能源草發(fā)展的比較優(yōu)勢和戰(zhàn)略潛力研究

馬志林，馮長松

(1.河南省水利科學研究院，河南 鄭州 450003； 2.河南省水利工程安全技術重點實驗室，河南 鄭州 450003；3.河南省農業(yè)科學院 畜牧獸醫(yī)研究所，河南 鄭州 450008)

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能源草發(fā)展的比較優(yōu)勢和戰(zhàn)略潛力研究

馬志林1,2，馮長松3

(1.河南省水利科學研究院，河南 鄭州 450003； 2.河南省水利工程安全技術重點實驗室，河南 鄭州 450003；3.河南省農業(yè)科學院 畜牧獸醫(yī)研究所，河南 鄭州 450008)

生物質能源；能源草；重要性；優(yōu)勢；潛力

纖維素類生物質已經成為發(fā)展生物質能源的主導原料。草本能源植物以其獨具的優(yōu)點在生物質原料中居重要地位，具有廣闊的發(fā)展前景。針對能源替代、環(huán)保減排的迫切要求及生物質能源發(fā)展原料需求，分析了我國發(fā)展能源草的重要性和必要性，論述了能源草作為新型生物質原料的優(yōu)勢和潛力。

能源是人類社會賴以生存和發(fā)展的重要物質基礎。20世紀70年代中期，由中東戰(zhàn)爭引發(fā)的全球性能源危機，使人們深刻認識到了化石能源的資源有限性和環(huán)境污染問題。根據現(xiàn)已探明的儲量和需求推算，到21世紀中葉，世界石油、天然氣、煤炭資源可能枯竭。傳統(tǒng)能源面臨的挑戰(zhàn)及所引發(fā)的一系列生態(tài)危機，正嚴重威脅著人類的生存和社會的可持續(xù)發(fā)展。

因此，發(fā)展可再生的生物質能源替代傳統(tǒng)化石資源，對緩解能源短缺、降低環(huán)境污染、促進經濟可持續(xù)發(fā)展具有重大意義。生物質能源的開發(fā)和利用已經成為當前解決能源危機問題的一個發(fā)展方向[1]。從資源利用的角度來看，農林業(yè)成為發(fā)展生物質能源的基礎，能源植物的培育及優(yōu)化成為滿足生物質能源規(guī)模化發(fā)展的保障。而能源草產量高、易獲得、儲量豐富，作為轉化原料潛力巨大。相對于其他農作物或木本能源，能源草的優(yōu)勢尤為突出[2]。

1　我國能源草發(fā)展的重要性和必要性

1.1替代能源的要求

據統(tǒng)計，按目前的水平開采世界已探明的能源，煤炭資源尚可開采100年、石油30～40年、天然氣50～60年[3]。而我國正處在經濟快速發(fā)展期，能源需求不斷增長，2009年就已超過美國成為世界第一大能源消費國。2013年我國石油消耗量達到4.98億t，同比增長1.7%，石油對外依存度達58.1%，已高于50%的國際警戒線；2014年原油對外依存度高達59.6%,超過了58.8%的預期[4]。中國石油對外依存度每年增加2～3百分點，2020年預計達到76.9%[5]。我國交通能源對石油產品的依賴度超過95%，交通業(yè)石油消耗量已超過石油總消耗量的一半(汽車對原油的消耗占了3/5)，中國目前又處于交通發(fā)展初期，人均汽車保有量僅不到發(fā)達國家的10%，近10年汽車增長速度達20%，航空業(yè)也以每年17.5%的速度快速發(fā)展，國家能源安全問題日益嚴峻。而目前生物燃料、電能、天然氣等替代能源的利用量仍然很低，能源急需補充和替代，生物液體燃料是當前替代石油基燃料唯一可行的生物質能源利用路徑[6]。能源草作為一種可再生能源載體，制成的生物液體燃料可直接替代化石燃料，生物質顆粒可替代煤炭燃燒發(fā)電，這是其他新能源載體難以實現(xiàn)的，凸顯了能源草作為生物質能源的優(yōu)勢。

1.2溫室氣體減排和環(huán)境污染治理的要求

化石燃料燃燒產生的大量CO2、SOx和NOx等氣體，是導致大氣污染、全球變暖、霧霾等重大環(huán)境問題的主要原因，持續(xù)增長的能源消耗使中國成為世界上CO2和SO2排放量最多的國家之一[7]。中國的發(fā)展正面臨著嚴峻的大氣污染形勢，霧霾問題已引起民眾強烈不滿和政府高度重視。

利用能源草生產生物質能源，可再生而不會枯竭，使用過程中SO2排放量很低，產生的CO2量與植物生長過程中吸收的CO2量相近，同時植物自身還起到保護和改善生態(tài)環(huán)境的作用，幾乎不產生污染，因而在能源緊迫和力求減少溫室氣體排放的今天，其開發(fā)利用備受全球各國重視，發(fā)展前景廣闊。

1.3“不與人爭糧、不與糧爭地、不破壞生態(tài)環(huán)境”發(fā)展原則的要求

生物液體燃料實現(xiàn)交通燃料替代具有重要意義已是不爭的事實。自2006年國家提出“不與人爭糧、不與糧爭地、不破壞生態(tài)環(huán)境”的生物燃料發(fā)展原則以來，原料供應問題就成了一個很大的挑戰(zhàn)，其中：玉米、小麥等糧食作為生物燃料原料，明顯與原則相悖，國家已不再擴大生產規(guī)模或批準新的項目；木薯等非糧作物雖不與人爭糧，但目前仍主要利用耕地進行種植，未能擺脫與糧爭地的局面，長期來看，也不可能大規(guī)模推廣來滿足生物燃料的發(fā)展需求；而能源草作為一種低成本、抗逆性強的能源作物，符合中國生物質能源發(fā)展原則，必將是未來生物質能源的主要原料來源之一。

1.4生物質能源發(fā)展原料的需求

生物質商品燃料生產，需要有規(guī)模大而價格又相對低廉的原料供應保障。美國和巴西最早成功利用玉米和甘蔗制得燃料乙醇。然而，以糧食作物為原料的生物質能生產，不僅加大了對農作物的需求量，也引起了糧食短缺，導致糧價上漲,引發(fā)了人們對于國際糧食安全風險的擔憂。2007年我國政府呼吁停止使用玉米生產燃料乙醇。

第二代生物液體燃料的原料來源主要有兩種：農林廢棄物和草本能源作物。目前中國及世界關于纖維素乙醇的研究及示范項目主要集中于農林廢棄物，尤其是農作物秸稈(玉米秸稈)。農林秸稈廢棄物理論總量大，但由于低密度零散分布，收集運輸成本高，因此實際可利用率低。而能源草在種植、收獲、運輸、貯藏方面可實現(xiàn)全程機械化操作，適合規(guī)模化發(fā)展，加之能源草對土地要求較低，抗逆性強，可利用邊際和荒棄土地種植，因此能源草在規(guī)模化生產和土地利用上具有較大優(yōu)勢。以我國生產木質纖維素類原料而言，多年生牧草有一年生糧食作物不可比擬的優(yōu)越性[8]，目前很多國家都已開始大量種植[9]。

2　能源草在生產性能方面的優(yōu)勢和潛力

2.1生長速度快，生物量大

能源草生長迅速，再生性好，一般定植2年后便可達到較高產量(如表1)，全年均可收獲利用，且一次種植可連續(xù)穩(wěn)產收獲10年以上，優(yōu)良品種甚至可達25年。

表1　北京郊區(qū)連續(xù)4年試種能源草干物質產量[10]

北京昌平的種植試驗表明[11]，柳枝稷、雜交狼尾草及紫花苜蓿生長速度分別可達3.34、3.47和1.89 cm/d，再生速度分別達到1.97、1.82和0.54 cm/d，年鮮物質產量分別達到84.6、84.5和78.9 t/hm2，年干物質產量分別可達22.5、21.8和20.5 t/hm2。

能源草的株高、產量與品種、種植條件及種植區(qū)域有關。在較好的種植條件下，北京郊區(qū)雜交狼尾草干物質產量可達40.14～48.54 t/hm2[12]。在美國東南部等優(yōu)良種植條件下柳枝稷干物質產量可達35～40 t/hm2，是北京的1.2～1.4倍[13]。芒草在南歐地區(qū)種植年產量可達30～45 t/hm2[14]，是中國湖南長沙的2.1～3.2倍。蘆竹在天津地區(qū)最大干物質產量可達45 t/hm2[15]，是北京的1.3倍。象草在廣東珠海的年干物質產量可達89.4 t/hm2[16]，廣西南寧引種的象草平均干物質產量為36.1 t/hm2[17]。

在能源植物中，木本植物生長比較緩慢、年生物量相對較低，農作物秸稈一年只收一茬，而能源草一年中可刈割三四茬，相比較而言單位產量更高(表2)。

表2　不同能源植物年產生物質量　t/hm2

2.2品質好，能源利用潛力高

木質纖維素是由纖維素、半纖維素、木質素和少量的可溶性固形物組成，其自身的結構特性決定了生物質液體燃料的轉化效率，纖維素含量越高、木質素含量越低，其轉化效率就越高[20]。柳枝稷、芒草等能源草的纖維素與半纖維素含量超過60%，且結構相對蓬松，木質素含量較低(見表3)，最有利于水解發(fā)酵，預處理糖轉化效率可達90%以上[21]，是加工二代纖維素乙醇燃料的優(yōu)質原料。謝光輝等[22]在科爾沁對柳枝稷的規(guī)模示范研究表明，柳枝稷的能源產出投入比約為20 ∶1，是玉米產出投入比的2～2.5倍。按高產量30 t/hm2計算，每公頃柳枝稷可產出高達50萬MJ的能量，能源利用潛力極高，最大能量凈產出比甜高粱還高[23]。

表3　不同生物質的組分分析

2.3熱值高，污染物排放少

從化學組分分析知，能源草富含碳氫化合物，炭活性高，灰分含量低，熱值高[27]；易引燃，灰燼中殘留的碳量較燃用煤炭少，燃燒完全，適于作燃料[28]。柳枝稷和荻的C、H元素總含量均在50%左右，熱值為17.98和18.03 MJ/kg[10]，高于一年生農作物秸稈及樹木，與褐煤相當，但灰分含量只有3.58%和3.56%(見表4)，含硫量也很低，為0.02%～0.17%[17]，而農作物秸稈的平均含硫量為0.38%，煤的平均含硫量約達1%[29]。

表4　不同能源燃燒特性

北京昌平的試驗表明[32]，每噸褐煤在燃燒過程中生成的CO2為60 kg、SO2為40 kg；蘆竹的燃燒值為22.76 MJ/kg，略高于褐煤，而每噸蘆竹干料生成的CO2僅為8 kg(而且植物燃燒排放的CO2和生長吸收的CO2相當,可相抵)、SO2為2.4 kg，污染排放很低。

除能凈化空氣之外，能源草還能有效地減少揚塵。成熟的能源草高度可達6～8 m，滯塵量可達450 t/(hm2·a)；由能源草構成的塊狀林，減塵效果可達70%以上[33]。

2.4適合發(fā)展沼氣產業(yè)

由生物質發(fā)酵制取燃氣，主要是利用農作物秸稈、林木廢棄物、食用菌渣、禽畜糞便等可燃性物質作為原料轉換為可燃性能源。農作物秸稈變干后，木質素含量幾乎提高一倍，大量木質素與纖維素、半纖維素結晶，嚴重阻礙后兩者在生化轉化過程中的降解，非常不利于沼氣發(fā)酵和其他生物能轉化方式的變化[34-35]，難以滿足全年發(fā)酵的需要。而能源草每年可刈割3～4次，隨收隨用，不需要大量青貯就可以滿足一年中發(fā)酵生產沼氣的需要，比起農作物秸稈、林木廢棄物等生物質原料，更適于發(fā)酵產氣。

3　能源草在種植方面的優(yōu)勢和潛力

3.1環(huán)境適應能力強，適于邊際土地，可不占用耕地

能源草對土質和氣候條件要求不高，耐旱、抗凍，適合在鹽堿地、荒坡等邊際土地種植。根據《中國宜能荒地資源調查與評價》結果，我國共有宜能荒地約2 680萬hm2，其中Ⅰ、Ⅱ類共占48.8%。當前只要充分利用Ⅰ、Ⅱ類宜能荒地，按60%的平均墾殖指數(shù)計算，就能達到年產2 482萬t生物液體燃料的原料種植需求，完全滿足國家生物能源發(fā)展目標[36]。

3.2生長周期短，種植管理成本低

能源草一次種植，常年收獲，收益快，產出率高，克服了林木作為能源植物生長周期長的缺陷[37]；抗性強，在土壤含水量降到15%時仍能正常生長,僅在分蘗期需要適量氮肥；天然病蟲害少，不需要或很少需要殺蟲劑；同時，耕種次數(shù)少，種植成本只有造林的1/5到1/4，不僅減少了人力財力的投入，而且有利于土壤有機物的沉淀與積累，有利于減少水土流失。

3.3易于機械化收割儲運

能源草一般莖稈高大、粗壯，成熟后植株依然保持生長期時的直立狀態(tài)，便于機械化收割。蘆竹的機械化收割試驗表明，其收割效率是人工的40～54倍，成本僅為人工收割的25%～30%[38]。

4　能源草在生態(tài)修復方面的優(yōu)勢和潛力

纖維類能源草除作為能源用途外，還兼有綠化美化環(huán)境、保持水土、改良土壤和用作造紙原料等作用[39]。

4.1保持水土能力強，有利于生態(tài)修復

能源草一般都根系發(fā)達、抗性較強、適生范圍廣，本身就是優(yōu)良的水土保持和荒灘地治理植物，具有很好的水土保持能力，對防治水土流失、改善生態(tài)環(huán)境具有良好的作用[17,40]。研究表明，在坡地種植柳枝稷、芒草等能源草可減少土壤侵蝕90%以上；荒坡地種植雜交狼尾草，年徑流量和年侵蝕模數(shù)僅為15 466和79 t/km2，防治效果分別達到81.85%和97.40%，基本控制了水土流失，顯著增加了土壤水分含量，提高了土壤的抗沖性、滲透性[41]。

4.2降低土壤重金屬污染

能源草的富集能力雖不及超富集植物，但較強的生態(tài)適應性使其在退化或重金屬污染土壤修復中具有一定的優(yōu)勢和潛力。相對于已經發(fā)現(xiàn)的超富集植物多數(shù)生長較為緩慢、植株矮小、生物量較小[42-43]的特點，能源草根系發(fā)達、生長迅速、植株巨大、生物量高、絕對富集量大。侯新村[44]等在北京郊區(qū)的試驗表明，柳枝稷、荻、蘆竹、雜交狼尾草等4種草本能源植物對重金屬有較高的絕對富集量。在重金屬污染土地規(guī)模化種植能源草，可同時實現(xiàn)能源草生物質原料生產和重金屬污染土壤修復的目的。

另外，能源草的某些品種具有很好的觀賞性，如芒屬植物最初就是作為觀賞植物被引入歐美國家的[40]。芒屬能源草、狼尾草、蘆竹等，植株高大挺拔，一般莖頂端生有大型圓錐花序，或大面積種植，或點綴于庭院、園林花木之間，隨風搖曳，如羽毛飛舞，十分美麗，具有很好的視覺景觀效果。

5　結　語

在生物質能源利用中，以纖維素類生物質作為發(fā)展生物質能源的主導原料，已經成為國內外專家和政府的共識。國家《可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃》(發(fā)改能源〔2007〕2174號)明確提出：“從長遠考慮，要積極發(fā)展以纖維素生物質為原料的生物液體燃料技術。”能源草以生長速度快、生物量大、富含纖維素、抗逆性強、適應性廣并適宜在邊際土地種植等特點，在生物質原料中居于越來越重要的地位，具有明顯的優(yōu)勢和廣闊的發(fā)展前景，是最具發(fā)展?jié)摿Φ纳镔|能源之一。能源草的開發(fā)利用必將在緩解化石燃料的供應壓力、高效利用荒地和農閑田、改良土壤結構、提高生物多樣性、減少有害氣體排放等方面日益展現(xiàn)其高效功用。

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(責任編輯徐素霞)

2015-04-30

河南省科技攻關計劃項目(132102110077)；河南省農科院科研發(fā)展專項基金項目(20148403)

S216.2；S157.433

A

1000-0941(2016)04-0022-05

馬志林(1964—)，男，河南南陽市人，教授級高級工程師，博士，主要從事能源植物、生物質能源與水土保持生態(tài)修復技術研究。