙醇產(chǎn)量，品系P118、P115和P33具有較高的生物質(zhì)能源開發(fā)利用價值。

參考文獻：

[1]侯新村，范希峰，武菊英，等. 纖維素類能源草在京郊地區(qū)的經(jīng)濟效益與生態(tài)價值評價[J]. 草業(yè)學報，2011，20（6）：12-17.

[2]顧洪如，白淑娟，楊運生，等. 美洲狼尾草與象草雜交種生產(chǎn)的花期相遇及積溫穩(wěn)定性研究[J]. 草地學報，1994，2（2）：27-32.

[3]Lee M K，Tsai W T，Tsai Y L，et al. Pyrolysis of napier grass in an induction-heating reactor[J]. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis，2010，88（2）：110-116.

[4]周定國，張曉偉，徐詠蘭，等. 楊木/狼尾草復合中密度纖維板工藝研究[J]. 林業(yè)科技開發(fā)，2007，21（5）：58-60.

[5]Stricker J A，Smith D W H. Economic development through biomass systems integration in central Florida[M]. University of Florida Center for Natural Resources，2004.

[6]Jewell W J，Cummings R J，Richards B K. Methane fermentation of energy crops：maximum conversion kinetics and in situ biogas purification[J]. Biomass and Bioenergy，1993，5（3/4）：261-278.

[7]Schank S C，Chynoweth D P，Turick C E，et al. Napiergrass genotypes and plant parts for biomass energy[J]. Biomass and Bioenergy，1993，4（1）：1-7.

[8]Woodard K R，Prine G M，Bachrein S. Solar energy recovery by elephantgrass，energycane，and elephantmillet canopies[J]. Crop Science，1993，33（4）：824-830.

[9]丁成龍，張建麗，許能祥，等. 象草種子苗的遺傳變異及種間雜交研究[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學，2008（5）：194-196.[ZK）]

[10]楊勝. 飼料分析及飼料質(zhì)量檢測技術[M]. 北京：北京農(nóng)業(yè)出版社，1993：58-63.

[11]Zhao Y L，Dolat A，Steinberger Y，et al. Biomass yield and changes in chemical composition of sweet sorghum cultivars grown for biofuel[J]. Field Crops Research，2009，111（1）：55-64.

[12]張霞，顧洪如，丁成龍，等. 象草產(chǎn)量及生物學性狀的品系間差異及聚類分析[J]. 中國草地學報，2009，31（1）：58-63.

[13]吳娟子，張建麗，潘玉梅，等. 象草和雜交狼尾草細胞壁組分及乙醇理論產(chǎn)量動態(tài)分析[J]. 草業(yè)學報，2014，23（4）：153-161.

[14]Dolciotti I，Mambelli S，Grandi S，et al. Comparison of two sorghum genotypes for sugar and fiber production[J]. Industrial Crops and Products，1998，7（2）：265-272.