全球短轮伐期柳树生物经济数据集：对英国生物质产量的影响与启示

这篇综述系统梳理了全球短轮伐期柳树（SRC willow）30余年研究数据，首次构建了涵盖99个试验点、113个基因型的综合数据库。研究揭示了柳树生物质产量与基因型-环境互作（GxE）的关联性，发现加拿大以10.6 Mg DM ha?1 year?1的产量领先，而随机森林模型解析出遗传多样性对产量变异的解释度达63.65%，为生物能源作物商业化种植提供了关键数据支撑。

　　

ABSTRACT

短轮伐期柳树（SRC willow）作为第二代木质纤维素能源作物，经过全球30余年的育种与研究，其商业化种植通常采用6-8个基因型混合栽培以增强遗传多样性。本研究整合文献数据与英国关键研究者的未发表数据，构建了包含99个试验点、3429条记录的全球数据集。分析显示，全球年平均产量为9 Mg DM ha^?1 year^?1，其中加拿大（10.6 Mg）和美国（6.7 Mg）分别表现最佳和最差。17个基因型及两种混合栽培模式突破了10 Mg DM ha^?1 year^?1的经济阈值。

1 引言

生物能源占全球可再生能源的55%，但最新报告强调需严格规范其可持续生产。柳树（Salix spp.）因其在边际土地的生长优势及环境效益（如碳封存与土壤修复），成为英国2050净零排放战略的重要作物。尽管早期育种项目始于1970年代，但商业化规模仍受限，主因是产量受基因型、管理措施与土壤特性的复杂互作影响。

2 材料与方法

2.1 数据收集

通过Web of Science和Scopus检索关键词，辅以英国研究者的个人通讯数据。数据筛选标准包括：符合最佳实践指南的垂直种植、明确产量及种植/收获日期。使用PlotDigitizer提取图表数据，土壤分层（0-30 cm、30-60 cm、60-90 cm）以避免剖面均值偏差。

2.2 计算与假设

土壤碳氮储量转换为Mg ha^?1单位以匹配产量数据。气候分区依据积温（>5.6°C）与土壤水分亏缺，划分为6类（如暖湿型、冷干型）。遗传多样性分组参考Rothamsted方案，育种阶段按杂交代数划分（Stage 1为野生种，Stage 4为三代杂交种）。

2.3 数据分析

随机森林回归处理非线性关系与变量共线性，初始模型包含57个变量。通过逐步剔除低重要性变量优化模型，最终保留19个关键因子，如气候、根系年龄（rootage）和遗传多样性组。

3 结果

3.1 数据概览

全球站点年均温12.91±1.3°C，降水量545±137 mm。加拿大基因型S. miyabeana产量最高（10.42±0.5 Mg），而暖湿区产量显著优于冷干区。前茬为草地的地块产量高于耕地，施肥仅在耕地上提升产量1 Mg。3月定植的产量比6月高15%。

3.2 关键发现

• 育种进展：第四阶段杂交种较原始种增产1.8 Mg，但美国基因型在二代杂交后产量反降3.8 Mg。

• 收获周期：2年周期产量（9.6 Mg）显著高于3年周期（8.76 Mg）（t=3.87, p<0.001）。

• 茎龄效应：首轮周期中，1年生茎生物量显著低于2-3年生茎（ANOVA, p<0.001）。

3.3 模型解析

随机森林显示遗传多样性、降水和根系年龄解释63.65%产量变异。加拿大La Pocatière的S. miyabeana 'SX67'创单产记录（32.7 Mg），而混合物种植在冷湿区表现优于单作。

4 讨论

4.1 农艺实践

除草剂与机械除草对比揭示后者增产3.4 Mg，但商业化可行性存疑。截干（cutback）在苏格兰试验中降低存活率，挑战英国现行标准。

4.2 模型启示

尽管土壤有效水（PAW）未入前十关键变量，但其与产量的关联在局部研究中显著。未来需整合更多混合物试验数据，以弥合科研与产业差距。

总结

本数据集为柳树生物能源的精准预测提供了首个全球尺度工具，同时揭示环境效益（如碳移除CDR）与经济效益的权衡将决定其规模化前景。