唐苏慧，朱宁华，张亚男，向武凡，向建军，黄文华

（1.中南林业科技大学 林学院，湖南 长沙 410004；2.八大公山国家级自然保护区，湖南 张家界 416700；3.永顺县林业设计队，湖南 湘西自治州 416700）

武陵山区乡土树种生物能源性能初步研究

唐苏慧1，朱宁华1，张亚男1，向武凡2，向建军2，黄文华3

（1.中南林业科技大学 林学院，湖南 长沙 410004；2.八大公山国家级自然保护区，湖南 张家界 416700；3.永顺县林业设计队，湖南 湘西自治州 416700）

对武陵山区具有代表性的12种乡土树种（檀梨、南酸枣、黑壳楠、华榛、青榨槭、凹叶厚朴、银木、白玉兰、灯台树、闽楠、银鹊树、蓝果树）的含水率、低位发热值、灰分这3个生物能源特性的重要指标进行测定，利用DTOPSIS法进行数据分析。结果表明，就含水率、灰分值、低位发热量这3个指标的影响时，灰分值对生物能源的特性影响最大、含水率、低位发热量的影响次之；由3个指标的变异系数可得，含水率、低位发热量在12种备选树种的波动幅度比灰分的小；备选树种中，檀梨的生物能源性能最好，灯台树的生物能源性能最差。

武陵山区；乡土树种；生物能源性能；低位发热值；含水率

20世纪70年代发生的两次能源危机、全球变暖，以及环境污染严重等问题，世界各国迫切寻找一种既能缓解能源危机，又能对环境影响较少的新型能源物质[1]，陆续发现了很多新的能源，生物能源就是其中的一种[2-4]。生物质能具有可再生特性，而且其还能利用绿色植物的光合作用将太阳能转化为化学能，在某种程度上对环境存在着改善作用，因此它在能源利用中凸显其重大作用[5]。它包括电能、热能和燃料以及各种副产品[6]。又鉴于生物质能具有能源性和生物性的二重特点，故被认为是21世纪解决能源危机的最佳潜力能源[7]。近年来，各国针对自身情况进行研究开发。据Graham、Cheng ZW等报道，美国的生物能源研究取得可喜的成果[8-9]； 巴西实施了“酒精替代计划”[10]；法国于20世纪80年代也制定了“绿色能源计划”[11]；德国在2002年底，生物能源利用达到整个供应链的3.4%[12]。

当前生物能源的研究热点主要为:生物质能开发利用潜力、生物质能利用对生态环境影响、生物质能开发利用技术研究、生物质能开发利用可行性分析及其发展前景。根据《全国林业生物质能发展规划（2011—2020年）》中记载，林木生物质资源潜力是巨大的，可达1.8×1010t[13]。由于生物能源得到重视，所以很多学者分别对各省份各城市的生物质能源的开发现状及前景进行了研究分析。刘刚等[14]学者对我国主要林区的生物质资源进行分析；李怒云等[15]主要研究分析我国“三北”地区林木生物质能源等各方面；许忠海[16]主要研究伊春市生物质能源。就树种的生物能源特性方面，马文元[17]编写了《中国能源树种研究》一书，主要讨论45种以上树种的热值和单位面积生物量等问题。

本研究的主要目的在于讨论南酸枣、黑壳楠、华榛、青榨槭、凹叶厚朴、银木、白玉兰、灯台树、闽楠、银鹊树、蓝果树、檀梨等12种树种在生物能源的成型燃料方面潜能，以及优劣性的比较，且望为武陵山区成型燃料方面的发展提供依据。成型燃料，一般具有抗性与适应性皆较强，含水量少、燃烧值大、灰分少等特点。故本研究对12种植物的含水率、灰分、燃烧值3个重要指标进行测定和数据分析，进而分析得出备选树种的生物能源特性的优劣性。

1 研究区概况

武陵山区位于 27°10′N ～ 31°28′N，106°56′W ～111°49′W，平均海拔高度在1 000 m左右。武陵源位于西部高原亚区与东部丘陵平原亚区的边缘，东北接湖北，西部直达神农架等地，西南连于黔东梵净山。该地区气候属亚热带向暖温带过渡类型，气候温和，冬暖夏凉，雨量充沛，平均温度在13～16℃之间，地形垂直气候差异明显。相对湿度77%，降水量1 100～1 600 mm，无霜期280 d左右。地形复杂，坡陡沟深，以及自然条件存在极大优势，给众多物种的生存和繁衍提供了良好的环境条件。也由于地形、气候等生物赖以生存的因素的多样性，决定了此区域内生物资源的丰富度[18]。

2 试验材料与方法

2.1 试验材料

本文研究对象主要为南酸枣、黑壳楠、华榛、青榨槭、凹叶厚朴、银木、白玉兰、灯台树、闽楠、银鹊树、蓝果树、檀梨等12种武陵源乡土树种。在研究区内，分别采取各树种不同器官（根、茎、叶、皮、干）的材料，烘干粉碎后在室内进行各项指标（含水率、低位发热值、灰分等）的测定分析[19]。具体做法：选取这12种植物的人工林进行调查取样，对各植物各设2块20 m×20 m样地。运用标准木调查法[20]和标准木法，在各样地各选2株标准木。对其进行树干解析，将标准木从树干基部伐倒。地上部分采用分层切割收获法，测定各区分段树干及树皮鲜重并采集样本500 g；称树冠不同部位树叶及树枝鲜重，各采集样本500 g，地下部分则采取全挖法，在相邻树种距离的一半幅度范围内分0～20、20～40、40～60 cm、3层挖掘，并按照径级分成根头、粗根（d＞4 mm）、中根（4 mm＞d＞2 mm）、细根（d＜2 mm）4个级别根系，分类放置，称其鲜重，混合采集样本500 g；再将所有取样置于恒温箱中80℃下烘干至恒质量。烘干样品用均粉碎机粉碎并过100目筛，用于含水率、低位发热值、灰分测定。

2.2 试验方法

2.2.1 含水率的测定

用SFY系列快速水分测定仪进行测定，取一定质量的颗粒燃料（本试验取为5 g），将其放入快速水分测定仪内，燃料开始加热，经过一段时间加热后，若燃料在某一时刻前后Δt（设定为40 s）时间间隔内再无质量的改变，也就意味着燃料中的自由水已经全部蒸干逸出，则测得此时的燃料水分含量即为燃料的含水率。

2.2.2 热值的测定

本试验采用本FA/JA型系列电子天平，SFY系列快速水分测定仪，ZDHW-5B型微机全自动量热仪等仪器。仪器工作时，将燃料的质量和求得的含水率输入仪器，燃料的低位热值、高位热值、弹筒热值、分析水、热容量等参数都会自动得出。

2.2.3 灰分的测定

用FA/JA型系列电子天平、HTGF-3000型自动工业分析仪进行实验。颗粒燃料工业分析实验步骤简单，只需将单位质量（1 g左右）燃料放入坩埚内即可，后续步骤由微机控制。

2.3 数据处理

DTOPSIS法[21]；采用Excel进行数据处理。

3 结果与分析

3.1 备选植物评价指标分析

3.1.1 含水率

就生物能源利用的植物来说，含水率越低越好。从表1可以看出，备选树种的含水率大小关系可表示为：闽楠（35.41）＜银木（37.04）＜檀梨（37.83）＜蓝果树（38.6）＜凹叶厚朴（38.68）＜白玉兰（39.18）＜灯台树（40.24）＜银鹊树（41.79）＜黑壳楠（41.92）＜华榛（42.32）＜南酸枣（43.63）＜青榨槭（43.93）。

3.1.2 灰分

就生物能源利用的植物来说，灰分也越低越好。由表1可以得出，备选树种间灰分值之间的大小关系可表示为：华榛（20.18）＜南酸枣（21.08）＜黑壳楠（21.16）檀梨（21.29）＜银木（21.45）＜蓝果树（23.37）＜青榨槭（24.15）＜闽楠（29.36）＜凹叶厚朴（31.59）＜白玉兰（34.28）＜银鹊树（38.07）＜灯台树（42.53）。

表1 备选植物生物能源特性评价主要指标Table 1 Characteristics of alternative bio-energy plants evaluate key indicators

3.1.3 低位发热量

对于生物能源利用的植物来说，低位发热量则应为越高越好。从表1可以看出，备选树种间低位发热量的大小关系可表示为：银木（82737）＞檀梨（82659）＞闽楠（81925）＞凹叶厚朴（81042）＞黑壳楠（80052）＞蓝果树（78108）＞青榨槭（76559）＞华榛（76482）＞白玉兰（76166）＞南酸枣（76029）＞灯台树（73949）＞银鹊树（69315）。

3.2 备选树种生物能源特性的综合分析

3.2.1 生物能源特性指标的成分分析

研究发现，含水率、灰分、低位发热量的权重依次为：0.17、0.7、0.13（如表2所示）。由此可知，当且仅考虑这3个指标的影响时，灰分的影响最大，其次为含水率与低位发热量。根据所测得数据，经计算可知含水率、灰分、低位发热量的变异系数依次为6.8%、27.8%、5.0%。分析可得：含水率、低位发热量在各样本取值的波动幅度比灰分的小。

表2 无量纲化处理结果矩阵DTable 2 Matrix D by using dimensionless method

3.2.2 备选树种指标的DTOPSIS分析

生物能源特性的优劣性一般是由多个指标共同影响的，所以需要将多个指标综合在一起进行考虑分析。因此采用DTOPSIS法进行分析，分析结果见图1。从图1可看出，备选树种的综合评分结果排名以及生物能源特性优劣性依次皆为：檀梨＞银木＞华榛＞黑壳楠＞南酸枣＞蓝果树＞青榨槭＞闽楠＞凹叶厚朴＞白玉兰＞银鹊树＞灯台树。

图1 DTOPSIS 法计算结果Fig.1 Results of DTOPSIS method

4 结 语

通过实地调查发现，南酸枣、黑壳楠、华榛。青榨槭、凹叶厚朴、银木、白玉兰、灯台树、闽楠、银鹊树、蓝果树、檀梨在武陵山区分布较为广泛，为武陵山区的乡土树种。且有成为生物能源树种的潜质，故选择对其进行研究。查阅相关文献发现，对于南酸枣、蓝果树等12种树种的生物能源特性的研究较少，本文则另辟蹊径对这12种树种的生物能源特性进行初步研究。根据研究表明，武陵山区为湖南省林木生物质能资源开发重点区域。故对武陵源山区的乡土树种生物能源特性的分析是存在很大实际意义，也能为武陵山区森林资源的进一步研究提供依据。

结合本文所做的大量的试验研究以及分析，可以得到以下结论：

在只考虑灰分值、含水率、低位发热量对生物能源特性的影响时，灰分值的影响因素最大；含水率、低位发热量的影响次之。

在只考虑灰分值、含水率、低位发热量3个指标时，不同树种的含水率、低位发热量的变化幅度低于它们灰分值的变化。

通过DTOPSIS 法计算图可看出，在12种参与研究调查的备选树种中，备选树种生物能源特性的优劣性顺序为：檀梨、银木、华榛、黑壳楠、南酸枣、蓝果树、青榨槭、闽楠、凹叶厚朴、白玉兰、银鹊树、灯台树。

在考虑树种含水率、灰分、低位发热值这三个生物能源特性重要指标后，也应针对生物能源特性的要求进一步进行分析，同时结合树种的其他生理特性，考虑分析筛选出武陵山区最有价值、潜力的生物能源树种。

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A preliminary study on biological energy performance of native tree species in Wuling mountain area

TANG Su-hui1, ZHU Ning-hua1, ZHANG Ya-nan1, XIANG Wu-fan2, XIANG Jian-jun2, HUANG Wen-hua3
(1. School of Forestry, Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, Hunan, China; 2. Badagongshan Nation Nature Reserve, Zhangjiajie 416700, Hunan, China; 3. Forestry Design Team of Yongshun County, Xiangxi 416700, Hunan, China)

The article studied on the moisture content, low calori fi c value, ash of the 12 representative native plant species in Wuling Mountain (South jujube, Black shell Nan, China hazel, Acer davidii, Magnolia of fi cinalis, Silver wood, Magnolia, Alstonia scholaris,Fujian Nan, Silver magpie, blue fruit, Pyrularia edulis), measured these fuel forests’ important indicators and collected data. Then we studied and analyzed of the bio-energy properties. The results showed that the ash value have a greatest impact on bioenergy, as we only considered the moisture content, ash value, low calori fi c value of the impact of bio-energy characteristics. The moisture content and low calori fi c value impact followed; By coef fi cient of variation of the three indicators available, moisture content and low calori fi c value in 12 kinds of alternative species smaller than ash in the volatility; In regard to the biological energy performance of alternative species,Pyrularia edulis is the best, Alstonia scholaris is the worst.

Wuling mountain; native tree species; biological energy; low calori fi c value; moisture content

S759.4

A

1673-923X(2016)06-0075-04

10.14067/j.cnki.1673-923x.2016.06.015

2015-06-16

湖南省科技厅重大课题专项“武陵山区珍稀濒危植物保育关键技术研究与示范”（2012FJ1005）

唐苏慧，硕士研究生

朱宁华，副教授，博士，硕士研究生导师；E-mail：zhuninghua@yahoo.com

唐苏慧，朱宁华，张亚男，等. 武陵山区乡土树种生物能源性能初步研究[J].中南林业科技大学学报，2016, 36(6): 75-78.

[本文编校：吴 彬]