乔木树种固碳能力与能量转化效率分析

乔⽊树种固碳能⼒与能量转化效率分析
2019-10-01
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）
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
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%
2.3 6个乔⽊树种的固碳能⼒和能量转化效率分析
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。

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