楊樹栽植中沼氣應用研究設計

顧弘宇，林 濤，陳香君

(南京林業大學土木工程學院，南京210037)

楊樹 (Populus sp.)是生長迅速、適應性廣、抗性強的優良樹種，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到706萬hm2，我國已達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、風化降解的循環助長環境，再加上速生楊樹林地力消耗大及生產過程中的化肥催生、農藥殺蟲，使得土地貧瘠化速度加快，影響了楊樹種植的質量。本研究依據人工楊樹林的土壤養分供應能力、楊樹養分需求狀況及楊樹生長中的代謝循環規律，設計林農復合生態系統，通過人工干預手段將楊樹林中的枝葉、雜草及林間養殖、種植殘余污物進行沼氣化生產加工，為楊樹快速生產提供大量的有機肥，解決楊樹生長過程中的養分供給與土壤改良問題，探索人工楊樹種植新模式。

沼氣發酵是指各種農業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，是一個復雜的生物化學過程［2］，沼氣技術是生物質能的開發和利用的重要途徑，也是農業廢棄物能源化利用的關鍵手段，沼氣的綜合利用即“三沼 (沼氣、沼液和沼渣)利用”在我國可持續農業發展戰略中具有重要意義，以沼氣為紐帶可促進物質和能量在系統內部有多重循環利用，如我國北方開發的“四位一體”高效種養結合發展模式［2］，在利用沼氣作為能源的同時，充分利用沼氣發酵殘余物作為優質的有機肥料和飼料的功能，形成以沼氣為紐帶的“飼料一肥料一能源一環境”復合生態工程，具有較高的經濟效益和社會效益［3］。

1 試驗地沼氣利用的可行性分析

試驗地位于南京八卦洲西北角，比鄰八卦洲的長江北堤。試驗地面積為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30 cm，總的林木蓄積量約為930 m3;農作物占地面積為2 hm2，主要種植蔬菜、糧食和其他經濟作物;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雞場，其余的為道路、房屋所占面積。試驗地常住管理人員5人。

試驗區楊樹葉的產出量大，樹葉與枝干的產出比為1.3∶1，平均每1 m2內枯枝落葉物重量為692g/a，整個試驗區枯枝落葉總量約為170 t。楊樹葉是一種營養相對豐富的生物質原料，在自然災害時期，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成份的測定表明，楊樹葉營養成份含粗蛋白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成分，在經過科學方法發酵后能夠產出高質量的沼氣。

試驗區楊樹葉生產沼氣具有以下優越性:

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

(2)沼渣沼液作為高品質有機肥，能為試驗區作物提供全面營養，增加和更新林地里的土壤有機質，促進微生物繁殖，改善土壤的理化性質和生物活性。

(3)利用了試驗區落葉及家禽糞便，避免了由此造成的污染，改善了試驗區環境衛生條件，為楊樹培育與林間種植、養殖提供了優良的環境。

(4)結合沼氣生產，楊樹種植，農牧生產，構建立體生產系統，如圖1所示。實現多種經營全面發展，改變之前只種楊樹的單一經營各局，促使沼氣生產、林、農、牧業形成相輔相成，可持續發展的良好局面。

2 沼氣應用設計

2.1 試驗區沼渣沼液特性及排放量

根據試驗區楊樹生長養分需求情況，預防沼渣沼液排放量大產生過剩造成二次污染，試驗區沼渣量設計為10～15 t;沼液量為60～90 t，相當于1 920～2 880 kg碳銨的肥效。

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

實驗區沼渣、沼液的主要成份:沼渣、沼液約占沼氣生產總質量的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。

本試驗選擇EDTA間接配位滴定法測定SO2-的4方法，實現海藻鹽中SO24-的快速定量測定。試驗選取市場上比較普遍的、具有代表性的食用鹽產品-海藻鹽，采用國家標準檢驗方法，對批量鹽產品的含量進行檢測。同時，通過試驗分析鎂基復鹽乙二胺四乙酸二鈉鎂（Mg-EDTA）在反應體系中的作用原理，總結影響鹽水中含量滴定結果準確性的操作條件，討論不同鋇鎂含量對測定方法的影響，在實踐基礎上總結出該方法的操作要點、適宜參數等。經多次驗證實驗，表明該法可以有效避免試液離子的干擾，終點變色靈敏，檢測快速，結果準確，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 沼氣裝置設計

設計中需要考慮楊樹枯枝落葉、畜禽糞便數量和作物沼渣沼液需要數量的平衡關系。秋季枯枝落葉數量最大，這時進行集中收集，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，避免堆放不當造成污染。畜禽糞便產出量總體比較均衡，總量與禽畜數量有關。畜禽數量、枯枝落葉數量和作物面積之間的平衡關系:畜禽數量、枯枝落葉數量過大會引起沼渣沼液過剩，產生二次污染，太少不能充分利用沼氣設施，不能提供作物足夠的有機肥，沼氣設施不能連續生產，達不到設計目的。

此外，南京地區冬天溫度較低，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工作，考慮到以上情況，試驗區沼氣裝置采用并聯聯網并與溫室相結合的設計，如圖2所示。

圖2 沼氣與溫室結合Fig.2 The combination of methane and greenhouse

該設計特點和優勢如下:

(1)聯網式沼氣裝置加上溫室提供的保障可實現沼氣生產規?；？稍诘蜏氐那闆r下確保沼氣裝置連續工作，實現沼氣的連續供氣，實現產能最大化要求。

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

(3)可實現獨立安裝聯合工作。減輕搬運、安裝、換料中的工作強度，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)能根據試驗區楊樹葉的供給情況以及在投入生產時沼渣沼液排放情況，滿足試驗區沼氣厭氧發酵的生物技術要求，裝置工作容量可靈活增加或減少，實現優化組合，避免進出料導致的生熟料混雜，同時也減少因原料、沼渣沼液儲存導致配套成本增加。

3 預期效益

3.1 經濟效益

(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，年節約16 800元。

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

(3)其他(生活，飼料等)。年節約22 000元。

3.2 生態環境效益

(1)減少系統生活垃圾、樹木落葉產生的污染，例如清理、焚燒落葉產生的煙塵排放，改善系統環境質量。

(2)營造無公害生產設施，使有限的土地資源，良性耕作，不受污染，高質量、高效率的產出。

(3)提高植物剩余物的利用價值，為設施培育、林間種植、立體養殖提供了良性支承，保障了林間養殖、種植的良好環境和生產系統的和諧優化循環狀態;

(4)以試驗地為依托，為進一步開發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，與人民的經濟生活有著密切的關系。隨著國家大力建設速生豐產林、工業用材林、紙漿林基地，楊樹種植更是得到前所未有的發展。同其他速生豐產樹種一樣，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，連續種植將使土壤變得貧瘠［6－7］。研究結合林農復合生態系統要求，對沼氣應用進行設計，嘗試建立多環節、多層次、高效益的系統，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展前景。

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