青海省主要造林樹種的熱值和灰分含量特征

羅 艷，唐才富，董 旭，辛文榮，趙豐鈺

(1.山水自然保護中心,北京 100871；2.青海省林業(yè)勘察設計院， 西寧 810007)

青海省主要造林樹種的熱值和灰分含量特征

羅 艷1，唐才富1，董 旭2，辛文榮2，趙豐鈺2

(1.山水自然保護中心,北京 100871；2.青海省林業(yè)勘察設計院， 西寧 810007)

為了解青藏高原森林的熱值特征，對青海省主要造林樹種的熱值和灰分含量進行了分析。結果顯示：①青海省云杉屬和圓柏屬5個喬木樹種全株的干質(zhì)量熱值和去灰分熱值分別在22.34 MJ/kg～22.92 MJ/kg之間和23.19 MJ/kg～23.48 MJ/kg之間，灰分含量在2.23%～3.54%之間，云杉屬的干質(zhì)量熱值顯著高于圓柏屬，灰分含量顯著低于圓柏屬。②青海省主要喬木樹種各器官的干質(zhì)量熱值和去灰分熱值分別在21.20 MJ/kg～26.60 MJ/kg和22.20 MJ/kg～28.28 MJ/kg之間，灰分含量在0.43%～8.33%之間。就干質(zhì)量熱值而言，每種植物葉片的熱值均顯著高于其它器官；就去灰分熱值而言，除紫果云杉外，每種植物葉片的熱值均顯著高于其它器官。就灰分含量而言,不同樹種灰分含量最小的器官均為干。③樹種熱值和灰分含量均會受到年齡和海拔影響，但這種影響總體不具顯著性。

熱值；灰分含量；圓柏屬；云杉屬；青海省

植物熱值是指單位質(zhì)量干物質(zhì)在完全燃燒后所釋放出來的熱量值，可反映綠色植物對太陽輻射能的利用狀況。熱值是能量的尺度，也是衡量第一性生產(chǎn)力水平的重要指標；又可作為植物生長狀況的一個有效指標；在評價和反映生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)循環(huán)和能量轉(zhuǎn)化規(guī)律中具有重要作用[1]。隨著生態(tài)系統(tǒng)功能過程研究的深入，熱值測定日益引起了人們的重視。

國外對植物熱值的研究始于20世紀30年代[2]，在六七十年代蓬勃發(fā)展[3-8]，之后相關研究趨于沉寂。我國起步于20世紀70年代[9]，自此以后，在草原、森林等生態(tài)系統(tǒng)中均有研究報告[10-14]。但是有關森林生態(tài)系統(tǒng)的熱值試驗多數(shù)在溫帶、熱帶地區(qū)開展，青藏高原的相關研究較少。青藏高原地區(qū)作為氣候變化敏感區(qū)域，其植物的能量特征在生態(tài)研究中具有重要作用。此外，熱值分干質(zhì)量熱值和去灰分熱值兩種，其中干質(zhì)量熱值可用于生物量與能量之間的轉(zhuǎn)化。由于種間各組分的灰分含量不同，為更全面地分析不同類群和生境中植物各組分的能量，應排除灰分，以獲得更準確的單位干物質(zhì)所含能量[15]。目前，關于植物熱值的報道多以干質(zhì)量熱值為主，同時結合灰分的研究相對較少。

云杉屬(Picea)和圓柏屬(Sabina)喬木在青海省分布最廣、蓄積量最大，其中：云杉屬占總面積的25.8%，總蓄積量的48.2%；圓柏屬占總面積的45.4%，總蓄積量的25.7%。云杉屬喬木主要以青海云杉(P.crassifolia)和川西云杉(P.likiangensisvar.balfouriana)為主，紫果云杉(P.purpurea)等有少量分布；圓柏屬喬木以祁連圓柏(S.przewalskii)和大果圓柏(S.tibetica)為主。鑒于此，本研究測量、分析了青海省分布面積廣、蓄積量大的云杉屬和圓柏屬喬木的熱值特征。

1 研究方法

1.1 樣品采集與處理

考慮到最小樣本需求、樣本的區(qū)域代表性和工作量等方面的因素，在青海省林區(qū)范圍內(nèi)選取天然起源的云杉屬喬木29棵和圓柏屬喬木30棵，作為含碳率分析樣本。云杉屬包括青海云杉、川西云杉和紫果云杉 3個喬木樹種；圓柏屬包括祁連圓柏和大果圓柏2個喬木樹種。

表1 研究區(qū)采樣統(tǒng)計屬樹種樣本數(shù)青海云杉20云杉屬川西云杉6紫果云杉3圓柏屬祁連圓柏21大果圓柏9

把樣本數(shù)量按徑階(6，8，12，16，20，26，32，38及40 cm以上)和樹高級別落實到具體的行政區(qū)域范圍(青海林區(qū))；每個樣本分別采集了樹干(綜合考慮枝條所處位置及其大小數(shù)量將干分為上、中、下3層)、樹皮、枝條、死枝、葉和根樣品，在85℃恒溫下烘至恒質(zhì)量，粉碎備用。

1.2 測定方法

1.2.1 干質(zhì)量熱值測定

干質(zhì)量熱值(GCV)是指每克干物質(zhì)在完全燃燒條件下所釋放的總熱量干質(zhì)量熱值測定采用氧彈法(OR2010型全自動快速量熱儀，上海歐銳儀器設備有限公司生產(chǎn))。具體測定方法為：從已烘干的樣品中選取具有代表性樣品約1/5(不少于20g)，粗粉碎后按四分法取1/4 樣品研磨粉碎并均勻混合，稱取約1g試樣(精確到1mg)，放入熱量計中測定其熱值含量。測定環(huán)境溫度在20℃左右。每份樣品做2次重復試驗，若誤差在±0.1%以內(nèi)，取其平均值作為樣品的干質(zhì)量熱值；若誤差超出了±0.1%，則重復再做1次試驗，取相差最近的2次測定結果的平均值，作為樣品的干質(zhì)量熱值。

1.2.2 去灰分熱值測定

去灰分熱值(AFCV)是指除去灰分含量后的純凈干物質(zhì)的熱值。去灰分熱值與干質(zhì)量熱值和灰分質(zhì)量具有密切的關系，其關系式為：

(1)

1.2.3 灰分質(zhì)量測定

灰分質(zhì)量是指植物體礦物元素氧化物的總和。灰分質(zhì)量的測定采用干灰化法，即樣品在馬福爐(德國進口馬福爐，F(xiàn)B1410M—33CN)內(nèi)，550℃下灰化5h后測定其灰分質(zhì)量。具體做法與干質(zhì)量熱值測定的方法一樣。用樣品的灰分質(zhì)量除以樣品質(zhì)量，算出灰分含量。

1.2.4 全株熱值測定

由于樹種不同組分的熱值存在著一定差異，單木或林分各組分的生物量在總生物量中所占的權重又不盡相同，因此，以每個樹種各組分熱值(干質(zhì)量熱值/去灰分熱值)的算術平均值作為該樹種或由該樹種所組成的林分的平均熱值并不能真實地反映實際情況。只有根據(jù)各組分的生物量權重計算林分的平均熱值，才能真實地反映其實際平均水平及每一組分在平均值中的貢獻。有鑒于此，本研究在估算全株熱值時，按照下列公式計算：

(2)

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS統(tǒng)計軟件包建立試驗和觀測結果數(shù)據(jù)庫，對相關試驗數(shù)據(jù)進行單因素方差分析(one-way ANOVA)，采用最小顯著差法(LSD)對相關指標進行多重比較和t檢驗分析。

2 結果與分析

2.1 植物各器官的熱值

青海省主要喬木樹種各器官的干質(zhì)量熱值和去灰分熱值分別在21.20 MJ/kg～26.60 MJ/kg和22.20 MJ/kg～28.28 MJ/kg之間。就干質(zhì)量熱值而言，每種植物均以葉片為最高，其它器官熱值大小的排序存在種間差異；就去灰分熱值而言，每種植物均以葉片為最高，干為最低，其它器官熱值大小的排序存在種間差異，見表2。

單因素方差分析結果顯示：① 就干質(zhì)量熱值而言，每種植物葉片的干質(zhì)量熱值均顯著高于其它器官(P<0.05)；其它器官之間因物種不同而有不同的表現(xiàn)，其中，青海云杉的樹皮與死枝、枝條與死枝兩兩之間差異顯著，川西云杉的干與樹皮及枝條兩兩差異顯著，紫果云杉其它器官間差異均不顯著，祁連圓柏的干與枝條、枝條與根、死枝與根兩兩之間差異顯著，大果圓柏的干與樹皮差異顯著。②就去灰分熱值而言，除紫果云杉外，每種植物葉片的干質(zhì)量熱值均顯著高于其它器官(P<0.05)；其它器官之間因物種不同而有不同的表現(xiàn)，其中，青海云杉干與樹皮及枝條兩兩之間差異顯著，川西云杉干與樹皮、枝條、死枝以及樹根與樹皮、枝條、死枝兩兩之間差異顯著，紫果云杉僅干與葉差異顯著，祁連圓柏干與其它器官之間差異顯著，大果圓柏干與樹皮差異顯著。

全株熱值(包括干質(zhì)量熱值和去灰分熱值)均以紫果云杉為最高，祁連圓柏為最低。云杉屬全株干質(zhì)量熱值略高于圓柏屬(P<0.05)，前者全株去灰分熱值同樣略高于后者，但差異不顯著(P>0.05)，僅青海云杉和祁連圓柏之間表現(xiàn)出顯著差異。

表2 主要喬木樹種各器官熱值屬、樹種組分干質(zhì)量熱值/(MJ/kg)灰分含量/%去灰分熱值/(MJ/kg)青海云杉干22．420．4522．52根22．721．6923．13樹皮22．874．9024．05枝條23．094．1124．09死枝22．044．7523．15葉24．545．7226．03全株22．882．2723．44川西云杉干22．150．4822．26根21．992．0622．45樹皮23．313．8424．24枝條23．323．4424．15死枝23．084．2824．11葉24．865．4726．30全株22．902．2323．45紫果云杉干22．660．4322．76根23．052．1423．56樹皮23．014．6224．12枝條23．194．6624．33死枝22．705．3523．99葉23．895．0525．17全株22．922．2723．48云杉屬干22．390．4522．49根22．591．8223．02樹皮22．984．6524．10枝條23．154．0324．13死枝22．324．7223．43葉24．545．6026．00全株22．892．2623．45

續(xù)表2 主要喬木樹種各器官熱值屬、樹種組分干質(zhì)量熱值/(MJ/kg)灰分含量/%去灰分熱值/(MJ/kg)祁連圓柏干22．070．5922．20根22．494．0923．45樹皮21．658．0323．54枝條21．207．7022．97死枝21．397．1723．04葉25．425．9527．02全株22．343．5423．19大果圓柏干22．370．5322．50根22．423．6723．28樹皮21．548．3323．50枝條21．726．5123．23死枝21．865．1923．06葉26．605．9328．28全株22．613．3323．42圓柏屬干22．160．5722．29根22．473．9723．40樹皮21．628．1223．53枝條21．357．3423．05死枝21．536．5723．05葉25．775．9427．40全株22．423．4823．26

一般而言，干質(zhì)量熱值大小排序為：繁殖體>葉>枝>皮>干>根。這是因為，植物組分干物質(zhì)量熱值的高低，直接受植物體內(nèi)脂肪、蛋白質(zhì)和碳水化合物的影響，葉作為植物體生理活動最活躍的器官以及植物進行光合作用的場所，含有較多的高能化合物如蛋白質(zhì)和脂肪等物質(zhì)；繁殖體花、果實、種子、胚軸等含有大量高能的粗脂肪和蛋白質(zhì)；干、枝和皮是植物體的支持或營養(yǎng)運輸器官，組成以纖維素和木質(zhì)素為主，纖維素和木質(zhì)素的熱值相對蛋白質(zhì)和脂肪低；而根部則殘留了大量從土壤中吸收的低能的礦物質(zhì)和氧化物，灰分含量高[14]。所以，通常葉、繁殖體的干質(zhì)量熱值較高，干、枝、皮的熱值較低，根最低。與上述結果略有不同的是，本研究中，各植物除了葉的干質(zhì)量熱值顯著高于其它器官外，其它各器官總體上無顯著差異，這可能是因為，本研究的植物主要生長于高海拔寒冷地區(qū)，為了適應高寒環(huán)境，各器官都儲存了較多的高能化合物所致。

2.2 植物各器官的灰分含量

青海省主要喬木樹種各器官的灰分含量在0.43%～8.33%之間，不同樹種灰分含量最小的器官均為干，其他器官灰分含量大小的排序存在種間差異，其中青海云杉和川西云杉灰分含量最高的器官是葉，紫果云杉灰分含量最高的器官是死枝，祁連圓柏和大果圓柏則以樹皮為最高，見表2。

單因素方差分析結果顯示：總體上，各樹種的樹干與其它器官的灰分含量差異顯著(P<0.05)，因樹種不同，樹皮、根和葉與其它器官之間也有不同的表現(xiàn)，見表3。

全株灰分含量以祁連圓柏為最高，川西云杉為最低；云杉屬全株灰分含量顯著低于圓柏屬(P<0.05)。

表3 各器官灰分含量單因素方差分析結果組分1組分2顯著性祁連圓柏大果圓柏青海云杉川西云杉紫果云杉干樹皮?????枝條?????死枝????△葉?????根??△△樹皮干?????枝條△△△△△死枝△△△△△葉??△?△根??△△枝條干????△樹皮△△△△△死枝△△△△△葉?△??△根????死枝干????△樹皮△△△△△枝條△△△△△葉△△△△△根?△??葉干?????樹皮??△?△枝條?△??△死枝△△△△△根△???

續(xù)表3 各器官灰分含量單因素方差分析結果組分1組分2顯著性祁連圓柏大果圓柏青海云杉川西云杉紫果云杉根干??△△樹皮???△枝條???△死枝?△??葉△???注：有?表示組分1和組分2之間差異顯著，有△表示組分1和組分2之間無顯著差異。

2.3 不同齡組熱值和灰分含量特征

不同齡組的熱值和灰分含量分析表明(表4)：①相同齡組不同樹種的熱值存在差異，對比云杉屬和圓柏屬各齡組的熱值特征發(fā)現(xiàn)，幼齡林中二者在干質(zhì)量熱值、灰分含量和去灰分熱值上均存在顯著差異(P<0.05)，中齡林中在干質(zhì)量熱值和灰分含量上存在顯著差異(P<0.05)，成熟林中無顯著差異(P>0.05)；具體到各樹種，幼林齡中，祁連圓柏和青海云杉的干質(zhì)量熱值差異顯著(P<0.05)，祁連圓柏與青海云杉及川西云杉的灰分含量均差異顯著(P<0.05)，所有樹種的去灰分熱值兩兩間均不顯著(P>0.05)。②相同樹種不同齡組的干質(zhì)量熱值和去灰分熱值，在圓柏屬中總體呈增加趨勢，在云杉屬中則表現(xiàn)各異；各樹種的灰分含量均呈現(xiàn)隨年齡增加而減少的趨勢。單因素方差分析結果顯示，除了青海云杉的灰分含量在不同齡組中存在顯著差異外，其它樹種的干質(zhì)量熱值、灰分含量和去灰分熱值在不同齡組間均無顯著差異(P>0.05)。這一結果與在亞熱帶地區(qū)生長的針葉樹種基本一致，在對杉木(湖南)[16]和馬尾松(廣東)[14]的研究中發(fā)現(xiàn)：隨著年齡增加，植物的熱值有所增加。

表4 不同齡組熱值特征樹種(屬)干質(zhì)量熱值/(MJ/kg)灰分含量/%去灰分熱值/(MJ/kg)幼齡林中齡林成熟林幼齡林中齡林成熟林幼齡林中齡林成熟林青海云杉22 9822 8422 632 721 991 7123 6523 3323 04川西云杉23 0422 6622 962 332 182 0523 6223 2023 46紫果云杉23 0922 842 682 0623 7423 35祁連圓柏22 2722 3122 683 743 423 1723 1623 1323 45大果圓柏22 4122 5622 813 683 462 9123 2923 4023 53云杉屬 23 0022 8222 792 622 031 8823 6523 3223 25圓柏屬 22 3022 3922 743 733 453 0423 1823 2723 49

2.4 不同海拔熱值和灰分含量特征

從調(diào)查樣本的海拔特征出發(fā)，將海拔分為3個區(qū)間：3000m以下、海拔3000m～3500m以及3500m以上(表5)。

表5 云杉屬和圓柏屬調(diào)查樣地的海拔分布海拔區(qū)間/m樣本數(shù)圓柏屬云杉屬總計<3000814223000～3500161127>35006410

分析不同海拔熱值和灰分含量的關系：①同一樹種，隨海拔變化，其干質(zhì)量熱值、灰分含量和去灰分熱值均有波動，但不同海拔間的熱值特征無顯著差異(P>0.05)。②相同海拔，在3000m以下時，僅分布祁連圓柏和青海云杉，二者的干質(zhì)量熱值和灰分含量均差異顯著(P<0.05)；在3000m～3500m時，5個樹種均有分布，但樹種間的熱值(包括干質(zhì)量熱值和去灰分熱值)差異均不顯著(P>0.05)，但灰分含量在祁連圓柏和青海云杉及川西云杉間差異顯著(P<0.05)；在3500m以上時，僅分布有大果圓柏和川西云杉，二者的干質(zhì)量熱值、灰分含量和去灰分熱值均差異不顯著(P>0.05)(表6)。

表6 不同海拔熱值特征樹種(屬)干質(zhì)量熱值/(MJ/kg)灰分含量/%去灰分熱值/(MJ/kg)<30003000～3500>3500<30003000～3500>3500<30003000～3500>3500青海云杉22 8522 982 342 1223 4223 50川西云杉22 9522 882 402 1523 5523 40

續(xù)表6 不同海拔熱值特征樹種(屬)干質(zhì)量熱值/(MJ/kg)灰分含量/%去灰分熱值/(MJ/kg)<30003000～3500>3500<30003000～3500>3500<30003000～3500>3500紫果云杉22 922 2723 48祁連圓柏22 3522 343 433 6023 1723 20大果圓柏22 6022 613 413 2823 4223 41云杉屬 22 8522 3922 882 343 572 1523 4223 2423 40圓柏屬 22 3522 9422 613 432 193 2823 1723 4823 41

3 結論

通過對青海省云杉屬和圓柏屬喬木樹種熱值和灰分含量測定分析，結果發(fā)現(xiàn)：

1) 青海省云杉屬和圓柏屬5個喬木樹種全株的干質(zhì)量熱值在22.34 MJ/kg～22.92 MJ/kg之間，去灰分熱值在23.19 MJ/kg～23.48 MJ/kg之間，灰分含量在2.23%～3.54%之間，云杉屬的干質(zhì)量熱值顯著高于圓柏屬，灰分含量顯著低于圓柏屬。

2) 不同器官的熱值特征顯示，青海省主要喬木樹種各器官的干質(zhì)量熱值和去灰分熱值分別在21.20 MJ/kg～26.60 MJ/kg和22.20 MJ/kg～28.28 MJ/kg之間。就干質(zhì)量熱值而言，每種植物葉片的干質(zhì)量熱值均顯著高于其它器官(P<0.05)，其它器官之間因物種不同而有不同的表現(xiàn)；就去灰分熱值而言，除紫果云杉外，每種植物葉片的去灰分熱值均顯著高于其它器官(P<0.05)；其它器官之間因物種不同而有不同的表現(xiàn)。

3) 不同器官的灰分含量特征顯示：青海省主要喬木樹種各器官的灰分含量在0.43%～8.33%之間，不同樹種灰分含量最小的器官均為干，其他器官灰分含量大小的排序存在種間差異；總體上，各樹種的樹干與其它器官的灰分含量差異顯著(P<0.05)，因樹種不同，樹皮、根和葉與其它器官之間也有不同的表現(xiàn)。

4) 樹種熱值會受到年齡影響，相同樹種不同齡組的干質(zhì)量熱值和去灰分熱值，在圓柏屬中總體呈增加趨勢，在云杉屬中則表現(xiàn)各異，然而這種差異并不顯著(P>0.05)。

5) 各樹種的灰分含量均呈現(xiàn)隨年齡增加而減少的趨勢；但除了青海云杉外，其它樹種的灰分含量在不同齡組間均無顯著差異(P>0.05)。

6) 海拔變化對植物的熱值和灰分含量均無顯著影響。

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CharacteristicsofCaloricValuesandAshContentsofMainAfforestationTreeSpeciesinQinghaiProvince

LUO Yan1, TANG Caifu1, DONG Xu2, XIN Wenrong2, ZHAO Fengyu2

(1.Shanshui Conservation Center, Beijing 100871, China；2.Qinghai Forestry Survey and Design Institute, Xining 810007, Qinghai, China)

In order to understand the calorific values features of Tibet Plateau forest, this study analyzed the caloric values and ash content values of main afforestation tree species in Qinghai province. The results showed as below. ① Range of Gross caloric values, ash-free caloric values and ash content values in whole plants of 5 tree species inPiceaandSabinawere between 22.34 MJ/kg～22.92 MJ/kg, and 23.19 MJ/kg～23.48 MJ/kg, and ash content values were between 2.23% and 3.54%. Calorific values ofPiceawere significantly higher than that ofSabina, while ash content values ofPiceawere significantly lower than that ofSabina.②Range of Gross caloric values, ash-free caloric values in organs of all 5 species inPiceaandSabinawere betwwen 221.20 MJ/kg～26.60 MJ/kg, and 22.20 MJ/kg～28.28 MJ/kg, and ash content values were 0.43%～8.33%. The gross caloric values of leaves were significantly higher than that of other organs in all analyzed species. The ash-free caloric values of leaves were also significantly higher than that of other organs in all analyzed species exceptPiceapurpurea. The ash content values of stem were less than that of other organs. ③ Caloric values and ash content values of tree species in this study were affected by age and altitude, but this effect was not significant in general.

caloric value; ash content;Picea;Sabina; Qinghai province

2015—01—15

項目來源：青海省林業(yè)廳項目(QHGH2013-001)。

羅艷(1979—)，女，博士，主要從事生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)學研究。

Q 947

A

1003—6075(2015)01—0042—06

10.16166/j.cnki.cn43—1095.2015.01.012