第 1 章 绪论
1.1 玉米在农业生产方面的现状
1.1.1 玉米种植面积范围扩大
近年来，随着科学的进步与科技的发展，农业发生极大的变化，得以迅猛发展。作为我国基础性农作物的玉米，在农业生产以及工业发展进程中逐渐占据主导地位[1]。根据粮农组织（粮食及农业组织）的数据，2000 年全球玉米种植面积为 1.38 亿公顷，2016 年种植面积为 1.77 亿公顷。美国是最大的玉米生产国（占世界产量的 43％），其次是亚洲（25％）和拉丁美洲和加勒比地区（13％）。非洲生产了世界玉米的 7％。大约 8000 万英亩的土地种植玉米。在土耳其，玉米种植面积约为 600,000-650,000 公顷[2]。我国玉米种植区域分布广泛，到目前为止，受供给侧结构性改革的制约，玉米在我国的种植面积大约维持在 2500 万公顷左右。如图 1-1 所示，2005 年~2007 年是玉米种植面积的盛年，玉米播种面积分别达到了 2635、2697、2766 万公顷 [3]。自 16 世纪中叶引进玉米到目前为止，玉米种植面积已经实现了空前的飞跃。
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1.2 玉米秸秆的利用现状
秸秆作为一种可再生能源，其高效利用主要有五个方面：肥料、工业原料、燃料、饲料、食用菌基料[14]。
1.2.1 肥料上的利用
我国玉米秸秆年产量超过 2 亿吨，其中有大约 3520 万吨的秸秆用于还田[15]，秸秆还田以直接还田的方式为主，农业机械直接将秸秆打成碎块使其平附在地表上，用机械对其进行翻压，并在土壤中发酵腐熟。秸秆还田显著降低土壤密度，秸秆发酵使得土壤中微生物含量升高，降低土壤板结概率，使得土壤肥沃，作物产量升高[16]。截止到 2010 年，我国约有 2.8 亿吨的秸秆用于还田。
1.2.2 工业上的利用
根据美国能源情报署（U.S.E.I.A）的数据，全球石油消费量从 1980 年至 2015年的每天 6300 万桶增加到每天 9370 万桶，向大气层释放了数千吨温室气体。减少全球碳足迹成为当今世界最严峻的问题。由于清洁和可再生可燃物的原因，生物乙醇被评估为替代石油的更好替代品[17~18]。作为一种生物质能源，玉米秸秆是生产生物乙醇的理想材料。可用于通过各种转化技术生产可再生电力，热能或生物燃料和化学品，如燃烧、气化、热解、生物消化、发酵等[19~20]。使生物质能成为化石燃料的完美替代品；在生产聚合物功能材料 γ-聚谷氨酸 (γ-PGA)时，以酶水解廉价的玉米秸秆做为碳源，以微生物发酵的方式生产 γ-聚谷氨酸 (γ-PGA)，具有产率高、成本低的优点[15]；秸秆可以广泛地工业板材加工方面：人造纤维板的加工、用作墙体复合材料、纤维复合材料的制备、用作包装制品等[21~23]。
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第 2 章 材料与方法
2.1 试验材料
本试验以从美国、中国等搜集的 600 份玉米自交系为研究材料，分别于 2016年、2018 年春种植在黑龙江大学呼兰校区试验田，试验田采取随机区组试验设计，重复两次，单行区种植，行长 2.5m，行距 0.6m，试验田管理等同于大田管理。
分别于 2016 年、2018 年秋收获玉米自交系秸秆，分装，采取 DGG-9070 电热恒温鼓风干燥箱高温烘干的方式，使其充分烘干，减少细胞内纤维素酶等对纤维素的分解。电子游标卡尺测量地上部第三节椭圆形短轴直径，记为秸秆茎粗（SD, Stem Diameter），利用 YYD-1 型秸秆强度测定仪对秸秆基部第 3～4 节椭圆形短轴进行穿刺强度（RPR, rind penetrometer resistance）和抗弯折能力（S, strength of resistance to bending）的测试。上述指标，每份样品均测量三次，排除测量异常值后取平均值。2018 年玉米成熟后期，进行玉米倒伏情况的调查，记录不同自交系倒伏植株个数（生长偏离正常轨迹即为倒伏植株），以单行倒伏植株占单行总植株的比例作为倒伏率（SLR, Stem lodging rate）。采用 FZ102 型微型植物粉碎机将其粉碎，并通过 20 目筛，储存备用。测量之前，将样品放于 60℃烘箱中约 30 分钟，减少水分的影响，又要防止静电反应的影响。
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2.2试验方法
主要利用上海晟声 F12A 型全自动纤维素仪对秸秆细胞壁主要成分纤维素、酸性洗涤纤维、中性洗涤纤维进行测量。
依次经过以下步骤：酸煮、水洗、碱煮、水洗、脱脂、丙酮洗、烘干、灰化等步骤。结果计算如公式（2-1）所示：
CEL% (原样基础)= [(m3-m1)-(C3-C1)]-[(m5-m4)-(C5-C4)]×100/m2 （2-1）
依次经过以下步骤：装样、酸煮、水洗、脱脂、丙酮洗、烘干称重等步骤。结果计算如公式（2-2）所示：
ADF%(原样基础)=[(m2-m1)-(C2-C1)]×100/m （2-2）
采用中国农业科学院作物科学所德国 BRUKER 公司生产的 MPA 变换近红外光谱仪，OPUS 6.0 Bruker 软件，仪器工作参数为扫描次数 64 次，分辨率 8cm-1。具体操作步骤为：取适量的玉米秸秆粉末放入直径 50mm 的样品杯并轻轻摇动以均匀地填充样品杯底部进行旋转扫描，每个样品重复装样扫描 2 次，将样品光谱通过徐丁一（2011）建立的近红外光谱转化模型转换为数值，计算两次重复的平均值[77]。
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3.1 纤维滤袋技术对秸秆成分测定结果与近红外建模预测结果比较 ................. 18
3.2 玉米自交系间秸秆细胞壁品质性状测定与分析 ................................. 20
3.2.1 玉米自交系秸秆品质性状特征分析 ...................................... 20
3.2.2 玉米自交系秸秆品质性状相关性分析 ..................... 24
第 3 章 结果与分析
3.1 纤维滤袋技术对秸秆成分测定结果与近红外建模预测结果比较
目前，NIRS 技术在玉米品质性状测定方面得到了广泛的应用，具有快速、绿色、低能耗的优点，缺点是所建模型存在局限性。其工作原理是根据物质分子结构的不同通过光谱扫描对物质进行分析，因而，一种模型只能应用在结构与化学组成相近的一类物质。因此，本研究通过纤维滤袋法测量出了酸性洗涤纤维、中性洗涤纤维两种成分，对近红外光谱模型所预测数据的准确性进行验证，来探讨模型在本实验的适用性。
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结论
本研究以从美国、中国等搜集来的 600 份玉米自交系材料为基础，分两年种植得到秸秆材料，并以化学、物理两方面对秸秆品质性状、抗穿刺强度、抗弯折能力、秸秆茎粗的测量及植株倒伏率开展调查；并通过光学显微镜、扫描电镜进行微观结构进行观察。主要获得以下结论：
利用纤维素分析仪基于滤袋技术测定的秸秆中酸性洗涤纤维及中性洗涤纤维含量与利用近红外光谱仪基于近红外数学模型预测值间无显著差异，吻合度高，该模型可用于本研究供试样品秸秆品质性状预测，近红外建模预测手段可以很好的预测秸秆的化学组分。供试样品 6 种品质性状变异系数差异很大，且均存在广泛的遗传差异。6 个品质性状基本都符合正态分布曲线，且均达到显著或极显著相关。其中，ADF 与 NDF 相关性最大。IVDMD 与秸秆细胞壁 ADF、NDF、CEL、ADL 均呈显著线性负相关关系，与 HCEL 不存在显著线性相关。秸秆细胞壁化学成分均对体外干物质消化率有显著影响，可解释 IVDMD 88.6%的表型变异，6 种品质性状中，ADL 变化对 IVDMD 的影响最大。供试材料的 SD、RPR、S 存在广泛的遗传变异。RPR 与 ADF、HCEL 相关性不显著，与 SD、RPR、S、NDF、CEL、ADL 均存在显著或极显著相关关系，秸秆茎粗与木质素对穿刺强度贡献显著。
通过微观结构的观察得出：纤维素、木质素可以通过影响机械组织的形态结构来影响植株的抗穿刺强度。秸秆穿刺强度与秸秆细胞壁中纤维素、木质素含量相关性显著。并筛选出了各性状所对应的较小值与较大值品种各 5 种，作为育种材料，为专用型玉米的开发培育提供材料基础。
参考文献（略）