渭河濕地植物的熱值研究

摘要：濕地植物熱值是濕地生態(tài)系統(tǒng)中能量轉(zhuǎn)化評價(jià)的重要指標(biāo)。利用氧彈式量熱計(jì)對渭河濕地6種植物的熱值和灰分含量進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，6種植物的干質(zhì)量熱值（GCV）在15.41～22.58 kJ/g之間，灰分含量在5.71%～7.80%之間，去灰分熱值（AFCV）在16.71～24.05 kJ/g之間。對植物間熱值進(jìn)行比較，各植物的去灰分熱值均大于其干質(zhì)量熱值。濕地植物的干重?zé)嶂蹬c灰分含量有較顯著的線性相關(guān)。

關(guān)鍵詞：濕地；植物；熱值；灰分含量

中圖分類號：Q947.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）17-4495-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.17.035

Abstract： The calorific value of plants is an important index to evaluate energy conversion of the wetland ecosystem. In this study，the caloric value and ash content of six kinds of plants in Weihe wetland were determined using combustion bomb calorimeter. The results showed that the gross caloric value of the six kinds of plants ranged from 15.41 kJ/g to 22.58 kJ/g，the ash content ranged from 5.71% to 7.80%，the ash free caloric value ranged from 16.71 kJ/g to 24.05 kJ/g. Through comparing the caloric value of the plant that the ash free caloric value higher than the gross caloric value. The gross caloric value and the ash content of wetland plants showed a relatively remarkable linear correlation.

Key words：wetland；plants；caloric value；ash content

植物熱值是生態(tài)系統(tǒng)能流的介質(zhì)和載體，生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)是生態(tài)系統(tǒng)的基本功能，也是生態(tài)系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)。熱值可作為植物生長的有效指標(biāo)，熱值測定是能量生態(tài)學(xué)研究的基礎(chǔ)之一，對生理、栽培、育種、土壤、生態(tài)等研究有重要意義[1，2]。渭河是黃河第一大支流，發(fā)源于甘肅省渭源縣鳥鼠山北側(cè)，流經(jīng)甘肅、寧夏、陜西，于陜西潼關(guān)港口注入黃河。渭河濕地植物中蘆葦、蒲草等水生植物不僅具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，且有攔蓄洪水和凈化水質(zhì)的能力，使地下水保持一種動(dòng)態(tài)的正均衡，同時(shí)也為眾多的水陸兩棲動(dòng)物提供了廣闊的生活空間。在人類活動(dòng)的影響下蘆葦?shù)人参锏膯适?huì)導(dǎo)致濕地生態(tài)失衡，濕地內(nèi)珍貴的生物資源也將隨之消失。

熱值是評價(jià)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)，隨著生態(tài)系統(tǒng)功能過程研究的深入，熱值測定日益引起了人們的重視。1960年以來，國內(nèi)外學(xué)者對植物的熱值作了大量的研究，但中國主要集中于草本植物和南方亞熱帶森林植物的研究，目前國內(nèi)有關(guān)植物熱值的研究主要包括植物熱值在器官、個(gè)體、群落等水平上的變化規(guī)律和時(shí)間、空間動(dòng)態(tài)以及物質(zhì)成分、灰分含量、環(huán)境因子等因素對植物熱值的影響，大多數(shù)是有關(guān)草原、森林、高寒草地等植物熱值的研究[3-7]，而關(guān)于濕地優(yōu)勢植物熱值的研究報(bào)道較少，本研究對渭河渭南城區(qū)段濕地6種植物，包括蘆葦、香蒲、水竹、青苔、牛筋草和十字牛頓草，利用氧彈式量熱計(jì)進(jìn)行熱值測定分析，對渭河濕地植物的分析研究和保護(hù)利用具有一定的參考價(jià)值，為渭河濕地生態(tài)系統(tǒng)的能流研究提供基礎(chǔ)參考數(shù)據(jù)。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

本試驗(yàn)濕地植物采樣區(qū)為陜西渭南渭河城區(qū)段濕地。渭南隸屬于陜西省，地理坐標(biāo)為東經(jīng)108°50′～110°38′、北緯34°13′～35°52′，地處陜西關(guān)中渭河平原東部，是陜西省的“東大門”，總面積約13 134 km2。年平均氣溫13.6 ℃，氣候條件為暖溫帶半濕潤氣候，年平均降水量570 mm，年日照2 200～2 500 h。

1.2 樣品采集

本研究分析樣本采自渭河渭南城區(qū)段濕地，采集時(shí)間為2014年10月底。根據(jù)氣象臺(tái)資料，渭南氣候?yàn)槟蟻啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，氣候溫和，雨量充沛。因此，該地適合多類植物生長。本研究分析研究的植物樣本有蘆葦（Phragmites australis）、香蒲（Typha orintalis）、水竹（Phyllostachys heteroclada）、牛筋草（Goosegrass）、青苔（Moss）和十字牛頓草。

1.3 測定方法

1.3.1 干質(zhì)量熱值測定 樣品熱值以干質(zhì)量熱值（GCV），即每克干物質(zhì)在完全燃燒條件下所釋放的總熱量和去灰分熱值（AFCV）來表示。所有植物樣品都在野外實(shí)測鮮重并按要求取測含水率之后帶回實(shí)驗(yàn)室測定干重。所有樣品采集后經(jīng)80 ℃恒溫下烘至恒質(zhì)量，粉碎后過篩貯存?zhèn)溆?；用熱量?jì)法測定熱值含量。儀器采用南京桑力電子設(shè)備廠生產(chǎn)的SHR-15B型電腦氧彈式熱量計(jì)。測定環(huán)境的室溫為21 ℃左右，每個(gè)樣本2～3次重復(fù)，每次試驗(yàn)前用苯甲酸標(biāo)定[8]。

1.3.2 灰分含量測定 灰分含量的測定用干灰化法，即樣品在馬福爐550 ℃下灰化5 h后測定其灰分含量，同樣取3次測定結(jié)果的平均值。用樣品的灰分質(zhì)量除以樣品總質(zhì)量，算出灰分含量[9]：

灰分含量=灰分質(zhì)量/干物質(zhì)總質(zhì)量

1.3.3 去灰分熱值計(jì)算 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，免受灰分含量不同的干擾，因此本研究以兩種熱值求算并進(jìn)行比較。去灰分熱值與干質(zhì)量熱值和灰分質(zhì)量的關(guān)系式[9]為：

去灰分熱值=干質(zhì)量熱值/（1-灰分質(zhì)量）

2 結(jié)果與討論

2.1 植物的干質(zhì)量熱值

通過試驗(yàn)測定，濕地6種植物的干質(zhì)量熱值平均值在15.41～22.58 kJ/g之間，其中植物十字牛頓草的干重?zé)嶂底畹?，而蘆葦?shù)母芍責(zé)嶂底罡撸ū?），干重?zé)嶂档拇笮№樞蚴翘J葦>香蒲>牛筋草>水竹>青苔>十字牛頓草。各植物器官中，除了香蒲和牛筋草中穗的干質(zhì)量熱值相對較高之外，其他植物葉的干質(zhì)量熱值在各器官中是最高的，參考文獻(xiàn)[10，11]指出從植物解剖學(xué)和植物生理學(xué)的角度看，葉是植物體生理活動(dòng)最活躍的器官，含有較多的高能化合物，如蛋白質(zhì)和脂肪等物質(zhì)。因此葉的干重?zé)嶂狄话爿^高，莖的纖維素含量較高，熱值一般相對較低。本研究中除蘆葦莖的熱值不是最低外，其他植物莖的熱值均為最低。由此看出，不同植物的各器官熱值不好比較，因?yàn)椴煌参镌谏L發(fā)育過程中能量在各器官中的分配比例不同，且各器官含能物質(zhì)不同。而影響植物熱值的因素很多，植物種類、遺傳特性、營養(yǎng)條件、氣候條件以及植物所含的營養(yǎng)成分的不同都會(huì)影響植物的熱值。

2.2 植物灰分含量

由表1可知，植物的灰分含量（ASH）均值在5.71%～7.80%之間，其中香蒲的灰分含量最低，十字牛頓草的灰分含量最高，各植物灰分含量的大小順序是十字牛頓草>水竹>牛筋草>青苔>蘆葦>香蒲。研究結(jié)果顯示，6種植物中葉的灰分含量較高，灰分含量的高低決定著植物熱值的相對高低。

2.3 植物的去灰分熱值

熱值有干質(zhì)量熱值和去灰分熱值（AFCV），由于去灰分熱值能更準(zhǔn)確地反映單位干物質(zhì)所含能量，因此植物的去灰分熱值更具可比性。從表1看出，6種植物的去灰分熱值在16.71～24.05 kJ/g之間，植物去灰分熱值的大小順序?yàn)樘J葦>香蒲>牛筋草>水竹>青苔>十字牛頓草。從植物全株熱值來看，蘆葦?shù)娜セ曳譄嶂底罡?，十字牛頓草的去灰分熱值最低。

2.4 植物熱值對比分析

由圖1可知，從植物全株的熱值角度分析，每個(gè)植物的去灰分熱值（AFCV）均大于干質(zhì)量熱值（GCV）。植物不同的生長環(huán)境和氣候因素導(dǎo)致其生長過程中所具有的熱值也有所差異。測定結(jié)果顯示，蘆葦全株的GCV和AFCV均值為22.58和24.05 kJ/g；香蒲全株的GCV和AFCV均值為20.22和21.34 kJ/g；牛筋草全株的GCV和AFCV均值為19.60和20.99 kJ/g；水竹的GCV和AFCV均值為17.65和19.00 kJ/g；青苔的GCV和AFCV均值為16.83和17.95 kJ/g；牛頓草（十字牛頓草）的GCV和AFCV均值為15.41和16.71 kJ/g。其中植物蘆葦?shù)臒嶂翟谒袠颖局凶罡?，這可能與蘆葦為濕地較優(yōu)勢植物和其本身的特性有關(guān)，而十字牛頓草的熱值最低，不同植物間熱值存在著差異，這說明植物種類及其本身性質(zhì)等因素決定種間熱值差異。

2.5 濕地植物的干質(zhì)量熱值和灰分含量的相關(guān)性

濕地植物的干質(zhì)量熱值和灰分含量有較顯著的線性相關(guān)（圖2），相關(guān)方程為Y=-0.614 3X+22.621，R2=0.541 6，式中X為植物的平均灰分含量（%），Y為植物全株的干質(zhì)量熱值（kJ/g）。從圖2可看出，灰分含量越高，其干質(zhì)量熱值就越低，這也說明對濕地植物來說，干質(zhì)量熱值相對較低的重要原因之一是植物的高灰分含量。

3 結(jié)論

通過對渭河渭南城區(qū)段濕地中不同植物的熱值和灰分含量分析研究，從試驗(yàn)測定結(jié)果可得以下結(jié)論：

1）濕地6種植物的干質(zhì)量熱值均值在15.41～22.58 kJ/g之間，灰分含量均值在5.71%～7.80%之間，去灰分熱值在16.71～24.05 kJ/g之間。從植物全株熱值來看，各樣本的去灰分熱值均大于其干質(zhì)量熱值。

2）濕地植物的干質(zhì)量熱值和去灰分熱值存在差異，這與植物本身的特性有關(guān)。說明同一生態(tài)環(huán)境中，植物熱值的差異與植物本身遺傳性和生理生態(tài)特性有關(guān)。從灰分含量看，6種植物各器官中葉的灰分含量較高，葉的灰分含量高決定了植物葉的熱值相對低。從干質(zhì)量熱值與灰分含量的相關(guān)性看出，濕地植物的灰分含量越高，其干質(zhì)量熱值就越低。

3）測定結(jié)果顯示，不同植物各器官之間的熱值沒有明顯的規(guī)律，各器官的熱值差異較大，主要是由于各器官灰分含量不同所致，還與不同植物自身組成、結(jié)構(gòu)和功能有關(guān)。不同植物各器官的熱值不好比較，因?yàn)椴煌闹参镌谏L發(fā)育過程中能量在各器官中的分配比例不同，且各器官含能物質(zhì)不同。植物本身性質(zhì)決定種間熱值差異，在相同環(huán)境下，植物體內(nèi)含能物質(zhì)越多，表明集聚的熱值越高，本研究結(jié)果在一定程度上為濕地優(yōu)勢植物的研究分析提供了一定的數(shù)據(jù)參考。

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