虉草热值与灰分动态变化研究

单丽燕　王铁梅　马金星　高凯

摘要 通过对虉草的热值和灰分进行测定，探讨虉草热值和灰分的动态变化及二者之间相关性。结果表明，虉草干重热值呈现双峰的变化趋势，峰值分别出现在孕穗期和成熟期；虉草灰分含量随物候期呈现先降低后升高的变化趋势，成熟期灰分含量最低；去灰分热值随着生育时期推迟呈现逐渐降低的变化趋势，其顺序为孕穗期>抽穗期>盛花期>成熟期>果后营养期>枯黄期；各生育期干重热值与灰分含量之间均表现为负相关关系，其中抽穗期表现为极显著线性负相关（P<0.01），孕穗期和果后营养期表现为显著线性负相关（P<0.05） ，盛花期、成熟期和枯黄期相关性不显著。

关键词 虉草；热值；灰分；相关性；生物燃料

中图分类号 S181.4 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2015）11-250-02

能源问题作为全世界关注的热点，化石燃料的短缺及经济发展对化石燃料的依赖性越来越大，这已经是社会发展不可回避的问题。而生物质能源是利用和开发可再生能源，减少经济发展过程对化石燃料依赖的重要途径之一[1]。但在其发展过程中须避免“与人争粮”和“与粮争地”的矛盾[2]。因此某些生态适应性强、能够在较差环境下规模化种植的植物成为生物质能源供给料的首选。虉草（Phalaris arundinacea L.），别名草芦，禾本科（Gram； nae）虉草属。广泛分布于我国东北、华北、西北、华东、华中的河漫滩、湖边、低洼地、沼泽等地，对环境要求低，具有喜湿但耐旱、喜温但耐寒、耐盐碱等优点，其茎秆中纤维素含量高，是发酵生产生物乙醇的上等原料[3-4]。因此，虉草是新型生物能源的首选植物之一。

在虉草的长期研究过程中，学者们分别从其生态适应性、新品种选育、饲用价值和栽培管理等方面进行了细致的研究，并且取得了大量有价值的研究成果[5-7]。然而，关于虉草热值和灰分含量方面的研究相对较少，热值和灰分是能源植物筛选和质量评价过程中的重要指标[8]。热值主要从能量角度反映作为能源植物的潜力，而灰分在能源植物筛选过程中也是重要的参考指标。大量研究表明，随着灰分含量的增加，植物热值呈现下降的趋势[9]；且生物质能源生产加工过程中，由于

在高温情况下，灰分中所含的碱性物质会产生大量的废渣以及腐蚀性物质，导致生物能源物质转化率下降，其中腐蚀性物质会对转化设备造成破坏，从而增加转化成本[10-11]。因此，笔者拟以不同物候期的虉草为研究对象，通过对其热值、灰分及去灰分热值等的对比研究，探讨虉草的能用潜力和品质特性，为虉草的合理利用提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 自然概况

试验地位于西辽河平原内蒙古民族大学试验农场，地理位置为43°36′ N，122°22′ E，海拔178 m。气候属于典型的温带大陆性季风气候，年平均气温6.4 ℃，极端最低温-30.9 ℃，≥10 ℃积温3 184 ℃，无霜期150 d，年均降水量399.1 mm，生长季（4～9月）降水量占全年的89%。试验地土壤为灰色草甸土，为当地主要土壤类型，土壤有机质含量18.23 g/kg、碱解氮62.41 mg/kg、速效磷38.61 mg/kg、速效钾184.58 mg/kg、pH为8.20。

1.2 样品采集与测定项目

试验材料为2012年4月种植的虉草。分别在孕穗期、抽穗期、成熟期、盛花期、果后营养期、枯黄期等6个时期进行样品采集，5次重复。先将粉碎的样品放在80 ℃烘箱内烘2 h，之后采用美国PARR公司生产的PARR6300型氧弹式热量计测定热值。灰分含量的测定采用干灰化法，即将样品在马福炉550 ℃下灰化5 h后测定其灰分含量。

1.3 数据处理与分析

所有数据的统计分析均在Excel和SAS统计软件上完成。采用ttest进行不同处理间各参数的差异显著性分析。

去灰分热值=干重热值/（1-灰分含量）。

2 结果与分析

2.1 虉草干重热值动态变化

由图1可知，虉草干重热值随物候期呈现为双峰的变化趋势，峰值分别出现在孕穗期和成熟期；不同生育期热值顺序为孕穗期>抽穗期>成熟期>盛花期>果后营养期>枯黄期，其中孕穗期和抽穗期显著高于盛花期和成熟期（P<0. 05），盛花期和成熟期又显著高于果后营养期和枯黄期（P<0. 05）；孕穗期热值最高，枯黄期热值最低。

2.2 虉草灰分含量动态变化

由图2可知，虉草灰分含量随物候期呈现先降低后升高的变花趋势，成熟期灰分含量最低，显著低于其他各个时期；孕穗期、果后营养期和枯黄期3个时期灰分含量显著高于抽穗期、盛花期和成熟期，但三者之间差异不显著；抽穗期和盛花期灰分含量显著高于成熟期。

2.3 虉草干重热值与灰分相关性分析

通过对不同生育期虉草的干重热值与灰分含量进行相关性分析（表1），结果表明，各生育期干重热值与灰分含量之间均表现为负相关关系，其中抽穗期表现为极显著线性负相关（P<0.01），孕穗期和果后营养期表现为显著线性负相关（P<0.05） ，盛花期、成熟期和枯黄期相关性不显著。

2.4 虉草去灰分热值动态变化

由图3可知，去灰分热值随着生育时期推迟呈现逐渐降低的变化趋势，其顺序为孕穗期>抽穗期>盛花期>成熟期>果后营养期>枯黄期，其中孕穗期显著高于抽穗期、盛花期、成熟期、果后营养期和枯黄期，抽穗期显著高于盛花期、成熟期、果后营养期和枯黄期，盛花期、成熟期、果后营养期和枯黄期4个时期的去灰分热值之间没有表现出显著差异。

注：不同字母表示不同生育期之间在0.05水平下差异显著。

图3 虉草去灰分热值动态变化

3 结论与讨论

3.1 虉草干重热值与灰分含量在不同时期的变化趋势

热值作为植物的重要属性，具有一定的稳定性，同时也受多种因素的影响，如植物物种、组织器官、养分含量、物候期等内在因素及日照时数、土壤类型、光强等外在因素[12-13]。灰分含量作为植物另外一个重要指标，对植物的干重热值具有一定的影响，学者们针对二者之间的关系进行了大量研究。研究表明，植物灰分含量每升高1%，其热值约降低0.2 MJ/kg[9]。通过对不同物候期虉草干重热值和灰分含量之间相关性分析，结果表明，干重热值和灰分含量之间表现为负相关关系，该结论与学者们在羊草、冰草等草地植物研究的结论相一致[14]。产生这种结果的原因可能是由于植物燃烧过程中，参与燃烧的元素主要是C、N等元素，而灰分的主要组成成分多为钙、镁、铁等无法参与燃烧的金属元素[15]。因此，灰分含量越高，则植物体内参与燃烧的元素所占的比例越少，燃烧所释放的热量越少，最终将以植物热值的高低来反映。

3.2 虉草干重热值与灰分含量出现双峰的变化趋势

草本植物生长发育过程中由于生活史对策的不同，因其个体较小，具有强烈的季节变化特点，随着物候期的变化，光合产物的运输分配也呈现出一定的变化规律。在这个过程中，植物的热值也会表现出明显的季节变化[8，16]。在热值动态变化规律的研究过程中，这一规律得到了验证。例如，刘世荣等对植物热值动态变化的研究过程中发现，叶片热值6月份最高，之后逐渐降低，直至生长季末期达到最低值；而枝条热值变化在整个生长季没有大的起伏，只是在生长季末期略有增加[17]；高凯等研究发现，羊草等植物热值月变化呈现单峰型变化曲线，并且在8月份达到最高值[14]。通过对虉草植物热值动态变化研究发现，虉草热值随物候期呈现为双峰型曲线的变化趋势，峰值分别出现在孕穗期和成熟期，该结论也进一步表明植物热值的动态变化规律；而干重热值月变化和去灰分热值月变化趋势并不一致，其主要因为不同月份灰分含量之间存在一定的差异。

虉草干重热值呈现双峰的变化趋势，峰值分别出现在孕穗期和成熟期；虉草灰分含量随物候期呈现先降低后升高的变化趋势，成熟期灰分含量最低；去灰分热值随着生育期推迟呈现逐渐降低的变化趋势，其顺序为孕穗期>抽穗期>盛花期>成熟期>果后营养期>枯黄期；各生育期干重热值与灰分含量之间均表现为负相关关系，其中抽穗期表现为极显著线性负相关（P<0.01），孕穗期和果后营养期表现为显著线性负相关（P<0.05），盛花期、成熟期和枯黄期相关性不显著。

参考文献

[1]HOOGWIJK M，FAAIJ 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.发展生物质产业[J].发明与创新， 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] 付为国，李萍萍，王纪章，等.镇江河漫滩草地虉草光合特性研究[J].草地学报，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] 鲍雅静，李政海.内蒙古羊草草原群落主要植物的热值动态[J].生态学报， 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] 高凯，谢中兵，徐苏铁，等.内蒙古锡林河流域羊草草原15种植物热值特征[J].生态学报，2012，32（2）：588-594.

[13] 昝启杰，王伯荪，王勇军.深圳福田无瓣海桑-海桑林能量的研究[J].应用生态学报，2003，14（2）：170-174.

[14] 高凯，朱铁霞，王其兵.内蒙古锡林河流域羊草草原主要建群植物热值及灰分动态变化[J].生态学杂志，2012，31（3）：557-560.

[15] 藏惠林.植物灰分组成的主组元分析[J].植物学通报，1984，2（4）：31-34.

[16] 赫翠，李洪远，姜超，等.北方半干旱区河流湿地优势植物的热值[J].生态学杂志，2008，27（12）：2094-2098.

[17] 刘世荣，王文章，王明启.落叶松人工林生态系统净初级生产力形成过程中的能量特征[J].植物生态学与地植物学学报，1992，16（3）：209-219.

责任编辑 杨莹莹 责任校对 李岩