能源植物的研究現狀與展望

吳忠海 楊曌 李紅

摘要

自英國工業革命以來，世界各國對能源的開發利用不斷深入，致使地球能夠提供的資源量隨時間推移越發不能滿足人類的需要，全球的科學家們開始致力于尋找新型能源，在此針對新型清潔能源——生物質能，即能源植物當前的研究進展進行多角度綜合分析，簡要論述生物質能源發展的可行性和可持續性。

關鍵詞能源植物；研究現狀；開發前景

中圖分類號S181.3文獻標識碼A文章編號0517-6611（2014）06-01805-03

AbstractSince the industrial revolution of British， energy development and utilization has been deepening unceasingly in the world， causing the resources planet can supply to fail to satisfy human needs. Limited resources are constantly consumed， while unlimited resources application fields need new alternative energy to supplement. In line of this situation， this paper carried out multiangle comprehensive analysis on current research situation of new clean energies， including biomass energy， also named energy plant， and briefly discussed the feasibility of biological energy development and sustainability.

Key words Energy plant； Current research situation； Development prospects

世界經濟發展的基礎是能源，然而目前世界上約85%的能源是靠燃燒石油、天然氣、煤等不可再生的化石能源來獲得[1]。隨著世界化石能源資源的漸趨枯竭，各國都在積極探求可以替代化石燃料的能源，安全、清潔、儲量無限的生物質能源進入科學家們的視線，成為能源研究熱點。這不僅緣于生物質能源可以無限再生、原料易得、資源豐富，且其穩定又儲能，產品既有熱與電，又有固、液、氣三態的多種能源產品，以及塑料、生物化工原料等眾多的非能生物基產品，這些特質與功能是其他所有物理態清潔能源所不具備的。因此，作為一種可再生資源，生物質能源的可貯藏性及連續轉化能源的特性，決定了生物質能源將會成為非常有前景的替代能源，生物質能源主導未來可再生能源的發展已成為必然趨勢。

所謂的生物質能源來自于能源植物，從廣義上講，能源植物包括一切陸生和海洋植物，從狹義來說包括富含纖維、淀粉、脂肪等可應用于提取能源的植物[2]，如野草類的芒以及作物類的大豆、玉米均可以稱得上是能源植物。由于大部分的植物可以通過光合作用固定太陽能，所以對能源植物的開發利用，亦可以說成是對太陽能的另外一種新型利用方式，將無形的太陽能轉化為有形的生物質能源，更加多樣化的應用于包含能源需求的各個領域，如造紙、燃料、飼料、生物乙醇、生物柴油、生物燃氣等。目前許多國家已經涉及研究和使用生物質能源[3]，其中巴西、澳大利亞、加拿大和歐美發達國家的研究較有突破并在生產應用上形成了一定規模。世界生物乙醇兩大領跑國之一的巴西，生物燃料放在該國優先發展地位，目前全國以乙醇替代了50%的汽油；北歐的瑞典宣布，將在2020年成為全球首個告別石油的國家，稱屆時將沒有汽車再使用汽油，生活用能（如電力、取暖）不再使用燃料油。2010年度，美國生物質能研發的撥款為太陽能和風能的5.8倍。我國對能源植物的研究起步較晚，多數研究處于較淺層次，但豐富的植物資源使科學家和學者們具有了更廣闊的研究空間，如云貴等南方地區的油桐資源已被開發用來生產桐油，使我國成為世界上最大的桐油生產國[4]。筆者在此針對能源植物當前的研究進展進行多角度綜合分析，簡要論述生物質能源發展的可行性和可持續性。

1典型能源植物簡析

目前，能源植物的研究主要集中于高大的茅草類植物和作物類植物，其中有幾種植物的研究已初具成果，成為能源植物家族的代表。

1.1柳枝稷（Panicum virgatum）

能源植物界的模式植物，多年生禾本科稷屬植物，原產于美國大平原及東部大部分地區、株高可以達2 m以上的高稈C4土生草種。該植物的耐性極強，對不良生境的適應性很高，不管是貧瘠、干旱、鹽堿，甚至是沙石土礫遍布的荒灘均可以扎根生存，汲取大地深處的水和養分，正常生長。雖然柳枝稷自然狀態下萌發率低，但通過多年的研究發現，僅需要簡單的實驗室處理就能夠克服柳枝稷的這一缺點，達到90%以上的萌發率[5-6]，實現了大面積推廣種植的可能。由于這些特點，柳枝稷很快進入能源植物科學家們的視線，成為能源植物研究的熱門植物。經大量的試驗論證發現，作為C4植物，柳枝稷是一個極好的二氧化碳“濃縮器”，氮和水的利用率高，生長迅速，產量高，含有極高比例的木質素和纖維素，可以提取制成固、液、氣各種需要狀態的能源物質滿足工業需要。其中，柳枝稷的乙醇轉化率可達57%，能量約是“玉米酒精”的2.5倍，據測算，1畝柳枝稷所產出的酒精能量可以抵3、4 t電煤的能量，提取后的剩余殘渣可以通過簡單的加壓處理后形成坯狀實體“煤球”用于燃燒產能，而燃燒后的剩余灰燼、氣體污染物等相對等量煤炭要少很多[7]，灰燼甚至還可以進一步用作肥料，火力發電前景堪好。因此，如果采用合理而廉價的方式對其有效成分加以提取和利用就可以在不遠的將來部分替代甚至完全取代化石能源燃燒供能。

除能源貢獻外，柳枝稷的生態學效益也很明顯，其良好的水土保持能力[8-9]，能夠恢復和改善邊際土地、貧瘠土地等惡劣生態環境，為野生動物鳥禽等提供棲息生境。

目前世界各國都在積極研究，嘗試開發柳枝稷，研究所涉及的方面越來越廣、越來越深入，希望可以得到穩定高產的柳枝稷品種用于擴大柳枝稷的生產。

1.2芒（Miscanthus）

芒素有柳枝稷接班人之稱，是最有潛力的能源植物之一[10-11]。多年生禾本科芒屬C4植物，根系發達，植株高大，通常可達1～2 m，形成密集草叢，適應性強，耐刈割。在牧區，因抽穗前植株營養價值高，適口性好，是牛羊喜食的牧草之一；幼莖還有散血去毒的藥用價值；抽穗后的芒使用石灰水浸煮能夠將淀粉價提高至40%，是生產生物乙醇等能源產品的優選原料，同時其高品質的纖維適用于造紙等多個工業領域。芒的分布很廣，從東南亞到太平洋島嶼的熱帶以及亞熱帶和溫帶地區皆有分布，近年來被歐美、英國、德國等許多國家規模性種植并進行發電的研究[12]。在國內，李勤奮等研究表明芒在一定的土壤pH下甚至可以實現在礦區的廣泛種植，并形成優勢種群，改善礦區的生態環境[13-14]，國外學者同樣有相似研究表明芒對碳的減排和吸存具有一定的積極作用[15-16]。

盡管芒具有明顯的能源植物優勢，但芒的種植難度較高，越冬能力較差，水分對其植株的成分有所影響，在歐洲自然生態條件下，科研人員使用新的農藝技術，改善基因型篩選可用的芒種[17]，而另一些科研人員嘗試采用地下塊莖進行繁殖同樣得到一定的成效。中國科學家易自力教授于2008年率先在國內芒屬能源植物研究領域獲得國家自然科學基金，進行芒屬植物在能源利用方面的研究，利用種間遠緣雜交使野生的芒和南荻進行雜交，選育獲得了湘雜交1號、2號、3號新品系；相對野生芒，其遺傳性狀更加穩定、長勢更好、耐貧瘠性更強、高產期更長、纖維含量更高（達干物質的80%左右）、礦物質含量更低等，產量高出低產親本80%以上，相當于畝產8桶原油或1.4 t原煤，為我國能源的可持續發展奠定堅實基礎。

1.3苜蓿（Medicago sativa）

享有“牧草之王”美譽的苜蓿，屬多年生豆科植物，產量高，草質優良，既因蔬菜成餐桌美食，亦以牧草為畜禽喜愛，是近年能源植物研究熱潮下的明星植物。苜蓿的適應性廣，可以適應各種地形、土壤、輕度鹽堿地，具有較強的耐寒和再生能力，在黃土高原地區廣泛種植，適度灌溉條件下干草就可達17 t/hm2的產量。苜蓿的莖葉含有蛋白質、胡蘿卜素、維生素、鈣、磷等多種營養成分及微量元素，在常規應用中，通常作為牧草直接供家畜采食或加工成草捆、草塊、草顆粒等形式使用，但這些應用皆為“苜蓿飼用性”的范疇，是對苜蓿資源本身的“大材小用”，如何高效利用苜蓿資源加工包括燃料乙醇在內的多種增值產物成為當務之急。經研究發現苜蓿的可發酵多糖占非纖維多糖的40%，遠高于其他牧草植物的5%，只要使用合理的發酵工藝就可以提取出苜蓿的有效成分，生產生物乙醇；除此之外，可以從初渣中提取出一種生物粘結劑，替代現有的酚甲醛用于膠合板的生產，減少空氣污染對人體的危害，剩余榨渣還可用于造紙、生物質發電或飼用[18]，幾乎沒有廢棄污染物。

試驗數據顯示，每千克鮮苜蓿壓榨后可得到300 g榨渣、100 g乙醇、400 g粘結劑和50 g可回收的液態食用/飼用蛋白添加劑[19]。由此可見，苜蓿應用前景和范圍非常廣闊。

1.4作物類

它是一類被農民作為農作物種植獲益的植物，包括大豆、玉米、甜高粱、油菜、甘蔗等。包括我國在內的很多國家的科學家們已經對這一類植物的能源替代性進行了研究，并投入了實際應用。其中美國酒精的95%來自于玉米，55%的生物柴油來自于大豆，是世界上最大的以大豆為原料生產生物柴油的國家；巴西主要致力于甜高粱的生物智能研究，法國主要以甜菜生產生物乙醇，德國則主要致力于菜籽油生物柴油的生產。在國內，生產生物能源的主要植物為油菜籽、小桐子、甜高粱、甘蔗等，其中油菜是生產生物柴油的理想原料，甜高粱是最佳的乙醇生產材料[20]，甘蔗生物乙醇的工藝研究正在穩步發展。

以農作物為能源植物生產生物乙醇或生物柴油存在明顯弊端。首先，我國人口眾多，耕地不足，有效的耕地面積應該為糧食讓步；其次，我國有很多的邊際土地、鹽堿地、貧瘠土地等不適于農作物種植的土地，根據中國農業大學胡林等的研究報告顯示，我國尚未被開發利用的荒草地是最重要的保留土地資源之一，若把其中適合種植的361萬hm2荒草地種植生物乙醇能源植物，每年潛在的生物乙醇產量可達1 100萬t，能夠替代當今中國汽油消費的23%。柳枝稷、芒等能源植物恰能在這些土地上生長，提供綠色能源之余，僅需經過3～5年的能源植物種植改良后，邊際土地的不良狀況就能夠得到部分改善，更長時間后可以使不良土壤成為適于耐性較好農作物生長的耕地，改善局部生態環境，提高糧食產能。

2能源植物開發的主要研究方法和手段

能源植物開發是一門新興的產業，包括篩選和推廣等環節皆處于試驗階段，因而每一種植物均有以能源植物身份被推廣的可能，如何篩選高產、高效、高收益能源植物，目前的鑒定和育種手段主要依靠植物體內不飽和脂肪酸、纖維素、半纖維素、木質素、灰分等成分測定以及基因工程技術等。

2.1成分測定

能源植物主要因替代能源的身份應運而生，則適宜生產生物乙醇的植物就一定要含有高含量碳水化合物，即糖分，如纖維素、半纖維素等，纖維素測定儀可以很容易地完成纖維含量的測定。其次，富含油脂類的能源植物，尤其是富含C18不飽和脂肪酸的能源植物，其特性與0#柴油十分相近，卻更加清潔、安全[21]，適合生產加工為生物柴油，用作機動車燃料。另外一類能源植物含有類似石油成分（烴類）可以用于生產生物石油，目前已有部分國家在此方面獲得很大成就。除上述成分外，灰分、水分與熱值比也是影響能源植物質量的重要因素。灰分的含量低可以降低燃燒后的廢棄污染物，水分含量低降低了能源植物處理過程中的干燥成本，附之較高的熱值，加工成燃料與煤炭混合燃燒供能即可以大比例降低燃料供能成本。

2.2適應性和抗逆性鑒定

根據各地域土壤、氣候、水分等條件選擇適宜的草種，采取適宜的播種方式—單播/混播，使能源植物收益最大化，優化能源產效。檢測能源植物的適應性和抗逆性需要測定自然狀況下樣地中的生物產量、單株平均生物量/單位面積生物量、分蘗數、不同生長期（生長期、開花期、霜后期）植物各種成分的含量等指標篩選出最適宜、產量最大的能源植物品種。除此之外，氮肥以及收割時間、次數對能源植物的品質皆有影響，已有試驗表明，在可能的情況下，由于霜后植株及幼苗死亡，降雨引起的淋溶作用可以去除植物體內Cl、K等灰分成分，從而減少能源植物燃燒產生的廢物，故越晚收割的能源草越適宜用來做燃料[22-23]。

2.3生態學效益評定

對邊際土地、鹽堿地等貧瘠土地種植能源植物前后土壤中有機質含量（即肥力）進行測量，進而評估能源植物對該區域水土保持、生態環境改善的能力。

2.4雜交和基因工程技術在能源植物育種的應用

自然狀態下的能源植物并不是最理想的推廣物種，科學家們通過引進良種與當地植物雜交后篩選培育高效、高產的能源植物已經取得一定的進展，同時基因工程技術的應用能夠將有利基因（如耐鹽、抗旱、耐貧瘠基因等）導入野生品種而得到更優質的新品種能源植物，更加利于推廣種植，充分利用閑置荒地為人類造福。

3能源植物開發的研究進展

自從20世紀70年代以來，能源危機開始逐漸在世界范圍內顯露，替代能源研究成為各個國家科學研究的重點課題，并制訂出多個推廣開發研究計劃。如日本的新陽光計劃、印度的綠色能源工程、美國的能源農場和巴西的酒精能源計劃等[24]。其中美國的研究取得的成績最為優異，其能源植物產量每年均在500×104t以上，同時在生物柴油的提取和使用技術上也取得了較大的進展，利用海藻成功研制開發出生物柴油，發現一種被稱為“鼠憂草”的植物，每公頃可提煉1 t石油。

巴西是能源植物推廣利用最積極的國家之一，具備成熟的甘蔗乙醇生產技術，率先推出了國家酒精計劃，大規模生產酒精動力汽車，最先成為世界上不使用純汽油作為汽車燃料的國家[25]。除此之外，在巴西境內發現一種可以產油的油棕櫚樹，產出的油與柴油成分相近，無需提煉。

歐洲是世界上能源植物發展最快的區域，這些國家主要以油菜為原料開展研究生產生物柴油。德國和奧地利等國建起多個生物柴油生產廠，僅德國就有1 600余家的生物柴油加油站[26]，瑞典的斯德哥爾摩城市公交系統完全不使用石油燃料柴油，一年可替代14 000 t柴油，減排41 000 t的CO2。

近年來，我國的很多科研院所對能源植物資源利用進行了不同層次的研究，利用引種、雜交等手段開發出“三高”油菜品系等高效轉基因能源植物，利用低端的能源植物資源生產出高端的能源產品——電等，穩步趨近實現“種出一個大慶油田”的理想。

4 開發前景及建議

能源植物的開發和推廣同時具有經濟效益和生態效益。首先，能源植物的開發受到的限制很小，哪里有能源植物哪里就可以開發建廠，而不像風能、太陽能的利用要受到風級、光強的制約。而且秸稈煤田、清林煤田、沙地煤田、林業荒山荒坡煤田四大綠色煤田儲量豐富，可重復再生利用，具有廣闊的開發空間和前景，一次投入，多次產出，從微利到大營利，是新時期能源革命的開始。其次，各個國家為支持能源植物研究開發相繼出臺各種扶持政策，保證了研究的開發基金、產品銷路，是企業入駐能源植物開發領域的保證。這是一個義利結合的產業，不僅節能減排、清潔無污染，回收利用了可能引起火災、病蟲等隱患的清林剩余物，開發恢復沙地、荒山的生態環境，同時延長了農產品的產業鏈，增加農民收入。與此同時，仍然要清醒地認識到能源植物開發過程中的阻力，積極探索，尋找出合理的商業模式，搭建明顯的營利點，讓企業家們信服加入，農民積極參與開發推廣能源植物，開辟一條可持續的能源發展道路，擺脫經濟和社會發展的能源限制。

42卷6期吳忠海等能源植物的研究現狀與展望

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