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高纤维素刺槐无性系筛选及萌蘖林短轮伐收获研究

【摘要】:刺槐(Robinia pseudoacacia L.)具有生长迅速,萌蘖力强,生物量大,耐干旱贫瘠,适生区广等特点,很多地区将其作为薪炭林树种进行栽培经营。随着国际化石能源危机出现,生物质能源开发利用受到关注。刺槐作为木质纤维素生物质原料树种逐渐进入人们的视野,但是关于高纤维素刺槐选育及培育技术仍处空白。本研究围绕木质纤维素,开展了刺槐无性系筛选与萌蘖林短轮伐收获研究,收集9个刺槐产地的无性系资源,分析表型及化学性状变异,筛选出高纤维素优质刺槐无性系,利用SSR分子标记评价刺槐群体遗传多样性,构建核心种质资源;通过对豫西刺槐萌蘖林短轮伐生长调查,探讨了刺槐萌蘖更新过程木质纤维素变化规律,同时,采用蒸汽爆破方法研究了提高纤维素得率的有效途径,形成了高纤维素的刺槐无性系筛选、萌蘖林短轮伐收获和纤维素乙醇转化预处理技术体系。主要研究结果如下:(1)分析了9个产地刺槐群体表型与木质纤维素化学性状,发现群体间性状存在显著差异,纤维素含量与叶片表型性状具有显著正相关关系,山东费县群体纤维素含量最高为36.92%。以性状为依据的聚类和主成分分析将刺槐群体分为3个类群,山东费县产地的刺槐群体具有纤维素含量高的特点。研究结果表明,该产地的刺槐无性系适宜作为纤维素乙醇原料培育。(2)通过对218份刺槐无性系进行主成分分析,构建了以木质纤维素性状为主,表型性状次之的筛选体系,筛选出22份优质刺槐无性系,较原始无性系的纤维素含量提高了5.71%,木质素含量降低了18.27%,在地理分布上存在较大跨度,结果表明筛选出高纤维素优质刺槐无性系适宜作为纤维素乙醇原料,具有较大的综合发展潜力。(3)选取的14对SSR引物对7个刺槐群体遗传多样性进行评价,结果表明,河北平泉和北京延庆群体遗传多样性最高,刺槐群体间遗传分化较低,遗传聚类与贝叶斯混合模型表明刺槐群体遗传结构分为3个类群,通过Mantel相关性检验表明刺槐群体遗传分化未受地理分布影响。(4)采用逐步聚类法筛选出21份刺槐无性系构建核心种质,对比初级群体遗传多样性未呈现显著差异,核心种质群体未产生明显的遗传分化,最终构建的占样本比例12.37%的核心种质涵盖了初级群体90%以上的遗传信息,构建的刺槐核心种质认为是理想的。(5)调查刺槐2种短轮伐萌蘖枝条生长,结果表明伐后1-5年萌蘖枝条高度、基径、生物量不断增高,枝条数量不断减少,伐后1-2年总生物量主要以根系萌蘖为主,伐后3-5年伐桩萌蘖成为总生物量积累主要方式,单位面积总生物量和年均总生物量在伐后5年达到最大,分别为21.36t/hm~2,4.27 t·a~(-1)·hm~(-2)。伐后5年对刺槐萌蘖枝条进行收获可获得较高的生物量。(6)测定刺槐2种短轮伐萌蘖枝条木质纤维素含量,结果表明伐后1-5年萌蘖枝条纤维素、半纤维素含量不断增高,木质素含量变化不显著,伐桩萌蘖枝条纤维素含量及总量均高于根系萌蘖,更适宜作为纤维素乙醇原料,伐后5年纤维素总量和年均纤维素总量达到最大,分别为8.58t/hm~2,1.72 t·a~(-1)·hm~(-2)。为了获得较高纤维素总量刺槐原料,伐后5年对萌蘖枝条进行收获。(7)预处理后样品的纤维素含量显著提高,半纤维素和木质素含量显著降低,结合形态结构观察和红外光谱分析,结果表明蒸汽爆破方法可有效解构木质纤维素,显著提高纤维素得率。不同蒸汽压力可显著提高纤维素含量,不同维压时间可有效降低半纤维素含量,伐桩萌蘖选择压力2.5Mpa,维压时间不低于5min;根系萌蘖选择压力2.5Mpa,维压时间8 min可获得较好的预处理效果。本研究以林木遗传选育和森林培育利用理论为研究基础,为获得高纤维素优质刺槐原料提供理论依据与技术参考,有效突破刺槐纤维素乙醇原料短缺的发展瓶颈,为以刺槐木质纤维素为原料的纤维素乙醇发展奠定良好基础。本研究筛选的高纤维素优质刺槐无性系、短轮伐刺槐萌蘖林收获方式、蒸汽爆破转化预处理工艺条件填补了刺槐木质纤维素能源林系统性研究不足的空缺,同时,刺槐萌蘖林短轮伐收获方式与纤维素乙醇转化预处理相结合的跨学科研究为刺槐纤维素乙醇发展开辟了一个新的途径。

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