【分析】发展刺槐生物质能源林的前景

2018-09-14 21:12:18 / 打印

(辽宁省林产工业总公司,辽宁沈阳)

摘要:短周期木本生物质能源在生物质能源中所占比例逐年增加。刺槐是原产于美国的豆科木本植物,不但可以固氮,而且速生,抗逆性强。文章综述了刺槐的分布及用途、林木遗传改良、抗逆性、适生条件、热能值和环境效益,以期为发展刺槐生物质能源林提供借鉴。

生态环境的恶化和大气质量的下降,使人们逐渐认识到应该用清洁能源代替矿质燃料,同时驱动着世界生物质能源研究与新材料开发。短周期木本生物质能源作物,提供了生物质能源原料的新选择,木本生物质能源作物在经过幼龄期之后,可以在1年中的任何时期收获,既减少存储时间,又可以避免干旱和其它环境变化导致的生物质损失,比草本生物质能源作物产量稳定。刺槐是落叶、具刺的固氮先锋树种,刺槐繁殖容易、生产力高、木材密度高、收获和加工容易、燃烧完全、抗逆性强,因此可以作为短轮伐期生物质能源树种栽培。当前,对木本生物质能源树种麻疯树、文冠果、光皮树、黄连木、杨树和柳树研究较多,而刺槐相对研究较少,文章综述刺槐的分布及用途、遗传改良、生长量、热能值和环境效益,以期为刺槐生物质能源林的发展利用提供参考。

分布及用途

刺槐原产于美国,有两个相邻的天然分布区,东部分布区以阿巴拉契亚山脉为中心,从宾夕法尼亚中部和俄亥俄州南部开始,南部到亚拉巴马州东北部、乔治亚州北部和南卡罗莱纳州西北部。西部分布区包括密苏里州南部的厄扎尔克高原、阿肯色州北部、俄克拉荷马州东北部、阿肯色州中部和俄克拉荷马州东南部的山脉,印地安那州南部、伊利诺斯州、肯塔基州、亚拉巴马州和乔治亚州有零星的种群分布。刺槐经过引种驯化,已经在全世界广泛栽植,并成为温带和亚热带重要的用材树种。刺槐是地中海地区重要的树种,在保加利亚刺槐是最普遍栽培的外来树种,主要用于用材林营建,采蜜场营建和防止土壤侵蚀。意大利和希腊已经将刺槐作为超短轮伐期树种研究,德国刺槐主要栽植在露天矿,以改良土壤。在亚洲的日本、韩国和中国黄土高原,刺槐也是重要的造林树种,主要用于采伐迹地更新造林和营建水土保持林。

刺槐木材具有多种用途,早期曾用于制作马车车轴、木栓、薪柴,绝缘体材料,后期还用于制作地板、枝和生物质能源原料。在夏季干旱地区,刺槐的小枝、叶和种子可以为鹿、野兔和鹌鹑等野生动物提供食物,刺槐林分还可以为鸟类提供栖息地。此外,刺槐也是优良的蜜源植物,可用于生产高质量蜂蜜。

林木遗传改良

2.1苗木培育

刺槐可以用种子繁殖,并且成本低。刺槐种子可以保存几年,但是发芽力和发芽势降低。刺槐种子休眠主要由于坚硬的种皮造成,可以采用擦破种皮、沸水煮、硫酸浸泡处理。11月至3月,在圃地可直接播种,但是应该避免在坡度大的地段播种,如果生长季降水充足,不必经常浇水。刺槐也可以用根插、枝插和组织培养繁殖,庹祖权等应用15个刺槐优良无性系进行繁殖试验,各无性系根插出芽率与生根率均存在极显著差异,但平均出芽率与生根率都在85%以上。刘丹梅采用正交试验设计,研究了6-BA、NAA及琼脂3个因子对四倍体刺槐组培苗生根率的影响,最佳增殖培养基为1/2MS+6-BA0.5mg·L-1+NAA0.1mg·L-1+琼脂6g·L-1。胡兴宜开展了四倍体刺槐嫩枝扦插研究,径切能明显促进插穗生根,激素IBA的处理效果较ABT生根粉和911生根素好。

2.2良种选育

天然刺槐是二倍体,应用秋水仙素处理,已经成功诱导出生长迅速、抗逆性强的四倍体,四倍体可以用作母株生产无菌的三倍体。战臣祥等对国内外刺槐进行收集和筛选,成功选育了4个优良家系,7个优良无性系。刺槐的育种目标包括选育抗逆性强、速生、干型良好、花期长的品种。刺槐木材密度、燃烧值、净光合速率和净呼吸速率遗传力较高,而木质素含量遗传力较低。

刺槐适应性

尽管刺槐需要比其它阔叶树种投入少,但是仔细的土地整理能够加快成林和增加生长量。刺槐对于pH值5.5~7.5、有机质含量40mg·kg-1、碳酸钙含量低于5%、有效磷l50~200mg·kg-1、有效钾含量达到100mg·kg-1的土壤都能适应。疏伐有利于减少风害,林分达到合理的密度,增加径生长。由于较弱耐阴能力,在空旷地的树木比密集林分树木生长的快,在充足的光照下萌生苗和根蘖苗能够更好的生长,在侵蚀土壤和紧实的土壤,刺槐生长不好。与草本植物的竞争,严重影响刺槐的生长,伊贝母、印须芒草、野胡萝卜、苇状羊茅等植物影响刺槐干重的增加。

抗逆性及危害因子

刺槐不耐阴和水淹,耐贫瘠干旱、酸性和碱性的土壤,野生二倍体刺槐具有耐旱性,但是四倍体刺槐无性系显示了更多生长潜力、水分利用效率和净光合速率,在干旱的情况下比二倍体生长速度快。四倍体刺槐无性系比二倍体刺槐无性系对氯酸盐和硫酸盐的抗性强。刺槐通过增加皮部胞腔中的脂肪酸和蛋白质含量,及增加糖朊以防止细胞内结冰,以适应寒冷的气候。但是,极度低温能使刺槐梢部死亡,霜冻也能降低刺槐的生长量,并且加重害虫的危害。病虫害、真菌、植食动物,都能危害刺槐,甚至造成刺槐死亡。刺槐主要虫害是刺槐天牛,刺槐天牛幼虫蛀洞,能使树木枝条和树干变弱。害虫能使刺槐生长停滞,对包括风害在内的其它危害敏感。胸径超过20cm健壮的刺槐及混交林中的刺槐,很少受到蛀干害虫的危害。害虫还包括刺槐叶瘿蚊、叶蜂幼虫、结草虫和木蠹蛾,预防比控制效果好,并且成本低。营建混交林也能减轻害虫的危害,除了虫害之外,溃疡病、丛植病、黄化病、锈病和机械损伤也能影响刺槐生长。

产量及热能值

刺槐矮林平茬的效果较好,生物量显著高于未平茬林分。生物量也同造林地点、收获期和经营措施密切相关。韩国刺槐主要用于薪材和饲草,年生物量增长达到1.3万kg·hm-2,在美国大平原地区,株行距0.3m×1.6m,6~11年生林分,年生物量增长量达到了1.4万kg·hm-2,在伊利诺斯州大学能源生命科学研究所的农场,1.5m×1.8m株行距,年生物量增长量达到了1.13万kg·hm-2,在德国采矿废弃地,刺槐年生物量增长量3000~10000kg·hm-2,在匈牙利栽植的刺槐林分,密度为2.2万株·hm-2,年生物量增长量一般6500kg·hm-2。一般栽植时株行距0.3m×1.5m,3~5a收获,能够获得较大的生物质产量,并且能够避免害虫的危害。

同短轮伐期生物质能源树种杨树和柳树相比,刺槐的发热量要高得多,刺槐木材通过热解,转化成有机生物油、生物质碳和沼气时,利用率80%~90%,刺槐切片发热量为23446kJ,刺槐木材比重大,燃烧温度高,燃烧时间长,刺槐木材也可以转化成生物乙醇,产量为40~45kg·m-3,将木屑颗粒粉碎得更小,输入更高浓度的酶溶液,增加糖化作用等,可以提高乙醇的产量。将刺槐木材转化成生物乙醇已经具有成熟的工艺,同传统的炼制汽油相比,能耗降低了76%。

环境效益

刺槐林分对土壤中氮和碳的含量有影响,树高超过4m的刺槐林分,氮和碳含量随林龄的增长而增加,刺槐林分土壤中硝酸盐、总氮、有机物、微生物的含量比对照林分高得多,而微生物的分解代谢减少,这与硝化作用提高有关。同松树林分相比,刺槐土壤具有较高的硝化速率和氮的矿质化。此外,刺槐林分的氮循环和植物残体分解速度比栎树林分快,植物残体分解速度与土壤酶活性有关,在中国黄土高原,林龄超过30a的刺槐林分土壤有效养分含量和土壤酶活性均较高。刺槐是贫瘠土地造林的优良树种之一,已经应用到废弃露天矿和填土场造林,刺槐伸展的根系和高产的萌条,可以防止土壤侵蚀,增加土壤孔隙度、土壤有机质、氮和磷含量,从而改良土壤。除了在干旱地区栽植之外,刺槐还可以作为防风林栽培,栽培的刺槐沿海防护林,生长量甚至超过一些乡土树种。刺槐对于气候变化和空气污染具有较强的适应性,当大气CO2浓度增加时,刺槐干和根系生物量增加,根瘤和固氮作用速率都有所增加,碳吸收速率增加,净光合速率增加。刺槐对于氮氧化合物和臭氧具有抗性,在叶片中也能累积铅和铬,表明了对于土壤和空气污染的高适应性。刺槐通过萌蘖无性繁殖非常普遍,刺槐对于土壤性质和养分循环影响较大,但是对于适应低氮的本地种有负面影响,刺槐的固氮能力能够增加土壤中的硝酸盐等营养元素,同本地的松栎混交林相比,刺槐林分土壤中氮量增加3.2倍,并且具有较高的磷和钙含量。土壤营养元素增加不仅可以影响局部林地,但是导致氮流入到低处的河流中,造成河流富营养化。刺槐成龄树和萌条可以影响原生植被,促进非原生植物的定植,使地衣种群减少甚至灭绝。由于刺槐的再生经常由根系萌蘖,无性系苗木根系密切联结在一起,必须杀死这些根系才能控制,可以采取反复环剥,应用除草剂和刈割可以控制,但是控制成本很高,一些地区将刺槐列为人侵树种。

可行性分析

刺槐容易繁殖,栽培后几乎不需要额外的投入,而且刺槐抗性强,可以汇集碳,生物质产量高,并可以有效的转化成多种能源形式。此外,刺槐还可以改良贫瘠土壤,改善生态环境。如果能做到刺槐林分毗连的土地管理,刺槐入侵风险可以减少。

当前,在美国栽培的刺槐短周期生物质能源林,已经显现了良好的应用前景,政府通过补助和政策优惠,还能扩大栽培规模,提高产能,提高经济效益。今后应加强刺槐经营技术、收获和转化技术的深人研究,刺槐作为有价值的生物质能源树种将具有广阔的应用前景。