劉割間隔對王草農藝性狀和纖維素乙醇生產的影響

中圖分類號：S543.9 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0435（2025）07-2407-06

doi：10.11733/j.issn.1007-0435.2025.07.035

引用格式：，等.刈割間隔對王草農藝性狀和纖維素乙醇生產的影響[J].草地學報，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，糧食和能源日益短缺，利用植物秸稈生產燃料乙醇成為了緩解糧食危機、能源危機及環境問題的有效策略之一[1-3]。乙醇是可再生綠色能源，其燃燒產生的污染小、便于運輸和貯藏且價格低廉[4]。早期的乙醇生產主要依賴于玉米（ZeamaysL.）小麥（TriticumaestiuumL.）等糧食作物，導致了與民爭地爭糧的問題，因此生產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生物質能源乙醇[5]，不僅清潔高效，而且在實現資源的綜合利用、治理農業污染、減少溫室氣體排放以及提高農民收入方面發揮著重要作用[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’王草是由中國熱帶農業科學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、適應性和抗逆性能力強，近年來在我國得到廣泛種植，展現出廣闊的應用潛力[11-12]。材料中的纖維素、半纖維素以及木質素等高分子成分相互結合，組成了植物組織的保護屏障，難以被直接利用生產纖維素乙醇。因此，纖維素乙醇生產中首先采用有效的物理化學預處理來打破這種屏障，然后利用纖維素酶將預處理后的木質纖維素降解成可發酵性單糖，再通過微生物技術將可發酵性單糖轉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，刈割間隔對能源草的生長、產量、品質和用途等方面的指標均具重要影響[14]。頻繁刈割會導致能源草產量降低，而適當的劉割間隔可以增加生物量和乙醇產量，是實現能源草高產、優質的重要手段[15]。本研究所用材料王草的研究多集中于其飼用特性，如產量、青貯、營養品質等方面。迄今為止，國內外針對王草能源性指標以確定其最佳刈割間隔的研究尚未見報道。因此，本研究通過探討劉割間隔對‘熱研4號'王草農藝性狀和纖維素乙醇生產的影響，進而確定最佳刈割間隔，旨在提高‘熱研4號'王草增產以及高效利用的潛力，從而為熱帶地區‘熱研4號'王草高效生產和利用提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地

‘熱研4號'王草種植于華南農業大學增城教學科研試驗基地 （23.24^°N，113.64^°E） 。試驗年2012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 1547.4h ，較于往年偏少。該地王壤屬赤紅壤，王層較深厚，呈強酸性。

1. 2 王草種植管理

試驗采用單芽種植，2012年2月29日定植，每次刈割后酌情清除雜草，每公頃施復合肥 225kg （N，P，K含量的質量分數均為 15%） ，田間管理條件一致。試驗采用單因子隨機區組設計，共設5個處理：劉割間隔分別為2，3，4，6，12個月。每個處理設3個重復，共15個小區，每個小區面積為 14m²（4m× 種42株（7行 ×6 株）。當達到設定時間進行劉割，留茬高度為 10cm ，劉割時測定株高、分藥數、莖粗和小區產量。不同刈割間隔王草收獲的具體時間、次數見表1。

1.3 農藝性狀測定

株高、莖粗和分蘗測定于每次劉割后，選擇單叢王草進行產量測定，9次重復，稱鮮重后將樣品帶回實驗室內， 65^°C 烘干 48h 后測風干物含量。風干樣在 105^°C 烘箱烘干 2～3h 后取出，放入干燥器中冷卻 30min ，再重復烘干1h，待兩次稱重小于 0.002g 時，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素含量的差，灰分的測定采用灼燒法[17]

1.4 乙醇轉化測定

1.4.1預處理方法本實驗采用的預處理方法為氫氧化鈉預處理法，按照質量分數配制 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，測定殘渣的干重和纖維成分。

1.4.2酶解方法經預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。準確稱取 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。每個處理3個重復，將錐形瓶放入搖床中， 50^°C，150r?min^-1 酶解 48h 。酶解結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）測定酶解液中的還原糖濃度，根據葡萄糖標準曲線進行對照分析后計算酶解率[18]，公式如下：

1.4.3同步糖化發酵方法將 1.0g 牧草樣品倒入 50mL 微型發酵罐瓶中，在氫氧化鈉預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。用同步糖化發酵工藝，在 35^°C，120r?min^-1 酶解

72h 。發酵結束后，采用氣相色譜法測定乙醇濃度，色譜系統為 HP6890 SeriesGCSystem，色譜柱為PEG-2OMcolumn，色譜條件參照Bvochora等[19]的方法。乙醇轉化率為1.0g王草干物質經預處理和同步糖化發酵后，所得的乙醇質量除以王草的干重。最后通過乙醇轉化率與王草產量計算出不同劉割間隔期王草最終的乙醇總產量。計算公式如下：

乙醇總產量 = 乙醇轉化率 x 王草干重

1.5 數據統計與分析

采用Excel和SPSS26.0軟件對試驗數據進行統計分析，運用Turkey法進行處理間多重比較。

2 結果與分析

2.1刈割間隔對王草農藝性狀的影響

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

2.1.2刈割間隔對王草株高、莖粗和分藥的影響從2個月到12個月刈割間隔，株高增高，莖稈變粗，分蘗數降低 （Plt;0.05） 。其中2個月刈割間隔的第6次刈割期 （A₆） 的株高和莖粗最小，12個月刈割間隔 （E₁） 的株高和莖粗最大。隨著刈割次數增加，王草分蘗數顯著增加 （Plt;0.05），2 個月劉割間隔第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個月及以上的第一次刈割沒有顯著差異，說明王草連續生長3個月后逐漸停止分（圖1）。

2.1.3刈割間隔對王草組成成分的影響除3個月和4個月刈割間隔之間對王草纖維素和木質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個月刈割間隔的纖維素和木質素含量顯著高于2，3，4和6個月的刈割間隔（ Plt; 0.05）。劉割間隔越長，王草的生長時間變長，纖維素和木質素增多。但除2個月刈割間隔外，刈割間隔對半纖維素含量的影響不顯著，從2個月劉割間隔到12個月刈割間隔，半纖維素的含量僅增加了2.78% DM。隨著刈割間隔的延長，王草灰分和吸附水含量逐漸降低（ ?Plt;0.05 ，表3）。

2.2刈割間隔對王草預處理、酶解、同步糖化發酵效果的影響

2.2.1預處理效果如圖2A所示，隨著刈割間隔的增加，經氫氧化鈉預處理后王草的預處理干基失重率、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個月刈割間隔最高，達到了 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逐漸降低，其中12個月刈割間隔比2個月劉割間隔顯著降低 ?Plt;0.05） 。

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

3討論

3.1刈割間隔對王草農藝性狀的影響

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

從4個月到12個月劉割間隔，王草的總纖維素含量逐漸增加，相當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，對于實際生產應用十分關鍵。許岳飛等24研究表明頻繁劉割可以提高牧草體內的含水量，抑制體內纖維素和木質素的合成，與本文研究結果相同。從2個月間隔到

12個月間隔，灰分含量和吸附水含量依次降低，這說明隨著植株生長時間的延長，灰分和吸附水在組成成分中所占的比例會逐漸降低，這與Rengsirikul等[25的研究成果相同。通過研究不同劉割間隔對王草的農藝性狀的影響發現6個月收割間隔效果最佳。

3.2刈割間隔對王草預處理、酶解、同步糖化發酵效果的影響

當王草以牧草為利用形式時，重點考慮的是產量和品質之間的平衡，如王草在生長前期水分含量高，品質好但產量低；生長后期粗纖維含量逐漸增高，品質差產量高[28]。單方面以最高生理性狀或產量動態確定牧草的刈割間隔是難以同時兼顧產量和質量的，易造成養分和能量的損失。以能源草為利用目標種植王草時，重點考慮的則是干物質產量與乙醇轉化率之間的平衡，乙醇轉化率又與預處理效果、酶解率和同步糖化發酵效果直接相關。王草屬于木質纖維素類材料，細胞壁結構復雜，主要由纖維素、半纖維素和木質素組成，其中木質素作為黏合劑包裹在纖維素和半纖維素周圍，纖維分子間結合緊密。同時刈割間隔越長，植株增高，莖葉比增大，生長時間延長，纖維結晶度增加，因此需要對王草進行預處理，破壞纖維結構，實現提高木質纖維素的酶解率和乙醇轉化率[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，經酵母發酵后產生的乙醇就越多，進而提高乙醇轉化率，相反，劉割間隔增加，乙醇轉化率下降。隨著劉割間隔增加，纖維含量上升，可發酵底物增多，乙醇總產量顯著增加。但是到刈割12個月時，乙醇轉化率相比于其他劉割間隔顯著降低，與其總產量降低和木質素含量顯著高于其他刈割間隔有關，導致預處理效果不佳，乙醇產量降低。Kataria等通過堿預處理方法處理甜根子草（Saccharumsponta-neum），以 5%（W/V 底物濃度經同步糖化發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處理后，固液比為1：20進行同步糖化發酵所得乙醇濃度達到了 7.50～ 12.65g?L^-1 。結果表明6個月刈割間隔的乙醇總產量顯著高于其他處理，與其總產量最高有一定關系。綜上所述，適當的刈割可以提高王草總產量和乙醇總產量，其中6個月劉割間隔效果最好。王草作為纖維素原料，設置合理的刈割間隔，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效率，降低成本，推動纖維素乙醇產業的發展，對生態環境保護和可持續發展具有重要意義。

4結論

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

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（責任編輯付宸）