鹽堿地不同基因型甜高粱的能源品質(zhì)形成規(guī)律及其評價

蔡 雨，張永乾，劉吉利，吳 娜

(1.寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院，寧夏 銀川 750021； 2.寧夏大學(xué)環(huán)境工程研究院，寧夏 銀川 750021)

前植物生產(chǎn)層

鹽堿地不同基因型甜高粱的能源品質(zhì)形成規(guī)律及其評價

蔡 雨1，張永乾1，劉吉利2，吳 娜1

(1.寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院，寧夏 銀川 750021； 2.寧夏大學(xué)環(huán)境工程研究院，寧夏 銀川 750021)

為了探明鹽堿地不同甜高粱(Sorghumsaccharatum)品種能源品質(zhì)形成規(guī)律，并篩選出適宜該地生長且能源品質(zhì)較高的甜高粱品種，本研究通過田間試驗，利用相關(guān)的農(nóng)藝性狀和生理指標(biāo)，對龜裂堿土條件下生長的5個不同基因型甜高粱的能源品質(zhì)進(jìn)行綜合評價。結(jié)果表明,龜裂堿土條件下，不同基因型甜高粱莖稈中的可溶性糖含量及糖產(chǎn)量隨生育進(jìn)程推進(jìn)呈增加趨勢，其中開花后前20 d是甜高粱糖分大量積累的時期。ZNH18和ZNH07可溶性糖含量及糖產(chǎn)量均較高，其次為ZNH12，ZNH05和CT-2較低；不同基因型甜高粱莖稈纖維素和半纖維素含量和產(chǎn)量隨生育進(jìn)程推進(jìn)呈下降趨勢，木質(zhì)素含量和產(chǎn)量呈增加趨勢，但各時期ZNH18和ZNH07的木質(zhì)纖維素各組分含量均呈現(xiàn)出一定優(yōu)勢。此外，在龜裂堿土條件下，ZNH18和ZNH07能夠獲得較高的生物產(chǎn)量和籽粒產(chǎn)量。因此，甜高粱ZNH18和ZNH07能夠較好地適應(yīng)龜裂堿土環(huán)境，其糖產(chǎn)量、纖維產(chǎn)量和生物產(chǎn)量均較高，是適于該環(huán)境種植的優(yōu)良基因型。

龜裂堿土；甜高粱；木質(zhì)纖維素；可溶性糖含量；糖產(chǎn)量

甜高粱(Sorghumsaccharatum)是粒用高粱的一個變種，是近年來新興的一種飼用作物和能源作物[1-2]。由于甜高粱具有生物產(chǎn)量高、抗逆性強(qiáng)、糖量高、適口性好、乙醇轉(zhuǎn)化率高等優(yōu)點，廣泛用于制糖、飼用、生物燃料生產(chǎn)和造紙等方面[3-4]。此外，以甜高粱為能源作物發(fā)展生物質(zhì)能源對緩解能源危機(jī)、減輕環(huán)境污染、增加農(nóng)民收入具有重要意義[5]。其作為能源作物在鹽堿地上種植，符合“不與人爭糧，不與糧爭地”的原則[6]。其莖稈富含非結(jié)構(gòu)性碳水化合物(蔗糖、葡萄糖及果糖)和結(jié)構(gòu)性碳水化合物(纖維素和半纖維素)，每公頃甜高粱經(jīng)過發(fā)酵可生產(chǎn)無水乙醇5 800～6 500 L，比單位面積甘蔗(Saccharumofficinarum)生產(chǎn)的無水乙醇量高出20%～30%，對于保證糧食安全和制取燃料乙醇等方面都具有非常廣闊的發(fā)展前景[7]。

目前，關(guān)于甜高粱莖稈的含糖量以及變化規(guī)律的研究較多[8-10]，關(guān)于纖維素含量的研究較少。以往對甜高粱的研究多著眼于飼料作物開發(fā)利用，以及作為能源作物生產(chǎn)乙醇工藝方面，而對甜高粱的能源品質(zhì)的研究較少[11-14]。甜高粱的原料生產(chǎn)或乙醇制備都對其品種、種植管理、收獲有著嚴(yán)格的要求，有許多專家[15-17]對我國現(xiàn)有不同來源的多個甜高粱品種進(jìn)行了比較，得出了甜高粱的主要形態(tài)指標(biāo)和農(nóng)藝性狀存在遺傳多樣性的結(jié)論，認(rèn)為品種對產(chǎn)量影響顯著。除產(chǎn)量外，不同品種甜高粱的糖分和纖維含量等能源品質(zhì)也存在較大差異，尤其是鹽堿地種植條件下甜高粱能源品質(zhì)形成規(guī)律研究較少。本研究在龜裂堿土條件下，通過田間試驗研究不同基因型甜高粱莖稈中可溶性糖含量和產(chǎn)量、木質(zhì)纖維素含量和產(chǎn)量及生物和籽粒產(chǎn)量的差異形成規(guī)律，旨在為寧夏鹽堿地及同類地區(qū)甜高粱種植和品種篩選提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗采用5個不同基因型的甜高粱，分別為CT-2、ZNH05、ZNH07、ZNH12、ZNH18，均由中國農(nóng)業(yè)大學(xué)非糧生物質(zhì)原料研發(fā)中心提供。

1.2 試驗設(shè)計

試驗于2015年4月-10月在寧夏大學(xué)西大灘試驗站進(jìn)行，試驗地塊為典型龜裂堿土，土壤pH 9.25，全鹽3.17 g·kg-1，堿化度22.8%,有機(jī)質(zhì)9.1 g·kg-1，堿解氮22.3 mg·kg-1，速效磷7.5 mg·kg-1，速效鉀173.6 mg·kg-1。采用隨機(jī)區(qū)組試驗設(shè)計，重復(fù)3次。小區(qū)長8 m，寬3.6 m(6行區(qū))，行距60 cm，株距30 cm。2015年4月21日播種，播種前施用磷肥90 kg·hm-2(磷酸二銨)和鉀肥100 kg·hm-2(硫酸鉀)作基肥，拔節(jié)期追施N肥120 kg·hm-2(尿素)，其他管理同一般生產(chǎn)田。

1.3 測定指標(biāo)與方法

1.3.1 莖稈含糖量、纖維素組成等品質(zhì)指標(biāo)測定 于開花當(dāng)天和開花后20、40 d，取植株莖稈混合樣烘干粉碎，用于測定可溶性糖、纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的含量?？扇苄蕴呛坎捎幂焱壬╗18]測定，纖維素、半纖維素和木質(zhì)素含量采用凡氏洗滌法[19]測定。

1.3.2 產(chǎn)量的測定 成熟期實收測產(chǎn)，分別測定各處理的生物產(chǎn)量和籽粒產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析方法

采用SAS 8.2軟件進(jìn)行方差分析，其它分析在Microsoft Excel中完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同基因型甜高粱莖稈可溶性糖含量

甜高粱可溶性糖主要貯存于莖稈中，莖稈的含糖量是一個重要的經(jīng)濟(jì)性狀。龜裂堿土條件下，不同基因型甜高粱莖稈中的可溶性糖含量開花后均迅速增加(圖1)。開花期和花后40 d甜高粱各品種莖稈可溶性糖含量變幅由15.19%～25.36%增加到28.01%～41.23%，且ZNH18、ZNH12和ZNH07顯著高于ZNH05和CT-2(P<0.05)?；ê?0 d，ZNH18莖稈可溶性糖含量最高，分別比ZNH07和CT-2高20.3%和30.3%。

2.2 不同基因型甜高粱莖稈糖產(chǎn)量

開花后甜高粱莖稈糖產(chǎn)量隨生育進(jìn)程推進(jìn)呈增加趨勢(圖2)，且開花期至花后20 d糖產(chǎn)量的增加量大于花后20 d至40 d的增加量，花后20 d糖產(chǎn)量已占到總糖產(chǎn)量的79.5%～90.6%，由此可見，花后前20 d是甜高粱糖分大量積累的時期。 花后40 d，各基因型甜高粱莖稈糖產(chǎn)量差異顯著，其中ZNH18和ZNH07糖產(chǎn)量較高，其次為ZNH12，ZNH05和CT-2糖產(chǎn)量最低，這與可溶性糖含量變化基本一致。

圖1 不同基因型甜高粱可溶性總糖含量Fig.1 Soluble total sugar content of different genotypes of sweet sorghum

注：不同小寫字母表示同一測定時期不同基因型間差異顯著(P<0.05)。下同。

Note: Different lower case letters indicate significant difference among different genotypes at the same measurement time at the 0.05 level. The same below.

2.3 不同基因型甜高粱莖稈木質(zhì)纖維素含量

龜裂堿土條件下，甜高粱開花后莖稈纖維素和半纖維素含量均呈下降的趨勢(圖3)，且纖維素含量高于半纖維素含量；相反，開花期至開花后40 d，甜高粱莖桿木質(zhì)素含量呈增加趨勢。各基因型甜高粱間莖稈纖維素和半纖維素含量差異不顯著，ZNH18和ZNH07呈現(xiàn)出一定優(yōu)勢。木質(zhì)素含量在ZNH12和ZNH05間差異不顯著，其它基因型間差異顯著，花后40 d，ZNH18的木質(zhì)素含量最高，達(dá)到26 g·kg-1，分別比ZNH07和CT-2高13.1%和44.4%。

2.4 不同基因型甜高粱莖稈木質(zhì)纖維素產(chǎn)量

龜裂堿土條件下，甜高粱開花后莖稈纖維素、半纖維素和木質(zhì)素產(chǎn)量與其含量變化趨勢基本一致(表2)，纖維素和半纖維素產(chǎn)量呈下降的趨勢，木質(zhì)素含量呈增加趨勢。不同基因型甜高粱莖稈纖維素和半纖維素產(chǎn)量在開花期最大，開花后40 d最??；木質(zhì)素產(chǎn)量則是開花后40 d最大，開花期最小。方差分析結(jié)果表明，各基因型甜高粱間莖稈纖維素、半纖維素和木質(zhì)素產(chǎn)量差異顯著，ZNH18和ZNH07的3種物質(zhì)產(chǎn)量均顯著高于其它品種。其中開花后40 d，ZNH18的纖維素、半纖維素和木質(zhì)素產(chǎn)量分別比CT-2高出56.3%、41.2%和89.3%。

圖2 不同基因型甜高粱糖產(chǎn)量Fig.2 Sugar production in different genotypes of sweet sorghum

2.5 不同基因型甜高粱的產(chǎn)量

龜裂堿土條件下，甜高粱生物產(chǎn)量和籽粒產(chǎn)量變化幅度較大(圖4)，且不同基因型間差異顯著，其中ZNH18生物產(chǎn)量最高，其次為ZNH07，CT-2生物產(chǎn)量最低；籽粒產(chǎn)量則是CT-2最高，ZNH18最低。這一結(jié)果表明生物產(chǎn)量高的基因型籽粒產(chǎn)量反而較低。

圖3 不同基因型甜高粱木質(zhì)纖維素含量Fig.3 Lignocellulose content of different genotypes of sweet sorghum表1 不同基因型甜高粱木質(zhì)纖維素產(chǎn)量(t·hm-2)Table 1 Lignocellulose production (t·hm-2) of different genotypes of sweet sorghum

測定時間Measurementtime指標(biāo)ItemCT-2ZNH05ZNH07ZNH12ZNH18開花flowering纖維素cellulose4.63±0.2d5.06±0.1c6.09±0.3a5.22±0.2b6.38±0.4a半纖維素hemicelluloses3.75±0.1c4.07±0.3c5.15±0.4a4.52±0.2b5.45±0.6a木質(zhì)素lignin0.23±0.01c0.31±0.02b0.41±0.01a0.31±0.01b0.49±0.02a花后20d20daysafterflowering纖維素cellulose4.01±0.2c4.66±0.3b5.41±0.5a4.61±0.4b5.73±0.2a半纖維素hemicelluloses2.91±0.2c2.62±0.1c3.84±0.3a3.35±0.2b4.00±0.1a木質(zhì)素lignin0.25±0.02d0.33±0.01c0.45±0.02b0.33±0.01c0.51±0.01a花后40d40daysafterflowering纖維素cellulose3.50±0.2d4.21±0.1c5.08±0.3b4.21±0.4c5.47±0.3a半纖維素hemicelluloses2.67±0.3b2.74±0.3b3.66±0.2a2.98±0.1b3.77±0.6a木質(zhì)素lignin0.28±0.01d0.35±0.02c0.45±0.01b0.37±0.02c0.53±0.02a

圖4 不同基因型甜高粱的產(chǎn)量Fig.4 Biological yield of different genotypes of sweet sorghum

3 討論

甜高粱可溶性糖主要貯存于莖稈中，莖稈的含糖量是衡量其品質(zhì)的重要參數(shù)，這對于生產(chǎn)乙醇和青貯飼料至關(guān)重要[20]。本研究表明，在龜裂堿土條件下，不同基因型甜高粱莖稈中可溶性糖含量及糖產(chǎn)量隨生育進(jìn)程推進(jìn)呈增加趨勢，并在花后40 d均達(dá)到高峰，且基因型間差異顯著，這與謝鳳周[10]、趙香娜等[16]的研究結(jié)果基本一致。其中在花后40 d，ZNH18和ZNH07糖產(chǎn)量較高，其次為ZNH12，ZNH05和CT-2糖產(chǎn)量較低。此外，籍貴蘇等[9]研究表明，甜高粱莖稈含糖量一般在11%～21%，多數(shù)品種在14%，這與本研究的結(jié)論相吻合。

環(huán)境脅迫對植物木質(zhì)纖維素含量有一定影響[21]，在纖維素乙醇制備過程中，纖維素、半纖維素含量越高，木質(zhì)素含量越低，乙醇產(chǎn)率越高[22]。本研究表明，在龜裂堿土中種植甜高粱，開花后其莖稈纖維素和半纖維素含量和產(chǎn)量呈下降趨勢，木質(zhì)素含量和產(chǎn)量呈增加趨勢，這對纖維素乙醇生產(chǎn)可能會造成一定影響。這與能源作物柳枝稷(Panicumvirgatum)[23]、香根草(Vetiveriazizanioides)[24]、新疆地區(qū)甜高粱[25]的研究結(jié)果基本一致。本研究還表明，甜高粱莖稈的纖維素和半纖維素含量在郭歡間差異不顯著，但ZNH18和ZNH07的纖維素和半纖維素含量略高于其它品種。

甜高粱基因型是影響其生物質(zhì)產(chǎn)量的主要因素[26]。韓立樸等[20]研究表明，不同品種甜高粱產(chǎn)量存在差異。本研究結(jié)果表明，龜裂堿土中種植不同基因型甜高粱的產(chǎn)量差異較大，其中ZNH18生物產(chǎn)量最高，CT-2生物產(chǎn)量最低；籽粒產(chǎn)量則是CT-2最高，ZNH18最低。這與韓立樸等[20]的研究結(jié)果基本一致。甜高粱糖分累積受品種和環(huán)境因素影響較大，也與生育后期莖稈和穗“兩個庫”之間的競爭有關(guān)[27]，提高單位面積產(chǎn)糖量，主要是通過增加莖稈總收獲量來實現(xiàn)[28]。李振武等[29]也認(rèn)為，加強(qiáng)對莖稈鮮重的選擇可提高甜高粱品種產(chǎn)量，并能改進(jìn)莖稈錘度。本研究表明，不同基因型甜高粱生物產(chǎn)量高的籽粒產(chǎn)量反而較低，生物產(chǎn)量高的莖桿干物質(zhì)積累與分配比例較高，穗分配比例較低；而生物產(chǎn)量低的莖桿干物質(zhì)積累分配比例相對較低，穗干物質(zhì)積累與分配比例相對較高，這也符合優(yōu)質(zhì)甜高粱品種的選育目標(biāo)，有利于提高莖稈產(chǎn)量和糖產(chǎn)量。在鹽堿地條件下，如何通過科學(xué)的栽培管理發(fā)揮甜高粱良種的產(chǎn)量潛力和品質(zhì)潛力還有待于進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

龜裂堿土條件下，不同基因型甜高粱莖稈中的可溶性糖含量及糖產(chǎn)量隨生育進(jìn)程推進(jìn)呈增加趨勢，開花后前20 d是甜高粱糖分大量積累的時期。ZNH18和ZNH07糖產(chǎn)量較高，ZNH05和CT-2糖產(chǎn)量較低，甜高粱開花后莖稈纖維素和半纖維素含量和產(chǎn)量呈下降的趨勢，木質(zhì)素含量和產(chǎn)量呈增加趨勢。ZNH18和ZNH07的纖維素、半纖維素和木質(zhì)素產(chǎn)量均顯著高于其它品種(系)。因此，甜高粱ZNH07和ZNH18的耐鹽堿能力較強(qiáng)，能夠適應(yīng)龜裂堿土環(huán)境，并表現(xiàn)良好，獲得較高的生物產(chǎn)量和糖產(chǎn)量以及纖維產(chǎn)量，是適于寧夏龜裂堿土種植的優(yōu)良基因型。

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(責(zé)任編輯 張瑾)

Evaluation of the regularity of energy formation of sweet sorghum in saline-alkali soils

Cai Yu1, Zhang Yong-qian1, Liu Ji-li2, Wu Na1

(1.College of Agronomy, Ningxia University, Yinchuan 750021, China;2.Institute of Environmental Engineering, Ningxia University, Yinchuan 750021, China)

To determine the quality of sweet sorghum energy in saline-alkali soil, and to select the appropriate growth for the area and higher quality energy varieties, a field test was conducted to evaluate the agronomic traits and physiological indexes of sweet sorghum related to the comprehensive evaluation of five different genotypes of sweet sorghum grown in cracking alkali soil. The results showed that under the condition of cracking alkali soil, soluble sugar content and sugar yield of stems of different varieties of sweet sorghum increased with growth, during which the accumulation of large amounts of sugar occurred during the first 20 days after flowering. Soluble sugar content and sugar yield were higher in ZNH18 and ZNH07, followed by ZNH12, and were lowest in ZNH05 and CT-2. Stalk cellulose and hemicellulose content and yield in the genotypes of sweet sorghum decreased with growth. Lignin and yield showed an increasing trend; however, Ligno cellulose content of each component showed some advantages in ZNH18 and ZNH07. In addition, in cracking alkali soil, ZNH18 and ZNH07 could obtain higher grain and biological yield. Therefore, sweet sorghum ZNH18 and ZNH07 could better adapt to cracking alkali soil, with higher sugar, biological, and fibre yield. As such, these are excellent genotypes that are suitable for planting in this environment.

saline-alkali soil; sweet sorghum; lignin; soluble sugar content; sugar output

Wu Na E-mail:nawu2000@163.com

10.11829/j.issn.1001-0629.2016-0177

2016-04-07 接受日期：2016-07-13

國家自然科學(xué)基金(31560361)

蔡雨(1991-)，男，山東蒙陰人，在讀碩士生，主要從事作物栽培生理研究。E-mail: 991588456@qq.com

吳娜(1980-)，女，山東桓臺人，副教授，博士，主要從事作物栽培學(xué)與耕作學(xué)教學(xué)與科研。E-mail: nawu2000@163.com

S514.01;Q945.78

A

1001-0629(2017)1-0003-06*

蔡雨,張永乾,劉吉利,吳娜.鹽堿地不同基因型甜高粱的能源品質(zhì)形成規(guī)律及其評價.草業(yè)科學(xué),2017,34(1)：3-8.

Cai Y,Zhang Y Q,Liu J L,Wu N.Evaluation of the regularity of energy formation of sweet sorghum in saline-alkali soils.Pratacultural Science，2017,34(1)：3-8.