四種灌木樹種固碳能力和能量轉化效率分析

摘要：試驗對克拉瑪依地區４種灌木樹種單位面積單位時間所固定的碳含量與產生的熱量進行了分析，結果表明，在每公頃年生物量方面，紫穗槐（Ａｍｏｒｐｈａ ｆｒｕｔｉｃｏｓａ Ｌ．）為１６．１６２ ｔ／（ｈｍ２·ａ）、檸條（Ｃａｒａｇａｎａ ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａ Ｆｕ ｅｔ Ｋｅｎｇ）為１０．５４1 ｔ／（ｈｍ２·ａ）、檉柳（Ｔａｍａｒｉｘ ｃｈｉｎｅｎｓｉｓ Ｌｏｕｒ．） 為５．４０2 ｔ／（ｈｍ２·ａ）、沙棘（Ｈｉｐｐｏｐｈａｅ ｒｈａｍｎｏｉｄｅｓ Ｌ．）為５．０06 ｔ／（ｈｍ２·ａ）。在每公頃年固碳量方面，紫穗槐為７．８６６ ｔ／（ｈｍ２·ａ）、檸條為５．１８5 ｔ／（ｈｍ２ａ）、檉柳為２．６３５ ｔ／（ｈｍ２·ａ）、沙棘為２．４９2 ｔ／（ｈｍ２·ａ）。在每公頃年產生熱值方面，紫穗槐為２．９２６×１０１１ Ｊ／（ｈｍ２·ａ）、檸條為１．９８８×１０１１ Ｊ／（ｈｍ２·ａ）、檉柳為０．９９０×１０１１ Ｊ／（ｈｍ２·ａ）、沙棘為０．９49×１０１１ Ｊ／（ｈｍ２·ａ）。從調查分析結果可知，在克拉瑪依地區優先選擇高效固碳與能源灌木樹種的順序為紫穗槐、檸條、檉柳、沙棘。但是檸條不耐水濕和忌黏土，因此將選擇樹種的順序改變為紫穗槐、檉柳、沙棘、檸條。

關鍵詞：灌木；熱值；灰分；化學組分；含碳率

中圖分類號：Ｓ７９３；Ｓ７５９．４；Ｘ１７３文獻標識碼：Ａ 文章編號：0439－８114（２０11）22－4633-03

Analysis of Carbon Fixation and Energy Producing Efficiency of Four Shrub Species

ＺＨＥＮＧ Ｚｈａｏ－ｈｕｉ１，ＭＡ Ｃｈｕｎ－ｘｉａ１，ＭＡ Ｊｉａｎｇ－ｌｉｎ２，ＬＩ Ｊｉ－ｙｏｎｇ２，ＬＥＩ Ｓｈｕａｎｇ－ｘｉ３，ＬＩＵ Ｃａｎ１，ＬＩ Ｈｏｎｇ１

（１．Ｘｉｎｊｉａｎｇ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｆｏｒｅｓｔｒｙ Ｓｃｉｅｎｃｅ， Ｕｒｕｍｑｉ ８３００００， Ｃｈｉｎａ； ２． Ｎｉｌｅｋｅ Forestry Farm， Ｙｉｌｉ ８３５７００， Ｘｉｎｊｉａｎｇ， Ｃｈｉｎａ；

３． ＱａｐｑａｌＦｏｒｅｓｔｒｙ Ｆａｒｍ ｏｆ Ｃｈａｂｕｃｈａｅｒ Ｃｏｕｎｔｙ， Ｙｉｌｉ ８３５３００，Ｘｉｎｊｉａｎｇ， Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｔｈｅ ｃａｒｂｏｎ ｆｉｘｅｄ ａｎｄ ｃａｌｏｒｉｃ ｖａｌｕｅ ｐｒｏｄｕｃｅｄ ｂｙ Ａｍｏｒｐｈａ ｆｒｕｔｉｃｏｓａ Ｌ．， Ｃａｒａｇａｎａ ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａ Ｆｕ ｅｔ Ｋｅｎｇ．， Ｔａｍａｒｉｘ ｃｈｉｎｅｎｓｉｓ Ｌｏｕｒ．， Ｈｉｐｐｏｐｈａｅ ｒｈａｍｎｏｉｄｅｓ Ｌ． ｗａｓ ａｎａｌｙｚｅｄ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ that fｒｏｍ ｔｈｅ ｐｏｉｎｔ ｏｆ ｂｉｏｍａｓｓ ｐｅｒ ｈｅｃｔａｒｅ， Ａ． ｆｒｕｔｉｃｏｓａ １６．１６２ ｔ／（ｈｍ２·ａ）＞ Ｃ． ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａ １０．５４1 ｔ／（ｈｍ２·ａ）＞Ｔ． ｃｈｉｎｅｎｓｉｓ ５．４０2 ｔ／（ｈｍ２·ａ）＞ Ｈ． ｒｈａｍｎｏｉｄｅｓ ５．０06 ｔ／（ｈｍ２·ａ）． Ｔｈｅ ｙｅａｒｌｙ ｆｉｘｅｄ ｃａｒｂｏｎ ｐｅｒ ｈｅｃｔａｒｅ ｗａｓ Ａ． ｆｒｕｔｉｃｏｓａ ７．８６６ ｔ／（ｈｍ２·ａ）＞ Ｃ． ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａ ５．１８5 ｔ／（ｈｍ２·ａ） ＞Ｔ． ｃｈｉｎｅｎｓｉｓ ２．６３５ ｔ／（ｈｍ２·ａ）＞ Ｈ． ｒｈａｍｎｏｉｄｅｓ ２．４９2 ｔ／（ｈｍ２·ａ）． Ｔｈｅ ｙｅａｒｌｙ ｐｒｏｄｕｃｅｄ ｃａｌｏｒｉｃ ｖａｌｕｅ ｐｅｒ ｈｅｃｔａｒｅ ｗａｓ Ａ． ｆｒｕｔｉｃｏｓａ ２．９２６×１０１１ Ｊ／（ｈｍ２·ａ）＞ Ｃ． ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａ １．９８８×１０１１ Ｊ／（ｈｍ２·ａ）＞ Ｔ． ｃｈｉｎｅｎｓｉｓ ０．９９０×１０１１ Ｊ／（ｈｍ２·ａ）＞ Ｈ． ｒｈａｍｎｏｉｄｅｓ ０．９49×１０１１ Ｊ／（ｈｍ２·ａ）． Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ， ｔｈｅ ｓｅｌｅｃｔｉｎｇ ｓｅｑｕｅｎｃｅ ｗａｓ Ａ． ｆｒｕｔｉｃｏｓａ， Ｃ． ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａ， Ｔ． ｃｈｉｎｅｎｓｉｓ， ａｎｄ Ｈ． ｒｈａｍｎｏｉｄｅｓ ｉｎ Ｋａｒａｍａｙ ａｒｅａ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｃａｒｂｏｎ ｆｉｘｉｎｇ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ａｎｄ ｐｒｏｄｕｃｅｄ ｃａｌｏｒｉｃ ａｍｏｕｎｔ． Ｈｏｗｅｖｅｒ， Ｃ． ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａ ｗａｓ ａ ｓｔｒｏｎｇ ａｅｒｏｂｉｃ ｓｐｅｃｉｅｓ， ｉｔ ｈａｄ ｔｈｅ ｆａｔａｌ ｗｅａｋｎｅｓｓ ｏｆ intolerance to ｗｅｔ ａｎｄ ｃｌａｙ ｉｎ ｔｈｅ ｇｒｏｗｔｈ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ， ｓｏ ｔｈｅ ｏｒｄｅｒ ｗａｓ ｃｈａｎｇｅｄ as Ａ． ｆｒｕｔｉｃｏｓａ， Ｔ． ｃｈｉｎｅｎｓｉｓ， Ｈ． ｒｈａｍｎｏｉｄｅｓ， Ｃ． ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａ．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｓｈｒｕｂ； ｃａｌｏｒｉｃ ｖａｌｕｅ； ａｓｈ ｃｏｎｔｅｎｔ； ｃｈｅｍｉｃａｌ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ； ｃａｒｂｏｎ ｃｏｎｔｅｎｔ ｒａｔｅ

由于人類對化石燃料（煤、石油、天然氣）的過度依賴，化石能源的使用引起的氣候變暖與環境污染日益嚴重，全球變暖已經是無可爭議的客觀現實，因而化石能源的使用引起的環境變化受到了全球的普遍關注［１－３］，并且化石能源是不可再生的能源，隨著社會經濟的發展，人類對能源的需求在逐年增長與擴大，因此開發和利用新的可再生能源已是人類面臨的重大問題。

目前在高效固碳（能源）植物篩選理論研究方面，美國及歐洲一些國家的生物質能源樹種研究居于世界領先地位［1，４，5］。美國自１９７８年就開始研究能源植物，目前已篩選出２００多種能源植物，在高熱值速生能源樹種無性系選育上已進入了第三代，同時結合生長速度、生物量、熱值和抗病蟲害、抗逆性等育種目標，通過輪回選擇和雜交育種，形成了獨特的熱值選擇與評價技術，并選育出了楊樹專用生物質能源無性系３個。瑞典通過對柳樹能源林進行深入研究，選育出了多個優良無性系，經施肥的柳樹人工林，生物量生產為１０～１２ ｔ／（ｈｍ２·ａ），有些無性系可達１５ ｔ／（ｈｍ２·ａ）。

中國的高效固碳減排（高熱值能源）樹種研究剛剛起步，在樹種選擇和選擇指標方面還沒有確定技術體系，現實中對林木高效固碳減排（能源）資源情況家底不清的狀況依然存在。鑒于此，筆者應用科學的方法，通過探尋生物特性等多方面的研究與測定，對新疆克拉瑪依地區４種灌木樹種的固碳能力和能量轉化效率進行了探討，以期為中國的高效固碳減排（高熱值能源）樹種選擇研究提供基礎數據，現將結果報告如下。

１材料與方法

１．１研究區概況

試驗采樣地點位于克拉瑪依市農業綜合開發區，距克拉瑪依市區２０ ｋｍ，該地位于北緯４５°２２′－ ４５°４０′，東經８４°５０′－８５°２０′，屬典型的溫帶大陸性干旱荒漠氣候，冬季嚴寒，年極端最低溫度可達－３５．９ ℃，最大凍土深度達１．５～２．０ ｍ；夏季高溫炎熱，年極端最高氣溫可達４２．９ ℃；年降水量多年平均為１０５．３ ｍｍ，從降水的年內分布看，６～８月份稍多，冬季無穩定積雪，造成土壤凍蝕嚴重。全年潛在蒸發量達３ ５４５ ｍｍ，約為年降水量的３４倍，無霜期１８０～２２０ ｄ。光熱資源豐富，日照率高且太陽輻射強度較大。春季多風，全年≥５級風的天數為１１９．７ ｄ，≥８級風的天數為４５．６ ｄ，最大風速可達２５．１ ｍ／ｓ，主風向西北，是準噶爾盆地的風區之一，風沙危害嚴重。

１．２材料

２００９年４月，在克拉瑪依市農業綜合開發區，選取４塊生長良好無病蟲害的檉柳（Ｔａｍａｒｉｘ ｃｈｉｎｅｎｓｉｓ Ｌｏｕｒ．）、沙棘（Ｈｉｐｐｏｐｈａｅ ｒｈａｍｎｏｉｄｅｓ Ｌ．）、紫穗槐（Ａｍｏｒｐｈａ ｆｒｕｔｉｃｏｓａ Ｌ．）、檸條（Ｃａｒａｇａｎａ ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａ Ｆｕ ｅｔ Ｋｅｎｇ）人工林，各樹種人工林的株行距均為１ ｍ×２ ｍ，在各樹種人工林中，分別設置一個１０ ｍ×２０ ｍ的臨時樣地。在樣地內，每木檢尺，每個樹種共調查１００株樹，根據林分平均基徑和樹高，選取樣木１株。樣木伐倒后，將主干部分按５０ ｃｍ分段，計算其樹干和樹皮的干物質生物量。另外在每段原條底部取一塊厚２～８ ｃｍ的圓盤，圓盤編號從樹干底部往上依次進行，檉柳取９個圓盤，沙棘取９個圓盤，紫穗槐取７個圓盤，檸條取１０個圓盤，裝入密封袋，帶回實驗室，分別測量各樹種的熱值、含碳率。

１．３研究方法

１．３．１樹干樹皮質量熱值的測定將樣木的圓盤于１０５ ℃烘干１２ ｈ，每圓盤由外向內均勻取樣２０ ｇ ±１ｇ，用粉碎機進行粉碎，樣品裝入密封袋。質量熱值（Ｇｒｏｓｓ ｃａｌｏｒｉｃ ｖａｌｕｅ，ＧＣＶ）采用中國礦業大學張洪研究所生產的ＣＴ５０００Ａ型氧彈式熱量計進行測定，測定前將粉碎樣于１０５ ℃烘干６ ｈ，每樣品重復３次，重復誤差控制在±０．２ ｋＪ／ｇ，取３次測定結果的平均值［6，７］。

１．３．２含碳率測定在新疆師范大學分析測試中心采用德國Ｅｌｅｍｅｎｔａｒ公司生產的Ｖａｒｉｏ ＥＬ Ⅲ元素分析儀測定樣品的碳含量，每次測２個平行樣，測定結果取平均值，誤差為０．３％［8，９］。

２結果與分析

２．１各灌木樹種主干熱值的特征

對檉柳、沙棘、紫穗槐、檸條的樹干和樹皮熱值進行測定的結果見表１，表１ 顯示，各個樹種樹干的熱值均值以沙棘為最高，為１８．９９７ ｋＪ／ｇ，其次是檸條、紫穗槐、檉柳。從各個樹種樹皮的熱值均值來看，也是沙棘的最高，為１９．０７１ ｋＪ／ｇ，其次是檉柳、紫穗槐、檸條。

２．２各灌木樹種主干含碳率的特征

對檉柳、沙棘、紫穗槐、檸條的樹干和樹皮含碳率測定的結果見表２。從表２可見，沙棘樹干的含碳率最高，為４９．８４％，其次是檸條、紫穗槐、檉柳。并且沙棘樹皮的含碳率也是最高，為５１．３１％，其次是檉柳、紫穗槐、檸條。

２．３各灌木樹種的固碳能力和能量轉化效率分析

４種灌木樹種的固碳能力和能量轉化效率有關計算［１0，１1］結果見表３。由于４種灌木樹種的固碳能力和能量轉化效率計算方法與過程相同，因此僅以紫穗槐為例進行說明。從表３可見，紫穗槐的單株地上部分（主干、側枝、葉）鮮重為１６．８０ ｋｇ，單株地上部分干重為１１．０７ ｋｇ，所以紫穗槐單株地上部分的干物質比率為６５．８９％，單株地上部分生物量為１１．０７ ｋｇ。計算得到主干熱值的加權平均值為１８．１０５ ｋＪ／ｇ，以此來計算單株地上部分的熱值為２００．４２２ ＭＪ。同理，應用各個圓盤樹干的含碳率與原條樹干的干重乘積求和，得出地上部分含碳率的加權平均值為４８．６７％，以此計算出單株地上部分的含碳量為５．３８８ ｋｇ。

在計算完單株的熱值與含碳量之后，根據測定樣地紫穗槐的株行距（２ ｍ×１ ｍ），計算每公頃的地上部分生物量為５５．３50 ｔ／ｈｍ２，依據２００６《ＩＰＣＣ國家溫室氣體清單指南》中農業、林業和其他土地利用（給定參數）確定的根莖比，地上部分生物量＜７５ ｔ／ｈｍ２，則根莖比平均值為０．４６；地上部分生物量為７５～１５０ ｔ／ｈｍ２，則根莖比平均值為０．２３；地上部分生物量＞１５０ ｔ／ｈｍ２，則根莖比平均值為０．２４。所以，確定紫穗槐的根莖比為０．４６，每公頃生物量為５５．３50＋５５．３50×０．４６＝８０．８11 ｔ／ｈｍ２。由于植物地下部分不象地上部分那樣有規則性，所以地下部分的熱值和含碳量均參考地上部分的加權平均值。計算每公頃紫穗槐的熱值為８０．８11×１８．１０５＝１４．６３1×１０１１ Ｊ／ｈｍ２，固碳量為８０．８11×４８．６７％＝３９．３31 ｔ／ｈｍ２。因此，每公頃年生物量為８０．８11／５＝１６．１６２ ｔ／（ｈｍ２·ａ），每公頃年熱值為（１４．６３1×１０１１）／５＝２．９２６×１０１１ Ｊ／（ｈｍ２·ａ），每公頃年固碳量為３９．３31／５＝７．８６６ ｔ／（ｈｍ２·ａ）。

３小結

試驗對４種灌木樹種在單位面積、單位時間所固定的碳含量與產生的熱量分析結果表明，在每公頃年生物量方面，紫穗槐為１６．１６２ ｔ／（ｈｍ２·ａ）、檸條為１０．５４1 ｔ／（ｈｍ２·ａ）、檉柳為５．４０2 ｔ／（ｈｍ２·ａ）、沙棘為５．０06 ｔ／（ｈｍ２·ａ）。在每公頃年固碳量方面，紫穗槐為７．８６６ ｔ／（ｈｍ２·ａ）、檸條為５．１８5 ｔ／（ｈｍ２·ａ）、檉柳為２．６３５ ｔ／（ｈｍ２·ａ）、沙棘為２．４９2 ｔ／（ｈｍ２·ａ）。在每公頃年產生熱值方面，紫穗槐為２．９２６×１０１１ Ｊ／（ｈｍ２·ａ）、檸條為１．９８８×１０１１ Ｊ／（ｈｍ２·ａ）、檉柳為０．９９０×１０１１ Ｊ／（ｈｍ２·ａ）、沙棘為０．９49×１０１１ Ｊ／（ｈｍ２·ａ）。

因此，從調查和分析結果，我們可以得到在克拉瑪依地區優先選擇高效固碳與能源灌木樹種的順序為紫穗槐、檸條、檉柳、沙棘。但是檸條是強好氧樹種，在生長特性方面具有一個致命的弱點，就是不耐水濕和忌黏土，因此我們將選擇的樹種順序改變為紫穗槐、檉柳、沙棘、檸條。

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