劉割間隔對(duì)王草農(nóng)藝性狀和纖維素乙醇生產(chǎn)的影響

中圖分類號(hào)：S543.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0435（2025）07-2407-06

doi：10.11733/j.issn.1007-0435.2025.07.035

引用格式：，等.刈割間隔對(duì)王草農(nóng)藝性狀和纖維素乙醇生產(chǎn)的影響[J].草地學(xué)報(bào)，2025，33（7）：2407一 2412 GUO Xiang，ZHANG Teng-fei，TIAN Jing，et al.Effects of Cuting Intervals on Agronomic Traits and Cellulosic Ethanol Production of King Grass[J].Acta Agrestia Sinica，2025，33（7） ：2407-2412

Effects of Cutting Intervals on Agronomic Traits and Cellulosic Ethanol Production of King Grass

GUO Xiang，ZHANG Teng-fei，TIAN Jing，ZHANG Jian-guo* （ColegeoforestryandLandscaperchitectureouthinaAgriculturalUniversityuangzhouangdongProvince64ina）

Abstract： In order to improve the yield and ethanol production capacity of‘Reyan No.4’ king grass（Pennisetum purpureum ×P . americanum cv. ‘Reyan No. ），the optimum cutting intervals were studied. In this paper，king grass was used as the experimental material to studythe effects of different cuting intervals （2，3， 4，6 and l2 months）on agronomic traits and celulosic ethanol production.The results showed that the total yields of fresh matter （FM），dry matter（DM），and ethanol of king grassat the 6-month cutting interval was significantly higher than those at other cutting intervals ?Plt;0.05 ），reached 328.29t?hm^-2FN I， 86.08t?hm^-2 DM，and 15.18t?hm^-2 ，respectively. The longer the cutting interval， the larger the dry matter rate，average plant height and stem diameter，the more the cellulose，hemicellulose，and lignin content，while the average tillering number，ash content，adsorbed water content，lignin removal rate，dry base weight loss rate of enzymatic hydrolysis，enzymatic hydrolysis rate，ethanol concentration，and ethanol conversionrate decreased gradually. In summary，the yields of king grassand ethanol with a6-month cuting interval were the best，which provides a reference for the industrial application of king grass in producing cellulosic ethanol.

Key words：King grass;Cutting intervals;Agronomic traits;Cellulosic ethanol

隨著全球人口增長(zhǎng)，糧食和能源日益短缺，利用植物秸稈生產(chǎn)燃料乙醇成為了緩解糧食危機(jī)、能源危機(jī)及環(huán)境問題的有效策略之一[1-3]。乙醇是可再生綠色能源，其燃燒產(chǎn)生的污染小、便于運(yùn)輸和貯藏且價(jià)格低廉[4]。早期的乙醇生產(chǎn)主要依賴于玉米（ZeamaysL.）小麥（TriticumaestiuumL.）等糧食作物，導(dǎo)致了與民爭(zhēng)地爭(zhēng)糧的問題，因此生產(chǎn)非糧燃料乙醇刻不容緩。利用纖維素材料如水稻、玉米、小麥等秸稈以及其他植物纖維來生產(chǎn)生物質(zhì)能源乙醇[5]，不僅清潔高效，而且在實(shí)現(xiàn)資源的綜合利用、治理農(nóng)業(yè)污染、減少溫室氣體排放以及提高農(nóng)民收入方面發(fā)揮著重要作用[6-8]。

能源草是指可以作為燃料的草本植物和灌木的總稱，主要包括王草（Pennisetumpurpureum ×P americanum）象草 （P ：purpureum Schumach.）、蘆竹（ArundodonaxL.）柳枝稷（PanicumvirgatumL.）等禾本科多年生高大叢生的草本植物[9-10]。熱研4號(hào)’王草是由中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院熱帶作物品種資源研究所熱帶牧草研究中心1998年育成的新品種，以象草和美洲狼尾草（ ?P ：americanum）雜交育成。由于王草保水固土、適應(yīng)性和抗逆性能力強(qiáng)，近年來在我國(guó)得到廣泛種植，展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用潛力[11-12]。材料中的纖維素、半纖維素以及木質(zhì)素等高分子成分相互結(jié)合，組成了植物組織的保護(hù)屏障，難以被直接利用生產(chǎn)纖維素乙醇。因此，纖維素乙醇生產(chǎn)中首先采用有效的物理化學(xué)預(yù)處理來打破這種屏障，然后利用纖維素酶將預(yù)處理后的木質(zhì)纖維素降解成可發(fā)酵性單糖，再通過微生物技術(shù)將可發(fā)酵性單糖轉(zhuǎn)化成乙醇或其他液體燃料[13]。

劉割間隔是指按照固定的間隔來收獲牧草的一種刈割方式。研究表明，刈割間隔對(duì)能源草的生長(zhǎng)、產(chǎn)量、品質(zhì)和用途等方面的指標(biāo)均具重要影響[14]。頻繁刈割會(huì)導(dǎo)致能源草產(chǎn)量降低，而適當(dāng)?shù)膭⒏铋g隔可以增加生物量和乙醇產(chǎn)量，是實(shí)現(xiàn)能源草高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)的重要手段[15]。本研究所用材料王草的研究多集中于其飼用特性，如產(chǎn)量、青貯、營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)等方面。迄今為止，國(guó)內(nèi)外針對(duì)王草能源性指標(biāo)以確定其最佳刈割間隔的研究尚未見報(bào)道。因此，本研究通過探討劉割間隔對(duì)‘熱研4號(hào)'王草農(nóng)藝性狀和纖維素乙醇生產(chǎn)的影響，進(jìn)而確定最佳刈割間隔，旨在提高‘熱研4號(hào)'王草增產(chǎn)以及高效利用的潛力，從而為熱帶地區(qū)‘熱研4號(hào)'王草高效生產(chǎn)和利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地

‘熱研4號(hào)'王草種植于華南農(nóng)業(yè)大學(xué)增城教學(xué)科研試驗(yàn)基地 （23.24^°N，113.64^°E） 。試驗(yàn)?zāi)?012年年平均氣溫21. 8^°C ，年總降雨量 1847.3mm ，與常年持平，年日照日數(shù) 1547.4h ，較于往年偏少。該地王壤屬赤紅壤，王層較深厚，呈強(qiáng)酸性。

1. 2 王草種植管理

試驗(yàn)采用單芽種植，2012年2月29日定植，每次刈割后酌情清除雜草，每公頃施復(fù)合肥 225kg （N，P，K含量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為 15%） ，田間管理?xiàng)l件一致。試驗(yàn)采用單因子隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，共設(shè)5個(gè)處理：劉割間隔分別為2，3，4，6，12個(gè)月。每個(gè)處理設(shè)3個(gè)重復(fù)，共15個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)面積為 14m²（4m× 種42株（7行 ×6 株）。當(dāng)達(dá)到設(shè)定時(shí)間進(jìn)行劉割，留茬高度為 10cm ，劉割時(shí)測(cè)定株高、分藥數(shù)、莖粗和小區(qū)產(chǎn)量。不同刈割間隔王草收獲的具體時(shí)間、次數(shù)見表1。

1.3 農(nóng)藝性狀測(cè)定

株高、莖粗和分蘗測(cè)定于每次劉割后，選擇單叢王草進(jìn)行產(chǎn)量測(cè)定，9次重復(fù)，稱鮮重后將樣品帶回實(shí)驗(yàn)室內(nèi)， 65^°C 烘干 48h 后測(cè)風(fēng)干物含量。風(fēng)干樣在 105^°C 烘箱烘干 2～3h 后取出，放入干燥器中冷卻 30min ，再重復(fù)烘干1h，待兩次稱重小于 0.002g 時(shí)，即為恒重，失去的重量為吸附水含量。采用vanSoest法[16分析中性洗滌纖維、酸性洗滌纖維和酸性洗滌木質(zhì)素含量，半纖維素含量為中性洗滌纖維和酸性洗滌纖維含量的差，纖維素含量為酸性洗滌纖維和酸性洗滌木質(zhì)素含量的差，灰分的測(cè)定采用灼燒法[17]

1.4 乙醇轉(zhuǎn)化測(cè)定

1.4.1預(yù)處理方法本實(shí)驗(yàn)采用的預(yù)處理方法為氫氧化鈉預(yù)處理法，按照質(zhì)量分?jǐn)?shù)配制 2% 氫氧化鈉溶液，溫度 90^°C ，固液比1：10條件下處理 2h 。處理完成后，測(cè)定殘?jiān)母芍睾屠w維成分。

1.4.2酶解方法經(jīng)預(yù)處理的原料用蒸餾水沖洗至中性， 105^°C 烘干后用于纖維素酶水解試驗(yàn)。準(zhǔn)確稱取 1.0g 烘干樣、一定量的纖維素酶（購于sigma公司）和檸檬酸緩沖液 （pH4.8） 于 50mL 錐形瓶中，并加入四環(huán)素 （40g?mL^-1） 和放線菌酮 （30g?mL^-1） 以防止在酶解過程被微生物污染，錐形瓶用橡皮塞塞好，以防止酶解過程中酶解液損失。每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)，將錐形瓶放入搖床中， 50^°C，150r?min^-1 酶解 48h 。酶解結(jié)束后將酶解液用砂芯漏斗過濾，采用3，5-二硝基水楊酸比色法（DNS法）測(cè)定酶解液中的還原糖濃度，根據(jù)葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)曲線進(jìn)行對(duì)照分析后計(jì)算酶解率[18]，公式如下：

1.4.3同步糖化發(fā)酵方法將 1.0g 牧草樣品倒入 50mL 微型發(fā)酵罐瓶中，在氫氧化鈉預(yù)處理后用稀硫酸中和，加入 2mL 的酵母液（S.Cerevisiae，購于廣東省微生物所），然后加入一定量溶于檸檬酸鈉緩沖液（pH值4.8）的纖維素酶酶液，固液比為1：20。用同步糖化發(fā)酵工藝，在 35^°C，120r?min^-1 酶解

72h 。發(fā)酵結(jié)束后，采用氣相色譜法測(cè)定乙醇濃度，色譜系統(tǒng)為 HP6890 SeriesGCSystem，色譜柱為PEG-2OMcolumn，色譜條件參照Bvochora等[19]的方法。乙醇轉(zhuǎn)化率為1.0g王草干物質(zhì)經(jīng)預(yù)處理和同步糖化發(fā)酵后，所得的乙醇質(zhì)量除以王草的干重。最后通過乙醇轉(zhuǎn)化率與王草產(chǎn)量計(jì)算出不同劉割間隔期王草最終的乙醇總產(chǎn)量。計(jì)算公式如下：

乙醇總產(chǎn)量 = 乙醇轉(zhuǎn)化率 x 王草干重

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

采用Excel和SPSS26.0軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，運(yùn)用Turkey法進(jìn)行處理間多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1刈割間隔對(duì)王草農(nóng)藝性狀的影響

2.1.1刈割間隔對(duì)產(chǎn)量的影響隨著刈割間隔的延長(zhǎng)，除12個(gè)月劉割間隔外，不同刈割間隔的鮮草總產(chǎn)量和干草總產(chǎn)量均顯著上升 （Plt;0.05） 。劉割間隔為6個(gè)月時(shí)所收獲的鮮草和干草總產(chǎn)量最高，分別達(dá)到了 328.29t?hm^-2FI M和 是總產(chǎn)量最低時(shí)的2.50倍和4.21倍。干物質(zhì)含量最高為12個(gè)月劉割間隔，其次是6個(gè)月間隔，最低為2個(gè)月間隔（表2）。

2.1.2刈割間隔對(duì)王草株高、莖粗和分藥的影響從2個(gè)月到12個(gè)月刈割間隔，株高增高，莖稈變粗，分蘗數(shù)降低 （Plt;0.05） 。其中2個(gè)月刈割間隔的第6次刈割期 （A₆） 的株高和莖粗最小，12個(gè)月刈割間隔 （E₁） 的株高和莖粗最大。隨著刈割次數(shù)增加，王草分蘗數(shù)顯著增加 （Plt;0.05），2 個(gè)月劉割間隔第1次刈割期 （A₁） 的分蘗最少，顯著低于其他間隔的第一次刈割 Plt; 0.05），而間隔3個(gè)月及以上的第一次刈割沒有顯著差異，說明王草連續(xù)生長(zhǎng)3個(gè)月后逐漸停止分（圖1）。

2.1.3刈割間隔對(duì)王草組成成分的影響除3個(gè)月和4個(gè)月刈割間隔之間對(duì)王草纖維素和木質(zhì)素含量的差異不顯著外，其他刈割間隔都有顯著影響（ ?_P lt;0.05） 。王草在12個(gè)月刈割間隔的纖維素和木質(zhì)素含量顯著高于2，3，4和6個(gè)月的刈割間隔（ Plt; 0.05）。劉割間隔越長(zhǎng)，王草的生長(zhǎng)時(shí)間變長(zhǎng)，纖維素和木質(zhì)素增多。但除2個(gè)月刈割間隔外，刈割間隔對(duì)半纖維素含量的影響不顯著，從2個(gè)月劉割間隔到12個(gè)月刈割間隔，半纖維素的含量?jī)H增加了2.78% DM。隨著刈割間隔的延長(zhǎng)，王草灰分和吸附水含量逐漸降低（ ?Plt;0.05 ，表3）。

2.2刈割間隔對(duì)王草預(yù)處理、酶解、同步糖化發(fā)酵效果的影響

2.2.1預(yù)處理效果如圖2A所示，隨著刈割間隔的增加，經(jīng)氫氧化鈉預(yù)處理后王草的預(yù)處理干基失重率、纖維素保留率、半纖維素保留率均無顯著差異，預(yù)處理干基失重率均維持在 47%～52% 之間。纖維素保留率都高于 80% ，12個(gè)月刈割間隔最高，達(dá)到了 97.83% 。半纖維素保留率變化不大，均在50% 左右。隨著刈割間隔的增加，木質(zhì)素移除率顯著降低 ?Plt;0.05） 。

2.2.2酶解效果由圖2B可知，王草酶解干基失重率、纖維素酶解率、半纖維素酶解率和酶解率隨著刈割間隔的延長(zhǎng)逐漸降低，其中12個(gè)月刈割間隔比2個(gè)月劉割間隔顯著降低 ?Plt;0.05） 。

2.2.3同步糖化發(fā)酵效果2個(gè)月刈割間隔獲得的乙醇濃度和乙醇轉(zhuǎn)化率最高，分別達(dá)到了 12.65g?L^-1 和 27.62% ，顯著高于其他劉割間隔 （Plt;0.05），3，4 和6個(gè)月刈割間隔所獲得的乙醇濃度和乙醇轉(zhuǎn)化率無顯著差異，但顯著高于12個(gè)月刈割間隔 （Plt;0.05 ，圖3A-B）。6個(gè)月間隔期乙醇總產(chǎn)量顯著高于其他刈割間隔 （Plt;0.05） ，總產(chǎn)量高達(dá) 15.18t?hm^-2 。產(chǎn)量最小的為2個(gè)月間隔期，僅為 4.85t?hm^-2 （圖 3C） 。

3討論

3.1刈割間隔對(duì)王草農(nóng)藝性狀的影響

王草的傳統(tǒng)利用多作為牧草，考慮的因素主要有鮮草產(chǎn)量、蛋白質(zhì)含量、纖維含量、莖葉比、青干比、適口性等，王草不同刈割間隔對(duì)這些指標(biāo)的影響已被大量研究[20-22]。刈割間隔為6個(gè)月時(shí)所收獲的鮮草總產(chǎn)量和干草總產(chǎn)量顯著高于其他處理，劉景輝等23研究發(fā)現(xiàn)劉割次數(shù)對(duì)牧草產(chǎn)量的影響比較明顯，每半年劉割一次的鮮草產(chǎn)量最高，和本文研究結(jié)果一致。12個(gè)月劉割間隔的干物質(zhì)含量最高，這和王草生長(zhǎng)后期生長(zhǎng)到達(dá)極限且水分蒸發(fā)有關(guān)，這與許岳飛等[24的研究結(jié)果相同。株高和莖粗主要受生長(zhǎng)時(shí)間和生長(zhǎng)月份決定，生長(zhǎng)時(shí)間越長(zhǎng)，生長(zhǎng)月份越接近雨熱充沛的季節(jié)，株高和莖粗就會(huì)越大。2個(gè)月劉割間隔最后一次劉割的生長(zhǎng)月份為1月和2月，此時(shí)溫度最低，降水最少，且與其他刈割間隔相比距離上次刈割生長(zhǎng)時(shí)間最短，所以其株高和莖粗最低，但分蘗數(shù)顯著多于其他刈割時(shí)間點(diǎn)，此結(jié)果與Rengsirikul等25的結(jié)論相同。6個(gè)月第一次劉割和12個(gè)月劉割相比，生長(zhǎng)月份分別為3～9月和全年，后半年王草的株高和莖粗增長(zhǎng)較慢。刈割對(duì)王草的分藥有刺激作用，同時(shí)也能減少無效分，F(xiàn)an等[26通過對(duì)牧草的刈割研究也認(rèn)為適宜的刈割能促進(jìn)牧草的再生和分蘗。因此確定合理的劉割間隔對(duì)充分發(fā)揮‘熱研4號(hào)'王草生產(chǎn)潛力，保證牧草的穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)至關(guān)重要[21]。

從4個(gè)月到12個(gè)月劉割間隔，王草的總纖維素含量逐漸增加，相當(dāng)于作為模式能源植物研究的柳枝稷[27]，可被利用的纖維素越多越有利于乙醇的生產(chǎn)，對(duì)于實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用十分關(guān)鍵。許岳飛等24研究表明頻繁劉割可以提高牧草體內(nèi)的含水量，抑制體內(nèi)纖維素和木質(zhì)素的合成，與本文研究結(jié)果相同。從2個(gè)月間隔到

12個(gè)月間隔，灰分含量和吸附水含量依次降低，這說明隨著植株生長(zhǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)，灰分和吸附水在組成成分中所占的比例會(huì)逐漸降低，這與Rengsirikul等[25的研究成果相同。通過研究不同劉割間隔對(duì)王草的農(nóng)藝性狀的影響發(fā)現(xiàn)6個(gè)月收割間隔效果最佳。

3.2刈割間隔對(duì)王草預(yù)處理、酶解、同步糖化發(fā)酵效果的影響

當(dāng)王草以牧草為利用形式時(shí)，重點(diǎn)考慮的是產(chǎn)量和品質(zhì)之間的平衡，如王草在生長(zhǎng)前期水分含量高，品質(zhì)好但產(chǎn)量低；生長(zhǎng)后期粗纖維含量逐漸增高，品質(zhì)差產(chǎn)量高[28]。單方面以最高生理性狀或產(chǎn)量動(dòng)態(tài)確定牧草的刈割間隔是難以同時(shí)兼顧產(chǎn)量和質(zhì)量的，易造成養(yǎng)分和能量的損失。以能源草為利用目標(biāo)種植王草時(shí)，重點(diǎn)考慮的則是干物質(zhì)產(chǎn)量與乙醇轉(zhuǎn)化率之間的平衡，乙醇轉(zhuǎn)化率又與預(yù)處理效果、酶解率和同步糖化發(fā)酵效果直接相關(guān)。王草屬于木質(zhì)纖維素類材料，細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)復(fù)雜，主要由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素組成，其中木質(zhì)素作為黏合劑包裹在纖維素和半纖維素周圍，纖維分子間結(jié)合緊密。同時(shí)刈割間隔越長(zhǎng)，植株增高，莖葉比增大，生長(zhǎng)時(shí)間延長(zhǎng)，纖維結(jié)晶度增加，因此需要對(duì)王草進(jìn)行預(yù)處理，破壞纖維結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)提高木質(zhì)纖維素的酶解率和乙醇轉(zhuǎn)化率[29]。酶解的底物主要是纖維素、半纖維素等，酶解干基失重率反映的也是纖維成分的降解，隨著刈割間隔增大，酶解干基失重率逐漸降低。刈割間隔越小，酶解率越高，說明糖化的越充分，經(jīng)酵母發(fā)酵后產(chǎn)生的乙醇就越多，進(jìn)而提高乙醇轉(zhuǎn)化率，相反，劉割間隔增加，乙醇轉(zhuǎn)化率下降。隨著劉割間隔增加，纖維含量上升，可發(fā)酵底物增多，乙醇總產(chǎn)量顯著增加。但是到刈割12個(gè)月時(shí)，乙醇轉(zhuǎn)化率相比于其他劉割間隔顯著降低，與其總產(chǎn)量降低和木質(zhì)素含量顯著高于其他刈割間隔有關(guān)，導(dǎo)致預(yù)處理效果不佳，乙醇產(chǎn)量降低。Kataria等通過堿預(yù)處理方法處理甜根子草（Saccharumsponta-neum），以 5%（W/V 底物濃度經(jīng)同步糖化發(fā)酵后獲得乙醇濃度為 4.65g?L^-1 。本研究中不同刈割間隔收獲的王草采用氫氧化鈉預(yù)處理后，固液比為1：20進(jìn)行同步糖化發(fā)酵所得乙醇濃度達(dá)到了 7.50～ 12.65g?L^-1 。結(jié)果表明6個(gè)月刈割間隔的乙醇總產(chǎn)量顯著高于其他處理，與其總產(chǎn)量最高有一定關(guān)系。綜上所述，適當(dāng)?shù)呢赘羁梢蕴岣咄醪菘偖a(chǎn)量和乙醇總產(chǎn)量，其中6個(gè)月劉割間隔效果最好。王草作為纖維素原料，設(shè)置合理的刈割間隔，可以顯著提高王草的生物量，纖維素提取效率和纖維素乙醇生產(chǎn)效率，降低成本，推動(dòng)纖維素乙醇產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對(duì)生態(tài)環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

4結(jié)論

不同刈割間隔對(duì)王草的農(nóng)藝性狀和纖維素乙醇的生產(chǎn)有顯著影響。刈割間隔越長(zhǎng)，干物質(zhì)含量越高、株高和莖粗越大，纖維素、半纖維素和木質(zhì)素含量越高；分蘗數(shù)、灰分和吸附水含量以及木質(zhì)素移除率、酶解干基失重率、酶解率、乙醇濃度和乙醇轉(zhuǎn)化率逐漸減少。在5種劉割間隔中，劉割間隔為6個(gè)月時(shí)所獲得王草總產(chǎn)量和乙醇總產(chǎn)量最高，研究結(jié)果對(duì)纖維素乙醇生產(chǎn)和提高可再生能源利用率有重要意義。

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（責(zé)任編輯付宸）