虉草熱值與灰分動態(tài)變化研究

單麗燕　王鐵梅　馬金星　高凱

摘要 通過對虉草的熱值和灰分進行測定，探討虉草熱值和灰分的動態(tài)變化及二者之間相關性。結(jié)果表明，虉草干重熱值呈現(xiàn)雙峰的變化趨勢，峰值分別出現(xiàn)在孕穗期和成熟期；虉草灰分含量隨物候期呈現(xiàn)先降低后升高的變化趨勢，成熟期灰分含量最低；去灰分熱值隨著生育時期推遲呈現(xiàn)逐漸降低的變化趨勢，其順序為孕穗期>抽穗期>盛花期>成熟期>果后營養(yǎng)期>枯黃期；各生育期干重熱值與灰分含量之間均表現(xiàn)為負相關關系，其中抽穗期表現(xiàn)為極顯著線性負相關（P<0.01），孕穗期和果后營養(yǎng)期表現(xiàn)為顯著線性負相關（P<0.05） ，盛花期、成熟期和枯黃期相關性不顯著。

關鍵詞 虉草；熱值；灰分；相關性；生物燃料

中圖分類號 S181.4 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2015）11-250-02

能源問題作為全世界關注的熱點，化石燃料的短缺及經(jīng)濟發(fā)展對化石燃料的依賴性越來越大，這已經(jīng)是社會發(fā)展不可回避的問題。而生物質(zhì)能源是利用和開發(fā)可再生能源，減少經(jīng)濟發(fā)展過程對化石燃料依賴的重要途徑之一[1]。但在其發(fā)展過程中須避免“與人爭糧”和“與糧爭地”的矛盾[2]。因此某些生態(tài)適應性強、能夠在較差環(huán)境下規(guī)?；N植的植物成為生物質(zhì)能源供給料的首選。虉草（Phalaris arundinacea L.），別名草蘆，禾本科（Gram； nae）虉草屬。廣泛分布于我國東北、華北、西北、華東、華中的河漫灘、湖邊、低洼地、沼澤等地，對環(huán)境要求低，具有喜濕但耐旱、喜溫但耐寒、耐鹽堿等優(yōu)點，其莖稈中纖維素含量高，是發(fā)酵生產(chǎn)生物乙醇的上等原料[3-4]。因此，虉草是新型生物能源的首選植物之一。

在虉草的長期研究過程中，學者們分別從其生態(tài)適應性、新品種選育、飼用價值和栽培管理等方面進行了細致的研究，并且取得了大量有價值的研究成果[5-7]。然而，關于虉草熱值和灰分含量方面的研究相對較少，熱值和灰分是能源植物篩選和質(zhì)量評價過程中的重要指標[8]。熱值主要從能量角度反映作為能源植物的潛力，而灰分在能源植物篩選過程中也是重要的參考指標。大量研究表明，隨著灰分含量的增加，植物熱值呈現(xiàn)下降的趨勢[9]；且生物質(zhì)能源生產(chǎn)加工過程中，由于

在高溫情況下，灰分中所含的堿性物質(zhì)會產(chǎn)生大量的廢渣以及腐蝕性物質(zhì)，導致生物能源物質(zhì)轉(zhuǎn)化率下降，其中腐蝕性物質(zhì)會對轉(zhuǎn)化設備造成破壞，從而增加轉(zhuǎn)化成本[10-11]。因此，筆者擬以不同物候期的虉草為研究對象，通過對其熱值、灰分及去灰分熱值等的對比研究，探討虉草的能用潛力和品質(zhì)特性，為虉草的合理利用提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 自然概況

試驗地位于西遼河平原內(nèi)蒙古民族大學試驗農(nóng)場，地理位置為43°36′ N，122°22′ E，海拔178 m。氣候?qū)儆诘湫偷臏貛Т箨懶约撅L氣候，年平均氣溫6.4 ℃，極端最低溫-30.9 ℃，≥10 ℃積溫3 184 ℃，無霜期150 d，年均降水量399.1 mm，生長季（4～9月）降水量占全年的89%。試驗地土壤為灰色草甸土，為當?shù)刂饕寥李愋停寥烙袡C質(zhì)含量18.23 g/kg、堿解氮62.41 mg/kg、速效磷38.61 mg/kg、速效鉀184.58 mg/kg、pH為8.20。

1.2 樣品采集與測定項目

試驗材料為2012年4月種植的虉草。分別在孕穗期、抽穗期、成熟期、盛花期、果后營養(yǎng)期、枯黃期等6個時期進行樣品采集，5次重復。先將粉碎的樣品放在80 ℃烘箱內(nèi)烘2 h，之后采用美國PARR公司生產(chǎn)的PARR6300型氧彈式熱量計測定熱值?；曳趾康臏y定采用干灰化法，即將樣品在馬福爐550 ℃下灰化5 h后測定其灰分含量。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

所有數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析均在Excel和SAS統(tǒng)計軟件上完成。采用ttest進行不同處理間各參數(shù)的差異顯著性分析。

去灰分熱值=干重熱值/（1-灰分含量）。

2 結(jié)果與分析

2.1 虉草干重熱值動態(tài)變化

由圖1可知，虉草干重熱值隨物候期呈現(xiàn)為雙峰的變化趨勢，峰值分別出現(xiàn)在孕穗期和成熟期；不同生育期熱值順序為孕穗期>抽穗期>成熟期>盛花期>果后營養(yǎng)期>枯黃期，其中孕穗期和抽穗期顯著高于盛花期和成熟期（P<0. 05），盛花期和成熟期又顯著高于果后營養(yǎng)期和枯黃期（P<0. 05）；孕穗期熱值最高，枯黃期熱值最低。

2.2 虉草灰分含量動態(tài)變化

由圖2可知，虉草灰分含量隨物候期呈現(xiàn)先降低后升高的變花趨勢，成熟期灰分含量最低，顯著低于其他各個時期；孕穗期、果后營養(yǎng)期和枯黃期3個時期灰分含量顯著高于抽穗期、盛花期和成熟期，但三者之間差異不顯著；抽穗期和盛花期灰分含量顯著高于成熟期。

2.3 虉草干重熱值與灰分相關性分析

通過對不同生育期虉草的干重熱值與灰分含量進行相關性分析（表1），結(jié)果表明，各生育期干重熱值與灰分含量之間均表現(xiàn)為負相關關系，其中抽穗期表現(xiàn)為極顯著線性負相關（P<0.01），孕穗期和果后營養(yǎng)期表現(xiàn)為顯著線性負相關（P<0.05） ，盛花期、成熟期和枯黃期相關性不顯著。

2.4 虉草去灰分熱值動態(tài)變化

由圖3可知，去灰分熱值隨著生育時期推遲呈現(xiàn)逐漸降低的變化趨勢，其順序為孕穗期>抽穗期>盛花期>成熟期>果后營養(yǎng)期>枯黃期，其中孕穗期顯著高于抽穗期、盛花期、成熟期、果后營養(yǎng)期和枯黃期，抽穗期顯著高于盛花期、成熟期、果后營養(yǎng)期和枯黃期，盛花期、成熟期、果后營養(yǎng)期和枯黃期4個時期的去灰分熱值之間沒有表現(xiàn)出顯著差異。

注：不同字母表示不同生育期之間在0.05水平下差異顯著。

圖3 虉草去灰分熱值動態(tài)變化

3 結(jié)論與討論

3.1 虉草干重熱值與灰分含量在不同時期的變化趨勢

熱值作為植物的重要屬性，具有一定的穩(wěn)定性，同時也受多種因素的影響，如植物物種、組織器官、養(yǎng)分含量、物候期等內(nèi)在因素及日照時數(shù)、土壤類型、光強等外在因素[12-13]。灰分含量作為植物另外一個重要指標，對植物的干重熱值具有一定的影響，學者們針對二者之間的關系進行了大量研究。研究表明，植物灰分含量每升高1%，其熱值約降低0.2 MJ/kg[9]。通過對不同物候期虉草干重熱值和灰分含量之間相關性分析，結(jié)果表明，干重熱值和灰分含量之間表現(xiàn)為負相關關系，該結(jié)論與學者們在羊草、冰草等草地植物研究的結(jié)論相一致[14]。產(chǎn)生這種結(jié)果的原因可能是由于植物燃燒過程中，參與燃燒的元素主要是C、N等元素，而灰分的主要組成成分多為鈣、鎂、鐵等無法參與燃燒的金屬元素[15]。因此，灰分含量越高，則植物體內(nèi)參與燃燒的元素所占的比例越少，燃燒所釋放的熱量越少，最終將以植物熱值的高低來反映。

3.2 虉草干重熱值與灰分含量出現(xiàn)雙峰的變化趨勢

草本植物生長發(fā)育過程中由于生活史對策的不同，因其個體較小，具有強烈的季節(jié)變化特點，隨著物候期的變化，光合產(chǎn)物的運輸分配也呈現(xiàn)出一定的變化規(guī)律。在這個過程中，植物的熱值也會表現(xiàn)出明顯的季節(jié)變化[8，16]。在熱值動態(tài)變化規(guī)律的研究過程中，這一規(guī)律得到了驗證。例如，劉世榮等對植物熱值動態(tài)變化的研究過程中發(fā)現(xiàn)，葉片熱值6月份最高，之后逐漸降低，直至生長季末期達到最低值；而枝條熱值變化在整個生長季沒有大的起伏，只是在生長季末期略有增加[17]；高凱等研究發(fā)現(xiàn)，羊草等植物熱值月變化呈現(xiàn)單峰型變化曲線，并且在8月份達到最高值[14]。通過對虉草植物熱值動態(tài)變化研究發(fā)現(xiàn)，虉草熱值隨物候期呈現(xiàn)為雙峰型曲線的變化趨勢，峰值分別出現(xiàn)在孕穗期和成熟期，該結(jié)論也進一步表明植物熱值的動態(tài)變化規(guī)律；而干重熱值月變化和去灰分熱值月變化趨勢并不一致，其主要因為不同月份灰分含量之間存在一定的差異。

虉草干重熱值呈現(xiàn)雙峰的變化趨勢，峰值分別出現(xiàn)在孕穗期和成熟期；虉草灰分含量隨物候期呈現(xiàn)先降低后升高的變化趨勢，成熟期灰分含量最低；去灰分熱值隨著生育期推遲呈現(xiàn)逐漸降低的變化趨勢，其順序為孕穗期>抽穗期>盛花期>成熟期>果后營養(yǎng)期>枯黃期；各生育期干重熱值與灰分含量之間均表現(xiàn)為負相關關系，其中抽穗期表現(xiàn)為極顯著線性負相關（P<0.01），孕穗期和果后營養(yǎng)期表現(xiàn)為顯著線性負相關（P<0.05），盛花期、成熟期和枯黃期相關性不顯著。

參考文獻

[1]HOOGWIJK M，F(xiàn)AAIJ A，VAN DEN BROEK R，et al. Exploration of the ranges of the global potential of biomass for energy[J].Biomass and Bioenergy，2003，25（2）： 119-133.

[2] 石元春.發(fā)展生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)[J].發(fā)明與創(chuàng)新， 2005（5）： 4-6.

[3] SAHRAMAA M，HMM L，JAUHIAINEN L.Variation in seed production traits of reed canarygrass germplasm [J].Crop Science，2004，44：988-996.

[4] SAHRAMAA M.Evaluation of reed canary grass for different enduses and in breeding [J].Agricultural and Food Science in Finland，2003，12（3/4）：227-241.

[5] 付為國，李萍萍，王紀章，等.鎮(zhèn)江河漫灘草地虉草光合特性研究[J].草地學報，2007，15（4）：381-385.

[6] TOSI H R，WITTENBERG K M.Harvest alternatives to reduce the alkaloid content of reed canarygrass forage [J].Can J Anim Sci，1993，73： 373.

[7] MARUM P，SOLBERG E T.Lara，reed canarygrass [J].Norwegian Agricultural Research，1993，7：331-333.

[8] 鮑雅靜，李政海.內(nèi)蒙古羊草草原群落主要植物的熱值動態(tài)[J].生態(tài)學報， 2003，23（3）：606-613.

[9] CASSIDA K A，MUIR J P，HUSSEY M A.Biofuel component concentrations and yields of switchgrass in south central US environments[J].Crop Science，2005，45（2）：682-692.

[10] OBERNBERGER I，BIEDERMANN F，WALTER WIDMANN W，et al.Concentrations of inorganic elements in biomass fuels and recovery in the different ash fractions[J].Biomass Bioenerg，1997，12（3）：211-224.

[11] STONE K C，HUNT P G，CANTRELL K B.The potential impacts of biomass feedstock production on water resource availability[J].Bioresource Technology，2001，101：2014-2025.

[12] 高凱，謝中兵，徐蘇鐵，等.內(nèi)蒙古錫林河流域羊草草原15種植物熱值特征[J].生態(tài)學報，2012，32（2）：588-594.

[13] 昝啟杰，王伯蓀，王勇軍.深圳福田無瓣海桑-海桑林能量的研究[J].應用生態(tài)學報，2003，14（2）：170-174.

[14] 高凱，朱鐵霞，王其兵.內(nèi)蒙古錫林河流域羊草草原主要建群植物熱值及灰分動態(tài)變化[J].生態(tài)學雜志，2012，31（3）：557-560.

[15] 藏惠林.植物灰分組成的主組元分析[J].植物學通報，1984，2（4）：31-34.

[16] 赫翠，李洪遠，姜超，等.北方半干旱區(qū)河流濕地優(yōu)勢植物的熱值[J].生態(tài)學雜志，2008，27（12）：2094-2098.

[17] 劉世榮，王文章，王明啟.落葉松人工林生態(tài)系統(tǒng)凈初級生產(chǎn)力形成過程中的能量特征[J].植物生態(tài)學與地植物學學報，1992，16（3）：209-219.

責任編輯 楊瑩瑩 責任校對 李巖