鹽堿地芒荻品種篩選及產沼氣發酵研究

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　　摘要    芒荻作為能源作物的一種，因其適應性強備受關注。東營地處黃河入?？?，土壤多為鹽堿地和灘涂，種植經濟作物效果較差。本試驗結合芒荻的生長習性，對不同品種的芒荻進行種植，篩選出較適宜的品種進行產沼氣發酵試驗，研究其產氣特性。結果表明，在7個芒荻品種中，S1、S2、A1 3個品種成活率較高、叢重較高，比較適宜當地種植。對其進行產氣發酵試驗發現，S1和A1品種單位TS產氣量較高，均能達到380 mL/g，其中S1品種單位TS產氣量最高，達到389 mL/g;S1和A1 2個芒荻品種甲烷含量基本在55%以上，較適宜產沼氣發酵，其中A1品種的甲烷含量要略高于S1品種，并且A1品種在產氣前期的產氣速率也明顯快于S1品種。
　　關鍵詞    鹽堿地;芒荻種植;沼氣發酵;品種篩選
　　中圖分類號    S216.4        文獻標識碼    A        文章編號   1007-5739（2019）06-0131-03
　　Abstract     As a kind of energy crop，Miscanthus has attracted much attention due to its strong adaptability.Dongying is located at Yellow River estuary，and the soil is mostly saline-alkali land and tidal flat.The effect of planting economic crops is poor.Therefore，this experiment combined the growth habits of Miscanthus，and carried out planting tests on different varieties of Miscanthus to screen out suitable varieties for production.Biogas fermentation test was carried out to study its gas-producing characteristics.The results showed that among the seven cultivars，S1，S2 and A1 had higher survival rate and higher plexus weight，which was more suitable for local planting.The gas-producing fermentation test showed that the gas yields of S1 and A1 cultivars were up to 380 mL/g，and the highest gas production of S1 cultivars was 389 mL/g.The methane content of S1 and A1 cultivars was more than 55%，which was more suitable for biogas fermentation.The methane content of A1 was slightly higher than that of S1，and the gas production rate of A1 was also faster than that of S1.
　　Key words    saline-alkali land;Miscanthus planting;biogas fermentation;variety screening
　　現今人類使用的能源大多以煤炭、石油、天然氣等化石能源為主，主要為不可再生能源，而風能、太陽能、地熱能、生物質能等可再生能源使用量較少[1-4]。因此，能源危機出現愈來愈頻繁，可再生能源的研究越來越廣泛。生物質能源作為可再生能源的一種，是公認的可再生清潔能源，通過微生物發酵、高溫裂解等方式將植物通過光合作用儲存在體內的能量釋放出來[5-7]，其現階段所用原料主要為農作物秸稈、農業生產廢棄物及能源作物等[8]。隨著可再生能源需求量的增加，以農作物秸稈及農業廢棄物為主要原料的生物質能源遠遠不能滿足需求，因而能源作物的研究日益增加[9-10]。
　　芒荻作為能源作物的一種，因灰分低、熱值高、生物質品質高、元素含量配比優、生物質產量高、環境適應能力強等優點，成為當前能源作物研究的重點[11-13]。芒荻強大的環境適應能力主要體現在其耐旱、耐鹽堿、耐重金屬、耐熱、耐寒等特性，在惡劣環境下仍然能長勢良好，從低海拔的灘涂到貧瘠的山地再到鹽堿嚴重的入?？诰瞧浞N植之地[14-17]，在利用土地資源保護環境的同時，還能夠提供高品質的生物質資源[18]。由于東營大部分土地鹽堿嚴重[19-20]，種植其他作物長勢差，而作物生物質能源公司對生物質材料需求多。在眾多的生物質能源生產方式中，選擇沼氣發酵主要是因為沼氣發酵是能源回收率最高、最清潔、成本最低的生產方式[21]。
　　1    材料與方法
　　1.1    試驗材料
　　芒荻品種是從湖南農業大學芒屬能源植物（以下簡稱芒荻）種質資源圃中選取不同生態型和基因型的優良種質進行雜交育種，并擴繁;在湖南農業大學濱州基地進行抗鹽初步篩選;將初步篩選出的優良株系進行無性擴繁，并移栽至東營地區的鹽堿地進行復篩，從中選出適合黃河三角洲鹽堿地環境的新品系，具體種植的試驗品種分別為S1、S2、S3、S4、S5、A1、A2，共7個。接種物來自山東寶力生物質能源股份有限公司沼氣發酵罐的沼液。 　　1.2    試驗方法
　　1.2.1    芒荻種植。選用7個品種，設計7組試驗，分別為S1、S2、S3、S4、S5、A1、A2共7組，每組種植面積0.093 hm2，共0.67 hm2試驗田。試驗田位于東營市東營區北二路與東八路交匯處，海拔3.5 m左右，屬黃河沖擊平原，鹽堿地，地面比較平整，符合田間試驗條件。各組種植條件保持一致。種植前滅荒，用百草枯等除草，具體用量根據田況而定。待雜草枯死后，用旋耕機將土地翻松，確保翻松深度超過20 cm。種植前使用開口機，開出寬30 cm、深30 cm、貫通土地南北的長溝，將芒荻桿平鋪在溝中，覆土10 cm左右，覆土后踩實，淡水灌溉。定期觀察生育情況，通過對7個品種的相關數據進行分析，篩選出優勢品種進行產氣發酵試驗。
　　1.2.2    芒荻發酵。試驗采用批式發酵的方式，試驗分為S1、S2、A1 3組，每組2個平行，厭氧消化溫度采用38 ℃中溫發酵，設計有效反應體積1 500 mL，原料添加量為50 gTS/L，用15 g TS/L沼液啟動試驗。具體的原料性質以及添加量如表1所示，按照表1添加完成后用清水補充液位至 1 500 mL。試驗前測定3種芒荻的TS、有機質、碳氮比及進行發酵封瓶前各組的pH值，發酵進行時每天測定氣體產量。
　　1.3    測定方法
　　日產氣量與累計產氣量通過排水集氣法并扣除空白試驗數據之后得到;每日的氣體成分通過氣相色譜（GC1120）測量;干物質（TS）含量采用烘干法測定;總碳含量采用重鉻酸鉀法測定;總氮含量采用凱氏定氮法進行測定;產氣周期以達到累計產氣量95%的天數計算;pH值用精密pH計進行測定[22-23]。
　　2    結果與分析
　　2.1    芒荻種植數據分析
　　從表2可以看出，在7個品種中，S1、S2、A1、A2 4個品種的各項指標較好，明顯優于其他幾組。在S1、S2、A1、A2 4個品種中，S1品種成活率較高，達到87.5%，明顯高于其他3個品種，S2、A1、A2 3個品種的成活率均在80%以上，相差不大。另一個重要指標就是叢重，因為叢重高低關系產量高低，在S1、S2、A1、A2 4個品種中，S1叢重最大，達到178 g;S2、A1均在160～170 g之間，相差不大;A2的叢重較小，只有137.3 g，與其他處理組相差較大。因此，綜合其他指標數據，在發酵產氣試驗過程中主要對S1、S2、A1 3個品種進行產氣試驗。
　　2.2    產氣數據分析
　　從圖1可以看出，S1、S2、A1產氣趨勢基本相同，均有3個產氣高峰。其中，S1在產氣第12天達到峰值，S2在產氣第13天達到峰值，A1在產氣第10天達到峰值，并且A1達到峰值時的日產氣量高于其他2組，但是其每日產氣量波動較大，這不利于實際生產。3個處理組相比較，S1每日產氣量曲線較平穩，波動較小，這有利于發酵生產的穩定運行[24]。
　　從圖2可以看出，在相同的有機負荷條件下，S1的累積產氣量最高，其次是 A1，S2累積產氣量最少。其中，在產氣前期，A1累積產氣量升高較快，明顯高于S1和S2;到產氣中后期時，S1超越A1，累積產氣量達到3組中最高。說明A1品種發酵產氣較快，比較適宜連續發酵工程;而 S1品種產氣較慢，但產氣量高，較適宜批式發酵工程[25]。
　　從圖3可以看出，S1、S2、A1甲烷含量都是先升高，到產氣第9天時開始進入平穩期，進入平穩期的甲烷含量基本維持在55%以上，其中A1在前期甲烷含量明顯高于S1、S2，這與上文累積產氣量圖是相呼應的，也充分說明A1啟動較快、前期產氣效果較好，并且A1在甲烷穩定期時，氣體中甲烷含量較S1、S2也相對穩定，無大幅波動，這對實際沼氣工程的穩定運行非常有意義。
　　TS產氣量是表征一個原料產氣潛力大小的重要指標[26-27]。從圖4可以看出，3個芒荻品種中，S1品種單位TS產氣量最高，可以達到389 mL/g;A1品種的單位TS產氣量與其相差不大，其TS產氣量為380 mL/g，二者產氣效果均較好;S2品種單位TS產氣量明顯低于其他2個品種，產氣效果稍差。
　　3    結論
　　采用7個芒荻品種進行種植試驗，對其成活率、叢重、株高等數據進行監測和分析，篩選出適合鹽堿地生長的 3個品種，分別為S1、S2及A1，對這3個芒荻品種進行產沼氣發酵試驗，發現 S1和A1產氣效果較好，單位TS產氣量均能達到380 mL/g，其中S1單位TS產氣量最高，達到389 mL/g;S1、A1 2個品種的氣體成分中，甲烷含量也較穩定，均能達到 55%以上，但是A1品種的甲烷含量要略高于S1品種，并且A1品種在產氣前期產氣速率也明顯快于S1品種，這說明其發酵啟動快，有利于產沼氣工程的快速啟動[28]。
　　4    參考文獻
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