熱帶灌木熱值動態(tài)變化研究

字學(xué)娟, 李 茂, 周漢林

(1. 海南大學(xué)應(yīng)用科技學(xué)院，海南 儋州 571737；2.中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院熱帶作物品種資源研究所，海南 儋州 571737)

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熱帶灌木熱值動態(tài)變化研究

字學(xué)娟1,2, 李 茂2 *, 周漢林2

(1. 海南大學(xué)應(yīng)用科技學(xué)院，海南 儋州 571737；2.中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院熱帶作物品種資源研究所，海南 儋州 571737)

對15種熱帶灌木的熱值和灰分含量的月變化進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：①熱帶灌木干重?zé)嶂灯骄捣謩e為：大果榕15.82 kJ/g、對葉榕14.02 kJ/g、克拉豆17.37 kJ/g、銀合歡17.89 kJ/g、大葉千斤拔17.98 kJ/g、木豆19.16 kJ/g、假木豆18.01 kJ/g、長穗決明17.59 kJ/g、雙莢決明17.42 kJ/g、刺桐16.65 kJ/g、圓葉舞草18.09 kJ/g、白飯樹17.02 kJ/g、黃牛木18.03 kJ/g、破布葉17.54 kJ/g、金合歡19.57 kJ/g。②熱帶灌木去灰分熱值平均值分別為：大果榕18.23 kJ/g、對葉榕17.30 kJ/g、克拉豆19.14 kJ/g、銀合歡19.55 kJ/g、大葉千斤拔19.04 kJ/g、木豆20.12 kJ/g、假木豆19.13 kJ/g、長穗決明18.96 kJ/g、雙莢決明19.02 kJ/g、刺桐18.40 kJ/g、圓葉舞草18.96 kJ/g、白飯樹18.37 kJ/g、黃牛木19.46 kJ/g、破布葉18.98 kJ/g、金合歡20.43 kJ/g。熱帶灌木的干重?zé)嶂?、灰分含量和去灰分熱值存在差異且具有不同的月變化，干重?zé)嶂岛突曳趾砍蕵O顯著線性負(fù)相關(guān)。

熱帶灌木；干重?zé)嶂?；灰分含量；去灰分熱值；動態(tài)變化

植物熱值是指植物在一定的溫度條件下干物質(zhì)完全燃燒時所釋放的能量，它直接反映植物對太陽能的轉(zhuǎn)化效率, 是評價和反映生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)循環(huán)和能量轉(zhuǎn)化規(guī)律的重要指標(biāo)之一[1]。另外，植物轉(zhuǎn)化的太陽能通過各種方式提供給其他生物，因此植物的熱值在很大程度上決定了其營養(yǎng)價值，是評價其營養(yǎng)價值的重要標(biāo)志[2]。

楊福囤在1983年對高寒植物的熱值進(jìn)行了研究，是我國最早研究植物熱值的學(xué)者[3]。其后許多學(xué)者針對不同的研究目的對水稻、草本植物、竹林、苜蓿、桉樹、熱帶紅樹林、亞熱帶常綠闊葉林等的熱值進(jìn)行了測定[4-10]。龍瑞軍等研究發(fā)現(xiàn)灌木具有易燃燒、熱值高、灰分含量低、生物量大等特點(diǎn)，具有巨大的開發(fā)利用潛力[11-12]。目前對我國熱帶地區(qū)灌木研究不多，對其熱值的研究更是未見報道。因此，本研究對海南常見的15種熱帶灌木熱值、灰分動態(tài)變化進(jìn)行了研究，并對其熱值特征進(jìn)行探討，從能源利用的角度認(rèn)識它們的生物質(zhì)特性，以期為這類植物作為生物質(zhì)能源的開發(fā)利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)自然概況

植物樣品采集于中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院熱帶作物品種資源研究所十隊(duì)實(shí)驗(yàn)基地。試驗(yàn)地概況：試驗(yàn)地點(diǎn)位于北緯19°30′，東經(jīng)109°30′，海拔149 m，屬熱帶季風(fēng)氣候，氣候特點(diǎn)是夏秋季節(jié)高溫多雨，冬春季節(jié)低溫干旱，干濕季節(jié)明顯；實(shí)驗(yàn)基地土壤為花崗巖發(fā)育而成的磚紅壤土，土壤質(zhì)地較差，無灌溉條件。

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料：大果榕(Ficusauriculata)，對葉榕(F.hispida)，克拉豆(Cratyliaargentea)，銀合歡(Leucaenaleucocephala)，大葉千斤拔(Flemingiamacrophylla)，木豆(Cajanuscajan)，假木豆(Dendrolobiumtriangulare)，長穗決明(Sennadidymobotrya)，雙莢決明(S.bicapsularis)，刺桐(Erythrinavariegate)，圓葉舞草(Codariocalyxgyroides)，白飯樹(Flueggeavirosa)，黃牛木(Cratoxylumcochinchinense)，破布葉(Microcospaniculata)，金合歡(Acaciafarnesiana)。采樣時間為2009年3月至2010年3月每月采集1次。所采樣品均為植物枝葉，各約500 g。采集的植物樣本通過120 ℃殺青20 min后用65 ℃烘48 h，過40目篩粉碎制成樣品備測。

1.3 測定方法

干重?zé)嶂挡捎妹绹鴓arr6300全自動氧彈測熱儀測定，灰分含量采用干灰化法測定[13]，去灰分熱值=干重?zé)嶂?(1-灰分含量)。

2 結(jié)果與分析

2.1 15種熱帶灌木的干重?zé)嶂导霸伦兓?/p>

隨著植物的生長發(fā)育，植物熱值必然發(fā)生不同程度的變化。15種熱帶灌木之間熱值存在一定差異，且隨著生長發(fā)育其變化特點(diǎn)有所不同(表1)。15種熱帶灌木干重?zé)嶂底罡邽?月木豆(22.14 kJ/g)，最低為12月對葉榕(13.47 kJ/g)；熱帶灌木平均干重?zé)嶂到鸷蠚g最高(19.57 kJ/g)，對葉榕最低(14.02 kJ/g)。大果榕的干重?zé)嶂禐?4.81～16.98 kJ/g,平均為15.82 kJ/g；對葉榕的干重?zé)嶂禐?3.47～14.59 kJ/g，平均為14.02kJ/g；克拉豆的干重?zé)嶂禐?6.79～18.87 kJ/g，平均為17.37 kJ/g；大葉千斤拔的干重?zé)嶂禐?7.43～18.54 kJ/g，平均為17.98 kJ/g；木豆的干重?zé)嶂禐?8.17～22.14 kJ/g，平均為19.16 kJ/g；假木豆的干重?zé)嶂禐?7.53～18.82 kJ/g，平均為18.01 kJ/g；長穗決明的干重?zé)嶂禐?6.91～18.64 kJ/g，平均為17.59 kJ/g；雙莢決明的干重?zé)嶂禐?6.35～18.75 kJ/g，平均為17.42 kJ/g；刺桐的干重?zé)嶂禐?5.18～17.79 kJ/g，平均為16.65 kJ/g；圓葉舞草的干重?zé)嶂禐?7.51～18.66 kJ/g，平均為18.09 kJ/g；白飯樹的干重?zé)嶂禐?6.29～17.62 kJ/g，平均為17.02 kJ/g；黃牛木的干重?zé)嶂禐?7.34～18.64 kJ/g，平均為18.03 kJ/g；破布葉的干重?zé)嶂禐?6.48～18.16 kJ/g，平均為17.54 kJ/g；金合歡的干重?zé)嶂禐?8.61～20.83 kJ/g，平均為19.57 kJ/g。

表1 熱帶灌木不同月份干重?zé)嶂?/p>

注：同列不同字母表示差異極顯著(P<0.01)，下同。

Note: Means within the same column with different letters are significantly different at 0.01 level.The same as below.

表2 熱帶灌木不同月份灰分含量

2.2 15種熱帶灌木的灰分含量及月變化

灰分是指植物體礦質(zhì)元素氧化物的總和，不同植物以及不同生長發(fā)育時期其含量不同。不同熱帶灌木間灰分含量存在著差異，且具有不同的月變化趨勢(表2)。15種熱帶灌木灰分最高為2月對葉榕(28.18 %)，最低為7月金合歡(3.20 %)；熱帶灌木灰分平均含量對葉榕最高(18.63 %)，金合歡最低(4.22 %)。大果榕的灰分為9.97 %～25.26 %,平均為13.02 %；對葉榕的灰分為13.13 %～28.18 %，平均為18.63 %；克拉豆的灰分為7.41 %～12.72 %，平均為9.25 %；銀合歡的灰分為5.73 %～21.02 %，平均為8.27 %；大葉千斤拔的灰分為3.23 %～14.61 %，平均為5.40 %；木豆的灰分為3.50 %～9.89 %，平均為4.80 %；假木豆的灰分為4.67 %～8.77 %，平均為5.85 %；長穗決明的灰分為5.30 %～13.21 %，平均為7.19 %；雙莢決明的灰分為5.11 %～12.59 %，平均為8.32 %；刺桐的灰分為6.74 %～14.38 %，平均為9.49 %；圓葉舞草的灰分為3.38 %～8.79 %，平均為4.57 %；白飯樹的灰分為6.01 %～7.89 %，平均為7.40 %；黃牛木的灰分為3.56 %～23.89 %，平均為6.99 %；破布葉的灰分為5.60 %～14.07 %，平均為7.53 %；金合歡的灰分為3.20 %～5.37 %，平均為4.22 %。

2.3 15種熱帶灌木的去灰分熱值及月變化

用熱值來反映植物生物量轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的能量是有實(shí)用價值的，不同植物熱值差異很大，而灰分含量的差異是植物熱值差異的重要原因。去灰分熱值能比較正確地反映單位有機(jī)物中所含的熱量,可以消除灰分含量不同而造成的影響。因而,在對不同植物種類或不同生態(tài)環(huán)境下的同種植物的熱值比較時，采用去灰分熱值對植物樣品進(jìn)行比較分析更為科學(xué)合理。15種熱帶灌木去灰分熱值最高為10月黃牛木(23.44 kJ/g)，最低為3月對葉榕(15.98 kJ/g)；熱帶灌木去灰分熱值平均含量金合歡最高(20.43 kJ/g)，對葉榕最低(17.30 kJ/g)。大果榕的去灰分熱值為17.09～21.22 kJ/g,平均為18.23 kJ/g；對葉榕的去灰分熱值為15.98～19.58 kJ/g，平均為17.30 kJ/g；克拉豆的去灰分熱值為18.40～20.67 kJ/g，平均為19.14 kJ/g；銀合歡的去灰分熱值為18.41～22.69 kJ/g，平均為19.55 kJ/g；大葉千斤拔的去灰分熱值為18.23～21.42 kJ/g，平均為19.04 kJ/g；木豆的去灰分熱值為19.27～23.17 kJ/g，平均為20.12 kJ/g；假木豆的去灰分熱值為18.52～20.63 kJ/g，平均為19.13 kJ/g；長穗決明的去灰分熱值為18.02～21.00 kJ/g，平均為18.96 kJ/g；雙莢決明的去灰分熱值為17.71～21.45 kJ/g，平均為19.02 kJ/g；刺桐的去灰分熱值為17.04～20.10 kJ/g，平均為18.40 kJ/g；圓葉舞草的去灰分熱值為18.26～20.35 kJ/g，平均為18.96 kJ/g；白飯樹的去灰分熱值為17.64～19.10 kJ/g，平均為18.37 kJ/g；黃牛木的去灰分熱值為18.14～23.44 kJ/g，平均為19.46 kJ/g；破布葉的去灰分熱值為18.09～20.49 kJ/g，平均為18.98 kJ/g；金合歡的去灰分熱值為19.55～21.62 kJ/g，平均為20.43 kJ/g。

表3 熱帶灌木不同月份去灰分熱值含量

圖1 熱帶灌木熱值和灰分含量的關(guān)系Fig.1 The relationship between gross caloric value and ash content for the tropical shrubs

2.4 熱帶灌木熱值與灰分含量的相關(guān)性

通過對15種熱帶灌木熱值和灰分含量進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果表明兩者呈極顯著的線性負(fù)相關(guān)(P<0.01)(圖1)，相關(guān)方程為：y=-2.6678x+54.682(R2=0.8972)。楊福囤在我國首次提出灰分含量較高的植物干重?zé)嶂递^低，反之則干重?zé)嶂递^高[3]。龍瑞軍、林鵬等的研究也得出類似的結(jié)論[10,14]。其后有很多學(xué)者針對不同植物灰分和熱值的關(guān)系進(jìn)行深入研究，如榕屬植物、棕櫚、高大禾草、牧草和作物秸稈等，結(jié)果發(fā)現(xiàn)很多植物干重?zé)嶂蹬c灰分有極顯著的線性負(fù)相關(guān)，只是不同植物其相關(guān)方程存在一定差異[15-18]。

3 討 論

3.1 熱帶灌木干重?zé)嶂导捌溆绊懸蛩?/p>

15種熱帶灌木平均干重?zé)嶂禐?7.48 kJ/g，明顯高于一年生禾谷類作物平均熱值：小麥秸稈 (16.81±0.02)kJ/g、大麥秸稈 (16.12±0.02)kJ/g、玉米秸稈 (16.18±0.05)kJ/g[19]；高于寧祖林等報道的8種高大禾草平均干重?zé)嶂?7.46 kJ/g；高于畢玉芬報道的苜蓿平均干重?zé)嶂?7.04 kJ/g，表明熱帶灌木可為家畜生產(chǎn)提供所需的能量。本研究中榕屬的大果榕和對葉榕干重?zé)嶂岛孔畹?，低于向平等報道的榕屬植物平均干重?zé)嶂?9.05 kJ/g。龍瑞軍等報道的天祝高山15種飼用灌木平均干重?zé)嶂禐?0.24 kJ/g高于本研究的結(jié)果，可能是植物種類不同所造成的。熱帶灌木平均干重?zé)嶂蹬c熱帶亞熱帶地區(qū)不同植被類型相比，低于向平等報道的海南東寨港紅樹林干重?zé)嶂禐?9.51 kJ/g，廣東鼎湖山季風(fēng)常綠闊葉林干重?zé)嶂禐?0.63 kJ/g，南亞熱帶福建廈門10種榕屬植物葉片的平均干重?zé)嶂禐?9.05 kJ/g，福建南靖和溪南亞熱帶雨林干重?zé)嶂禐?0.97 kJ/g，大致有隨緯度升高熱值有上升的趨勢。Golley的研究表明植物的熱值隨著緯度的增加而上升,隨著緯度的降低而下降[20]。林鵬等從海南瓊山(19° 54′N)到浙江溫州(27° 51′N)共選擇8個樣點(diǎn)進(jìn)行秋茄的熱值測定，得到干重?zé)嶂岛吭诙倦S緯度升高而升高的結(jié)論。官麗莉等分析國內(nèi)學(xué)者的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)暖溫帶、南亞熱帶和熱帶的平均植物熱值分別為19.71、19.42和19.22 kJ/g，從南到北逐漸升高，與國外的多數(shù)研究結(jié)果吻合[21]。楊福囤等指出影響植物熱值含量的原因是多方面的如：生境條件，植物種類，植物化學(xué)組成，物候期等。由于這些研究是在不同時間單獨(dú)得到的結(jié)果，只能在一定程度上反映大概的趨勢，要得出更為精確的結(jié)論，必須針對不同的研究目的，采用統(tǒng)一的方法，進(jìn)行同步的研究，才能得到我國植物熱值較為科學(xué)的規(guī)律。

3.2 熱帶灌木灰分含量及其意義

15種熱帶灌木中，榕屬的大果榕和對葉榕灰分含量較高，與向平等報道的榕屬植物灰分含量接近。其他13種熱帶灌木灰分平均含量為6.87 %，略高于龍瑞軍等報道的天祝高山15種飼用灌木平均灰分含量6.32 %，明顯高于王立海報道的東北12種灌木平均灰分含量0.96 %，除了植物種類的不同外，采樣方法不同可能是造成灰分差異較大的原因。熱帶灌木平均灰分含量明顯低于小麥秸稈 (8.32±0.06) %、大麥秸稈 (10.72±0.05) %、玉米秸稈 (7.46±0.02) %[19]，略高于8種高大禾草平均灰分6.23 %，總的說來熱帶灌木具有相對較低的灰分含量，這對其作為生物能源生產(chǎn)是極為有利的。低灰分含量植物比較適合作固體生物燃料，這是因?yàn)椋阂环矫婊曳趾繉χ参锏臒嶂诞a(chǎn)生負(fù)面效應(yīng)，灰分較高的植物熱值則較低；另一方面，灰分含量高也會造成灰熔點(diǎn)下降，導(dǎo)致流化床的床料粘結(jié)和熱面灰污、污垢和腐蝕問題，從而降低生產(chǎn)效率[22]。

3.3 熱帶灌木去灰分熱值及其影響因素

15種熱帶灌木去灰分熱值平均值為19.01 kJ/g，高于世界陸生植物的平均去灰分熱值為17.79 kJ/g[23]，相當(dāng)于同等重量煤炭熱值的64.88 %(1kg標(biāo)準(zhǔn)煤的平均熱值為29.3MJ)[24]，是很有潛力的生物質(zhì)能源。熱帶灌木去灰分熱值平均值低于天祝高山15種飼用灌木平均去灰分熱值(21.84 kJ/g)和東北12種灌木平均木去灰分熱值(20.86 kJ/g)，可能主要是植物種類和緯度的影響。綜合去灰分熱值和熱值的變化情況可以看出，兩者變化的趨勢不同，而造成該差異的重要原因可能是灰分含量的差異。因此，在對不同植物種類或不同生境條件下同種植物的熱值進(jìn)行比較時，應(yīng)該采用去灰分熱值以消除灰分含量不同而造成的不利影響。

4 結(jié) 論

15種熱帶灌木平均熱值較高，平均灰分含量較低。不同植物不同月份熱值、灰分含量存在差異，且月變化趨勢因種類不同而不同。植物熱值種間差異受其本身遺傳特性和生長規(guī)律的影響，也與生長環(huán)境密切相關(guān)。熱帶灌木干重?zé)嶂蹬c灰分含量呈極顯著的線性負(fù)相關(guān)(P<0.05)。干重?zé)嶂蹬c去灰分熱值的月變化趨勢不同，灰分含量的不同可能導(dǎo)致差異的主要原因。熱帶灌木去灰分熱值高于世界陸生植物的平均值，且水分含量較草本植物低，加工更方便，是很有潛力的生物質(zhì)能源。此外熱帶灌木生命力強(qiáng)，對栽培生長條件沒有特殊要求，可以充分利用鹽堿化、灘涂、沙地等不適宜農(nóng)作物生產(chǎn)的土地，在提供生物質(zhì)能源和改善生態(tài)環(huán)境等方面都將發(fā)揮出積極的作用。

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(責(zé)任編輯 李 潔)

Dynamic Change of Gross Caloric Value of Some Tropical Shrubs

ZI Xue-juan1, 2, LI Mao2 *, ZHOU Han-lin2

(1.College of Applied Science and Technology, Hainan University, Hainan Danzhou 571737, China; 2. Tropical Crops Genetic Resources Institute, Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences, Hainan Danzhou 571737, China)

Monthly dynamic changes in the caloric values and ash contents of 15 tropical shrubs in Hainan province were discussed in this paper. The results showed as follows：(i) The annual average gross caloric values of tropical shrubs in Hainan province were 15.82 kJ/g forFicusauriculata，14.02 kJ/g forFicushispida，17.37 kJ/g forCratyliaargentea，17.89 kJ/g forLeucaenaleucocephala，17.98 kJ/g forFlemingiamacrophylla，19.16 kJ/g forCajanuscajan，18.01 kJ/g forDendrolobiumtriangulare，17.59 kJ/g forCassiadidymobotrya，17.42 kJ/g forC.bicapsularis，16.65 kJ/g forErythrinavariegate，18.09 kJ/g forCodariocalyxgyroides，17.02 kJ/g forFlueggeavirosa，18.03 kJ/g forCratoxylumcochinchinense，17.54 kJ/g forMicrocospaniculata，19.57 kJ/g forAcaciafarnesiana，respectively；(ii) The annual average ash free caloric values of tropical shrubs in Hainan province were 18.23 kJ/g forFicusauriculata，17.30 kJ/g forFicushispida，19.14 kJ/g forCratyliaargentea，19.55 kJ/g forLeucaenaleucocephala，19.04 kJ/g forFlemingiamacrophylla，20.12 kJ/g forCajanuscajan，19.13 kJ/g forDendrolobiumtriangulare，18.96 kJ/g forCassiadidymobotrya，19.02 kJ/g forCassiabicapsularis，18.40 kJ/g forErythrinavariegate，18.96 kJ/g forCodariocalyxgyroides，18.37 kJ/g forFlueggeavirosa，19.46 kJ/g forCratoxylumcochinchinense，18.98 kJ/g forMicrocospaniculata，20.43 kJ/g forAcaciafarnesiana，respectively .Gross caloric values， ash contents and ash free caloric value of the 15 tropical shrubs in Hainan province were different and varied with month. Gross caloric values of the tropical shrubs showed significantly negative correlation with ash contents.

Tropical shrubs；Gross caloric value；Ash content；Ash free caloric value；Dynamic change

1001-4829(2016)07-1713-06

10.16213/j.cnki.scjas.2016.07.038

2015-06-09

中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)(163003201 2049)；農(nóng)業(yè)部財政項(xiàng)目“海南黑山羊舍飼養(yǎng)殖中非常規(guī)飼料利用技術(shù)示范與推廣”

字學(xué)娟(1984-)，女，碩士，講師， E-mail：zixuejuan@163.com，*為通訊作者：李 茂(1984-)，男，助理研究員，E-mail: limaohn@163.com。

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