生物质能源作为重要的可再生能源之一,其开发和利用为解决当前石油危机、全球变暖等重大问题提供了新的途径。木质纤维素是细胞壁的主要组成成分,也是生产生物能源的主要原材料,而草本植物由于具有高纤维含量、高产等特点被认为是重要的木质纤维素资源。木质纤维素的主要成分为纤维素、半纤维素和木质素,其中,木质素是降低木质纤维素酶解效率的主要结构性障碍。鉴于当前生物能源生产利用中纤维素和半纤维素转化效率低和酶解困难,以及现有能源植物存在利用争议的问题,本文选择一年生禾本科作物玉米、多年生豆科牧草紫花苜蓿和一年生藜科杂草灰灰菜作为研究对象,采用显微观察、组织化学定量方法,比较其木质素的发育、沉积方式及含量变化,对比分析不同预处理对三种材料木质素的降解效率的影响,以期为草本植物木质纤维素的生物质燃料生产利用提供理论依据,主要结果如下:1)对玉米、紫花苜蓿、灰灰菜三种植物不同发育时期茎切片、染色及自体荧光观察发现,紫花苜蓿与灰灰菜的茎横截面组织结构排布较为类似,即这两种植物的组织结构除表型存在一定差异之外在茎横截面上的位置及分布表现一致,均为从表皮向髓部依次分化出的不同组织结构。而玉米与二者的茎部结构差异较大,为多个独立的维管束镶嵌入薄壁细胞的组织结构。三种植物茎中木质素最早沉积的部位均为初生木质部,其后在次生木质部以及茎中其他一些木质化组织中沉积。S木质素与G木质素在三种植物茎中均有沉积,且沉积部位均相同。紫花苜蓿和灰灰菜茎中木质素沉积部位有初生木质部、次生木质部,而韧皮部也发现了不连续的木质素沉积,S木质素与G木质素在韧皮部均有不连续沉积。玉米茎中木质素沉积的部位除初生木质部、次生木质部外还有厚壁组织,韧皮部没有木质素沉积。此外,灰灰菜表皮绿色组织也有少量木质素沉积,而紫花苜蓿和玉米的表皮没有发现木质素沉积。三种植物木质素从茎生长的幼嫩时期开始出现沉积,并随着生长发育的进行不断沉积,一直到植物开花结果完全成熟时仍有少量沉积。2)对玉米、紫花苜蓿、灰灰菜三种植物不同发育时期的形态学指标、生物量和木质素含量进行对比分析发现:玉米和紫花苜蓿的株高、茎径等各项形态学指标分别于开花期(玉米为开花吐丝期)基本达到稳定,并在以后的生长发育时期变化不显著。这两种植物的茎、叶生物量分别于乳熟期(玉米)和青荚期(紫花苜蓿)达到最大值,茎、叶生物量最大值分别为玉米茎587.23 g/株、叶171.51g/株,紫花苜蓿茎401.36 g/株、叶269.06 g/株;而灰灰菜的各项形态学指标及生物量随着生长发育的进行而不断增加,并在完全成熟时期达最大值,茎、叶生物量最大值分别为292.53 g/株、142.14 g/株。三种植物最大生物量分别为灰灰菜39.45 t DM/hm~2>玉米24.22 t DM/hm~2>紫花苜蓿15.00 t DM/hm~2。茎木质素含量在整个生长发育过程中均保持持续增长,完全成熟的三种植物茎木质素含量高低:灰灰菜0.1746 g/g DM>玉米0.1645 g/g DM>0.1346 g/g DM。以上结果表明紫花苜蓿在青荚期收获、玉米在乳熟期收获更有利于其进行生物质能源的生产,灰灰菜由于在完全成熟期收获时具有最大的生物量但木质素含量相应也较高。但灰灰菜具有生物量大且抗逆性强等优点,是一种有潜力的能源植物,有待进一步选育驯化。3)对玉米、紫花苜蓿、灰灰菜三种植物不同发育时期获得的茎样分别进行酸预处理和碱预处理后测定木质素含量发现,两种预处理均显著降低了木质素含量,其中,碱预处理的木质素降解效率比酸预处理高,并且对玉米茎样的处理效果优于紫花苜蓿和灰灰菜。三种植物碱预处理的木质素降解率平均值的最大值的平均值分别为:72%、66%、62%。酸预处理对紫花苜蓿和玉米茎样的木质素降解率分别为59%和57%,而灰灰菜的降解率为52%。随着植物生长发育的不断进行,木质素沉积不断增多,预处理对植物茎样中木质素的降解程度显著降低(P<0.05),表明选择木质素含量较低且生物量较大的适宜收获时期,降低木质素的影响对于草本能源植物工业生产极为重要。综上,三种植物茎木质素的沉积从初生木质部开始进行扩散,并且其木质素含量随着生长发育进程而逐渐提高,玉米、紫花苜蓿和灰灰菜分别选择乳熟期、青荚期和成熟期收获,并使用碱预处理去除木质素后进行生物能源生产利用木质纤维素转化效率高。