楊樹栽植中沼氣應(yīng)用研究設(shè)計

顧弘宇，林 濤，陳香君

(南京林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，南京210037)

楊樹 (Populus sp.)是生長迅速、適應(yīng)性廣、抗性強(qiáng)的優(yōu)良樹種，在人工林種植中占有重要地位，目前全世界楊樹人工林種植面積達(dá)到706萬hm2，我國已達(dá)666萬hm2，占全世界的94.3%，大大超過其它國家總和［1］。但是，速生楊樹林由于種植周期短、采伐頻繁，很難形成原生自然林具有的林間溫潤氣候、植物競爭演替及落葉、雜草和落花腐爛、風(fēng)化降解的循環(huán)助長環(huán)境，再加上速生楊樹林地力消耗大及生產(chǎn)過程中的化肥催生、農(nóng)藥殺蟲，使得土地貧瘠化速度加快，影響了楊樹種植的質(zhì)量。本研究依據(jù)人工楊樹林的土壤養(yǎng)分供應(yīng)能力、楊樹養(yǎng)分需求狀況及楊樹生長中的代謝循環(huán)規(guī)律，設(shè)計林農(nóng)復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)，通過人工干預(yù)手段將楊樹林中的枝葉、雜草及林間養(yǎng)殖、種植殘余污物進(jìn)行沼氣化生產(chǎn)加工，為楊樹快速生產(chǎn)提供大量的有機(jī)肥，解決楊樹生長過程中的養(yǎng)分供給與土壤改良問題，探索人工楊樹種植新模式。

沼氣發(fā)酵是指各種農(nóng)業(yè)廢棄物在厭氧條件下被沼氣微生物分解代謝，最終形成以甲烷為主要成分的混合氣體的過程，是一個復(fù)雜的生物化學(xué)過程［2］，沼氣技術(shù)是生物質(zhì)能的開發(fā)和利用的重要途徑，也是農(nóng)業(yè)廢棄物能源化利用的關(guān)鍵手段，沼氣的綜合利用即“三沼 (沼氣、沼液和沼渣)利用”在我國可持續(xù)農(nóng)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略中具有重要意義，以沼氣為紐帶可促進(jìn)物質(zhì)和能量在系統(tǒng)內(nèi)部有多重循環(huán)利用，如我國北方開發(fā)的“四位一體”高效種養(yǎng)結(jié)合發(fā)展模式［2］，在利用沼氣作為能源的同時，充分利用沼氣發(fā)酵殘余物作為優(yōu)質(zhì)的有機(jī)肥料和飼料的功能，形成以沼氣為紐帶的“飼料一肥料一能源一環(huán)境”復(fù)合生態(tài)工程，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益［3］。

1 試驗(yàn)地沼氣利用的可行性分析

試驗(yàn)地位于南京八卦洲西北角，比鄰八卦洲的長江北堤。試驗(yàn)地面積為39 hm2，其中，有林地面積為32.3 hm2(幼齡林11 hm2，中齡林13.3 hm2，成熟林8 hm2)。樹種主要為意大利楊 (Populus euramevicana cv.‘I－214’)，目前最大的樹木胸徑已達(dá)30 cm，總的林木蓄積量約為930 m3;農(nóng)作物占地面積為2 hm2，主要種植蔬菜、糧食和其他經(jīng)濟(jì)作物;其他所占地面積為4.7 hm2，有兩個人工開挖的池塘和一個小型養(yǎng)雞場，其余的為道路、房屋所占面積。試驗(yàn)地常住管理人員5人。

試驗(yàn)區(qū)楊樹葉的產(chǎn)出量大，樹葉與枝干的產(chǎn)出比為1.3∶1，平均每1 m2內(nèi)枯枝落葉物重量為692g/a，整個試驗(yàn)區(qū)枯枝落葉總量約為170 t。楊樹葉是一種營養(yǎng)相對豐富的生物質(zhì)原料，在自然災(zāi)害時期，楊樹曾被作為抵御饑荒的食品。中國林科院林化所對楊樹葉營養(yǎng)成份的測定表明，楊樹葉營養(yǎng)成份含粗蛋白6.1%、粗脂肪6.8%、粗纖維23.9%、灰分16.2%、無氮浸出物47.0%;每千克楊樹葉粉中含葉綠素824 mg、胡羅卜素27 mg，維生素C 842 mg。一株6 a生楊樹，枯枝落葉中主體葉子與枝條養(yǎng)分含量高，按 N、P2O3、K2O、CaO和MgO順序，葉子的含量分別是木材含量的23.8、5.07、10.7、4.8和14.6倍，枝條的含量分別是木材含量的5.5、13.1、5.3、21.8和2.8倍［4］。楊樹落葉由于含有較高的營養(yǎng)成分，在經(jīng)過科學(xué)方法發(fā)酵后能夠產(chǎn)出高質(zhì)量的沼氣。

試驗(yàn)區(qū)楊樹葉生產(chǎn)沼氣具有以下優(yōu)越性:

(1)試驗(yàn)區(qū)目前尚未通電，生活燃料問題、照明問題沒有得到很好解決。通過沼氣生產(chǎn)產(chǎn)出生活燃料，可改善試驗(yàn)區(qū)人員的工作生活條件。

(2)沼渣沼液作為高品質(zhì)有機(jī)肥，能為試驗(yàn)區(qū)作物提供全面營養(yǎng)，增加和更新林地里的土壤有機(jī)質(zhì)，促進(jìn)微生物繁殖，改善土壤的理化性質(zhì)和生物活性。

(3)利用了試驗(yàn)區(qū)落葉及家禽糞便，避免了由此造成的污染，改善了試驗(yàn)區(qū)環(huán)境衛(wèi)生條件，為楊樹培育與林間種植、養(yǎng)殖提供了優(yōu)良的環(huán)境。

(4)結(jié)合沼氣生產(chǎn)，楊樹種植，農(nóng)牧生產(chǎn)，構(gòu)建立體生產(chǎn)系統(tǒng)，如圖1所示。實(shí)現(xiàn)多種經(jīng)營全面發(fā)展，改變之前只種楊樹的單一經(jīng)營各局，促使沼氣生產(chǎn)、林、農(nóng)、牧業(yè)形成相輔相成，可持續(xù)發(fā)展的良好局面。

2 沼氣應(yīng)用設(shè)計

2.1 試驗(yàn)區(qū)沼渣沼液特性及排放量

根據(jù)試驗(yàn)區(qū)楊樹生長養(yǎng)分需求情況，預(yù)防沼渣沼液排放量大產(chǎn)生過剩造成二次污染，試驗(yàn)區(qū)沼渣量設(shè)計為10～15 t;沼液量為60～90 t，相當(dāng)于1 920～2 880 kg碳銨的肥效。

圖1 以沼氣為紐帶的立體生產(chǎn)系統(tǒng)Fig.1 The stereo manufacturing system using methane as a link.

實(shí)驗(yàn)區(qū)沼渣、沼液的主要成份:沼渣、沼液約占沼氣生產(chǎn)總質(zhì)量的96%，主要成份有:

(1)多種水解酶:蛋白酶、淀粉酶、纖維素酶等。

(2)多種維生素 B:B1、B2、B5、B6、B11和B12。

本試驗(yàn)選擇EDTA間接配位滴定法測定SO2-的4方法，實(shí)現(xiàn)海藻鹽中SO24-的快速定量測定。試驗(yàn)選取市場上比較普遍的、具有代表性的食用鹽產(chǎn)品-海藻鹽，采用國家標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)方法，對批量鹽產(chǎn)品的含量進(jìn)行檢測。同時，通過試驗(yàn)分析鎂基復(fù)鹽乙二胺四乙酸二鈉鎂（Mg-EDTA）在反應(yīng)體系中的作用原理，總結(jié)影響鹽水中含量滴定結(jié)果準(zhǔn)確性的操作條件，討論不同鋇鎂含量對測定方法的影響，在實(shí)踐基礎(chǔ)上總結(jié)出該方法的操作要點(diǎn)、適宜參數(shù)等。經(jīng)多次驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，表明該法可以有效避免試液離子的干擾，終點(diǎn)變色靈敏，檢測快速，結(jié)果準(zhǔn)確，能夠滿足單一和批量樣品定量檢測的需要。

(3)多種氨基酸:不少于17種。

(4)多種植物激素:吲哚乙酸、赤霉素、細(xì)胞分裂素。

(5)抗生素:多烯類抗生素。

(6)腐植酸。

(7)微量金屬元素:鐵、鈣、銅、鋅、錳、鉬等。

(8)粗纖維素、纖維素 (較秸稈、雜草含量高)。

2.2 沼氣池容積

按常住5個工作人員計算沼氣用量，生活所需氣量主要為煮飯、燒水、洗浴，每人需氣量0.3 m3，5人共1.5 m3;其他所需氣量 (主要為飼料加工、大棚保溫等)約2 m3，共合計每天所需氣量3.5 m3。

2.3 沼氣裝置設(shè)計

設(shè)計中需要考慮楊樹枯枝落葉、畜禽糞便數(shù)量和作物沼渣沼液需要數(shù)量的平衡關(guān)系。秋季枯枝落葉數(shù)量最大，這時進(jìn)行集中收集，堆放處理后作為沼氣原料。這一過程需要考慮收集時的用工和堆放場地問題，避免堆放不當(dāng)造成污染。畜禽糞便產(chǎn)出量總體比較均衡，總量與禽畜數(shù)量有關(guān)。畜禽數(shù)量、枯枝落葉數(shù)量和作物面積之間的平衡關(guān)系:畜禽數(shù)量、枯枝落葉數(shù)量過大會引起沼渣沼液過剩，產(chǎn)生二次污染，太少不能充分利用沼氣設(shè)施，不能提供作物足夠的有機(jī)肥，沼氣設(shè)施不能連續(xù)生產(chǎn)，達(dá)不到設(shè)計目的。

此外，南京地區(qū)冬天溫度較低，每年平均有3個月左右的時間溫度低于10℃，在這種情況下沼氣菌很難繁殖，如不采取特殊的措施，沼氣裝置將不能連續(xù)工作，考慮到以上情況，試驗(yàn)區(qū)沼氣裝置采用并聯(lián)聯(lián)網(wǎng)并與溫室相結(jié)合的設(shè)計，如圖2所示。

圖2 沼氣與溫室結(jié)合Fig.2 The combination of methane and greenhouse

該設(shè)計特點(diǎn)和優(yōu)勢如下:

(1)聯(lián)網(wǎng)式沼氣裝置加上溫室提供的保障可實(shí)現(xiàn)沼氣生產(chǎn)規(guī)?；??？稍诘蜏氐那闆r下確保沼氣裝置連續(xù)工作，實(shí)現(xiàn)沼氣的連續(xù)供氣，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)能最大化要求。

(2)有利于余氣儲存和使用，使沼氣原料發(fā)酵成熟周期從常規(guī)60 d以上，縮短到45 d左右，沼氣、沼肥等產(chǎn)能提高1倍以上。

(3)可實(shí)現(xiàn)獨(dú)立安裝聯(lián)合工作。減輕搬運(yùn)、安裝、換料中的工作強(qiáng)度，使用更加方便，提高了裝置利用率，安裝、換料工作效率提高2～3倍，裝置利用率提高1倍以上。

(4)能根據(jù)試驗(yàn)區(qū)楊樹葉的供給情況以及在投入生產(chǎn)時沼渣沼液排放情況，滿足試驗(yàn)區(qū)沼氣厭氧發(fā)酵的生物技術(shù)要求，裝置工作容量可靈活增加或減少，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化組合，避免進(jìn)出料導(dǎo)致的生熟料混雜，同時也減少因原料、沼渣沼液儲存導(dǎo)致配套成本增加。

3 預(yù)期效益

3.1 經(jīng)濟(jì)效益

(1)施肥。施用化肥每畝成本為80元，年需48 000元;施用沼渣沼液每畝成本為52元，年需31 200元，年節(jié)約16 800元。

(2)設(shè)施能耗。使用電能 (不計前期投入)年需33 000元;使用沼氣年需13 500元，年節(jié)約19 500元。

(3)其他(生活，飼料等)。年節(jié)約22 000元。

3.2 生態(tài)環(huán)境效益

(1)減少系統(tǒng)生活垃圾、樹木落葉產(chǎn)生的污染，例如清理、焚燒落葉產(chǎn)生的煙塵排放，改善系統(tǒng)環(huán)境質(zhì)量。

(2)營造無公害生產(chǎn)設(shè)施，使有限的土地資源，良性耕作，不受污染，高質(zhì)量、高效率的產(chǎn)出。

(3)提高植物剩余物的利用價值，為設(shè)施培育、林間種植、立體養(yǎng)殖提供了良性支承，保障了林間養(yǎng)殖、種植的良好環(huán)境和生產(chǎn)系統(tǒng)的和諧優(yōu)化循環(huán)狀態(tài);

(4)以試驗(yàn)地為依托，為進(jìn)一步開發(fā)沼渣沼液中的氨基酸、B族維生素、水解酶、植物激素、病蟲害抑制物質(zhì)或因子提供支撐［5］。

4 前景展望

我國楊樹的栽培歷史悠久，種類繁多，分布廣，與人民的經(jīng)濟(jì)生活有著密切的關(guān)系。隨著國家大力建設(shè)速生豐產(chǎn)林、工業(yè)用材林、紙漿林基地，楊樹種植更是得到前所未有的發(fā)展。同其他速生豐產(chǎn)樹種一樣，楊樹種植由于周期短、砍伐頻繁，落葉、雜草和落花難易腐爛降解，連續(xù)種植將使土壤變得貧瘠［6－7］。研究結(jié)合林農(nóng)復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)要求，對沼氣應(yīng)用進(jìn)行設(shè)計，嘗試建立多環(huán)節(jié)、多層次、高效益的系統(tǒng)，探索楊樹種植新模式。我國人多地少，土地資源稀缺，人工楊樹林種植模式可為其他人工林種植提供參考和借鑒，在我國具有廣闊的發(fā)展前景。

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