乔木树种固碳能力与能量转化效率分析
<p>能源是现在社会赖以生存和发展的基础，随着社会的发展，能源危机已成为当今世界面临的巨大挑战。据估计，按目前的水平开采世界已探明的能源，煤炭资源尚可开采100年，天然气可开采50~60年，石油也将在30~40年后被耗尽，且石化全球能源消耗量在未来20年内还将以每年平均2%的速度增长（任春洁，2023）。因此，随着煤、石油、天然气等化石能源消耗量的不断增加，全球环境不断恶化，使人类必须重新调整化石能源的发展战略。目前热值，可再生的生物质能源已成为人类21世纪能源战略的焦点。能源植物是可再生能源开发的重要资源对象，是最有前景的生物质能源之一。到目前为止，全世界已经发现40多种能源植物，如续随子、绿玉树、橡胶树、西蒙德木、甜菜、甘蔗、木薯、苦配巴树、油棕榈树、南洋油桐树、澳大利亚的阔叶木、黄连木等。本文系统研究新疆6个常见乔木树种的热值及含碳率，为生物质能源和资源的选择、开发、利用和保护，利用科学的方法，筛选出新疆克拉玛依地区的高效固碳能源树种。</p><p>1 材料与方法</p><p>1.1 研究区概况</p><p>本试验采样地点位于克拉玛依市农业综合开发区，距克拉玛依市区20km，地理坐标为E84°50′～85°20′，N45°22′～45°40′，属典型的温带大陆性干旱荒漠气候。该地区冬季严寒，年极端最低温度可达-35.9℃，最大冻土深度达1.5～2.0m；夏季高温炎热，年极端最高气温可达42.9℃；年降水量多年平均为105.3mm，从年内分布看，6～8月份稍多，冬季无稳定积雪，造成土壤冻蚀严重。全年潜在蒸发量达2023mm，约为年降水量的34倍，无霜期180～220d。光热资源丰富，日照率高且太阳辐射强度较大论文格式范文。春季多风，全年≥5级风的日数为119.7d，≥8级风的日数为45.6d，最大风速可达25.1m/s热值，主风向西北，是准噶尔盆地的风区之一，风沙危害严重。</p><p>1.2 材料</p><p>2023年4月，在克拉玛依市农业综合开发区，选取一块生长良好无病虫害的白榆、沙枣、胡杨、俄罗斯杨、新疆杨、银×新杨人工林，基本情况见表1。样地内，每木检尺，每个树种共调查200株树，根据林分平均胸径和树高，选取平均木1株。样木伐倒后，将主干部分按1m分段，计算其干和枝的干物质生物量。另外在每段原条底部取一块厚2cm的圆盘，圆盘编号从树干底部往上依次为0、1、2…，装入密封袋，带回实验室，测量热值、含碳率。</p><p>表1 6个样地基本情况表</p><p>树种</p><p>样地情况</p><p>标准木</p><p>样地规格</p><p>（m）</p><p>株行距</p><p>（m）</p><p>调查数目</p><p>（株）</p><p>年龄</p><p>（a）</p><p>胸径</p><p>（cm）</p><p>树高</p><p>（m）</p><p>圆盘数</p><p>（个）</p><p>白榆</p><p>30×40</p><p>2×3</p><p>200</p><p>6</p><p>13.6</p><p>8.6</p><p>9</p><p>沙枣</p><p>30×40</p><p>2×3</p><p>200</p><p>7</p><p>14.5</p><p>7.5</p><p>8</p><p>胡杨</p><p>30×40</p><p>2×3</p><p>200</p><p>8</p><p>14.2</p><p>9.7</p><p>10</p><p>俄罗斯杨</p><p>30×40</p><p>2×3</p><p>200</p><p>9</p><p>14.5</p><p>13.8</p><p>14</p><p>新疆杨</p><p>30×40</p><p>2×3</p><p>200</p><p>9</p><p>16.2</p><p>13.5</p><p>14</p><p>银×新杨</p><p>30×40</p><p>2×3</p><p>200</p><p>8</p><p>16.1</p><p>11.8</p><p>12</p><p>1.3 研究方法</p><p>1.3.1 干质量热值的测定</p><p>样木的圆盘105℃烘干12h，每圆盘由外向内均匀取样20±1g，用粉碎机进行粉碎，样品装入密封袋。干质量热值（gross caloric value，GCV）采用用中国矿业大学张洪研究所生产的CT2023A型氧弹式热量计进行测定，测定前将粉碎样105℃烘干6h，每样品重复3次，重复误差控制在±0.2kJ·g-1，取3次试验结果的平均值。</p><p>1.3.2 含碳率测定</p><p>采用德国Elementar公司生产的Vario EL Ⅲ元素分析仪测定样品的碳含量热值，具体实验由新疆师范大学分析测试中心完成。</p><p>2 结果与分析</p><p>2.1 6个树种主干热值的特征</p><p>本实验对白榆、沙枣、胡杨、俄罗斯杨、新疆杨、银×新杨的干和皮的热值进行了方差分析与多重比较，结果见表2。从各个树种干的均值来看，白榆的热值含量最高为19.272kJ/g，其次是俄罗斯杨，胡杨。从各个树种皮的均值来看，银×新杨的热值含量最高为19.701kJ/g，其次是沙枣，新疆杨。胡杨和俄罗斯杨、新疆杨和银×新杨这两组树种的干的热值没有显着性差异，其余树种的干的热值之间均存在显着的差异性。胡杨、俄罗斯杨、新疆杨这三个树种皮的热值两两之间没有显着的差异性，其余树种皮的热值均存在显着的差异性。</p><p>表2 6个乔木树种干和皮的平均热值</p><p>树种</p><p>干</p><p>皮</p><p>均值</p><p>（kJ/g）</p><p>变化范围（kJ/g）</p><p>变异</p><p>系数</p><p>均值</p><p>（kJ/g）</p><p>变化范围</p><p>（kJ/g）</p><p>变异</p><p>系数</p><p>白榆</p><p>19.272</p><p>±0.063Aa</p><p>19.093～19.695</p><p>0.98%</p><p>17.145</p><p>±0.181Cd</p><p>16.496～18.067</p><p>3.16%</p><p>沙枣</p><p>18.963</p><p>±0.075Bc</p><p>18.642～19.353</p><p>1.12%</p><p>19.222</p><p>±0.286ABab</p><p>17.699～20.026</p><p>4.21%</p><p>胡杨</p><p>19.031</p><p>±0.053ABbc</p><p>18.709～19.337</p><p>0.88%</p><p>18.603</p><p>±0.165Bc</p><p>17.825～19.511</p><p>2.80%</p><p>俄罗斯杨</p><p>19.220</p><p>±0.082ABab</p><p>18.608～19.599</p><p>1.59%</p><p>18.867</p><p>±0.170Bbc</p><p>17.526～20.064</p><p>3.37%</p><p>新疆杨</p><p>18.625</p><p>±0.057Cd</p><p>18.360～19.030</p><p>1.14%</p><p>18.997</p><p>±0.231ABbc</p><p>17.618～20.121</p><p>4.55%</p><p>银×新杨</p><p>18.653</p><p>±0.058Cd</p><p>18.311～19.000</p><p>1.08%</p><p>19.701</p><p>±0.125Aa</p><p>19.037～20.469</p><p>2.20%</p><p>2.2 6个树种主干含碳率的特征</p><p>本实验对白榆、沙枣、胡杨、俄罗斯杨、新疆杨、银×新杨的干和皮的含碳率进行了分析，结果见表3。从各个树种干的均值来看，沙枣的含碳率最高为49.66%，其次是俄罗斯杨，白榆。从各个树种皮的均值来看，银×新杨的含碳率最高为48.04%，其次是沙枣，新疆杨。白榆和银×新杨干的含碳率没有显着的差异性，其余树种干的含碳率均存在显着的差异性。白榆的皮的含碳率与其余树种之间均存在极显着的差异性，沙枣和俄罗斯杨、俄罗斯杨和银×新杨这两组树种的皮的含碳率存在显着的差异性，其余树种皮的含碳率没有显着性差异。</p><p>表3 6个树种干和皮的含碳率</p><p>树种</p><p>干</p><p>皮</p><p>均值</p><p>（%）</p><p>变化范围</p><p>（%）</p><p>变异</p><p>系数</p><p>均值</p><p>（%）</p><p>变化范围</p><p>（%）</p><p>变异</p><p>系数</p><p>白榆</p><p>48.45±0.14Cc</p><p>48.01～49.20</p><p>0.87%</p><p>43.19±1.08Bc</p><p>34.95～45.34</p><p>7.50%</p><p>沙枣</p><p>49.66±0.05Aa</p><p>49.43～49.85</p><p>0.31%</p><p>47.98±0.10Aa</p><p>47.59～48.45</p><p>0.61%</p><p>胡杨</p><p>48.12±0.08Cd</p><p>47.84～48.50</p><p>0.51%</p><p>47.09±0.10Aab</p><p>46.71～47.74</p><p>0.68%</p><p>俄罗斯杨</p><p>49.15±0.13Bb</p><p>47.90～49.83</p><p>1.02%</p><p>46.76±0.19Ab</p><p>45.66～48.10</p><p>1.48%</p><p>新疆杨</p><p>47.32±0.08De</p><p>46.55～47.76</p><p>0.62%</p><p>47.30±0.23Aab</p><p>45.95～48.63</p><p>1.79%</p><p>银×新杨</p><p>48.27±0.10Ccd</p><p>47.66～48.68</p><p>0.71%</p><p>48.04±0.12Aa</p><p>47.32～48.50</p><p>0.87%</p><p>2.3 6个乔木树种的固碳能力和能量转化效率分析</p><p>6个乔木树种的固碳能力和能量转化效率计算方法和过程相同，本章仅以白榆为例，重要参数见表3。</p><p>白榆主干的鲜重为53.94kg，烘干后重量为29.96kg，用区分求积法计算材积为0.061m3热值，所以木材密度（单位木材蓄积量的生物量）为0.491td.m./ m3。地上部分（主干、侧枝、叶）鲜重为80.14kg，地上部分干重为44.52kg，所以白榆地上部分的干物质比例为55.55%。</p><p>应用各个圆盘干的热值与原条（1m）干的干重的乘积求和，计算出主干干的热值含量为487.08MJ，同样道理求出主干皮的热值含量为78.80MJ，所以主干的热值为565.88MJ，干热值比例为86.07%，皮热值比例为13.93%论文格式范文。因此，计算主干热值的加权平均值为18.885kJ/g，以此来计算全株的热值为840.75MJ。</p><p>同理，应用各个圆盘干的含碳率与原条干的干重的乘积求和，得出主干干的含碳量为12.19kg，皮的含碳量为1.93kg，所以主干的含碳量为14.12kg，其中干的比例为86.33%，皮的比例为13.67%。因此，计算主干含碳量的加权平均值为47.11%，以此来计算全株的含碳量为20.97kg。</p><p>在计算完单株的热值与含碳量之后，根据测定样地白榆的株行距（2m×3m），计算每公顷的地上部分生物量为74.199tdm/hm2，依据2023IPCC国家温室气体清单指南：农业、林业和其它土地利用（给定参数）确定根茎比，地上部分生物量75tdm/hm2，根茎比平均值为0.46，75～150tdm/hm2热值，根茎比平均值为0.23，150 tdm/hm2，根茎比平均值为0.24。所以，确定白榆的根茎比为0.46，每公顷生物量为108.331t。由于植物地下部分不像地上部分那样有规则性，所以地下部分的热值和含碳量均参考地上部分的加权平均值，计算每公顷白榆的热值为20.458×2023J，固碳量为51.033t。因此，年每公顷生物量为18.055t/a，年每公顷热值为3.410×2023J，年每公顷固碳量为8.505 t/a。</p><p>3 实验结论</p><p>从年公顷生物量来看，大小顺序为白榆（18.055 t/hm2·a）银×新杨（17.046 t/hm2·a）新疆杨（15.334 t/hm2·a）沙枣（13.548t/hm2·a）胡杨（13.142 t/hm2·a）俄罗斯杨（12.544 t/hm2·a）。</p><p>每公顷年固碳量大小顺序为：白榆（8.505 t/hm2·a）银×新杨（8.241 t/hm2·a）新疆杨（7.239 t/hm2·a）沙枣（6.704 t/hm2·a）胡杨（6.289 t/hm2·a）俄罗斯杨（6.075 t/hm2·a）。</p><p>每公顷年生产热值大小顺序为：白榆（3.410×2023J/hm2·a）银×新杨（3.184×2023J/hm2·a）新疆杨（2.838×2023J/hm2·a）沙枣（2.579×2023J/hm2·a）胡杨（2.472×2023J/hm2·a）俄罗斯杨（2.378×2023J/hm2·a）。</p><p>因此，在克拉玛依地区优先选择高效固碳与能源乔木树种的顺序为，白榆、银×新杨，新疆杨、沙枣、胡杨、俄罗斯杨。</p>
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