歐洲山楊熱值及灰分含量研究*

朱雅麗 周 鋼 張繪芳 張景路 地力夏提·包爾漢

（1.新疆林業(yè)科學(xué)院 現(xiàn)代林業(yè)研究所，新疆 烏魯木齊 830092；2.新疆林業(yè)規(guī)劃院，新疆 烏魯木齊 830049）

林木生物質(zhì)能源是生物質(zhì)能源的重要組成部分[1]，能夠替代部分高污染的化石性能源，提高森林生態(tài)系統(tǒng)的碳匯作用，對于二氧化碳減排、減緩溫室效應(yīng)具有很大潛力。植物熱值是研究林木生物質(zhì)能源的重要技術(shù)指標(biāo)[2]，其反映了植物在光合作用中對太陽能的轉(zhuǎn)化效率，是研究森林生態(tài)系統(tǒng)中能量轉(zhuǎn)化規(guī)律的重要指標(biāo)之一，也是衡量第一性生產(chǎn)力水平的重要指標(biāo)[3-4]。

熱值是單位質(zhì)量物質(zhì)在一定溫度下完全燃燒時所釋放的能量，可分為干物質(zhì)熱值和去灰分熱值。我國對植物熱值的研究起始于20 世紀(jì)80 年代初，先后有學(xué)者對針葉林[5]、闊葉林[6-7]、熱帶雨林[8]、紅樹林[9]等植物種類進行了熱值研究。還有學(xué)者對一些典型的地帶的植被進行了針對性的研究，董周焱等[10]以海岸防護林帶的主要樹種為對象進行了研究，從熱值、元素含量和生物量建成成本方面對其能量利用、生長和適應(yīng)能力進行了分析；王麗等[11]基于濕草甸優(yōu)勢植物熱值及灰分含量研究了草皮挖取對濕地的影響；高凱等[12]測定了渾善達(dá)克沙地14 種主要野生植物根、莖、葉、果實的熱值、灰分、礦質(zhì)元素,并對各個指標(biāo)進行了相關(guān)性分析；張清海等[13]對福建惠安濱海沙地木麻黃凋落物分解過程中的熱值動態(tài)變化進行了研究。對植物熱值的研究，不僅可以評價生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力狀況，還可以充分反映生態(tài)系統(tǒng)的能流過程和能量分布特征[14-15]。

劉燦等[16]曾對新疆克拉瑪依地區(qū)的4 種楊屬植物進行了熱值及灰分含量的比較分析，鄭朝暉等[17-18]對新疆銀新楊及白榆的熱值及含碳率進行了分析研究，但大都是人工林，對廣泛分布于新疆山區(qū)的天然歐洲山楊Populus tremula熱值的研究尚鮮見。歐洲山楊有著生長速度快、成材早、適應(yīng)性強的特性，是云杉林生態(tài)系統(tǒng)的主要先鋒樹種和伴生樹種之一，能促進云杉更新，在用材和山區(qū)水土保持方面也發(fā)揮著重要作用[19]。本文以天然歐洲山楊為試材，對其干物質(zhì)熱值、灰分含量和去灰分熱值進行研究分析，以期為評價和篩選能源樹種提供理論基礎(chǔ)，為探索歐洲山楊的生態(tài)效率、能量流動特征提供基礎(chǔ)資料。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

歐洲山楊分布于歐洲大陸、西伯利亞、高加索和中國新疆（阿爾泰、伊犁、天山東部北坡和塔城山區(qū)），主要生長海拔范圍為700～2 300 m，是新疆地區(qū)重要的先鋒樹種和伴生樹種。研究區(qū)為阿爾泰山及天山部分天然林區(qū)。阿爾泰山位于新疆最北部阿勒泰地區(qū)，地理坐標(biāo)為東經(jīng)85°50′～95°25′， 北 緯44°50′～49°10′， 平 均 海 拔1 000～3 000 m，屬溫帶大陸性氣候，年均降水量183 mm，集中于6—12 月，年平均氣溫4.5 ℃；天山山脈橫貫新疆中部，地理坐標(biāo)為東經(jīng)73°30′～96°45′，北緯40°10′～44°30′，平均海拔1 000～3 000 m，天山山脈地形復(fù)雜，氣候差異很大，西部伊犁林區(qū)溫暖濕潤，降雨豐沛，中部林區(qū)氣候溫暖，雨量適中。

1.2 試驗材料

試驗材料于2010 年8—9 月在阿爾泰山及天山天然林區(qū)采集，共32 株。樣木均勻分布于徑階2、4、6、8、12、16、20、26、32 及38 cm 以上，并根據(jù)《森林資源規(guī)劃設(shè)計調(diào)查技術(shù)規(guī)程》[20]中天然楊齡組劃分標(biāo)準(zhǔn)，將樣木劃分為幼齡林、中齡林、近熟林和成過熟林4 個齡組，每組各8 株樣木。所采集樣木為林分中沒有病蟲害、斷稍等狀況的具有一定代表性的林木。

1.3 試驗方法

調(diào)查樣木的胸徑、樹高、地徑、冠幅（東西、南北2 個方向的冠幅）、枝下高等林分因子，伐倒后采用破壞性取樣方法于樹干1/10、3.5/10 和7/10處各取1 個3～5 cm 厚的圓盤，將樹干的干、皮剝離開后對地上各部位鮮質(zhì)量進行測定。因獲取根部樣本需要耗費大量人力和時間，僅選其中10 株樣木采用全挖法對根系進行取樣，將根系以根莖、粗根（≥10 mm）、細(xì)根（2～10 mm）劃分[21]共取30 個樣本。根據(jù)實測各部位鮮質(zhì)量和干質(zhì)量計算含水率，估算樣木地上部分和總干質(zhì)量。

1.4 項目測定

運用氧彈式熱量計測定干物質(zhì)熱值，使用馬弗爐測定灰分含量，具體測定方法及步驟見文獻(xiàn)[22]。根據(jù)干物質(zhì)熱值和灰分含量推算去灰分熱值，計算公式為：去灰分熱值=干物質(zhì)熱值/(1-灰分含量)[15]。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 整理、分析數(shù)據(jù)及輔助作圖，利用SPSS 20.0 軟件進行統(tǒng)計分析。運用Pearson 相關(guān)分析方法分析干物質(zhì)熱值、灰分含量、去灰分熱值之間的相關(guān)性，采用多重比較分析檢驗歐洲山楊同一器官不同部分及不同器官各項指標(biāo)的顯著性差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 相關(guān)性分析

將樣木的樹干、樹根及全株歐洲山楊的干物質(zhì)熱值、灰分含量和去灰分熱值分別進行Pearson相關(guān)性分析。由表1 可知，樹干的干物質(zhì)熱值與去灰分熱值在0.01 水平上呈顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)0.993，與灰分含量相關(guān)性不強；根部干物質(zhì)熱值與去灰分熱值相關(guān)系數(shù)為0.895，在0.01 水平上顯著相關(guān)，干物質(zhì)熱值與灰分含量存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，但不顯著；整株的干物質(zhì)熱值與灰分含量在0.05水平上呈顯著性負(fù)相關(guān)，與去灰分熱值在0.01 水平上呈現(xiàn)出極顯著相關(guān)性，P=0.00＜0.01，相關(guān)系數(shù)0.958。

表1 各項指標(biāo)相關(guān)性分析Table 1 Correlation analysis of various indicators

2.2 同一器官不同部分熱值及灰分含量分析

分別對歐洲山楊干材上、中、下96 個樣本，根部的根莖、粗根和細(xì)根30 個樣本的干物質(zhì)熱值、灰分含量、去灰分熱值進行組間的差異顯著性檢驗，以判斷同一器官不同部分之間的差異，并通過各部分干質(zhì)量加權(quán)求得干材及根部各特征值。

2.2.1 干物質(zhì)熱值分析 由表2 可知，干部的干物質(zhì)熱值由上部至下部逐漸減小，大小順序 為 上 部（18.626 2 kJ·g-1）＞中 部（18.320 7 kJ·g-1）＞下 部（18.235 9 kJ·g-1）。 干 材 上 部極差大于中部和下部，變異系數(shù)也大于中部和下部，干材下部的極差和變異系數(shù)最小，說明干材下部干物質(zhì)熱值比較穩(wěn)定。對所有干材樣本進行方差齊性檢驗，結(jié)果表明方差非齊性(P=0.049＜0.05)。同一器官的不同部分進行比較檢驗得到，干材上部與中部干物質(zhì)熱值無顯著性差異（P=0.115＞0.05），干材上部與下部之間存在顯著性差異（P=0.024＜0.05），干材中部與下部之間無顯著性差異（P=0.751＞0.05）。根據(jù)干材上、中、下3 部分干質(zhì)量加權(quán)得出干材干物質(zhì)熱值18.308 9 kJ·g-1。

表2 樹干和根部不同部分干物質(zhì)熱值Table 2 Gross caloric value in different parts of trunk and root

根部干物質(zhì)熱值以細(xì)根值最高，大小順序為細(xì)根（18.789 0 kJ·g-1）＞根莖（18.371 2 kJ·g-1）＞粗根（18.121 8 kJ·g-1）。地下的細(xì)根極差和變異系數(shù)明顯高于根莖和粗根。根部干物質(zhì)熱值方差齊性，經(jīng)兩兩比較，根部不同部分之間的干物質(zhì)熱值未呈現(xiàn)出顯著性差異，所得P值均大于0.05。根據(jù)根部各部分干質(zhì)量加權(quán)得出根部干物質(zhì)熱值為18.355 8 kJ·g-1。

2.2.2 灰分含量分析 如表3 所示，干材的灰分含量大小順序為上部（1.08%）＞中部（0.96%）＞下部（0.94%），各部分灰分含量的極差位于1.14～1.51 之間，干材上部極差最大為1.51，但變異系數(shù)波動較大，最小值為干材中部31.03%，干材下部變異系數(shù)為40.69%，說明干材灰分含量值穩(wěn)定性差。經(jīng)檢驗干材灰分含量方差呈齊性（P=0.072＞0.05），將干材不同部分進行多重比較，干材上部、中部和下部之間未呈現(xiàn)顯著差異。根據(jù)各部分干質(zhì)量加權(quán)得出干材灰分含量為0.951 1%。

表3 同一器官不同部分灰分含量 %Table 3 Ash content in different parts of the same organ

根部各部分灰分含量多少順序為細(xì)根（7.28%）＞根 莖（5.58%）＞粗 根（5.03%）， 各部分極差在4.79～7.22 之間，變異系數(shù)的范圍為26.65%～39.99%，各樣本值之間離散稍大，灰分含量值穩(wěn)定性較差。將樹根樣本數(shù)據(jù)進行方差齊性檢驗（P=0.154＞0.05）。通過兩兩比較顯示根莖與粗根、根莖與細(xì)根之間差異不顯著，粗根與細(xì)根之間呈顯著性差異（P=0.018＜0.05）。根據(jù)各部分干質(zhì)量加權(quán)得出根部灰分含量為5.400 1%。

2.2.3 去灰分熱值分析 由表4 可知，歐洲山楊干材的去灰分熱值大小順序為上部（18.829 0 kJ·g-1）＞中部（18.497 3 kJ·g-1）＞下部（18.409 4 kJ·g-1），極差最大為2.28，變異系數(shù)也在4%以內(nèi)，表明干材的去灰分熱值比較穩(wěn)定。經(jīng)方差檢驗顯示齊性（P=0.096＞0.05），運用方差分析進行多重比較，得到干材的上部與中部（P=0.017＜0.05）、上部與下部（P=0.003＜0.05）之間的去灰分熱值存在顯著性差異，中部與下部（P=0.520＞0.05）之間未呈現(xiàn)差異顯著性。

表4 同一器官不同部分去灰分熱值Table 4 Ash free calorific value in different parts of the same organ

根莖去灰分熱值的大小為細(xì)根（20.264 0 kJ·g-1）＞根莖（19.461 4 kJ·g-1）＞粗根（19.076 4 kJ·g-1）。極差細(xì)根最大為4.26，變異系數(shù)在2.46%～5.54%之間，各部分去灰分熱值波動不大。樹根處去灰分熱值方差齊性，粗根與細(xì)根之間呈顯著性差異（P=0.005＜0.05），其余部分之間未呈現(xiàn)出顯著性差異。根據(jù)各部分干質(zhì)量加權(quán)得出干材去灰分熱值19.405 4 kJ·g-1。

2.3 地上部分熱值及灰分含量分析

2.3.1 不同器官熱值及灰分含量分析 將歐洲山楊地上部分的干、皮、枝和葉按各組分干質(zhì)量分別加權(quán)求得均值。由圖1 可知，歐洲山楊葉部的干物質(zhì)熱值、灰分含量、去灰分熱值均明顯高于枝、皮和干部。干物質(zhì)熱值的大小順序為：葉（18.719 6 kJ·g-1）＞干（18.308 9 kJ·g-1）＞皮（18.198 8 kJ·g-1）＞枝（18.118 9 kJ·g-1），葉部干物質(zhì)熱值明顯高于其它器官。各個器官的干物質(zhì)熱值除葉與枝、葉與皮之間存在顯著差異（圖1），其余均不存在顯著差異；灰分含量大小順序為：葉（8.887 1%）＞皮（8.223 1%）＞枝（7.030 0%）＞干（0.995 8%），葉與皮、葉與干、枝與皮、枝與干、皮與干之間的灰分含量存在顯著性差異；去灰分熱值與灰分含量順序一致：葉（20.264 0 kJ·g-1）＞皮（20.264 0 kJ·g-1）＞枝（20.264 0 kJ·g-1）＞干（20.264 0 kJ·g-1），葉與枝、葉與皮、葉與干、枝與干、皮與干的去灰分熱值存在顯著性差異。

圖1 地上不同器官熱值及灰分含量Fig.1 Caloric value and ash content of different organs above ground

如圖2 所示，各器官的干物質(zhì)熱值、去灰分熱值和灰分含量隨著胸徑的增加未呈現(xiàn)出明顯規(guī)律。從干物質(zhì)熱值來看，隨著胸徑的增加，干、皮的趨勢干物質(zhì)熱值未出現(xiàn)較大波動，走勢基本一致，枝和葉的干物質(zhì)熱值最大值均出現(xiàn)于胸徑43 cm 處，枝的干物質(zhì)熱值最小值在32 cm；皮的灰分含量在胸徑12～16 cm 及32～40 cm 處呈平穩(wěn)狀態(tài)，枝與葉的灰分含量在胸徑26 cm 出現(xiàn)最低值，而干的灰分含量值在此胸徑處達(dá)到最高；干的去灰分熱值在所有器官中明顯較低，枝的去灰分熱值在胸徑26～42 cm 之間波動較大，皮的去灰分熱值相對平穩(wěn)，葉的去灰分熱值明顯高于其它器官。

圖2 熱值及灰分含量變化趨勢Fig.2 Change trend of caloric value and ash content

2.3.2 不同齡組各器官熱值及灰分含量分析 不同齡組不同器官的干物質(zhì)熱值、灰分含量和去灰分熱值如圖表所示。以標(biāo)準(zhǔn)誤差為基礎(chǔ)生成誤差線，可得干物質(zhì)熱值數(shù)值的精度稍高，灰分含量數(shù)據(jù)誤差稍大。

由圖3 可知，干和枝的干物質(zhì)熱值在不同齡組之間不存在顯著性差異，皮的干物質(zhì)熱值在中齡林和幼齡林、成熟林之間存在顯著性差異，葉的干物質(zhì)熱值在成熟林和幼齡林、中齡林、近熟林之間存在顯著性差異；枝的灰分含量在不同齡組之間不存在顯著差異，干的灰分含量在近熟林和中齡林、成熟林之間呈現(xiàn)顯著性差異，成熟林和幼齡林、中齡林的皮的灰分含量存在顯著性差異，葉部的灰分含量在幼齡林和近熟林、成熟林及中齡林和成熟林之間呈現(xiàn)顯著差異；去灰分熱值各齡組之間的差異顯著性與干物質(zhì)熱值表現(xiàn)完全一致。

圖3 不同齡組熱值及灰分含量Fig.3 Histogram of caloric value and ash content in different age groups

2.4 全株熱值及灰分含量分析

歐洲山楊的干物質(zhì)熱值、灰分含量、去灰分熱值的大小順序分別為：葉＞根＞干＞枝＞皮，干＞根＞枝＞皮＞葉，葉＞根＞枝＞皮＞干。將各器官的特征值與干質(zhì)量加權(quán)得到全株的平均干物質(zhì)熱值、灰分含量和去灰分熱值分別為：18.316 4 kJ·g-1、4.399 6% 、19.171 5 kJ·g-1。 由 表5 可知，干物質(zhì)熱值在不同器官之間沒有顯著性；不同器官的灰分含量差異顯著，主要為干與皮、枝、葉、根之間的差異；干與皮、枝、葉、根以及枝與葉、葉與根之間的去灰分熱值存在顯著性差異。從極差和變異系數(shù)來看，干物質(zhì)熱值及去灰分熱值的極差范圍在1～4 之間，變異系數(shù)在5.10%以內(nèi)，數(shù)值比較穩(wěn)定；灰分含量的極差范圍在0.87～9.28 之間，變異系數(shù)在12%～32%之間，數(shù)值波動稍大。

表5 歐洲山楊熱值及灰分含量Tab.5 Caloric value and ash content of Populus tremula

根據(jù)歐洲山楊各器官干、皮、枝、葉、根的干質(zhì)量加權(quán)獲得樣木整株的干物質(zhì)熱值、灰分含量和去灰分熱值，并以樣木胸徑為橫坐標(biāo)，去灰分熱值為主縱坐標(biāo)，灰分含量為次縱坐標(biāo)繪制組合圖。如圖4 所示，徑階2～8 cm 間干物質(zhì)熱值比較穩(wěn)定，去灰分熱值呈現(xiàn)輕微下降趨勢，灰分含量；徑階8～40 cm 間干物質(zhì)熱值與去灰分熱值同表現(xiàn)為下降—升高—下降—升高狀態(tài)，灰分含量的趨勢在此區(qū)間與其它二值呈相反狀態(tài)，在干物質(zhì)熱值和去灰分熱值較低點，而灰分含量值則較高；徑階40 cm 以后，干物質(zhì)熱值及去灰分熱值呈上升趨勢，去灰分含量未現(xiàn)明顯變化。

圖4 全株熱值及灰分含量變化Fig.4 Change of caloric value and ash content of whole plant

3 討論與結(jié)論

植物熱值作為能源植物篩選和評價的標(biāo)準(zhǔn)之一，不僅反映了其受環(huán)境制約的生態(tài)學(xué)屬性，也反映了自身遺傳學(xué)的生物學(xué)特性[23]?；曳趾糠从沉酥参镌谂c環(huán)境共同作用的過程中對礦物質(zhì)元素（鈣、鎂等）吸收和積累的總和[24]。本文通過研究歐洲山楊同一器官不同部分、地上不同器官及不同齡組的干物質(zhì)熱值、灰分含量和去灰分熱值，結(jié)論如下。

（1）樹干干物質(zhì)熱值及灰分含量由上至中、下逐漸降低及干材不同高度之間大都存在的顯著差異與柳雪梅等[7]的研究結(jié)果一致。樹根的熱值及灰分含量表現(xiàn)為細(xì)根＞根莖＞粗根，只有粗根與細(xì)根的灰分含量之間呈顯著性差異。樹干、樹根的干物質(zhì)熱值與灰分含量呈現(xiàn)不顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，與李宏等[25]對克拉瑪依50 個樹種干部的熱值及灰分含量之間的相關(guān)性一致。

（2）地上部分及全株歐洲山楊各器官的干物質(zhì)熱值和去灰分熱值都是葉部最高，全株歐洲山楊的干部灰分含量最高，葉部最低，大部分器官之間存在顯著性差異。全株歐洲山楊的干物質(zhì)熱值與去灰分熱值存在極顯著相關(guān)，與灰分含量呈現(xiàn)顯著性負(fù)相關(guān)，同多位學(xué)者對植物熱值及灰分含量相關(guān)性分析結(jié)論一致[9,11]。

歐洲山楊葉部的熱值及灰分含量均高于其它器官，與羅艷等[26]的研究結(jié)果一致，可能歐洲山楊生長快，葉片進行光合作用比較活躍。相關(guān)研究表明，植物體內(nèi)蛋白質(zhì)含量與熱值呈正相關(guān)關(guān)系[27]，估計與葉片含有較高的蛋白質(zhì)和脂肪[28]，能合成一些高能物質(zhì)[29]產(chǎn)生高的熱值也存在很大相關(guān)性。其平均干物質(zhì)熱值為18.316 4 kJ·g-1，低于內(nèi)蒙古渾善達(dá)克沙地[30]及羊草草原[11]的平均熱值，高于青藏高原地區(qū)水生植物葉片[31]的平均熱值及世界陸地植物平均熱值17.78 kJ·g-1[32]，但低于全國的平均熱值19.122 kJ·g-1[13]；平均灰分含量為4.399 6%，高于小興安嶺主要樹種的平均灰分含量[5]；平均去灰分熱值為19.171 5 kJ·g-1，小于小興安嶺主要樹種的平均去灰分熱值21.03 kJ·g-1[5]。

歐洲山楊的平均熱值高于世界陸地植物平均熱值，接近于新疆地區(qū)的人工闊葉林木熱值，再加上其較快的生長速度，是很有潛力的林木生物質(zhì)能源樹種，可作為新疆區(qū)域的備選能源植物。