山区生物质能源树种荆条经营技术研究

2014-03-13王学勇顾新庆董少韩

安徽农业科学 2014年2期

王学勇，顾新庆，董少韩，王辉

(1．河北省林业科学研究院，河北石家庄 050061；2．河北省林木良种工程技术研究中心，河北石家庄 050061)

随着世界能源危机的不断加剧，开发利用可再生能源成为调整能源结构、保障能源安全的重要举措[1]。生物质是唯一的可再生碳源，也是重要的可再生能源，其含硫量和灰分都比煤炭低，是名副其实的可再生清洁能源。林木生物质能源因其洁净性及替代化石能源的可行性而受到了越来越多的关注[2]，林业生物质在山区储量巨大，易于种植，适宜规模化生产，是山区生物质能源开发的主体原料，是解决未来能源危机，改善生态环境，实现能源可持续发展的一条重要途径[3]。

荆条(VitexnegundoL.van.heterophylla)属于马鞭草科牡荆属植物，黄荆的变种，落叶灌木或小乔木，因其根系发达，萌发能力强，既能在肥厚的棕壤和褐土上生长，又能在石灰岩山地形成群落，具有较强的生态适应性和抗逆性[4]，分布几乎遍布全国各地，尤以太行山区更为显著。但由于立地条件较差，处于野生状态的荆条生长缓慢，抽枝能力较差，如长期不进行更新复壮，就会出现生长停滞，甚至枝梢衰老现象，根据林木生物质资源种类，在现有技术条件下，按照开发利用的途径不同，可将荆条纳入生物固体燃料加以开发利用。为获取较高地上部生物量，笔者对太行山区的现有荆条林的经营技术进行了研究，以期为荆条能源林建设提供理论依据。

1 材料与方法

1.1试验地概况试验地设在平山县北冶乡咂杜村，属于半干旱半湿润大陆性季风气候区，四季分明，春季干旱多风，夏季炎热多雨，秋季天高气爽，冬季寒冷少雪。平均海拔240 m，年平均气温12.7 ℃，平均无霜期为160 d，平均日照时数2 611 h，年有效积温4 853.5 ℃。年均降水量550 mm，降雨集中，分布不均。母岩以片麻岩为主，间有少量石灰岩和页岩分布。土壤以褐土为主，属于典型的石质山地类型，在太行山区具有很高的代表性。

1.2试验材料及设计荆条生物量是在生长稳定的多年生实生林基础上一次平茬，平茬后逐年观测基部新萌发的地上部分生物量，地上部生物量测定采用平均株丛法。按不同立地条件和树龄选择标准地，面积20 m×10 m，试验采用随机区组，3次重复。采用收获法测定样方内的生物量，能源林以生物量和热值高低为主，生物量包括果实、叶、基部枝条和根，因荆条的果实、叶和根在生产收割时很难操作，故只进行了地上部分基部枝条生物量的测定，根据实际情况确定地径0.3 cm以下，高50 cm以下为无用条。密度试验地选择为实生同龄多年生自然分布的荆条林，不同密度也呈自然分布，疏密不均，选择不同密度进行平茬，调查其地上部生物量。

1.3样品处理及测定11月下旬，树木生长停止后，在标准地内沿一定路线进行每丛检尺。检尺因子有:丛高、冠幅、地径、分枝数等，并取其平均值，选5丛标准丛，从地表处砍伐，分别测定灌丛枝条重，取样在室内测定含水率，得出地上部生物量。干质量热值采用由河南鹤壁生产的微机全自动量热仪，型号为ZDHW-6型，分别在80 ℃下烘至恒定质量，称量并粉碎过筛，取粒径小于0.2 mm，质量0.9～1.1 g(精确到0.000 2 g)的样品作为测定材料，置于洁净的燃烧皿中测定热值，以干质量热值表示。

2 结果与分析

2.1平茬高度对地上部生物量的影响苗高和地径是评价苗木质量的重要指标[5]，枝条数决定叶片数量，叶片数量的多少决定苗木光合作用能力，枝条数量越多，光合作用越大，有利于苗木内有机质的合成和积累[6]。生物量是评价植株长势的综合指标[7]。各平茬高度处理见表1。

表1 不同平茬高度对地上部生物的影响

从表1可看出，随着平茬高度增加，株丛高度变化不大，株丛的枝条数在增多，但地径生长呈下降趋势，这是因为平茬高度越高，枝条基部的芽眼增多，平茬的刺激促使其萌发更多的枝条，但由于养分和营养空间的限制，萌发条之间竞争加剧，这就出现了萌发条越多，枝条数越细，无用条越多。进一步的方差分析表明，各处理在地径上无差异，但枝条数方面平茬高度10 cm和15 cm 2个处理之间无差异，但与平茬高度为5 cm处理差异显著。枝条质量的变化也决定了地上部生物量的改变。从表1中还可看出，地上部生物量最高的是平茬高度为10 cm，最少的是高度5 cm，大小顺序为：平茬高度10 cm>15 cm>5 cm。经方差分析和多重比较，处理高度10 cm和处理高度5 cm差异极显著，但和处理15 cm之间差异不显著。考虑到平茬高度越高，限制了荆条的更新复壮，投工成本增加，经济效益下降，故在生产上以平茬高度越低越好。综上所述，以平茬高度10 cm获取的地上部生物量最高，表现最好。

2.2不同轮伐期对地上部生物量的影响在确定了合适的平茬高度后，对多年生荆条又进行了轮伐周期的试验，轮伐期确定关系到能源林的受益早晚[8]，试验以4年为周期，具体结果见表2。

表2 不同轮伐期对地上部生物量的影响

由表2可知，经过对多年生荆条地上部分收获后，当年从基部新萌发出来的有效枝条数的地径随着林龄增长，地径也在增长，大小顺序为1年1次<2年1次<3年1次<4年1次<多年1次。方差分析表明， 1年1次砍伐的枝条地径和2年1次之间无差异，但和3年1次、4年1次和多年1次差异极显著。而平均枝条数从1年1次开始到多年生荆条的枝条数不增反而下降，其中最多的为1年1次，平均为43.4条。荆条枝条数的多少顺序为1年1次>2年1次>3年1次>4年1次>多年1次。从地上部生物量来看，大小顺序为多年1次>1年1次>2年1次>3年1次>4年1次，1年1次的生物量明显高于其他处理的生物量，进一步的方差分析表明，1年1次和2年1次之间无差异，但和3年1次和4年1次差异显著。出现这种情况可能，一是自然整枝的结果，因枝条太密，植物受顶端优势影响，下部一些见不到光的枝条缺乏营养而枯死，二是生殖生长，开花结实，消耗了大量的养分，限制了萌发条的高、径生长以及生物量的增长。由表2可知，对多年生荆条收割后，第2年接着进行平茬，可获得较高的地上部生物量，即以1年1次进行轮伐生物量比较高，收获较好。

2.3连年平茬对地上部生物量的影响对多年生荆条收割后，可知以1年为轮伐期的生物量比较高，收获较好。为了试验是否连续每年平茬都能产生较高的生物量，笔者又布设了连年平茬对地上部生物量影响的试验，试验结果见表3。

表3 连年平茬对地上部生物量的影响

从表3可以看出，荆条经过连年平茬，其地径和高均有不同程度的下降，尤其是地径平均生长量第2年下降了16.3%，第3年比第2年下降幅度更大，达到30.0%。同时地上部生物量也由第1年的2.41 kg/m2下降到了第2年的1.92 kg/m2，下降了20.3%，第3年比第2年又下降了28.6%，说明连续平茬造成地上部生物量大幅下降，大小顺序为第1年>第2年>第3年，方差分析表明各处理之间差异极显著。依据荆条分布在太行山区地块破碎、土壤瘠薄、干旱少雨等立地条件较差这一实际情况，连续平茬势必造成根系伤害甚至死亡，因此，认为荆条平茬最多只能连续进行2年，就得休养2年，让根系得到生长，再进行平茬。

2.4不同轮伐期荆条干质量热值植物的热值显示其能量含量[9]，可以通过热值大小衡量树种(无性系)能量累积能力[2]。荆条不同轮伐期干质量热值存在明显差异，轮伐期1年1次的干质量热值为最高(4 326 cal/g，1cal=4.18 J)，其次是3年1次(4 307 cal/g)，而4年1次为最低(4 230 cal/g)，干热值大小顺序为第1年>第3年>第2年>多年生>第4年。进一步的方差分析表明，轮伐期为1年1次、2年1次和3年1次这3个处理和4年1次干热值差异极显著，1年1次和多年1次在0.05水平上差异显著，但1年1次、2年1次和3年1次之间无差异。由此可见，荆条的干热值是以新生枝较高，作为能源林其轮伐期不宜超过3年。

2.5不同密度对地上部生物量的影响从表4可知，经营密度越大，株丛枝条数越少，枝条地径也越细，地上部生物量越多，地上部生物量大小顺序为密度0.5 m×0.5 m>1.0 m×1.0 m>1.5 m×1.5 m>2.0 m×2.0 m。经方差分析，密度0.5 m×0.5 m和1.0 m×1.0 m 这2个处理和另2个密度处理差异极显著，但密度0.5 m×0.5 m和1.0 m×1.0 m之间无差异。由于太行山区土层薄、肥力不足，对地上部生物量来说，密度不是越大越好，从开发利用和保护角度出发，荆条实生灌丛密度以1.0 m×1.0 m为宜。