生長期和植株性別對工業大麻稈 “三大素”的影響

吳 寧，肖 瑞， 許艷萍,杜官本， 李曉平， 孫 飛

（1.西南林業大學云南省木材膠黏劑及膠合制品重點實驗室，云南 昆明650224；2.西南林業大學 材料工程學院，云南昆明650224；3.云南省農業科學院 經濟作物研究所，云南 昆明650205）

生長期和植株性別對工業大麻稈 “三大素”的影響

吳 寧1，2，肖 瑞1，2， 許艷萍3,杜官本1， 李曉平1，2， 孫 飛1，2

（1.西南林業大學云南省木材膠黏劑及膠合制品重點實驗室，云南 昆明650224；2.西南林業大學 材料工程學院，云南昆明650224；3.云南省農業科學院 經濟作物研究所，云南 昆明650205）

研究工業大麻Cannabis sativa稈生長周期和植株性別對 “三大素”（纖維素、半纖維素、木質素）生成規律的影響，可為該材料在新能源和可再生纖維制備方面的利用提供參考。用SAS軟件分別分析不同生長期和植株性別對工業大麻稈 “三大素”質量分數的相關性。結果表明：生長期對工業大麻稈纖維素、木質素質量分數的影響顯著（P＜0.05），對半纖維素質量分數的影響不顯著（P＞0.05）；植株性別對工業大麻稈纖維素和半纖維素質量分數的影響顯著（P＜0.05），對木質素質量分數的影響不顯著（P＞0.05）。在整個生長期， “三大素”質量分數分別為380.8～525.0 g·kg-1，174.2～275.5 g·kg-1，109.8～235.8 g·kg-1；隨生長期的延長，纖維素和半纖維素質量分數先增加后減小，木質素質量分數呈增加趨勢，即在工業大麻稈的生長過程中纖維素和半纖維素的合成要早于木質素。生長期77 d時植株開始出現雌、雄性別的表觀差異，雌株的纖維素和木質素質量分數大于雄株的，半纖維素小于雄株的；但雌雄株之間的化學成分差異產生的原因還有待進一步進行研究。圖6表1參21

植物學；生長期；植株性別；工業大麻稈；纖維素；木質素；半纖維素

大麻Cannabis sativa是人類最早栽培的作物之一，其原產地為中國、印度、伊朗等［1］，俗名漢麻、寒麻、線麻、花麻等，品種有150個左右［2］。大麻是1年生草本植物，大部分品種均是雌雄異株，只有少部分品種為雌雄同株［3］。工業大麻稈橫截面的微觀結構類似于闊葉材，是一種低密度纖維原料［4］，纖維細胞長度中等，纖維細胞壁的力學性能較其他農作物秸稈、針葉材和闊葉材要低［5］，可用于制備輕質高強結構用材料、刨花板和纖維板等［6］。大麻生長迅速，生長期為100～190 d，曾是人類重要的纖維、油料、糧食作物，但由于大麻在第二次世界大戰時期被當做毒品吸食，一度被禁種。因大麻纖維具有許多其他纖維無法比擬的優良特性，被廣泛用于制備高強度的木質復合材料、紡織和造紙等領域［7-11］。科研工作者為了使它可以繼續造福人類，開展了低毒大麻的研究工作并取得成功，新品種大麻被稱為工業大麻。目前，工業大麻已被廣泛種植于世界各地，尤其是歐洲、加拿大和中國［12-13］。工業大麻的韌皮部和籽得到了較好的開發利用，但工業大麻中生物質量最多的木質部部位（其生物質量是麻皮的2倍、種籽的4倍）卻沒有得到工業化利用。雖然被研究用于制備人造板、乙醇、黏膠纖維等，但還限于實驗室研究階段。當前，科學家們圍繞雌雄異株的植物做了很多研究，包括不同性別植株的分布、植株之間的相互轉化、共生和競爭等；但對植株性別對其莖干理化性能影響的研究還比較少。 “三大素”（纖維素、半纖維素、木質素）是生物質材料中的主要化學成分［14］，也是生物質材料中最有利用價值和目前研究最多的物質。在制漿造紙時，生物質材料中的木質素較低則較為理想；在紡織［15］工業、乙醇［16］和黏膠纖維［17］制備時，生物質材料中纖維素較高、木質素和半纖維素較低則較為理想；在制備纖維板時，生物質材料中的纖維素和木質素較高、半纖維素含量較低則較為理想。所以，通過研究 “三大素”（纖維素、半纖維素和木質素）在不同生長期和不同植株性別［18］中的變化規律，可以為更好地利用工業大麻稈奠定基礎，還可以為更好地將1年生的草本植物用于乙醇、造紙、紡織、黏膠纖維等工業領域提供參考。選自云南昆明的工業大麻，種植密度為18.75萬株·hm-2，在工業大麻種籽成熟后植株的質量可達239.13～403.00 g·株-1，即可生產工業大麻稈44.85～75.56 t·hm-2。工業大麻稈中的碳元素按49%～50%計算，可固定碳元素為21.97～37.0 t·hm-2，換算成二氧化碳即為60.42～101.75 t·hm-2。可見工業大麻在固碳方面可以起到非常積極的作用。另外，本實驗是在實驗田中進行，該田地為優質土地，現在云南省不同地區的工業大麻稈的產量平均值為18.00 t·hm-2，即可固定二氧化碳24.25 t·hm-2，可見栽培工業大麻對降低中國的碳排放將有非常積極的意義，但是如果在收獲的季節里將這些秸稈進行焚燒，不僅會將固定好的碳排放到大氣里，秸稈焚燒的高溫還會破壞土壤中的微生物群落，造成土壤板結。如果將工業大麻稈制備成復合材料則可以將部分二氧化碳長時間的儲存起來。本研究主要討論植株生長期和性別對工業大麻稈”三大素”的影響，為更好地利用這種生物質材料奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗所用工業大麻稈均采自云南省昆明市同一塊田地，委托云南省農業科學研究院進行栽培，栽培類型為籽稈兼用型的‘云麻1號’，雌雄異株，行距為80 cm，塘距20 cm，18.75株·m-2（18.75萬株·hm-2）。試樣為全生命周期的工業大麻，包括種子發芽、生長、開花、結實至枯萎死亡，試樣是從工業大麻幼苗長到19 d時開始取樣，隔7～20 d取1次樣品，到生長發育完成種子成熟即生長天數為186 d時取樣結束；當生長期為77 d時，雄株開花，雌株和雄株表現出比較顯著的外觀差異，從77 d開始至種子成熟即生長期186 d結束，對雌株和雄株開始分別采樣，以研究植株性別對 “三大素”質量分數及工業大麻稈質量的影響。在植株生長初期（19～56 d）時，單株大麻稈質量較輕，采集新鮮樣品3～5 kg·次-1；當生長期為62 d以后時，采集樣品量為12株·次-1（77 d后，采集24株·次-1樣品，其中雌、雄株各12株）。采集樣品時利用手工鋸從植株緊貼地面的部位鋸斷，取整桿植株，利用剪刀將葉子和葉柄去除、再利用人工將麻皮剝除干凈，在（104±2）℃的烘箱里將其烘至絕干，逐株稱取植株的質量，用于計算工業大麻稈木質部的質量和生長速度。

1.2 試驗方法

1.2.1 纖維素、半纖維素質量分數的測試方法 將上述烘至絕干的主干和枝干一起混合粉碎處理，采用過40～60目篩的工業大麻粉為本試驗樣品。工業大麻稈中纖維素和半纖維素的測試方法是利用高效液相色譜法按照美國能源部測試方法（NREL法，http：//www.nrel.gov/biomass/analytical_procedures.html）進行測試，將40～60目篩的樣品進行苯-醇抽提后，用720 g·kg-1硫酸水解，攪拌均勻，于30℃下水浴60 min，把720 g·kg-1的濃酸水解液轉移至200 mL三角瓶中，并稀釋酸的質量分數至40 g·kg-1，將三角瓶放入高壓滅菌鍋，于121℃下保溫45 min；取5.00 mL濾液用80 g·kg-1氫氧化鈉調節酸堿值至pH 2.0后，稀釋至10.00 mL，用高效液相色譜法（HPLC）測定水解后的每一種單糖質量分數。利用高效液相色譜進行測試 （HPLC，儀器型號為LC-20AT，日本島津公司進行生產）。測試條件分別如下：色譜分離柱：Biorad Aminex HPX-87H Column（300.0 mm×7.8 mm，9 μm）；保護柱：Biorad Microguard Cation-H（30.00 m×4.6 mm）；RI示差檢測器；流動相：去離子水；進樣體積：20 μL；流動相流速：0.6 mL·min-1；柱溫：85℃條件下進行的。同一條件下測試3次，取平均值為最后結果。

1.2.2 酸不溶木質素質量分數的測試方法 酸不溶木質素質量分數參照GB/T 2677-1993《造紙原料化學成分分析標準》進行測定；同一條件下測試2次，取平均值為最后結果。

用SAS軟件分析生長期和植株性別對工業大麻稈 “三大素”質量分數的相關性，具體內容詳見3.2和3.3部分。

2 結果與分析

2.1 生長期對工業大麻稈質量、質量生長速度的影響

表1 全生命周期工業大麻稈的植株質量Table 1 Plant weight of industrial hemp stalk in the whole growth period

由表1可知，當工業大麻的生長天數在19～67 d時，工業大麻稈的質量的增加速度是呈遞增的趨勢，且在67 d時達到最大值為0.92～1.93 g·d-1；在生長天數為77 d時，工業大麻稈質量的增加速度開始減少，0.60～1.33 g·d-1；生長天數從77～98 d時，工業大麻稈質量的增加速度呈遞增的趨勢，并且在98 d時達到最大值為1.12～2.26 g·d-1；生長天數從98～186 d時，工業大麻稈質量的增加速度呈先減少后增加的趨勢。

生長期為77 d時，工業大麻稈開始出現雌、雄性別差異，不同植株性別對工業大麻稈的植株質量、質量生長速度的變化趨勢見表1所示。由表1可知：植株性別對植株質量和質量生長速度具有一定的影響。在77～186 d內，雌株質量大體上呈增加的趨勢，且在186 d時達到最大值，為256.25～409.69 g；雌株質量生長速度大體上呈先增加后減小再增加的趨勢，且在178 d時達到最大值，為1.44～2.30 g·d-1。在77～186 d內，雄株質量大體上呈增加的趨勢，且在186 d時達到最大值，為222.00～396.30 g；雄株質量生長速度大體上呈先增加后減小再增加的趨勢，且在98 d時達到最大值，為1.19～2.52 g·d-1。此外，由表1可以看出：在77～186 d的范圍內，雌、雄株的質量都在不斷增加，在77～105 d，同一生長天數下，雄株的質量總體呈大于雌株質量的趨勢。在生長后期，雄株的質量小于雌株，在現蕾初期，雌株生長慢，植株矮，雄株生長快，植株高，所以在前期，雄株的質量大于雌株；成熟的大麻稈雌株的莖稈粗，雄株莖稈細，因此在生長期后期，雌株的質量大于雄株［19］；另一個原因是因為雌株的主要功能是孕育種子，雄株的主要功能是提供花粉，雄株必須在雌株開花之前就要完成開花的任務，當成功提供花粉之后，為了給雌株提供足夠的養分，雄株進入了死亡期即其莖干質量呈不變狀態。

2.2 生長期對 “三大素”質量分數的影響

圖1 生長期對工業大麻稈纖維素質量分數的影響Figure 1 Effect of growth stage on cellulose mass fraction of Industrial hemp stalk

圖2 生長期對工業大麻稈半纖維素質量分數的影響Figure 2 Effect of growth stage on hemicellulose mass fraction of Industrial hemp stalk

不同生長期工業大麻稈中 “三大素”的質量分數及其變化趨勢見圖1～3所示。由圖1～3可得：在工業大麻的整個生長周期，隨著大麻稈生長天數的增加，纖維素和半纖維素質量分數呈先增加后減少的變化趨勢，木質素質量分數呈增加趨勢，該趨勢與Killer等［20］的研究結果相似。本研究在Killer等的基礎上進一步研究了從工業大麻稈幼苗到死亡整個生命周期里 “三大素”的變化，用SAS軟件分別分析生長期對工業大麻稈 “三大素”（纖維素、半纖維素、木質素）質量分數的差異性。結果表明：生長期對工業大麻稈纖維素質量分數的影響顯著（P=0.015 2）；在112 d時，纖維素質量分數達到最大值，為520.0 g·kg-1。生長期對工業大麻稈半纖維素質量分數的影響不顯著（P=0.945 9）；生長期為67 d時，半纖維素的質量分數達到最大值為266.5 g·kg-1。生長期對工業大麻稈木質素質量分數的影響很顯著（P＜0.000 1）。在整個生長期內，木質素質量分數基本上隨著大麻稈生長期的增加而增加，在186 d時達到最大，最大值為235.8 g·kg-1。原因可能是在植物的生長初期，頂端分生組織和形成層進行了快速分裂，生成大量的植物細胞，這些細胞還沒有完全成熟，即所有細胞均含有初生壁，但次生壁還沒有生成；所以纖維素和半纖維素質量分數快速增加，隨著細胞次生壁的生成，木質素質量分數快速增加，而纖維素和半纖維素的質量分數則相對減小，因此，在工業大麻生長期為186 d時，木質素質量分數達到最大值。

綜上可知，在生物質材料中纖維素和半纖維素的合成要先于木質素的合成；可以根據生物質材料的用途來選擇合適的生長階段。比如，在利用生物質材料制備乙醇、黏膠纖維、造紙原料［21］時，就可選取纖維素質量分數最高、木質素質量分數相對較低時的生物質材料；當利用該生長階段的生物質材料制備生物乙醇時，就會從根本上降低利用生物質材料制備乙醇的難度。

2.3 植株性別對 “三大素”質量分數的影響

不同植株性別工業大麻稈 “三大素”質量分數的變化趨勢見圖4～6所示。由圖4～6可知：從77 d開始工業大麻稈開始有植株性別之分，在生長天數相同時，工業大麻稈中雄株的纖維素、木質素質量分數大于雌株，雌株的半纖維素質量分數大于雄株。用SAS軟件分別分析植株性別對工業大麻稈 “三大素”（纖維素、半纖維素、木質素）質量分數的差異性，結果表明：植株性別對工業大麻稈的纖維素和半纖維素質量分數的影響均極顯著（P值分別為P=0.004 0和P=0.001 0；對木質素質量分數的影響不顯著（P=0.123 7）。

圖3 生長期對工業大麻稈木質素質量分數的影響Figure 3 Effect of growth stage on lignin mass fraction of industrial hemp stalk

圖4 植株性別對工業大麻稈纖維素質量分數的影響Figure 4 Effect of plant gender on cellulose mass fraction of industrial hemp stalk

總之，植株的性別對纖維素和半纖維素質量分數均有顯著的影響，對木質素質量分數的影響不顯著。主要原因在于：一方面植物的性別不同，在植物的生存繁衍中起著不同的角色；另一方面因為植物的性別不同，其植株中所含有的植物激素在理論上也會存在一定的差異，如果可以找出這種植物激素差異，并與植物 “三大素”的合成建立關系，就可以更好地理解植物的生長發育，還可以利用外源激素對植物 “三大素”的合成進行調控，以得到我們想要的材料，滿足人類發展的需求，實現生物質材料的可設計性。

圖6 植株性別對工業大麻稈木質素質量分數的影響Figure 6 Effect of plant gender on lignin mass fraction of industrial hemp stalk

3 結論

工業大麻的生長期和植株性別均可以對它的 “三大素”質量分數產生顯著的影響。本研究可得到如下結論：①工業大麻稈在整個生長周期內， “三大素”（纖維素、半纖維素、木質素）質量分數分別為380.8～525.0 g·kg-1，174.2～275.5 g·kg-1，109.8～235.8 g·kg-1，生長期對工業大麻稈纖維素、木質素質量分數的影響顯著（P＜0.05），對半纖維素質量分數的影響不顯著（P＞0.05）；纖維素和半纖維素質量分數先增加后減小，木質素質量分數呈遞增趨勢，在生物質材料中纖維素和半纖維素先合成，木質素后合成。②植株性別對工業大麻稈纖維素和半纖維素質量分數的影響顯著（P＜0.05），對木質素質量分數的影響不顯著（P＞0.05）；雌株中纖維素和木質素質量分數高于雄株，半纖維素質量分數低于雄株，主要由于雄株和雌株在工業大麻的生存繁衍中起著不同的角色而決定的。

后續將進一步研究不同性別植株中四大植物激素的含量，為實現利用外源植物激素對工業大麻稈化學成分含量的調控奠定基礎。

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Growth stage and plant sex with chemical compounds of industrial hemp stalks

WU Ning1,2,XIAO Rui1,2,XU Yanping3,DU Guanben1,LI Xiaoping1,2,SUN Fei1,2
（1.Yunnan Key Laboratory of Wood Adhesives and Glue Products,Southwest Forestry University,Kunming 650224, Yunnan,China;2.College of Materials Engineering,Southwest Forestry University,Kunming 650224,Yunnan,China; 3.Industrial Crop Research Institute,Yunnan Academy,Agricultural Sciences,Kunming 650205,Yunnan,China）

Studying the influence of growth stage and plant sex on chemical compounds of industrial hemp stalks could provide a reference for renewable fiber preparation and new energy.The cellulose,hemicellulose, and lignin contents of industrial hemp stalks were tested by the high performance liquid chromatography（HPLC）and China chemical compounds analysis standard for paper making raw materials（GB/T 2677-1993）. Results showed that growth stage had a significant effect（P＜0.05）on cellulose content and lignin content of industrial hemp stalks but not on hemicellulose content.Meanwhile,plant gender significantly affected （P＜0.05）cellulose content and hemicellulose content of industrial hemp stalks but not lignin content.For the entire growth period of hemp stalk,the range of cellulose content was from 380.8 to 525.0 g·kg-1,of hemicellulose content was from 174.2 to 275.5 g·kg-1,and of lignin content was from 109.8 to 235.8 g·kg-1.As time increased,the mass fractions of cellulose and hemicellulose increased first and then decreased （The P value of cellulose was P=0.015 2 and hemicellulose’s was P=0.945 9 with SAS software）;whereas the mass fraction of lignin increased steadily （P＜0.000 1 with SAS software）.Also,synthesis of cellulose and hemicellulosewas earlier than lignin.Differences between male and female gender became apparent by the 77th day of growth with cellulose（P=0.004 0 with SAS software）and lignin（P=0.123 7 with SAS software）contents of female plants being higher than male plants,and the hemicellulose content lower （P=0.001 0 with SAS software）.Reasons for differences in the chemical compounds between male and female plants will require further study.［Ch,6 fig.1 tab.21 ref.］

botany;growth stage;plant gender;industrial hemp stalk;cellulose;hemicellulose;lignin

S781

A

2095-0756（2015）05-0776-07

10.11833/j.issn.2095-0756.2015.05.018

2014-12-13；

2015-01-13

國家自然科學基金資助項目（31200437）；國家麻類產業技術體系建設項目資助（CARS-19-E05）；國家林業局林業公益性行業科研專項（201404515）；云南省教育廳重點資助項目（2013Z085）

吳寧，從事生物質復合材料和生物酶的研究。E-mail：18208816133@163.com。通信作者：李曉平，副教授，博士，從事生物質復合材料和生物酶研究。E-mail：lxp810525@163.com