全 文 ：新疆 6 年生白榆热值与含碳率特征分析研究
*
郑朝晖1，马春霞1，李基勇2，刘 灿1，李 宏1
(1. 新疆林业科学院，新疆 乌鲁木齐 830000;2. 尼勒克林场，新疆 伊犁 835700)
摘要:经对新疆克拉玛依地区的乔木白榆的茎、枝、根热值、灰分、化学组分、含碳率进行研究，结果表明:6 年
生白榆乔木不同器官的热值变化是各组分干的热值均大于皮的热值。不同器官的热值为主干干 (19. 272 kJ·g －1)
＞根干 (18. 881 kJ·g －1) ＞侧枝干 (18. 738 kJ·g －1) ＞主干皮 (17. 145 kJ·g －1) ＞侧枝皮 (16. 021 kJ·g －1)
＞根皮 (15. 326 kJ·g －1) ;不同器官的干的灰分含量在 0. 94 % ～1. 36 %之间，皮的灰分含量为 9. 78 % ～10. 91 %，
白榆的热值与灰分含量呈显著的负相关关系 (P ＜ 0. 05) ，相关系数为 － 0. 908，这与大多数研究结论相同;木质
素和纤维素可能是影响热值变化的重要因素，相关分析结果表明，二者与热值之间并没有显著的相关性 (P ＞
0. 05) ;热值与含碳率之间存在极显著的正相关关系 (P ＜ 0. 01) ，相关系数为 0. 947。
关键词:白榆;热值;灰分;化学组分;含碳率
中图分类号:S 718. 55 + 4. 1 文献标识码:A 文章编号:1672 － 8246 (2011)01 － 0030 － 05
Caloric Values and its Carbon Content Rate from Different tissues of
6 Year Old Tree of Ulmus pumila
ZHENG Zhao-hui1，MA Chun-xia1，LI Ji-yong2，LIU Can1，LI Hong1
(1. Xingjiang Academy of Forestry，Urimchi Xinjiang Uygur Autonomous Region 830000，P. R. China;
2. Nileke Forest Farm，Iliense Xinjiang Uygur Autonomous Region 835700，P. R. China)
Abstract:The caloric values of the stem，trig and root from 6 year old tree of Ulmus pumila and correlated chemi-
cal constituents and carbon rate in the ash were analyzed． It showed that the caloric value from each organ was lar-
ger than that of skin of the plant，which was main stem (19. 272 kJ·g －1) ＞ main root (18. 881 kJ·g －1) ＞
side shoot (18. 738 kJ·g －1) ＞ skin of main stem (17. 145 kJ·g －1) ＞ skin of side shoot (16. 021 kJ·g －1)
skin of root (15. 326 kJ·g －1) ;the ash from burning of above tissues ranged from 0. 94 % ～1. 36 %，while that
from those of the skins ranged from 9. 78 % ～10. 91 % ． It showed negative correlation between the caloric values
and correlated ash content，the correlation coefficient was － 0. 908． These were the similar conclusions from other
reports． We assumed that the contents of lignin and cellulose in the tissues were the main factors affecting the calor-
ic values，there was less correlation between caloric value and the contents of lignin and cellulose (p ＞ 0. 05)．
Nevertheless，there was significant correlation between caloric value and carbon content (p ＜ 0. 01) ，the correla-
tion coefficient was 0. 947．
Key words:Ulmus pumila;caloric value;ash content;chemical constituents;carbon content
植物热值反映了绿色植物在光合作用中固定太 阳辐射能的能力，也是衡量生态系统第一性生产力
第 40 卷 第 1 期
2011 年 3 月
西 部 林 业 科 学
Journal of West China Forestry Science
Vol. 40 No. 1
March. 2011
* 收稿日期:2010 － 11 － 20
基金项目:国家 973 项目“二氧化碳植物吸收减排的基础研究”的子课题“高效固碳减排树种、能源植物筛选及规模化育苗和栽培
理论研究与应用”(2006CB705809 － 2)。
第一作者简介:郑朝晖 (1961 －) ，女，湖南湘阴人，副研究员，主要从事林木培育方面的研究。
通讯作者简介:李 宏 (1962 －) ，男，陕西西安人，研究员，主要从事栽培、生理、土地荒漠化及防沙治沙方面的研究。
DOI:10.16473/j.cnki.xblykx1972.2011.01.019
水平的重要指标。因此热值测定是生态系统能量流
动研究的基本方法之一。植物热值也反映着植物组
织各种生命活动的变化和植物生长状况的差
异［1 ～ 2］，各种环境因素对植物生长的影响都可以在
一定程度上通过热值表现出来。研究植物热值，是
能量生态学研究的基础，对植物生理、栽培育种和
生态学研究都具有重要意义［3］。植物的热值研究，
不仅能为生态系统能流分析提供重要依据，而且对
植物的生长发育，营养物质含量、能源含量等方面
的研究都会带来一定的启示［4 ～ 5］。
植物热值是指单位重量干物质在完全燃烧后所
释放出来的热量值，可反映绿色植物对太阳辐射能
的利用状况，也是评价植物营养成分的标志之一。
国外对植物热值的研究始于 20 世纪 60 年代，国内
对植物热值的研究始于 1978 年［6］。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［7］。白榆 (Ulmus pumila)是新疆干旱、半干旱
地区的用材林，四旁绿化和防护林的主要造林树
种。本研究以新疆克拉玛依的白榆为对象，测定其
灰分含量和热值，同时开展化学成分调查以比较能
量差异，以期筛选出灰分含量低、热值高的品种，
为合理利用和开发白榆生物质能源提供科学依据。
1 采样点概况及研究方法
1. 1 采样点概况
实验采样地点位于克拉玛依市外围林纸基地，
距其市区 20 km，地理位置为 84°50 ～ 85°20 E，
45°22 ～ 45°40N，属典型的温带大陆性干旱荒漠气
候。该地区冬季严寒，年极端最低温度可达 －35. 9℃，
最大冻土深度达 1. 5 ～ 2. 0 m;夏季高温炎热，年
极端最高气温可达 42. 9℃;年降水量多年平均为
105. 3 mm，从年内分布看，6 ～ 8 月份稍多，冬季
无稳定积雪，造成土壤冻蚀严重。全年潜在蒸发量
达 3 545 mm，约为年降水量的 34 倍，无霜期 180
～ 220 天。光热资源丰富，日照率高且太阳辐射强
度较大。春季多风，全年≥5 级风的日数为 119. 7
天，≥8 级风的日数为 45. 6 天，最大风速可达
25. 1 m /s，主风向西北，是准噶尔盆地的风区之
一，风沙危害严重。该实验林植被种类为白榆纯
林，林型为防护林，土壤类型为沙壤土。
1. 2 采样方法
2010 年 4 月，在克拉玛依市林纸基地，选取
一块生长良好无病虫害的白榆人工林，该人工林没
有经过抚育间伐，年龄为 6 年，株行距为 3 m × 2
m。依据踏查，设置 3 块具有代表性的样地，样地
大小均为 30 m × 40 m，对每块样地内白榆的胸径
和树高进行每木检尺，共计调查 200 株树，并根据
林分的平均胸径和树高，选取 1 株平均木。样木树
高 8. 6m，胸径为 13. 6cm，将样木伐倒后，主干部
分每米分为一段，称量其干和枝的干物质生物量。
另外在每段原条底部取一块厚约 2 cm 的圆盘，圆
盘编号从树干底部往上依次为 0、1、2…n，装入
密封袋，带回实验室，测量热值、含碳率。从样木
上取主干圆盘 9 个，编号为 0 ～ 8 号;侧枝间隔 50
cm取 1 个圆盘，共取 5 个圆盘，编号为 1 ～ 5 号;
按主根、1 级侧根、2 级侧根分别取样，取 3 个圆
盘，主根在最粗的部位取，1 ～ 2 级侧根于分叉地
方取圆盘。
1. 3 测定方法
干质量热值的测定 将样木的圆盘于 105℃下
烘干 12 h，每圆盘由外向内均匀取样 10 ± 1 g，同
一树种相同编号圆盘混在一起，共 30 ± 3 g，用粉
碎机进行粉碎，样品装入密封袋。干质量热值
(gross caloric value，GCV)采用中国矿业大学张洪
研究所生产的 CT5000A型氧弹式热量计进行测定，
测定前将粉碎样再于 105℃下烘干 6 h，每样品重
复 3 次，重复误差控制在 ± 0. 2 kJ·g －1，取 3 次测
定结果的平均值。
灰分含量的测定 采用干灰化法，称取 1 ～ 2 g
样品放入坩埚，在自动控温 CTM 500 型马弗炉
(徐州矿业大学生产)中加热到 150℃并保持 10
min，使样品充分炭化至无烟，继续升温至 575 ±
25℃，将样品燃烧至灰白色，在炉温 200℃以下时
移入干燥器内冷却至室温称重，重复灼烧 2 h，再
次称重，重复至前后两次称重相差不超过 0. 5 mg
为恒重，以最小称量为准，每个样品测定重复 3
次，取 3 次测定的平均值。
表 1 各个化学成分的测定方法
Tab. 1 Asseying methods for each tissue of Ulmus pumila
成分 测定方法
水提取物 GB /T 2677. 4 － 93
1%NaOH抽出物 GB /T 2677. 5 － 93
有机溶剂抽出物 GB /T 2677. 6 － 94
木质素 GB /T 2677. 8 － 93
纤维素 硝酸 －乙醇法
化学成分的测定 采用国家标准，所测项目包
13第 1 期 郑朝晖等:新疆 6 年生白榆热值与含碳率特征分析研究
括水提取物 (热水提取物和冷水提取物)、1 %
NaOH抽提物、有机溶剂提取物、木质素的测定、
纤维素的测定共 6 项指标，具体方法见表 1。
含碳率测定 采用 Vario EL Ⅲ元素分析仪
(德国 Elementar 公司生产)测定样品的碳含量，
具体实验由新疆师范大学分析测试中心完成。
1. 4 数据分析
用Excel2003进行作图，SPSS11. 5进行数据分析。
2 结果与分析
2. 1 白榆各器官的热值、灰分、化学成分特征分析
2. 1. 1 白榆各器官热值特征
从图 1 可以看出，白榆主干的干热值明显高于
皮热值，并且从底部往上，干和皮的热值均呈上升
的趋势，但是其变化趋势不明显，主要是因为变异
系数不大，分别为 0. 98 %、3. 16 %。
图 1 白榆主干的干和皮热值分布特征
Fig. 1 The distribution of caloric value of main stem
and its skin
表 2 白榆各器官的热值
Tab. 2 The caloric value of each tissue of Ulmus pumila
主干干 主干皮 侧枝干 侧枝皮 根干 根皮
热值 /KJ·g －1 19. 272 17. 145 18. 738 16. 021 18. 881 15. 326
标准误 0. 063 0. 181 0. 057 0. 194 0. 047 0. 359
对 9 个 6 年生白榆主干圆盘干和皮的热值、5
个侧枝圆盘干和皮的热值和主根、1 级侧根、2 级
侧根取均值，并计算它们的标准误，见表 2。从表
中可以看出，热值大小顺序为:主干干 (19. 272
kJ· g －1) ＞ 根干(18. 881 kJ· g －1)＞ 侧枝干
(18. 738 kJ·g －1)＞主干皮(17. 145 kJ·g －1)＞侧
枝皮(16. 021 kJ·g －1)＞ 根皮(15. 326 kJ·g －1)。
与主干热值特征相似，白榆各部位干的热值明显高
于皮的热值。另外，变异系数计算结果也表明，侧
枝干和皮热值为 0. 68 %、2. 70 %，根的干和皮为
0. 43 %、4. 05 %，皮热值的变化幅度要明显高于
干，可能是因为其灰分含量或是化学成分有所不
同，因此有必要进行进一步取样分析。
2. 1. 2 白榆各器官的灰分含量分析
与 6 年生白榆各器官的热值计算方法相同，灰
分含量的结果见图 2。从图 2 可以看出，白榆各器
官的灰分含量大小顺序为:侧枝皮 (10. 91 %) ＞
主干皮 (10. 72 %) ＞ 根皮 (9. 78 %) ＞ 主干干
(1. 36 %) ＞侧枝干 (1. 23 %) ＞根干 (0. 94 %) ，
皮的灰分含量明显高于干，而各个器官的皮灰分含
量之间没有显著差异，干的灰分含量也一样。运用
白榆各个器官的热值与灰分含量进行相关性分析，
结果表明热值与灰分含量呈显著的负相关关系，相
关系数为 － 0. 908，这与大多数研究结论相同。
图 2 白榆各器官灰分含量
注:大小写字母不同表示差异极显著 (P ＜ 0. 01)或显著
(P ＜ 0. 05) ，表 3、图 3 同。
Fig. 2 The ash contents from each tissue of Ulmus pumila
23 西 部 林 业 科 学 2011 年
2. 1. 3 白榆各器官的化学成分特征
经对白榆主干、侧枝和根的干的化学成分进行
分析 (见表 3) ，从各个化学成分的均值来看，木
质素的含量最高为 20. 77 %，其次是 NaOH提取物
和纤维素。各个器官的冷水提取物、热水提取物、
NaOH提取物、有机提取物之间均没有明显的差
异，但是主干和侧枝干的木质素含量显著高于根，
而侧枝和根的干的纤维素含量则显著高于主干。在
白榆主干、侧枝和根的干的 6 种化学成分中，木质
素和纤维素可能是影响热值变化的重要因素，且相
关分析结果表明，二者与热值之间并没有显著的相
关性。
表 3 白榆各器官干的化学成分
Tab. 3 Chemical constituents of main stem，side shoot and main root of Ulmus pumila %
冷水提取物 热水提取物 NaOH提取物 有机提取物 木质素 纤维素
主干 5. 24 ± 0. 26Aa 6. 88 ± 0. 25Aa 12. 47 ± 0. 31Aa 5. 15 ± 0. 11Aa 26. 87 ± 1. 32Aa 7. 02 ± 0. 85Bb
侧枝 5. 66 ± 0. 32Aa 6. 97 ± 0. 55Aa 11. 81 ± 0. 46Aa 5. 04 ± 0. 26Aa 27. 60 ± 2. 29Aa 13. 83 ± 0. 77Aa
根 5. 84 ± 0. 09Aa 6. 72 ± 0. 58Aa 11. 95 ± 0. 10Aa 4. 98 ± 0. 04Aa 8. 04 ± 1. 75Bb 11. 48 ± 0. 65ABa
均值 5. 58 6. 82 12. 10 5. 07 20. 77 10. 76
注: ±标准误。
2. 2 含碳率分布特征
对 6 年生白榆 0 ～ 8 号圆盘、1 ～ 4 号侧枝以及
根的干和皮进行含碳率测定，其均值见图 3。从图
3 中可以看出，主干、侧枝和根的干的含碳率分别
为 48. 45 %、49. 47 %、49. 47 %，高于其皮的含
碳率 43. 19 %、43. 45 %、41. 30 %，而主干、侧
枝和根的干的含碳率之间没有显著性差异，各器官
皮的含碳率之间也没有显著性差异。与热值之间的
相关分析结果表明，热值与含碳率之间存在极显著
的正相关关系，相关系数为 0. 947。
图 3 白榆各器官的含碳率
Fig. 3 Carbon contents of different organs of Ulmus pumila
综上所述，6 年生白榆各个器官的热值与灰分
呈显著的负相关关系，与含碳率呈极显著的正相关
关系，而与 6 种化学成分没有显著的相关性。
2. 3 单株热值与含碳量
本次实验所用白榆样木的年龄为 6 年，胸径
13. 6 cm，树高 8. 6 m。白榆主干的鲜重为 53. 94
kg，烘干后重量为 29. 96 kg，用区分求积法计算材
积为 0. 061 m3，所以木材密度 (单位木材蓄积量
的生物量)为 0. 491 td·m/m3。地上部分 (主干、
侧枝、叶)鲜重为 80. 14 kg，地上部分干重为
44. 52 kg，所以白榆地上部分的干物质所占比例为
55. 55 %。
应用各个圆盘干的热值与原条 (1m)干的干
重的乘积求和，计算出主干干的热值含量为
487. 08 MJ，同样方法求出主干皮的热值含量为
78. 80 MJ，其主干的热值为 565. 88 MJ，干的热值
比例为 86. 07 %，皮的热值比例为 13. 93 %。主干
热值的加权平均值为 18. 885 kJ /g，以此来计算全
株的热值为 840. 75 MJ。
表 4 白榆单株热值与含碳量参数表
Tab. 4 The parameters of caloric value and carbon content of
single tree of Ulmus pumila
项目 数值 单位
年龄 6 a
胸径 13. 6 cm
树高 8. 6 m
单株材积 0. 061 m3
单株干重 44. 519 kg
单株热值 840. 748 MJ
单株含碳量 20. 972 kg
木材密度 0. 491 tdm /m3
地上部分热值 18. 885 kJ /g
地上部分含碳率 47. 11 %
33第 1 期 郑朝晖等:新疆 6 年生白榆热值与含碳率特征分析研究
同理，应用各个圆盘干的含碳率与原条干的干
重的乘积求和，求得主干干的含碳量为 12. 19 kg，
皮的含碳量为 1. 93 kg，所以主干的含碳量为
14. 12 kg，其中干的比例为 86. 33 %，皮的比例为
13. 67 %。因此，计算主干含碳量的加权平均值为
47. 11 %，以此来计算全株的含碳量为 20. 972 kg，
见表 4。
3 结语
通过实验可知，白榆主干的热值高于其他各器
官，可能是因为主干有贮存、运输有机物质的功
能［8］，较高的养分和能量储备是植物吸收水分和
养分的有利保障，因此其热值高于其他器官。各器
官皮的灰分含量均大于干的灰分含量［9］，这可能
与皮含有的矿质元素大于干的矿质元素含量有关。
白榆植物不同器官的热值的差异是很大的。最
大值与最小值的热值差值是 3. 946 kJ·g －1。除了
营养成分的关系，植物所含的灰分也是很重要的直
接影响因素［10］。灰分是植物体内含有的矿物元素
氧化物的总和，灰分含量高低具有指示植物富集元
素的作用。将已测植物的灰分含量同植物含灰分热
值作比较，发现灰分含量较高的植物其热值较低，
反之热值则较高。由此可见，植物样品的灰分含量
直接影响了植物热值。同种植物各器官的灰分含量
差别很大［4］。通过对 6 年生白榆的灰分研究可知:
灰分含量最高的干是主干 1. 36 %，最高的皮是侧
枝皮 10. 91 %，最小的干是根干 0. 94 %，最小的
皮是根皮 9. 78 %。
通过对白榆的主要化学组分含量及热值的测定
可知［11］，木质素含量在主干和侧枝中的分布为
26. 87 %和 27. 60 %，明显高于根 (8. 04 %) ，这
可能是因为树木的生长与木质素含量有关。
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(责任编辑 胡光辉)
43 西 部 林 业 科 学 2011 年