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研究木质纤维原料化学成分的含量及在细胞壁中的分布有助于对木质纤维原料进行综合高效的利用,是制订生产工艺的基本依据,也是实现木纤维生物质增值利用和循环经济的关键[1-2]。木质纤维原料由木质素、纤维素和半纤维素组成,纤维素构成纤维细胞壁的主要框架结构,半纤维素和木质素填充在纤维以及微细纤维之间,其中,木质素又以三维网状结构镶嵌在木质纤维原料中。纤维素、半纤维素和木质素彼此通过物理的或化学的链接方式构建成一个立体、致密、复杂的网络结构,该结构具有抵抗外力以及抵抗微生物侵蚀的能力[3-4]。这种多组分的存在以及彼此之间复杂的化学或物理的链接,导致木质纤维中各组分不易被分离出来。尤其对于复杂组分的木质纤维,需要借助木质纤维原料的全溶体系,通过不破坏各组分结构、没有衍生反应,最终将各组分以高得率、高纯度分离出来。木质素是研究比较多的纤维原料的化学成分,对木质素的认知一直基于降解后的结构已破坏的木质素,一般也是用分离后的木质素进行诸如核磁共振(NMR)的波谱分析来获取木质素的结构相关信息,即使固相的木质素NMR也不能给出足够的结构信息[5-6]。有关木质纤维原料的溶剂近年研究较多[7-10],氯化锂/二甲基乙酰胺(LiCl/DMAc)可以溶解纤维素,但不能溶解含有一定木质素的浆料[11-12],木质素经过衍生反应后却可以溶解在LiCl/DMAc体系中[13]。在木质纤维原料的溶解方面,木质素是重要的影响因素[14]。氯化锂/二甲基咪唑(LiCl/DMI)毒性低、热稳定性好,可用于纤维素的均相反应体系的溶解[15-16],纤维素的添加量可以高达10%[17-18],但若换成硫酸盐针叶材浆料,且浆料中木质素添加量低至2.0%,至少需要2周溶液才能完全澄清[19]。氯化锂/二甲亚砜(LiCl/DMSO)溶剂体系为高聚物的反应溶剂介质[20-21],WANG等[22]将LiCl/DMSO用于木质纤维原料的溶解,得到了木质纤维素全溶体系,经水再生后纤维素的结晶度会下降,但木质素的含量及其结构没有受到影响。LiCl/DMSO既可以用于全面分析木质素组分,也为分离细胞壁中纤维素、半纤维素、木质素提供了一个可能的溶剂体系[23-24]。本研究以非木材稻草(水稻Oryza sativa秸秆)为原料探讨稻草在LiCl/DMSO溶剂体系的溶解行为及再生特点,为全面解析稻草原本木质素结构信息提供一个理想可行的全溶溶剂体系,实现对原本木质素的高得率、高纯度的分离。
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稻草取自日本某农场,原料风干后,选取不带节的秆、带节的秆、叶及全秆,手工剪成30~50 mm的草片。草片原料再用Wiley微型粉碎机粉碎,收集40~80目组分,用苯-乙醇溶液(体积比为2∶1)进行脱脂抽提8.0 h,真空干燥后,储存于广口瓶中,供分析使用。
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采用Pulverisette 7微型行星式高能球磨机(Fritsch)进行球磨。在45 mL氧化锆制的罐子里称取4.0 g干燥后的脱脂草粉,内装18只内径1 cm的氧化锆圆球,在600 r·min−1条件下进行0.5,1.0 h不同时间的球磨,每运行5 min,休停10 min,以避免设备过热。球磨草粉经真空干燥后,装瓶备用。
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配制LiCl/DMSO溶剂体系,其中LiCl质量分数分别为2%、4%、6%、8%。称取不同球磨时间获得的草粉,在室温下按照质量分数为8%添加量在LiCl/DMSO溶剂体系中进行磁力搅拌48.0 h。
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LiCl/DMSO溶剂体系处理脱脂原料的流程如图1所示。球磨稻草粉用质量分数为6% LiCl/DMSO溶剂体系处理,完全溶解后,整个混合体系移入透析袋(孔径50 Å、直径28 mm、透过分子量为14 000),将透析袋浸入去离子水中进行透析,隔4 h换1次水,每次用硝酸银(AgNO3)溶液检测透析液中有无氯离子(Cl¯),直至完全置换出LiCl/DMSO溶剂体系。透析后的物料经冷冻干燥、真空干燥后,得到球磨的再生原料,装瓶备用。
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木质素的结构单元通过硝基苯氧化结果来分析[27]。
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纤维结晶指数分析在日本理学Ultima IV组合型多功能水平X射线衍射仪上进行,采用粉末法。结晶指数计算参考文献[28]。
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由图2和图3所示:随球磨时间的不同,稻草各部位在LiCl/DMSO溶剂体系中呈现不同的溶解性能。球磨0.5 h时,稻草叶和秆在质量分数为6%LiCl/DMSO溶剂体系中有明显的混浊,随着球磨时间的增加,稻草叶、秆在溶剂中溶解得更为透彻,球磨1.0 h时能得到澄清透亮的溶液。木质纤维原料的比表面积大小及化学成分组成对溶解的难易程度影响很大,木质纤维原料的粒径越小其溶解越容易。相较于球磨,未球磨的40~80目的草粉在LiCl/DMSO溶剂体系中呈混浊状,静置片刻会有明显的固液分层。木质材料纤维细胞的细胞壁结构十分复杂,纤维素、半纤维素和木质素都会阻碍有机离子液体向木质纤维素内部扩散。其中纤维素的结晶区、木质素的三维网络结构特点、各组分之间的复杂链接等使得木质纤维原料不能溶于一般的溶剂中。另外,稻草中灰分含量较高。当球磨时间为1.0 h时,稻草的叶、秆组分可完全溶解在质量分数为6% LiCl/DMSO溶剂体系中。而球磨1.0 h的马尾松Pinus massoniana原料在质量分数为6% LiCl/DMSO溶剂体系中并不能完全溶解。即使同样的溶剂体系,山毛榉Fagus crenata、云杉Picea abies脱脂木粉需要经过球磨处理2.0 h后才能全部溶解[22]。稻草和木材化学成分不同,稻草的木质素含量相对较低,灰分含量相对较高,质地结构相对于木材较为疏松[29],因此可以在球磨处理较轻的条件下被溶解。稻草各部位都很容易溶于LiCl/DMSO溶剂体系,化学组成的差异性会影响稻草在LiCl/DMSO溶剂体系中的溶解量,稻草叶、秆在质量分数为6% LiCl/DMSO溶剂体系中可溶解的质量百分数达8%。
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图4和图5为球磨1.0 h的稻草叶、秆在不同质量分数LiCl/DMSO中搅拌48.0 h的溶解性能。木质纤维原料的溶解能力可认为是溶剂对碳水化合物和木质素之间形成的这些错综复杂的网络结构的有效突破。LiCl/DMSO作为复合溶剂,每个溶剂成分在溶解过程发挥各自作用,且又通过协同作用最终溶解目标物。随着LiCl质量分数的逐步增加,稻草叶、秆溶于LiCl/DMSO溶剂中的溶液透明度越来越高,说明稻草溶解越充分。当LiCl在DMSO中的质量分数达到6%时,稻草叶、秆的溶液已完全透明。在LiCl/DMSO溶剂体系中,Cl−与纤维素分子中羟基上的氢结合,形成氢键并破坏纤维素晶格中原有氢键网络[20],DMSO通过破坏分子间和分子内的氢键使微纤丝发生润胀,随着LiCl质量分数的逐步增加,Cl−增多,更多的纤维素原有氢键被打开,并被阻止重建。球磨1.0 h稻草叶和秆都能溶于质量分数6.0%的LiCl/DMSO溶剂中。在更高的LiCl质量分数下,能溶解的物质的量也高,在质量分数8.0%的LiCl/DMSO溶剂体系中球磨1.0 h稻草叶粉和秆粉的溶解量可达到10%。
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由表1可知:与木材的化学组成相比,稻草中半纤维素含量较多,灰分含量高,木质素含量少。稻草的不同部位在化学成分上也有很大的差异,稻草叶中灰分高达212.1 mg·g−1,高于稻草秆,而秆中的高聚糖质量分数要高于叶。木质素在稻草中的分布也不均一,在叶中为168.7 mg·g−1,在秆中146.5 mg·g−1。带节的茎秆与不带节茎秆在化学成分上相近;稻草叶在稻草中所占的比例最大,因此,稻草全秆在化学成分上更接近于稻草叶。
表 1 稻草原来主要化学成分
Table 1. Chemical compositions of extractive free straw samples
稻草原料 木质素/(mg·g−1) 高聚糖/(mg·g−1) 灰分/(mg·g−1) 酸不溶 酸溶 总木质素 葡聚糖 木聚糖 其他 总糖 带节的秆 110.1 36.4 146.5 428.2 153.5 35.4 617.1 165.6 不带节的秆 111.1 35.4 146.5 408.0 168.7 40.4 617.1 168.7 叶 120.2 48.5 168.7 348.5 149.5 39.4 547.4 212.1 全秆 124.2 37.4 161.6 359.6 164.6 47.5 570.7 190.9 -
稻草经球磨1.0 h,用质量分数为6%LiCl/DMSO溶剂体系处理,并在水中通过透析再生,得到再生稻草样品。由表2可知:球磨稻草再生原料中的木质素在LiCl/DMSO溶剂体系处理过程中有一定程度的下降,其中,稻草不带节茎秆和带节茎秆的木质素和高聚糖的再生能力强于稻草叶和全秆。稻草不同部位对LiCl/DMSO溶剂体系的再生响应不同,酸溶木质素质量分数在LiCl/DMSO溶剂体系溶解再生过程中几乎没变化。球磨时间和LiCl/DMSO溶剂体系中LiCl的质量分数对再生原料中木质素质量分数有一定影响。
表 2 球磨稻草再生后的主要化学成分
Table 2. Chemical compositions of regenerated straw samples with ball milling
再生原料 木质素/(mg·g−1) 高聚糖/(mg·g−1) 灰分/(mg·g−1) 留着率/% 酸不溶 酸溶 总木质素 留着率a/% 葡聚糖 木聚糖 总糖 留着率b/ % 带节的秆 104.0 22.2 126.3 86.3 395.9 124.2 552.5 89.5 53.5 89.0 不带节的秆 105.0 22.2 128.3 87.5 364.6 139.4 540.4 87.7 55.6 89.9 叶 109.1 23.2 132.3 80.5 313.1 127.3 456.5 83.5 101.0 80.5 全秆 109.1 23.2 131.3 81.0 332.3 135.3 486.8 85.4 92.9 86.5 说明:球磨2.0 h的稻草再生原料。a基于原料中木质素;b基于原料中高聚糖 从表2可以看出:水再生处理后,稻草4个不同部位木质素留着率为81.0%~86.3%,这个结果与经过相同处理的木粉木质素的留着率是一致的[22]。球磨2.0 h的木粉完全溶于质量分数为6%LiCl/DMSO溶剂体系中,经水再生后,木质素的留着率约85.8%。稻草中更多木质素的溶出可能由于LiCl在DMSO中的溶解度偏大(8%)。另外,木材与非木材的化学组成、化学结构、紧致程度也有所不同。球磨样品经LiCl/DMSO溶剂体系处理后,高聚糖质量分数没有明显变化。稻草不同部位对LiCl/DMSO溶剂体系处理的响应不同,稻草叶中的化学成分溶出相对较多,可能由于稻草秆的结构比较紧密,稻草叶质地疏松,因此稻草叶更易溶解在LiCl/DMSO溶剂体系中。秆和叶中的灰分在溶剂体系中的处理效果也有所不同,经溶剂体系处理后,秆中的灰分为55.6 mg·g−1,溶出约70%,而叶中的灰分为101.0 mg·g−1,几乎保留了原料中一半的灰分。可见经过LiCl/DMSO溶剂体系处理后,稻草叶中的灰分更易保留。
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球磨时间的长短会影响木质素的结构,一般球磨时间越长,木质素结构被破坏越严重[30−31]。木质素是由3种苯丙烷结构的先体通过醚键和碳碳键联接而成的具有三维立体结构的天然高分子聚合物。根据芳香核的不同,3种苯丙烷结构分别为愈创木基丙烷、紫丁香基丙烷、对-羟基苯丙烷。针叶材的木质素主要有愈创木基丙烷单元构成,阔叶材木质素主要由愈创木基丙烷和紫丁香基丙烷的结构单元构成,草本植物木质素的结构则包括愈创木基、对羟基苯基及紫丁香基丙烷单元。碱性硝基苯氧化反应一般用于木质素的结构单元分析,未缩合的对羟基苯基、愈创木基和紫丁香基单元在高温碱性条件下分别氧化为对羟基苯甲醛或酸(H)、香草醛或酸(V)和紫丁香醛或酸(S)。木质素结构中未缩合单元含量越高,意味着木质素的缩合程度就越低。由表3可知:稻草叶中木质素结构未缩合单元的得率为1.0~1.4 mmol·g−1,稻草秆为1.3~1.6 mmol·g−1,稻草秆的未缩合单元得率要高于稻草叶,稻草中不同部位的木质素化学结构上有一定差异,其中叶中的木质素缩合程度最高,这与MIN等[32]对玉米Zea mays秸秆木质素结构的研究结果一致。球磨1.0和0.5 h草粉的未缩合单元的氧化结果差异不大,但球磨1.0 h的稻草各部位未缩合单元产物的得率高于未球磨的脱脂原料,经过溶剂体系再生处理后,得率又有所下降。这种再生特征与木粉不同,球磨1.0 h的稻草,机械作用对木质素的结构有一定的影响,机械处理改善了硝基苯氧化的均相性。随球磨时间的延长,木质素的未缩合单元产物的得率稍有增加,球磨的机械处理会释放出一定量的愈创木基、对羟基苯基及紫丁香基基本结构单元,导致硝基苯氧化产物的得率在稻草叶中提高了32%,稻草秆中提高了19%。另外球磨也会引起一些高聚物解聚反应[33],不同于木材原料,稻草原料的木质素结构中还有对-香豆酸和阿魏酸,并通过—O—键和酯键方式与碳水化合物的结构相链接,这是稻草木质素区别于木材的重要特征[34]。因此,相较于紫丁香基单元,在球磨秆中的对羟基苯基、愈创木基就更易于释放出来,导致球磨原料中S/(V+H)比未球磨脱脂原料要低。球磨1.0 h样品经LiCl/DMSO溶剂体系处理,再生后,木质素未缩合单元的得率下降不到20%,球磨过程中释放出来木质素结构单元,会溶于LiCl/DMSO溶剂体系并在再生过程中流失,导致S/(V+H)增加。相比较于稻草秆,稻草叶中的木质素未缩合结构单元更容易在LiCl/DMSO溶剂体系的再生处理过程中流失。
表 3 稻草各部位的硝基苯氧化产物的得率及S/(V+H)
Table 3. Nitrobenzene oxidation products yields and S/(V+H) molar ratio of rice straw samples
样品 得率/(mmol·g−1) S/(V+H) 带节秆 不带节秆 叶 全秆 带节秆 不带节秆 叶 全秆 脱脂原料 1.30 1.30 1.01 1.22 0.67 0.67 0.43 0.43 球磨0.5 h 1.60 1.62 1.39 1.51 0.67 0.67 0.43 0.43 球磨1.0 h 1.60 1.59 1.42 1.43 0.43 0.43 0.43 0.43 球磨再生原料 1.42 1.50 1.03 1.21 0.67 0.67 0.67 0.67 说明:S表示紫丁香醛或酸得率;H表示对羟基苯甲醛或酸得率;V表示香草醛或酸得率 -
由图6可知:相较于未经处理的原料稻草,球磨1.0 h、经LiCl/DMSO溶剂体系处理再生后原料的衍射曲线其峰形均趋于平坦。由表4可见:叶中纤维素的结晶度由原来的37.8%,经球磨、再生后降低至27.5%,秆则由43.1%降低至26.5%,说明球磨再生处理破坏了原料中纤维素的结晶区,纤维素的聚集态结构遭受了破坏。研究发现:这样的溶解再生处理可以提高木质纤维原料的酶解效率,与未经处理的原料相比,再生处理使纤维素结晶区遭到破坏,促使酶解过程中有更多的高聚糖降解[35-36]。
表 4 稻草原料和再生稻草原料的结晶度
Table 4. Crystallinity of original and regenerated rice straw samples with ball milling
样品 结晶度/% 稻草叶原料 37.8 再生稻草叶原料 27.5 稻草秆原料 43.1 再生稻草秆原料 26.5 -
稻草中秆和叶经球磨1.0 h后均可完全溶解在质量分数为6%的LiCl/DMSO溶剂体系中,溶解的质量分数均达到8%;随着LiCl质量分数的提高,稻草球磨粉在溶剂体系中的溶解度也随之提高,球磨的叶和秆在8%LiCl/DMSO溶剂体系中溶解的质量分数都能达到10%。经水再生后,原料中超过80%的木质素得以保留,秆中木质素保留率可达到87.5%;高聚糖的再生能力要稍高于木质素。在所有化学成分中,叶中纤维素、木质素的再生能力最低;叶、秆中灰分的分布、沉积不同,叶中的灰分再生后约50%保留,且再生能力高于稻草秆。
稻草叶中木质素的缩合程度最高,秆中木质素缩合程度最低;叶和秆经球磨后,木质素的缩合程度均降低,机械处理导致更多的对羟基苯基、愈创木基和紫丁香基单元的木质素结构单元被释放,且秆中以愈创木基和对羟基苯基增加为主。球磨改进了硝基苯氧化环境,反应均相性得到了提高。再生后,各组分缩合程度降低。球磨再生后纤维素结晶区受到一定程度的破坏,结晶度下降。
Dissolution and regeneration of rice straws with LiCl/DMSO
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摘要:
目的 以球磨稻草(水稻Oryza sativa秸秆)为原料,通过氯化锂/二甲亚砜(LiCl/DMSO)溶剂体系处理,探讨球磨稻草在LiCl/DMSO溶剂体系中的溶解行为及再生特点。 方法 选取稻草叶、带节的秆、不带节的秆、全秆等4个部位,设置0.5、1.0 h球磨时间,设置LiCl质量分数为2%、4%、6%、8%的LiCl/DMSO溶剂体系进行溶解后再生,按照标准方法测定纤维素、半纤维素、木质素和灰分等化学成分,通过碱性硝基苯氧化来测定木质素结构单元的产率,分析木质素的缩合程度,采用X射线衍射图谱计算纤维素结晶度,比较再生前后的纤维素的结晶区变化。 结果 球磨1.0 h秆和叶均可完全溶解于LiCl/DMSO溶剂体系,质量分数为8%的LiCl/DMSO溶剂体系可溶解的叶和秆的质量分数能达到10%。经水再生后,80%以上的木质素得以保留,秆中木质素保留率可达到87.5%;经X射线衍射分析,叶中纤维素的结晶度从37.8%下降至27.5%,秆从43.1%下降至26.5%;硝基苯氧化结果表明:再生后,各部位中木质素结构未缩合单元含量均有所增加。 结论 球磨时间、LiCl的质量分数均会影响草粉在LiCl/DMSO溶剂体系中的溶解,再生后,球磨草粉中的化学成分再生能力强,经比较叶中纤维素、木质素的再生能力最低;叶、秆中灰分的分布、沉积有所不同,叶中的灰分再生能力高于秆。各组分经球磨后木质素的缩合程度降低,球磨改善了硝基苯氧化环境。再生后各部位中的纤维素结晶度有所下降,结晶区受到一定程度的破坏。图6表4参36 Abstract:Objective With the straw of Oryza sativa selected as raw materials, this study is aimed at an investigation of the dissolution behavior and regeneration characteristics of straw samples dealt with the LiCl/DMSO solvent system. Method With the national standard method employed, the four samples of straw (internode with knot, stem without knot, leaf and whole straw)were treated with the LiC1/DMSO system before an analysis was conducted of the general chemical composition of cellulose, hemicellulose, lignin and ash. On top of this, the effect of dissolution and regeneration of rice straw on the cellulose crystallization zone was investigated with the crystallinity calculated employing X-ray diffraction after the yield of lignin structural units produced by alkaline nitrobenzene oxidation was measured and the condensed degree of lignin was analyzed. Result (1) Both of stem and leaf with 1.0 h ball milling could be completely dissolved in LiCl/DMSO solvent system with a dissolution rate up to 10% even in the 8% LiCl/DMSO solvent system; (2) After water regeneration, more than 80% of the lignin could be retained with that of the stem reaching 87.5%; (3) The cellulose crystallinity was decreased from 37.8% to 27.5% for the leaf and from 43.1% to 26.5% for the stem; (4) The uncondensed units of lignin of all four samples were increased, as observed in the results of alkaline nitrobenzene oxidation. Conclusion (1) Both ball milling time and LiCl concentration affect the dissolution of rice straw in LiCl/DMSO solvent system; (2) In terms of regeneration, the chemical content displays high capacity and in comparison, that of the cellulose and lignin was the lowest in leaf sample while with a different ash distribution, the regeneration capacity of the leaf was higher than that of the stem; (3) After ball milling, the condensation degree of lignin decreases while the oxidation environment of nitrobenzene and homogeneous reaction was improved; (4) After regeneration, it was showed in the X-ray diffraction analysis that the crystalline region of cellulose was damaged to a certain extent and the crystallinity decreased. [Ch, 6 fig. 4 tab. 36 ref.] -
Key words:
- lignin /
- LiCl/DMSO /
- dissolution and regeneration /
- rice straw
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森林与湿地、海洋并称为全球三大生态系统,被誉为“地球之肺”“绿色水库”和“物种基因库”[1]。森林生态系统是陆地生态系统中面积最大、组成结构最复杂、生物种类最丰富、适应性最强、稳定性最大、功能最完善、与人类生存发展关系最密切的一种自然生态系统,对改善和维护生态环境起着决定性的作用[2-3]。森林不仅能够为人类提供清新的空气、清洁的水源和舒适宜人的气候环境等生态产品,还能够提供保持水土、涵养水源、防风固沙、调节气候、生物多样性保育等生态服务[4]。CONSTANZA等[5]对全球生态系统服务价值进行较为全面的评估,算出全球陆地生态系统服务功能平均每年的价值高达33万亿美元,相当于当年全世界国民生产总值的1.8倍,不仅在国际上引起了广泛关注,而且掀起了对生态系统服务价值研究的热潮。联合国千年生态系统评估组(millennium ecosystem assessment,MA)开展了全球尺度和33个地区的生态系统与人类福利的研究,对生态系统的内涵、分类、评价基本理论和方法均进行了深入的阐述,极大推进了生态系统服务在世界范围内的理论方法及应用方面的研究[6]。侯元兆等[7]在国外生态服务价值评估的基础上,第1次估算出中国森林资源的价值约13.7万亿元,开创了国内森林生态系统生态服务价值评估的先河。有学者分别从不同尺度对中国、浙江省、泰顺县的森林生态系统服务价值进行评估[8-10]。也有学者分别对草原、湿地、森林等不同类型的生态系统进行价值评估[11-14]。本研究依据LY/T 1721−2008《森林生态系统服务功能评估规范》[15],对乌岩岭国家级自然保护区森林生态系统服务的物质量及价值量进行评估,有助于增进人们对森林环境的保护意识以及对自然保护区的重视程度。
1. 研究区概况
乌岩岭国家级自然保护区(27°20′52″~27°48′39″N,119°37′08″~119°50′00″E)地处浙江省泰顺县西北部,总面积约18 861.5 hm2,其中林业用地17 605.1 hm2,占土地总面积的93.3%。乌岩岭在全球陆生生物圈的地带生物群落分类中属于热带、暖温带交错区,由于地理位置处于28°N附近的敏感区,且靠近太平洋,加上保护区西北面高山阻隔,温度偏高。乌岩岭有775属种子植物,其中,包括中国种子植物属的15个分布区类型。乌岩岭国家级自然保护区是中国—日本森林植物亚区华东区与华南区过渡地带,无论是地形、地势、气候等非生物因素和动植物种群都呈现明显过渡性。乌岩岭国家级自然保护区被誉为物种基因库,森林覆盖率为92.8%,其中阔叶林蓄积量达28 万m3以上,所占比例为45%,是华东地区保存最完善的大面积原生性中亚热带常绿阔叶林[16]。
2. 研究方法
2.1 数据来源
数据来源有乌岩岭国家级自然保护区典型森林样地调查数据(2017年)、乌岩岭国家级自然保护区森林资源二类清查数据(2017年)、泰顺县气象局监测数据和中华人民共和国林业行业标准LY/T 1721−2008《森林生态系统服务功能评估规范》。不同类型林分净生产力和土壤年固碳量采用华东地区森林生态系统定位站的观测数据[17]。
2.2 评估内容与指标体系
依据LY/T 1721−2008《森林生态系统服务功能评估规范》,同时结合乌岩岭国家级自然保护区森林生态系统的实际情况,本次评估选取固碳释氧、涵养水源、积累营养物质、保育土壤、净化大气环境、生物多样性保护等6项服务15项指标(表1),并从物质量和价值量2个方面对乌岩岭国家级自然保护区森林生态系统服务进行评估。
表 1 乌岩岭国家级自然保护区森林生态系统服务评估指标体系Table 1 Evaluation index system of forest ecosystem service in Wuyanling National Nature Reserve服务类别 评估指标 涵养水源 调节水量、净化水质 保育土壤 固土、保肥 固碳释氧 固碳、释氧 积累营养物质 林木营养积累(氮、磷、钾) 净化大气环境 负离子量、二氧化硫量、氟化物量、氮氧化物量、滞尘量 生物多样性保护 物种保育 2.3 评估方法
参照LY/T 1721−2008《森林生态系统服务功能评估规范》,对以上指标进行评估。乌岩岭国家级自然保护区森林生态系统服务的物质量结合表2计算得出,价值量结合表3计算得出。林分类型分为针叶林(杉木Cunninghamia lanceolata林、马尾松Pinus massoniana林、柳杉Cryptomeria fortunei林),常绿阔叶林,针阔混交林,经济林(主要为茶树Camellia sinensis、猕猴桃Actinidia chinensis林),竹林。
表 2 乌岩岭国家级自然保护区森林生态系统服务物质量的参数数据Table 2 Material quality parameter data of forest ecosystem services in Wuyanling National Nature Reserve涵养水源 保育土壤 积累营养物质 林分类型 地表径
流量/
mm林分蒸
散量/
mm土壤侵
蚀模数/
(t·hm−2·a−1)土壤
容重/
(t·m−3)土壤
氮/%土壤
磷/%土壤
钾/%土壤
有机
质/%氮/% 磷/% 钾/% 针叶林 马尾松林 5.70 916.08 0.11 1.396 0.090 0.084 1.293 2.156 0.325 0.160 0.680 杉杉木林 5.70 1 072.92 0.16 1.200 0.096 0.082 1.333 2.516 0.324 0.165 0.700 柳杉林 5.70 1 072.92 0.11 0.956 0.081 0.087 1.342 3.270 0.324 0.165 0.700 常绿阔叶林 2.60 667.63 0.14 0.901 0.149 0.088 1.333 3.391 0.237 0.972 1.390 针阔混交林 2.60 966.05 0.13 1.372 0.090 0.075 1.233 3.059 0.280 0.566 1.0325 经济林 6.30 914.69 0.13 1.407 0.154 0.119 1.073 3.139 0.180 0.072 0.390 竹林 6.30 902.20 0.11 1.242 0.138 0.109 1.109 3.256 0.031 0.012 0.562 净化大气环境 生物多样性保护 林分类型 负离子量/
(个·cm−3)平均树
高/m吸收二氧
化硫量/
(kg·hm−2·a−1)吸收氟
化物量/
(kg·hm−2·a−1)吸收氮氧
化物量/
(kg·hm−2·a−1)滞尘量/
(kg·hm−2·a−1)香农-威纳
多样性指数针叶林 马尾松林 6 678 13.75 117.60 4.65 6.0 33 200 2.29 杉木林 4 880 13.36 117.60 4.65 6.0 33 200 0.83 柳杉林 7 335 16.83 117.60 4.65 6.0 33 200 1.62 常绿阔叶林 24 175 14.02 88.65 2.58 6.0 21 655 3.03 针阔混交林 9 825 11.50 152.13 2.58 6.0 21 655 2.03 经济林 877 1.20 152.13 2.58 6.0 21 655 0.45 竹林 11 753 14.06 152.13 2.58 6.0 21 655 0.84 说明:年平均降水量采用保护区2010−2016年生态站监测数据,为2 405.36 mm·a−1;无林地水土流失土壤年侵蚀模数参照中国科 学院观测点泥沙流失量,为17.66 t·hm−2·a−1[18]。土壤氮、土壤磷、土壤钾、土壤有机质、氮、磷、钾均为质量分数 表 3 乌岩岭国家级自然保护区森林生态系统服务价值量的参数数据Table 3 Value parameter data of forest ecosystem services in Wuyanling National Nature Reserve单位库容
造价/(元·t−1)水质净化费用/
(元·t−1)运输和挖取单位
体积的土方花费/
(元·m−3)磷酸二铵化肥
价格/(元·t−1)氯化钾化肥
价格/(元·t−1)有机质价格/
(元·t−1)固碳费用/
(元·t−1)6.11 2.09 12.60 2 400.00 2 200.00 320.00 1 200.00 氧气制造
费用/(元·t−1)负离子制造
费用/(10−18元·个−1)二氧化硫排
污费/(元·kg−1)氟化物排
污费/(元·kg−1)氮氧化物排
污费/(元·kg−1)滞尘排污费/
(元·kg−1)1 000.00 9.46 1.85 0.69 0.97 0.23 3. 评估结果与分析
3.1 乌岩岭国家级自然保护区森林生态系统服务的物质量
由表4可知:2017年乌岩岭国家级自然保护区森林生态系统净化大气环境服务的物质量最大,其次为涵养水源的物质量,为3.99×108 m3。
表 4 乌岩岭国家级自然保护区森林生态系统服务的物质量Table 4 Material quality of ecosystem services in Wuyanling National Nature Reserve林分类型 固碳量/
(t·a−1)释氧量/
(t·a−1)固碳释氧量/
(t·a−1)调/净水量/
(m3·a−1)积累营养物质量/
(t·a−1)固土量/
(t·a−1)针叶林 马尾松林 5.96×103 1.19×104 1.78×104 4.75×107 1.16×104 5.62×104 杉木林 2.20×104 4.82×104 7.02×104 7.57×107 4.82×104 9.99×104 柳杉林 9.78×102 2.25×103 3.23×103 2.77×106 2.25×103 3.67×103 常绿阔叶林 3.91×104 9.19×104 1.31×105 1.97×108 2.01×105 1.99×105 针阔混交林 9.84×102 1.97×103 2.95×103 5.71×106 3.10×103 6.97×103 经济林 4.58×101 1.04×102 1.50×102 2.55×105 6.07×101 3.02×102 竹林 2.50×104 6.08×104 8.58×104 7.00×107 3.23×104 8.21×104 均值 1.34×104 3.10×104 4.45×104 5.70×107 4.26×104 6.40×104 合计 9.41×104 2.17×105 3.11×105 3.99×108 2.98×105 4.48×105 林分类型 保肥量/
(t·a−1)负离子量/
(个·a−1)二氧化硫/
(kg·a−1)氟化物/
(kg·a−1)氮氧化物量/
(kg·a−1)滞尘量/
(kg·a−1)针叶林 马尾松林 2.04×105 1.55×1023 3.77×105 1.49×104 1.92×104 1.06×108 杉木林 4.02×105 1.96×1023 6.71×105 2.65×104 3.43×104 1.90×108 柳杉林 1.75×104 1.36×1022 2.46×104 9.72×102 1.25×103 6.94×106 常绿阔叶林 9.88×105 2.02×1024 1.01×106 2.93×104 6.82×104 2.46×108 针阔混交林 3.10×104 2.36×1022 6.04×104 1.03×103 2.38×103 8.60×106 经济林 1.34×103 9.51×1018 2.62×103 8.00×101 1.03×102 3.72×105 竹林 3.78×105 4.06×1023 7.11×105 1.21×104 2.81×104 1.01×108 均值 2.89×105 4.03×1023 4.08×105 1.21×104 2.19×104 9.42×107 合计 2.02×106 2.82×1024 2.85×106 8.49×104 1.53×105 6.59×108 3.2 乌岩岭国家级自然保护区森林生态系统服务的价值量
由表5可知:2017年乌岩岭国家级自然保护区森林生态系统服务的总价值为100.24×108元·a−1,单位面积生态服务价值为3.92×105元·hm−2·a−1。马尾松林、常绿阔叶林、针阔混交林、杉木林、柳杉林、经济林、竹林生态服务价值分别为1.00×109、5.33×109、1.34×108、1.93×109、7.59×107、5.32×106和1.55×109元·a−1。马尾松林、常绿阔叶林、针阔混交林、杉木林、柳杉林、经济林、竹林的单位面积生态服务价值分别为3.21×105、4.69×105、3.36×105、3.38×105、3.63×105、3.10×105、3.31×105、3.51×105和3.92×105元·hm−2·a−1。
表 5 乌岩岭国家级自然保护区森林生态系统服务的价值量Table 5 Value quality of ecosystem services in Wuyanling National Nature Reserve生态系统服务价值量/(元·a−1) 单位面积
生态服务
价值/
(元·hm−2·a−1)林分类型 固碳释
氧价值生物多样性
保护价值涵养水
源价值积累营养
物质价值保育土
壤价值净化大
气价值生态服务
总价值针叶林 马尾松林 1.90×107 3.20×107 3.90×108 8.15×107 4.50×108 2.76×107 1.00×109 3.21×105 杉木林 7.46×107 1.71×107 6.21×108 3.36×108 8.34×108 4.65×107 1.93×109 3.38×105 柳杉林 3.43×106 1.05×106 2.28×107 1.57×107 3.12×107 1.76×106 7.59×107 3.63×105 常绿阔叶林 1.39×108 2.27×108 1.62×109 1.43×109 1.85×109 7.72×107 5.33×109 4.69×105 针阔混交林 3.15×106 3.97×106 4.68×107 2.20×107 5.54×107 2.30×106 1.34×108 3.36×105 经济林 1.59×105 5.16×104 2.09×106 4.17×105 2.51×106 9.07×104 5.32×106 3.10×105 竹林 9.08×107 1.40×107 5.74×108 1.51×108 6.88×108 2.83×107 1.55×109 3.31×105 均值 4.71×107 4.22×107 4.68×108 2.90×108 5.59×108 2.63×107 1.43×109 3.51×105 合计 3.30×108 2.96×108 3.27×109 2.03×109 3.91×109 1.84×108 1.00×1010 3.92×105 保护区森林生态系统服务价值所占比例分别为保育土壤39.00%、涵养水源32.65%、积累营养物质20.27%、固碳释氧3.29%、生物多样性保护2.95%、净化大气环境1.83%。可见,保育土壤、涵养水源和积累营养物质是乌岩岭森林生态系统主要的服务价值,三者比例之和高达91.92%,占据绝对优势。
保护区不同森林类型生态系统服务价值从大到小依次为常绿阔叶林、杉木林、竹林、马尾松林、针阔混交林、柳杉林、经济林,其对应的生态系统服务价值所占比例分别为53.20%、19.24%、15.43%、9.98%、1.33%、0.76%、0.05%。可见,常绿阔叶林对乌岩岭森林生态系统服务价值贡献在50%以上,占绝对地位。
4. 讨论
乌岩岭国家级自然保护区不同森林类型的生态服务价值与单位面积服务价值的排序并不一致,这说明生态系统服务价值除受各林分面积大小的影响外,还受林分的结构、活力、生态力的影响[19-21]。常绿阔叶林的单位面积生态服务价值远远高于其他林分,因此可在森林总面积保持不变的情况下,通过把针叶林改造成阔叶林等林相改造技术,提高林分质量,优化生态系统的结构,进而增加生态系统服务的产出和价值[22-24]。
乌岩岭国家级自然保护区提供的主要生态服务是保育土壤、涵养水源,这与付梦娣等[10]对泰顺县生态服务的研究一致,但乌岩岭国家级自然保护区的单位面积生态服务价值(3.92×105元·hm−2·a−1)是泰顺县单位面积生态服务价值(1.90×105元·hm−2·a−1)的2倍多。可见,乌岩岭国家级自然保护区对维护泰顺县生态安全具有重要作用。
乌岩岭国家级自然保护区净化大气环境服务价值达1.84×108元,这其中还不包括可吸入颗粒物(PM10),细颗粒物(PM2.5)等服务价值。可见,保护区在养生保健、预防疾病等方面具有巨大的潜力,十分适合建设成为森林康养基地[25]。借助乌岩岭的生态优势,整合森林康养资源,丰富生态旅游产品的内涵,提高康养的层次和满意度,从而实现保护区的可持续发展,开辟绿水青山转化为金山银山的另一种途径。
自然保护区生态补偿资金的分配与生态系统服务长期脱钩,是造成保护区与周边村民矛盾的重要因素。生态补偿的本质就是对生态系统服务的外溢效益进行补偿[26]。评估生态系统的服务价值可作为生态补偿标准的依据[27]。
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表 1 稻草原来主要化学成分
Table 1. Chemical compositions of extractive free straw samples
稻草原料 木质素/(mg·g−1) 高聚糖/(mg·g−1) 灰分/(mg·g−1) 酸不溶 酸溶 总木质素 葡聚糖 木聚糖 其他 总糖 带节的秆 110.1 36.4 146.5 428.2 153.5 35.4 617.1 165.6 不带节的秆 111.1 35.4 146.5 408.0 168.7 40.4 617.1 168.7 叶 120.2 48.5 168.7 348.5 149.5 39.4 547.4 212.1 全秆 124.2 37.4 161.6 359.6 164.6 47.5 570.7 190.9 表 2 球磨稻草再生后的主要化学成分
Table 2. Chemical compositions of regenerated straw samples with ball milling
再生原料 木质素/(mg·g−1) 高聚糖/(mg·g−1) 灰分/(mg·g−1) 留着率/% 酸不溶 酸溶 总木质素 留着率a/% 葡聚糖 木聚糖 总糖 留着率b/ % 带节的秆 104.0 22.2 126.3 86.3 395.9 124.2 552.5 89.5 53.5 89.0 不带节的秆 105.0 22.2 128.3 87.5 364.6 139.4 540.4 87.7 55.6 89.9 叶 109.1 23.2 132.3 80.5 313.1 127.3 456.5 83.5 101.0 80.5 全秆 109.1 23.2 131.3 81.0 332.3 135.3 486.8 85.4 92.9 86.5 说明:球磨2.0 h的稻草再生原料。a基于原料中木质素;b基于原料中高聚糖 表 3 稻草各部位的硝基苯氧化产物的得率及S/(V+H)
Table 3. Nitrobenzene oxidation products yields and S/(V+H) molar ratio of rice straw samples
样品 得率/(mmol·g−1) S/(V+H) 带节秆 不带节秆 叶 全秆 带节秆 不带节秆 叶 全秆 脱脂原料 1.30 1.30 1.01 1.22 0.67 0.67 0.43 0.43 球磨0.5 h 1.60 1.62 1.39 1.51 0.67 0.67 0.43 0.43 球磨1.0 h 1.60 1.59 1.42 1.43 0.43 0.43 0.43 0.43 球磨再生原料 1.42 1.50 1.03 1.21 0.67 0.67 0.67 0.67 说明:S表示紫丁香醛或酸得率;H表示对羟基苯甲醛或酸得率;V表示香草醛或酸得率 表 4 稻草原料和再生稻草原料的结晶度
Table 4. Crystallinity of original and regenerated rice straw samples with ball milling
样品 结晶度/% 稻草叶原料 37.8 再生稻草叶原料 27.5 稻草秆原料 43.1 再生稻草秆原料 26.5 -
[1] ZHANG Quanguo, HU Jianjun, LEE Duujong. Pretreatment of biomass using ionic liquids: research updates [J]. Renewable Energy, 2017, 111: 77 − 84. [2] HU Jianjun, ZHANG Quanguo, JING Yanyan et al. Photosynthetic hydrogen production from enzyme-hydrolyzed micro-grinded maize straws [J]. Int J Hydrogen Energy, 2016, 41(46): 21665 − 21669. [3] KAN Xiang, YAO Zhiyi, ZHANG Jingxin, et al. Energy performance of an integrated bio-and-thermal hybrid system for lignocellulosic biomass waste treatment [J]. Bioresour Technol, 2017, 228: 77 − 88. [4] KASSAYE S, PANT K K, JALIN S. Hydrolysis of cellulosic bamboo biomass into reducing sugars via a combined alkaline solution and ionic liquid pretreatment steps [J]. Renewable Energy, 2017, 104: 177 − 184. [5] RALPH J, MARITA J, RALPH S, et al. Solution-state NMR of lignins[M]// ARGYROPOULOS D, RIALS T. Advances in Lignocellulosic Characterization, Atlanta: TAPPI Press, 1999: 55 − 108. [6] RALPH J, MACKAY J J, HATFIELD R D, et al. Abnormal lignin in a loblolly pine mutant [J]. Science, 1997, 277(5323): 235 − 239. [7] YOO C G, PU Y, RAGAUSKAS A J, et al. Ionic liquids: promising green solvents for lignocellulosic biomass utilization [J]. Curr Opin Green Sustainable Chem, 2017, 5: 5 − 11. [8] ANDRE M, KAREN G, ANA C, et al. Ionic liquids as a tool for lignocellulosic biomass fractionation [J]. Sustainable Chem Processes, 2013, 1: 3 − 33. [9] WANG Hui, GURAU G, ROGERS R D. Dissolution of biomass using ionic liquids[J] Struct Bonding, 2013, 151: 79 − 105. [10] CATARINA F, FILIPA L, BERNARDO D R, et al. Deep eutectic solvents: overcoming 21st century challenges [J]. Curr Opin Green Sustainable Chem, 2019, 18: 31 − 36. [11] SJÖHOLM E, GUSTAFSSON K, PETTERSSON B, et al. Characterization of the cellulosic residues from lithium chloride/ N, N-dimethylacetamide dissolution of softwood kraft pulp [J]. Carbohydr Polym, 1997, 32(1): 57 − 63. [12] YANAGISAWA M, SHIBATA I, ISOGAI A. SEC-MALLS analysis of softwood kraft pulp using LiCl/1, 3-dimethyl-2-imidazolidinone as an eluent [J]. Cellulose, 2005, 12(2): 151 − 158. [13] BERTHOLD F, GUSTAFSSON K, BERGGREN R, et al. Dissolution of softwood kraft pulps by direct derivatization in lithium chloride/N, N dimethylacetamide [J]. J Appl Polym Sci, 2004, 94(2): 424 − 431. [14] HAN Shaoqin, LI Jialin, ZHU Shengdong, et al. Potential applications of ionic liquids in wood related industries [J]. Bioresources, 2009, 4(2): 825 − 834. [15] YAMAMOTO M, KURAMAE R, YANAGISAWA M, et al. Light-scattering analysis of native wood holocelluloses totally dissolved in LiCl-DMI solutions: high probability of branched structures in inherent cellulose [J]. Biomacromolecules, 2011, 12(11): 3982 − 3988. [16] TAKARAGI A, MINODA M, MIYAMOTO T, et al. Reaction characteristics of cellulose in the LiCl/1,3-dimethyl-2-imidazolidinone solvent system [J]. Cellulose, 1999, 6: 93 − 102. [17] MCCORMICK C L, DAWSEY T R. Preparation of cellulose derivatives via ring-opening reactions with cyclic reagents in lithium chloride/N, N-dimethylacetamide [J]. Macromolecules, 1990, 23(15): 3606 − 3610. [18] RAHN K, DIAMANTOGLOU M, BERGHMANS H, et al. Homogeneous synthesis of cellulose p-toluenesulfonates in N, N-dimethylacetamide/LiCl solvent system [J]. Die Angewandte Makromolecules Chemie, 1996, 238(1): 143 − 163. [19] YANAGISAWA M, ISOGAI A. Size exclusion chromatographic and UV-VIS absorption analyses of unbleached and bleached softwood kraft pulps using LiCl/1,3-dimethyl-2-imidazolidinone as a solvent [J]. Holzforschung, 2007, 61(3): 236 − 241. [20] PETRUŠ L, GRAY D G, BEMILLER J N. Homogeneous alkylation of cellulose in lithium chloride/dimethyl sulfoxide solvent with dimsyl sodium activation, a proposal for the mechanism of cellulose dissolution in LiCl/Me2SO [J]. Carbohydr Res, 1995, 268(2): 319 − 323. [21] ZHANG Xueqin, CHEN Mingjie, LIU Chuanfu, et al. Dual-component system dimethyl sulfoxide/LiCl as a solvent and catalyst for homogeneous ring-opening grafted polymerization of epsilon-caprolactone onto xylan [J]. J Agric Food Chem, 2014, 62(3): 682 − 690. [22] WANG Zhiguo, YOKOYAMA T, CHANG Houmin, et al. Dissolution of beech and spruce milled woods in LiCl/DMSO [J]. J Agric Food Chem, 2009, 57(14): 6167 − 6170. [23] 吴文娟, 闫雪晴, 邹春阳, 等. 基于全溶体系的毛竹竹材木质素分离方法[J]. 浙江农林大学学报, 2020, 37(2): 335 − 342. WU Wenjuan, YAN Xueqing, ZOU Chunyang, et al. A isolation method of lignin from bamboo based on complete dissolution [J]. J Zhejiang A&F Univ, 2020, 37(2): 335 − 342. [24] GU Feng, WU Wenjuan, WANG Zhiguo, et al. Effect of complete dissolution in LiCl/DMSO on the isolation and characteristics of lignin from wheat straw internode [J]. Ind Crops Prod, 2015, 74: 703 − 711. [25] DENCE C W, LIN S Y. Introduction in methods in lignin chemistry[M]//LIN S Y, DENCE C W. Methods in Lignin Chemistry. Berlin: Springer Verlag Press, 1992: 31 − 66. [26] BORCHARDT L G, PIPER C V. A gas chromatographic method for carbohydrates as alditol-acetates [J]. TAPPI, 1970, 53: 257 − 260. [27] CHEN C L. Nitrobenzene and cupric oxide oxidations in methods in lignin chemistry[M]// LIN S Y, DENCE C W. Methods in Lignin Chemistry. Berlin: Springer-Verlag Press, 1992: 301 − 321. [28] SEGAL L, CREELY J J, MARTIN A E, et al. An empirical method for estimating the degree of crystallinity of native cellulose using the X-ray diffractometer [J]. Textile Res J, 1959, 29(10): 786 − 794. [29] 荆磊, 金永灿, 张厚民, 等. 自水解预处理对稻草化学成分及酶解性能的影响[J]. 纤维素科学与技术, 2010, 18(2): 1 − 10. JING Lei, JIN Yongcan, ZHANG Houmin, et al. Effects of auto-hydrolysis of rice straw on its chemical composition and enzymatic hydrolysis [J]. J Cellul Sci Technol, 2010, 18(2): 1 − 10. [30] FUJIMOTO A, MATSUMOTO Y, CHANG H M, et al. Quantitative evaluation of milling effects on lignin structure during the isolation process of milled wood lignin [J]. J Wood Sci, 2005, 51(1): 89 − 91. [31] HU Zhoujian, YEH Tingfeng, CHANG Houmin, et al. Elucidation of the structure of cellulolytic enzyme lignin [J]. Holzforschung, 2006, 60(4): 389 − 397. [32] MIN D Y, JAMEEL H, CHANG H M, et al. The structural changes of lignin and lignin-carbohydrate complexes in corn stover induced by mild sodium hydroxide treatment [J]. RCS Adv, 2014, 4(21): 10845 − 10850. [33] IKEDA T, HOLTMAN K, KADLA J F, et al. Studies on the effect of ball milling on lignin structure using a modified DFRC method [J]. J Agric Food Chem, 2002, 50(1): 129 − 135. [34] GHAFFAR S H, FAN M Z. Structural analysis for lignin characteristics in biomass straw [J]. Biomass Bioenergy, 2013, 57: 264 − 279. [35] TAN Xuesong, ZHANG Quan, WANG Wen, et al. Comparison study of organosolv pretreatment on hybrid pennisetum for enzymatic saccharification and lignin isolation [J]. Fuel, 2019, 249(1): 334 − 340. [36] DASH M, MOHANTY K. Effect of different ionic liquids and anti-solvents on dissolution and regeneration of Miscanthus towards bioethanol [J]. Biomass Bioenergy, 2019, 124: 33 − 42. 期刊类型引用(0)
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链接本文:
https://zlxb.zafu.edu.cn/article/doi/10.11833/j.issn.2095-0756.20200163