引用本文
蔡雨, 张永乾, 刘吉利, 吴娜. 盐碱地不同基因型甜高粱的能源品质形成规律及其评价. 草业科学, 2017,34(1):3-6
Cai Yu, Zhang Yong-qian, Liu Ji-li, Wu Na. Evaluation of the regularity of energy formation of sweet sorghum in saline-alkali soils. Pratacultural Science,2017,34(1): 3-6  
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《草业科学》编辑部
盐碱地不同基因型甜高粱的能源品质形成规律及其评价
蔡雨1, 张永乾1, 刘吉利2, 吴娜1
1.宁夏大学农学院,宁夏 银川 750021
2.宁夏大学环境工程研究院,宁夏 银川 750021
通信作者:吴娜(1980-),女,山东桓台人,副教授,博士,主要从事作物栽培学与耕作学教学与科研。E-mail:[email protected]

第一作者:蔡雨(1991-),男,山东蒙阴人,在读硕士生,主要从事作物栽培生理研究。E-mail:[email protected]

收稿日期: 2016-07-13
基金: 国家自然科学基金(31560361)
摘要

为了探明盐碱地不同甜高粱( Sorghum saccharatum)品种能源品质形成规律,并筛选出适宜该地生长且能源品质较高的甜高粱品种,本研究通过田间试验,利用相关的农艺性状和生理指标,对龟裂碱土条件下生长的5个不同基因型甜高粱的能源品质进行综合评价。结果表明,龟裂碱土条件下,不同基因型甜高粱茎秆中的可溶性糖含量及糖产量随生育进程推进呈增加趋势,其中开花后前20 d是甜高粱糖分大量积累的时期。ZNH18和ZNH07可溶性糖含量及糖产量均较高,其次为ZNH12,ZNH05和CT-2较低;不同基因型甜高粱茎秆纤维素和半纤维素含量和产量随生育进程推进呈下降趋势,木质素含量和产量呈增加趋势,但各时期ZNH18和ZNH07的木质纤维素各组分含量均呈现出一定优势。此外,在龟裂碱土条件下,ZNH18和ZNH07能够获得较高的生物产量和籽粒产量。因此,甜高粱ZNH18和ZNH07能够较好地适应龟裂碱土环境,其糖产量、纤维产量和生物产量均较高,是适于该环境种植的优良基因型。

关键词: 龟裂碱土; 甜高粱; 木质纤维素; 可溶性糖含量; 糖产量
中图分类号:S514.01;Q945.78 文献标志码:A 文章编号:1001-0629(2017)1-0003-06 doi: 10.11829/j.issn.1001-0629.2016-0177
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
Corresponding author: Wu Na E-mail:[email protected]
Abstract

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.

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

甜高粱(Sorghum saccharatum)是粒用高粱的一个变种, 是近年来新兴的一种饲用作物和能源作物[1, 2]。由于甜高粱具有生物产量高、抗逆性强、糖量高、适口性好、乙醇转化率高等优点, 广泛用于制糖、饲用、生物燃料生产和造纸等方面[3, 4]。此外, 以甜高粱为能源作物发展生物质能源对缓解能源危机、减轻环境污染、增加农民收入具有重要意义[5]。其作为能源作物在盐碱地上种植, 符合“ 不与人争粮, 不与粮争地” 的原则[6]。其茎秆富含非结构性碳水化合物(蔗糖、葡萄糖及果糖)和结构性碳水化合物(纤维素和半纤维素), 每公顷甜高粱经过发酵可生产无水乙醇5 800~6 500 L, 比单位面积甘蔗(Saccharum officinarum)生产的无水乙醇量高出20%~30%, 对于保证粮食安全和制取燃料乙醇等方面都具有非常广阔的发展前景[7]。

目前, 关于甜高粱茎秆的含糖量以及变化规律的研究较多[8, 9, 10], 关于纤维素含量的研究较少。以往对甜高粱的研究多着眼于饲料作物开发利用, 以及作为能源作物生产乙醇工艺方面, 而对甜高粱的能源品质的研究较少[11, 12, 13, 14]。甜高粱的原料生产或乙醇制备都对其品种、种植管理、收获有着严格的要求, 有许多专家[15, 16, 17]对我国现有不同来源的多个甜高粱品种进行了比较, 得出了甜高粱的主要形态指标和农艺性状存在遗传多样性的结论, 认为品种对产量影响显著。除产量外, 不同品种甜高粱的糖分和纤维含量等能源品质也存在较大差异, 尤其是盐碱地种植条件下甜高粱能源品质形成规律研究较少。本研究在龟裂碱土条件下, 通过田间试验研究不同基因型甜高粱茎秆中可溶性糖含量和产量、木质纤维素含量和产量及生物和籽粒产量的差异形成规律, 旨在为宁夏盐碱地及同类地区甜高粱种植和品种筛选提供理论依据。

1 材料与方法
1.1 试验材料

试验采用5个不同基因型的甜高粱, 分别为CT-2、ZNH05、ZNH07、ZNH12、ZNH18, 均由中国农业大学非粮生物质原料研发中心提供。

1.2 试验设计

试验于2015年4月-10月在宁夏大学西大滩试验站进行, 试验地块为典型龟裂碱土, 土壤pH 9.25, 全盐3.17 g· kg-1, 碱化度22.8%, 有机质9.1 g· kg-1, 碱解氮22.3 mg· kg-1, 速效磷7.5 mg· kg-1, 速效钾173.6 mg· kg-1。采用随机区组试验设计, 重复3次。小区长8 m, 宽3.6 m(6行区), 行距60 cm, 株距30 cm。2015年4月21日播种, 播种前施用磷肥90 kg· hm-2(磷酸二铵)和钾肥100 kg· hm-2(硫酸钾)作基肥, 拔节期追施N肥120 kg· hm-2(尿素), 其他管理同一般生产田。

1.3 测定指标与方法

1.3.1 茎秆含糖量、纤维素组成等品质指标测定 于开花当天和开花后20、40 d, 取植株茎秆混合样烘干粉碎, 用于测定可溶性糖、纤维素、半纤维素和木质素的含量。可溶性糖含量采用蒽酮比色法[18]测定, 纤维素、半纤维素和木质素含量采用凡氏洗涤法[19]测定。

1.3.2 产量的测定 成熟期实收测产, 分别测定各处理的生物产量和籽粒产量。

1.4 数据处理与统计分析方法

采用SAS 8.2软件进行方差分析, 其它分析在Microsoft Excel中完成。

2 结果与分析
2.1 不同基因型甜高粱茎秆可溶性糖含量

甜高粱可溶性糖主要贮存于茎秆中, 茎秆的含糖量是一个重要的经济性状。龟裂碱土条件下, 不同基因型甜高粱茎秆中的可溶性糖含量开花后均迅速增加(图1)。开花期和花后40 d甜高粱各品种茎秆可溶性糖含量变幅由15.19%~25.36%增加到28.01%~41.23%, 且ZNH18、ZNH12和ZNH07显著高于ZNH05和CT-2(P< 0.05)。花后40 d, ZNH18茎秆可溶性糖含量最高, 分别比ZNH07和CT-2高20.3%和30.3%。

图1 不同基因型甜高粱可溶性总糖含量
注:不同小写字母表示同一测定时期不同基因型间差异显著(P< 0.05)。下同。Fig.1 Soluble total sugar content of different genotypes of sweet sorghum
Note: Different lower case letters indicate significant difference among different genotypes at the same measurement time at the 0.05 level. The same below.

2.2 不同基因型甜高粱茎秆糖产量

开花后甜高粱茎秆糖产量随生育进程推进呈增加趋势(图2), 且开花期至花后20 d糖产量的增加量大于花后20 d至40 d的增加量, 花后20 d糖产量已占到总糖产量的79.5%~90.6%, 由此可见, 花后前20 d是甜高粱糖分大量积累的时期。 花后40 d, 各基因型甜高粱茎秆糖产量差异显著, 其中ZNH18和ZNH07糖产量较高, 其次为ZNH12, ZNH05和CT-2糖产量最低, 这与可溶性糖含量变化基本一致。

图2 不同基因型甜高粱糖产量Fig.2 Sugar production in different genotypes of sweet sorghum

2.3 不同基因型甜高粱茎秆木质纤维素含量

龟裂碱土条件下, 甜高粱开花后茎秆纤维素和半纤维素含量均呈下降的趋势(图3), 且纤维素含量高于半纤维素含量; 相反, 开花期至开花后40 d, 甜高粱茎杆木质素含量呈增加趋势。各基因型甜高粱间茎秆纤维素和半纤维素含量差异不显著, ZNH18和ZNH07呈现出一定优势。木质素含量在ZNH12和ZNH05间差异不显著, 其它基因型间差异显著, 花后40 d, ZNH18的木质素含量最高, 达到26 g· kg-1, 分别比ZNH07和CT-2高13.1%和44.4%。

图3 不同基因型甜高粱木质纤维素含量Fig.3 Lignocellulose content of different genotypes of sweet sorghum

表1 不同基因型甜高粱木质纤维素产量(t· hm-2) Table 1 Lignocellulose production (t· hm-2) of different genotypes of sweet sorghum
2.4 不同基因型甜高粱茎秆木质纤维素产量

龟裂碱土条件下, 甜高粱开花后茎秆纤维素、半纤维素和木质素产量与其含量变化趋势基本一致(表2), 纤维素和半纤维素产量呈下降的趋势, 木质素含量呈增加趋势。不同基因型甜高粱茎秆纤维素和半纤维素产量在开花期最大, 开花后40 d最小; 木质素产量则是开花后40 d最大, 开花期最小。方差分析结果表明, 各基因型甜高粱间茎秆纤维素、半纤维素和木质素产量差异显著, ZNH18和ZNH07的3种物质产量均显著高于其它品种。其中开花后40 d, ZNH18的纤维素、半纤维素和木质素产量分别比CT-2高出56.3%、41.2%和89.3%。

2.5 不同基因型甜高粱的产量

龟裂碱土条件下, 甜高粱生物产量和籽粒产量变化幅度较大(图4), 且不同基因型间差异显著, 其中ZNH18生物产量最高, 其次为ZNH07, CT-2生物产量最低; 籽粒产量则是CT-2最高, ZNH18最低。这一结果表明生物产量高的基因型籽粒产量反而较低。

图4 不同基因型甜高粱的产量Fig.4 Biological yield of different genotypes of sweet sorghum

3 讨论

甜高粱可溶性糖主要贮存于茎秆中, 茎秆的含糖量是衡量其品质的重要参数, 这对于生产乙醇和青贮饲料至关重要[20]。本研究表明, 在龟裂碱土条件下, 不同基因型甜高粱茎秆中可溶性糖含量及糖产量随生育进程推进呈增加趋势, 并在花后40 d均达到高峰, 且基因型间差异显著, 这与谢凤周[10]、赵香娜等[16]的研究结果基本一致。其中在花后40 d, ZNH18和ZNH07糖产量较高, 其次为ZNH12, ZNH05和CT-2糖产量较低。此外, 籍贵苏等[9]研究表明, 甜高粱茎秆含糖量一般在11%~21%, 多数品种在14%, 这与本研究的结论相吻合。

环境胁迫对植物木质纤维素含量有一定影响[21], 在纤维素乙醇制备过程中, 纤维素、半纤维素含量越高, 木质素含量越低, 乙醇产率越高[22]。本研究表明, 在龟裂碱土中种植甜高粱, 开花后其茎秆纤维素和半纤维素含量和产量呈下降趋势, 木质素含量和产量呈增加趋势, 这对纤维素乙醇生产可能会造成一定影响。这与能源作物柳枝稷(Panicum virgatum)[23]、香根草(Vetiveria zizanioides)[24]、新疆地区甜高粱[25]的研究结果基本一致。本研究还表明, 甜高粱茎秆的纤维素和半纤维素含量在郭欢间差异不显著, 但ZNH18和ZNH07的纤维素和半纤维素含量略高于其它品种。

甜高粱基因型是影响其生物质产量的主要因素[26]。韩立朴等[20]研究表明, 不同品种甜高粱产量存在差异。本研究结果表明, 龟裂碱土中种植不同基因型甜高粱的产量差异较大, 其中ZNH18生物产量最高, CT-2生物产量最低; 籽粒产量则是CT-2最高, ZNH18最低。这与韩立朴等[20]的研究结果基本一致。甜高粱糖分累积受品种和环境因素影响较大, 也与生育后期茎秆和穗“ 两个库” 之间的竞争有关[27], 提高单位面积产糖量, 主要是通过增加茎秆总收获量来实现[28]。李振武等[29]也认为, 加强对茎秆鲜重的选择可提高甜高粱品种产量, 并能改进茎秆锤度。本研究表明, 不同基因型甜高粱生物产量高的籽粒产量反而较低, 生物产量高的茎杆干物质积累与分配比例较高, 穗分配比例较低; 而生物产量低的茎杆干物质积累分配比例相对较低, 穗干物质积累与分配比例相对较高, 这也符合优质甜高粱品种的选育目标, 有利于提高茎秆产量和糖产量。在盐碱地条件下, 如何通过科学的栽培管理发挥甜高粱良种的产量潜力和品质潜力还有待于进一步研究。

4 结论

龟裂碱土条件下, 不同基因型甜高粱茎秆中的可溶性糖含量及糖产量随生育进程推进呈增加趋势, 开花后前20 d是甜高粱糖分大量积累的时期。ZNH18和ZNH07糖产量较高, ZNH05和CT-2糖产量较低, 甜高粱开花后茎秆纤维素和半纤维素含量和产量呈下降的趋势, 木质素含量和产量呈增加趋势。ZNH18和ZNH07的纤维素、半纤维素和木质素产量均显著高于其它品种(系)。因此, 甜高粱ZNH07和ZNH18的耐盐碱能力较强, 能够适应龟裂碱土环境, 并表现良好, 获得较高的生物产量和糖产量以及纤维产量, 是适于宁夏龟裂碱土种植的优良基因型。

The authors have declared that no competing interests exist.

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