论文导读:：本文系统研究新疆6个常见乔木树种的热值及含碳率。测量热值、含碳率。计算其干和枝的干物质生物量。固碳量为51.033t。
论文关键词：热值，含碳率，生物量，固碳量
0引言
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
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树种
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样地情况
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标准木
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样地规格
（m）
|
株行距
（m）
|
调查数目
（株）
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|
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±0.2kJg-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著性差异，其余树种的干的热值之间均存在显著的差异性。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著的差异性，其余树种皮的热值均存在显著的差异性。
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
±0.075Bc
|
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著的差异性，其余树种干的含碳率均存在显著的差异性。白榆的皮的含碳率与其余树种之间均存在极显著的差异性，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著的差异性，其余树种皮的含碳率没有显著性差异。
表3 6个树种干和皮的含碳率
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树种
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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/hm2a）>银×新杨（17.046 t/hm2a）>新疆杨（15.334 t/hm2a）>沙枣（13.548t/hm2a）>胡杨（13.142 t/hm2a）>俄罗斯杨（12.544 t/hm2a）。
每公顷年固碳量大小顺序为：白榆（8.505 t/hm2a）>银×新杨（8.241 t/hm2a）>新疆杨（7.239 t/hm2a）>沙枣（6.704 t/hm2a）>胡杨（6.289 t/hm2a）>俄罗斯杨（6.075 t/hm2a）。
每公顷年生产热值大小顺序为：白榆（3.410×1011J/hm2a）>银×新杨（3.184×1011J/hm2a）>新疆杨（2.838×1011J/hm2a）>沙枣（2.579×1011J/hm2a）>胡杨（2.472×1011J/hm2a）>俄罗斯杨（2.378×1011J/hm2a）。
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。
参考文献
[1]郭新红,喻达时,王婕,等.6种植物中木质纤维素含量的比较研究[J] .湖南大学学报:自然科学版,2008,35(9):76~78.
[2]张卫明,史劲松,顾袭平.生物质能的利用和能源植物的开发[J].南京师范大学学报:自然科学版,2007,30(3):68~74.
[3]杜宁.国内外能源植物的利用与开发[J].世界农业,2006(4):57~60.
[4]匡廷云,马克平,白克智.生物质能研发展望[J].中国科学基金,2005,19(6):326~330.
[5]王莉衡.能源植物的研究与开发利用[J].化学与生物工程,2010,27(4):6~8.
[6]郭月玲,江海东,张磊.等.我国主要能源植物及其开发利用的现状与前景[J].浙江农业科学,2009年第6期:1057~1062
[7]王立海,孙墨珑,小兴安岭主要树种热值与碳含量[J].生态学报,2009,29(2):953~959.
[8]王玉魁,阎艳霞,李钢铁.西北沙区4种能源树种评价研究[J].生物质化学工程,2006,40(12):157~160.
[9]乔秀娟,曹敏,林华.西双版纳不同林龄次生植物群落优势树种的热值[J].植物生态学报,2007,31(2)326~332.
[10]陈美玲,上官周平.四种园林植物的热值与养分特征[J].应用生态学报,2008,19(4):747~751.
[11]顾凯平,张坤,张丽霞.森林碳汇计量方法的研究[J].南京林业大学学报:自然科学版,2008,32(5),105~109.
[12]赵林,殷鸣放,陈晓非,等.森林碳汇研究的计量方法及研究现状综述[J].西北林学院学报,2008,23(1):59~63.
[13]雷丕锋,项文化,田大伦,等.樟树人工林生态系统碳贮量与分布研究[J].生态学杂志,2004,23(4):25~30.
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