唐蘇慧，朱寧華，張亞男，向武凡，向建軍，黃文華

（1.中南林業(yè)科技大學(xué) 林學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004；2.八大公山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)，湖南 張家界 416700；3.永順縣林業(yè)設(shè)計(jì)隊(duì)，湖南 湘西自治州 416700）

武陵山區(qū)鄉(xiāng)土樹(shù)種生物能源性能初步研究

唐蘇慧1，朱寧華1，張亞男1，向武凡2，向建軍2，黃文華3

（1.中南林業(yè)科技大學(xué) 林學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004；2.八大公山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)，湖南 張家界 416700；3.永順縣林業(yè)設(shè)計(jì)隊(duì)，湖南 湘西自治州 416700）

對(duì)武陵山區(qū)具有代表性的12種鄉(xiāng)土樹(shù)種（檀梨、南酸棗、黑殼楠、華榛、青榨槭、凹葉厚樸、銀木、白玉蘭、燈臺(tái)樹(shù)、閩楠、銀鵲樹(shù)、藍(lán)果樹(shù)）的含水率、低位發(fā)熱值、灰分這3個(gè)生物能源特性的重要指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定，利用DTOPSIS法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。結(jié)果表明，就含水率、灰分值、低位發(fā)熱量這3個(gè)指標(biāo)的影響時(shí)，灰分值對(duì)生物能源的特性影響最大、含水率、低位發(fā)熱量的影響次之；由3個(gè)指標(biāo)的變異系數(shù)可得，含水率、低位發(fā)熱量在12種備選樹(shù)種的波動(dòng)幅度比灰分的??；備選樹(shù)種中，檀梨的生物能源性能最好，燈臺(tái)樹(shù)的生物能源性能最差。

武陵山區(qū)；鄉(xiāng)土樹(shù)種；生物能源性能；低位發(fā)熱值；含水率

20世紀(jì)70年代發(fā)生的兩次能源危機(jī)、全球變暖，以及環(huán)境污染嚴(yán)重等問(wèn)題，世界各國(guó)迫切尋找一種既能緩解能源危機(jī)，又能對(duì)環(huán)境影響較少的新型能源物質(zhì)[1]，陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了很多新的能源，生物能源就是其中的一種[2-4]。生物質(zhì)能具有可再生特性，而且其還能利用綠色植物的光合作用將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，在某種程度上對(duì)環(huán)境存在著改善作用，因此它在能源利用中凸顯其重大作用[5]。它包括電能、熱能和燃料以及各種副產(chǎn)品[6]。又鑒于生物質(zhì)能具有能源性和生物性的二重特點(diǎn)，故被認(rèn)為是21世紀(jì)解決能源危機(jī)的最佳潛力能源[7]。近年來(lái)，各國(guó)針對(duì)自身情況進(jìn)行研究開(kāi)發(fā)。據(jù)Graham、Cheng ZW等報(bào)道，美國(guó)的生物能源研究取得可喜的成果[8-9]； 巴西實(shí)施了“酒精替代計(jì)劃”[10]；法國(guó)于20世紀(jì)80年代也制定了“綠色能源計(jì)劃”[11]；德國(guó)在2002年底，生物能源利用達(dá)到整個(gè)供應(yīng)鏈的3.4%[12]。

當(dāng)前生物能源的研究熱點(diǎn)主要為:生物質(zhì)能開(kāi)發(fā)利用潛力、生物質(zhì)能利用對(duì)生態(tài)環(huán)境影響、生物質(zhì)能開(kāi)發(fā)利用技術(shù)研究、生物質(zhì)能開(kāi)發(fā)利用可行性分析及其發(fā)展前景。根據(jù)《全國(guó)林業(yè)生物質(zhì)能發(fā)展規(guī)劃（2011—2020年）》中記載，林木生物質(zhì)資源潛力是巨大的，可達(dá)1.8×1010t[13]。由于生物能源得到重視，所以很多學(xué)者分別對(duì)各省份各城市的生物質(zhì)能源的開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀及前景進(jìn)行了研究分析。劉剛等[14]學(xué)者對(duì)我國(guó)主要林區(qū)的生物質(zhì)資源進(jìn)行分析；李怒云等[15]主要研究分析我國(guó)“三北”地區(qū)林木生物質(zhì)能源等各方面；許忠海[16]主要研究伊春市生物質(zhì)能源。就樹(shù)種的生物能源特性方面，馬文元[17]編寫(xiě)了《中國(guó)能源樹(shù)種研究》一書(shū)，主要討論45種以上樹(shù)種的熱值和單位面積生物量等問(wèn)題。

本研究的主要目的在于討論南酸棗、黑殼楠、華榛、青榨槭、凹葉厚樸、銀木、白玉蘭、燈臺(tái)樹(shù)、閩楠、銀鵲樹(shù)、藍(lán)果樹(shù)、檀梨等12種樹(shù)種在生物能源的成型燃料方面潛能，以及優(yōu)劣性的比較，且望為武陵山區(qū)成型燃料方面的發(fā)展提供依據(jù)。成型燃料，一般具有抗性與適應(yīng)性皆較強(qiáng)，含水量少、燃燒值大、灰分少等特點(diǎn)。故本研究對(duì)12種植物的含水率、灰分、燃燒值3個(gè)重要指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定和數(shù)據(jù)分析，進(jìn)而分析得出備選樹(shù)種的生物能源特性的優(yōu)劣性。

1 研究區(qū)概況

武陵山區(qū)位于 27°10′N ～ 31°28′N，106°56′W ～111°49′W，平均海拔高度在1 000 m左右。武陵源位于西部高原亞區(qū)與東部丘陵平原亞區(qū)的邊緣，東北接湖北，西部直達(dá)神農(nóng)架等地，西南連于黔東梵凈山。該地區(qū)氣候?qū)賮啛釒蚺瘻貛н^(guò)渡類型，氣候溫和，冬暖夏涼，雨量充沛，平均溫度在13～16℃之間，地形垂直氣候差異明顯。相對(duì)濕度77%，降水量1 100～1 600 mm，無(wú)霜期280 d左右。地形復(fù)雜，坡陡溝深，以及自然條件存在極大優(yōu)勢(shì)，給眾多物種的生存和繁衍提供了良好的環(huán)境條件。也由于地形、氣候等生物賴以生存的因素的多樣性，決定了此區(qū)域內(nèi)生物資源的豐富度[18]。

2 試驗(yàn)材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

本文研究對(duì)象主要為南酸棗、黑殼楠、華榛、青榨槭、凹葉厚樸、銀木、白玉蘭、燈臺(tái)樹(shù)、閩楠、銀鵲樹(shù)、藍(lán)果樹(shù)、檀梨等12種武陵源鄉(xiāng)土樹(shù)種。在研究區(qū)內(nèi)，分別采取各樹(shù)種不同器官（根、莖、葉、皮、干）的材料，烘干粉碎后在室內(nèi)進(jìn)行各項(xiàng)指標(biāo)（含水率、低位發(fā)熱值、灰分等）的測(cè)定分析[19]。具體做法：選取這12種植物的人工林進(jìn)行調(diào)查取樣，對(duì)各植物各設(shè)2塊20 m×20 m樣地。運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)木調(diào)查法[20]和標(biāo)準(zhǔn)木法，在各樣地各選2株標(biāo)準(zhǔn)木。對(duì)其進(jìn)行樹(shù)干解析，將標(biāo)準(zhǔn)木從樹(shù)干基部伐倒。地上部分采用分層切割收獲法，測(cè)定各區(qū)分段樹(shù)干及樹(shù)皮鮮重并采集樣本500 g；稱樹(shù)冠不同部位樹(shù)葉及樹(shù)枝鮮重，各采集樣本500 g，地下部分則采取全挖法，在相鄰樹(shù)種距離的一半幅度范圍內(nèi)分0～20、20～40、40～60 cm、3層挖掘，并按照徑級(jí)分成根頭、粗根（d＞4 mm）、中根（4 mm＞d＞2 mm）、細(xì)根（d＜2 mm）4個(gè)級(jí)別根系，分類放置，稱其鮮重，混合采集樣本500 g；再將所有取樣置于恒溫箱中80℃下烘干至恒質(zhì)量。烘干樣品用均粉碎機(jī)粉碎并過(guò)100目篩，用于含水率、低位發(fā)熱值、灰分測(cè)定。

2.2 試驗(yàn)方法

2.2.1 含水率的測(cè)定

用SFY系列快速水分測(cè)定儀進(jìn)行測(cè)定，取一定質(zhì)量的顆粒燃料（本試驗(yàn)取為5 g），將其放入快速水分測(cè)定儀內(nèi)，燃料開(kāi)始加熱，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間加熱后，若燃料在某一時(shí)刻前后Δt（設(shè)定為40 s）時(shí)間間隔內(nèi)再無(wú)質(zhì)量的改變，也就意味著燃料中的自由水已經(jīng)全部蒸干逸出，則測(cè)得此時(shí)的燃料水分含量即為燃料的含水率。

2.2.2 熱值的測(cè)定

本試驗(yàn)采用本FA/JA型系列電子天平，SFY系列快速水分測(cè)定儀，ZDHW-5B型微機(jī)全自動(dòng)量熱儀等儀器。儀器工作時(shí)，將燃料的質(zhì)量和求得的含水率輸入儀器，燃料的低位熱值、高位熱值、彈筒熱值、分析水、熱容量等參數(shù)都會(huì)自動(dòng)得出。

2.2.3 灰分的測(cè)定

用FA/JA型系列電子天平、HTGF-3000型自動(dòng)工業(yè)分析儀進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。顆粒燃料工業(yè)分析實(shí)驗(yàn)步驟簡(jiǎn)單，只需將單位質(zhì)量（1 g左右）燃料放入坩堝內(nèi)即可，后續(xù)步驟由微機(jī)控制。

2.3 數(shù)據(jù)處理

DTOPSIS法[21]；采用Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

3 結(jié)果與分析

3.1 備選植物評(píng)價(jià)指標(biāo)分析

3.1.1 含水率

就生物能源利用的植物來(lái)說(shuō)，含水率越低越好。從表1可以看出，備選樹(shù)種的含水率大小關(guān)系可表示為：閩楠（35.41）＜銀木（37.04）＜檀梨（37.83）＜藍(lán)果樹(shù)（38.6）＜凹葉厚樸（38.68）＜白玉蘭（39.18）＜燈臺(tái)樹(shù)（40.24）＜銀鵲樹(shù)（41.79）＜黑殼楠（41.92）＜華榛（42.32）＜南酸棗（43.63）＜青榨槭（43.93）。

3.1.2 灰分

就生物能源利用的植物來(lái)說(shuō)，灰分也越低越好。由表1可以得出，備選樹(shù)種間灰分值之間的大小關(guān)系可表示為：華榛（20.18）＜南酸棗（21.08）＜黑殼楠（21.16）檀梨（21.29）＜銀木（21.45）＜藍(lán)果樹(shù)（23.37）＜青榨槭（24.15）＜閩楠（29.36）＜凹葉厚樸（31.59）＜白玉蘭（34.28）＜銀鵲樹(shù)（38.07）＜燈臺(tái)樹(shù)（42.53）。

表1 備選植物生物能源特性評(píng)價(jià)主要指標(biāo)Table 1 Characteristics of alternative bio-energy plants evaluate key indicators

3.1.3 低位發(fā)熱量

對(duì)于生物能源利用的植物來(lái)說(shuō)，低位發(fā)熱量則應(yīng)為越高越好。從表1可以看出，備選樹(shù)種間低位發(fā)熱量的大小關(guān)系可表示為：銀木（82737）＞檀梨（82659）＞閩楠（81925）＞凹葉厚樸（81042）＞黑殼楠（80052）＞藍(lán)果樹(shù)（78108）＞青榨槭（76559）＞華榛（76482）＞白玉蘭（76166）＞南酸棗（76029）＞燈臺(tái)樹(shù)（73949）＞銀鵲樹(shù)（69315）。

3.2 備選樹(shù)種生物能源特性的綜合分析

3.2.1 生物能源特性指標(biāo)的成分分析

研究發(fā)現(xiàn)，含水率、灰分、低位發(fā)熱量的權(quán)重依次為：0.17、0.7、0.13（如表2所示）。由此可知，當(dāng)且僅考慮這3個(gè)指標(biāo)的影響時(shí)，灰分的影響最大，其次為含水率與低位發(fā)熱量。根據(jù)所測(cè)得數(shù)據(jù)，經(jīng)計(jì)算可知含水率、灰分、低位發(fā)熱量的變異系數(shù)依次為6.8%、27.8%、5.0%。分析可得：含水率、低位發(fā)熱量在各樣本取值的波動(dòng)幅度比灰分的小。

表2 無(wú)量綱化處理結(jié)果矩陣DTable 2 Matrix D by using dimensionless method

3.2.2 備選樹(shù)種指標(biāo)的DTOPSIS分析

生物能源特性的優(yōu)劣性一般是由多個(gè)指標(biāo)共同影響的，所以需要將多個(gè)指標(biāo)綜合在一起進(jìn)行考慮分析。因此采用DTOPSIS法進(jìn)行分析，分析結(jié)果見(jiàn)圖1。從圖1可看出，備選樹(shù)種的綜合評(píng)分結(jié)果排名以及生物能源特性優(yōu)劣性依次皆為：檀梨＞銀木＞華榛＞黑殼楠＞南酸棗＞藍(lán)果樹(shù)＞青榨槭＞閩楠＞凹葉厚樸＞白玉蘭＞銀鵲樹(shù)＞燈臺(tái)樹(shù)。

圖1 DTOPSIS 法計(jì)算結(jié)果Fig.1 Results of DTOPSIS method

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，南酸棗、黑殼楠、華榛。青榨槭、凹葉厚樸、銀木、白玉蘭、燈臺(tái)樹(shù)、閩楠、銀鵲樹(shù)、藍(lán)果樹(shù)、檀梨在武陵山區(qū)分布較為廣泛，為武陵山區(qū)的鄉(xiāng)土樹(shù)種。且有成為生物能源樹(shù)種的潛質(zhì)，故選擇對(duì)其進(jìn)行研究。查閱相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于南酸棗、藍(lán)果樹(shù)等12種樹(shù)種的生物能源特性的研究較少，本文則另辟蹊徑對(duì)這12種樹(shù)種的生物能源特性進(jìn)行初步研究。根據(jù)研究表明，武陵山區(qū)為湖南省林木生物質(zhì)能資源開(kāi)發(fā)重點(diǎn)區(qū)域。故對(duì)武陵源山區(qū)的鄉(xiāng)土樹(shù)種生物能源特性的分析是存在很大實(shí)際意義，也能為武陵山區(qū)森林資源的進(jìn)一步研究提供依據(jù)。

結(jié)合本文所做的大量的試驗(yàn)研究以及分析，可以得到以下結(jié)論：

在只考慮灰分值、含水率、低位發(fā)熱量對(duì)生物能源特性的影響時(shí)，灰分值的影響因素最大；含水率、低位發(fā)熱量的影響次之。

在只考慮灰分值、含水率、低位發(fā)熱量3個(gè)指標(biāo)時(shí)，不同樹(shù)種的含水率、低位發(fā)熱量的變化幅度低于它們灰分值的變化。

通過(guò)DTOPSIS 法計(jì)算圖可看出，在12種參與研究調(diào)查的備選樹(shù)種中，備選樹(shù)種生物能源特性的優(yōu)劣性順序?yàn)椋禾蠢?、銀木、華榛、黑殼楠、南酸棗、藍(lán)果樹(shù)、青榨槭、閩楠、凹葉厚樸、白玉蘭、銀鵲樹(shù)、燈臺(tái)樹(shù)。

在考慮樹(shù)種含水率、灰分、低位發(fā)熱值這三個(gè)生物能源特性重要指標(biāo)后，也應(yīng)針對(duì)生物能源特性的要求進(jìn)一步進(jìn)行分析，同時(shí)結(jié)合樹(shù)種的其他生理特性，考慮分析篩選出武陵山區(qū)最有價(jià)值、潛力的生物能源樹(shù)種。

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A preliminary study on biological energy performance of native tree species in Wuling mountain area

TANG Su-hui1, ZHU Ning-hua1, ZHANG Ya-nan1, XIANG Wu-fan2, XIANG Jian-jun2, HUANG Wen-hua3
(1. School of Forestry, Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, Hunan, China; 2. Badagongshan Nation Nature Reserve, Zhangjiajie 416700, Hunan, China; 3. Forestry Design Team of Yongshun County, Xiangxi 416700, Hunan, China)

The article studied on the moisture content, low calori fi c value, ash of the 12 representative native plant species in Wuling Mountain (South jujube, Black shell Nan, China hazel, Acer davidii, Magnolia of fi cinalis, Silver wood, Magnolia, Alstonia scholaris,Fujian Nan, Silver magpie, blue fruit, Pyrularia edulis), measured these fuel forests’ important indicators and collected data. Then we studied and analyzed of the bio-energy properties. The results showed that the ash value have a greatest impact on bioenergy, as we only considered the moisture content, ash value, low calori fi c value of the impact of bio-energy characteristics. The moisture content and low calori fi c value impact followed; By coef fi cient of variation of the three indicators available, moisture content and low calori fi c value in 12 kinds of alternative species smaller than ash in the volatility; In regard to the biological energy performance of alternative species,Pyrularia edulis is the best, Alstonia scholaris is the worst.

Wuling mountain; native tree species; biological energy; low calori fi c value; moisture content

S759.4

A

1673-923X(2016)06-0075-04

10.14067/j.cnki.1673-923x.2016.06.015

2015-06-16

湖南省科技廳重大課題專項(xiàng)“武陵山區(qū)珍稀瀕危植物保育關(guān)鍵技術(shù)研究與示范”（2012FJ1005）

唐蘇慧，碩士研究生

朱寧華，副教授，博士，碩士研究生導(dǎo)師；E-mail：zhuninghua@yahoo.com

唐蘇慧，朱寧華，張亞男，等. 武陵山區(qū)鄉(xiāng)土樹(shù)種生物能源性能初步研究[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2016, 36(6): 75-78.

[本文編校：吳 彬]