优选适宜边际土地栽培的高产能源作物及其厌氧发酵产气潜力研究

付传翠， 董泰丽， 孙颖材

(山东民和生物科技股份有限公司， 山东 蓬莱 265600)

优选适宜边际土地栽培的高产能源作物及其厌氧发酵产气潜力研究

付传翠， 董泰丽， 孙颖材

(山东民和生物科技股份有限公司， 山东 蓬莱 265600)

为保障大型沼气工程充足的发酵原料供给、促进山东胶东半岛区域边际土地生物质原料生产，文章从能源作物生物质量(干重)、生物质产气潜力等两个方面考虑，选择了狼尾草、能源玉米、甜高粱这3种作物的8个品种在胶东半岛的蓬莱地域边际土地上进行种植，通过测定8个品种的生物质产量、产气潜力等相关指标进行检测、分析，结合边际土地的栽培条件，综合评价分析选择出生物质产量(干重)高、产气潜力大的能源作物品种。结果表明：在蓬莱地域边际土地上的生物质量(干重)以能源玉米(先玉335品种)最佳，其次是甜高粱(中能品种)，多年生狼尾草，生物质量(干重)分别为33.5 t·hm-2y-1，33.0 t·hm-2y-1，30.5 t·hm-2y-1；沼气产量是以甜高粱(中能品种)最佳，其次是能源玉米(先玉335品种)和多年生杂交狼尾草，其沼气(CH460%)产量分别为：10509.7 m3·hm-2y-1，6589.6 m3·hm-2y-1，6188.5 m3·hm-2y-1。其中多年生狼尾草在蓬莱地域栽培以扦插为主，用工较多，不适合在蓬莱地域大规模种植。甜高粱(中能品种)和能源玉米(先玉335品种)适合大规模种植为规模化沼气工程提供充足的发酵原料；同时提高了胶东半岛区域边际土地的利用率，获得良好的边际土地应用潜力。

能源作物； 边际土地； 生物质量(干重)； 产气潜力

生物质能源是全球最有前景的可再生替代能源[1-4]，其中生物燃气是世界范围内最具商业化发展潜力的生物质能源之一，欧盟制定了到2020年可再生能源必须占总能源消费量20%的强制性目标，其中至少25%的份额将依靠生物燃气；因为，生物质是绿色植物通过光合作用形成的有机体，可转化生物天然气；因此，高光效高生物量能源作物的开发利用是生物质原料的供应保障[3]，并为大型沼气工程提供充足的发酵原料，改善沼气工程中畜禽粪便单一原料发酵存在的营养失衡与供给不稳等问题，研究如何拓展发酵原料，优选高产、高品质的能源作物。其中抗性强、光能利用效率高、种植成本低、生态效益好和适宜边际土地上种植的作物被认为是最具开发利用前景的能源作物[4-6]。

我国宜能荒地可垦得净耕地面积1.608×107hm2，若这些宜能荒地全部用于种植能源作物，理论可满足年产量约9.56×1010m3生物燃气的原料需求，可见能源作物作为发酵原料制备生物燃气技术的应用潜力巨大。但目前国内以能源开发为目的的草本能源植物研究尚未开展[4]，能源作物发酵制备生物燃气技术尚未实现规模化应用，如何根据当地气候条件，因地制宜地选育高产能源作物品种，为规模化能源作物厌氧发酵制备生物燃气提供原料支撑是笔者研究的重要内容之一。

1 试验时间与地点

研究于2014年和2015年在山东民和生物科技股份有限公司试验基地进行两年优选种植试验，该基地位于烟台蓬莱市(E120°，N 37°)属典型的暖温带大陆性季风气候，年平均气温11.7℃，年平均日最高气温28.8℃，年平均日最低气温-2.3℃，极端最高气温38.8℃，极端最低气温-14.9℃，年平均降水量664 mm，年均日照量2826小时，无霜期平均206 d，相对湿度65%，平均海拔高度15～25 m；属丘陵地带。

2 试验材料与方法

2.1 供试能源作物

在对我国北方地区能源作物产量品质特性、生态适应性[7-20]等的研究基础上，根据蓬莱的典型山东胶东半岛气候情况，分析初选适宜该区域种植的高产作物类别，初选品种为狼尾草(纤维素类)、玉米(淀粉类)、甜高粱(糖类)等8个品种，如表1所示。

表1 能源作物品种

2.2 试验装置

试验由田间种植栽培试验及实验室试验两部分组成；田间种植栽培试验中重要检测数据是产量数据，实验室试验重要数据检测是TS和VS检测与产气潜力检测；种植栽培优选试验及实验室试验除常用的种植设备、测量工具及实验室检测常规设备外，所用主要指标检测设备见表2。

表2 研究用主要设备

2.3 能源作物产量、生物质量(干重)测定

根据不同作物品种的生长周期和播种要求进行合理种植，收获并测定不同作物不同品种的单位面积产量、单位面积生物质量(干重)，以确定其生长适应性。

2.4 不同能源作物品种产气潜力监测方法

将接种物和物料在厌氧发酵器中以接种物VS∶物料VS=2∶1比例进行添加并混匀，安装密封及搅拌装置，通入高纯氮气排出厌氧发酵反应器上层空气营造厌氧条件，连接气体收集装置，保温37℃开始厌氧发酵；测定每日产气量，待产气量低于总产气量1%时认定产气阶段结束。产出气体经过碱吸收装置去除其中的CO2和H2S 等气体，剩余气体计为CH4；采用自动化气体体积测量仪测定CH4体积，测定不同作物不同品种的甲烷产气潜力。

3 结果与分析

3.1 不同品种狼尾草生物质量(干重)与产气潜力比较分析

不同品种狼尾草在发酵产气过程中，日净产甲烷量的变化如图1所示。由图1可知，该试验发酵可持续时间为23 d。多年生狼尾草与一年生狼尾草发酵启动速度、产气规律基本一致，两者均在第1天迅速启动，第2～8天处于快速产气阶段，峰值出现在第4～5天，一年生狼尾草峰值出现略早于多年生狼尾草，两者在出现峰值后随后均明显回落。第1～3天两者净产气量基本一致，自第3天始，一年生狼尾草日净产气量均低于多年生狼尾草。

图1 不同品种狼尾草发酵产甲烷量随时间的变化

品 种鲜重生物质量(干重)沼气产量(生物质量)沼气产量(t·hm-2y-1)(t·hm-2y-1)(m3·t-1TS)(m3·hm-2y-1)一年生7018.0152.212739.8多年生15033.0187.536188.5

由表3看出，狼尾草作物中多年生狼尾草产量、生物质量(干重)、沼气产量均高于一年生狼尾草，分别较一年生狼尾草高出：83.33%，125.87%。结合图1与表3，多年生狼尾草由于自第3天后的日净产气量均高于一年生狼尾草，因此出现了总产气量较一年生狼尾草高出125.87%。

根据图1与表3可以看出，供试的2个狼尾草品种中多年生狼尾草从单位面积生物质量(干重)、产气启动速度、日净产气量及总产气量上均具有明显优势。

3.2 能源玉米生物质产量、产气潜力分析

不同品种能源玉米在发酵产气过程中，日净产甲烷量的变化如图2所示。由图2可知，该试验可发酵持续时间为22 d；不同品种能源玉米发酵启动速度：北农青贮略高于先玉335和豫青贮23；产气规律基本一致；均在2～3 d时出现产气峰值，但不同品种间有较大差异，其中北农青贮208>先玉335>豫青贮23，随后明显回落；三者日净产气量主要集中在1～7 d；等质量的干物质，北农青贮具有明显的产气潜力优势。

由表4看出，3个品种在带棒达到青贮标准时进行收割，先玉335鲜重年产量及生物质量(干重)均远高于北农青贮208与豫青贮23，其生物质量(干重)先玉335分别较两者高出94.77%，100.60%；其单位面积产气量活杆玉米显著高于北农青贮208，豫青贮23，分别高出109.61%，122.97%。

图2 不同品种能源玉米发酵产甲烷随时间的变化

品 种鲜重生物质量(干重)沼气产量(生物质量)沼气产量(t·hm-2y-1)(t·hm-2y-1)(m3·t-1TS)(m3·hm-2y-1)北农青贮20855.517.2182.783143.8豫青贮2357.016.7176.972955.4先玉335150.033.5196.706589.6

注：北农青贮208，豫青贮23在蓬莱地区其青贮生长期为100 d，一年仅可种植一季；先玉335在蓬莱地区青贮生长期80 d，一年可种植两季。对北农青贮208，豫青贮23进行100 d及先玉335进行80 d(两季)的生物产量、产气潜力数据进行测定、分析。

结合图2和表4数据分析，从单位面积生物质量(干重)及总产气量分析，先玉335具有明显的优势。

3.3 甜高粱生物质量(干重)、产气潜力分析

不同品种甜高粱在发酵产气过程中，日净产甲烷量的变化如图3所示。由图3可知，该试验可发酵持续时间为29 d。不同品种甜高粱发酵启动速度：中能品种在第一天达到峰值45 mL·g-1TS，牛魔王与海牛均在第二天达到峰值，峰值分别为27.5 mL·g-1TS，20.5 mL·g-1TS这3者峰值差距明显；随后明显回落；总体日净产气量总体趋势是：中能>牛魔王>海牛；第8天后牛魔王与海牛产气量极低，而中能一直保持一定产气量至第27天。

图3 不同品种甜高梁发酵产甲烷量随时间变化

品种鲜重生物质量(干重)沼气产量(生物质量)沼气产量(t·hm-2y-1)(t·hm-2y-1)(m3·t-1TS)(m3·hm-2y-1)牛魔王82.511.8183.002159.4海 牛48.011.1143.161589.1中 能69.030.5344.5810509.7

由表5看出，中能生物质量(干重)、沼气产量明显高于牛魔王与海牛，其生物质量(干重)中能分别较牛魔王、海牛高出158.47%，174.77%；其单位面积产气量中能显著分别较牛魔王、海牛高出：386.70%，561.36%。

结合图3及表5可以看出，供试的3个甜高粱中，中能品种从产气启动速度、集中产气时间、日净产气量、总产气量上均具有明显的优势。

3.4 各能源作物类别中优势品种间生物质产量、产气潜力对比分析

由表6可以看出，生物质量(干重)以能源玉米—先锋系列的先玉335最佳，其次是甜高粱中的中能品种、多年生狼尾草，生物质量(干重)分别为33.5 t·hm-2y-1，33.0 t·hm-2y-1，30.5 t·hm-2y-1；沼气产量是以甜高粱中的中能最佳，其次是先玉335，多年生狼尾草，其沼气产量分别为：10509.7 m3·hm-2y-1，6589.6 m3·hm-2y-1，6188.5 m3·hm-2y-1。

3.5 不同能源作物中优势品种间种植管理对比分析

狼尾草、玉米、甜高粱这3者具有各自的特点，其中多年生狼尾草在笔者试验地区不能完成自然越冬，需每年扦插，规模化种植用工多，而玉米、甜高粱靠播种相对省工，结合笔者试验区域特点多年生狼尾草不适合在胶东半岛区域进展规模化种植；甜高粱与能源玉米两个品种在实际种植生产中需根据各自的特点、各品种的生物质量(干重)、沼气产量以及种植目的，对品种进行综合评判选择，以期达到生产效益最大化。

表6 各能源作物类别中优势品种生物质量(干重)、沼气(CH4 60%)产量对比

4 结论

(1)不同品种的同类作物间产气规律具有一定的一致性。

(2)不同作物之间以及同种作物不同品种间产气规律等存在较大的差异。

(3)试验中甜高粱厌氧发酵时间最长为29 d；其次是狼尾草为23 d，能源玉米为22 d。

(4)甜高粱、能源玉米日净产气量峰值明显，高产气量持续时间短；狼尾草出现峰值后相对回落较平缓，在连续式发酵工艺中的原料利用率及投入方面甜高粱、能源玉米具有明显优势。

(5)单位面积生物质量(干重)以能源玉米(先玉335)最佳，其次是甜高粱(中能)，多年生狼尾草，生物质量(干重)分别为33.5 t·hm-2y-1，33.0 t·hm-2y-1，30.5 t·hm-2y-1。

(6)沼气产量是以甜高粱(中能)最佳，其次是能源玉米(先玉335)和多年生狼尾草，其沼气产量分别为：10509.7 m3·hm-2y-1，6589.6 m3·hm-2y-1，6188.5 m3·hm-2y-1。

(7)多年生狼尾草在山东胶东半岛地域不能安全自然越冬，需每年扦插用工多，不适合在该地区规模化种植。

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Selection of High Yield Energy Crops for Marginal Land and Its Biogas Production Potential /

FU Chuan-cui，DONG Tai-li， SUN Ying-cai /

(Shandong Min-he Biotechnology Co Ltd，Penglai 265600，China)

To provide sufficient fermentation raw material for large biogas engineering, and promote the biomass production on marginal land in Jiaodong peninsula in Shandong, three kinds of energy crops includingPennisetum, energy corn (Xianyu 335), sweet sorghum(Zhongneng), with totally 8 species were planted on marginal land in Penglai district, Shandong province. Their biomass production (dry weight) and the biogas production potential were determined and analyzed. The result showed that the energy corn (Xianyu 335) had the best biomass production of 33.5 t·hm-2y-1, and then sweet sorghum(Zhongneng)was 33.0 t·hm-2y-1,perennialPennisetum30.5 t·hm-2y-1. For the biogas production potential, the sweet sorghum(Zhongneng) was the best, and then energy corn (Xianyu 335) and perennialPennisetum, they were 10509.7 m3·hm-2y-1，6589.6 m3·hm-2y-1，6188.5 m3·hm-2y-1respectively. Due to the cuttage planting were the main way for the perennialPennisetumplanting, more labours were needed and not suitable for large-scale cultivation in Penglai, the energy corn and sweet sorghum were suitable for large-scale cultivation providing sufficient raw materials for the biogas engineering, and improving the utilization of marginal land.

energy crops； marginal land； biomass yield(dry weight)； biogas production potential

2016-10-14

项目来源： 2014年度国家科技支撑课题(2014BAD24B01)

付传翠(1980-)，女，硕士，农艺师，主要从事沼肥资源化利用研究工作，E-mail ：chuancuifu@163.com

董泰丽，E-mail：dongtaili@126.com

S216.4； X712

B

1000-1166(2017)02-0072-05