鹽堿地芒荻品種篩選及產(chǎn)沼氣發(fā)酵研究

于萌萌 肖徐軍 李凱

摘要? ? 芒荻作為能源作物的一種，因其適應(yīng)性強(qiáng)備受關(guān)注。東營地處黃河入海口，土壤多為鹽堿地和灘涂，種植經(jīng)濟(jì)作物效果較差。本試驗(yàn)結(jié)合芒荻的生長習(xí)性，對(duì)不同品種的芒荻進(jìn)行種植，篩選出較適宜的品種進(jìn)行產(chǎn)沼氣發(fā)酵試驗(yàn)，研究其產(chǎn)氣特性。結(jié)果表明，在7個(gè)芒荻品種中，S1、S2、A1 3個(gè)品種成活率較高、叢重較高，比較適宜當(dāng)?shù)胤N植。對(duì)其進(jìn)行產(chǎn)氣發(fā)酵試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，S1和A1品種單位TS產(chǎn)氣量較高，均能達(dá)到380 mL/g，其中S1品種單位TS產(chǎn)氣量最高，達(dá)到389 mL/g;S1和A1 2個(gè)芒荻品種甲烷含量基本在55%以上，較適宜產(chǎn)沼氣發(fā)酵，其中A1品種的甲烷含量要略高于S1品種，并且A1品種在產(chǎn)氣前期的產(chǎn)氣速率也明顯快于S1品種。

關(guān)鍵詞? ? 鹽堿地;芒荻種植;沼氣發(fā)酵;品種篩選

中圖分類號(hào)? ? S216.4? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼? ? A? ? ? ? 文章編號(hào)? ?1007-5739（2019）06-0131-03

Abstract? ? ?As a kind of energy crop，Miscanthus has attracted much attention due to its strong adaptability.Dongying is located at Yellow River estuary，and the soil is mostly saline-alkali land and tidal flat.The effect of planting economic crops is poor.Therefore，this experiment combined the growth habits of Miscanthus，and carried out planting tests on different varieties of Miscanthus to screen out suitable varieties for production.Biogas fermentation test was carried out to study its gas-producing characteristics.The results showed that among the seven cultivars，S1，S2 and A1 had higher survival rate and higher plexus weight，which was more suitable for local planting.The gas-producing fermentation test showed that the gas yields of S1 and A1 cultivars were up to 380 mL/g，and the highest gas production of S1 cultivars was 389 mL/g.The methane content of S1 and A1 cultivars was more than 55%，which was more suitable for biogas fermentation.The methane content of A1 was slightly higher than that of S1，and the gas production rate of A1 was also faster than that of S1.

Key words? ? saline-alkali land;Miscanthus planting;biogas fermentation;variety screening

現(xiàn)今人類使用的能源大多以煤炭、石油、天然氣等化石能源為主，主要為不可再生能源，而風(fēng)能、太陽能、地?zé)崮堋⑸镔|(zhì)能等可再生能源使用量較少[1-4]。因此，能源危機(jī)出現(xiàn)愈來愈頻繁，可再生能源的研究越來越廣泛。生物質(zhì)能源作為可再生能源的一種，是公認(rèn)的可再生清潔能源，通過微生物發(fā)酵、高溫裂解等方式將植物通過光合作用儲(chǔ)存在體內(nèi)的能量釋放出來[5-7]，其現(xiàn)階段所用原料主要為農(nóng)作物秸稈、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)廢棄物及能源作物等[8]。隨著可再生能源需求量的增加，以農(nóng)作物秸稈及農(nóng)業(yè)廢棄物為主要原料的生物質(zhì)能源遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足需求，因而能源作物的研究日益增加[9-10]。

芒荻作為能源作物的一種，因灰分低、熱值高、生物質(zhì)品質(zhì)高、元素含量配比優(yōu)、生物質(zhì)產(chǎn)量高、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，成為當(dāng)前能源作物研究的重點(diǎn)[11-13]。芒荻強(qiáng)大的環(huán)境適應(yīng)能力主要體現(xiàn)在其耐旱、耐鹽堿、耐重金屬、耐熱、耐寒等特性，在惡劣環(huán)境下仍然能長勢良好，從低海拔的灘涂到貧瘠的山地再到鹽堿嚴(yán)重的入?？诰瞧浞N植之地[14-17]，在利用土地資源保護(hù)環(huán)境的同時(shí)，還能夠提供高品質(zhì)的生物質(zhì)資源[18]。由于東營大部分土地鹽堿嚴(yán)重[19-20]，種植其他作物長勢差，而作物生物質(zhì)能源公司對(duì)生物質(zhì)材料需求多。在眾多的生物質(zhì)能源生產(chǎn)方式中，選擇沼氣發(fā)酵主要是因?yàn)檎託獍l(fā)酵是能源回收率最高、最清潔、成本最低的生產(chǎn)方式[21]。

1? ? 材料與方法

1.1? ? 試驗(yàn)材料

芒荻品種是從湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)芒屬能源植物（以下簡稱芒荻）種質(zhì)資源圃中選取不同生態(tài)型和基因型的優(yōu)良種質(zhì)進(jìn)行雜交育種，并擴(kuò)繁;在湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)濱州基地進(jìn)行抗鹽初步篩選;將初步篩選出的優(yōu)良株系進(jìn)行無性擴(kuò)繁，并移栽至東營地區(qū)的鹽堿地進(jìn)行復(fù)篩，從中選出適合黃河三角洲鹽堿地環(huán)境的新品系，具體種植的試驗(yàn)品種分別為S1、S2、S3、S4、S5、A1、A2，共7個(gè)。接種物來自山東寶力生物質(zhì)能源股份有限公司沼氣發(fā)酵罐的沼液。

1.2? ? 試驗(yàn)方法

1.2.1? ? 芒荻種植。選用7個(gè)品種，設(shè)計(jì)7組試驗(yàn)，分別為S1、S2、S3、S4、S5、A1、A2共7組，每組種植面積0.093 hm2，共0.67 hm2試驗(yàn)田。試驗(yàn)田位于東營市東營區(qū)北二路與東八路交匯處，海拔3.5 m左右，屬黃河沖擊平原，鹽堿地，地面比較平整，符合田間試驗(yàn)條件。各組種植條件保持一致。種植前滅荒，用百草枯等除草，具體用量根據(jù)田況而定。待雜草枯死后，用旋耕機(jī)將土地翻松，確保翻松深度超過20 cm。種植前使用開口機(jī)，開出寬30 cm、深30 cm、貫通土地南北的長溝，將芒荻桿平鋪在溝中，覆土10 cm左右，覆土后踩實(shí)，淡水灌溉。定期觀察生育情況，通過對(duì)7個(gè)品種的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，篩選出優(yōu)勢品種進(jìn)行產(chǎn)氣發(fā)酵試驗(yàn)。

1.2.2? ? 芒荻發(fā)酵。試驗(yàn)采用批式發(fā)酵的方式，試驗(yàn)分為S1、S2、A1 3組，每組2個(gè)平行，厭氧消化溫度采用38 ℃中溫發(fā)酵，設(shè)計(jì)有效反應(yīng)體積1 500 mL，原料添加量為50 gTS/L，用15 g TS/L沼液啟動(dòng)試驗(yàn)。具體的原料性質(zhì)以及添加量如表1所示，按照表1添加完成后用清水補(bǔ)充液位至 1 500 mL。試驗(yàn)前測定3種芒荻的TS、有機(jī)質(zhì)、碳氮比及進(jìn)行發(fā)酵封瓶前各組的pH值，發(fā)酵進(jìn)行時(shí)每天測定氣體產(chǎn)量。

1.3? ? 測定方法

日產(chǎn)氣量與累計(jì)產(chǎn)氣量通過排水集氣法并扣除空白試驗(yàn)數(shù)據(jù)之后得到;每日的氣體成分通過氣相色譜（GC1120）測量;干物質(zhì)（TS）含量采用烘干法測定;總碳含量采用重鉻酸鉀法測定;總氮含量采用凱氏定氮法進(jìn)行測定;產(chǎn)氣周期以達(dá)到累計(jì)產(chǎn)氣量95%的天數(shù)計(jì)算;pH值用精密pH計(jì)進(jìn)行測定[22-23]。

2? ? 結(jié)果與分析

2.1? ? 芒荻種植數(shù)據(jù)分析

從表2可以看出，在7個(gè)品種中，S1、S2、A1、A2 4個(gè)品種的各項(xiàng)指標(biāo)較好，明顯優(yōu)于其他幾組。在S1、S2、A1、A2 4個(gè)品種中，S1品種成活率較高，達(dá)到87.5%，明顯高于其他3個(gè)品種，S2、A1、A2 3個(gè)品種的成活率均在80%以上，相差不大。另一個(gè)重要指標(biāo)就是叢重，因?yàn)閰仓馗叩完P(guān)系產(chǎn)量高低，在S1、S2、A1、A2 4個(gè)品種中，S1叢重最大，達(dá)到178 g;S2、A1均在160～170 g之間，相差不大;A2的叢重較小，只有137.3 g，與其他處理組相差較大。因此，綜合其他指標(biāo)數(shù)據(jù)，在發(fā)酵產(chǎn)氣試驗(yàn)過程中主要對(duì)S1、S2、A1 3個(gè)品種進(jìn)行產(chǎn)氣試驗(yàn)。

2.2? ? 產(chǎn)氣數(shù)據(jù)分析

從圖1可以看出，S1、S2、A1產(chǎn)氣趨勢基本相同，均有3個(gè)產(chǎn)氣高峰。其中，S1在產(chǎn)氣第12天達(dá)到峰值，S2在產(chǎn)氣第13天達(dá)到峰值，A1在產(chǎn)氣第10天達(dá)到峰值，并且A1達(dá)到峰值時(shí)的日產(chǎn)氣量高于其他2組，但是其每日產(chǎn)氣量波動(dòng)較大，這不利于實(shí)際生產(chǎn)。3個(gè)處理組相比較，S1每日產(chǎn)氣量曲線較平穩(wěn)，波動(dòng)較小，這有利于發(fā)酵生產(chǎn)的穩(wěn)定運(yùn)行[24]。

從圖2可以看出，在相同的有機(jī)負(fù)荷條件下，S1的累積產(chǎn)氣量最高，其次是 A1，S2累積產(chǎn)氣量最少。其中，在產(chǎn)氣前期，A1累積產(chǎn)氣量升高較快，明顯高于S1和S2;到產(chǎn)氣中后期時(shí)，S1超越A1，累積產(chǎn)氣量達(dá)到3組中最高。說明A1品種發(fā)酵產(chǎn)氣較快，比較適宜連續(xù)發(fā)酵工程;而 S1品種產(chǎn)氣較慢，但產(chǎn)氣量高，較適宜批式發(fā)酵工程[25]。

從圖3可以看出，S1、S2、A1甲烷含量都是先升高，到產(chǎn)氣第9天時(shí)開始進(jìn)入平穩(wěn)期，進(jìn)入平穩(wěn)期的甲烷含量基本維持在55%以上，其中A1在前期甲烷含量明顯高于S1、S2，這與上文累積產(chǎn)氣量圖是相呼應(yīng)的，也充分說明A1啟動(dòng)較快、前期產(chǎn)氣效果較好，并且A1在甲烷穩(wěn)定期時(shí)，氣體中甲烷含量較S1、S2也相對(duì)穩(wěn)定，無大幅波動(dòng)，這對(duì)實(shí)際沼氣工程的穩(wěn)定運(yùn)行非常有意義。

TS產(chǎn)氣量是表征一個(gè)原料產(chǎn)氣潛力大小的重要指標(biāo)[26-27]。從圖4可以看出，3個(gè)芒荻品種中，S1品種單位TS產(chǎn)氣量最高，可以達(dá)到389 mL/g;A1品種的單位TS產(chǎn)氣量與其相差不大，其TS產(chǎn)氣量為380 mL/g，二者產(chǎn)氣效果均較好;S2品種單位TS產(chǎn)氣量明顯低于其他2個(gè)品種，產(chǎn)氣效果稍差。

3? ? 結(jié)論

采用7個(gè)芒荻品種進(jìn)行種植試驗(yàn)，對(duì)其成活率、叢重、株高等數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測和分析，篩選出適合鹽堿地生長的 3個(gè)品種，分別為S1、S2及A1，對(duì)這3個(gè)芒荻品種進(jìn)行產(chǎn)沼氣發(fā)酵試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn) S1和A1產(chǎn)氣效果較好，單位TS產(chǎn)氣量均能達(dá)到380 mL/g，其中S1單位TS產(chǎn)氣量最高，達(dá)到389 mL/g;S1、A1 2個(gè)品種的氣體成分中，甲烷含量也較穩(wěn)定，均能達(dá)到 55%以上，但是A1品種的甲烷含量要略高于S1品種，并且A1品種在產(chǎn)氣前期產(chǎn)氣速率也明顯快于S1品種，這說明其發(fā)酵啟動(dòng)快，有利于產(chǎn)沼氣工程的快速啟動(dòng)[28]。

4? ? 參考文獻(xiàn)

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