Elemental concentration of willow short rotation crops biomass depend on variety and harvest cycle

Skład elementarny biomasy wierzby krótkiej rotacji w zależności od odmiany i cyklu zbioru

Highlights

• Wyniki wskazały na istotny wpływ badanych czynników na skład elementarny

• Wydłużanie cyklu zbioru powodowało lower element concentrations

• Biomasa klonu UWM 200 miała najlepsze parametry jakościowe

• Potas, fosfor, mangan i cynk dały najwięcej istotnych korelacji z innymi elementami

Abstract

Wykorzystanie biomasy drzewnej w procesach termochemicznej konwersji jest niezmiennie najpopularniejszą z metod pozyskiwania bioenergii z tego surowca. Skład elementarny istotnie wpływa na jakość biomasy i ma kluczowy wpływ na parametry procesu spalania.

The aim of this study was określenie zawartości wybranych makroelementów (fosforu, potasu, magnezu, wapnia, sodu, siarki), mikroelementów (boru, miedzi, żelaza, manganu, cynku) oraz trace elements (kadmu, chromu, niklu, ołowiu) in willow biomass of two different varieties and three clones harvested in annual, biennial and triennial cycles w warunkach Polski północno-wschodniej. Badania wykazały istotną zmienność pomiędzy varieties/clones oraz cyklami zbioru. Najlepsze parametry jako potencjalne źródło paliwa for combustion proces miała biomasa klonu UWM 200 z gatunku Salix alba w trzyletniej rotacji, w której stwierdzono istotnie najniższe zawartości P, K, Na, S (1.48, 5.45, 0.08, 0.35 g kg^-1 DM, respectively) and Fe, Cr, Pb (208.85, 4.91, 0.83 mg kg^-1, respectively ). Zawartości wszystkich pierwiastków objętych badaniami w tejże pracy były istotnie niższe wraz z wydłużaniem cyklu zbioru, a różnice porównując annual to triennial cycle wahały się w zakresie od -9 do -29% dla makroelementów, od -7 do -48% dla microelementów oraz od -11 do -20% dla trace elements.

Keywords

Biomass, inorganic elements, trace elements, SRWC

1. Introduction

Biomasa drzewna jest wykorzystywana przez człowieka do celów energetycznych już od czasów prehistorycznych, a jej udział w dostarczaniu energii na świecie wynosi obecnie ok. 6% [1]. Szacuje się, że ponad 2 miliardy ludzi w krajach rozwijających się depend on wood for heating and cooking, co pokazuje, iż wood energy jest wykorzystywana mostly non-commercial [2].

Jednakże, z uwagi na wyczerpywanie się podstawowych surowców do produkcji energii jak węgiel i ropa naftowa oraz globalną politykę ograniczania emisji CO₂, woody biomass jest w ostatnich latach coraz częściej wykorzystywana w energetyce przemysłowej, which can be used traditionally to produce heat and electricity by combustion, gasification, but also – owing to its rich chemical composition – has enormous potential in the chemical industry and biorafineries [3, 4].

One of the sources of biomass are lignocellulosic plants, such as willow, grown in short rotation (short rotation crops, short rotation woody crops or short rotation forestry) [5] depending on the harvest cycle, usually 1-7 years [6]. Wiele badań dotyczących produkcyjności upraw wierzby dowiodło, iż wydłużanie cyklu zbioru wpływa na wzrost możliwych do uzyskania plonów, a jednymi z najbardziej optymalnych rozwiązań jest uprawa w 3 bądź 4-letnich rotacjach [7-9].

Biomasa drzewna jest wykorzystywana przede wszystkim w procesach spalania [10]. Jedną z najważniejszych zalet biomasy jest możliwość jej cofiring with coal in combustion installations, primarily designed only for coal. Cofiring biomass and coal has technical, economical, and environmental advantages over the other options of biomass use [10]. However, it must be emphasized that biomass provides much less energy per unit than good quality coal [11, 12], but environmental benefits of cofiring (i.e. reducing CO₂ emissions) still makes this source of energy very attractive. Z drugiej strony należy podkreślić, że współspalanie biomasy z węglem jest jednym z najgorszych sposobów energetycznego jej wykorzystania. Szczególnie jeśli proces ten przeprowadzany jest w starych instalacjach wybudowanych celowo do spalania węgla. Wtedy efektywność wykorzystania energii zawartej w biomasie jest bardzo niska. Z kolei pod kątem zawartości popiołu jako produktu niecałkowitego spalania, biomass of SRWC can contain several times less ash than biomass of straw or grass [13] and up to a dozen times less when compared to coal [14].

However, major ash forming elements like Al, Ca, Fe, Mg, K, Na, P, Si, Ti; volatile minor elements like As, Cd, Hg, Pb, Zn and partly or non-volatile elements like Ba, Co, Cr, Cu, Mo, Mn and V are cause for ash melting, corrosion, aerosols emission and mają zasadnicze znaczenie w wyborze ash utlilisation method [15]. Popioły ze spalania biomasy mogą być cennym źródłem poprawy właściwości glebowych w uprawach wielu gatunków roślin oraz, w połączeniu z innymi rodzajami nawozów, mogą korzystnie wpłynąć na produkcyjność upraw [16, 17]. However, im więcej macro-, micro- and trace elements in biomass, tym więcej popiołu pozostaje po spaleniu, a co za tym idzie zmniejsza się ilość energii pozyskanej z jednostki biomasy.

Biomasa w porównaniu do węgla zawiera większe ilości Mn, K, P, Ca, Mg, Na, a wpływ na elemental composition of biomass może mieć m. in. plant species, geographic location, age of the plants czy fertilization and pesticides used in cultivation [18]. It is well known fact, that wydłużąnie cyklu zbioru wpływa na zmniejszenie zawartości chemical elements in woody biomass w przeliczeniu na jednostkę masy, co związane jest z większą zawartością pierwiastków w korze niż w drewnie, a wraz z wydłużaniem cyklu zbioru zmniejsza się udział kory do drewna z uwagi na większą średnicę pędów [19, 20]. Zmienność zawartości chemical elements in willow biomass pomiędzy klonami zauważono również w poprzednich badaniach [19, 21]. We wcześniejszych badaniach dowiedziono, iż z odmian będących przedmiotem niniejszych badań uzyskano wysokie plony biomasy o relatywnie wysokiej wartości energetycznej [22]. Ważne jest jednak poznanie elemental concentration w wysokoplonujących odmianach, gdyż przede wszystkim pod uprawy SRWC, których biomasa będzie wykorzystywana w procesach termochemicznej konwersji należy przeznaczać takie odmiany roślin, które będą miały najlepsze parametry jakościowe biomasy, co pozwoli ograniczyć negatywny wpływ na combustion furnaces or power boilers. Dlatego też mając na uwadze dowiedzioną przez innych badaczy zmienność składu chemicznego uzależnioną m.in. od takich czynników jak odmiana/klon, lokalne warunki siedliskowe oraz harvest cycle, ważne jest poszukiwanie takiej kombinacji ww. czynników, które okażą się najbardziej optymalne w uprawie wierzby na cele energetyczne.

Therefore, the aim of this study was określenie zawartości wybranych makroelementów (P, K, Mg, Ca, Na, S), mikroelementów (B, Cu, Fe, Mn, Zn) oraz trace elements (Cd, Cr, Ni, Pb) in willow biomass of different varieties and clones harvested in annual, biennial and triennial cycles w warunkach Polski północno-wschodniej.

2. Materials and methods

2.1. Description of the experiment

The study was based on an exact, two-factorial experiment with willow coppice, located in the north of Poland in the Kwidzyn Lowlands in the village of Obory (53°43′ N, 18°53′ E), conducted from 2003 to 2006. The experiment was located on humus alluvial soil, classified as—Mollic Fluvisols, which is the optimal soil for willow cultivation. No mineral fertilisers were applied in the year when the experiment was established. The following doses of fertilisers were sown manually in the subsequent years of the experiment N – 90 kg ha⁻¹, P–18 kg ha⁻¹, K–66 kg ha⁻¹.

The first factor examined in the experiment were two willow varieties and three clones, all of which were cultivated by University of Warmia and Mazury in Olsztyn: klony UWM 200, and UWM 095 (obydwa z gatunku Salix alba L.), odmiany Tur, Turbo and klon UWM 046 (wszytskie z gatunku Salix viminalis L.). The other factor were three harvest cycles: every year, every two years and every three years. The detailed information about setting up and running experiment is given is previous research article by Stolarski et al. [22].

2.2. Sampling procedure

One and two-year old plants were harvested after the 2005 vegetation period and three-year old plants after the 2006 vegetation period.

Willows were harvested manually with a blade trimmer powered by a combustion engine. During the harvest, representative plant stems were collected from each plot to determine chemical characteristics.

2.3. Laboratory analyses

Zawartość potasu, wapnia i sodu oznaczono za pomocą metody fotometrii płomieniowej. Próbki zmineralizowano w H₂SO₄, a następnie wykonano pomiar natężenia promieniowania przez jony danego pierwiastka powstające podczas rozpylania roztworu w płomieniu fotometru (C. Zeiss Jena). Zawartość fosforu i boru oznaczono metodą kolorymetryczną z wykorzystaniem kolorymetru Specol. Do oznaczenia fosforu próbki zmineralizowano w H₂SO₄, następnie wykonano pomiar intensywności zabarwienia powstałego po dodaniu mieszaniny reagującej (HNO₃ + NH₄VO₃ + (NH4)₆Mo₇O₂₄). Do oznaczenia boru próbki zmineralizowano w piecu muflowym w temp. 500°C, pozostałość po mineralizacji rozpuszczono w HNO₃ i po dodaniu diantrymidu wykonano pomiar intensywności zabarwienia. Siarka została oznaczona za pomocą metody nefelometrycznej z wykorzystaniem kolorymetru Specol. Próbki mineralizowano w piecu muflowym w temp. 500°C, następnie pozostałość po mineralizacji rozpuszczono w HNO₃ i po dodaniu BaCl₂ wykonano pomiar zmętnienia. Zawartość magnezu, miedzi, żelaza, manganu, niklu, ołowiu, kadmu i chromu oznaczono za pomocą metody absorpcyjnej spektrometrii atomowej (ASA). W celu oznaczenia zawartości magnezu, próbki zmineralizowano w H₂SO₄, natomiast do oznaczenia pozostałych pierwiastków próbki zmineralizowano w mieszaninie kwasów: HNO₃ i HClO₄ (4:1). Następnie przeprowadzono pomiar absorpcji promieniowania przez jony danych elementów podczas rozpylania badanego roztworu w płomieniu. Analizy wykonano w trzech powtórzeniach. Concentrations of all elements in the study are presented on a dry matter.

2.4. Statistical analysis

The results of the tests were analysed statistically using STATISTICA 9.1 PL. The mean arithmetic values, Pearson correlation coefficients and standard deviation of the examined features were calculated. Homogeneous groups for the examined characteristics were determined by means of Tukey’s HSD multiple comparison test with the significance level set at P<0.05.

3. Results and discussion

3.1. Macroelements in willow biomass

Zawartość makroelementów w biomasie wierzby była istotnie różnicowana przez odmiany i klony oraz cykle zbioru roślin (Table 1; Fig. 1; Fig. 2). Klon UWM 200 charakteryzował się najniższymi średnimi zawartościami P i K (1.76 and 6.99 g kg^-1 DM, respectively) (Fig. 1), jednakże w jednorocznym cyklu zbioru zawartość K była istotnie mniejsza u odmiany Tur (Table 1). Z kolei najwyższą średnią zawartość K, Mg oraz S stwierdzono u klonu UWM 095 (9.86; 3.07 and 0.54 g kg^-1 DM, respectively), który cechował się także najniższą średnią zawartością Ca (4.93 g kg^-1 DM) spośród wszystkich badanych odmian i klonów (Fig. 1). Odmiany Tur i Turbo cechowały się zbliżonymi właściwościami pod względem średniej zawartości Ca oraz Mg (te same grupy jednorodne) oraz niewielkimi różnicami w zawartości Na i S, (0.01 and 0.06 g kg^-1 DM, respectively), jednakże były one istotne statystycznie. Natomiast in biennial harvest cycle u odmiany Tur and in triennial in klonu UWM 200 stwierdzono najniższą zawartość S w porównaniu do pozostałych cykli zbioru oraz innych odmian (Table 1). Z kolei klon UWM 046 poza najwyższą zawartością P w każdym z cykli zbioru (2.85 g kg^-1 DM, mean), cechował się zbliżonymi parametrami pozostałych makroelementów do średnich ze wszystkich odmian/klonów i cykli zbioru (Fig. 1; Fig. 2). The sequence of mean macroelements content (in order of abundance) was as follows: K–Ca–Mg–P–S–Na (Fig. 2). Generalnie stwierdzić można, iż wraz z wydłużaniem cyklu zbioru zawartość makroelementów P, K, Ca Mg i S w biomasie wierzby istotnie malała w przeliczeniu na kg DM (triennial to annual differences: -27%; -26%; -29%; -9% and -12%, respectively). Jednakże w przypadku Mg i S istotne różnice wystąpiły jedynie między cyklem dwuletnim i jednorocznym (Fig. 2). W innych badaniach składu chemicznego różnych klonów wierzby również zauważono tendencję zmniejszania się proporcji zawartości tych elementów wraz z wydłużaniem cyklu zbioru, jednakże różnice w przypadku P i K były niższe (o 5 i 8 p.p [percentage point], respectively), natomiast dla Mg i S nieco wyższe (o 6 i o 1 p.p, respectively) niż w niniejszych badaniach [19]. Porównując średnią zawartość makroelementów w biomasie z trzyletniego cyklu, w niniejszych badaniach uzyskano porównywalne zawartości Ca, Na, lecz znacznie wyższe w przypadku P, K oraz Mg (o 5.54; 2.80 and 1.43 g kg^-1, respectively) niż w badaniach Tharakan et. al. [21]. Z kolei biomasa wierzby w badaniach Liu et. al. [19] zawierała średnio 0.20 g kg^-1 więcej S, porównywalne zawartości Na, natomiast znacznie mniej pozostałych makroelementów. Na znaczne rozbieżności pomiędzy chemical composition of biomass w różnych badaniach mogą mieć wpływ procedury poboru prób do analiz [23], gdzie w badaniach [21] wykorzystano reprezentatywne odcinki pędów, natomiast w [19] oraz w badaniach prezentowanych w tej pracy do analiz wykorzystano całe pędy. Poza chlorem, S, K i Na in biofuels play a major role in deposit formation and corrosion mechanisms [24]. Solid biomass powinno zawierać poniżej 1.0, <2.0 oraz <7.0 g kg^-1 DM for S, Na i K, respectively to provide unproblematic combustion [25]. Zawartości S i Na nie przekraczały ww. poziomów u żadnej z odmian niezależnie od cyklu zbioru (Table 1). Natomiast w przypadku K, jedynie u klonu UWM 200 oraz odmiany Turbo w 2 i 3-letniej rotacji zawartości K były niższe niż 7.0 g kg^-1 DM (Table 1). Zatem pod względem zawartości makroelementów, klon UWM 200 i odmiana Turbo miały najlepsze parametry jakościowe jako potencial source of fuel for combustion process.

Table 1

Figure 1

Figure 2

3.2. Microelements in willow biomass

Zawartość mikroelementów w biomasie wierzby była istotnie różnicowana przez odmiany, klony i cykle zbioru (Table 2; Fig. 3; Fig. 4). W biomasie wszystkich odmian i klonów stwierdzono dominujący udział Fe, średnio najwięcej tego elementu zawierały klon UWM 095 oraz odmiana Turbo, natomiast najmniej klon UWM 200 (Fig. 3). Jednakże, pomimo iż u klonu UWM 200 w jednorocznym i dwuletnim cyklu zbioru zawartość Fe należała do najwyższych (homogenous group "a"), to jednak na wynik średniej wpłynęła znaczna różnica w trzyletnim cyklu (Table 2). Średnia zawartość Mn u wszystkich odmian zawierała się w przedziale od 100 do 150 mg kg^-1 DM (Fig. 3). Najwięcej tego elementu stwierdzono w biomasie klonu UWM 095, a na uwagę zasługuje duże odchylenie standardowe, gdyż podobnie jak w przypadku Fe dla klonu UWM 200, wystąpiła znaczna różnica między cyklem trzyletnim, gdzie zawartość Mn była najniższa, a pozostałymi cyklami gdzie była najwyższa (Table 2). Z kolei w przypadku Zn klon UWM 046 zawierał najwięcej tego elementu bez względu na cykl zbioru (Fig. 3; Table 2). Średnie zawartości B oraz Ca nie były tak silnie zróżnicowane jak w przypadku pozostałych mikroelementów (Fig. 3), ale na uwagę zasługuje znacznie niższa niż u innych odmian zawartość B u klonu UWM 200 i Cu u klonu UWM 046 w jednorocznym cyklu zbioru (Table 2). The sequence of mean microelements content (in order of abundance) was as follows: Fe–Mn–Zn–Cu–B (Fig. 4). Podobnie jak w przypadku makroelementów wraz z wydłużaniem cyklu zbioru zawartość mikroelementów w biomasie wierzby malała w przeliczeniu na kg DM (triennial to annual differences: -29%; -7%; -13%; -48% and -40%, respectively for B, Cu, Fe, Mn and Zn), jednakże w przypadku Cu istotne różnice wystąpiły jedynie w przypadku cyklu dwuletniego względem jednorocznego (Fig. 4). Szczególnie zawartości Fe, Cu i Mn w porównaniu do innych badań były bardzo duże. W badaniach Liu et al. [19] średnie zawartości żelaza w 3-letnich pędach wierzby nie przekraczały 40 mg kg^-1 DM, co daje niemal 8-krotnie mniejszą zawartość tego elementu niż średnio w badaniach prezentowanych w tej pracy (Fig. 4; Table 2). W przypadku Cu i Mn różnice również były duże (ponad 3-krotnie i niemal 2-krotnie mniej, respectively), a jedynie zawartości Zn nie odbiegały tak znacząco pomiędzy badaniami [19], gdzie w niniejszych badaniach wykazano mniejsze średnie zawartości tego elementu w trzyletnim cyklu zbioru (o ok. 1.2 mg kg^-1 DM). W porównaniu do forest residues, biomasa SRWC z trzyletniej rotacji miała znacznie mniejsze zawartości Cu, Mn oraz Zn [26]. Ponadto w przeliczeniu na weight (% DM), zawartość Zn w biomasie żadnej odmiany czy klonu oraz niezależnie od cyklu zbioru nie przekroczyła zawartości zapewniającej unproblematic combustion, czyli 0.08% [25]. However, przyjęte przez European Comitee for Standardization and cited by Biedermann and Obernberger [24], typical values for willow SRC (except Zn) są znacznie mniejsze niż wyniki w niniejszych badaniach. On the other hand, there is a deficiency of knowledge about critical values of Fe, Cu and Mn for unproblematic combustion, dlatego też nie można jednoznacznie stwierdzić czy wyższe od średnich zawartości tych elementów w biomasie wierzby mogą powodować znaczące problemy in combustion installations. Szczególnie wysoka zawartość żelaza may cause a concern, but in comparision with average worldwide concentration of these element in coals, biomasa wierzby w niniejszych badaniach zawierała niemal 43 razy mniej Fe [27]. Podsumowując, spośród badanych odmian i klonów wierzby najlepsze parametry pod względem średniej zawartości mikroelementów stwierdzono w biomasie klonu UWM 200.

Table 2

Fig. 3

Fig. 4

3.3. Trace elements in willow biomass ash

Tak jak w przypadku makro- i mikroelementów, zawartość trace elements w biomasie wierzby była istotnie różnicowana przez odmiany i klony oraz cykle zbioru (Table 3; Fig. 5; Fig. 6). Nikiel i Chrom były dominującymi elementami u wszystkich odmian i klonów, a najwyższe średnie wartości stwierdzono u klonu UWM 046 (Fig. 5). Pomimo, iż u tego samego klonu średnie zawartości Cd były najniższe, to w cyklu trzyletnim stwierdzono najwięcej kadmu w porównaniu do innych odmian (Table 3). Podobne średnie zawartości Cd stwierdzono dla odmiany Turbo (ta sama grupa jednorodna) oraz najniższe średnie zawartości Pb u tej odmiany, jednakże jak w poprzednim przypadku, w cyklu trzyletnim zawartość Pb była najwyższa (Table 3). The sequence of mean trace elements content (in order of abundance) was as follows: Ni–Cr–Pb–Cd (Fig. 6). Generalnie zależność zmniejszania się średnich zawartości badanych elementów wraz z wydłużaniem cyklu zbioru potwierdziła się również w przypadku trace elements (triennial to annual differences: -15%; -11%; -19% and -20%, respectively for Ni, Cr, Pb, Cd (Fig. 6). W porównaniu do innych badań jedynie zawartości Cd były wyraźnie niższe, natomiast koncentracja pozostałych trace elements była nawet 20 razy większa [15, 19]. Jednakże w porównaniu do węgla, zawartość każdego spośród analizowanych trace elements in willow biomass była niższa, zwłaszcza jest to wyraźne w przypadku Pb [27]. Poprzednie badania wskazują, iż trace elements can be accumulated in biomass throughout water, soil, pesticides, fertilizers and additives [28], stąd weryfikacja czynnika, który spowodował wyższe od typowych zawartości tych elementów jest kłopotliwa. Trace elements in biomass have high volatilisation potencial [15, 28], dlatego stwierdzić można, iż spośród badanych gatunków ponownie najlepszymi średnimi parametrami cechowała się biomasa klonu UWM 200.

Table 3

Fig. 5

Fig. 6

3.4. Correlation between elements

Najbardziej korelującym makroelementem spośród badanych był potas, dla którego nie stwierdzono istotnych korelacji jedynie z wapniem, sodem i kadmem (Table 4). Ilość K w biomasie wierzby najsilniej dodatnio korelowała z zawartością Mg, P i S (odpowiednio 0.77; 0.67 and 0.67). Dla Mg i P korelacje z K były także najsilniejsze, natomiast S silniej korelowała z Zn, choć różnica była niewielka (0,01). Tharakan et al. [21] również wykazał istotne korelacje pomiędzy potasem a innymi makroelementami. Korelacje między tymi elementami mogą wiązać się z tym, iż makroelementy are the key plant nutrients and pobieranie przez roślinę jednych stymuluje pobór pozostałych [29]. Spośród microelementów najsilniej korelującymi były mangan i cynk (oba po 10 istotnych korelacji z innymi elementami). Zawartość manganu najsilniej związana była z zawartością kadmu, natomiast zawartość cynku z zawartością niklu (odpowiednio 0.58 i 0.80). Z kolei wśród trace elements najwięcej istotnych korelacji stwierdzono pomiędzy zawartością chromu a zawartością pozostałych elementów. Natomiast najsilniejszą dodatnią korelację tego elementu stwierdzono z żelazem. Jednakże to pomiędzy niklem i cynkiem stwierdzono najsilniejszą dodatnią korelację wśród wszystkich trace elements (0,80).

Table 4

Conclusions

W badaniach wykazano, że zawartości makro-, micro- and trace elements w biomasie wierzby były istotnie zróżnicowane przez odmiany, klony i cykle zbioru. Najbardziej optymalne parametry biomasy wierzby przeznaczonej do termochemicznej konwersji można uzyskać z upraw w 3 letnich cyklach zbioru. Zawartości wszystkich pierwiastków objętych badaniami w tejże pracy były istotnie niższe wraz z wydłużaniem cyklu zbioru, a różnice porównując annual to triennial cycle wahały się w zakresie od -9 do -29% dla makroelementów, od -7 do -48% dla microelementów oraz od -11 do -20% dla trace elements. Rozpatrując biomasę z trzyletniej rotacji, spośród klonów i odmian najlepszymi parametrami cechowała się biomasa klonu UWM 200, gdyż zawierała istotnie najniższe zawartości P, K, Na, S, Fe, Cr and Pb. Z kolei najgorszą jakość biomasy wierzby jako potencjalnego paliwa do spalania wykazano dla klonu UWM 046, którego biomasa zawierała istotnie najwyższe zawartości Cd, Cr, Ni, Zn, Fe, B, P, Ca oraz Na. Na podstawie otrzymanych wyników, pod względem jakości biomasy można zarekomendować klon UWM 200 jako dobre paliwo z biomasy do produkcji energii elektrycznej i cieplnej, chociaż trzeba podkreślić, iż biomasa tego klonu (podobnie jak w pozostałych przypadkach) zawierała bardzo dużo żelaza, manganu i miedzi, znacznie więcej niż w podobnych badaniach innych autorów. Mając na uwadze powyższe oraz dynamicznie zmieniające się środowisko, a co za tym idzie wysoką zmienność czynników mogących mieć wpływ na skład elementarny biomasy wierzby, dalsze badania są konieczne by to potwierdzić.

Acknowledgements

This work has been financed by the Department of Plant Breeding and Seed Production statutory sources.

Literatura

[1] FAO, Wood Energy, Available from: http://www.fao.org/forestry/energy/en/

[2] IEA 2016. Bioenergy, About bioenergy, Available from: https://www.iea.org/topics/renewables/subtopics/-bio-energy/

[3] M. J. Stolarski, S. Szczukowski, J. Tworkowski, M. Krzyżaniak, Cost of heat energy generation from willow biomass, Renew. Energ. 59 (2013) 100-104

[4] M. Krzyżaniak, M. J. Stolarski, B. Waliszewska, S. Szczukowski, J. Tworkowski, et al., Willow biomass as feedstock for an integrated multi-product biorefinery, Ind. Crop. Prod. 58 (2014) 230-237

[5] R. Slade, R. Saunders, R. Gross, A. Bauen, Energy from biomass: the size of the global resource (2011). Imperial College Centre for Energy Policy and Technology and UK Energy Research Centre, London.

[6] V. Di Muzio Pasta, M. Negri, G. Facciotto, S. Bergante, T. M. Maggiore, Growth dynamic and biomass production of 12 poplar and two willow clones in a short rotation coppice in northern Italy (2007). 15° European Biomass Conference & Exhibition, from Research to Market Deployment. Proceedings of the International Conference Held in Berlin, Germany.

[7] R.F. Kopp, L.P. Abrahamson, E.H. White, K.F. Burns, C.A. Nowak, Cutting cycle and spacing effects on biomass production by a willow clone in New York, Biomass Bioener. 12 (1997) 313–319

[8] W. Nowak, J. Sowiński, A. Jama, Wpływ częstotliwości zbioru i zróżnicowanego nawożenia azotem na plonowanie wybranych klonów wierzby krzewiastej (Salix viminalis L.). (The effect of harvest frequency and differentiated nitrogen fertilization on yielding of selected clones of willow Salix viminalis L.), Fragm Agron. 28 (2) (2011) 55-62

[9] M. Stolarski, S. Szczukowski, J. Tworkowski, A. Klasa, Productivity of seven clones of willow coppice in annual and quadrennial cutting cycles, Biomass Bioener. 32 (2008) 1227-1234

[10] A. Demirbas, Combustion characteristics of different biomass fuels, Prog. Energ. Combust. 30 (2) (2004) 219-230

[11] L. Cuiping, W. Chuangzhi, Yanyongjie, H. Haitao, Chemical elemental characteristics of biomass fuels in China, Biomass Bioener. 27 (2) (2004) 119-130

[12] M. J. Stolarski, M. Krzyżaniak, K. Warmiński, D. Niksa, Energy consumption and costs of heating a detached house with wood briquettes in comparison to other fuels, Energ. Convers. Manage. 121 (2016) 71-83

[13] C. E. Greenhalf, D. J. Nowakowski, A. V. Bridgwater, J. Titiloye, N. Yates, et. al., Thermochemical characterisation of straws and high yielding perennial grasses, Ind. Crop. Prod. 36 (1) (2012) 449-459

[14] I. Dincer, C. Zamfirescu, (Eds), Advanced power generation systems, Chapter 3 – Fossil Fuels and Alternatives, Elsevier, Amsterdam, 2014, p. 95

[15] I. Obernberger, T. Brunner, G. Bӓrnthaler, Chemical properties of solid biofuels—significance and impact, Biomass Bioener. 30 (2006) 973-982

[16] B.B. Park, R.D. Yanai, J.M. Sehm, D.K. Lee, L.P. Abrahamson, Wood ash effects on plant and soil in a willow bioenergy plantation, Biomass Bioener. 28 (2005) 355–365

[17] A. Demeyer, J.C.V. Nkana, M.G. Verloo, Characteristics of wood ash and influence on soil properties and nutrient uptake: an overview, Bioresour. Technol., 77 (2001) 287–295

[18] S. Vassilev, D. Baxter, L. Andersen, C. Vassileva, An overview of the chemical

composition of biomass, Fuel 89 (2010) 913–33

[19] N. Liu, U. Jørgensen, P. E. Lærke, Concentrations of Chemical Elements in Willow Biomass Depend on Clone, Site and Management in the Field, Bioenergy Resour. 9 (4) (2016) 1216-1230

[20] A. Adler, T. Verwijst, P. Aronsson, Estimation and relevance of bark proportion in a willow stand, Biomass Bioener. 29 (2) (2005) 102-113

[21] P.J. Tharakan, T.A. Volk, L.P. Abrahamson, E.H. White, Energy feedstock characteristics of willow and hybrid poplar clones at harvest age, Biomass Bioener. 25 (2003) 571-580

[22] M. J. Stolarski, S. Szczukowski, J. Tworkowski, H. Wroblewska, M. Krzyzaniak,

Short rotation willow coppice biomass as an industrial and energy feedstock, Ind. Crop Prod. 33 (1) (2011) 217–223

[23] N. Liu, H. K. Nielsen, U. Jørgensen, P. E. Lærke, Sampling procedure in a willow plantation for chemical elements important for biomass combustion quality, Fuel 142 (2015) 283–288

[24] F. Biedermann, I. Obernberger, Ash-related Problems during Biomass Combustion and Possibilities for Sustainable Ash Utilisation, (cited 2017 Mar 06), Available from: http://www.bios-bioenergy.at/uploads/media/Paper-Biedermann-AshRelated-2005-10-11.pdf

[25] I. Obernberger, Physical characteristics and chemical composition of solid biomass fuels (2003), In: Script for the lecture “Thermophysical Biomass Conversion”, Chapter 3, Technical University Eindhoven, Department for Mechanical Engineering, Section Process Technology (ed.), the Nederlands

[26] R. Richaud, A. A. Herod, R. Kandiyoti, Comparison of trace element contents in low-temperature and high-temperature ash from coals and biomass, Fuel 83 (2004) 2001-2012

[27] S. V. Vassilev, Ch. G. Vassileva, V. S. Vassilev, Advantages and disadvantages of composition and properties of biomass in comparison with coal: An overview, Fuel 158 (2015) 330-350

[28] S. Vassilev, C. Vassileva, D. Baxter, Trace element concentrations and associations in some biomass ashes, Fuel 129 (2014) 292–313

[29] T. Ericsson, Nutrient cycling in energy forest plantations, Biomass Bioener. 6 (1/2) (1994) 115–121

Figure caption

Fig. 1. Mean contents of macroelements depending on varieties/clones (bars represent standard deviation; letters indicate homogenous groups)

Fig. 2. Mean contents of macroelements in willow biomass depending on harvest cycle (bars represent standard deviation; letters indicate homogenous groups)

Fig. 3. Mean contents of microelements depending on varieties/clones (bars represent standard deviation; letters indicate homogenous groups)

Fig.4. Mean contents of microelements in willow biomass depending on harvest cycle (bars represent standard deviation; letters indicate homogenous groups)

Fig. 5. Mean contents of trace elements depending on varieties/clones (bars represent standard deviation; letters indicate homogenous groups)

Fig. 6. Mean contents of trace elements in willow biomass depending on harvest cycle (bars represent standard deviation; letters indicate homogenous groups)

Table 1

The content of macroelements in willow biomass depending on cultivar/clone and harvest cycle

Harvest cycle	Variety/Clone	P	K	Mg	Ca	Na	S
Annual		g kg^-1DM
	UWM 200	2.24±0.03 d	9.38±0.04 c	2.61±0.09 b	7.12±0.78 b	0.10±0.01 d	0.61±0.01 a
	UWM 095	2.91±0.07 b	12.12±0.01 a	3.33±0.02 a	5.63±0.97 d	0.09±0.00 d	0.57±0.02 b
	Tur	2.33±0.07 d	7.87±0.00 f	2.23±0.03 d	9.14±0.14 a	0.18±0.00 a	0.42±0.01 c
	Turbo	2.54±0.01 c	8.39±0.01 e	2.45±0.04 c	6.94±0.07 b	0.15±0.01 b	0.47±0.01 c
	UWM 046	3.31±0.05 a	10.05±0.05 b	3.33±0.02 a	6.20±0.42 c	0.13±0.01 c	0.54±0.01 b
	UWM 200	1.55±0.02 f	6.16±0.02 j	2.39±0.13 c	5.45±0.02 d	0.10±0.01 d	0.46±0.01 c
	UWM 095	2.26±0.01 d	8.65±0.01 d	2.90±0.02 b	4.47±0.36 e	0.11±0.01 d	0.53±0.01 b
Biennial	Tur	2.27±0.03 d	7.49±0.02 g	2.37±0.35 c	7.03±0.35 b	0.16±0.01 b	0.39±0.01 d
	Turbo	2.26±0.01 d	6.73±0.07 h	2.39±0.14 c	7.86±0.14 b	0.15±0.00 b	0.50±0.01 b
	UWM 046	2.85±0.05 b	8.77±0.03 d	2.70±0.02 b	5.35±0.12 d	0.12±0.01 c	0.42±0.01 c
	UWM 200	1.48±0.02 f	5.45±0.02 k	2.52±0.05 c	5.17±0.69 d	0.08±0.01 d	0.35±0.01 d
	UWM 095	1.58±0.05 f	8.80±0.13 d	2.97±0.05 b	4.69±0.53 e	0.09±0.00 d	0.54±0.01 b
Triennial	Tur	1.98±0.05 e	7.28±0.05 g	2.38±0.03 c	4.37±0.08 e	0.14±0.02 b	0.47±0.02 c
	Turbo	2.37±0.04 d	6.53±0.13 i	2.14±0.00 d	5.07±0.21 d	0.13±0.00 c	0.48±0.01 c
	UWM 046	2.40±0.01 d	7.43±0.04 g	2.68±0.03 b	5.52±0.20 d	0.14±0.01 b	0.46±0.03 c

Mean  standard deviation; a,b,c..., homogenous groups interaction AB

Table 2

The content of microelements in willow biomass depending on cultivar/clone and harvest cycle

Harvest cycle	Cultivar	B	Cu	Fe	Mn	Zn
Annual		mg kg^-1 DM
	UWM 200	2.00±0.20 h	14.15±0.05 b	345.85±0.15 a	160.75±0.25 d	68.40±0.20 g
	UWM 095	6.94±0.06 b	15.65±0.35 a	347.67±15.32 a	202.90±2.10 a	87.48±0.53 d
	Tur	5.61±0.06 c	13.56±0.24 c	365.00±11.65 a	150.60±3.00 f	89.74±0.27 c
	Turbo	3.01±0.05 g	15.25±0.25 a	320.93±14.06 b	154.50±1.50 e	99.35±0.45 b
	UWM 046	7.67±0.12 a	11.85±0.05 e	334.93±8.62 b	145.80±0.20 g	127.15±0.15 a
	UWM 200	3.51±0.05 f	12.30±0.10 d	355.80±0.20 a	156.75±0.25 e	74.10±0.10 f
	UWM 095	3.93±0.03 e	14.80±0.10 b	304.70±1.30 c	196.30±0.70 b	58.20±0.60 i
Biennial	Tur	4.68±0.10 d	12.05±0.25 e	283.90±0.10 c	131.05±0.05 h	85.25±0.05 e
	Turbo	3.58±0.03 f	12.75±0.05 d	325.20±6.40 b	181.00±0.90 c	86.99±0.02 d
	UWM 046	3.60±0.09 f	14.20±0.20 b	257.90±0.10 d	112.10±0.10 i	73.70±0.10 f
	UWM 200	3.51±0.01 f	13.40±0.10 c	208.85±0.15 e	105.85±0.85 j	53.35±0.25 j
	UWM 095	3.22±0.00 g	12.77±0.13 d	325.20±6.40 b	41.40±0.80 n	49.69±0.64 k
Triennial	Tur	3.49±0.01 f	14.45±0.15 b	280.80±0.20 c	92.30±0.30 l	67.15±0.25 h
	Turbo	3.83±0.06 e	12.60±0.03 d	346.65±5.65 a	79.10±0.10 m	44.85±0.02 i
	UWM 046	3.91±0.09 e	12.15±0.05 d	355.85±0.85 a	101.45±1.55 k	69.05±0.15 g

Mean  standard deviation; a,b,c..., homogenous groups interaction AB

Table 3

The content of trace elements in willow biomass depending on cultivar/clone and harvest cycle

Harvest cycle	Cultivar	Cd	Cr	Ni	Pb
Annual		mg kg^-1 DM
	UWM 200	0.16±0.01 a	10.24±0.04 b	10.65±0.13 b	2.28±0.04 a
	UWM 095	0.15±0.01 a	9.96±0.38 b	10.62±0.31 b	1.67±0.10 c
	Tur	0.15±0.01 a	11.08±0.52 a	11.00±0.32 a	1.75±0.05 c
	Turbo	0.16±0.01 a	10.12±0.19 b	11.81±0.05 a	1.03±0.02 d
	UWM 046	0.15±0.00 a	10.13±0.30 b	11.63±0.06 a	1.64±0.16 c
	UWM 200	0.15±0.00 a	10.37±0.03 b	9.05±0.04 c	2.00±0.02 b
	UWM 095	0.14±0.00 b	9.92±0.01 b	8.72±0.01 d	1.03±0.02 d
Biennial	Tur	0.14±0.01 b	6.78±0.02 d	11.21±0.01 a	1.48±0.03 c
	Turbo	0.16±0.01 a	10.06±0.20 b	11.62±0.03 a	1.01±0.04 d
	UWM 046	0.14±0.01 b	10.46±0.04 b	11.14±0.01 a	1.05±0.03 d
	UWM 200	0.10±0.01 c	4.91±0.04 e	9.32±0.03 c	0.83±0.16 e
	UWM 095	0.09±0.01 d	8.59±0.05 c	9.39±0.09 c	1.18±0.03 d
Triennial	Tur	0.12±0.02 c	8.16±0.05 c	9.81±0.03 c	1.14±0.03 d
	Turbo	0.14±0.00 b	8.73±0.17 c	8.32±0.01 d	1.45±0.05 c
	UWM 046	0.17±0.01 a	10.21±0.09 b	10.78±0.66 b	1.34±0.11 d

Mean  standard deviation; a,b,c..., homogenous groups interaction AB

Table 4

The simple correlation coefficients for the elements under study

	P	K	Mg	Ca	Na	S	B	Cu	Fe	Mn	Zn	Cd	Cr	Ni	Pb
P	1.00	0.67*	0.44*	0.23	0.35*	0.30*	0.62*	0.16	0.25	0.37*	0.68*	0.56*	0.49*	0.59*	0.13
K	0.67*	1.00	0.77*	0.03	-0.16	0.67*	0.51*	0.46*	0.31*	0.38*	0.43*	0.21	0.44*	0.35*	0.29*
Mg	0.44*	0.77*	1.00	0.30*	-0.46*	0.53*	0.53*	0.18	0.06	0.22	0.31*	-0.05	0.17	0.15	0.04
Ca	0.23	0.03	-0.30*	1.00	0.61*	-0.08	0.16	-0.10	0.33*	0.39*	0.53*	0.47*	0.31*	0.63*	0.33*
Na	0.35*	-0.16	-0.46*	0.61*	1.00	-0.31*	0.18	-0.18	0.25	0.08	0.47*	0.47*	0.29	0.55*	0.00
S	0.30*	0.67*	0.53*	-0.08	-0.31*	1.00	0.07	0.26	0.55*	0.31*	0.11	0.25	0.50*	0.01	0.43*
B	0.62*	0.51*	0.53*	0.16	0.18	0.07	1.00	-0.10	0.23	0.31*	0.63*	0.14	0.15	0.28	0.18
Cu	0.16	0.46*	0.18	-0.10	-0.18	0.26	-0.10	1.00	-0.14	0.40*	-0.04	0.03	0.17	0.04	-0.16
Fe	0.25	0.31*	0.06	0.33*	0.25	0.55*	0.23	-0.14	1.00	0.24	0.25	0.55*	0.73*	0.09	0.65*
Mn	0.37*	0.38*	0.22	0.39*	0.08	0.31*	0.31*	0.40*	0.24	1.00	0.49*	0.58*	0.43*	0.32*	0.26
Zn	0.68*	0.43*	0.31*	0.53*	0.47*	0.11	0.63*	-0.04	0.25	0.49*	1.00	0.48*	0.40*	0.80*	0.22
Cd	0.56*	0.21	-0.05	0.47*	0.47*	0.25	0.14	0.03	0.55*	0.58*	0.48*	1.00	0.66*	0.49*	0.38*
Cr	0.49*	0.44*	0.17	0.31*	0.29	0.50*	0.15	0.17	0.73*	0.43*	0.40*	0.66*	1.00	0.32*	0.41*
Ni	0.59*	0.35*	0.15	0.63*	0.55*	0.01	0.28	0.04	0.09	0.32*	0.80*	0.49*	0.32*	1.00	0.05
Pb	0.13	0.29*	0.04	0.33*	0.00	0.43*	0.18	-0.16	0.65*	0.26	0.22	0.38*	0.41*	0.05	1.00

* correlation coefficients significant at the level of ≤ 0.05