瑞典柳樹(shù)能源林技術(shù)研究

秦光華 宋玉民 喬玉玲 于振旭

摘要： 對(duì)能源林柳樹(shù)定向育種、良種繁育、林分密度、撫育管理、林分生長(zhǎng)發(fā)育規(guī)律、病蟲害防治、災(zāi)害防控和加工利用等技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)研究，對(duì)柳樹(shù)能源林經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益進(jìn)行了分析的結(jié)果表明：瑞典能源柳有短期和長(zhǎng)期兩個(gè)定向育種方案，品種主要包括蒿柳、毛枝柳及其雜種，良種繁育主要方式為機(jī)械化無(wú)性扦插繁育。林分密度為2.2～3.1×104株/hm2，生物量為10～16 t/hm2·a。病害主要包括葉銹菌和毛桿菌，蟲害主要是柳癭蚊和柳藍(lán)葉甲。關(guān)鍵詞： 柳樹(shù)；能源林； 生物質(zhì)能源； 短輪伐期

中圖分類號(hào)： S 727. 4， S792. 12 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

文章編號(hào)： 1001 - 9499 （2018） 02 - 0025 - 05

瑞典生物質(zhì)能源利用技術(shù)成熟、政策完善，生物質(zhì)能源開(kāi)發(fā)利用已成為重要的新型產(chǎn)業(yè)，以森林為源頭的林業(yè)、木材加工業(yè)、造紙業(yè)、生物質(zhì)燃料生產(chǎn)、熱電聯(lián)產(chǎn)共同形成了一個(gè)完整的產(chǎn)業(yè)鏈。截止2007年底，生物質(zhì)能源利用量已占其能源消耗總量的53.6%，成為發(fā)達(dá)國(guó)家中使用生物質(zhì)能源占比過(guò)半的國(guó)家[ 1 ]。在生物質(zhì)能源資源供應(yīng)中，柳樹(shù)能源林占據(jù)重要地位。瑞典自上世紀(jì)80年代開(kāi)始對(duì)柳樹(shù)能源林進(jìn)行系統(tǒng)研究，目前已經(jīng)形成從良種選育、資源培育、加工利用和熱電聯(lián)產(chǎn)的完整產(chǎn)業(yè)鏈，具備一套完善的技術(shù)體系。本文主要對(duì)瑞典柳樹(shù)能源林發(fā)展進(jìn)行了介紹，對(duì)能源林柳樹(shù)定向育種、良種繁育、林分密度、撫育管理、林分生長(zhǎng)發(fā)育規(guī)律、病蟲害防治、災(zāi)害防控和加工利用等技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)研究，并對(duì)柳樹(shù)能源林經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益進(jìn)行了分析，同時(shí)介紹了能源林培育與熱電聯(lián)產(chǎn)的情況。

1 能源林柳樹(shù)定向育種

瑞典是柳樹(shù)的天然分布地區(qū)，但是產(chǎn)量較低，生產(chǎn)成本較高，不適于規(guī)?；N植和加工利用。因此該地區(qū)十分重視柳樹(shù)良種的引進(jìn)和新品種的培育，引進(jìn)國(guó)家主要是德國(guó)、波蘭、意大利、英國(guó)和西班牙等。目前在瑞典廣泛栽培的應(yīng)用于能源林的柳樹(shù)品種主要是蒿柳（Salix viminalis）、偽蒿柳（S.schwerinii）和毛枝柳（S. dasyclados）及其雜種，經(jīng)過(guò)30多年的育種研究，目前在瑞典廣泛推廣應(yīng)用的柳樹(shù)品種有一百多個(gè)。這些品種具有生長(zhǎng)快、砍伐后根萌能力強(qiáng)、無(wú)性繁殖容易、抗病蟲害能力和抗寒性強(qiáng)、生物產(chǎn)量高等優(yōu)良性狀，在瑞典南部和中部生長(zhǎng)較好，非常適于短周期人工林的機(jī)械化集約經(jīng)營(yíng)。

瑞典柳樹(shù)育種主要有短期和長(zhǎng)期兩個(gè)育種方案。短期育種主要是為生產(chǎn)提供急需的一些優(yōu)良品種，注重育種的時(shí)效性，一般在一個(gè)育種周期內(nèi)完成。長(zhǎng)期育種方案注重于品種的長(zhǎng)期世代改良，在種間、種內(nèi)、種源和家系的水平上進(jìn)行種質(zhì)資源的系統(tǒng)收集和評(píng)價(jià)，進(jìn)行目標(biāo)性狀的長(zhǎng)期穩(wěn)定改良。針對(duì)生物量、抗病蟲能力、熱能、抗寒性、抗土壤污染等性狀進(jìn)行定向育種，并且注重性狀的綜合測(cè)定。為了為育種提供可靠依據(jù)，同時(shí)開(kāi)展了柳樹(shù)育種的基礎(chǔ)研究，利用同功酶研究手段，發(fā)現(xiàn)不同種源的蒿柳在生物量、生長(zhǎng)活力、抗寒、抗銹病等性能上均有較大差異。地中海起源的蒿柳生物量較高，但是抗蟲害和抗寒能力較差；德國(guó)起源的蒿柳抗銹病能力較強(qiáng)，生長(zhǎng)活力高；波蘭起源的蒿柳抗病蟲能力也較強(qiáng)。瑞典南北狹長(zhǎng)，東西較短，自然氣候條件差異較大，根據(jù)這種情況劃分了能源柳的不同栽培區(qū)，根據(jù)基因環(huán)境交互作用進(jìn)行區(qū)域定向選擇育種，為不同栽培區(qū)選育適于本地的優(yōu)良品種。

2 良種繁育

蒿柳及其雜交種無(wú)性繁殖容易，并且通過(guò)無(wú)性繁殖可以保持品種的優(yōu)良特性。瑞典冬季嚴(yán)寒，在中南部土壤凍土層可深達(dá)20～50 cm，因此扦插季節(jié)為春季末期凍土層解凍以后。扦插前一般提前整好苗圃地，翻耕深度為15～25 cm，采用全面翻耕或者帶狀整地方法，在翻耕前結(jié)合翻耕施入化肥和有機(jī)肥。瑞典柳樹(shù)種苗繁育材料主要取自良種圃的1～2年生扦插苗，利用截條機(jī)剪成長(zhǎng)15～20 cm、粗1～1.5 cm的插穗，利用育苗機(jī)進(jìn)行扦插繁殖，育苗機(jī)每次扦插2、4、6、8 行，每個(gè)育苗工人負(fù)責(zé)2行，將插穗置于機(jī)器的扦插帶中，每臺(tái)育苗機(jī)每天可扦插1.5～2 hm2。扦插后采用滴灌、溝灌或者漫灌方式進(jìn)行灌溉，目前主要的灌溉方式是滴灌，平時(shí)視土壤墑情而定，澆水量以達(dá)到田間持水量的70%為準(zhǔn)。出苗后不進(jìn)行除萌和除蘗，但要注意除草和病蟲害的防治。出于環(huán)?？紤]，病蟲害防治和除草均使用無(wú)公害農(nóng)藥，使用較多的除草劑主要有草除靈、膠孢炭疽菌等；殺菌劑主要有黃連素、波爾多液、井岡霉素等；殺蟲劑主要有蘇云金桿菌、黎蘆堿、多殺霉素、氯氰菊酯、阿維菌素等。瑞典柳樹(shù)苗圃地中鼠害較為嚴(yán)重，因此對(duì)鼠害主要采用紅海蔥、C型肉毒素等無(wú)公害農(nóng)藥進(jìn)行防治。

在苗木速生期6～8月中旬追肥2次，每次追施氮肥或者復(fù)合肥150～225 kg/hm2，以溝施為主，施于行間或者窄行的兩側(cè)，施后灌水或者在雨前進(jìn)行，也可以結(jié)合苗期病蟲害防治；利用0.5%尿素和0.5%磷酸二氫鉀進(jìn)行葉面追肥。施肥和灌水均可利用電子計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

柳樹(shù)的良種繁育要結(jié)合造林進(jìn)行，苗木繁育后一般不再進(jìn)行移植，因此育苗時(shí)就要為將來(lái)的造林考慮，在立地選擇、土壤管理、育苗密度、根系管理、生長(zhǎng)潛力、撫育管理等方面綜合考慮將來(lái)能源林生產(chǎn)的特點(diǎn)和需求。

3 林分密度

柳樹(shù)根萌能力強(qiáng)，生物產(chǎn)量高，多代間生產(chǎn)潛力和生長(zhǎng)活力衰退不明顯，非常適于短周期輪伐，特別適用于能源林等對(duì)干形要求不高的林種造林[ 2 ]。短周期人工林的營(yíng)建對(duì)立地條件和經(jīng)營(yíng)管理水平有較高要求。要選用立地條件好、土壤肥力高、立地質(zhì)量衰退慢、適于多代經(jīng)營(yíng)的土地。同時(shí)還要滿足具備澆灌條件、適宜機(jī)械化作業(yè)的地區(qū)。集約經(jīng)營(yíng)措施主要包括造林地整地、水肥管理、雜草清除、病蟲害防控等措施。由于能源林一般是4個(gè)輪伐期，每個(gè)輪伐期為4～6年，因此選擇品種時(shí)還要考慮品種的根萌能力，應(yīng)選用產(chǎn)量高、多代之間產(chǎn)量穩(wěn)定持續(xù)的優(yōu)良品種，以維持柳樹(shù)能源林產(chǎn)量的穩(wěn)定性和持續(xù)性。林分密度是影響短周期人工林的重要指標(biāo)，柳樹(shù)能源林的產(chǎn)量特別是早期產(chǎn)量與造林密度密切相關(guān)。多項(xiàng)研究表明，瑞典柳樹(shù)能源林林分密度一般為（2.2～3.1）×104株/hm2，

4～6年達(dá)到最高產(chǎn)量[ 3 ]。為了便于機(jī)械化作業(yè)，目前瑞典一般采用寬窄行相結(jié)合，寬行大約1.0 m，造林、撫育和收獲等需要機(jī)械化操作的任務(wù)主要在寬行中運(yùn)行，窄行0.6～0.8 m，株行距0.4～0.5 m。當(dāng)然密度的大小和株行距的配置還要考慮當(dāng)?shù)貧夂驐l件、土壤理化性質(zhì)和經(jīng)營(yíng)管理水平。能源林的采伐主要在秋冬季節(jié)柳樹(shù)生長(zhǎng)期結(jié)束后進(jìn)行，主要是為了保證枝條營(yíng)養(yǎng)能夠充分回流到根系，保證第二個(gè)輪伐期的萌發(fā)更新，提高生長(zhǎng)活力和產(chǎn)量。

4 撫育管理

4. 1 松土除草

松土和除草一般結(jié)合進(jìn)行，第1個(gè)輪伐期每年1～2次，連續(xù)3年；第2個(gè)輪伐期每年1次，連續(xù)2年。松土深度20～25 cm，進(jìn)行蓄水保墑，結(jié)合松土進(jìn)行除草壓青。松土?xí)r要距離樹(shù)木根樁25 cm以上，防止損傷根系。對(duì)于不能通過(guò)松土清除的雜草，選用草除靈、膠孢炭疽菌等除草劑進(jìn)行除草。

4. 2 灌溉施肥

柳樹(shù)能源林為超短輪伐期集約經(jīng)營(yíng)，對(duì)肥水的要求很高，特別是對(duì)氮肥要求高。施肥采用溝施法，也可以結(jié)合松土進(jìn)行。施肥量為第1個(gè)輪伐期第1年施氮肥200～450 kg/hm2， 第2、3、4年全面施氮肥600 kg/hm2、磷肥200 kg/hm2、鉀肥100 kg/hm2，第2、3、4輪伐期每年施肥量與第1個(gè)輪伐期的后3年相同。相關(guān)研究表明，在柳樹(shù)能源林林分中種植美國(guó)榿木、錦雞兒等豆科固氮植物可以減少氮肥的施用量[ 4 - 5 ]。瑞典氣候冬季嚴(yán)寒，夏季涼爽，生長(zhǎng)季節(jié)降雨較少，因此林分灌溉十分重要。柳樹(shù)能源林灌溉視降雨和土壤墑情而定，當(dāng)生長(zhǎng)季節(jié)土壤含水量降為最大持水量的60%時(shí)就要進(jìn)行灌溉，土壤水分含量和滴灌都可以通過(guò)自動(dòng)監(jiān)測(cè)進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)控制的自動(dòng)化。

5 林分生長(zhǎng)發(fā)育規(guī)律

林分生長(zhǎng)發(fā)育規(guī)律的研究主要是監(jiān)測(cè)林分生產(chǎn)力的動(dòng)態(tài)變化，提高柳樹(shù)能源林產(chǎn)量的穩(wěn)定性和持續(xù)性。柳樹(shù)能源林作業(yè)的特點(diǎn)是林分密度大、生物產(chǎn)量高，因此樹(shù)木個(gè)體間對(duì)養(yǎng)分、水分、光照等環(huán)境因子的競(jìng)爭(zhēng)激烈。在瑞典Langa地區(qū)開(kāi)展的柳樹(shù)人工林集約經(jīng)營(yíng)研究表明：在輪伐期的第1年和第2年，柳樹(shù)萌條數(shù)量迅速增加，但是在后2年，林分中萌條數(shù)量幾乎不再增加，而產(chǎn)量迅速增加，連年生長(zhǎng)量一般在第3年達(dá)到最大，平均生長(zhǎng)量在第4年達(dá)到最大。經(jīng)過(guò)施肥的柳樹(shù)能源林的生物量為10～16 t/hm2·a，有些無(wú)性系可達(dá)20 t/hm2·a[ 6 ]。

6 病蟲害防治

在集約經(jīng)營(yíng)的柳樹(shù)人工林中，由于樹(shù)種和品種單一，林分常不同程度地遭受各種病蟲害的危害。柳樹(shù)病害主要包括葉銹菌（Melampsora epitea）和毛桿菌（Pseudomonas syringae） [ 2 ]。葉銹病的研究集中于銹病的群體結(jié)構(gòu)及不同柳樹(shù)無(wú)性系的抗性機(jī)理。已有研究表明，銹病可以分3大類致病型組，其中20種具有嚴(yán)重危害。由于病原菌較多，再加上生殖周期中基因發(fā)生重組的可能性很大，使得新細(xì)菌能在植物組織中侵染和傳播，從而造成樹(shù)皮和木質(zhì)部的外層壞死。銹病對(duì)一些不耐銹病的柳樹(shù)品種具有較大的危害。柳樹(shù)蟲害主要是柳癭蚊（Rhabdophaga salicis）和柳藍(lán)葉甲（Plagiodera versicolor），其中癭蚊對(duì)能源林主栽樹(shù)種蒿柳危害嚴(yán)重。柳藍(lán)葉甲危害主要是侵食葉片，危害嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)量顯著下降。瑞典農(nóng)業(yè)大學(xué)和相關(guān)機(jī)構(gòu)目前正在研究不同密度柳樹(shù)人工林中柳藍(lán)葉甲對(duì)產(chǎn)量的影響，同時(shí)還開(kāi)展了不同環(huán)境條件下柳葉化學(xué)與幼蟲成活和發(fā)育關(guān)系的研究。

7 災(zāi)害防控

瑞典地處55°～69°N，屬于高緯度地區(qū)，年均氣溫低。春、夏、秋三個(gè)季節(jié)容易發(fā)生霜凍，是能源林發(fā)展的一大障礙，特別是北部地區(qū)，柳樹(shù)產(chǎn)量很低。因此柳樹(shù)能源林只適合在南部和中部發(fā)展，北部受到了限制。即使在中南部地區(qū)，在營(yíng)造能源林時(shí)也要注意選擇抗寒和晚發(fā)芽品種。在發(fā)生霜凍時(shí)間節(jié)點(diǎn)前對(duì)林地進(jìn)行適度灌溉，保持土壤合理墑情，提高林木抗寒能力。

8 木屑?jí)嚎s顆粒加工

生物質(zhì)燃料一般采用木屑?jí)嚎s顆粒技術(shù)，在瑞典木屑?jí)嚎s成型技術(shù)非常成熟，并且得到了廣泛應(yīng)用。木屑?jí)嚎s顆粒是將木片、刨花和鋸屑等木材加工廢棄物經(jīng)粉碎、烘干和壓縮工藝處理后制成的直徑約6～8 mm 的短小圓柱形顆粒?？梢詾楣I(yè)鍋爐、民用爐灶及家庭取暖系統(tǒng)提供燃料，還可以作為熱動(dòng)力直接燃燒發(fā)電。與木材和枝丫相比，木屑?jí)嚎s顆粒便于貯存和運(yùn)輸、燃燒性能優(yōu)良、熱效率較高。柳樹(shù)木屑?jí)嚎s顆粒熱值大于4.7 kw/h·kg，而且燃燒過(guò)程無(wú)煙少灰，市場(chǎng)開(kāi)發(fā)前景廣闊。目前瑞典木屑?jí)嚎s顆粒的年產(chǎn)量超過(guò)2.0×106 t，產(chǎn)量居世界首位，其中柳樹(shù)木屑?jí)嚎s顆粒占一半以上。袋裝的木屑?jí)嚎s顆粒在全國(guó)各地有售，17%以上的家庭已使用木屑?jí)嚎s顆粒進(jìn)行取暖供熱。二十世紀(jì)70年代瑞典取暖系統(tǒng)還是以燃油為主，但是截止到2004年已有61%的地區(qū)供暖系統(tǒng)被生物質(zhì)燃料代替。

9 柳樹(shù)能源林經(jīng)營(yíng)的經(jīng)濟(jì)效益

柳樹(shù)能源林經(jīng)營(yíng)的經(jīng)濟(jì)效益計(jì)算包括所有與生產(chǎn)過(guò)程有關(guān)的成本和收益現(xiàn)金流。生物量的市場(chǎng)價(jià)格為520瑞典克朗/t，計(jì)算年限為24年，輪伐期為4年，共收獲6個(gè)輪伐期。第1個(gè)輪伐期的生物量較低，為40.0～50.0 t/hm2；從第2個(gè)輪伐期開(kāi)始，每個(gè)輪伐期的產(chǎn)量為60.0～70.0 t/hm2[ 7 ]。在24年的經(jīng)營(yíng)過(guò)程中，年利率為5.0%，在不包括造林補(bǔ)助金的情況下，柳樹(shù)能源林每年的凈收入為1.1×104瑞典克朗/hm2。如果進(jìn)一步延伸產(chǎn)業(yè)鏈至柳樹(shù)木屑?jí)嚎s顆粒的生產(chǎn)，經(jīng)濟(jì)收益會(huì)更高。

10 環(huán)境效益

柳樹(shù)根系能夠吸收工業(yè)廢水中的重金屬和硝態(tài)氮，因此柳樹(shù)能源林可以作為工業(yè)廢水的生物凈化帶。將工業(yè)廢水排放到柳樹(shù)能源林中，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的吸納凈化，可以顯著減少?gòu)U水中的銅、鉛等重金屬離子和硝態(tài)氮。與工業(yè)廢水處理系統(tǒng)相比，具有處理成本低、沒(méi)有次生污染、處理技術(shù)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，是目前較為流行的工業(yè)廢水處理手段。柳樹(shù)葉子的pH值呈弱堿性，當(dāng)葉子落地分解后，可以中和由工業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生的SO2 引起的土壤酸化作用[ 1 ]。

11 能源林與熱電聯(lián)產(chǎn)

瑞典政府扶持林業(yè)生物質(zhì)能源培育與熱電聯(lián)產(chǎn)，在生物質(zhì)能培育與熱電聯(lián)產(chǎn)方面技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)驗(yàn)豐富[ 8 ]。全國(guó)建有多家生物質(zhì)能熱電聯(lián)產(chǎn)電廠和生物質(zhì)能小區(qū)供熱系統(tǒng)。SalixEnergi公司建有四萬(wàn)多公頃的柳樹(shù)能源林基地，專門種植和銷售速生柳、培植柳樹(shù)資源，向熱電廠提供木材、枝丫、木片、鋸末等原料，實(shí)行以供熱為主的熱電聯(lián)供。Hasselby公司最初使用石油、煤炭作原料為首都地區(qū)供熱供電，但是從上世紀(jì)90年代年開(kāi)始使用木質(zhì)顆粒等生物質(zhì)原料，實(shí)現(xiàn)了從原煤原油到生物質(zhì)原料的轉(zhuǎn)變。VARMEVERKET公司自上世紀(jì)90年代開(kāi)始起開(kāi)始將原煤鍋爐改造為蒸汽鍋爐，原料由原煤轉(zhuǎn)為柳樹(shù)等生物質(zhì)原料，采用爐排式直接燃燒產(chǎn)生熱量供熱供電，供應(yīng)林雪平市100% 的用熱和50%左右的用電。采用先進(jìn)的余熱回收利用技術(shù)提高能量利用率，燃燒效率高達(dá)98%以上，熱量損失很小。整個(gè)工廠的設(shè)計(jì)與運(yùn)行采用封閉循環(huán)系統(tǒng)，對(duì)廢水、廢渣進(jìn)行充分利用，同時(shí)將生物質(zhì)原料燃燒后產(chǎn)生的灰分、廢渣等等氧化處理達(dá)標(biāo)后與清水混合灌溉速生柳樹(shù)能源林，實(shí)現(xiàn)肥料和能源的循環(huán)利用。目前瑞典的生物質(zhì)發(fā)電量已經(jīng)從上世紀(jì)80年代的20億kw/h 增長(zhǎng)至2010年的1.5×1010 kw/h，預(yù)計(jì)2020 年可達(dá)到2.0×109 kw/h，生物質(zhì)發(fā)電量在瑞典已經(jīng)初步形成規(guī)模。

參考文獻(xiàn)

[1] Christersson L. The future of European agriculture： food， energy，

paper， and the environment[J]. Biomass and Bioenergy， 1994（6）：1-4.

[2] Christersson L，Sennerhy-ForsseL. Willow and poplar research and plantations in Sweden today[J]. Swedish University of Agricultural Sciences， ISSN 0282-6267， 1995.

[3] 方升佐， 黃寶龍. 瑞典柳樹(shù)能源林的研究及發(fā)展概況[J]. 世界林業(yè)研究， 1997（3）： 66 - 70.

[4] Elowson S，Rytter L. Spatial distribution of roots and root nodules and total biomass production in a grey alder plantation on sandy soil[J]. Biomass and Bioenergy， 1993， 5（2）： 127-135.

[5] Granhall U. Biological fertilization[J]. Biomass and Bioenergy，1994， 6（1/2）： 81-91.

[5] 200 Ledin S. The energy forestry production systems[J]. Biomass and Bioenergy， 1992， 2： 17-24.

[6] Willebrand E， Ledin S， Verwijst T. Willow coppice systems in short rotation forestry[J]. Biomass and Bioenergy， 1993， 4： 323-331.

[7] Willebrand E.， Verwijst T. Population dynamics of willow coppice systems and their implications for management of short rotation forest[J]. The Forestry Chronicle， 1993， 69： 699-704.

[8] 余愛(ài)華， Tom Gallagher. 美國(guó)東南部5年生柳樹(shù)能源林生長(zhǎng)規(guī)律及耐寒性分析[J]. 森林工程， 2015， 31（6）： 45 - 50.

第1作者簡(jiǎn)介： 秦光華（1970-）， 男， 研究員， 主要研究方向： 林木遺傳育種。

（責(zé)任編輯： 張亞楠）