林业科学  2013, Vol. 49 Issue (11): 129-134   PDF    
DOI: 10.11707/j.1001-7488.20131118
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文章信息

李迎超, 于海燕, 付甜, 邹全程, 王利兵
Li Yingchao, Yu Haiyan, Fu Tian, Zou Quancheng, Wang Libing
中国栓皮栎资源生产燃料乙醇的潜力及其空间分布
Spatial Distribution and Bio-Ethanol Potential of Quercus variabilis in China
林业科学, 2013, 49(11): 129-134
Scientia Silvae Sinicae, 2013, 49(11): 129-134.
DOI: 10.11707/j.1001-7488.20131118

文章历史

收稿日期:2012-12-03
修回日期:2013-07-06

作者相关文章

李迎超
于海燕
付甜
邹全程
王利兵

中国栓皮栎资源生产燃料乙醇的潜力及其空间分布
李迎超1, 于海燕1, 付甜2, 邹全程3, 王利兵1    
1. 中国林业科学研究院林业研究所国家林业局林木培育重点实验室 北京 100091;
2. 中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所 北京 100091;
3. 国家林业局调查规划设计院 北京 100714
摘要:利用气候、土壤、地形和土地利用等数据,运用ArcGIS的空间叠加分析功能,定量分析中国栓皮栎资源的空间分布及乙醇生产潜力。结果表明:中国适宜栓皮栎分布的区域较广,总面积可达26 250.41×104hm2,栓皮栎乙醇总潜力为270.90×104~1204.11×104t·a-1,至少满足我国目前E10乙醇汽油需求的42.71%;适宜栓皮栎生长的未利用地面积为1.53×104hm2,其乙醇生产潜力可增加中国目前E10汽油0.88%左右。如果选育出优良的品种,进行科学的栽培管理,在保证粮食安全的前提下,至少可满足我国目前E10乙醇汽油需求的41.21%以上。因此,栓皮栎可以作为我国将来燃料乙醇的重要原料来源。
关键词栓皮栎    燃料乙醇    资源潜力    空间分布    
Spatial Distribution and Bio-Ethanol Potential of Quercus variabilis in China
Li Yingchao1, Yu Haiyan1, Fu Tian2, Zou Quancheng3, Wang Libing1     
1. Key Laboratory of Forest Cultivation of State Forestry Administration Research Institute of Forestry, CAF Beijing 100091;
2. Institute of Forest Ecology, Environment and Protection, CAF Beijing 100091;
3. Academy of Forest Inventory and Planning, State Foresty Administration Beijing 100714
Abstract: Quercus variabilis which distributes widely in China has got a high starch content. The plant has been valued as a non-grain ethanol crop inland, but studies concerning the productive potential of ethanol from Quercus variabilis as well as its spatial distribution are not adequate. In this research, spatial distribution of Quercus variabilis based on spatial analysis techniques has been analyzed and the resource potential of Quercus variabilis ethanol has been quantified. Data on climate, soil, topography, land use and that from relevant literature about Quercus variabilis has utilized by ArcGIS. The results indicated that the proper distribution area of Quercus variabilis is wide(26 250.41×104hm2), and the total potential ethanol productivity is 270.90×104t·a-1-1 204.11×104t·a-1,which catered to 42.71% of the total ethanol demand in China. Thereinto not much unused land(1.53×104hm2)could be exploited which could lead to 0.88% of the total ethanol demand for E10 gasoline in China. The productive potential of ethanol could be increased by through selection of high yielding variety and boost of plant management to meet 41.21% of E10 demand all around China. Therefore, Quercus variabilis should be deemed as a critical raw material of fuel ethanol in the future.
Key words: Quercus variabilis    bioethaonl    resource potential    spatial distribution    

全球石油危机、气候变暖、人口增长与粮食安全等问题,使得发展生物质能源的大潮已经席卷全球(Farrell et al.,2006;Balat et al.,2009;Tian et al.,2009)。其中,生物燃料乙醇由于其原料供应充分、生产工艺成熟、产品应用广泛,已成为各国竞相发展的重点产业之一1)。对于中国这样的发展中国家,在经济高速发展的同时,由于人口众多、耕地资源紧缺,致使能源消耗过快、环境污染压力增加和粮食安全问题突出,所以以玉米(Zea mays)、小麦(Triticumaestivum)等粮食作物作为原料来生产生物乙醇的可行性很小。但是,我国“边际性”土地资源相对丰富,如将发展非粮生物乙醇作为重点,可实现生物乙醇生产原料多元化,还能够避免出现能源作物与粮棉作物争地、能源生产与人争粮的负面影响(Fairless,2007;曾麟等,2006;严陆光,2008),并且利用“非粮”原料发展生物燃料乙醇也是我国可再生能源的中长期发展规划(张彩霞等,2010)。

1) 石元春. 2006. 中国生物质资源与产业化战略研究. 中国工程院咨询项目报告.

栎属(Quercus)是发展生物乙醇重要的“非粮”原料(谢碧霞等,2008;齐学军等,2011;李安平等,2011;罗伟祥等,2009),无论从世界范围还是从我国来看,栎属在森林植被建设的优势树种选择和造林上广泛采用的主要树种中都占有重要的地位。据统计,我国橡实林面积达1.33×107~1.6×107 hm2,年产橡实估计在60亿~70亿kg,其中栎类最多(谢碧霞等,2008)。栓皮栎(Quercus variabilis)在栎属中的地位特别突出(罗伟祥等,2009),根据作者对全国栓皮栎资源的调查以及各地林业资源管理部门或单位的配合,并查询近10年来关于栓皮栎在当地的资源分布数据,栓皮栎林的面积按橡实林面积的1/10来算,为133×104~160×104 hm2,按栓皮栎生产乙醇的平均产量为22 900 t·a-1来算,可满足我国目前E10乙醇汽油需求的0.63%。橡实种仁中淀粉质量分数达51%~59%(每50 kg约合41 kg玉米),是丰富的燃料乙醇原料,还是生产木材、软木、栲胶、薪炭、食用菌等的主要原料,在发展地方经济、保护生态平衡等方面有着巨大的作用(Guzmán-Guzmán et al.,2006;漆民楷等,1992;高根虎等,2002)。因此,应该说栓皮栎是极具发展潜力的能源树种(罗伟祥等,2009)。

国内对栓皮栎的研究多集中在生物学特性(周建云等,2003;武康生,1990;谢会成等,2004)、地理分布(吴征镒,1980;郑万钧,1985;雷明德,1999;张仰渠,1989;傅焕光等,1978)、资源培育(张存旭等,2003;2004;2005;郑均宝等,1990;张理宏,1992)、群落特征(朱志诚,1979)、种群动态(吴明作等,1999a;1999b;2000;刘彩云,2008)、群落物种多样性(程瑞梅等,1998)、生态位(吴明作等,1999c)、橡实淀粉燃料酒精生产工艺(李安平等,2011)等方面,针对栓皮栎资源的空间分布及其作为燃料乙醇的生产潜力缺乏系统的研究与评价。本研究通过分析栓皮栎的生长环境(气温、降水、土壤质地和养分等)和自然条件,以遥感解译数据为基础,划分出栓皮栎在我国适宜分布的区域,然后通过经验公式推算出我国栓皮栎可转化为燃料乙醇的潜力,所得结果可为我国栓皮栎燃料乙醇产业的规划与发展以及相关政策的制定提供重要参考。

1 试验材料与数据预处理

本研究所用地理空间数据均从共享平台收集而来,包括中国科学院资源环境科学数据中心(http:∥www.resdc.cn/first.asp)提供的中国1:100万土壤数据、中国90 m DEM数据和中国2000年1 km×1km分辨率的土地利用栅格数据,其中,土壤数据包括土壤类型、pH值、全N、全P、全K、有机质和土壤质地;中国生态系统研究网络数据共享系统(http:∥www.cerndata.ac.cn/)提供的1971—2000年中国1 km×1 km栅格气候数据(30年平均)。

应用空间信息处理软件ArcGIS 9.2对所得数据进行预处理,完成土壤属性数据的空间化,从DEM数据提取土壤坡度数据。首先将所得的土壤、地形、气候、土地利用数据进行投影转换,统一坐标系统;并通过图像重采样,将图像分辨率统一为1 km×1 km,便于叠加分析。

2 研究方法 2.1 中国栓皮栎空间适宜分布

根据收集到的文献资料(罗伟祥等,2009;傅焕光等,1978;张文辉等,2002),分析确定栓皮栎适宜生长的最低自然环境条件为: ≥10 ℃有效积温范围为2 000~8 200 ℃,极寒温度>-25 ℃,年降水量为500~2 000 mm,土壤pH值为4~8,海拔≤3 000 m,坡度<25°(根据中国环境保护政策确定可种植的坡度范围)。依据栓皮栎生长的最低环境条件和适宜环境条件,利用温度、土壤养分综合情况、坡度和土地利用等数据,将栓皮栎适宜生长条件和生长条件下限分别依据各指标应用空间数据处理软件ArcGIS 9.2进行空间叠加分析,得到栓皮栎的适宜分布区和最大可能分布区。然后进一步将最大可能生长范围与土地利用类型图叠加剔除掉建设用地和水域(设定符合生长条件的未利用地有沙地、戈壁、盐碱地、沼泽地、裸土地、裸岩地和其他未利用地),从而生成未利用地适宜种植区。

2.2 栓皮栎分布适宜性评价

林地适宜性评价是土地资源优化配置的重要内容,对制定土地利用规划、进行林业结构调整、保护区域生态环境、实现区域资源环境可持续发展具有重要意义(李晋明等,2012)。目前我国栓皮栎大部分生长或栽植在山区、丘陵、岭脊等地,缺乏灌溉条件,因此天然降水是栓皮栎水分供应的主要来源,依据文献(罗伟祥等,2009;傅焕光等,1978)对栓皮栎生长需水量的研究,将栓皮栎对降水条件的适应性划分为4个等级(表 1)。本研究依照坡度对土壤侵蚀以及植被生长影响程度在坡度25°以下的区域内划分出4个级别(表 1)。由于土壤肥力过低,一方面会增加化学能(即化肥)的投入,另一方面会造成产量过低,出于对能源投入产出效率的考虑,参考《全国1:400万土壤肥力质量分布图集》中土壤综合养分评价的方法,按土壤肥力与营养综合评价(SOM、全N、全P、全K)得分划分为4个适宜级别(表 1)。土壤肥力级别的划分方法详见张彩霞等(2010)。然后,将土壤坡度、日均温10 ℃以上期间的降水量、土壤养分做如下运算:

SCORE=G×P×Ns

式中: G代表坡度等级;P代表日均温在10 ℃以上时段的降水量等级;Ns代表土壤综合养分质量等级。SCORE=0为不适宜区,0<SCORE<6为适宜性较差区,6≤SCORE≤12为较适宜区,SCORE>12为最适宜区(表 1)。

表 1 中国栓皮栎空间分布的适宜性评价 Tab.1 Suitability assessment on the spatial distribution of Quercus variabilis in China
2.3 中国栓皮栎乙醇生产潜力

作者实地调查了栓皮栎橡实在中国各地的产量情况,综合其他学者的研究(罗伟祥等,2009;傅焕光等,1978),推算出栓皮栎橡子的产量为67.5~300 kg·hm-2,平均产量为93.8 kg·hm-2,按1 t无水乙醇需橡子6.54 t计算(其中,无水乙醇产量=橡子产量/1 t无水乙醇需栓皮栎橡子的量)。以栓皮栎乙醇产量的最低值(10.32 kg·hm-2)、最高值(45.87 kg·hm-2)和均值(14.34 kg·hm-2)分别估算中国栓皮栎乙醇在适宜分布区和未利用地适宜区的低产、高产和平均产量水平的生产潜力。

3 结果与分析 3.1 中国栓皮栎的空间适宜分布及评价

图 1可以看出,我国大部分省份均适宜栓皮栎生长,其总适宜面积可达26 250.41×104 hm2。通过坡度、土壤综合肥力和年日均温大于10 ℃期间的降水量3个条件的叠加分析可得,最适宜栓皮栎种植的面积占26.7%,主要分布在辽宁省的东北部、山东省东南部、安徽省中部、云南省中北部、河南省、江苏省、陕西省南部、贵州省中北部、湖北省中部、四川省东部、吉林省南部、黑龙江省东部等,该区最适宜开发或栽培栓皮栎生态能源林,开发或栽植栓皮栎的能耗较低,可能引起的土壤侵蚀也较小。秦岭山地和大别山相连形成一个分布中心,从栓皮栎分布的密集程度和古木大树的数量之大来看,秦岭和伏牛山应是栓皮栎的核心分布区。较适宜区的面积约为69.8%,主要分布在吉林省中东部、辽宁省中西部、河北省、北京市、天津市、山东省、山西省、浙江省、安徽省南部、湖北省东部和西部、重庆市、陕西省、甘肃省南部、四川省东部、贵州省、云南省、广西省、广东省、湖南省、江西省、福建省等地,这些省份植被生存条件一般,西北部地区植被生长一般需要灌溉,南部地区多需要排水条件良好,且大部分地区还需适当施肥。西藏自治区南部、贵州省、广西省、四川省、江西省、广东省等部分地区栽培栓皮栎的适宜性较差,其面积约有3.5%,该区域多环境条件极端,部分区域有干旱和过涝的现象、土壤瘠薄、坡度大于25 °的区域较多,如果在该区域种植栓皮栎,则将消耗较多能量,使得投入产出不呈正比,甚至可能引起进一步的土壤侵蚀。

3.2 中国未利用地栓皮栎的空间适宜分布及评价

虽然栓皮栎适宜面积很广,但是我国没那么多土地可利用,只有一些“未利用土地”,因此,我们对图 1和我国的未利用土地进行了叠加,得到图 2。从图 2可以看出,栓皮栎在中国未利用地可分布的区域较小,主要位于黑龙江省和吉林省的交界区、辽宁省部分地区、河北省中北部和北京的交界区,其他省份,如山西省、陕西省、河南省、湖南省、湖北省、江西省、甘肃省南部以及云南省、四川省也均有分布,其总面积达387.05×104 hm2,在1 km2的全国空间分布图上较难辨别。其中,最适宜种植栓皮栎的面积为32.1%,主要分布在黑龙江省和吉林省交界、湖北省、陕西省和河南省交界处,而占绝大部分的是较适宜的未利用地,占总面积的65.2%,主要分布在河北省中北部和北京市交界、陕西省、河南省、湖北省、江西省、云南省以及四川省等。

图 1 中国栓皮栎空间适宜分布区 Fig. 1 Spatial suitable distribution of Quercus variabilis in China
图 2 中国未利用地栓皮栎的空间适宜分布 Fig. 2 Spatial suitable distribution of Quercus variabilis of unused land in China
3.3 中国栓皮栎乙醇的生产潜力 3.3.1 适宜分布区栓皮栎乙醇的生产潜力

表 2所知,中国栓皮栎适宜分布区的乙醇总潜力为270.90×104~1 204.11×104 t·a-1,可最低满足我国目前E10乙醇汽油需求的42.71%(按2008年中国汽油总消耗量为6 342.70×104 t,并假定等质量的乙醇汽油与纯汽油的能效相同计算)。然而这种栓皮栎乙醇的生产潜力并不易真正实现,因其不能将森林、草地和耕地资源的保护和限制开发考虑进去,包括所有适宜种植区的栓皮栎乙醇的生产潜力(除建设用地和水域以外)。

表 2 中国栓皮栎适宜分布区乙醇的生产潜力 Tab.2 Potential of Quercus variabilis ethanol of spatial suitable distribution in China
3.3.2 未利用地适宜区栓皮栎乙醇的生产潜力

表 3可知,中国未利用地可生产栓皮栎无水乙醇的总潜力最低为40 067.40 t·a-1,最高为178 090.30 t·a-1,平均为55 675.05 t·a-1(按2008年中国汽油总消耗量为6 342.70×104 t,并假定等质量的乙醇汽油与纯汽油的能效相同计算)。在栓皮栎橡子生产无水乙醇的平均产量水平下,适宜种植的未利用地可满足当前中国0.88%的E10乙醇汽油需求。

表 3 中国未利用地适宜区栓皮栎乙醇潜力 Tab.3 Potential of Quercus variabilis ethanol of unused land in China
4 结论与讨论

1)我国大部分省份均为栓皮栎的适宜生长地,总适宜面积可达26 250.41×104 hm2,最适宜栓皮栎生长的面积占26.7%。通过参考前人的研究资料(吴征镒,1980;郑万钧,1985;雷明德,1999;张仰渠,1989;傅焕光等,1978)并结合作者的实地调查,本研究得出栓皮栎空间适宜分布与实际情况大致相符,说明本研究结果比较切合实际。栓皮栎分布比较集中的地区为秦岭山地和大别山相连形成的一个分布中心,与张文辉等(2002)的观点一致。最北的界限为辽宁省南部旅大区和锦州地区,本研究中栓皮栎最北端的界限到了黑龙江省和吉林省东部,而且为最适宜区比较集中的地区,说明本地区可能适宜栓皮栎的引种,有待进一步引种实践的研究。

2)在不考虑社会经济等限制因素的条件下,中国栓皮栎适宜分布区的乙醇总潜力为270.90×104~1 204.11×104 t·a-1,最低可满足我国目前E10乙醇汽油42.71%的需求,得到的栓皮栎乙醇的生产潜力是在不考虑社会经济等限制因素下从栓皮栎可生长的最低自然条件来探讨的,并没有考虑栓皮栎乙醇的实际生产经济效益和能量平衡效益(张彩霞等,2010)。如考虑这些,则只能在最适宜和较适宜地区发展栓皮栎乙醇才能具有正的能源和经济效益,因为在这些地区需要投入的化学能(化肥)和灌溉量较低,且基本不会导致土壤侵蚀等环境问题。因此在保证粮食安全的前提下,栓皮栎最适宜和较适宜地区总潜力为261.37×104 t·a-1

适宜种植区未利用地的面积仅占适宜总面积的1.47%,中国未利用地可生产栓皮栎无水乙醇的总潜力平均为55 675.05 t,可增加目前中国E10乙醇汽油0.88%左右,估计栓皮栎林实际面积为133×104~160×104 hm2,按栓皮栎生产乙醇的平均产量为22 900 t·a-1计算,可满足我国目前E10乙醇汽油需求的0.63%,共解决E10乙醇汽油需求的1.51%左右。

在计算栓皮栎乙醇潜力时,没有考虑各地区树龄的不同,而是综合栓皮栎在中国各地的产量统计和众多学者的研究(罗伟祥等,2009;傅焕光等,1978),推算出橡子的平均产量。目前栓皮栎在中国都是野生状态,主要利用其栓皮与木材,对其果实的需求不大,并且对其优良单株与优良类型的选择重视不够,造成大小年和虫害异常严重,结实量非常少;但实际上,在某些已达到盛果期的地区,栓皮栎的产量远远高于推算的最高值,比如“十一五”期间在湖南营造橡树能源林10万hm2,其橡实产量就达到了3 000 kg·hm-2(罗伟祥等,2009)。总体而言,如果选育出优良的品种,进行科学的栽培管理,在保证粮食安全的前提下,至少可满足我国目前E10乙醇汽油41.21%以上的乙醇需求。因此,栓皮栎可以作为我国将来燃料乙醇的重要原料来源,相关部门应加大对栓皮栎乙醇的技术研究和产业发展支持。

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