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河南洛宁浅山区刺槐能源林生物量与热值研究

作　者: 杨芳绒
导　师: 马履一
学　校: 北京林业大学
专　业: 森林培育
关键词: 刺槐能源林生物质能生物量热值
分类号: S792.27
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

随着石油资源的日益枯竭,世界各国都已开始重视对可再生的生物质能源的研究。燃料型能源林是生物质能源的重要组成部分。刺槐(Robinia pseudoacacia L.)因其适应性强、生长快、易繁殖和耐燃烧,是一种传统而又具有良好开发前景的能源树种。本文以河南洛宁浅山丘陵区刺槐萌蘖林为研究对象,通过主要对冬季地上部分生长量的调查和对林木相关组成物质(灰分、挥发分)和元素(碳、氮、磷、钾)的测定,研究了刺槐能源林生物量、生物质当量热值和林分热值的变化特征及其影响因素。6年的持续调查研究得出以下主要结论：(1)刺槐能源林收获物热值变化有以下特征：矮林型生物质的当量热值高于乔林型。其中：1-5年生矮林型生物质当量热值随年龄增加而升高,在4-5年生时热值明显升高(P<0.05),变幅为18.76-19.16kj·g-1；8～39年生的乔林型当量热值随年龄增加而下降,变幅为18.50-19.06kj·g-1。不同器官的当量热值不同,其排列顺序为：叶>干>枝>皮；不同立地条件下的当量热值表现为阴坡大于阳坡；当量热值随枝条基径的增大而降低。(2)刺槐能源林生物量的变化有以下特征：1-5年生矮林型刺槐林基径和高度的年均生长量持续下降,连年生长量表现为波浪形下降,生物量平均值和连年增长量的变化都表现为上升的“V”型,5年生的连年生物量增长极为明显；8～39年生乔林型年均生物量的变化为8-22年为上升阶段,22年后为下降,34年时明显下降,22年生左右为转折点。(3)刺槐能源林不同形式收获物的特征为,生物量是标准煤量和发电量基础。其中矮林型生物质煤当量系数为0.6401～0.6538,乔林型为0.6313～0.6505。1度电耗标准煤为320g,以矮林型5年生林分为例,单位面积不同形式收获量分别为：生物量达32.1t·hm-2时,折合标准煤为20.6t·hm-2,可发电量约为64375度·hm-2；林分总热值的高低主要取决于林分生物量,当量热值影响较小(1.37%-1.92%)。煤质和电质收获量与生物质量有同样趋势和几乎一致的变化。(4)立地条件对乔林型和矮林型刺槐当量热值和生物质量有一致的影响,即阴坡高于阳坡,而且对矮林型的影响更明显,矮林型3年生后阴坡生物量超过阳坡1.98～2.23倍。(5)对矮林型2年生样地的抚育强度的试验表明,自然生长1年后,与对照相比,1/4抚育强度下生物量明显增加了20.64%,1/2抚育强度下生物量极明显,增加了30.25%。说明适时适当抚育对生物量增加是有效的。(6)影响矮林型刺槐能源林热值差异的原因之一是木纤维结构的差异。初步断定,刺槐树干木纤维壁厚与热值呈正相关,而长度与腔径对热值则有负向影响。木纤维结构与热值间明显相关性。(7)影响热值差异的另一个原因是不同的组成成分。刺槐不同器官粗灰分含量的变化为：树叶>树皮>树枝>树干；挥发分含量随基径的增大有下降的趋势；矮林型刺槐林木的碳含量顺序是为：2年生>4年生>3年生>1年生。粗灰分和挥发分含量与干重热当量值为负相关,林分的碳储量与总热值呈正相关。各因子综合相关性分析结果为：热值与灰分、全碳、氮、磷和钾等因子的相关性较高；全碳、灰分与其它因子的相关性很高。本研究系统分析了矮林型与乔林型刺槐能源林生物量和当量热值的变化特征,从热值与灰分、挥发分、养分以及碳含量等方面,揭示了影响刺槐热值的主要因子；将生物学、热力学的参数引入评价燃料能源林指标,为能源林理论研究与实践应用相结合提供一个新途径。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-11
1 导论  11-16
  1.1 研究目的与意义  11-12
    1.1.1 研究目的  11
    1.1.2 研究意义  11-12
    1.1.3 支撑项目  12
  1.2 研究内容与关键问题  12-13
    1.2.1 研究内容  12-13
    1.2.2 研究的关键问题  13
  1.3 研究设计  13-16
    1.3.1 理论基础  13
    1.3.2 研究思路  13
    1.3.3 技术路线  13-14
    1.3.4 论文结构  14-16
2 燃料型能源林研究进展  16-37
  2.1 生物质能源的概念、特点与发展趋势  16-18
    2.1.1 生物质与生物质能源的概念  16-17
    2.1.2 生物质能源的特点  17-18
    2.1.3 生物质能源发展趋势  18
  2.2 能源植物种类与应用  18-21
    2.2.1 能源植物种类  18-20
    2.2.2 能源植物的区域性应用研究  20
    2.2.3 能源植物的发展趋势  20-21
  2.3 能源林与燃料能源林的种类与特点  21-23
    2.3.1 能源林的种类  21
    2.3.2 燃料能源林的树种研究  21-22
    2.3.3 燃料能源林的特点  22-23
  2.4 燃料能源林热值相关概念的界定与相互关系  23-26
    2.4.1 热值的种类与换算  23-25
    2.4.2 燃料折合标准煤的相关换算  25
    2.4.3 燃料能源林林分热值的特点与表示方法  25-26
  2.5 燃料能源林林分热特性的理论研究  26-28
    2.5.1 燃料能源林的相关概念  26-27
    2.5.2 燃料能源林的当量热值变化分析  27-28
  2.6 燃料能源林的生物量与热值关系的研究  28-29
    2.6.1 燃料能源林的生长量  28
    2.6.2 燃料能源林的林分生物量与热值关系  28-29
  2.7 林木生物质成分与热值关系研究  29-31
    2.7.1 灰分的含量及其对热值影响  29-30
    2.7.2 挥发分的含量及其对热值影响  30
    2.7.3 可燃物的含量及其对热值影响  30
    2.7.4 碳含量及其对热值影响  30
    2.7.5 氮磷钾含量及其对热值影响  30-31
  2.8 林木生长环境因子对热值影响  31
  2.9 燃料能源林应用技术研究  31-35
    2.9.1 燃料能源林主要栽植树种  31-34
    2.9.2 燃料能源林培育与经营管理技术研究  34-35
  2.10 燃料能源林收获物处理技术研究  35-36
  2.11 刺槐燃料能源林研究需要解决的问题  36-37
3 研究方法  37-48
  3.1 试验区域概况  37-38
    3.1.1 洛宁县地域环境概况  37
    3.1.2 试验林概况  37-38
  3.2 样地设置与测定点分布  38-41
    3.2.1 样地分布  38-39
    3.2.2 标准地设置  39
    3.2.3 外业调查与材料采集  39-41
  3.3 指标测定与计算  41-47
    3.3.1 生物量的相关测试  41-42
    3.3.2 测试样品置备  42
    3.3.3 刺槐枝干微观结构观测  42-43
    3.3.4 刺槐植物体内组成成分的测试  43-45
    3.3.5 土壤元素测定测试与计算  45-46
    3.3.6 相关热能指标测试与计算  46-47
  3.4 统计分析方法  47-48
4 结果与分析  48-100
  4.1 刺槐林木当量热值变化特征研究  48-59
    4.1.1 不同林分类型林木的当量热值变化特征  48
    4.1.2 不同年龄的当量热值变化特征  48-52
    4.1.3 立地条件对林木当量热值的影响  52-54
    4.1.4 同龄不同器官当量热值的变化特征  54-57
    4.1.5 矮林作业下枝干不同基径的当量热值特征分析  57-58
    4.1.6 小结与讨论  58-59
  4.2 刺槐林分生长量与生物量变化特征分析  59-77
    4.2.1 刺槐林不同林分类型生物量的变化特征  59-60
    4.2.2 不同林分类型生长量与生物量随时间特征  60-63
    4.2.3 矮林型刺槐生长量随年龄在不同径阶的分布特征  63-68
    4.2.4 立地条件对刺槐林生长量与生物量的影响  68-73
    4.2.5 抚育强度对矮林型刺槐生长量和生物量的影响  73-76
    4.2.6 小结与讨论  76-77
  4.3 刺槐能源林林分收获量研究  77-81
    4.3.1 刺槐能源林林分收获物的种类与相关换算  77-78
    4.3.2 乔林型刺槐林收获物的分析  78-79
    4.3.3 矮林型刺槐林收获物的分析  79-81
    4.3.4 小结与讨论  81
  4.4 刺槐林木物质组分与营养元素对热值特征的影响  81-89
    4.4.1 林木灰分含量特征与热值关系分析  81-83
    4.4.2 林木挥发分含量特征与热值关系分析  83-84
    4.4.3 刺槐能源林碳含量变化特征与热值关系分析  84-87
    4.4.4 刺槐林木营养元素含量特征以及对热值变化的影响  87-89
    4.4.5 小结与讨论  89
  4.5 矮林型刺槐木纤维形态与当量热值的分析  89-95
    4.5.1 矮林型刺槐木纤维形态特征分析  90-94
    4.5.2 刺槐木纤维结构与热值关系  94-95
    4.5.3 小结与讨论  95
  4.6 林分物质组成成分与热值相关性分析  95-100
    4.6.1 各组成成分相关性分析  95-97
    4.6.2 回归方程  97-100
5 结论与讨论  100-104
  5.1 结论  100-101
  5.2 讨论  101-102
  5.3 应用建议  102-104
6 创新性  104-105
参考文献  105-111
附录  111-115
个人简介  115-116
导师简介  116-118
致谢  118

河南洛宁浅山区刺槐能源林生物量与热值研究

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