青海省主要造林树种的热值和灰分含量特征

罗 艳，唐才富，董 旭，辛文荣，赵丰钰

(1.山水自然保护中心,北京 100871；2.青海省林业勘察设计院， 西宁 810007)

青海省主要造林树种的热值和灰分含量特征

罗 艳1，唐才富1，董 旭2，辛文荣2，赵丰钰2

(1.山水自然保护中心,北京 100871；2.青海省林业勘察设计院， 西宁 810007)

为了解青藏高原森林的热值特征，对青海省主要造林树种的热值和灰分含量进行了分析。结果显示：①青海省云杉属和圆柏属5个乔木树种全株的干质量热值和去灰分热值分别在22.34 MJ/kg～22.92 MJ/kg之间和23.19 MJ/kg～23.48 MJ/kg之间，灰分含量在2.23%～3.54%之间，云杉属的干质量热值显著高于圆柏属，灰分含量显著低于圆柏属。②青海省主要乔木树种各器官的干质量热值和去灰分热值分别在21.20 MJ/kg～26.60 MJ/kg和22.20 MJ/kg～28.28 MJ/kg之间，灰分含量在0.43%～8.33%之间。就干质量热值而言，每种植物叶片的热值均显著高于其它器官；就去灰分热值而言，除紫果云杉外，每种植物叶片的热值均显著高于其它器官。就灰分含量而言,不同树种灰分含量最小的器官均为干。③树种热值和灰分含量均会受到年龄和海拔影响，但这种影响总体不具显著性。

热值；灰分含量；圆柏属；云杉属；青海省

植物热值是指单位质量干物质在完全燃烧后所释放出来的热量值，可反映绿色植物对太阳辐射能的利用状况。热值是能量的尺度，也是衡量第一性生产力水平的重要指标；又可作为植物生长状况的一个有效指标；在评价和反映生态系统中物质循环和能量转化规律中具有重要作用[1]。随着生态系统功能过程研究的深入，热值测定日益引起了人们的重视。

国外对植物热值的研究始于20世纪30年代[2]，在六七十年代蓬勃发展[3-8]，之后相关研究趋于沉寂。我国起步于20世纪70年代[9]，自此以后，在草原、森林等生态系统中均有研究报告[10-14]。但是有关森林生态系统的热值试验多数在温带、热带地区开展，青藏高原的相关研究较少。青藏高原地区作为气候变化敏感区域，其植物的能量特征在生态研究中具有重要作用。此外，热值分干质量热值和去灰分热值两种，其中干质量热值可用于生物量与能量之间的转化。由于种间各组分的灰分含量不同，为更全面地分析不同类群和生境中植物各组分的能量，应排除灰分，以获得更准确的单位干物质所含能量[15]。目前，关于植物热值的报道多以干质量热值为主，同时结合灰分的研究相对较少。

云杉属(Picea)和圆柏属(Sabina)乔木在青海省分布最广、蓄积量最大，其中：云杉属占总面积的25.8%，总蓄积量的48.2%；圆柏属占总面积的45.4%，总蓄积量的25.7%。云杉属乔木主要以青海云杉(P.crassifolia)和川西云杉(P.likiangensisvar.balfouriana)为主，紫果云杉(P.purpurea)等有少量分布；圆柏属乔木以祁连圆柏(S.przewalskii)和大果圆柏(S.tibetica)为主。鉴于此，本研究测量、分析了青海省分布面积广、蓄积量大的云杉属和圆柏属乔木的热值特征。

1 研究方法

1.1 样品采集与处理

考虑到最小样本需求、样本的区域代表性和工作量等方面的因素，在青海省林区范围内选取天然起源的云杉属乔木29棵和圆柏属乔木30棵，作为含碳率分析样本。云杉属包括青海云杉、川西云杉和紫果云杉 3个乔木树种；圆柏属包括祁连圆柏和大果圆柏2个乔木树种。

表1 研究区采样统计属树种样本数青海云杉20云杉属川西云杉6紫果云杉3圆柏属祁连圆柏21大果圆柏9

把样本数量按径阶(6，8，12，16，20，26，32，38及40 cm以上)和树高级别落实到具体的行政区域范围(青海林区)；每个样本分别采集了树干(综合考虑枝条所处位置及其大小数量将干分为上、中、下3层)、树皮、枝条、死枝、叶和根样品，在85℃恒温下烘至恒质量，粉碎备用。

1.2 测定方法

1.2.1 干质量热值测定

干质量热值(GCV)是指每克干物质在完全燃烧条件下所释放的总热量干质量热值测定采用氧弹法(OR2010型全自动快速量热仪，上海欧锐仪器设备有限公司生产)。具体测定方法为：从已烘干的样品中选取具有代表性样品约1/5(不少于20g)，粗粉碎后按四分法取1/4 样品研磨粉碎并均匀混合，称取约1g试样(精确到1mg)，放入热量计中测定其热值含量。测定环境温度在20℃左右。每份样品做2次重复试验，若误差在±0.1%以内，取其平均值作为样品的干质量热值；若误差超出了±0.1%，则重复再做1次试验，取相差最近的2次测定结果的平均值，作为样品的干质量热值。

1.2.2 去灰分热值测定

去灰分热值(AFCV)是指除去灰分含量后的纯净干物质的热值。去灰分热值与干质量热值和灰分质量具有密切的关系，其关系式为：

(1)

1.2.3 灰分质量测定

灰分质量是指植物体矿物元素氧化物的总和。灰分质量的测定采用干灰化法，即样品在马福炉(德国进口马福炉，FB1410M—33CN)内，550℃下灰化5h后测定其灰分质量。具体做法与干质量热值测定的方法一样。用样品的灰分质量除以样品质量，算出灰分含量。

1.2.4 全株热值测定

由于树种不同组分的热值存在着一定差异，单木或林分各组分的生物量在总生物量中所占的权重又不尽相同，因此，以每个树种各组分热值(干质量热值/去灰分热值)的算术平均值作为该树种或由该树种所组成的林分的平均热值并不能真实地反映实际情况。只有根据各组分的生物量权重计算林分的平均热值，才能真实地反映其实际平均水平及每一组分在平均值中的贡献。有鉴于此，本研究在估算全株热值时，按照下列公式计算：

(2)

1.3 数据处理

采用SPSS统计软件包建立试验和观测结果数据库，对相关试验数据进行单因素方差分析(one-way ANOVA)，采用最小显著差法(LSD)对相关指标进行多重比较和t检验分析。

2 结果与分析

2.1 植物各器官的热值

青海省主要乔木树种各器官的干质量热值和去灰分热值分别在21.20 MJ/kg～26.60 MJ/kg和22.20 MJ/kg～28.28 MJ/kg之间。就干质量热值而言，每种植物均以叶片为最高，其它器官热值大小的排序存在种间差异；就去灰分热值而言，每种植物均以叶片为最高，干为最低，其它器官热值大小的排序存在种间差异，见表2。

单因素方差分析结果显示：① 就干质量热值而言，每种植物叶片的干质量热值均显著高于其它器官(P<0.05)；其它器官之间因物种不同而有不同的表现，其中，青海云杉的树皮与死枝、枝条与死枝两两之间差异显著，川西云杉的干与树皮及枝条两两差异显著，紫果云杉其它器官间差异均不显著，祁连圆柏的干与枝条、枝条与根、死枝与根两两之间差异显著，大果圆柏的干与树皮差异显著。②就去灰分热值而言，除紫果云杉外，每种植物叶片的干质量热值均显著高于其它器官(P<0.05)；其它器官之间因物种不同而有不同的表现，其中，青海云杉干与树皮及枝条两两之间差异显著，川西云杉干与树皮、枝条、死枝以及树根与树皮、枝条、死枝两两之间差异显著，紫果云杉仅干与叶差异显著，祁连圆柏干与其它器官之间差异显著，大果圆柏干与树皮差异显著。

全株热值(包括干质量热值和去灰分热值)均以紫果云杉为最高，祁连圆柏为最低。云杉属全株干质量热值略高于圆柏属(P<0.05)，前者全株去灰分热值同样略高于后者，但差异不显著(P>0.05)，仅青海云杉和祁连圆柏之间表现出显著差异。

表2 主要乔木树种各器官热值属、树种组分干质量热值/(MJ/kg)灰分含量/%去灰分热值/(MJ/kg)青海云杉干22．420．4522．52根22．721．6923．13树皮22．874．9024．05枝条23．094．1124．09死枝22．044．7523．15叶24．545．7226．03全株22．882．2723．44川西云杉干22．150．4822．26根21．992．0622．45树皮23．313．8424．24枝条23．323．4424．15死枝23．084．2824．11叶24．865．4726．30全株22．902．2323．45紫果云杉干22．660．4322．76根23．052．1423．56树皮23．014．6224．12枝条23．194．6624．33死枝22．705．3523．99叶23．895．0525．17全株22．922．2723．48云杉属干22．390．4522．49根22．591．8223．02树皮22．984．6524．10枝条23．154．0324．13死枝22．324．7223．43叶24．545．6026．00全株22．892．2623．45

续表2 主要乔木树种各器官热值属、树种组分干质量热值/(MJ/kg)灰分含量/%去灰分热值/(MJ/kg)祁连圆柏干22．070．5922．20根22．494．0923．45树皮21．658．0323．54枝条21．207．7022．97死枝21．397．1723．04叶25．425．9527．02全株22．343．5423．19大果圆柏干22．370．5322．50根22．423．6723．28树皮21．548．3323．50枝条21．726．5123．23死枝21．865．1923．06叶26．605．9328．28全株22．613．3323．42圆柏属干22．160．5722．29根22．473．9723．40树皮21．628．1223．53枝条21．357．3423．05死枝21．536．5723．05叶25．775．9427．40全株22．423．4823．26

一般而言，干质量热值大小排序为：繁殖体>叶>枝>皮>干>根。这是因为，植物组分干物质量热值的高低，直接受植物体内脂肪、蛋白质和碳水化合物的影响，叶作为植物体生理活动最活跃的器官以及植物进行光合作用的场所，含有较多的高能化合物如蛋白质和脂肪等物质；繁殖体花、果实、种子、胚轴等含有大量高能的粗脂肪和蛋白质；干、枝和皮是植物体的支持或营养运输器官，组成以纤维素和木质素为主，纤维素和木质素的热值相对蛋白质和脂肪低；而根部则残留了大量从土壤中吸收的低能的矿物质和氧化物，灰分含量高[14]。所以，通常叶、繁殖体的干质量热值较高，干、枝、皮的热值较低，根最低。与上述结果略有不同的是，本研究中，各植物除了叶的干质量热值显著高于其它器官外，其它各器官总体上无显著差异，这可能是因为，本研究的植物主要生长于高海拔寒冷地区，为了适应高寒环境，各器官都储存了较多的高能化合物所致。

2.2 植物各器官的灰分含量

青海省主要乔木树种各器官的灰分含量在0.43%～8.33%之间，不同树种灰分含量最小的器官均为干，其他器官灰分含量大小的排序存在种间差异，其中青海云杉和川西云杉灰分含量最高的器官是叶，紫果云杉灰分含量最高的器官是死枝，祁连圆柏和大果圆柏则以树皮为最高，见表2。

单因素方差分析结果显示：总体上，各树种的树干与其它器官的灰分含量差异显著(P<0.05)，因树种不同，树皮、根和叶与其它器官之间也有不同的表现，见表3。

全株灰分含量以祁连圆柏为最高，川西云杉为最低；云杉属全株灰分含量显著低于圆柏属(P<0.05)。

表3 各器官灰分含量单因素方差分析结果组分1组分2显著性祁连圆柏大果圆柏青海云杉川西云杉紫果云杉干树皮∗∗∗∗∗枝条∗∗∗∗∗死枝∗∗∗∗△叶∗∗∗∗∗根∗∗△△树皮干∗∗∗∗∗枝条△△△△△死枝△△△△△叶∗∗△∗△根∗∗△△枝条干∗∗∗∗△树皮△△△△△死枝△△△△△叶∗△∗∗△根∗∗∗∗死枝干∗∗∗∗△树皮△△△△△枝条△△△△△叶△△△△△根∗△∗∗叶干∗∗∗∗∗树皮∗∗△∗△枝条∗△∗∗△死枝△△△△△根△∗∗∗

续表3 各器官灰分含量单因素方差分析结果组分1组分2显著性祁连圆柏大果圆柏青海云杉川西云杉紫果云杉根干∗∗△△树皮∗∗∗△枝条∗∗∗△死枝∗△∗∗叶△∗∗∗注：有∗表示组分1和组分2之间差异显著，有△表示组分1和组分2之间无显著差异。

2.3 不同龄组热值和灰分含量特征

不同龄组的热值和灰分含量分析表明(表4)：①相同龄组不同树种的热值存在差异，对比云杉属和圆柏属各龄组的热值特征发现，幼龄林中二者在干质量热值、灰分含量和去灰分热值上均存在显著差异(P<0.05)，中龄林中在干质量热值和灰分含量上存在显著差异(P<0.05)，成熟林中无显著差异(P>0.05)；具体到各树种，幼林龄中，祁连圆柏和青海云杉的干质量热值差异显著(P<0.05)，祁连圆柏与青海云杉及川西云杉的灰分含量均差异显著(P<0.05)，所有树种的去灰分热值两两间均不显著(P>0.05)。②相同树种不同龄组的干质量热值和去灰分热值，在圆柏属中总体呈增加趋势，在云杉属中则表现各异；各树种的灰分含量均呈现随年龄增加而减少的趋势。单因素方差分析结果显示，除了青海云杉的灰分含量在不同龄组中存在显著差异外，其它树种的干质量热值、灰分含量和去灰分热值在不同龄组间均无显著差异(P>0.05)。这一结果与在亚热带地区生长的针叶树种基本一致，在对杉木(湖南)[16]和马尾松(广东)[14]的研究中发现：随着年龄增加，植物的热值有所增加。

表4 不同龄组热值特征树种(属)干质量热值/(MJ/kg)灰分含量/%去灰分热值/(MJ/kg)幼龄林中龄林成熟林幼龄林中龄林成熟林幼龄林中龄林成熟林青海云杉22 9822 8422 632 721 991 7123 6523 3323 04川西云杉23 0422 6622 962 332 182 0523 6223 2023 46紫果云杉23 0922 842 682 0623 7423 35祁连圆柏22 2722 3122 683 743 423 1723 1623 1323 45大果圆柏22 4122 5622 813 683 462 9123 2923 4023 53云杉属 23 0022 8222 792 622 031 8823 6523 3223 25圆柏属 22 3022 3922 743 733 453 0423 1823 2723 49

2.4 不同海拔热值和灰分含量特征

从调查样本的海拔特征出发，将海拔分为3个区间：3000m以下、海拔3000m～3500m以及3500m以上(表5)。

表5 云杉属和圆柏属调查样地的海拔分布海拔区间/m样本数圆柏属云杉属总计<3000814223000～3500161127>35006410

分析不同海拔热值和灰分含量的关系：①同一树种，随海拔变化，其干质量热值、灰分含量和去灰分热值均有波动，但不同海拔间的热值特征无显著差异(P>0.05)。②相同海拔，在3000m以下时，仅分布祁连圆柏和青海云杉，二者的干质量热值和灰分含量均差异显著(P<0.05)；在3000m～3500m时，5个树种均有分布，但树种间的热值(包括干质量热值和去灰分热值)差异均不显著(P>0.05)，但灰分含量在祁连圆柏和青海云杉及川西云杉间差异显著(P<0.05)；在3500m以上时，仅分布有大果圆柏和川西云杉，二者的干质量热值、灰分含量和去灰分热值均差异不显著(P>0.05)(表6)。

表6 不同海拔热值特征树种(属)干质量热值/(MJ/kg)灰分含量/%去灰分热值/(MJ/kg)<30003000～3500>3500<30003000～3500>3500<30003000～3500>3500青海云杉22 8522 982 342 1223 4223 50川西云杉22 9522 882 402 1523 5523 40

续表6 不同海拔热值特征树种(属)干质量热值/(MJ/kg)灰分含量/%去灰分热值/(MJ/kg)<30003000～3500>3500<30003000～3500>3500<30003000～3500>3500紫果云杉22 922 2723 48祁连圆柏22 3522 343 433 6023 1723 20大果圆柏22 6022 613 413 2823 4223 41云杉属 22 8522 3922 882 343 572 1523 4223 2423 40圆柏属 22 3522 9422 613 432 193 2823 1723 4823 41

3 结论

通过对青海省云杉属和圆柏属乔木树种热值和灰分含量测定分析，结果发现：

1) 青海省云杉属和圆柏属5个乔木树种全株的干质量热值在22.34 MJ/kg～22.92 MJ/kg之间，去灰分热值在23.19 MJ/kg～23.48 MJ/kg之间，灰分含量在2.23%～3.54%之间，云杉属的干质量热值显著高于圆柏属，灰分含量显著低于圆柏属。

2) 不同器官的热值特征显示，青海省主要乔木树种各器官的干质量热值和去灰分热值分别在21.20 MJ/kg～26.60 MJ/kg和22.20 MJ/kg～28.28 MJ/kg之间。就干质量热值而言，每种植物叶片的干质量热值均显著高于其它器官(P<0.05)，其它器官之间因物种不同而有不同的表现；就去灰分热值而言，除紫果云杉外，每种植物叶片的去灰分热值均显著高于其它器官(P<0.05)；其它器官之间因物种不同而有不同的表现。

3) 不同器官的灰分含量特征显示：青海省主要乔木树种各器官的灰分含量在0.43%～8.33%之间，不同树种灰分含量最小的器官均为干，其他器官灰分含量大小的排序存在种间差异；总体上，各树种的树干与其它器官的灰分含量差异显著(P<0.05)，因树种不同，树皮、根和叶与其它器官之间也有不同的表现。

4) 树种热值会受到年龄影响，相同树种不同龄组的干质量热值和去灰分热值，在圆柏属中总体呈增加趋势，在云杉属中则表现各异，然而这种差异并不显著(P>0.05)。

5) 各树种的灰分含量均呈现随年龄增加而减少的趋势；但除了青海云杉外，其它树种的灰分含量在不同龄组间均无显著差异(P>0.05)。

6) 海拔变化对植物的热值和灰分含量均无显著影响。

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CharacteristicsofCaloricValuesandAshContentsofMainAfforestationTreeSpeciesinQinghaiProvince

LUO Yan1, TANG Caifu1, DONG Xu2, XIN Wenrong2, ZHAO Fengyu2

(1.Shanshui Conservation Center, Beijing 100871, China；2.Qinghai Forestry Survey and Design Institute, Xining 810007, Qinghai, China)

In order to understand the calorific values features of Tibet Plateau forest, this study analyzed the caloric values and ash content values of main afforestation tree species in Qinghai province. The results showed as below. ① Range of Gross caloric values, ash-free caloric values and ash content values in whole plants of 5 tree species inPiceaandSabinawere between 22.34 MJ/kg～22.92 MJ/kg, and 23.19 MJ/kg～23.48 MJ/kg, and ash content values were between 2.23% and 3.54%. Calorific values ofPiceawere significantly higher than that ofSabina, while ash content values ofPiceawere significantly lower than that ofSabina.②Range of Gross caloric values, ash-free caloric values in organs of all 5 species inPiceaandSabinawere betwwen 221.20 MJ/kg～26.60 MJ/kg, and 22.20 MJ/kg～28.28 MJ/kg, and ash content values were 0.43%～8.33%. The gross caloric values of leaves were significantly higher than that of other organs in all analyzed species. The ash-free caloric values of leaves were also significantly higher than that of other organs in all analyzed species exceptPiceapurpurea. The ash content values of stem were less than that of other organs. ③ Caloric values and ash content values of tree species in this study were affected by age and altitude, but this effect was not significant in general.

caloric value; ash content;Picea;Sabina; Qinghai province

2015—01—15

项目来源：青海省林业厅项目(QHGH2013-001)。

罗艳(1979—)，女，博士，主要从事生态系统生态学研究。

Q 947

A

1003—6075(2015)01—0042—06

10.16166/j.cnki.cn43—1095.2015.01.012