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能源草的开发与利用 张蕴薇1 , 杨富裕1 , 吴凯峰2 （1．中国农业大学草地研究所，北京 100094；2. 农业部草原监理中心，北京） 摘要：生物质能是一种可再生的绿色能源，可以部分或全部替代原油作为燃料及化工原料，不但可以缓解去全球面临的石油危机，而且其燃烧产生的大气污染低于化石燃料，可有效的减轻温室效应、降低环境污染。以多年生高大草本作为生物质能源的原料成本低、效率高，同时兼具水土保持的功效，大力推广能源草是提高农民收入、推动我国生物质能发展的重要途径。 关键词：生物质；能源；甜高粱；柳枝稷；芒 人类文明发展到今天，人们开始对由于煤炭、石油等化石能源大量的开采和使用导致的全球变化和资源枯竭担忧，为解决能源与环境安全这两大难题，实现经济可持续发展，世界各国开始关注可再生能源，其中生物质能源的开发和应用成为近年来的热门领域。
生物质能是以生物质为载体的能量，即通过植物光合作用把太阳能以化学能形式在生物质中存储的一种能量形式，是世界上最为广泛的可再生能源。据估计，每年地球上仅通过光合作用生成的生物质总量就达1440～1800亿吨(干重)，其能量约相当于20世纪90年代初全世界总能耗的3～8倍。生物质能可转化成常规的固态、液态和气态燃料，是解决未来能源危机最有潜力的途径之一。生物质能在世界能源总消费量中约占15%左右，已成为仅次于煤炭、石油、天然气而位居世界能源消费总量第四位的能源。有专家提出，生物质能是国家重要的战略资源。还有专家估计，生物质能极有可能成为未来可持续能源系统的主要组成部分。 一般说来，利用生物质能源有多种途径：一是将农产品废弃物直接进行燃烧，用以替代煤炭；二是进行生化转换，主要是发展农村沼气和制取乙醇液体燃料；三是从油脂植物和芳香油植物中提取燃料油，经加工后部分或全部替代石油使用。目前来看，糖化发酵生产生物乙醇是主流。 用来高效获得生物质能的作物可以被称为能源作物。很多植物都用来生产生物质能，例如，油菜籽中榨取的油能生产生物柴油，林木、甘蔗、小麦等可以用来生产乙醇。能源草是特殊的能源作物，多为两年或多年生草本或半灌木。
石油是工业社会的核心能源。但石油作为不可再生资源，资源量有限。近期石油价格达到70美元/桶，而且有可能继续上涨。对于我国而言，不仅关系到我国经济的快速增长和社会的可持续发展，也关系到国家安全和外交战略。为此，研究制定石油替代战略势在必行。据专家分析，近阶段石油替代主要通过两个途径来实现，一是煤制油，二是发展生物质能源。我国已进入汽车时代，不断上涨的油价已经限制了人们的消费水平，用能源草生产乙醇是新型能源，特别是可以全部或部分取代汽油，极大的缓解日益严重的石油危机，而且能够降低成本。
我们只有一个地球，随着人们环保意识的增强，汽车尾气、温室气体等造成的污染成为人类进步的障碍。世界各国纷纷开发新能源，期望能在维持工业发展的周时，减少温室气体的排放量。生物质能源的引入能有效降低污染。去年英国政府的一项课题研究显示，生物质每年可以减少300万吨碳排放，相当于325万辆汽车的排放。燃料乙醇试点地区的试验结果显示：一氧化碳和碳氢化合物的排放，使用乙醇汽油比普通汽油分别可降低30.8%和13.4%，燃烧产生的CO2量与作为原料的生物量在生长过程中消耗的量基本持平，对于减少大气污染和抑制温室效应意义重大。生物柴油富含氧，与普通柴油混合使用，可使燃烧更加充分。美国检测结论表明，生物柴油不含硫化物，因此不会形成酸雨现象，无毒，能生物降解，避免对土壤和地下水的污染。添加20%的生物柴油，可减少70%的二氧化硫排放量，降低空气毒性90%。因此，开发和使用生物质能源符合发展循环经济的理念，符合保护环境、实现可持续发展的要求。
乙醇燃料的使用将拉动一系列产业的发展，如汽车零配件、乙醇生产、贮存、运输等。能源作物种植将有助于种植结构的多元化，提高土地利用效率，提高农民收入，用能源草制取乙醇，农民、企业均可获高额利润。据测算，用甜高粱生产乙醇纯收入最高，可达15 000元/hm2以上。如果全面推广使用乙醇汽油燃料，我国乙醇的年需求量将会净增4 000万t，这也就意味着每年给农民创造了一个1 000亿元以上的市场空间。因此，种植能源草将是帮助农民脱贫致富、解决农民问题的重大举措。 能源草多为耐旱、耐盐碱、耐瘠薄、适应性强的草种，种植和管理简单，对生长环境要求不高，因其抗逆性强，适应性广，在气候条件不利、生产条件不好的地区，如干旱、半干旱地区、低洼易涝和盐碱地区、土壤贫瘠的山区和半山区均可种植。有助于提高经济落后的山区、农区的种植业发展。目前应用较多的是用大豆提取生物柴油，用玉米生产燃料乙醇，所需的化肥、农药、灌溉用水等资源比种植能源草多数倍，产生的农业污染也多，又不存在与粮食和饲料安全发生冲突，发展能源草应该是将来的方向。 正如石元春院士所说：随着经济社会发展，人类环境压力不断加大。以农林废弃生物质及利用低质地生产能源、化工植物，从事高附加值产品的生产的生物质经济已浮出水面。
理想的生物燃料作物应具有高效光合能力。目前生产燃料乙醇的主要为玉米、甘蔗、木薯等，若要推进燃料乙醇的产业化进程，降低成本势在必行，从长远看，甜高粱、柳枝稷、芒属作物等高大草本都是理想的能源草。 ( 一) 芒属植物 以五节芒（Miscanthus giganteus）为代表，可用于直接燃烧产生能量。原产于中国华北和日本，具有许多优点： 1．生长迅速：当季就能长2~3米高，所以有人称它为“大象草”。 2．生长旺盛：从亚热带到温带的广阔地区都能生长，在强日照和高温条件下生长茂盛，水肥利用率高。在生长期间，可不施化肥和农药，凭它根状茎上的强大根系能有效地吸取养料。 3．燃烧完全：“芒”在收割时比较干燥，植株体内只会有20％~30％的水分。这种作物在生长过程中从大气中吸收多少二氧化碳，燃烧时就释放多少二氧化碳，不增加大气中二氧化碳的含量。 4．成本低：芒属作物所产生的能源相当于用油菜籽制作的生物柴油的两倍，其成本还不及种植油菜的1／3。 5．产量高：据试验，这种生物燃料作物，每公顷产量高达30~40吨。1公顷五节芒=36桶石油，比其它现有任何能源植物都高，而且可连续收获多年。 现在，欧洲一些国家已在大规模种植芒属植物，英国打算拿出150万英亩的上地来种植这种生物燃料作物。德国已兴建了一座发电能力为12万千瓦的发电厂，其燃料就是芒属植物、白杨、柳的混合物和秸秆。 （二）高梁属植物 以甜高粱（sugar sorghum）为代表，作为能源作物正受到人们的极大关注。它的气候适应性强，种植方法简单，有很好的遗传可变性，而且全世界很多地方都掌握了种植高梁的经验。高梁的耐干旱性比玉米强，而且对水分的利用效率也远高于玉米、干旱时，它可以保持在“睡眠”状态，一旦湿度增大就能很快恢复生机。土壤适应性强，对营养的要求也较低。 甜高粱为C4作物，CO2补偿点为零，当空气中的CO2浓度在1 mg/kg时，便可积累光合产物，高达1 000 mg/kg时，光合作用仍在上升，有较高的光合速率。因此，人们称它为最有效的太阳能转换器。其光合效率是大豆、甜菜和小麦等作物的2~3倍。甜高粱不仅有高能作物之称，而且也因其具有抗旱、耐涝、耐贫瘠、耐盐碱等特性，而享有作物中的“骆驼’，之美誉。甜高粱的最大短期生产率每平方米土地为51 g/d，是生产能力最高的作物之一。被誉为“生物能源系统中的最有力竞争者”，“21世纪大有希望的作物”。 甜高粱含糖量高，是生产乙醇的最佳原料之一，茎秆粉碎后加大曲发酵产乙醇，其产酒精量单位面积生产效率和甘蔗媲美，在我国甜高粱生产酒精3990~6 330 L/ hm2，甘蔗为6 150 L/ hm2，但由于甘蔗生育期7~24个月，而甜高粱生育期5个月，若用粮秆兼用型的甜高粱既可收籽粒又可收茎叶，其生产效率和经济效益更高。 甜高粱每天合成的碳水化合物可产酒精48 L/hm2，而玉米只有15.3 L/hm2，小麦为3 L/hm2。据美国、巴西对几种作物的酒精产量比较，甜高粱可生产95%(v/v)的乙醇6 000 ~7 500 kg/hm2，超过木薯、玉米、小麦等近1倍以上。每公顷甜高粱每年的酒精产量达6 106 L，而甘蔗只有4 680 L。在众多的生物能中，甜高粱被誉为“生物能源系统中的最有竞争力者”。 甜高粱用种子繁殖，用种量仅为7.5 kg/hm2左右，很适于机械播种。生育期为105~165 d，在我国长江以南一年可收获2次。在美国，甜高粱总产值为1400美元/hm2，而玉米和大豆的收入仅为493~600美元/hm2，用甜高粱生产乙醇的收入要比甜菜、玉米高得多。我国甜高粱产量是世界最高的，是最适宜的能源作物之一。如今我国甜高粱种植面积已超过1300 hm2。农业部和科技部在西部地区开展50万hm2的甜高粱生产。2001年国家决定在全国推广使用车用乙醇汽油，“甜高粱茎秆制取乙醇技术”被列入国家“十五”期间863高科技研究开发计划，大量开发生物乙醇，开创了甜高粱生产发展的新形势。新疆从2002年起就开展了甜高粱试种研究，甜高粱亩产酒精可达500 kg以上。国内已有数家公司从事甜高粱生产乙醇的生产和研发。 据新疆农科院的专家介绍，甜高粱和能源甜菜是新疆种植的各类作物中最佳的能源作物，它们在新疆均表现出了优于内陆的高产、高糖的特性。
柳枝稷是美国的本土植物，适应性好、产量高，过去用来做水土保持植物或者喂牛，人们发现其可以用来生产乙醇后，美国政府产生浓厚兴趣，大力投入研究。在美国北部大平原，每英亩柳枝稷可生产200~300加仑乙醇，由于是多年生植物，不用每年耕种，有利于土壤碳积累、保护土壤，减少能耗，节约成本，是方兴未艾的一种能源草，前景看好。在我国，目前也基本用作水土保持，尚未作为生物质能的原料。
能源作物的发展规模取决于人们对于生物质能源的态度。在国外，已经形成生物质产业，在欧美发达国家已作为一项国家战略予以推进。早在2000年，美国国会就通过《生物质研发法案》，提出到2020年生物燃油取代全国燃油消费量的10% ，到2050年达50%。德国政府每年拨巨款用于发展能源作物的种植，全国也有20多所大学、科研机构协助农民发展能源作物种植。到1999年，全国能源作物种植面积已占总耕地面积的6.5%以上，在德国化工领域，植物能源的使用量已占12%。德国是生物柴油利用最广泛的国家，每年生产和消费生物柴油110万吨，占世界总消费量的一半多。德国政府对生物柴油的生产企业全额免除税收，使其价格低于普通柴油。德国政府表示，要摆脱对石油的依赖，必须着手发展新战略，开发生物燃料是德国政府新燃料战略的一部分。目前巴西每年用甘蔗生产的燃料乙醇产量达1400万吨，成为世界上第一个不销售纯汽油的国家。在英国，很多专家都表示，植物发电是很好的减少温室气体排放、控制全球变暖的手段。森林，能源作物和其他生物质能占英国发电比例的1%，同样，生物质供热的比例也占总供热量的1%。五节芒、象草和矮柳已经被电厂、学校、医院和工厂用来发电或供热。计划可再生能源发电比例在2010年达到10%，并在2020年翻一番。 到目前为止，科学家们已发现了40多种“石油”植物。专家们正在进行品种的选择和质量的优化，并准备尽快实行商业化生产。科学家预言，在未来10~20年内，从事耕种的一部分农民将转而生产能源作物，并建立使用“生物燃料”的发电站。 我国近年来也通过国债投资、税收优惠、财政补贴等方式支持生物燃料乙醇的试点及推广，目前已形成每年102万吨的燃料乙醇生产能力。今年初，国家《可再生能源发展中长期规划》正式实施；6月份，财政部下发了《可再生能源发展专项资金管理暂行办法》，可再生能源的开发利用项目被列为重点扶持对象；发改委能源局“可再生能源发展专项资金实施细则”也已报国务院审批，近期即将公布。《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006~2020年）》中将“可再生能源低成本规模化开发利用”作为重点领域优先发展。有关专家指出，在我国，可再生能源的发展已经迎来了政策的春天。今年5月，中国石化集团和新疆农科院签订了共同推进生物质乙烯产业化项目的合作意向，第一期工程拟投资67亿元生产30万吨生物乙烯。这一工程的核心内容是在新疆大面积种植甜高粱和能源甜菜，加工生产乙醇，进而生产乙烯，作为石油的替代品。生物质能源在我国吉林、山东等省市发展初见成效。 综上所述，我国生物质能源开发势在必行，能源草的种植和利用前景广阔。 参考文献 1、张志鹏，杨镇，朱凯，等. 可再生能源作物—甜高粱的开发利用[J]杂粮作物，2005,25(5):334-335 2、戴景瑞. 浅谈我国玉米育种的目标和发展思想[J].中国农业科技导报,2004,35(6):13-16 3、张福耀，赵威军，平俊爱. 高能作物一甜高粱[J].中国农业科技导报，2006, 8(1):14 -17 4、杨文华. 甜高粱在我国绿色能源中的地位[J].中国糖料, 2004,(3):57-59 5、朱志刚. 生物质能源发展正当其时. 中国生物技术信息网. http://www..2006.7.5 6、黎大爵.开发甜高粱产业,解决能源、粮食安全及三农问题[J].中国农业科技导报，2004 ,6 (5):55-58
基金项目：国家自然科学基金“牧草种子空间诱变变异的鉴定筛选及分子遗传机理研究”（30400309） 作者简介：张蕴薇，（1974 - ），女，蒙古族，主要从事牧草育种方向的研究与教学。 |
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