楊鶴

(遼寧省林業(yè)科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110032)

歐洲生物質(zhì)能源樹種研究現(xiàn)狀

楊鶴

(遼寧省林業(yè)科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110032)

在煤炭、石油等化石燃料逐漸耗盡、環(huán)境被污染的情況下，生物質(zhì)能源將成為未來能源利用的主要方式之一。文章概述了歐洲生物質(zhì)能源樹種的特點(diǎn)和利用情況，并提出了相應(yīng)的對(duì)策和展望。

歐洲；生物質(zhì)能源；樹種；現(xiàn)狀

2010年全球能源消耗已經(jīng)達(dá)到540 EJ，比1980年增長(zhǎng)了80%，到2025年將比2010年增長(zhǎng)50%。如沒有重大的技術(shù)革新和碳排放限制，2030—2050年化石燃料供應(yīng)仍將滿足75%的能源需求，這將會(huì)導(dǎo)致CO2濃度顯著增加。解決這一問題的方法之一是應(yīng)用可再生燃料代替化石燃料，而生物質(zhì)能源已成為世界上未來優(yōu)先發(fā)展的主要能源[1]。栽培木本生物質(zhì)能源樹種，已顯示了諸多優(yōu)點(diǎn)。

1 楊樹

楊樹可以扦插繁殖、生根容易且成本低，而且已經(jīng)開展了基因組測(cè)序、遺傳改良程度較高，生長(zhǎng)速度快、產(chǎn)量穩(wěn)定，采伐作業(yè)后萌蘗能力強(qiáng)，抗性較強(qiáng)，在歐洲地中海氣候環(huán)境，楊樹作為生物質(zhì)能源樹種是切實(shí)可行的。在西班牙，楊樹生產(chǎn)力達(dá)到了14.4 t·hm-2·a-1。研究證明應(yīng)用楊樹進(jìn)行生物質(zhì)生產(chǎn)有收益，并對(duì)環(huán)境有益。應(yīng)用地中海氣候區(qū)12個(gè)造林地點(diǎn)中的144個(gè)試驗(yàn)地的調(diào)查數(shù)據(jù)建立模型，考慮了最熱月份的平均最高溫度、干旱強(qiáng)度和土壤pH值，預(yù)測(cè)了可灌溉的農(nóng)用地和能源生產(chǎn)能力，評(píng)價(jià)了短輪伐期生物質(zhì)能源林的熱量、生物柴油和電力的轉(zhuǎn)化能力，在經(jīng)營(yíng)條件較好的楊樹林分，平均生產(chǎn)力為10.9 t·hm-2·a-1。因此，發(fā)展楊樹短輪伐期林有助于生物質(zhì)能源市場(chǎng)的穩(wěn)定，也有助于地中海國(guó)家能源的自給。此外，楊樹木材作為燃料，排放低、灰分少，保存費(fèi)用低、能量效率高，歐洲楊樹萌生林干物質(zhì)生產(chǎn)量為10.0～15.0 t·hm-2·a-1。對(duì)楊樹的生產(chǎn)力研究表明，對(duì)幼苗前2年的單株生產(chǎn)力進(jìn)行了評(píng)價(jià)，第1年材積為 1.46 dm3，第2年材積為7.37 dm3，第1年平均樹高為2.47 m，第2年平均樹高4.45 m，第1年和第2年胸徑分別為2.51 cm和4.07 cm，楊樹短輪伐期林分有著巨大的生產(chǎn)潛力[2]。對(duì)楊樹和櫟樹的碳匯進(jìn)行比較，櫟樹150年生林分的平均凈初級(jí)生產(chǎn)力是2.5 t·hm-2·a-1，而楊樹為6.2 t·hm-2·a-1，每公頃楊樹生物質(zhì)能源林每年能夠減少24.2～29.3 tCO2排放，而每公頃櫟樹林分每年僅能夠減少6.2～7.1 tCO2排放量。楊樹栽植面積達(dá)到400 hm2以上時(shí)，收獲和轉(zhuǎn)運(yùn)效益較高，歐洲地中海國(guó)家，要考慮楊樹水分利用效率，采用合理的密度，使環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益達(dá)到最大化。短輪伐期林分要獲得最高的生物質(zhì)產(chǎn)量時(shí)需要施肥，在一些國(guó)家短輪伐期林分生長(zhǎng)時(shí)，使用廢水作為肥料給林分施肥，能夠降低施肥成本，增加生物質(zhì)產(chǎn)量。楊樹碎片的水分含量和粒度分布是影響生物質(zhì)質(zhì)量的重要因素，對(duì)意大利楊樹短輪伐期林不同的收獲方法對(duì)于木屑質(zhì)量的影響進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)收獲方式和碎片用具顯著地影響粒度分布，同柳樹相比，楊樹木材較輕易破碎，楊樹母株抽條較少，但都是大枝條。

2 桉樹

桉樹在十九世紀(jì)初期就在歐洲開始栽植，由于其具有較高的生產(chǎn)力和生態(tài)可塑性，在歐洲南部栽植的桉樹約有1.4萬km2，歐洲的桉樹主要用于生產(chǎn)紙漿和纖維板，采伐作業(yè)的殘料和樹皮主要用于生產(chǎn)熱能和電力。造林的目的就是為了滿足能源的需求，桉樹在西班牙按照嚴(yán)格的規(guī)定栽植，包括機(jī)械整地、施肥，桉樹10～12年皆伐。有報(bào)道稱地中海地區(qū)桉樹采用矮林作業(yè)，2～3年生產(chǎn)量為19.0～20.5 t·hm-2。燃料的品質(zhì)與桉樹的樹齡和樹高相關(guān)，樹齡越大，發(fā)熱量越高。Sochacki在2007年開發(fā)了胸徑大于10 cm的桉樹樹高和生物質(zhì)的模型，應(yīng)用500、1 000、2 000和4 000株·hm-2這4種密度和不同地點(diǎn)的數(shù)據(jù)，比較3種桉樹的平均物質(zhì)產(chǎn)量，在高密度時(shí)沒有顯著差別，研究者認(rèn)為以較高的密度栽植并與其他種類混交，可使產(chǎn)量達(dá)到最大。

3 泡桐

泡桐生長(zhǎng)迅速，栽植后15年就可收獲，可獲得高價(jià)值的原料，對(duì)栽植在安達(dá)盧西亞的6個(gè)地點(diǎn)的泡桐無性系生產(chǎn)能力進(jìn)行評(píng)價(jià)，生物質(zhì)產(chǎn)量最高的無性系產(chǎn)量為7.2 t·hm-2·a-1；而生物質(zhì)產(chǎn)量最低的無性系產(chǎn)量?jī)H為2.0 t·hm-2·a-1，因此，在地中海地區(qū)引進(jìn)適宜的泡桐切實(shí)可行。此外，還應(yīng)進(jìn)一步開展經(jīng)營(yíng)和碳匯等方面研究。泡桐作為固體生物質(zhì)燃料，具有灰分含量低和纖維含量高的優(yōu)點(diǎn)，與楊樹和柳樹相比，硫和氮的含量也較低，總發(fā)熱量達(dá)20.3 MJ·kg-1，比一般的闊葉樹種高，甚至比海岸松略高。在西班牙南部，泡桐可以達(dá)到最大產(chǎn)量，且含氯量比草本植物低；在中國(guó)，泡桐可應(yīng)用于農(nóng)林復(fù)合作業(yè)，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展非常重要，此外，還有關(guān)于泡桐產(chǎn)量、輪伐期、栽植密度和光熱分配方面的研究，從經(jīng)濟(jì)學(xué)角度看，泡桐的投入產(chǎn)出比到達(dá)1∶4，能夠獲得較高的能量效率以及較好的利潤(rùn)[3]。

4 旱柳

旱柳旺盛的生長(zhǎng)能力和較深的根系是其主要優(yōu)點(diǎn)，其次作為能源樹種還可以進(jìn)行營(yíng)養(yǎng)繁殖，在北歐國(guó)家生長(zhǎng)迅速，可以獲得較高產(chǎn)量。在瑞典短輪伐期旱柳的栽培面積近年比較穩(wěn)定，但是如果經(jīng)營(yíng)管理水平較低或立地條件較差，旱柳的產(chǎn)量較低。旱柳短輪伐期林分可用將插穗直接扦插到土壤中的方法營(yíng)造。對(duì)北愛爾蘭地區(qū)的旱柳短輪伐期林分的經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行分析，將其與農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)的收益進(jìn)行比較，利潤(rùn)在45 t·hm-2·a-1，同農(nóng)業(yè)收入相近，比畜牧業(yè)收益高。比較同期栽植和分期栽植短輪伐期林分的營(yíng)建成本，樹木密度、保存率和生物質(zhì)產(chǎn)量，同期栽植生產(chǎn)量要大于分期栽植，同期栽植生產(chǎn)量可以達(dá)到6.22t·hm-2·a-1。對(duì)于不同土壤類型的旱柳短輪伐期生物質(zhì)產(chǎn)量進(jìn)行比較，在丹麥北部不同的土壤類型上栽植了四種旱柳無性系，產(chǎn)量為5.2～8.8 t·hm-2·a-1。旱柳44年生林分，生物質(zhì)可以達(dá)到244 t·hm-2，栽培短輪伐期旱柳可以降低大氣中二氧化碳的含量。

5 刺槐

刺槐也是歐洲短輪伐期樹種，原產(chǎn)于美國(guó)，17世紀(jì)引種到歐洲，最初用作觀賞樹種，隨后用于林木生產(chǎn)。當(dāng)前，在歐洲中部栽培面積較大。刺槐具有深厚并且延伸的根系，因此廣泛用于防止水土流失和土壤侵蝕，刺槐還是先鋒樹種，在通氣良好和輕壤土上生長(zhǎng)良好，能夠忍受較大范圍的土壤類型，刺槐刈割后再生能力較強(qiáng)，而且具有較高的密度，適合于木本生物質(zhì)生產(chǎn)。刺槐已經(jīng)開始用于生物質(zhì)能源生產(chǎn)，在德國(guó)，開展了楊樹、旱柳和刺槐不同輪伐期的比較研究，3種不同輪伐期中，刺槐都獲得了較高的產(chǎn)量，由于對(duì)生物質(zhì)能源需求的增加，刺槐生物質(zhì)能源林是潛在的農(nóng)業(yè)土地利用的替換模式[4]。刺槐短輪伐期生物質(zhì)能源林的效益還低于種植小麥，因此發(fā)展刺槐生物質(zhì)能源林需要政府的支持。

6 歐洲生物質(zhì)能源樹種發(fā)展展望

短輪伐期生物質(zhì)能源林主要用于生產(chǎn)熱能和電力，這一新的能源利用方式有利于達(dá)到歐洲可再生能源目標(biāo)，并可以有效地固定碳，減少溫室氣體排放。全球的生物能源作物在不同糧食作物競(jìng)爭(zhēng)用地的情況下，會(huì)滿足對(duì)于生物質(zhì)能源的需求。發(fā)展生物質(zhì)能源林首先應(yīng)解決生物多樣性問題；其次改進(jìn)生物質(zhì)能源原材料采集、轉(zhuǎn)運(yùn)、貯藏、加工技術(shù)，降低成本。再次，應(yīng)該提高公眾的認(rèn)知度和參與度，提高開展生物質(zhì)能源林建設(shè)的積極性。將來的研究應(yīng)集中于木本生物質(zhì)能源樹種遺傳改良、提高作物抗逆性，造林、輪伐期時(shí)間、經(jīng)營(yíng)、施肥和灌溉等方面[5]。

[1] 曾淑珍,吳延旭,謝曉敏,等.生物質(zhì)能源樹種的研究進(jìn)展[J].經(jīng)濟(jì)林研究,2008,26(4):109-113

[2] Broeckx LS. Establishment and two year growth of a bioenergy plantation with fast-growing Populus tress in Flanders (Belgium): effects of genotype and former land use[J].Biomass Bioenergy, 2012,42:151-163

[3] Banse M. Impact of EU biofuel policies on world agricultural production and land use[J]. Biomass Bioenergy ,2011,35:2385-2390

[4] B?hm C. Yield prediction of young black locust plantations for woody biomass production using allometric relations[J]. Ann Forest Res .2011,54:215-227

[5] De Vries .Renewable energy sources: their global potential for the first-half of the 21st century at a global level: an integrated approach[J]. Energy Policy,2007,35:2590-2610

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2017-02-24

楊鶴(1983-)，男，高級(jí)工程師，主要從事林木信息管理研究，Email：27114711@qq.com

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10.13601/j.issn.1005-5215.2017.04.024