山區生物質能源樹種荊條經營技術研究

王學勇， 顧新慶， 董少韓， 王 輝

(1．河北省林業科學研究院，河北石家莊 050061；2．河北省林木良種工程技術研究中心，河北石家莊 050061)

隨著世界能源危機的不斷加劇，開發利用可再生能源成為調整能源結構、保障能源安全的重要舉措[1]。生物質是唯一的可再生碳源，也是重要的可再生能源，其含硫量和灰分都比煤炭低，是名副其實的可再生清潔能源。林木生物質能源因其潔凈性及替代化石能源的可行性而受到了越來越多的關注[2]，林業生物質在山區儲量巨大，易于種植，適宜規模化生產，是山區生物質能源開發的主體原料，是解決未來能源危機，改善生態環境，實現能源可持續發展的一條重要途徑[3]。

荊條(VitexnegundoL.van.heterophylla)屬于馬鞭草科牡荊屬植物，黃荊的變種，落葉灌木或小喬木，因其根系發達，萌發能力強，既能在肥厚的棕壤和褐土上生長，又能在石灰巖山地形成群落，具有較強的生態適應性和抗逆性[4]，分布幾乎遍布全國各地，尤以太行山區更為顯著。但由于立地條件較差，處于野生狀態的荊條生長緩慢，抽枝能力較差，如長期不進行更新復壯，就會出現生長停滯，甚至枝梢衰老現象，根據林木生物質資源種類，在現有技術條件下，按照開發利用的途徑不同，可將荊條納入生物固體燃料加以開發利用。為獲取較高地上部生物量，筆者對太行山區的現有荊條林的經營技術進行了研究，以期為荊條能源林建設提供理論依據。

1 材料與方法

1.1試驗地概況試驗地設在平山縣北冶鄉咂杜村，屬于半干旱半濕潤大陸性季風氣候區，四季分明，春季干旱多風，夏季炎熱多雨，秋季天高氣爽，冬季寒冷少雪。平均海拔240 m，年平均氣溫12.7 ℃，平均無霜期為160 d，平均日照時數2 611 h，年有效積溫4 853.5 ℃。年均降水量550 mm，降雨集中，分布不均。母巖以片麻巖為主，間有少量石灰巖和頁巖分布。土壤以褐土為主，屬于典型的石質山地類型，在太行山區具有很高的代表性。

1.2試驗材料及設計荊條生物量是在生長穩定的多年生實生林基礎上一次平茬，平茬后逐年觀測基部新萌發的地上部分生物量，地上部生物量測定采用平均株叢法。按不同立地條件和樹齡選擇標準地，面積20 m×10 m，試驗采用隨機區組，3次重復。采用收獲法測定樣方內的生物量，能源林以生物量和熱值高低為主，生物量包括果實、葉、基部枝條和根，因荊條的果實、葉和根在生產收割時很難操作，故只進行了地上部分基部枝條生物量的測定，根據實際情況確定地徑0.3 cm以下，高50 cm以下為無用條。密度試驗地選擇為實生同齡多年生自然分布的荊條林，不同密度也呈自然分布，疏密不均，選擇不同密度進行平茬，調查其地上部生物量。

1.3樣品處理及測定11月下旬，樹木生長停止后，在標準地內沿一定路線進行每叢檢尺。檢尺因子有:叢高、冠幅、地徑、分枝數等，并取其平均值，選5叢標準叢，從地表處砍伐，分別測定灌叢枝條重，取樣在室內測定含水率，得出地上部生物量。干質量熱值采用由河南鶴壁生產的微機全自動量熱儀，型號為ZDHW-6型，分別在80 ℃下烘至恒定質量，稱量并粉碎過篩，取粒徑小于0.2 mm，質量0.9～1.1 g(精確到0.000 2 g)的樣品作為測定材料，置于潔凈的燃燒皿中測定熱值，以干質量熱值表示。

2 結果與分析

2.1平茬高度對地上部生物量的影響苗高和地徑是評價苗木質量的重要指標[5]，枝條數決定葉片數量，葉片數量的多少決定苗木光合作用能力，枝條數量越多，光合作用越大，有利于苗木內有機質的合成和積累[6]。生物量是評價植株長勢的綜合指標[7]。各平茬高度處理見表1。

表1 不同平茬高度對地上部生物的影響

從表1可看出，隨著平茬高度增加，株叢高度變化不大，株叢的枝條數在增多，但地徑生長呈下降趨勢，這是因為平茬高度越高，枝條基部的芽眼增多，平茬的刺激促使其萌發更多的枝條，但由于養分和營養空間的限制，萌發條之間競爭加劇，這就出現了萌發條越多，枝條數越細，無用條越多。進一步的方差分析表明，各處理在地徑上無差異，但枝條數方面平茬高度10 cm和15 cm 2個處理之間無差異，但與平茬高度為5 cm處理差異顯著。枝條質量的變化也決定了地上部生物量的改變。從表1中還可看出，地上部生物量最高的是平茬高度為10 cm，最少的是高度5 cm，大小順序為：平茬高度10 cm>15 cm>5 cm。經方差分析和多重比較，處理高度10 cm和處理高度5 cm差異極顯著，但和處理15 cm之間差異不顯著?？紤]到平茬高度越高，限制了荊條的更新復壯，投工成本增加，經濟效益下降，故在生產上以平茬高度越低越好。綜上所述，以平茬高度10 cm獲取的地上部生物量最高，表現最好。

2.2不同輪伐期對地上部生物量的影響在確定了合適的平茬高度后，對多年生荊條又進行了輪伐周期的試驗，輪伐期確定關系到能源林的受益早晚[8]，試驗以4年為周期，具體結果見表2。

表2 不同輪伐期對地上部生物量的影響

由表2可知，經過對多年生荊條地上部分收獲后，當年從基部新萌發出來的有效枝條數的地徑隨著林齡增長，地徑也在增長，大小順序為1年1次<2年1次<3年1次<4年1次<多年1次。方差分析表明， 1年1次砍伐的枝條地徑和2年1次之間無差異，但和3年1次、4年1次和多年1次差異極顯著。而平均枝條數從1年1次開始到多年生荊條的枝條數不增反而下降，其中最多的為1年1次，平均為43.4條。荊條枝條數的多少順序為1年1次>2年1次>3年1次>4年1次>多年1次。從地上部生物量來看，大小順序為多年1次>1年1次>2年1次>3年1次>4年1次，1年1次的生物量明顯高于其他處理的生物量，進一步的方差分析表明，1年1次和2年1次之間無差異，但和3年1次和4年1次差異顯著。出現這種情況可能，一是自然整枝的結果，因枝條太密，植物受頂端優勢影響，下部一些見不到光的枝條缺乏營養而枯死，二是生殖生長，開花結實，消耗了大量的養分，限制了萌發條的高、徑生長以及生物量的增長。由表2可知，對多年生荊條收割后，第2年接著進行平茬，可獲得較高的地上部生物量，即以1年1次進行輪伐生物量比較高，收獲較好。

2.3連年平茬對地上部生物量的影響對多年生荊條收割后，可知以1年為輪伐期的生物量比較高，收獲較好。為了試驗是否連續每年平茬都能產生較高的生物量，筆者又布設了連年平茬對地上部生物量影響的試驗，試驗結果見表3。

表3 連年平茬對地上部生物量的影響

從表3可以看出，荊條經過連年平茬，其地徑和高均有不同程度的下降，尤其是地徑平均生長量第2年下降了16.3%，第3年比第2年下降幅度更大，達到30.0%。同時地上部生物量也由第1年的2.41 kg/m2下降到了第2年的1.92 kg/m2，下降了20.3%，第3年比第2年又下降了28.6%，說明連續平茬造成地上部生物量大幅下降，大小順序為第1年>第2年>第3年，方差分析表明各處理之間差異極顯著。依據荊條分布在太行山區地塊破碎、土壤瘠薄、干旱少雨等立地條件較差這一實際情況，連續平茬勢必造成根系傷害甚至死亡，因此，認為荊條平茬最多只能連續進行2年，就得休養2年，讓根系得到生長，再進行平茬。

2.4不同輪伐期荊條干質量熱值植物的熱值顯示其能量含量[9]，可以通過熱值大小衡量樹種(無性系)能量累積能力[2]。荊條不同輪伐期干質量熱值存在明顯差異，輪伐期1年1次的干質量熱值為最高(4 326 cal/g，1cal=4.18 J)， 其次是3年1次(4 307 cal/g)，而4年1次為最低(4 230 cal/g)，干熱值大小順序為第1年>第3年>第2年>多年生>第4年。進一步的方差分析表明，輪伐期為1年1次、2年1次和3年1次這3個處理和4年1次干熱值差異極顯著，1年1次和多年1次在0.05水平上差異顯著，但1年1次、2年1次和3年1次之間無差異。由此可見，荊條的干熱值是以新生枝較高，作為能源林其輪伐期不宜超過3年。

2.5不同密度對地上部生物量的影響從表4可知，經營密度越大，株叢枝條數越少，枝條地徑也越細，地上部生物量越多，地上部生物量大小順序為密度0.5 m×0.5 m>1.0 m×1.0 m>1.5 m×1.5 m>2.0 m×2.0 m。經方差分析，密度0.5 m×0.5 m和1.0 m×1.0 m 這2個處理和另2個密度處理差異極顯著，但密度0.5 m×0.5 m和1.0 m×1.0 m之間無差異。由于太行山區土層薄、肥力不足，對地上部生物量來說，密度不是越大越好，從開發利用和保護角度出發，荊條實生灌叢密度以1.0 m×1.0 m為宜。

表4 不同密度對地上部生物量的影響

3 小結

(1)荊條作為山區重要的生物質能源樹種，長期以來，一直處于野生狀態，生長緩慢，抽枝能力較差，對林齡相對較小，生長條件較好的荊條實生林采取當年春天平茬，且平茬高度控制在10 cm左右 ，能顯著提高基部新萌發枝的地上部生物量。

(2)當年春天進行平茬的多年生荊條，于秋后或次年早春繼續平茬，能顯著提高荊條地上部生物量，但第3年就不能連續進行平茬。因太行山立地條件較差，連年平茬對干旱瘠薄的土壤養分消耗較大，為提高荊條林地的生產力，平茬2年后應休養2年以上，以利培肥地力和根系生長。

(3)合理的種植密度能提高能源林的生物產量，荊條能源林的合理經營密度以1 m×1 m為宜。荊條的干質量熱值以1年生新萌發枝條為最高，作為能源林經營，其輪伐期不宜超過3年。

[1] 錢能志. 我國林業生物質能源資源現狀與潛力[J].化學工業， 2007,25(7):1-5.

[2] 翟學昌，彭麗，方升佐，等. 楊樹能源林新無性系苗期生物量及熱值研究[J]. 南京林業大學學報：自然科學版，2009,33(6):91-94.

[3] 蔣建新，陳曉陽. 能源林與林木生物轉化能源化研究進展[J].世界林業研究，2005,18(6):39-44.

[4] 孫立元，任憲威.河北樹木志[M].北京:科學技術出版社，1997:483.

[5] 沈國舫. 森林培育學[M]. 北京：中國林業出版社，2001：173-174.

[6] 江瑞榮. 不同營養基質及播種方式對木荷容器苗生長的影響[J]. 林業科技開發，2003，17(S1)：20-22.

[7] 林霞，鄭堅，劉洪見，等. 不同基質對無柄小葉榕容器苗生長和葉片生理特性的影響[J]. 林業科學，2010，46(8)：62-70.

[8] 畢君.刺槐林多目標經營管理技術[M]. 北京：中國林業出版社，1995：64-66.

[9] VAN LOO S,KOPPEJAN J.Handbook of biomass combustion and co-firing[M]. London:Earthscan Publications Ltd,2008.