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能源是现在社会赖以生存和发展的基础,随着社会的发展,能源危机已成为当今世界面临的巨大挑战[1,2]。据估计,按目前的水平开采世界已探明的能源,煤炭资源尚可开采100年,天然气可开采50~60年,石油也将在30~40年后被耗尽,且石化全球能源消耗量在未来20年内还将以每年平均2%的速度增长(任春洁,2010)。因此,随着煤、石油、天然气等化石能源消耗量的不断增加,全球环境不断恶化,使人类必须重新调整化石能源的发展战略[3]。目前热值,可再生的生物质能源已成为人类21世纪能源战略的焦点[4~6]。能源植物是可再生能源开发的重要资源对象,是最有前景的生物质能源之一。到目前为止,全世界已经发现40多种能源植物,如续随子、绿玉树、橡胶树、西蒙德木、甜菜、甘蔗、木薯、苦配巴树、油棕榈树、南洋油桐树、澳大利亚的阔叶木、黄连木等[7]。本文系统研究新疆6个常见乔木树种的热值及含碳率,为生物质能源和资源的选择、开发、利用和保护,利用科学的方法,筛选出新疆克拉玛依地区的高效固碳能源树种。
1 材料与方法
1.1 研究区概况
本试验采样地点位于克拉玛依市农业综合开发区,距克拉玛依市区20km,地理坐标为E84°50′~85°20′,N45°22′~45°40′,属典型的温带大陆性干旱荒漠气候。该地区冬季严寒,年极端最低温度可达-35.9℃,最大冻土深度达1.5~2.0m;夏季高温炎热,年极端最高气温可达42.9℃;年降水量多年平均为105.3mm,从年内分布看,6~8月份稍多,冬季无稳定积雪,造成土壤冻蚀严重。全年潜在蒸发量达3545mm,约为年降水量的34倍,无霜期180~220d。光热资源丰富,日照率高且太阳辐射强度较大论文格式范文。春季多风,全年≥5级风的日数为119.7d,≥8级风的日数为45.6d,最大风速可达25.1m/s热值,主风向西北,是准噶尔盆地的风区之一,风沙危害严重。
1.2 材料
2009年4月,在克拉玛依市农业综合开发区,选取一块生长良好无病虫害的白榆、沙枣、胡杨、俄罗斯杨、新疆杨、银×新杨人工林,基本情况见表1。样地内,每木检尺,每个树种共调查200株树,根据林分平均胸径和树高,选取平均木1株。样木伐倒后,将主干部分按1m分段,计算其干和枝的干物质生物量。另外在每段原条底部取一块厚2cm的圆盘,圆盘编号从树干底部往上依次为0、1、2…,装入密封袋,带回实验室,测量热值、含碳率。
表1 6个样地基本情况表
树种
样地情况
标准木
样地规格
(m)
株行距
(m)
调查数目
(株)
年龄
(a)
胸径
(cm)
树高
(m)
圆盘数
(个)
白榆
30×40
2×3
200
6
13.6
8.6
9
沙枣
30×40
2×3
200
7
14.5
7.5
8
胡杨
30×40
2×3
200
8
14.2
9.7
10
俄罗斯杨
30×40
2×3
200
9
14.5
13.8
14
新疆杨
30×40
2×3
200
9
16.2
13.5
14
银×新杨
30×40
2×3
200
8
16.1
11.8
12
1.3 研究方法
1.3.1 干质量热值的测定
样木的圆盘105℃烘干12h,每圆盘由外向内均匀取样20±1g,用粉碎机进行粉碎,样品装入密封袋。干质量热值(gross caloric value,GCV)采用用中国矿业大学张洪研究所生产的CT5000A型氧弹式热量计进行测定,测定前将粉碎样105℃烘干6h,每样品重复3次,重复误差控制在±0.2kJ·g-1,取3次试验结果的平均值。
1.3.2 含碳率测定
采用德国Elementar公司生产的Vario EL Ⅲ元素分析仪测定样品的碳含量热值,具体实验由新疆师范大学分析测试中心完成。
2 结果与分析
2.1 6个树种主干热值的特征
本实验对白榆、沙枣、胡杨、俄罗斯杨、新疆杨、银×新杨的干和皮的热值进行了方差分析与多重比较[8,9],结果见表2。从各个树种干的均值来看,白榆的热值含量最高为19.272kJ/g,其次是俄罗斯杨,胡杨。从各个树种皮的均值来看,银×新杨的热值含量最高为19.701kJ/g,其次是沙枣,新疆杨。胡杨和俄罗斯杨、新疆杨和银×新杨这两组树种的干的热值没有显着性差异,其余树种的干的热值之间均存在显着的差异性。胡杨、俄罗斯杨、新疆杨这三个树种皮的热值两两之间没有显着的差异性,其余树种皮的热值均存在显着的差异性。
表2 6个乔木树种干和皮的平均热值
树种
干
皮
均值
(kJ/g)
变化范围(kJ/g)
变异
系数
均值
(kJ/g)
变化范围
(kJ/g)
变异
系数
白榆
19.272
±0.063Aa
19.093~19.695
0.98%
17.145
±0.181Cd
16.496~18.067
3.16%
沙枣
18.963
±0.075
Bc
18.642~19.353
1.12%
19.222
±0.286ABab
17.699~20.026
4.21%
胡杨
19.031
±0.053ABbc
18.709~19.337
0.88%
18.603
±0.165Bc
17.825~19.511
2.80%
俄罗斯杨
19.220
±0.082ABab
18.608~19.599
1.59%
18.867
±0.170Bbc
17.526~20.064
3.37%
新疆杨
18.625
±0.057Cd
18.360~19.030
1.14%
18.997
±0.231ABbc
17.618~20.121
4.55%
银×新杨
18.653
±0.058Cd
18.311~19.000
1.08%
19.701
±0.125Aa
19.037~20.469
2.20%
2.2 6个树种主干含碳率的特征
本实验对白榆、沙枣、胡杨、俄罗斯杨、新疆杨、银×新杨的干和皮的含碳率进行了分析[10],结果见表3。从各个树种干的均值来看,沙枣的含碳率最高为49.66%,其次是俄罗斯杨,白榆。从各个树种皮的均值来看,银×新杨的含碳率最高为48.04%,其次是沙枣,新疆杨。白榆和银×新杨干的含碳率没有显着的差异性,其余树种干的含碳率均存在显着的差异性。白榆的皮的含碳率与其余树种之间均存在极显着的差异性,沙枣和俄罗斯杨、俄罗斯杨和银×新杨这两组树种的皮的含碳率存在显着的差异性,其余树种皮的含碳率没有显着性差异。
表3 6个树种干和皮的含碳率
树种
干
皮
均值
(%)
变化范围
(%)
变异
系数
均值
(%)
变化范围
(%)
变异
系数
白榆
48.45±0.14Cc
48.01~49.20
0.87%
43.19±1.08Bc
34.95~45.34
7.50%
沙枣
49.66±0.05Aa
49.43~49.85
0.31%
47.98±0.10Aa
47.59~48.45
0.61%
胡杨
48.12±0.08Cd
47.84~48.50
0.51%
47.09±0.10Aab
46.71~47.74
0.68%
俄罗斯杨
49.15±0.13Bb
47.90~49.83
1.02%
46.76±0.19Ab
45.66~48.10
1.48%
新疆杨
47.32±0.08De
46.55~47.76
0.62%
47.30±0.23Aab
45.95~48.63
1.79%
银×新杨
48.27±0.10Ccd
47.66~48.68
0.71%
48.04±0.12Aa
47.32~48.50
0.87%
6个乔木树种的固碳能力和能量转化效率计算方法和过程相同[11],本章仅以白榆为例,重要参数见表3。
白榆主干的鲜重为53.94kg,烘干后重量为29.96kg,用区分求积法[12]计算材积为0.061m3热值,所以木材密度(单位木材蓄积量的生物量)为0.491td.m./ m3。地上部分(主干、侧枝、叶)鲜重为80.14kg,地上部分干重为44.52kg,所以白榆地上部分的干物质比例为55.55%。
应用各个圆盘干的热值与原条(1m)干的干重的乘积求和,计算出主干干的热值含量为487.08MJ,同样道理求出主干皮的热值含量为78.80MJ,所以主干的热值为565.88MJ,干热值比例为86.07%,皮热值比例为13.93%论文格式范文。因此,计算主干热值的加权平均值为18.885kJ/g,以此来计算全株的热值为840.75MJ。
同理,应用各个圆盘干的含碳率与原条干的干重的乘积求和,得出主干干的含碳量为12.19kg,皮的含碳量为1.93kg,所以主干的含碳量为14.12kg,其中干的比例为86.33%,皮的比例为13.67%。因此,计算主干含碳量的加权平均值为47.11%,以此来计算全株的含碳量为20.97kg。
在计算完单株的热值与含碳量之后,根据测定样地白榆的株行距(2m×3m),计算每公顷的地上部分生物量为74.199tdm/hm2,依据2006IPCC国家温室气体清单指南:农业、林业和其它土地利用(给定参数)确定根茎比,地上部分生物量<75tdm/hm2,根茎比平均值为0.46,75~150tdm/hm2热值,根茎比平均值为0.23,>150 tdm/hm2,根茎比平均值为0.24。所以,确定白榆的根茎比为0.46,每公顷生物量为108.331t。由于植物地下部分不像地上部分那样有规则性,所以地下部分的热值和含碳量均参考地上部分的加权平均值[13],计算每公顷白榆的热值为20.458×1011J,固碳量为51.033t。因此,年每公顷生物量为18.055t/a,年每公顷热值为3.410×1011J,年每公顷固碳量为8.505 t/a。
3 实验结论
从年公顷生物量来看,大小顺序为白榆(18.055 t/hm2·a)>银×新杨(17.046 t/hm2·a)>新疆杨(15.334 t/hm2·a)>沙枣(13.548t/hm2·a)>胡杨(13.142 t/hm2·a)>俄罗斯杨(12.544 t/hm2·a)。
每公顷年固碳量大小顺序为:白榆(8.505 t/hm2·a)>银×新杨(8.241 t/hm2·a)>新疆杨(7.239 t/hm2·a)>沙枣(6.704 t/hm2·a)>胡杨(6.289 t/hm2·a)>俄罗斯杨(6.075 t/hm2·a)。
每公顷年生产热值大小顺序为:白榆(3.410×1011J/hm2·a)>银×新杨(3.184×1011J/hm2·a)>新疆杨(2.838×1011J/hm2·a)>沙枣(2.579×1011J/hm2·a)>胡杨(2.472×1011J/hm2·a)>俄罗斯杨(2.378×1011J/hm2·a)。
因此,在克拉玛依地区优先选择高效固碳与能源乔木树种的顺序为,白榆、银×新杨,新疆杨、沙枣、胡杨、俄罗斯杨。