林业科学  2016, Vol. 52 Issue (8): 122-130   PDF    
DOI: 10.11707/j.1001-7488.20160815
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文章信息

滕江南, 黄张婷, 项婷婷, 姜培坤, 孟赐福
Teng Jiangnan, Huang Zhangting, Xiang Tingting, Jiang Peikun, Meng Cifu
中国重要丛生竹热值及能量现存量
Calorific Values and Standing Crop of Energy of Important Sympodial Bamboo Species in China
林业科学, 2016, 52(8): 122-130
Scientia Silvae Sinicae, 2016, 52(8): 122-130.
DOI: 10.11707/j.1001-7488.20160815

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收稿日期：2015-01-06
修回日期：2016-07-01

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滕江南
黄张婷
项婷婷
姜培坤
孟赐福

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滕江南, 黄张婷, 项婷婷, 姜培坤, 孟赐福. 2016. 中国重要丛生竹热值及能量现存量[J]. 林业科学, 52(8): 122-130.
Teng Jiangnan, Huang Zhangting, Xiang Tingting, Jiang Peikun, Meng Cifu. 2016. Calorific Values and Standing Crop of Energy of Important Sympodial Bamboo Species in China. Scientia Silvae Sinicae, 52(8): 122-130.  DOI: 10.11707/j.1001-7488.20160815
中国重要丛生竹热值及能量现存量
滕江南1, 黄张婷1,2, 项婷婷1, 姜培坤1,2 , 孟赐福1,2    
1. 浙江农林大学环境与资源学院 临安 311300;
2. 浙江农林大学浙江省森林生态系统碳循环与固碳减排重点实验室 临安 311300
收稿日期：2015-01-06; 修回日期：2016-07-01
基金项目：国家自然科学基金项目（41471197）
通讯作者：姜培坤
摘要： 【目的】 测定中国重要丛生竹的热值，结合其生物量计算对应的能量现存量，比较其现状差异，并探究丛生竹系统中具有发展生物质能源优势的竹种，为今后丛生竹生物质能源的开发利用、发展及相关研究提供基础资料。 【方法】 以中国8种重要丛生竹（青皮竹、粉单竹、麻竹、绿竹、黄竹、龙竹、缅甸竹、慈竹）的竹叶、竹枝、竹秆等器官为对象，分析其单位面积生物量，利用量热仪测定干物质热值，计算单位面积能量现存量。 【结果】 8种丛生竹单位面积生物量为16.68~77.72 t·hm-2，其中龙竹最高，麻竹最小；各器官单位面积生物量表现为竹秆>竹枝>竹叶，不同丛生竹生物量分配不同；8种丛生竹各器官干物质热值为16.407~19.948 kJ·g-1，相同器官的干物质热值随竹龄增大而略有降低，竹种间器官平均干物质热值均以缅甸竹最高，最低的为绿竹的竹叶（16.652 kJ·g-1）和竹枝（17.522 kJ·g-1）及慈竹的竹秆（17.710 kJ·g-1）；除慈竹外，其他丛生竹的热值均表现为竹叶 < 竹枝 < 竹秆，慈竹表观为竹叶 < 竹秆 < 竹枝；各丛生竹地上部分单位面积能量现存量（MJ·m-2）表现为龙竹（142.17）>粉单竹（115.41）>慈竹（112.97）>缅甸竹（95.26）>青皮竹（87.50）>绿竹（85.31）>黄竹（85.14）>麻竹（31.34）。 【结论】 丛生竹是潜在的能源竹种，受林分特征、气候因素和竹种本身特性等因素的影响，8种丛生竹的热值、生物量及其分配差异显著。8种丛生竹的生长环境条件各异，以能量现存量最为基本单位进行竹种间的比较更加可靠。8种丛生竹能量现存量及其分配存在差异，单位面积生物量差异是其主要影响因素。比较8种丛生竹能量现存量的现状，龙竹较其他竹种具有效大的优势，有利于今后丛生竹生物质能源的开发、利用及相关研究。
关键词: 丛生竹     器官     干物质热值     生物量     能量现存量    
Calorific Values and Standing Crop of Energy of Important Sympodial Bamboo Species in China
Teng Jiangnan1, Huang Zhangting1,2, Xiang Tingting1, Jiang Peikun1,2 , Meng Cifu1,2    
1. School of Environmental and Resource Sciences, Zhejiang Agriculture and Forestry University Lin'an 311300 ;
 2. Zhejiang Provincial Key Laboratory of Carbon Cycling in Forest Ecosystems and Carbon Sequestration Zhejiang Agriculture and Forestry University Lin'an 311300
Abstract: 【Objective】 The sympodial bamboos is an important potential energy source, , and studies of gross caloric values (GCV) of them is of great significance. This study aims to determine the GCV of different organs of bamboo and estimate the standing crop of energy (SCE) of 8 sympodial bamboo species in China. By comparing the differences of SCE of 8 sympodial bamboo species, advantageous specie can be identified for developing biomass energy from sympodial bamboos. This study was intended to provide basic data for the development and utilization of biomass energy from sympodial bamboos. 【Method】 Leaves, branches and culms of the 8 sympodial bamboo species (Bambusa textilis, Bambusa chungii, Dendrocalamus latiflorus, Dendrocalamopsis oldhami, Dendrocalamus membranceu, Dendrocalamus giganteus, Bambusa burmanica and Neosinocalamus affinis) were selected as experimental materials. Biomass of the samples were investigated, the GCV of the samples was measured with the calorimeter, and the SCE was estimated. 【Result】 1) The biomass of 8 sympodial bamboo species were ranged from 16.68 to 77.72 t·hm-2, the biomass of Dendrocalamus giganteus was the highest, the biomass of Dendrocalamus latiflorus was the lowest. Besides, the biomass of different bamboo organs was in the following order:culms > branches > leaves. There were variations in the distribution of biomass among different organs. 2) The GCVs of different organs among the 8 sympodial bamboo species ranged from 16.407 to 19.948 kJ·g-1. The GCVs were decreased with the increase of age of the bamboos. The GCV of each organ was higher in Bambusa burmanica than in the other species. The GCV of leaf (16.652 kJ·g-1) and branch (17.522 kJ·g-1) was lower in Dendrocalamopsis oldhami than in the others. The GCV of culm was significantly lower in Neosinocalamus affinis (17.710 kJ·g-1) than in the others. Except for Neosinocalamus affinis, the GCVs of different organs among other sympodial bamboo species were in the following order:culms >branches > leaves. The GCVs of different organs of Neosinocalamus affinis were in the following order:branches > culms > leaves. 3) The SCEs of 8 sympodial bamboo species were in the following order:Dendrocalamus giganteus (142.17 MJ·m-2) > Bambusa chungii (115.41 MJ·m-2) > Neosinocalamus affinis (112.97 MJ·m-2) > Bambusa burmanica (95.26 MJ·m-2) > Bambusa textilis (87.50 MJ·m-2) > Dendrocalamopsis oldhami(85.31 MJ·m-2) > Dendrocalamus membramaceus (85.14 MJ·m-2) > Dendrocalamus latiflorus (31.34 MJ·m-2). 【Conclusion】 1) Sympodial bamboos are potential energy sources, influenced by biological characteristics of the bamboos, characteristics of the bamboo forest and climate conditions, there were significant differences in GCV, biomass and its allocation among the 8 sympodial bamboo species. 2) Because of the different habitats of 8 sympodial bamboo species, the comparison between different bamboo species based on SCE is more reliable. There were significant differences in the SCE and the distribution of SCE among 8 sympodial bamboo species. Different SCEs of different species mainly depended on the difference of biomass. 3) By comparing the SCEs of the 8 sympodial bamboo species, Dendrocalamus giganteus was more advantageous over the other species, in favoring utilization and development of biomass energy from sympodial bamboos and follow-up studies in future.
Key words: sympodial bamboo     organs     gross caloric values     biomass     standing crop of energy    

能量是植物生态功能研究的基本内容，储存在植物中的能量大小可反映群落对自然资源(特别是太阳能)的利用情况(Jordan，1971)。热值是生态系统能量研究的基础数据，能准确反映植物生长状况的差异及环境对植物生长的影响，表达植物中含能产品的能量水平，反映绿色植物转化光能的能力(林益明等，2003)。早在20世纪40年代，就有学者研究植物热值(Long，1934)。我国学者关于植物热值的研究始于20世纪80年代(杨福囤等，1983；张鸿芳等，1993；王炜等，1993)，并在森林群落方面研究了林龄、林分、生境、纬度、海拔及气候等因素对植物热值的影响。我国地处太平洋西海岸、欧亚大陆交界处，跨越热带、亚热带、亚寒带等气候带，多样的气候和地形催生了多样的生态系统，对典型生态系统进行热值研究，可为生态学研究提供更多资料。

竹类植物具有快速积累生物量的特点(周本智等，2006)，且前人对大木竹(Bambusa venchouensis)和吊丝单竹(Dendrocalamopsis variostriata)(孔维健等，2009)、厚壁毛竹(Phyllostachys edulis cv. pachyloen)(鲁顺保等，2009)和其他竹种研究发现竹类植物具有较为可观的热值(林益明等，2000a；2000b；2001)，因此，竹类植物具备作为生物质能源植物的优势。丛生竹作为我国竹类资源的重要组成部分，有16属160余种，面积超过80万hm2(马乃训，2004)。丛生竹具有高大的秆形、生物量高、成丛生长、生长迅速等特点，其繁殖较为容易，育苗方式灵活(陈宝昆等，2007)，同样具有快速积累生物量的特点。已有研究表明，丛生竹资源中许多竹种都能作为潜在的能源竹种(周本智等，2006)。前人关于丛生竹热值的研究仅针对单个竹种(林益明等，1998；孔维健等，2009；苏智先等，1993)，对于丛生竹系统内多竹种热值和能量研究比较鲜见。在我国丛生竹主要分布于浙江、福建、广东、云南、四川、海南和台湾等地，跨越亚热带和热带，生长于多样的环境，造就了不同丛生竹种间热值和能量的差异。研究和比较不同丛生竹的热值及其能量现存量，对于选取生物质能优势丛生竹种具有重要意义。

本研究选取我国具有代表性的8种丛生竹，分析比较其各器官的热值，结合对应的生物量，估算和比较其能量现存量，为今后丛生竹生物质能源的开发利用、发展以及相关研究提供基础资料。

1 研究区概况

本研究选择8个丛生竹种：青皮竹(Bambusa textilis)、粉单竹(Bambusa chungii)、麻竹(Dendrocalamus latiflorus)、绿竹(Dendrocalamopsis oldhami)、黄竹(Dendrocalamus membramaceus)、龙竹(Dendrocalamus giganteus)、缅甸竹(Bambusa burmanica)和慈竹(Neosinocalamus affinis)作为研究对象。研究区均在各竹种的主产区，分布在浙江、福建、四川、广东和云南，采样样地概况见表 1。

表 1 8种丛生竹采样样地概况 Tab.1 General situation of sampling plots of 8 sympodial bamboo species
2 研究方法 2.1 样品采集

在8种丛生竹的主产区，根据当地林业经营档案、农户调查及野外踏查的数据，各选择了林分类型、组成、结构、生长状况和立地条件等具有代表性的标准地4块，每块标准地建立1块20 m×20 m样地。对每块样地内的竹子按不同年龄进行每竹检测，计算出不同年龄竹子的平均胸径，选取与平均胸径一致的竹子作为标准株，砍伐不同年龄标准株各1株，并测量其株高。野外称出各标准株的叶、枝、秆鲜质量，并各取500～1 000 g，置于样品袋中，带回实验室烘干并分析。

2.2 测定方法

样品带回实验室，洗净，105 ℃下杀青20 min，转70～80 ℃烘干至恒质量，称量，计算含水率。烘干样品在高速粉碎机中粉碎后保存备用。称取1 g样品制成圆片状，采用美国Parr公司的6400量热仪测定热值。本研究中，所有竹种器官的热值均以其干物质热值(gross caloric values, GCV)表示。

2.3 统计分析

使用SPSS 18.0进行数据统计分析，采用Duncan新复极差法测验不同处理的差异显著性。

3 结果分析 3.1 生物量

8种丛生竹地上部分单位面积生物量差异显著(P < 0.05)(图 1)。其中，龙竹(77.72 t·hm-2)显著高于缅甸竹、青皮竹、绿竹、黄竹和麻竹(P < 0.05)；麻竹生物量(16.68 t·hm-2)最小，仅为龙竹的21.5%。8种丛生竹各器官的单位面积生物量均表现为竹秆>竹枝>竹叶。

图 1 8种丛生竹地上部分生物量 Fig.1 Above-ground biomass of 8 sympodial bamboo species

相同器官单位面积生物量在不同竹种间差异较大。其中，竹叶生物量以绿竹最高(4.64 t·hm-2)，为最低的缅甸竹(0.62 t·hm-2)的7.5倍；竹枝生物量同样以绿竹最高(9.72 t·hm-2)，为最低的龙竹(4.08 t·hm-2)的2.4倍；竹秆生物量最高的是龙竹(72.64 t·hm-2)，最低的是麻竹(10.04 t·hm-2)。

不同竹种间相同器官生物量占单株生物量的比例存在差异。其中，竹秆生物量占单株生物量的比例以龙竹竹秆最高，达93.46%，为麻竹竹秆(占比最低)占比的1.6倍；竹枝生物量占单株生物量的比例为5.25%~29.84%，麻竹竹枝(29.84%)占比最高，龙竹竹枝(5.25%)占比最低；同样地，竹叶生物量占单株生物量的比例以麻竹(9.97%)最高，为最低的缅甸竹(1.24%)的8倍。

3.2 丛生竹干物质热值的竹龄与器官比较

丛生竹相同器官的干物质热值具有一定的竹龄差异(表 2)。不同竹种竹叶干物质热值为16.407～19.277 kJ·g-1，其中青皮竹、黄竹和慈竹竹叶的干物质热值随着竹龄增加有所降低，老龄竹叶干物质热值显著低于幼龄竹叶(P < 0.05)；竹枝干物质热值为16.855～19.508 kJ·g-1，除粉单竹、麻竹和慈竹外，其他5个竹种的老龄竹枝干物质热值显著低于幼龄竹枝(P < 0.05)；竹秆干物质热值为17.162～19.948 kJ·g-1，同一竹种不同竹龄的竹秆干物质热值之间差异不显著(P≥0.05)，仅有4年生的缅甸竹显著低于其他竹龄。总体而言，8种丛生竹干物质热值与其竹龄相关性不显著(P≥0.05)。

表 2 8种丛生竹不同竹龄的干物质热值① Tab.2 Gross calorific value of 8 sympodial bamboo species with different ages

各竹种竹叶、竹枝和竹秆的平均干物质热值为16.652～19.210 kJ·g-1(表 2)。除了青皮竹和粉单竹以外，同种竹种不同器官的干物质热值之间差异显著(P < 0.05)，大多表现出竹叶 < 竹枝 < 竹秆，但慈竹例外，表现为竹叶 < 竹秆 < 竹枝。麻竹、绿竹、黄竹、龙竹和绵竹的竹叶干物质热值显著低于竹秆干物质热值(P < 0.05)。

3.3 丛生竹器官干物质热值种间比较

8种丛生竹相同器官的干物质热值之间具有显著差异(P < 0.05)。其中缅甸竹竹叶的干物质热值最大，绿竹竹叶最小，显著低于除慈竹外的其他竹种(P < 0.05)，种间极差达1.858 kJ·g-1(图 2)；绿竹竹枝干物质热值最小，显著低于除慈竹和龙竹外其他竹种(P < 0.05)，缅甸竹最大(18.778 kJ·g-1)，种间极差达1.256 kJ·g-1(图 3)；缅甸竹竹秆干物质热值最大(19.210 kJ·g-1)，慈竹竹秆最小，显著低于其他竹种(P < 0.05)，极差达到1.46 kJ·g-1(图 4)。缅甸竹各器官干物质热值均为8种丛生竹各器官中最大值。

图 2 不同竹种竹叶干物质热值比较 Fig.2 Gross calorific value of the leaves of different species of 8 sympodial bamboo species
图 3 不同竹种竹枝干物质热值比较 Fig.3 Gross calorific value of the branch of different species of 8 sympodial bamboo species
图 4 不同竹种竹秆干物质热值比较 Fig.4 Gross calorific value of the culm of different species of 8 sympodial bamboo species
3.4 能量现存量

能量现存量是指一定时间内群落单位面积所积累的总能量，等于植物器官的热值与其对应的生物量的乘积。本研究结果表明，各种丛生竹的能量现存量表现为龙竹(142.17 MJ·m-2)>粉单竹(115.41 MJ·m-2)>慈竹(112.97 MJ·m-2)>缅甸竹(95.26 MJ·m-2)>青皮竹(87.50 MJ·m-2)>绿竹(85.31 MJ·m-2)>黄竹(85.14 MJ·m-2)>麻竹(31.34 MJ·m-2)。

各竹种不同器官的能量现存量均表现为竹秆>竹枝>竹叶，其中，竹种间竹秆的能量现存量最大值是龙竹的竹秆(133.12 MJ·m-2)，竹枝、竹叶的能量现存量最大值均为绿竹，分别为17.02和7.73 MJ·m-2(图 5)。

图 5 8种丛生竹能量现存量 Fig.5 Standing crop of energy (SCE) of 8 sympodial bamboo
4 讨论 4.1 生物量

本研究中同一竹种不同器官的生物量差异较大，这与前人关于闽南麻竹(Dendrocalamus latiflorus)人工林(周本智等，1999)、毛竹(Phyllostachys edulis)林(洪伟等，1998)和团竹(Fargesia obliqua)(刘美等，2014)的生物量研究结果相同。

林分特征、气候因子和竹种自身特性均是种间生物量差异的影响因素。竹子的地上部分生物量随胸径、株高增加而增大(潘标志，2004)，同时受立竹密度的影响。本研究中，龙竹的胸径达10.35～11.44 cm，株高达17.79～22.87 m，高于慈竹及粉单竹，但龙竹的立竹密度(3 350 individual·hm-2)远小于株高、胸径较小的慈竹(35 000 individual·hm-2)和粉单竹(12 689 individual·hm-2)，这使得龙竹与慈竹和粉单竹的地上部分生物量差异不显著(P≥0.05)。另外，竹龄跨度不一致也是影响竹种生物量的一个原因(左舒翟等，2014)，本研究选取竹种时受当地栽培习惯的限制，使得各竹种标准竹的竹龄跨度为2~5年，如龙竹跨越1~5年，麻竹仅跨越1~2年，而龙竹的生物量显著大于麻竹，这说明竹龄跨度对于生物量的差异有一定影响。此外，气候因子也是造成丛生竹种间生物量差异的原因，8种丛生竹所在的原产地区分布范围广，气候差异较大，造成各竹种生物量差异较大。有研究指出，海拔影响温度、降水、光照等因素，进而影响器官生物量分配(刘美等，2014；Arthur et al., 2001)，8种丛生竹原产地所处海拔不尽相同，为适应各种自然环境条件表现出不同的器官生物量分配格局，这与前人研究结果一致(顾大形等，2011)。

4.2 热值

植物不同生长时期的物理结构、有机组成和生理功能不同(孔维健等，2009)，老龄植株开始衰老，光合作用能力、速率逐渐减弱，能量的转化利用率降低，其热值低于幼龄竹(陈松河，2007；赵廷宁等，1992)。本研究中相同器官的干物质热值随竹龄增大而略有降低，与苏智先等(1993)发现的慈竹热值随其竹龄增加而增大的研究结果不同，这可能是由同竹种不同采样地的环境差异引起的。另外，在植物热值与年龄关系的研究中，有学者认为植物去灰分热值与年龄的关系更具有规律性(苏智先等，1993；孔维健等，2009)。

研究表明，不同器官之间的热值差异与物质组成有密切关系(孔维健等，2009；杨晶波，2014)。8种丛生竹同竹种不同器官的干物质热值(16.407～19.948 kJ·g-1)存在差异，这与前人研究结果较为接近(孔维健等，2009；鲁顺保等，2009；林益明等，2000a)。有学者认为植物秆材组成以纤维素为主，而叶、枝具有较多高能化合物，因而叶枝器官热值应大于秆(鲍雅静等，2006；苏智先等，1993)，这与本研究中部分竹种器官热值的结果不同，本研究中粉单竹、麻竹、绿竹、黄竹、龙竹和缅甸竹器官热值表现为竹叶 < 竹枝 < 竹秆，这与大木竹和吊丝单竹(孔维健等，2009)、毛竹(洪伟等，1998)、厚壁毛竹(鲁顺保等，2009)、华安县绿竹(林益明等，1998)等的研究结果一致。8种丛生竹中，除粉单竹、慈竹、青皮竹外，各竹种的竹叶干物质热值均显著低于竹秆(P < 0.05)，这是由于竹叶与竹秆物质组成不同(杨晶波，2014；张范福等，2013)，竹类植物叶片中Si的含量高于其他器官(竹类综合利用课题组，1991；孔维健等，2009)，使其可燃物质较少，即较高的灰分含量可能是使得丛生竹叶干物质热值较低的原因。

造成8种丛生竹种间热值差异的影响因素较多。竹子本身生物学特性的差异是其中一个重要因素，相似生境的竹种中，龙竹竹秆、竹叶平均干物质热值显著低于黄竹和缅甸竹的竹秆、竹叶(P < 0.05)，且龙竹竹枝平均干物质热值显著低于缅甸竹竹枝(P < 0.05)。虽然龙竹、黄竹和缅甸竹具有相似生境，但比较3个竹种的生物学特性，发现龙竹株高和胸径大于黄竹、缅甸竹的株高和胸径，这表明在生境相近情况下，植物胸径、株高等自身特性是影响丛生竹热值的重要因素之一。除竹种自身生物学特性的差异之外，各竹种热值还受到生境、气候因子等因素的影响。本研究中青皮竹和粉单竹之间、缅甸竹和黄竹之间的热值差异不显著(P≥0.05)，这可能是由于青皮竹和粉单竹的采样地同处广东省境内，且相距较近，而缅甸竹和黄竹的采样地同处云南盈江，二者所受光照时间、日夜温差和降水量相近，相似生境可能是不同竹种热值接近的原因，这与前人的研究相似(杨晶波，2014)。现有的研究结果认为影响植物种间热值差异的原因较多，但其中起主要是何种因素尚不清楚(鲍雅静等，2006)，而在众多因素中，确认主要作用的因素需要后续精确的定量和定性分析。

4.3 能量现存量

由于植物种类的差别和各种环境条件的影响，单纯依靠干物质热值研究能量问题具有一定的误差，而以能量作为基本单位可使得不同竹种间具有可比性(鲍雅静等，2006)。本研究中8种丛生竹的生长环境条件各异，以能量现存量作为基本单位进行竹种间的比较更加可靠。各竹种不同器官能量现存量均表现为竹秆>竹枝>竹叶，与其他研究结果相同(林益明等，1998；洪伟等，1998)。龙竹能量现存量高于其他7种竹种，在丛生竹系统中发展生物质能源具有优势。

8种丛生竹的干物质热值之间差异较小，极差仅为2.558 kJ·g-1，而生物量的差异较大，因此生物量之间的差异对能量现存量差异的影响起主要作用。如生物量最大的龙竹与最小的麻竹差异达61.04 t·hm-2，二者的干物质热值差异只有0.635～0.747 kJ·g-1，而龙竹的能量现存量为麻竹的4.5倍，可见，单位面积生物量差异是影响能量现存量的主要因素。

5 结论

丛生竹是潜在的能源竹种，其热值及能量现存量较为可观，对于发展丛生竹生物质能具有重大意义。由于受到林分特征、气候因子和竹种本身特性等因素的影响，8种丛生竹的各器官和种间的热值、生物量及其分配存在显著差异。

8种丛生竹的生长环境条件各异，以能量现存量作为基本单位进行竹种间的比较对于丛生竹系统能量现状的描述更加可靠。8种丛生竹能量现存量及其分配存在显著差异，种间单位面积生物量差异是影响其差异的主要因素。

比较8种丛生竹能量现存量的现状，龙竹对比其他竹种有较大的优势，有利于今后丛生竹生物质能源的开发利用及相关研究。

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