能源不仅关系到一个国家经济的快速增长和社会的可持续发展，也关系到国家安全和外交战略(黄娟等, 2009)。在我国，生物质能是仅次于煤炭、石油和天然气的第4位能源(邓可蕴，2000)，是唯一一种可再生的碳源。生物质能就是太阳能以化学能形式贮存在生物质中的能量形式, 即以生物质为载体的能量(成亮，2010)。植物光合作用固定的太阳能除被呼吸作用消耗外，其余部分以有机物形式积累后为植物生长提供生物潜能，该潜能可以用热值来表示，即单位干物质所含的能量(kcal·kg^-1)。它比植物有机物能更直观地反映植物对太阳能的固定和转化效率，是评价植物太阳能累积和化学能转化效率高低的重要指标(孙国夫等, 1993；林光辉等, 1991)。Golley(1961)认为热值是生物体的遗传特性、养分条件和生活史的综合体现。研究植物热值在开发林木生物质能源中具有重要作用，其数值高低是判定树种能否作为能源利用的重要依据之一(周群英等, 2009)。国外学者对植物热值的研究已有数十年历史, 而我国学者关于植物热值的研究起步较晚(Long，1934；Golley，1968；杨福囤等, 1983；任海等, 1999；林益明等, 2000)。

生物量是指一个有机体或群落在一定时间内积累的有机质总量。生物量数据是研究许多林业问题和生态问题的基础, 是现代森林生态系统研究中的重要组成部分，对研究生态系统物质和能量的固定、消耗、分配、积累和转化有着重要意义(王震，2006)。当前对白桦(Betula platyphylla)(王鑫，2010)、马尾松(Pinus massoniana)(林挺秀，2010)、槐树(Sophora japonica)(邹蓉等，2010)、冷杉(Abies fabri)(杨兵等，2010)、落叶松(Larix gmelinii)(刘亚茜等，2010)、麻竹(Dendrocalamus latiflorus)(周本智等，1999)、青杨(Populus cathayana)(燕辉等，2010)、毛白杨(P. tomentosa)(董雯怡等，2010)、侧柏(Phatycladus orientalis)(李朝等，2010)以及长白山区几种主要森林群落木本植物(郭忠玲等，2006)的生物量研究颇多。刺槐(Robinia pseudoacacia)作为世界上造林面积仅次于桉树(Eucalyptus spp.)的速生阔叶树种，因其抗性强、生长速度快、薪材产量和热值均较高而成为许多地区的重要燃料型能源树种(蔡宝军等, 2008)。对刺槐的生物量方面有所研究(张国君等, 2010; 万子俊等, 2010)，但是关于刺槐无性系间生物量与热值关系的研究极少。本研究以在河南陕县栽种的3-I等4个刺槐无性系为对象，测定其灰分含量和热值，同时开展生物量调查以比较不同无性系单株能量差异以及刺槐不同部位的能量差异，以期筛选出灰分含量低、热值高的无性系，为合理利用和开发刺槐生物质能源提供科学依据。

1 材料与方法 1.1 试验地概况

试验地位于河南省陕县张汴乡寺园村，地势为梯田，较平，西南向，土壤为褐土，土层厚度达数米。位于河南省西部，地处34°34′ N，111°08′ E，平均海拔800 m。属暖温带大陆性气候。全年无霜期210天，年均降雨量600~800 mm, 平均日照2 354.4 h，平均气温11.3 ℃，昼夜温差大。

1.2 试验材料

2004年3月在河南省陕县栽种刺槐试验林，造林密度为2.5 m×1.5 m，栽培苗木为当年生苗，无性系分别为3-I(2003年通过河南省科技厅鉴定)、豫刺槐1号(2000年通过河南省品种委员会审定)、匈牙利四倍体(从匈牙利引进)，以一般刺槐实生苗为对照(CK)。试验林设计为大样本，每个无性系面积为0.2 hm²。

2009年4月，每无性系随机抽取100株调查胸径、树高、冠幅等指标，得出平均数，以各项指标的平均数作为样木标准，其中豫刺槐1号平均胸径6.0 cm, 树高6.8 m, 冠幅4.3 m²；3-I平均胸径6.6 cm, 树高7.1 m, 冠幅5.35 m²; 匈牙利四倍体平均胸径4.5 cm, 树高4.8 m, 冠幅2.2 m²；CK平均胸径6.5 cm, 树高7.5 m, 冠幅5.15 m²。每个无性系选取标准木5株，共选样木20株。标准样木砍伐后，树干部分以2 m为一区分段，靠近地面的为下部，顶部的为上部，中间2 m为中部，如果总长超过6 m，取靠近上部的2 m作为中部，总长不够6 m时上、中、下部平均分段，各段切割好后称其鲜质量(kg)。同时用电子秤称量每株样木的枝质量。试验标准样枝按每株样木所有枝条的平均枝粗选取，枝粗以本枝中部粗度计。标准样木采取后自然干燥保存，于2010年7月对样木各段树干、树枝进行热值和灰分测定。

1.3 试验方法 1.3.1 检测项目

主要检测样品的全水分、工业分析、发热量，继而得出干质量热值(kcal·kg^-1，即每千克干物质在完全燃烧条件下所释放的总热量)、去灰分热值(kcal·kg^-1)和灰分含量(%)。其中干质量热值以收到基低位发热量表示，去灰分热值=干质量热值/(1-灰分含量), 灰分含量=灰分质量/样品质量×100%。同时测定样木各段、枝的干质量(kg, 绝对干质量)，以比较不同无性系间的单株能量(kcal)差异。并据鲜质量和干质量，得出树干和树枝的含水率(%)，其中含水率=(鲜质量-干质量)/鲜质量×100%。

1.3.2 检测方法

样品的检测在河南省节能及燃气具产品质量监督检验站进行。所有样品在85 ℃恒温下烘干至恒质量(即每小时测定1次，相邻2次测定结果相差在2 mg范围内时，后者为恒质量)，并称其干质量。进行项目检测的样品经粉碎机粉碎后充分混合。全水分检测按GB/T 211—2007的空气干燥一步法进行；工业分析检测按GB/T 211—2008进行，其中水分测定按其标准中的空气干燥法进行，灰分测定按快速灰化法B进行；全硫检测按GB/T 214—2007的库仑滴定法进行；发热量检测按GB/T 213—2008的恒温式热量计法进行。

1.3.3 数据分析

用DPSv7.05软件对数据进行统计分析，用LSD检验法进行多重比较。

2 结果与分析 2.1 刺槐不同无性系树干和枝的生物量

由图 1可见:在相同的立地条件下，刺槐4个无性系间树干及枝的鲜质量差异均极显著。树干鲜质量以豫刺槐1号为最大，以匈牙利四倍体为最小，豫刺槐1号分别较CK、匈牙利四倍体高106%，276%，3-I分别较CK、匈牙利四倍体高60%，191%，由大到小排序为豫刺槐1号＞3-I＞CK＞匈牙利四倍体。树枝鲜质量以3-I为最大，以匈牙利四倍体为最小，3-I分别较豫刺槐1号、CK高52%，13%，由大到小排序为3-I＞CK＞豫刺槐1号＞匈牙利四倍体。枝干(树干和枝的合计简称)总鲜质量以豫刺槐1号为最大，以匈牙利四倍体为最小，豫刺槐1号分别较CK、匈牙利四倍体高54%，214%，3-I分别较CK、匈牙利四倍体高41%，189%，由大到小排序为豫刺槐1号＞3-I＞CK＞匈牙利四倍体。从图 1、图 2可以看出：在4个刺槐无性系中，树干以及枝干总干质量总体对比结果与其鲜质量一致，树枝干质量对比结果与其鲜质量略有区别，3-I与豫刺槐1号差异不显著。

2.2 刺槐不同无性系树干和枝的含水率

通过树干及枝的鲜质量和干质量比较，得出相应的含水率。由图 3可知：4个刺槐无性系树干的含水率在39%~40%之间，树枝含水率在40%~41%之间，差异均不显著(P > 0.05)。4个刺槐无性系间的树枝含水率均大于对应的树干含水率。

2.3 灰分含量分析 2.3.1 刺槐不同无性系的灰分含量差异

以刺槐树干上、中、下3部位以及树枝的平均灰分含量进行无性系间灰分含量比较。从图 4可知：刺槐4个无性系的平均灰分含量值在0.8%~1.2%之间，含量高低排序为3-I＞匈牙利四倍体＞豫刺槐1号＞CK，经方差分析，差异不显著(P > 0.05)。

2.3.2 刺槐不同部位的灰分含量差异

本试验对树干的上、中、下3个部位以及树枝的灰分含量进行比较。由图 5可知：它们的灰分含量值在0.6%~1.4%之间，树干中部最低，树枝含量最高，分别较树干上、中部高出61%，83%，差异极显著。含量高低排序为树枝＞树干下部＞树干上部＞树干中部。

2.4 热值分析 2.4.1 刺槐不同无性系的单位热值比较

植物生物量转化成相应的能量用干质量热值表示(周群英等, 2009)。以刺槐树干上、中、下3部位以及树枝的平均干质量热值进行无性系间单位干质量热值比较。由图 6可知：刺槐4个无性系的单位干质量热值在3 750~3 950 kcal·kg^-1之间，最高的为3-I，显著高于最低的匈牙利四倍体，3-I分别较匈牙利四倍体、CK高出4.6%, 1.8%，由高到低排列顺序为3-I > CK > 豫刺槐1号 > 匈牙利四倍体，说明对刺槐进行高热值选择是可行的。为了消除不同无性系灰分含量的差异对热值的影响, 植物热值用去灰分热值来表示，刺槐4个无性系的单位去灰分热值在3 800~4 000 kcal·kg^-1之间，最高的为3-I，显著高于最低的匈牙利四倍体，3-I分别较匈牙利四倍体、CK高出4.8%，2%，由高到低排列顺序为3-I > CK > 豫刺槐1号 > 匈牙利四倍体。去除灰分后，热值的高低排列顺序与干质量热值相同。这和周群英(2009)的研究结果不同，可能是无性系间灰分含量差异不显著的缘故。

2.4.2 刺槐不同无性系的单株枝干热值比较

为更好地比较不同无性系单株热值的差异，根据生物量调查结果，计算出单株枝干热值。由图 7可知：在相同立地条件下，刺槐4个无性系的单株枝干干质量热值在每株10 900~35 000 kcal之间，差异极显著，以豫刺槐1号为最大，匈牙利四倍体最小，豫刺槐1号分别较CK、匈牙利四倍体高52%，219%，3-I分别较CK、匈牙利四倍体高43%，201%，CK较匈牙利四倍体高110%。单株枝干干质量热值由高到低变化趋势为豫刺槐1号 > 3-I > CK > 匈牙利四倍体。单株枝干去灰分热值在每株11 000~35 500 kcal之间，变化趋势和单株枝干干质量热值相同，并与枝干总生物量变化趋势相同，说明生物量较大程度上影响着单株热值，对刺槐能源林经营进行高生物量品种选择是可行的。

2.4.3 刺槐不同部位的单位热值比较

本研究对刺槐树干上、中、下3个部位以及树枝的单位热值进行测定。由图 8可知：刺槐4个部位的单位干质量热值在3 800~3 960 kcal·kg^-1之间，最高的为树干中部，最低为树干下部，4个部位的单位去灰分热值在3 840~4 000 kcal·kg^-1之间，仍以树干中部为最大, 树干下部为最小。4个部位的单位干质量热值以及去灰分热值的高低排列顺序均为树干中部 > 树枝 > 树干上部 > 树干下部。经方差分析，4个部位之间的单位干质量热值以及去灰分热值差异均不显著(P > 0.05)。

3 结论与讨论

1) 在相同时间和相同立地条件下，刺槐枝干生物量4个刺槐无性系中豫刺槐1号生物量最大，3-I次之，匈牙利四倍体最小。刺槐4个无性系的单株枝干干质量热值和去灰分热值的变化趋势均为豫刺槐1号 > 3-I > CK > 匈牙利四倍体，并且无性系间差异极显著，说明选择高生物量、高热值的刺槐无性系是可行的。综合影响植物能量的热值、灰分、生物量等因素，无性系豫刺槐1号选做能源刺槐树种栽培最为理想，3-I次之，匈牙利四倍体最差。

2) 刺槐4个无性系中，3-I灰分含量最高，CK灰分含量最低。刺槐各部位中，树枝灰分含量最高，树干中部灰分含量最低。灰分含量的高低能反映不同植物对矿质元素选择吸收与积累的特点(郝朝运等, 2006)，无性系3-I以及刺槐树枝灰分含量较高表明其富集元素的能力较强。刺槐4个无性系间的灰分含量在0.8%~1.2%之间，与海南东寨港的红树植物(2.43%~5.17%)、福建东山的木麻黄(Casuarinn equiestifolia)(3.06%~5.98%)、福建华安的竹类植物(8.05%~28.14%)、广西北海市海岸砂土木麻黄(4.53%)、海南尖峰岭热带山地雨林46种乔木(平均灰分含量为6.8%)、福建厦门的3种棕榈植物(2.78%~9.11%)、广东东莞的5种桉树(1.75%~3.96%)(周群英等, 2009)、新疆克拉玛依4种杨树(0.62%~2.13%)(刘灿等, 2010)相比，处于相当低的水平上，而低灰分含量是理想燃料的主要指标之一。同时刺槐4个无性系的单位干质量热值在3 750~3 950 kcal·kg^-1之间, 远高于木材的平均低位发热量3 298.2 kcal·kg^-1(黄素逸等, 2004)的水平, 也是刺槐作为能源树种的重要依据。

3) 刺槐4个无性系间单株枝干热值排序和单株枝干总生物量的排序一致，而与单位热值排序不一致，加上刺槐4个部位间的单位热值差异不显著，说明区别刺槐无性系间和部位间的热量，单位热值不是主要影响因子，生物量的差异应该重点考虑。刺槐4个无性系单位干质量热值和去灰分热值的高低排列顺序相同，均为3-I > CK > 豫刺槐1号 > 匈牙利四倍体。刺槐4个部位单位干质量热值和去灰分热值的高低排列顺序均为树干中部 > 树枝 > 树干上部 > 树干下部。从单位热值来说，无性系3-I和树干中部是比较理想的能源刺槐无性系和部位。说明选择单位干质量热值高的品种是可行的，单位干质量热值和去灰分热值的高低排列顺序相同，这与周群英(2009)等研究桉树的结果不一致，可能是无性系间灰分含量差异不显著的缘故。

4) 作为刺槐全株能量研究，刺槐的根和叶片灰分含量和热值的分析有待进一步研究。此外，造林密度能显著影响林分生物量，一般而言，单株生物量随密度的增大而明显减小。本研究的试验林造林密度为2.5 m×1.5 m，当密度增加或减小时，研究结论也许会有所不同。因此，在营造能源林时，应根据实际需要选择合适的造林密度。

5) 作为一种可再生的“清洁”能源, 林业生物质能源在我国能源结构及经济社会发展中的作用和地位应该得到进一步提高，林业生物质能源的研究和开发利用工作应该得到加强，林业生物质能转化利用技术水平有待进一步提升。为应对我国燃料型生物质能源利用的工业化，需要建立能源林基地来维持原料的持续供应。