森林植物生命能源開發(fā)與利用研究綜述

許恒勤，安立華，許 譚，李 艷

(1.東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱 150040;2.黑龍江省林業(yè)科學(xué)院，哈爾濱 150040)

生命能源一直是人類賴以生存的重要能源，是一種可再生的能源。但目前大多以傳統(tǒng)的直接燃燒方式為居民提供生活用能，其特點(diǎn)是利用率低，浪費(fèi)嚴(yán)重。現(xiàn)代的生命能源利用 (主要是生物質(zhì)能源)是通過一系列先進(jìn)的轉(zhuǎn)換技術(shù)，生產(chǎn)出固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)等高品位能源替代石化燃料，為人類生產(chǎn)、生活提供終端能源產(chǎn)品。生命能源的開發(fā)與利用對緩解能源危機(jī)、保護(hù)生態(tài)環(huán)境、實(shí)現(xiàn)人類社會的可持續(xù)發(fā)展具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義和長遠(yuǎn)意義。

1 生命能源研究現(xiàn)狀

人類的發(fā)展與其它生命密切相關(guān)。人類對于馬的馴服，以每小時(shí)60 km的速度，使其活動的空間擴(kuò)大到900～1 000 km2。這對于自身的文化和貿(mào)易交流，不同種群、族群的融合，時(shí)間和空間的交換更快，從而加速了人類的文明與進(jìn)步。牛耕技術(shù)始于何時(shí)，范文瀾《中國通史》、郭沫若《中國史稿》認(rèn)為牛耕始于商代，甲骨文中的犁字即有牛的雛形。有文字可考的牛馴服歷史可以追溯到2000多年以前。有史考據(jù)的是相傳5000年前的黃帝時(shí)期牛已被馴服，并使用于畜力，但考古發(fā)現(xiàn)尚未得到有力支持。人類馴服馬的歷史相傳6000年以上，可見牛馬對于人類的文明發(fā)展具有相當(dāng)重要的作用。當(dāng)然不只是牛和馬，還有驢、騾、豬、羊、雞、鴨、鵝、狗和貓等。這里要說的是作為家畜、家禽的動物與人類的文明是不可分割的。馬的奔跑速度是其生命能源的應(yīng)用。馬車?yán)突蚶洠仁菍λ俣鹊睦靡彩菍ζ淞Φ膽?yīng)用。牛也是同樣。也就是說，動物能源的利用具有悠久的歷史，無論是戰(zhàn)爭還是運(yùn)輸，都起到了巨大的作用。

科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是近百年來的突飛猛進(jìn)，牛馬之類的動物能源應(yīng)用快速萎縮。各種交通運(yùn)輸工具，無論是速度還是載量都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了牛和馬的能力。載量幾萬噸、幾十萬噸的船舶，時(shí)速從50 km到500 km的火車，各種噸位的汽車以及航空航天裝備，為人類歷史的發(fā)展開創(chuàng)了先河。

然而各種運(yùn)輸工具使用的能源大多對環(huán)境有污染，無論是石油、煤炭，還是天然氣，釋放能量的過程中會有大量的碳排放。我國每年發(fā)電3萬億度，按80%為火電計(jì)算，2.4萬億度電耗煤占全國煤炭消費(fèi)總量的50%。到2010年，中國汽車保有量達(dá)到5500萬輛，平均按每輛車日耗油4 L計(jì)，全國日耗油2.2億L。按1°電排放0.997 kg CO2，0.272 kg C，1 L汽油排放2.3 kg CO2，0.627 kgC計(jì)算，這兩項(xiàng)年排放分別為CO27.45億kg和654/億kgC，可見碳排放大戶首先是發(fā)電，汽車排放數(shù)量也很可觀，特別是2009年汽車銷售超過1300萬輛，2010年會遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過2009年，其它還有船舶航空等［1］，由此可見碳排放關(guān)系到新能源的開發(fā)利用。

2 生命能源的含義及其開發(fā)利用

2.1 生命能源的含義

石油、煤炭、天然氣能源，通過考證均為生命能源。在一定地下深度，動植物的尸體經(jīng)過成千上萬年的物理化學(xué)反應(yīng)后形成石油，水中浮游的動、植物或稱腐泥型有機(jī)質(zhì)生成天然氣，除此以外還有高等植物或腐植型有機(jī)質(zhì)。而煤炭則主要是由樹木經(jīng)過數(shù)千萬年的物理變化和化學(xué)變化而形成的。可見，現(xiàn)在利用的能源絕大部分是生命能源或生命延續(xù)產(chǎn)生的能源，這里稱為生命遺留能源［2］。

生命能源具有繁衍、孕育、呼吸、成長、發(fā)育及衰弱死亡的特征。在整個(gè)生產(chǎn)過程中離不開水、空氣和陽光等撫育和滋潤。死亡后如果條件適宜又會產(chǎn)生新的生命延續(xù)能源。而水、陽光和空氣的合理利用，又給生命帶來了新的能源，如水力發(fā)電、太陽能發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電等。

生命能源主要分為動物生命能源和植物生命能源兩類。動物生命能源又可以分為鮮活生命能源和遺留生命能源。而正在生長發(fā)育的生命能源可以稱為鮮活生命能源。植物生命能源可分為鮮活植物生命能源和遺留植物生命能源。遺留植物生命能源又分為遠(yuǎn)期遺留植物生命能源和近期遺留植物生命能源。遺留動物生命能源也應(yīng)該分成遠(yuǎn)期和近期兩種。遠(yuǎn)期遺留動物生命能源和遠(yuǎn)期遺留植物生命能源可以理解為石油、煤炭和天然氣等;近期遺留動物生命能源和近期遺留植物生命能源可以理解為動物骨骼、木乃伊和干燥的植物根莖葉等［2］。當(dāng)然，也可以有第三種生命能源，如微生物生命能源，但這里不是主要研究內(nèi)容。這樣，遺留生命能源的利用會產(chǎn)生碳排放，對環(huán)境和生態(tài)產(chǎn)生不利影響，如全球氣候變暖等。而鮮活生命能源的開發(fā)利用，產(chǎn)生的碳排放可大大降低。鮮活動物生命能源的利用已有數(shù)千年的歷史，但多為初級或較簡單的利用。而近期遺留植物生命能源的利用數(shù)量不多，質(zhì)量很低。如某些針葉喬木、綠葉及枝干即可生火取暖燒飯，如能采取某些先進(jìn)或科學(xué)的方法或手段進(jìn)行鮮活植物生命能源的利用，碳排放有可能降低到零，這是對環(huán)境、對生態(tài)、對人類的巨大貢獻(xiàn)。比如最近研究的熱門就是綠藻的培育和提純。綠藻生成石油的比率可達(dá)50%，是一種很有價(jià)值的低等能源植物。

2.2 生命能源的開發(fā)利用

這里強(qiáng)調(diào)的是下述植物生命能源的開發(fā)與利用。

(1)種子發(fā)芽的力測試。種子發(fā)芽是種子生命的巨大渴望，這種力有多大，草本植物、木本植物是否有區(qū)別，區(qū)別多大、低等植物和高等植物是否有區(qū)別、區(qū)別多大，相關(guān)資料幾乎沒有涉及。有一些種子外殼堅(jiān)硬，如核桃和松籽等，用工具砸開都要用很大的力，但其籽仁很小，一旦溫度、濕度適宜即可穿破堅(jiān)殼，可見其力的大小大有必要測試。知道了種子發(fā)芽產(chǎn)生的力的大小以及變化規(guī)律，就有可能利用種子發(fā)芽這一功能，為人類文明、進(jìn)步服務(wù)。種子發(fā)芽力的測試涉及到種子發(fā)芽的條件、種子的選定、種子力測試裝置的設(shè)計(jì)、不同種子不同時(shí)間不同力的測量記錄分析計(jì)算等，一套完整的測試系統(tǒng)需要規(guī)劃設(shè)計(jì)。

(2)喬木生長階段徑級增加產(chǎn)生的力的測定。速生豐產(chǎn)樹種如梧桐、毛白楊及非洲黑楊等，生長速度快，據(jù)相關(guān)資料記載［3］，6年生毛白楊及非洲黑楊等胸徑可達(dá)30 cm，10年可達(dá)40 cm［4］，當(dāng)然這些樹種的生長需要相關(guān)的立地條件，如長江或黃河中下游，溫濕度及地位級合適等［8－11］。對于一些優(yōu)勢樹種，生長成熟年限可能很長，也就是說生長緩慢，但無論生長快慢，直徑方向的增加都會產(chǎn)生力的變化，這個(gè)力有多大，不同樹種、不同樹齡、不同地域有哪些區(qū)別，相同樹種、不同高度，徑級增大產(chǎn)生的力的變化是否有區(qū)別，區(qū)別有多大，這些都是未知的問題。一旦這些力的大小測定結(jié)果明確，即可以考慮如何利用。比如沿著公路栽種某些樹種，以其直徑增長變化發(fā)生的動能進(jìn)行發(fā)電，那么路邊的綠化就有可能成為路燈的電光源。一片森林靠其林木生長直徑變化進(jìn)行發(fā)電，完全有可能實(shí)現(xiàn)。

(3)木材變形漲縮力的測定。原木、板方材在不同溫度、濕度的作用下，由于干燥速度的不均勻，會產(chǎn)生不均勻的漲縮［5，6］，從表象上看是木材的劈烈或漲大，這種漲縮的力有多大，樹種不同、材種不同、光照不同、溫濕度變化不同，膨脹的力是如何變化的，這方面的有關(guān)資料很難查到。如能得到這些力的變化規(guī)律，經(jīng)過充分利用，無疑得到的是清潔能源。如在我國南方某些地區(qū)，水量充足，氣溫偏高，能夠利用木材干濕的變化產(chǎn)生的力做功，完全有可能得到碳排放很低的能源。

生命能源的利用取得了大量的應(yīng)用成果。如利用人們穿著的鞋來發(fā)電，平均一雙鞋可以發(fā)出20 W的能量［7］，這也是一種低碳排放的裝備。現(xiàn)今比較熱門的生物質(zhì)能源開發(fā)利用，主要是利用作物秸桿、根葉或樹木的剩余物如樹葉、樹根，或采伐、造材和制材剩余物進(jìn)行發(fā)電、制沼、飼料和保溫墻體等，實(shí)際上都屬于生命能源的利用。

3 結(jié)論

可持續(xù)發(fā)展的循環(huán)經(jīng)濟(jì)要求盡可能低的碳排放。生命能源的利用和開發(fā)必將得到迅速發(fā)展。只有這樣，才能對環(huán)境、對生態(tài)、對人類社會有所貢獻(xiàn)。

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