山區(qū)生物質(zhì)能源樹種荊條經(jīng)營(yíng)技術(shù)研究

王學(xué)勇， 顧新慶， 董少韓， 王 輝

(1．河北省林業(yè)科學(xué)研究院，河北石家莊 050061；2．河北省林木良種工程技術(shù)研究中心，河北石家莊 050061)

隨著世界能源危機(jī)的不斷加劇，開發(fā)利用可再生能源成為調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、保障能源安全的重要舉措[1]。生物質(zhì)是唯一的可再生碳源，也是重要的可再生能源，其含硫量和灰分都比煤炭低，是名副其實(shí)的可再生清潔能源。林木生物質(zhì)能源因其潔凈性及替代化石能源的可行性而受到了越來越多的關(guān)注[2]，林業(yè)生物質(zhì)在山區(qū)儲(chǔ)量巨大，易于種植，適宜規(guī)?；a(chǎn)，是山區(qū)生物質(zhì)能源開發(fā)的主體原料，是解決未來能源危機(jī)，改善生態(tài)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)能源可持續(xù)發(fā)展的一條重要途徑[3]。

荊條(VitexnegundoL.van.heterophylla)屬于馬鞭草科牡荊屬植物，黃荊的變種，落葉灌木或小喬木，因其根系發(fā)達(dá)，萌發(fā)能力強(qiáng)，既能在肥厚的棕壤和褐土上生長(zhǎng)，又能在石灰?guī)r山地形成群落，具有較強(qiáng)的生態(tài)適應(yīng)性和抗逆性[4]，分布幾乎遍布全國(guó)各地，尤以太行山區(qū)更為顯著。但由于立地條件較差，處于野生狀態(tài)的荊條生長(zhǎng)緩慢，抽枝能力較差，如長(zhǎng)期不進(jìn)行更新復(fù)壯，就會(huì)出現(xiàn)生長(zhǎng)停滯，甚至枝梢衰老現(xiàn)象，根據(jù)林木生物質(zhì)資源種類，在現(xiàn)有技術(shù)條件下，按照開發(fā)利用的途徑不同，可將荊條納入生物固體燃料加以開發(fā)利用。為獲取較高地上部生物量，筆者對(duì)太行山區(qū)的現(xiàn)有荊條林的經(jīng)營(yíng)技術(shù)進(jìn)行了研究，以期為荊條能源林建設(shè)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1試驗(yàn)地概況試驗(yàn)地設(shè)在平山縣北冶鄉(xiāng)咂杜村，屬于半干旱半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明，春季干旱多風(fēng)，夏季炎熱多雨，秋季天高氣爽，冬季寒冷少雪。平均海拔240 m，年平均氣溫12.7 ℃，平均無霜期為160 d，平均日照時(shí)數(shù)2 611 h，年有效積溫4 853.5 ℃。年均降水量550 mm，降雨集中，分布不均。母巖以片麻巖為主，間有少量石灰?guī)r和頁(yè)巖分布。土壤以褐土為主，屬于典型的石質(zhì)山地類型，在太行山區(qū)具有很高的代表性。

1.2試驗(yàn)材料及設(shè)計(jì)荊條生物量是在生長(zhǎng)穩(wěn)定的多年生實(shí)生林基礎(chǔ)上一次平茬，平茬后逐年觀測(cè)基部新萌發(fā)的地上部分生物量，地上部生物量測(cè)定采用平均株叢法。按不同立地條件和樹齡選擇標(biāo)準(zhǔn)地，面積20 m×10 m，試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組，3次重復(fù)。采用收獲法測(cè)定樣方內(nèi)的生物量，能源林以生物量和熱值高低為主，生物量包括果實(shí)、葉、基部枝條和根，因荊條的果實(shí)、葉和根在生產(chǎn)收割時(shí)很難操作，故只進(jìn)行了地上部分基部枝條生物量的測(cè)定，根據(jù)實(shí)際情況確定地徑0.3 cm以下，高50 cm以下為無用條。密度試驗(yàn)地選擇為實(shí)生同齡多年生自然分布的荊條林，不同密度也呈自然分布，疏密不均，選擇不同密度進(jìn)行平茬，調(diào)查其地上部生物量。

1.3樣品處理及測(cè)定11月下旬，樹木生長(zhǎng)停止后，在標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)沿一定路線進(jìn)行每叢檢尺。檢尺因子有:叢高、冠幅、地徑、分枝數(shù)等，并取其平均值，選5叢標(biāo)準(zhǔn)叢，從地表處砍伐，分別測(cè)定灌叢枝條重，取樣在室內(nèi)測(cè)定含水率，得出地上部生物量。干質(zhì)量熱值采用由河南鶴壁生產(chǎn)的微機(jī)全自動(dòng)量熱儀，型號(hào)為ZDHW-6型，分別在80 ℃下烘至恒定質(zhì)量，稱量并粉碎過篩，取粒徑小于0.2 mm，質(zhì)量0.9～1.1 g(精確到0.000 2 g)的樣品作為測(cè)定材料，置于潔凈的燃燒皿中測(cè)定熱值，以干質(zhì)量熱值表示。

2 結(jié)果與分析

2.1平茬高度對(duì)地上部生物量的影響苗高和地徑是評(píng)價(jià)苗木質(zhì)量的重要指標(biāo)[5]，枝條數(shù)決定葉片數(shù)量，葉片數(shù)量的多少?zèng)Q定苗木光合作用能力，枝條數(shù)量越多，光合作用越大，有利于苗木內(nèi)有機(jī)質(zhì)的合成和積累[6]。生物量是評(píng)價(jià)植株長(zhǎng)勢(shì)的綜合指標(biāo)[7]。各平茬高度處理見表1。

表1 不同平茬高度對(duì)地上部生物的影響

從表1可看出，隨著平茬高度增加，株叢高度變化不大，株叢的枝條數(shù)在增多，但地徑生長(zhǎng)呈下降趨勢(shì)，這是因?yàn)槠讲绺叨仍礁?，枝條基部的芽眼增多，平茬的刺激促使其萌發(fā)更多的枝條，但由于養(yǎng)分和營(yíng)養(yǎng)空間的限制，萌發(fā)條之間競(jìng)爭(zhēng)加劇，這就出現(xiàn)了萌發(fā)條越多，枝條數(shù)越細(xì)，無用條越多。進(jìn)一步的方差分析表明，各處理在地徑上無差異，但枝條數(shù)方面平茬高度10 cm和15 cm 2個(gè)處理之間無差異，但與平茬高度為5 cm處理差異顯著。枝條質(zhì)量的變化也決定了地上部生物量的改變。從表1中還可看出，地上部生物量最高的是平茬高度為10 cm，最少的是高度5 cm，大小順序?yàn)椋浩讲绺叨?0 cm>15 cm>5 cm。經(jīng)方差分析和多重比較，處理高度10 cm和處理高度5 cm差異極顯著，但和處理15 cm之間差異不顯著?？紤]到平茬高度越高，限制了荊條的更新復(fù)壯，投工成本增加，經(jīng)濟(jì)效益下降，故在生產(chǎn)上以平茬高度越低越好。綜上所述，以平茬高度10 cm獲取的地上部生物量最高，表現(xiàn)最好。

2.2不同輪伐期對(duì)地上部生物量的影響在確定了合適的平茬高度后，對(duì)多年生荊條又進(jìn)行了輪伐周期的試驗(yàn)，輪伐期確定關(guān)系到能源林的受益早晚[8]，試驗(yàn)以4年為周期，具體結(jié)果見表2。

表2 不同輪伐期對(duì)地上部生物量的影響

由表2可知，經(jīng)過對(duì)多年生荊條地上部分收獲后，當(dāng)年從基部新萌發(fā)出來的有效枝條數(shù)的地徑隨著林齡增長(zhǎng)，地徑也在增長(zhǎng)，大小順序?yàn)?年1次<2年1次<3年1次<4年1次<多年1次。方差分析表明， 1年1次砍伐的枝條地徑和2年1次之間無差異，但和3年1次、4年1次和多年1次差異極顯著。而平均枝條數(shù)從1年1次開始到多年生荊條的枝條數(shù)不增反而下降，其中最多的為1年1次，平均為43.4條。荊條枝條數(shù)的多少順序?yàn)?年1次>2年1次>3年1次>4年1次>多年1次。從地上部生物量來看，大小順序?yàn)槎嗄?次>1年1次>2年1次>3年1次>4年1次，1年1次的生物量明顯高于其他處理的生物量，進(jìn)一步的方差分析表明，1年1次和2年1次之間無差異，但和3年1次和4年1次差異顯著。出現(xiàn)這種情況可能，一是自然整枝的結(jié)果，因枝條太密，植物受頂端優(yōu)勢(shì)影響，下部一些見不到光的枝條缺乏營(yíng)養(yǎng)而枯死，二是生殖生長(zhǎng)，開花結(jié)實(shí)，消耗了大量的養(yǎng)分，限制了萌發(fā)條的高、徑生長(zhǎng)以及生物量的增長(zhǎng)。由表2可知，對(duì)多年生荊條收割后，第2年接著進(jìn)行平茬，可獲得較高的地上部生物量，即以1年1次進(jìn)行輪伐生物量比較高，收獲較好。

2.3連年平茬對(duì)地上部生物量的影響對(duì)多年生荊條收割后，可知以1年為輪伐期的生物量比較高，收獲較好。為了試驗(yàn)是否連續(xù)每年平茬都能產(chǎn)生較高的生物量，筆者又布設(shè)了連年平茬對(duì)地上部生物量影響的試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 連年平茬對(duì)地上部生物量的影響

從表3可以看出，荊條經(jīng)過連年平茬，其地徑和高均有不同程度的下降，尤其是地徑平均生長(zhǎng)量第2年下降了16.3%，第3年比第2年下降幅度更大，達(dá)到30.0%。同時(shí)地上部生物量也由第1年的2.41 kg/m2下降到了第2年的1.92 kg/m2，下降了20.3%，第3年比第2年又下降了28.6%，說明連續(xù)平茬造成地上部生物量大幅下降，大小順序?yàn)榈?年>第2年>第3年，方差分析表明各處理之間差異極顯著。依據(jù)荊條分布在太行山區(qū)地塊破碎、土壤瘠薄、干旱少雨等立地條件較差這一實(shí)際情況，連續(xù)平茬勢(shì)必造成根系傷害甚至死亡，因此，認(rèn)為荊條平茬最多只能連續(xù)進(jìn)行2年，就得休養(yǎng)2年，讓根系得到生長(zhǎng)，再進(jìn)行平茬。

2.4不同輪伐期荊條干質(zhì)量熱值植物的熱值顯示其能量含量[9]，可以通過熱值大小衡量樹種(無性系)能量累積能力[2]。荊條不同輪伐期干質(zhì)量熱值存在明顯差異，輪伐期1年1次的干質(zhì)量熱值為最高(4 326 cal/g，1cal=4.18 J)， 其次是3年1次(4 307 cal/g)，而4年1次為最低(4 230 cal/g)，干熱值大小順序?yàn)榈?年>第3年>第2年>多年生>第4年。進(jìn)一步的方差分析表明，輪伐期為1年1次、2年1次和3年1次這3個(gè)處理和4年1次干熱值差異極顯著，1年1次和多年1次在0.05水平上差異顯著，但1年1次、2年1次和3年1次之間無差異。由此可見，荊條的干熱值是以新生枝較高，作為能源林其輪伐期不宜超過3年。

2.5不同密度對(duì)地上部生物量的影響從表4可知，經(jīng)營(yíng)密度越大，株叢枝條數(shù)越少，枝條地徑也越細(xì)，地上部生物量越多，地上部生物量大小順序?yàn)槊芏?.5 m×0.5 m>1.0 m×1.0 m>1.5 m×1.5 m>2.0 m×2.0 m。經(jīng)方差分析，密度0.5 m×0.5 m和1.0 m×1.0 m 這2個(gè)處理和另2個(gè)密度處理差異極顯著，但密度0.5 m×0.5 m和1.0 m×1.0 m之間無差異。由于太行山區(qū)土層薄、肥力不足，對(duì)地上部生物量來說，密度不是越大越好，從開發(fā)利用和保護(hù)角度出發(fā)，荊條實(shí)生灌叢密度以1.0 m×1.0 m為宜。

表4 不同密度對(duì)地上部生物量的影響

3 小結(jié)

(1)荊條作為山區(qū)重要的生物質(zhì)能源樹種，長(zhǎng)期以來，一直處于野生狀態(tài)，生長(zhǎng)緩慢，抽枝能力較差，對(duì)林齡相對(duì)較小，生長(zhǎng)條件較好的荊條實(shí)生林采取當(dāng)年春天平茬，且平茬高度控制在10 cm左右 ，能顯著提高基部新萌發(fā)枝的地上部生物量。

(2)當(dāng)年春天進(jìn)行平茬的多年生荊條，于秋后或次年早春繼續(xù)平茬，能顯著提高荊條地上部生物量，但第3年就不能連續(xù)進(jìn)行平茬。因太行山立地條件較差，連年平茬對(duì)干旱瘠薄的土壤養(yǎng)分消耗較大，為提高荊條林地的生產(chǎn)力，平茬2年后應(yīng)休養(yǎng)2年以上，以利培肥地力和根系生長(zhǎng)。

(3)合理的種植密度能提高能源林的生物產(chǎn)量，荊條能源林的合理經(jīng)營(yíng)密度以1 m×1 m為宜。荊條的干質(zhì)量熱值以1年生新萌發(fā)枝條為最高，作為能源林經(jīng)營(yíng)，其輪伐期不宜超過3年。

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