杨树栽植中沼气应用研究设计

顾弘宇，林 涛，陈香君

(南京林业大学土木工程学院，南京210037)

杨树 (Populus sp.)是生长迅速、适应性广、抗性强的优良树种，在人工林种植中占有重要地位，目前全世界杨树人工林种植面积达到706万hm2，我国已达666万hm2，占全世界的94.3%，大大超过其它国家总和［1］。但是，速生杨树林由于种植周期短、采伐频繁，很难形成原生自然林具有的林间温润气候、植物竞争演替及落叶、杂草和落花腐烂、风化降解的循环助长环境，再加上速生杨树林地力消耗大及生产过程中的化肥催生、农药杀虫，使得土地贫瘠化速度加快，影响了杨树种植的质量。本研究依据人工杨树林的土壤养分供应能力、杨树养分需求状况及杨树生长中的代谢循环规律，设计林农复合生态系统，通过人工干预手段将杨树林中的枝叶、杂草及林间养殖、种植残余污物进行沼气化生产加工，为杨树快速生产提供大量的有机肥，解决杨树生长过程中的养分供给与土壤改良问题，探索人工杨树种植新模式。

沼气发酵是指各种农业废弃物在厌氧条件下被沼气微生物分解代谢，最终形成以甲烷为主要成分的混合气体的过程，是一个复杂的生物化学过程［2］，沼气技术是生物质能的开发和利用的重要途径，也是农业废弃物能源化利用的关键手段，沼气的综合利用即“三沼 (沼气、沼液和沼渣)利用”在我国可持续农业发展战略中具有重要意义，以沼气为纽带可促进物质和能量在系统内部有多重循环利用，如我国北方开发的“四位一体”高效种养结合发展模式［2］，在利用沼气作为能源的同时，充分利用沼气发酵残余物作为优质的有机肥料和饲料的功能，形成以沼气为纽带的“饲料一肥料一能源一环境”复合生态工程，具有较高的经济效益和社会效益［3］。

1 试验地沼气利用的可行性分析

试验地位于南京八卦洲西北角，比邻八卦洲的长江北堤。试验地面积为39 hm2，其中，有林地面积为32.3 hm2(幼龄林11 hm2，中龄林13.3 hm2，成熟林8 hm2)。树种主要为意大利杨 (Populus euramevicana cv.‘I－214’)，目前最大的树木胸径已达30 cm，总的林木蓄积量约为930 m3;农作物占地面积为2 hm2，主要种植蔬菜、粮食和其他经济作物;其他所占地面积为4.7 hm2，有两个人工开挖的池塘和一个小型养鸡场，其余的为道路、房屋所占面积。试验地常住管理人员5人。

试验区杨树叶的产出量大，树叶与枝干的产出比为1.3∶1，平均每1 m2内枯枝落叶物重量为692g/a，整个试验区枯枝落叶总量约为170 t。杨树叶是一种营养相对丰富的生物质原料，在自然灾害时期，杨树曾被作为抵御饥荒的食品。中国林科院林化所对杨树叶营养成份的测定表明，杨树叶营养成份含粗蛋白6.1%、粗脂肪6.8%、粗纤维23.9%、灰分16.2%、无氮浸出物47.0%;每千克杨树叶粉中含叶绿素824 mg、胡罗卜素27 mg，维生素C 842 mg。一株6 a生杨树，枯枝落叶中主体叶子与枝条养分含量高，按 N、P2O3、K2O、CaO和MgO顺序，叶子的含量分别是木材含量的23.8、5.07、10.7、4.8和14.6倍，枝条的含量分别是木材含量的5.5、13.1、5.3、21.8和2.8倍［4］。杨树落叶由于含有较高的营养成分，在经过科学方法发酵后能够产出高质量的沼气。

试验区杨树叶生产沼气具有以下优越性:

(1)试验区目前尚未通电，生活燃料问题、照明问题没有得到很好解决。通过沼气生产产出生活燃料，可改善试验区人员的工作生活条件。

(2)沼渣沼液作为高品质有机肥，能为试验区作物提供全面营养，增加和更新林地里的土壤有机质，促进微生物繁殖，改善土壤的理化性质和生物活性。

(3)利用了试验区落叶及家禽粪便，避免了由此造成的污染，改善了试验区环境卫生条件，为杨树培育与林间种植、养殖提供了优良的环境。

(4)结合沼气生产，杨树种植，农牧生产，构建立体生产系统，如图1所示。实现多种经营全面发展，改变之前只种杨树的单一经营各局，促使沼气生产、林、农、牧业形成相辅相成，可持续发展的良好局面。

2 沼气应用设计

2.1 试验区沼渣沼液特性及排放量

根据试验区杨树生长养分需求情况，预防沼渣沼液排放量大产生过剩造成二次污染，试验区沼渣量设计为10～15 t;沼液量为60～90 t，相当于1 920～2 880 kg碳铵的肥效。

图1 以沼气为纽带的立体生产系统Fig.1 The stereo manufacturing system using methane as a link.

实验区沼渣、沼液的主要成份:沼渣、沼液约占沼气生产总质量的96%，主要成份有:

(1)多种水解酶:蛋白酶、淀粉酶、纤维素酶等。

(2)多种维生素 B:B1、B2、B5、B6、B11和B12。

本试验选择EDTA间接配位滴定法测定SO2-的4方法，实现海藻盐中SO24-的快速定量测定。试验选取市场上比较普遍的、具有代表性的食用盐产品-海藻盐，采用国家标准检验方法，对批量盐产品的含量进行检测。同时，通过试验分析镁基复盐乙二胺四乙酸二钠镁（Mg-EDTA）在反应体系中的作用原理，总结影响盐水中含量滴定结果准确性的操作条件，讨论不同钡镁含量对测定方法的影响，在实践基础上总结出该方法的操作要点、适宜参数等。经多次验证实验，表明该法可以有效避免试液离子的干扰，终点变色灵敏，检测快速，结果准确，能够满足单一和批量样品定量检测的需要。

(3)多种氨基酸:不少于17种。

(4)多种植物激素:吲哚乙酸、赤霉素、细胞分裂素。

(5)抗生素:多烯类抗生素。

(6)腐植酸。

(7)微量金属元素:铁、钙、铜、锌、锰、钼等。

(8)粗纤维素、纤维素 (较秸秆、杂草含量高)。

2.2 沼气池容积

按常住5个工作人员计算沼气用量，生活所需气量主要为煮饭、烧水、洗浴，每人需气量0.3 m3，5人共1.5 m3;其他所需气量 (主要为饲料加工、大棚保温等)约2 m3，共合计每天所需气量3.5 m3。

2.3 沼气装置设计

设计中需要考虑杨树枯枝落叶、畜禽粪便数量和作物沼渣沼液需要数量的平衡关系。秋季枯枝落叶数量最大，这时进行集中收集，堆放处理后作为沼气原料。这一过程需要考虑收集时的用工和堆放场地问题，避免堆放不当造成污染。畜禽粪便产出量总体比较均衡，总量与禽畜数量有关。畜禽数量、枯枝落叶数量和作物面积之间的平衡关系:畜禽数量、枯枝落叶数量过大会引起沼渣沼液过剩，产生二次污染，太少不能充分利用沼气设施，不能提供作物足够的有机肥，沼气设施不能连续生产，达不到设计目的。

此外，南京地区冬天温度较低，每年平均有3个月左右的时间温度低于10℃，在这种情况下沼气菌很难繁殖，如不采取特殊的措施，沼气装置将不能连续工作，考虑到以上情况，试验区沼气装置采用并联联网并与温室相结合的设计，如图2所示。

图2 沼气与温室结合Fig.2 The combination of methane and greenhouse

该设计特点和优势如下:

(1)联网式沼气装置加上温室提供的保障可实现沼气生产规模化。可在低温的情况下确保沼气装置连续工作，实现沼气的连续供气，实现产能最大化要求。

(2)有利于余气储存和使用，使沼气原料发酵成熟周期从常规60 d以上，缩短到45 d左右，沼气、沼肥等产能提高1倍以上。

(3)可实现独立安装联合工作。减轻搬运、安装、换料中的工作强度，使用更加方便，提高了装置利用率，安装、换料工作效率提高2～3倍，装置利用率提高1倍以上。

(4)能根据试验区杨树叶的供给情况以及在投入生产时沼渣沼液排放情况，满足试验区沼气厌氧发酵的生物技术要求，装置工作容量可灵活增加或减少，实现优化组合，避免进出料导致的生熟料混杂，同时也减少因原料、沼渣沼液储存导致配套成本增加。

3 预期效益

3.1 经济效益

(1)施肥。施用化肥每亩成本为80元，年需48 000元;施用沼渣沼液每亩成本为52元，年需31 200元，年节约16 800元。

(2)设施能耗。使用电能 (不计前期投入)年需33 000元;使用沼气年需13 500元，年节约19 500元。

(3)其他(生活，饲料等)。年节约22 000元。

3.2 生态环境效益

(1)减少系统生活垃圾、树木落叶产生的污染，例如清理、焚烧落叶产生的烟尘排放，改善系统环境质量。

(2)营造无公害生产设施，使有限的土地资源，良性耕作，不受污染，高质量、高效率的产出。

(3)提高植物剩余物的利用价值，为设施培育、林间种植、立体养殖提供了良性支承，保障了林间养殖、种植的良好环境和生产系统的和谐优化循环状态;

(4)以试验地为依托，为进一步开发沼渣沼液中的氨基酸、B族维生素、水解酶、植物激素、病虫害抑制物质或因子提供支撑［5］。

4 前景展望

我国杨树的栽培历史悠久，种类繁多，分布广，与人民的经济生活有着密切的关系。随着国家大力建设速生丰产林、工业用材林、纸浆林基地，杨树种植更是得到前所未有的发展。同其他速生丰产树种一样，杨树种植由于周期短、砍伐频繁，落叶、杂草和落花难易腐烂降解，连续种植将使土壤变得贫瘠［6－7］。研究结合林农复合生态系统要求，对沼气应用进行设计，尝试建立多环节、多层次、高效益的系统，探索杨树种植新模式。我国人多地少，土地资源稀缺，人工杨树林种植模式可为其他人工林种植提供参考和借鉴，在我国具有广阔的发展前景。

［1］朱光前.木材供需概况及对策建议［A］.新世纪初我国木材工业发展问题研讨会论文集［C］.2000.

［2］朱能武.好氧堆肥的代谢酶变化和生物毒性物质的降解［J］.华南理工大学学报(自然科学版)，2005，33(11):6－9.

［3］李鸣雷，刘萌娟.农业废弃物资源化利用的微生物学途径探讨［J］.西安文理学院学报(自然科学版)，2007，10(3):5 －8.

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［6］陈礼清，赵安玖，陈正清，等.人工林地力衰退现状及防治对策［J］.西南农业学报，2004(17):43 －45.

［7］闫 研，李风日.帽儿山地区山杨次生林林木竞争关系的研究［J］.森林工程，2009，25(3):23 －25.