韓斐揚(yáng)，陳少雄，周群英

?

尾巨桉不同器官熱值影響因素研究

韓斐揚(yáng)1，陳少雄2，周群英2

(1. 廣西壯族自治區(qū)林業(yè)勘測(cè)設(shè)計(jì)院，廣西 南寧 530011；2.國(guó)家林業(yè)局桉樹研究開發(fā)中心，廣東 湛江 524022)

對(duì)廣東廉江石嶺林場(chǎng)5年生尾巨桉不同器官的燃燒特性因子、物質(zhì)組成成分和營(yíng)養(yǎng)元素等指標(biāo)進(jìn)行了研究，并做了相關(guān)性分析。結(jié)果表明：5種器官去灰分熱值在18.57 ~ 21.09 kJ·g-1間，排序?yàn)槿~片>樹枝>樹根>樹干>樹皮；去灰分熱值和干質(zhì)量熱值、灰分相關(guān)顯著，和粗纖維、粗蛋白、粗脂肪、全氮都顯著相關(guān)，尾巨桉不同器官的熱值受其物質(zhì)成分及營(yíng)養(yǎng)元素的影響。

尾巨桉；熱值；影響因素

植物熱值反映著植物組織各種生命活動(dòng)的變化和植物生長(zhǎng)狀況的差異[1]，是衡量植物體生命活動(dòng)及組成成分的指標(biāo)[2]，也是評(píng)價(jià)植物營(yíng)養(yǎng)成分及木材的燃燒性能的指標(biāo)[3-5]。自1934年Long[6]測(cè)定了向日葵()不同部位葉片熱值后，Golley[7]、Bliss[8]和Olson[9]也進(jìn)行了相關(guān)的能值研究，此后生物個(gè)體、種群和群落熱值測(cè)定普遍開展[7-8,10-11]。我國(guó)在這方面的研究起步較晚，開展較早的是楊福囤等[12]于1978年對(duì)高寒草甸地區(qū)常見植物熱值的測(cè)定，之后祖元?jiǎng)偟萚13]、陳佐忠等[14]、龍瑞軍等[15]、劉世榮等[16]、孫雪峰[17]、任海等[18]、李意德等[19]相繼開展了各種森林群落的熱值研究。

桉樹()是我國(guó)南方重要的速生商品林樹種，也是優(yōu)良的能源樹種。桉樹因?yàn)橛懈咝У墓夂献饔脵C(jī)制，因此其人工林是世界上生長(zhǎng)最快、生物量最大的一種人工林生態(tài)體系[20]。周群英等[21]、韓斐揚(yáng)等[22]曾對(duì)我國(guó)南方常見的幾種桉樹的熱值進(jìn)行了測(cè)定，研究分析了桉樹不同林齡和不同器官的熱值變化。本文對(duì)尾巨桉不同器官的熱值變化原因進(jìn)行進(jìn)一步研究，試圖從影響其變化的內(nèi)在機(jī)理出發(fā)，找出影響其變化的物質(zhì)成分或營(yíng)養(yǎng)元素，為進(jìn)一步尋找熱值變化的內(nèi)在因素及更好地開展植物熱值的研究提供參考。

1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于廣東省廉江市的國(guó)營(yíng)雷州林業(yè)局石嶺林場(chǎng)(21°25′ ~ 21°55′N，109°45′ ~ 110°30′E)。屬南亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均溫度22.9℃，最熱月平均氣溫28℃(7月)，最冷月平均氣溫14℃(1月)，年平均日照1 884 h。4—9月為雨季，年平均1 600 ~ 1 900 mm。地勢(shì)平坦，成土母質(zhì)為淺海沉積物，土層較深，但土壤肥力低下、酸度大。

2 材料和方法

2.1　試驗(yàn)材料

試驗(yàn)林為4.5年生尾巨桉(×)純林，林分平均樹高16.2 m，平均胸徑10.4 cm，種植密度為2 500株·hm-2，林分保存率87%，現(xiàn)存密度2 175株·hm-2。采用無(wú)性系苗造林，種植穴的規(guī)格為50 cm × 50 cm × 40 cm，造林前施復(fù)合肥0.5 kg·穴-1，定植后3個(gè)月追施復(fù)合肥0.5 kg·株-1，此后第2、3年的4月份各追肥1次，肥料為復(fù)合肥0.3 kg·株-1+尿素0.2 kg·株-1。林下灌木、草本稀少，主要物種有桃金娘()、馬櫻丹()、鐵芒萁()、五節(jié)芒()等。樣品采集方法見韓斐揚(yáng)等[22]的文獻(xiàn)。

2.2　熱值、物質(zhì)成分和元素等測(cè)定

熱值和灰分含量的測(cè)定見韓斐揚(yáng)等[22]的文獻(xiàn)，去灰分熱值計(jì)算方法為：去灰分熱值＝干質(zhì)量熱值/(1-灰分含量)；揮發(fā)份測(cè)定：稱取1.000 g樣品，放入坩堝中，加蓋隔絕空氣，在馬弗爐中加熱到400℃保持10 min，稱重樣品測(cè)定揮發(fā)分；固定碳：W固定碳=100%-(WH2O+W灰分+W揮發(fā)分)。

粗脂肪：石油醚索氏提取法；粗纖維測(cè)定：重量法；木質(zhì)素測(cè)定：采用Foss Fibertech2010系統(tǒng)測(cè)定，木質(zhì)素代指酸性洗滌木質(zhì)素，標(biāo)準(zhǔn)差由3次獨(dú)立實(shí)驗(yàn)結(jié)果計(jì)算獲得，3次實(shí)驗(yàn)結(jié)果偏差木質(zhì)素≤1%；粗蛋白：含量為6.25×N%。

全氮和全磷：納氏試劑比色法，植物樣品經(jīng)濃H2SO4-H2O2溶液消煮后，用連續(xù)流動(dòng)分析儀AA3測(cè)定全氮和全磷含量；植物有機(jī)碳(C)測(cè)定采用外加熱、重鉻酸鉀容量法。

2.3 統(tǒng)計(jì)分析

數(shù)據(jù)采用Excel圖表和SPSS13.0軟件對(duì)各試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析、鄧肯多重比較、相關(guān)性分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 燃燒特性

由表1可知，尾巨桉5種器官間灰分含量、干質(zhì)量熱值、去灰分熱值、揮發(fā)份和固定碳等均差異極顯著(<0.05)。5種器官灰分含量為0.29% ~ 4.08%，排序?yàn)槿~片>樹皮>樹枝>樹根>樹干；干質(zhì)量熱值為17.94~ 20.23 kJ·g-1，排序?yàn)槿~片>樹根>樹枝>樹干>樹皮；去灰分熱值為18.57 ~ 21.09 kJ·g-1，排序?yàn)槿~片>樹枝>樹根>樹干>樹皮；揮發(fā)份為72.36% ~ 83.97%，排序?yàn)闃涓?樹根>樹枝>葉片>樹皮；固定碳為15.74% ~ 24.27%，排序?yàn)闃淦?葉片>樹枝>樹根>樹干。

表1 燃燒特性各指標(biāo)狀況

注：同列數(shù)字后不同小寫字母表示<0.05，下同。

3.2 主要物質(zhì)成分

對(duì)尾巨桉5種器官主要物質(zhì)成分指標(biāo)做方差分析(表2)，結(jié)果表明尾巨桉5種器官間粗脂肪、粗纖維、木質(zhì)素、蛋白質(zhì)等差異顯著(<0.05)。5種器官粗脂肪含量為9.13% ~ 16.30%，以葉片的最高；粗纖維為10.73% ~ 68.47%，排序?yàn)闃涓?樹根>樹枝>樹皮>葉片，且兩兩間差異極顯著；木質(zhì)素為23.64% ~ 26.01%，排序?yàn)闃淦?樹根>樹干>樹枝>葉片；粗蛋白含量為4.84% ~ 17.56%，排序?yàn)槿~片>樹枝>樹皮>樹根>樹干。

　　　　　表2 主要物質(zhì)成分各指標(biāo)狀況　　　　　　　　　　%

3.3 主要元素含量

對(duì)尾巨桉5種器官主要元素含量做方差分析(表3)，5種器官全氮和全磷含量差異顯著(<0.01)，有機(jī)碳差異不顯著(>0.05)。5種器官全氮含量為0.77 ~ 2.81 mg·g-1，排序?yàn)槿~片>樹枝>樹皮>樹根>樹干，以葉片最高；全磷含量為0.11 ~ 0.93 mg·g-1，排序?yàn)槿~片>樹皮>樹枝>樹根>樹干；有機(jī)碳含量為37.74% ~ 42.18%。

表3 主要元素各指標(biāo)狀況

3.4 相關(guān)性分析

對(duì)尾巨桉5種器官的燃燒特性、主要物質(zhì)成分和元素指標(biāo)做相關(guān)性分析，結(jié)果見表4，從中可知去灰分熱值和灰分含量相關(guān)顯著，和干質(zhì)量熱值相關(guān)極顯著，和揮發(fā)份、固定碳相關(guān)不顯著(相關(guān)系數(shù)分別為-0.568和0.512，>0.05)，說(shuō)明灰分含量和干質(zhì)量熱值越大，去灰分熱值越大；而灰分含量和揮發(fā)份、固定碳相關(guān)極顯著(相關(guān)系數(shù)分別為-0.986和-0.989，<0.01)。

去灰分熱值和粗蛋白、粗纖維相關(guān)極顯著(相關(guān)系數(shù)分別為0.772和-0.884，<0.01)，和粗脂肪相關(guān)顯著(相關(guān)系數(shù)為0.752，<0.05)，而和木質(zhì)素相關(guān)不顯著(相關(guān)系數(shù)為-0.585，>0.05)，說(shuō)明粗蛋白和粗脂肪含量越高，去灰分熱值越大，粗纖維含量越高，去灰分熱值就越小；灰分含量也和粗蛋白、粗纖維相關(guān)極顯著(相關(guān)系數(shù)分別為0.972和-0.932，<0.01)，和粗脂肪相關(guān)顯著(相關(guān)系數(shù)為0.718，<0.05)。

表4 燃燒特性、主要物質(zhì)組成成分和元素的相關(guān)系數(shù)表

注：*表示<0.05，**表示<0.01。

去灰分熱值和主要元素各指標(biāo)的相關(guān)性分析中，和全氮相關(guān)極顯著(相關(guān)系數(shù)為0.814，<0.01)，和全磷、有機(jī)碳相關(guān)不顯著(相關(guān)系數(shù)分別為0.537和0.365，>0.05)，說(shuō)明全氮含量越高，去灰分熱值越大；而灰分含量和全氮、全磷相關(guān)極顯著(相關(guān)系數(shù)分別為0.983和0.918，<0.01)，和有機(jī)碳相關(guān)不顯著(相關(guān)系數(shù)為-0.341，>0.05)。

綜上所述，去灰分熱值除和干質(zhì)量熱值、灰分相關(guān)顯著外，和粗纖維、粗蛋白、粗脂肪和全氮都有顯著相關(guān)。而灰分含量和水分含量、揮發(fā)份及固定碳相關(guān)顯著，和粗脂肪、粗蛋白、粗纖維、全氮和全磷也都相關(guān)顯著。

4 結(jié)論與討論

植物熱值是植物含能產(chǎn)品能量水平的一種度量，反映了綠色植物在光合作用中轉(zhuǎn)化日光能的能力，熱值高低體現(xiàn)了植物的能量代謝水平，各種環(huán)境因子對(duì)植物生長(zhǎng)的影響，可以從熱值的變化上反映出來(lái)，熱值是衡量植物體生命活動(dòng)及組成成分的指標(biāo)之一，可作為植物生長(zhǎng)狀況的一個(gè)有效指標(biāo)[2]。植物熱值首先受植物種自身生物生態(tài)學(xué)特征的制約，不同植物種有其本身的遺傳特性，具有不同生長(zhǎng)發(fā)育節(jié)律和對(duì)環(huán)境的同化能力，反映在熱值含量也有差異。Whittaker[23]研究認(rèn)為世界陸生植物的平均去灰分熱值為17·79 kJ·g-1。本研究尾巨桉5種器官去灰分熱值為18.57 ~ 21.09 kJ·g-1，高于世界陸生植物的平均去灰分熱值。

植物不同部位和器官的熱值有所不同，對(duì)于同種植物來(lái)說(shuō)，以地上部分熱值高于地下部分[24-25]為多，葉片的熱值高于莖的熱值[26]。郭繼勛等[27]對(duì)羊草草原55種植物熱值研究顯示，同一植物不同器官的熱值存在著差異，各器官的平均熱值花19.40 kJ·g-1>莖18.02 kJ·g-1>葉17.89 kJ·g-1>根17.21 kJ·g-1。劉世榮等[16]對(duì)落葉松()人工林測(cè)定，林光輝等[28]對(duì)海蓮()、秋茄()兩種紅樹的測(cè)定，Ovington等[29]研究歐洲赤松()林的測(cè)定均是樹根的熱值最低。張清海等[30]在對(duì)東南濱海沙地主要造林樹種的研究中指出，在木麻黃()和厚莢相思()林各組分中，樹根干質(zhì)量熱值均最低；濕地松()各組分中，葉片干質(zhì)量熱值最高，果實(shí)干質(zhì)量熱值最低。倪穗等[31]對(duì)青岡()種群的熱值研究表明，青岡各徑級(jí)器官的熱值大小順序均為：葉片>樹枝>樹干，并且實(shí)生青岡各器官的熱值均大于萌生青岡。本研究尾巨桉5種器官去灰分熱值排序?yàn)槿~片>樹枝>樹根>樹干>樹皮，與前人的研究結(jié)論相符。

植物組分或器官干質(zhì)量熱值的差異主要是受自身組成(所含的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì))、結(jié)構(gòu)和功能的影響；其次，還受光照強(qiáng)度、日照長(zhǎng)短及土壤類型和植物年齡影響[1]。本研究對(duì)尾巨桉5種器官的燃燒特性、主要物質(zhì)成分和元素各指標(biāo)的相關(guān)性研究結(jié)果表明，去灰分熱值除了和干質(zhì)量熱值、灰分相關(guān)顯著外，和粗纖維、粗蛋白、粗脂肪和全氮均有顯著相關(guān)。說(shuō)明植物各器官去灰分熱值的不同，與各器官所含粗纖維、粗蛋白、粗脂肪和營(yíng)養(yǎng)元素氮的數(shù)量有關(guān)。各器官粗纖維、粗蛋白、粗脂肪和營(yíng)養(yǎng)元素氮的含量分布不均的原因，與營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的運(yùn)輸過(guò)程關(guān)系密切。光合器官合成有機(jī)物，沿枝送入莖干中，最后才流入根中。在營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的輸送過(guò)程中，高能產(chǎn)品，如脂類和蛋白質(zhì)的輸送速率要低于低能產(chǎn)品，如碳水化合物；而積累速率卻要高于低能產(chǎn)品。因此，高能產(chǎn)品在輸送過(guò)程中的積累濃度由葉片→樹枝→樹干→樹根逐漸降低，故熱值也相應(yīng)逐漸減小，形成葉片>樹枝>樹干>樹根的順序[17]。另外，葉片、樹枝養(yǎng)分含量高，特別是氮、磷、鉀高，熱值高；而樹干營(yíng)養(yǎng)元素含量低，故熱值較低[31]。

[1] 孫國(guó)夫,鄭志明,王兆騫.水稻熱值的動(dòng)態(tài)變化研究[J].生態(tài)學(xué)雜志,1993,12(1):1?4.

[2] 林鵬,林光輝.幾種紅樹植物的熱值和灰分含量研究[J].植物生態(tài)學(xué)與地植物學(xué)學(xué)報(bào),1991,15(1):114?120.

[3] 陳存及,何宗明.37種針闊樹種抗火性及其綜合評(píng)價(jià)的研究[J].火災(zāi)科學(xué),1994,3(1):42?51.

[4] 楊成源,張加研,李文政,等.滇中高原及干熱河谷薪材樹種熱值研究[J].西南林學(xué)院學(xué)報(bào),1996,16(4):294? 302.

[5] 白明良,華利民,張曉繼等.不同儲(chǔ)藏年限大米的熱值和營(yíng)養(yǎng)素變化相關(guān)性研究[J].中國(guó)公共衛(wèi)生,1997,13(4):228?229.

[6] Long F L.Application of calorimetric methods to ecological research[J].Plant Physiology,1934,9(2):323?327.

[7] Golley F G.Energy values of ecological materials[J]. Ecology, 1961,42(3): 581?584.

[8] Bliss L C. Caloric and lipid content in Alpine Tundra plants[J].Ecology,1962,43(4):753?757.

[9] Olson J S. Energy storage and the balance of producers and decomposers in ecological systems[J].Ecology,1963,

44(2):322?331.

[10] James T D W,Smith D W. Seasonal changes in the caloric value of the leaves and twigs of[J]. Canadian Journal of Botany,1978,56(15):1804?1805.

[11] Singh A K,Misrakn,Ambasht R S.Energy dynamics in a savanna ecosystem in India[J].Japanese Journal of Ecology 1980,30(4):295?305.

[12] 楊福囤,何海菊.高寒草甸地區(qū)常見植物熱值的初步研究[J].植物生態(tài)學(xué)與地植物學(xué)叢刊,1983,7(4):280?288.

[13] 祖元?jiǎng)?張宏一.植物熱值測(cè)定的若干技術(shù)問(wèn)題[J].生態(tài)學(xué)雜志,1986,5(4):53?56.

[14] 陳佐忠,張鴻芳.內(nèi)蒙古典型草原地帶118種植物的熱值[J].草原生態(tài)系統(tǒng)研究,1992,4(S1):41?48.

[15] 龍瑞軍,徐長(zhǎng)林,胡自治,等.天祝高山草原15種飼用灌木的熱值及季節(jié)動(dòng)態(tài)[J].生態(tài)學(xué)雜志,1993,12(5):13?16.

[16] 劉世榮,王文章,王明啟.落葉松人工林生態(tài)系統(tǒng)凈初級(jí)生產(chǎn)力形成過(guò)程中的能量特征[J].植物生態(tài)學(xué)與地植物學(xué)學(xué)報(bào),1992,16(3):209?218.

[17] 孫雪峰,陳靈芝,徐瑞成.暖溫帶落葉闊葉林林內(nèi)能量的分配組合特征[C]//陳靈芝,黃建輝.暖溫帶生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能的研究.北京:科學(xué)出版社,1997.

[18] 任海,彭少麟,劉鴻先等.鼎湖山植物群落及其主要植物的熱值研究[J].植物生態(tài)學(xué)報(bào),1999,23(2):148?154.

[19] 李意德,吳仲民,曾慶波,等.尖峰林山地雨林主要種類能量背景值測(cè)定分析[J].植物生態(tài)學(xué)報(bào),1996,20(1):1?10.

[20] 康樹珍,賈黎明,彭祚登,等.燃料能源林樹種選育及培育技術(shù)研究進(jìn)展[J].世界林業(yè)研究,2007,20(3):27?33.

[21] 周群英,陳少雄,吳志華,等.廣東樟木頭5種桉樹的能量特征研究[J].熱帶亞熱帶植物學(xué)報(bào),2009,17(6):549?555.

[22] 韓斐揚(yáng),周群英,陳少雄,等.2種桉樹不同林齡生物量與能量的研究[J].林業(yè)科學(xué)研究.2010,23(5):690?696.

[23] Whittaker R H(姚壁君等譯).群落與生態(tài)系統(tǒng)[M].北京:科學(xué)出版社,1977.

[24] 任海,彭少麟.鼎湖山森林生態(tài)系統(tǒng)演替過(guò)程中的能量生態(tài)特征[J].生態(tài)學(xué)報(bào),1999,19(6):817?822.

[25] 鮑雅靜,李政海.內(nèi)蒙古羊草草原群落主要植物的熱值動(dòng)態(tài)[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2003,23(3):606?613.

[26] 鮑雅靜,李政海,韓興國(guó),等.植物熱值及其生物生態(tài)學(xué)屬性[J].生態(tài)學(xué)雜志,2006,25(9):1095?1103.

[27] 郭繼勛,王若丹,包國(guó)章.東北羊草草原主要植物熱值[J].植物生態(tài)學(xué)報(bào),2001,25(6):746?750.

[28] 林光輝,林鵬.海蓮、秋茄兩種紅樹群落能量的研究[J].植物生態(tài)學(xué)與地植物學(xué)學(xué)報(bào),1988,12(1):31?38.

[29] Ovington J D,Lawrence D B. Comparative chlorophyll and energy studies of prairie,savanna,oakwood and maize field e?cosystem[J].Ecology,1967,48(4):515?524.

[30] 張清海,葉功富,林益明.東南濱海沙地主要造林樹種的生物量與能量[J].南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2007,31(3):143?146.

[31] 倪穗,陳啟瑺.青岡種群的熱值研究[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(農(nóng)業(yè)與生命科學(xué)版),2001,27(4):390?392.

Study on Factors the Influencing Calorific Value of Component Tissues of

HAN Fei-yang1, CHEN Shao-xiong2, ZHOU Qun-ying2

(1.; 2.,,,)

We studied combustion characteristics, material composition and nutrient elements in different component tissues of 5 years oldat Shiling forest farm in Lianjiang, Guangdong, and examined associations among component tissue characteristics. Ash free calorific values (AFCV) of the 5 different component tissues ranged from 18.57 to 21.09 kJ·g-1, with their rank order by AFCVs being: leaves>branches>roots>stem-wood>bark. AFCV, gross caloric value and ash content were significantly correlated with each other, as were crude fiber, crude protein, crude fat and total nitrogen. AFCV of’s component tissues were found to be associated with their material composition and levels of key nutrient elements.

; caloric values; influence factor

Q947.5

A

韓斐揚(yáng)(1986— )，男，碩士，工程師，主要從事營(yíng)造林工程技術(shù)研究，E-mail:hfy03-1@163.com.