優(yōu)選適宜邊際土地栽培的高產(chǎn)能源作物及其厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣潛力研究

付傳翠， 董泰麗， 孫穎材

(山東民和生物科技股份有限公司， 山東 蓬萊 265600)

優(yōu)選適宜邊際土地栽培的高產(chǎn)能源作物及其厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣潛力研究

付傳翠， 董泰麗， 孫穎材

(山東民和生物科技股份有限公司， 山東 蓬萊 265600)

為保障大型沼氣工程充足的發(fā)酵原料供給、促進山東膠東半島區(qū)域邊際土地生物質(zhì)原料生產(chǎn)，文章從能源作物生物質(zhì)量(干重)、生物質(zhì)產(chǎn)氣潛力等兩個方面考慮，選擇了狼尾草、能源玉米、甜高粱這3種作物的8個品種在膠東半島的蓬萊地域邊際土地上進行種植，通過測定8個品種的生物質(zhì)產(chǎn)量、產(chǎn)氣潛力等相關(guān)指標進行檢測、分析，結(jié)合邊際土地的栽培條件，綜合評價分析選擇出生物質(zhì)產(chǎn)量(干重)高、產(chǎn)氣潛力大的能源作物品種。結(jié)果表明：在蓬萊地域邊際土地上的生物質(zhì)量(干重)以能源玉米(先玉335品種)最佳，其次是甜高粱(中能品種)，多年生狼尾草，生物質(zhì)量(干重)分別為33.5 t·hm-2y-1，33.0 t·hm-2y-1，30.5 t·hm-2y-1；沼氣產(chǎn)量是以甜高粱(中能品種)最佳，其次是能源玉米(先玉335品種)和多年生雜交狼尾草，其沼氣(CH460%)產(chǎn)量分別為：10509.7 m3·hm-2y-1，6589.6 m3·hm-2y-1，6188.5 m3·hm-2y-1。其中多年生狼尾草在蓬萊地域栽培以扦插為主，用工較多，不適合在蓬萊地域大規(guī)模種植。甜高粱(中能品種)和能源玉米(先玉335品種)適合大規(guī)模種植為規(guī)?；託夤こ烫峁┏渥愕陌l(fā)酵原料；同時提高了膠東半島區(qū)域邊際土地的利用率，獲得良好的邊際土地應(yīng)用潛力。

能源作物； 邊際土地； 生物質(zhì)量(干重)； 產(chǎn)氣潛力

生物質(zhì)能源是全球最有前景的可再生替代能源[1-4]，其中生物燃氣是世界范圍內(nèi)最具商業(yè)化發(fā)展?jié)摿Φ纳镔|(zhì)能源之一，歐盟制定了到2020年可再生能源必須占總能源消費量20%的強制性目標，其中至少25%的份額將依靠生物燃氣；因為，生物質(zhì)是綠色植物通過光合作用形成的有機體，可轉(zhuǎn)化生物天然氣；因此，高光效高生物量能源作物的開發(fā)利用是生物質(zhì)原料的供應(yīng)保障[3]，并為大型沼氣工程提供充足的發(fā)酵原料，改善沼氣工程中畜禽糞便單一原料發(fā)酵存在的營養(yǎng)失衡與供給不穩(wěn)等問題，研究如何拓展發(fā)酵原料，優(yōu)選高產(chǎn)、高品質(zhì)的能源作物。其中抗性強、光能利用效率高、種植成本低、生態(tài)效益好和適宜邊際土地上種植的作物被認為是最具開發(fā)利用前景的能源作物[4-6]。

我國宜能荒地可墾得凈耕地面積1.608×107hm2，若這些宜能荒地全部用于種植能源作物，理論可滿足年產(chǎn)量約9.56×1010m3生物燃氣的原料需求，可見能源作物作為發(fā)酵原料制備生物燃氣技術(shù)的應(yīng)用潛力巨大。但目前國內(nèi)以能源開發(fā)為目的的草本能源植物研究尚未開展[4]，能源作物發(fā)酵制備生物燃氣技術(shù)尚未實現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用，如何根據(jù)當?shù)貧夂驐l件，因地制宜地選育高產(chǎn)能源作物品種，為規(guī)?；茉醋魑飬捬醢l(fā)酵制備生物燃氣提供原料支撐是筆者研究的重要內(nèi)容之一。

1 試驗時間與地點

研究于2014年和2015年在山東民和生物科技股份有限公司試驗基地進行兩年優(yōu)選種植試驗，該基地位于煙臺蓬萊市(E120°，N 37°)屬典型的暖溫帶大陸性季風氣候，年平均氣溫11.7℃，年平均日最高氣溫28.8℃，年平均日最低氣溫-2.3℃，極端最高氣溫38.8℃，極端最低氣溫-14.9℃，年平均降水量664 mm，年均日照量2826小時，無霜期平均206 d，相對濕度65%，平均海拔高度15～25 m；屬丘陵地帶。

2 試驗材料與方法

2.1 供試能源作物

在對我國北方地區(qū)能源作物產(chǎn)量品質(zhì)特性、生態(tài)適應(yīng)性[7-20]等的研究基礎(chǔ)上，根據(jù)蓬萊的典型山東膠東半島氣候情況，分析初選適宜該區(qū)域種植的高產(chǎn)作物類別，初選品種為狼尾草(纖維素類)、玉米(淀粉類)、甜高粱(糖類)等8個品種，如表1所示。

表1 能源作物品種

2.2 試驗裝置

試驗由田間種植栽培試驗及實驗室試驗兩部分組成；田間種植栽培試驗中重要檢測數(shù)據(jù)是產(chǎn)量數(shù)據(jù)，實驗室試驗重要數(shù)據(jù)檢測是TS和VS檢測與產(chǎn)氣潛力檢測；種植栽培優(yōu)選試驗及實驗室試驗除常用的種植設(shè)備、測量工具及實驗室檢測常規(guī)設(shè)備外，所用主要指標檢測設(shè)備見表2。

表2 研究用主要設(shè)備

2.3 能源作物產(chǎn)量、生物質(zhì)量(干重)測定

根據(jù)不同作物品種的生長周期和播種要求進行合理種植，收獲并測定不同作物不同品種的單位面積產(chǎn)量、單位面積生物質(zhì)量(干重)，以確定其生長適應(yīng)性。

2.4 不同能源作物品種產(chǎn)氣潛力監(jiān)測方法

將接種物和物料在厭氧發(fā)酵器中以接種物VS∶物料VS=2∶1比例進行添加并混勻，安裝密封及攪拌裝置，通入高純氮氣排出厭氧發(fā)酵反應(yīng)器上層空氣營造厭氧條件，連接氣體收集裝置，保溫37℃開始厭氧發(fā)酵；測定每日產(chǎn)氣量，待產(chǎn)氣量低于總產(chǎn)氣量1%時認定產(chǎn)氣階段結(jié)束。產(chǎn)出氣體經(jīng)過堿吸收裝置去除其中的CO2和H2S 等氣體，剩余氣體計為CH4；采用自動化氣體體積測量儀測定CH4體積，測定不同作物不同品種的甲烷產(chǎn)氣潛力。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同品種狼尾草生物質(zhì)量(干重)與產(chǎn)氣潛力比較分析

不同品種狼尾草在發(fā)酵產(chǎn)氣過程中，日凈產(chǎn)甲烷量的變化如圖1所示。由圖1可知，該試驗發(fā)酵可持續(xù)時間為23 d。多年生狼尾草與一年生狼尾草發(fā)酵啟動速度、產(chǎn)氣規(guī)律基本一致，兩者均在第1天迅速啟動，第2～8天處于快速產(chǎn)氣階段，峰值出現(xiàn)在第4～5天，一年生狼尾草峰值出現(xiàn)略早于多年生狼尾草，兩者在出現(xiàn)峰值后隨后均明顯回落。第1～3天兩者凈產(chǎn)氣量基本一致，自第3天始，一年生狼尾草日凈產(chǎn)氣量均低于多年生狼尾草。

圖1 不同品種狼尾草發(fā)酵產(chǎn)甲烷量隨時間的變化

品 種鮮重生物質(zhì)量(干重)沼氣產(chǎn)量(生物質(zhì)量)沼氣產(chǎn)量(t·hm-2y-1)(t·hm-2y-1)(m3·t-1TS)(m3·hm-2y-1)一年生7018.0152.212739.8多年生15033.0187.536188.5

由表3看出，狼尾草作物中多年生狼尾草產(chǎn)量、生物質(zhì)量(干重)、沼氣產(chǎn)量均高于一年生狼尾草，分別較一年生狼尾草高出：83.33%，125.87%。結(jié)合圖1與表3，多年生狼尾草由于自第3天后的日凈產(chǎn)氣量均高于一年生狼尾草，因此出現(xiàn)了總產(chǎn)氣量較一年生狼尾草高出125.87%。

根據(jù)圖1與表3可以看出，供試的2個狼尾草品種中多年生狼尾草從單位面積生物質(zhì)量(干重)、產(chǎn)氣啟動速度、日凈產(chǎn)氣量及總產(chǎn)氣量上均具有明顯優(yōu)勢。

3.2 能源玉米生物質(zhì)產(chǎn)量、產(chǎn)氣潛力分析

不同品種能源玉米在發(fā)酵產(chǎn)氣過程中，日凈產(chǎn)甲烷量的變化如圖2所示。由圖2可知，該試驗可發(fā)酵持續(xù)時間為22 d；不同品種能源玉米發(fā)酵啟動速度：北農(nóng)青貯略高于先玉335和豫青貯23；產(chǎn)氣規(guī)律基本一致；均在2～3 d時出現(xiàn)產(chǎn)氣峰值，但不同品種間有較大差異，其中北農(nóng)青貯208>先玉335>豫青貯23，隨后明顯回落；三者日凈產(chǎn)氣量主要集中在1～7 d；等質(zhì)量的干物質(zhì)，北農(nóng)青貯具有明顯的產(chǎn)氣潛力優(yōu)勢。

由表4看出，3個品種在帶棒達到青貯標準時進行收割，先玉335鮮重年產(chǎn)量及生物質(zhì)量(干重)均遠高于北農(nóng)青貯208與豫青貯23，其生物質(zhì)量(干重)先玉335分別較兩者高出94.77%，100.60%；其單位面積產(chǎn)氣量活桿玉米顯著高于北農(nóng)青貯208，豫青貯23，分別高出109.61%，122.97%。

圖2 不同品種能源玉米發(fā)酵產(chǎn)甲烷隨時間的變化

品 種鮮重生物質(zhì)量(干重)沼氣產(chǎn)量(生物質(zhì)量)沼氣產(chǎn)量(t·hm-2y-1)(t·hm-2y-1)(m3·t-1TS)(m3·hm-2y-1)北農(nóng)青貯20855.517.2182.783143.8豫青貯2357.016.7176.972955.4先玉335150.033.5196.706589.6

注：北農(nóng)青貯208，豫青貯23在蓬萊地區(qū)其青貯生長期為100 d，一年僅可種植一季；先玉335在蓬萊地區(qū)青貯生長期80 d，一年可種植兩季。對北農(nóng)青貯208，豫青貯23進行100 d及先玉335進行80 d(兩季)的生物產(chǎn)量、產(chǎn)氣潛力數(shù)據(jù)進行測定、分析。

結(jié)合圖2和表4數(shù)據(jù)分析，從單位面積生物質(zhì)量(干重)及總產(chǎn)氣量分析，先玉335具有明顯的優(yōu)勢。

3.3 甜高粱生物質(zhì)量(干重)、產(chǎn)氣潛力分析

不同品種甜高粱在發(fā)酵產(chǎn)氣過程中，日凈產(chǎn)甲烷量的變化如圖3所示。由圖3可知，該試驗可發(fā)酵持續(xù)時間為29 d。不同品種甜高粱發(fā)酵啟動速度：中能品種在第一天達到峰值45 mL·g-1TS，牛魔王與海牛均在第二天達到峰值，峰值分別為27.5 mL·g-1TS，20.5 mL·g-1TS這3者峰值差距明顯；隨后明顯回落；總體日凈產(chǎn)氣量總體趨勢是：中能>牛魔王>海牛；第8天后牛魔王與海牛產(chǎn)氣量極低，而中能一直保持一定產(chǎn)氣量至第27天。

圖3 不同品種甜高梁發(fā)酵產(chǎn)甲烷量隨時間變化

品種鮮重生物質(zhì)量(干重)沼氣產(chǎn)量(生物質(zhì)量)沼氣產(chǎn)量(t·hm-2y-1)(t·hm-2y-1)(m3·t-1TS)(m3·hm-2y-1)牛魔王82.511.8183.002159.4海 牛48.011.1143.161589.1中 能69.030.5344.5810509.7

由表5看出，中能生物質(zhì)量(干重)、沼氣產(chǎn)量明顯高于牛魔王與海牛，其生物質(zhì)量(干重)中能分別較牛魔王、海牛高出158.47%，174.77%；其單位面積產(chǎn)氣量中能顯著分別較牛魔王、海牛高出：386.70%，561.36%。

結(jié)合圖3及表5可以看出，供試的3個甜高粱中，中能品種從產(chǎn)氣啟動速度、集中產(chǎn)氣時間、日凈產(chǎn)氣量、總產(chǎn)氣量上均具有明顯的優(yōu)勢。

3.4 各能源作物類別中優(yōu)勢品種間生物質(zhì)產(chǎn)量、產(chǎn)氣潛力對比分析

由表6可以看出，生物質(zhì)量(干重)以能源玉米—先鋒系列的先玉335最佳，其次是甜高粱中的中能品種、多年生狼尾草，生物質(zhì)量(干重)分別為33.5 t·hm-2y-1，33.0 t·hm-2y-1，30.5 t·hm-2y-1；沼氣產(chǎn)量是以甜高粱中的中能最佳，其次是先玉335，多年生狼尾草，其沼氣產(chǎn)量分別為：10509.7 m3·hm-2y-1，6589.6 m3·hm-2y-1，6188.5 m3·hm-2y-1。

3.5 不同能源作物中優(yōu)勢品種間種植管理對比分析

狼尾草、玉米、甜高粱這3者具有各自的特點，其中多年生狼尾草在筆者試驗地區(qū)不能完成自然越冬，需每年扦插，規(guī)?；N植用工多，而玉米、甜高粱靠播種相對省工，結(jié)合筆者試驗區(qū)域特點多年生狼尾草不適合在膠東半島區(qū)域進展規(guī)?；N植；甜高粱與能源玉米兩個品種在實際種植生產(chǎn)中需根據(jù)各自的特點、各品種的生物質(zhì)量(干重)、沼氣產(chǎn)量以及種植目的，對品種進行綜合評判選擇，以期達到生產(chǎn)效益最大化。

表6 各能源作物類別中優(yōu)勢品種生物質(zhì)量(干重)、沼氣(CH4 60%)產(chǎn)量對比

4 結(jié)論

(1)不同品種的同類作物間產(chǎn)氣規(guī)律具有一定的一致性。

(2)不同作物之間以及同種作物不同品種間產(chǎn)氣規(guī)律等存在較大的差異。

(3)試驗中甜高粱厭氧發(fā)酵時間最長為29 d；其次是狼尾草為23 d，能源玉米為22 d。

(4)甜高粱、能源玉米日凈產(chǎn)氣量峰值明顯，高產(chǎn)氣量持續(xù)時間短；狼尾草出現(xiàn)峰值后相對回落較平緩，在連續(xù)式發(fā)酵工藝中的原料利用率及投入方面甜高粱、能源玉米具有明顯優(yōu)勢。

(5)單位面積生物質(zhì)量(干重)以能源玉米(先玉335)最佳，其次是甜高粱(中能)，多年生狼尾草，生物質(zhì)量(干重)分別為33.5 t·hm-2y-1，33.0 t·hm-2y-1，30.5 t·hm-2y-1。

(6)沼氣產(chǎn)量是以甜高粱(中能)最佳，其次是能源玉米(先玉335)和多年生狼尾草，其沼氣產(chǎn)量分別為：10509.7 m3·hm-2y-1，6589.6 m3·hm-2y-1，6188.5 m3·hm-2y-1。

(7)多年生狼尾草在山東膠東半島地域不能安全自然越冬，需每年扦插用工多，不適合在該地區(qū)規(guī)模化種植。

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Selection of High Yield Energy Crops for Marginal Land and Its Biogas Production Potential /

FU Chuan-cui，DONG Tai-li， SUN Ying-cai /

(Shandong Min-he Biotechnology Co Ltd，Penglai 265600，China)

To provide sufficient fermentation raw material for large biogas engineering, and promote the biomass production on marginal land in Jiaodong peninsula in Shandong, three kinds of energy crops includingPennisetum, energy corn (Xianyu 335), sweet sorghum(Zhongneng), with totally 8 species were planted on marginal land in Penglai district, Shandong province. Their biomass production (dry weight) and the biogas production potential were determined and analyzed. The result showed that the energy corn (Xianyu 335) had the best biomass production of 33.5 t·hm-2y-1, and then sweet sorghum(Zhongneng)was 33.0 t·hm-2y-1,perennialPennisetum30.5 t·hm-2y-1. For the biogas production potential, the sweet sorghum(Zhongneng) was the best, and then energy corn (Xianyu 335) and perennialPennisetum, they were 10509.7 m3·hm-2y-1，6589.6 m3·hm-2y-1，6188.5 m3·hm-2y-1respectively. Due to the cuttage planting were the main way for the perennialPennisetumplanting, more labours were needed and not suitable for large-scale cultivation in Penglai, the energy corn and sweet sorghum were suitable for large-scale cultivation providing sufficient raw materials for the biogas engineering, and improving the utilization of marginal land.

energy crops； marginal land； biomass yield(dry weight)； biogas production potential

2016-10-14

項目來源： 2014年度國家科技支撐課題(2014BAD24B01)

付傳翠(1980-)，女，碩士，農(nóng)藝師，主要從事沼肥資源化利用研究工作，E-mail ：chuancuifu@163.com

董泰麗，E-mail：dongtaili@126.com

S216.4； X712

B

1000-1166(2017)02-0072-05