象草和杂交狼尾草细胞壁组分及乙醇理论产量动态分析

吴娟子，张建丽，潘玉梅，刘智微，钟小仙

（江苏省农业科学院畜牧所，江苏 南京210014）

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，越来越受到世界各国的高度关注［1］。众所周知，木质纤维素类生物质是地球上来源广泛、可再生和环境友好的最丰富的生物质资源，这些生物质资源可通过化学或生物转化等方法制造替代石油的燃料，如乙醇［2］。2007年国家《可再生能源中长期发展规划》明确提出：“从长远考虑，要积极发展以木质纤维素生物质为原料的生物液体燃料技术”。

象草（Pennisetumpurpureum，elephantgrass，PP）是热带和亚热带地区广泛栽培的优质、高产、多用途牧草［3－6］。苏牧2号象草（P.purpureumcv.Sumu No.2）是由江苏省农业科学院自主选育的耐盐牧草新品种，2010年通过全国草品种审定委员会审定，适合各种类型的土壤种植，在中高盐度海涂地生长显著优于其他牧草，非盐碱地种植草产量更高［7－9］。杂交狼尾草（P.americanum×P.purpureum，hybridPennisetum，HP）是母本美洲狼尾草（P.americanum）不育系Tift23A与父本象草N51远缘杂交获得的三倍体杂交种，综合了母本品质优、父本生态适应性广、产量高的特点，并具有明显的杂种优势，干物质产量比象草可提高20%～50%，1989年通过全国草品种审定委员会审定［10］。国内外的研究表明，象草和杂交狼尾草不仅可作为草食畜禽的优质青饲料、理想的水土保持作物、优质纸浆和绿色环保型复合人造板原料，还是理想的木质纤维素类能源作物［3－6，11－12］。象草单位面积的生物量是能源作物甘蔗（Saccharumsinensis）和柳枝稷（Panicumvirgatum）的2倍，由于其成本更加低廉，欧美等国正在加强象草生物质能源的开发利用研究［11－12］。

木质纤维类生物质主要由纤维素、半纤维素和木质素三大部分组成，构成了植物的细胞壁。纤维素和半纤维素是多糖，在酶的作用下可以水解生成单糖，然后由发酵平台转化为乙醇或其他高附加值化工产品［13］；而木质素能够抵抗自然界多数微生物的有效降解，目前工业上几乎不能降解利用木质素，它对纤维素酶和半纤维素酶存在空间阻碍作用，而且木质素的存在还会对纤维素酶水解的活性产生致钝作用，抑制纤维素和半纤维素的降解［14］。研究表明提高原料中纤维素、半纤维素含量、降低木质素含量可显著提高木质纤维素的乙醇转化效率［15］。不同的木质纤维素类生物质原料，在不同发育时期其所含的纤维素、半纤维素和木质素均有一定差异，这导致其乙醇产量的不同。研究者往往通过比较分析植物细胞壁组分来预测、比较其木质纤维素乙醇生产潜力［15－17］。

本试验以苏牧2号象草和杂交狼尾草为材料，探讨了两品种不同生长时期茎和叶中纤维素（cellulose，CEL）、半纤维素（hemicellulose，HMC）和酸性木质素（acid detergent lignin，ADL）含量和总量以及来源于木质纤维素的乙醇理论产量随生长变化的规律，旨在为国审品种苏牧2号象草和杂交狼尾草作为生物质能源的评价及开发利用提供基础资料。

1 材料与方法

1.1 供试材料

苏牧2号象草和杂交狼尾草由江苏省农业科学院畜牧研究所提供。

1.2 试验地概况和设计

试验地位于江苏省农业科学院内，地处北纬32°32′、东经118°48′，年均温15℃，最高温度39℃，最低温度－12℃，年降水量1000mm左右，无霜期220～240d。供试土壤属粘性马肝土，肥力中等，整个试验地肥力均匀。前一年秋季收割后在大棚内越冬的象草和杂交狼尾草于2011年5月11日分株移栽，小区面积8m2，每小区种植36株，行距40cm，株距50cm，每小区间隔80cm，随机区组排列，每一品种重复种植5个小区。

1.3 采样及样品处理

分别于2011年8月2日（移栽后83d）、9月2日（移栽后114d）和10月31日（移栽后173d）随机选取小区刈割，所取样品均为第1次刈割，刈割留茬高度为10～15cm。植株叶片和茎秆（含叶鞘）分离后，105℃杀青30 min，70℃烘干至恒重，称量。

1.4 测定项目和方法

将各器官烘干称重，计算叶茎比。烘干的茎和叶分别粉碎，过80目筛（筛孔尺寸0.18mm），冷却后于密封袋中保存，待进一步分析。CEL（cellulose，纤维素）、HMC（hemicellulose，半纤维素）和 ADL（acid detergent lignin，酸性木质素）采用范氏洗涤纤维法测定［18］。

1.5 生物量计算

木质纤维素乙醇产量（L/hm2）＝（CEL＋HMC）%×1.11（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）×0.85（糖转化为乙醇的过程效率）×1000/0.79（乙醇比重g/mL）［19］。

1.6 数据处理

对3个不同生长阶段两品种间的差异显著性，运用SPSS 16.0软件中的双因素方差分析（two－way ANOVA），选择S－N－K均数比较法（Student－Newman－Keuls’means test），分别在P＝0.05和P＝0.01水平上进行多重比较分析。

2 结果与分析

2.1 两供试品种叶和茎中CEL含量随生长天数的变化

移苗后83d，苏牧2号象草叶中CEL含量显著高于杂交狼尾草（P＜0.01），二者分别为51.23%和43.46%；两品种茎中CEL含量分别为44.10%和41.94%，无显著差异。移苗后114d，苏牧2号象草无明显变化，杂交狼尾草叶中CEL含量显著增加至56.67%（P＜0.01）；两品种茎中CEL含量均显著降低（P＜0.01）。与移苗后114d相比，移苗后173d两品种叶中CEL含量均显著降低（P＜0.01），茎中CEL含量无明显变化。总体上，不同生长阶段两品种叶中CEL含量明显高于茎；随着生长时间的延长，两品种茎、叶中CEL含量逐渐减少，早期（移苗后83d）苏牧2号象草叶中CEL含量显著高于杂交狼尾草（P＜0.01），二者茎组织CEL含量无显著差异，但从移苗后114d起，苏牧2号象草茎（P＜0.05）和叶（P＜0.01）中CEL含量均显著低于杂交狼尾草（表1，表2）。

表1 象草和杂交狼尾草不同生长阶段叶中CEL含量Table 1 The CEL content of leaves at different growth stages in EG and HP %DM

表2 象草和杂交狼尾草不同生长阶段茎中CEL含量Table 2 The CEL content of stems at different growth stages in EG and HP %DM

2.2 两供试品种叶和茎中HMC含量随生长天数的变化

移苗后83d，苏牧2号象草叶中HMC含量显著高于杂交狼尾草（P＜0.01），二者茎组织HMC含量无显著差异。移苗后114d，两品种叶中HMC含量均显著降低（P＜0.01），茎中HMC含量均显著增加（P＜0.01）。移苗后173d，与移苗后114d相比，两品种叶中HMC含量均显著增加（P＜0.01），苏牧2号象草茎中HMC含量显著增加（P＜0.01），而杂交狼尾草显著降低（P＜0.01）。总体上，不同生长阶段，两品种叶中HMC含量明显低于茎，苏牧2号象草叶中HMC含量均显著高于杂交狼尾草（P＜0.01）；随着生长时间的延长，两品种茎中HMC含量呈增加趋势，移苗后114和173d时苏牧2号象草茎中HMC含量均显著高于杂交狼尾草（P＜0.01）（表3，表4）。

2.3 两供试品种叶和茎中ADL含量随生长天数的变化

移苗后83d，苏牧2号象草叶中ADL含量显著低于杂交狼尾草（P＜0.01），二者茎组织ADL含量无显著差异。移苗后114d，两品种叶中ADL含量均显著降低（P＜0.01），而茎中ADL含量均显著增加（P＜0.05）。移苗后173d，与移苗后114d时相比，苏牧2号象草叶中ADL含量显著增加，而杂交狼尾草显著降低（P＜0.01），两品种茎中ADL含量无显著变化。移苗后83～114d，苏牧2号象草叶中ADL含量均显著低于杂交狼尾草（P＜0.01），而移苗后173d，苏牧2号象草叶中ADL含量显著高于杂交狼尾草（P＜0.05）。随着生长时间的延长，两品种茎中ADL含量均逐渐增高，移苗后114～173d，苏牧2号象草茎中ADL含量明显高于杂交狼尾草（P＜0.05）（表5，表6）。

表3 象草和杂交狼尾草不同生长阶段叶中HMC含量Table 3 The HMC content of leaves at different growth stages in EG and HP %DM

表4 象草和杂交狼尾草不同生长阶段茎中HMC含量Table 4 The HMC content of stems at different growth stages in EG and HP %DM

表5 象草和杂交狼尾草不同生长阶段叶中ADL含量Table 5 The ADL content of leaves at different growth stages in EG and HP %DM

表6 象草和杂交狼尾草不同生长阶段茎中ADL含量Table 6 The ADL content of stems at different growth stages in EG and HP %DM

2.4 两供试品种叶和茎细胞壁各组分总量随生长天数的变化

随着生长时间的延长，两品种含水量逐渐降低，茎叶比和干物质产量逐渐增加。移苗后83～114d，苏牧2号象草和杂交狼尾草两品种含水量逐渐降低，茎叶比稳定，茎和叶产量稳步增加；干物质产量二者无明显差异（P＞0.05）。移苗后114～173d，象草含水量缓慢减少，杂交狼尾草含水量显著减少（P＜0.05）；两品种茎叶比均迅速增加，叶产量稳步增加，而茎产量急剧增加，杂交狼尾草茎的生长最为显著（P＜0.01），此阶段杂交狼尾草干物质产量显著高于象草（P＜0.01）（表7）。

随着生长时间的延长，两品种CEL、HMC和ADL总量逐渐增加。移苗后83～114d，苏牧2号象草和杂交狼尾草茎和叶组织中CEL、ADL总量无显著差异（P＞0.05）；HMC主要集中在茎组织中；两品种间细胞壁各组分总量无显著差异（P＞0.05）。移苗后114～173d，两品种细胞壁各组分总量急剧增加，增加的产量更多来源于茎组织；两品种间HMC和ADL总量无明显差异，杂交狼尾草中CEL总量明显高于苏牧2号象草（P＜0.01）（表7）。

2.5 两供试品种纤维素和半纤维素乙醇理论产量随生长天数的变化

随着生长时间的延长，两品种来源于茎和叶组织的总乙醇产量（TCEY）逐渐增加，变化范围为1300～16347 L/hm2；移苗后114d，苏牧2号象草和杂交狼尾草TCEY分别是移苗后83d的4.0和4.5倍；移苗后174d，苏牧2号象草和杂交狼尾草TCEY分别是移苗后83d的10.38和12.29倍；杂交狼尾草的乙醇产量增长幅度显著高于象草（P＜0.01）。移苗后83d，TCEY为1300～1440L/hm2，象草略高于杂交狼尾草（P＞0.05）；移苗后114d，TCEY为5758～5852L/hm2，象草略小于杂交狼尾草（P＞0.05）；移苗后173d，TCEY 显著增加至14943～16347L/hm2，象草明显低于杂交狼尾草（P＜0.01）。3个不同生长阶段，来源于叶组织的乙醇产量为577～3587L/hm2，各阶段象草均略高于杂交狼尾草。大部分的乙醇来源于茎，移苗后83～114d，来自于象草和杂交狼尾草茎组织的乙醇产量占总乙醇产量的54.10%～57.26%，两品种无明显差异；移苗后173d，这一指标上升至76.00%～78.97%，杂交狼尾草显著高于象草（表8）。

3个不同的生长阶段，象草和杂交狼尾草中来源于纤维素的乙醇分别占TCEY的48.00%～78.40%和60.97%～78.08%；随着生长时间的延长，两品种中其所占比例逐渐降低；生长114～173d，杂交狼尾草中的纤维乙醇产量显著高于象草。相反，移苗后83～173d，来源于半纤维的乙醇所占比例逐渐升高（21.53%～52.00%）；而且茎是半纤维素最重要的储存组织，移苗后114～173d，其半纤维素乙醇产量占总半纤维乙醇的比例高达88.19%～94.66%；不同时期象草中半纤维乙醇产量均高于杂交狼尾草（表8）。

表7 象草和杂交狼尾草不同生长阶段细胞壁组分的总量Table 7 Changes in yield of cell wall components of leaves and stems at different growth stages in EG and HP

表8 象草和杂交狼尾草不同生长阶段纤维素和半纤维素理论乙醇产量Table 8 Changes in calculated ethanol yields（CEY）from cellulose and hemicellulose of leaves and stems at different growth stages in EG and HP L/hm2

3 讨论与结论

大量研究表明植物细胞壁组分与木质纤维素类生物质乙醇转化效率密切相关［15－17］。木质纤维素类能源植物的生物产量、细胞壁组分及相应的生物质乙醇产量随生长发育动态变化，了解其变化规律，可为能源植物的适时刈割利用提供必要的科学依据，具有重要的理论价值和实践意义，但相关研究报道尚少。最近，Godin等［20］分析报道了芒草（Miscanthus×giganteus），柳枝稷，纤维高粱（Sorghumbicolor），纤维玉米（Zeamays），高羊茅（Festucaarundinacea）等多种能源植物不同收获期的化学组分和生物质能源转化潜能。本研究探讨了苏牧2号象草和杂交狼尾草两品种细胞壁组分含量、总量和木质纤维素乙醇理论产量随生长的变化过程。

Sarath等［15］曾比较不同基因型柳枝稷的细胞壁组分和乙醇转化效率的相关性，研究表明，木质素含量是影响乙醇转化效率的关键因素，木质素含量越低，乙醇转化效率越高。Studera等［16］对1100份杨树（Populustrichocarpa）资源的木质素含量和乙醇转化效率的相关性分析也证实了这一推论。Serapiglia等［21］对不同基因型灌木柳（Salixspp.）的研究表明纤维素含量越高，木质纤维素乙醇转化效率越高。近年来大量植物基因工程研究也报道提高木质纤维素生物质原料中的纤维素含量、降低其木质素含量可以显著提高其乙醇转化效率［22－23］。我们的研究发现，随着生长天数的增加，苏牧2号象草及其杂交种叶和茎中CEL含量逐渐降低，茎中ADL和HMC含量逐渐上升。早期（移苗后83d），杂交狼尾草叶中CEL含量低于象草，两品种茎中CEL含量无显著差异，移苗后114～173d，杂交狼尾草茎、叶中CEL含量显著高于象草。不同生长阶段，杂交狼尾草叶中HMC含量均显著低于苏牧2号象草，移苗后83d，两品种茎中HMC无显著差异，移苗后114～173d，杂交狼尾草茎中HMC含量显著低于象草；杂交狼尾草叶中ADL含量早中期（移苗后83～114d）高于象草，后期低于象草，不同生长阶段，杂交狼尾草茎中ADL含量均显著低于象草。因此，仅从生物质乙醇转化效率的角度考虑，两品种8月份（移苗后83d）的转化效率显著优于9、10月，早期（移苗后83d），苏牧2号象草转化效率优于杂交狼尾草，中后期（移苗后114～173d），杂交狼尾草转化效率优于苏牧2号象草。

除细胞壁组成，生物质产量也是影响木质纤维素类生物质能源利用潜力的关键因素［24］。Godin等［20］的研究表明芒草、柳枝稷、纤维高粱、纤维玉米、高羊茅等多种能源植物在秋季收获具有最大的生物能源产出，虽然此阶段这些植物的细胞壁组成并非最佳时期，但由于干物质产量达到最高，一定程度上补偿细胞壁品质的降低。我们的研究也呈相似的规律。在南京地区，象草早期生长迅速，而杂交狼尾草在移苗后的前期和中期（移苗后83～114d）长势较象草差，后期（移苗后114～173d），杂交狼尾草杂种优势明显，长势显著优于象草。随着生长天数的增加，两品种细胞壁木质素含量逐渐增加，纤维素含量逐渐降低，但细胞壁各组分总量和TCEY均逐渐增加，而且两品种来源于茎的乙醇产量占TCEY的比例逐渐增加。移苗后114和173d，两品种乙醇产量分别是移苗后83d的4.0～4.5倍和10.38～12.29倍，杂交狼尾草的乙醇产量增长幅度显著高于象草。移苗后83d，两品种细胞壁各组分总量和TCEY无显著差异，随着生长的延长，杂交狼尾草中CEL总量以及来源于CEL的乙醇理论产量显著高于象草，其HMC总量以及来源于HMC的乙醇理论产量和ADL总量显著低于象草。

因此，综合考虑乙醇转化效率和生物质产量因素，在中后期（移苗后114～173d），杂交狼尾草生物质能的利用潜力优于苏牧2号象草。同时，杂交狼尾草可有效解决象草结实率极低，不能种子繁殖的难题，这为高效低成本产业化种植和应用奠定了良好基础［10］，使其更适合于大面积推广。另外，同一地区大面积推广单一品种会降低品种抗病虫害和抵御不良环境的能力，并易在大范围内引发新的灾害而影响生产的稳定性［25］，因此可以在同一地区同时大面积种植苏牧2号象草和杂交狼尾草，苏牧2号象草多次刈割利用，杂交狼尾草生长后期一次性刈割利用。这样既能避免品种单一的潜在风险，又充分发挥苏牧2号象草早期生长迅速、生物质乙醇转化效率高以及杂交狼尾草后期生物产量高的品种优势，同时避免了生物质原料收获期过度集中，延长了原料的收获期，减少原料收获压力和贮存成本。

已有研究报道刈割频次对象草和杂交狼尾草饲用品质的影响［26－27］，还未见刈割对象草和杂交狼尾草能源利用潜力影响的相关研究，今后我们将进一步开展这方面的研究。同时目前我们仅对苏牧2号象草和杂交狼尾草的乙醇理论产量进行了预测和比较，这可能与实际的生产有一定的差异，今后我们将进一步开展象草和杂交狼尾草乙醇生产研究。

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