中國能源作物產業特征及環境效應

何丙輝，曾 成

（西南大學資源環境學院，重慶400715）

能源直接關系到每個國家的建設發展，隨著油氣資源的不斷消耗，全球能源安全面臨巨大的挑戰。中國是世界上最大的能源消費國，對油氣資源的需求不斷上升，據有關資料統計，中國的能源消費占到全世界能源消費總量的23.6%，原油進口占到世界原油貿易的15%[1]。但是國內的油氣資源增產難度大，供應遠遠不足，能源供應受外部影響較大，能源安全難以得到保障[2]。同時，傳統的化石能源燃燒帶來酸雨、大氣破壞、全球變暖、生物多樣性降低等一系列嚴重的生態環境問題，極大地影響了人類的生存和可持續發展[3]。因此，尋找新的可再生能源來取代傳統能源的主導地位極為迫切，發展可再生能源不僅可以降低對石油、天然氣等傳統能源的依賴程度，保障我國的能源安全[4]；還可以減少氮、硫、溫室氣體的排放[5-7]，促進生態環境的保護和低碳經濟的發展。

在可再生能源中，我國對水能和太陽能的開發發展很快，但對生物質能的開發較為滯后，而生物質能特別是能源作物的開發對于保障能源安全、緩解能源緊張、促進循環農業和低碳經濟發展等都具有重要作用。我國植物資源豐富，具有發展能源作物產業的優勢[8]。因此，加快能源作物的開發，推進能源作物產業化、規模化發展，加強對能源作物的環境效應研究，對我國的能源安全和生態環境保護都具有十分重要的意義。

1 能源作物的概念及分類

1.1 能源作物的概念

地球上能夠供人類利用的可再生能源包括生物質能、風能、太陽能等，其中生物質能源（Biomass energy）是可再生能源的重要組成部分，是唯一可再生的碳源[9]。能源植物（Energy plant）是生物質能的重要原料，通常是指那些具有合成較高還原性烴的能力，可產生接近石油或柴油成分、可替代石油或柴油使用的產品的植物，以及富含大量油脂的植物[10]。能源作物是能源植物的主要組成部分之一，是指在保證農作物（如水稻、小麥和玉米）高產穩產的前提下，為達到能源利用目的而種植的作物[11]。2006 年1 月頒布實施的《中華人民共和國可再生能源法》對能源作物進行了定義，即能源作物是指經專門種植，用以提供能源原料的草本和木本植物。綜上所述，能源植物的科學特點一般可以理解為：能夠高效轉化太陽能，高效利用水分，高效產出能量，專門種植，環保性能好，低生產成本。

1.2 能源作物的分類

根據能源植物的化學成分及其用途可大致將其分為4類[12-14]：

（1）富含碳水化合物型能源植物

富含碳水化合物型能源植物主要用于生產燃料乙醇，可以分為糖類能源植物、淀粉類能源植物和纖維素類能源植物等這3 類。其中，能夠直接通過發酵法生產燃料乙醇的糖類能源植物有甘蔗、甜高粱、甜菜等；需經過水解反應，然后才能被用于生產燃料乙醇的淀粉類能源植物有甘薯、木薯、玉米等；而纖維素類能源植物可以通過直接燃燒發電，主要包括芒草、桉樹等。

（2）富含油脂型能源植物

富含油脂型能源植物——這類植物的某一器官或種子含油率很高，通過提取它們中的油脂經酯化過程形成脂肪酸甲酯類的物質，可加工成生物柴油，如大豆、油菜籽等都是常見的生產生物柴油的原料。還有富含類似石油型能源植物，這類作物含有大量的油脂類碳氫化合物，可直接利用生產接近石油成分的燃料，如麻瘋樹、棕櫚、油楠、光皮樹、黃連木、古巴香膠樹等[15-16]，它們通過簡單的脫脂處理，就可作為生物柴油使用。

（3）富含木質纖維素類植物

富含木質纖維素作物類——這類植物富含纖維素、半纖維素和木質素，主要被用于生產固體顆粒類燃料，可以通過轉化獲得熱能、電能、乙醇和生物氣體等。主要木本類能源作物有桉樹、楊樹和柳樹等，另外，一些輪伐獲得的灌木也富含木質纖維素，可用來發電[15，17]。

（4）速生豐產薪炭樹

速生豐產薪炭類植物種植的目的是提供薪柴和木炭，世界上種植效益較好的薪炭樹種有加拿大楊、意大利楊、美國梧桐等。近年來我國也有一些適合作薪炭的樹種，如銀合歡、紫穗槐、沙棗、旱柳、杞柳、泡桐等。

2. 能源作物的特點

2.1 儲量豐富

圖1 “十三五”期間我國能源林儲量變化（引自國家林業局）Figure 1 Changes of energy forest reserves in China during the"13th Five-year Plan"（from the State Forestry Administration）

根據國家林業局2013年6月頒布的《全國林業生物質能源發展規劃（2011—2020 年）》（圖1），我國現有薪炭林170 多萬hm2，蓄積量3900 萬m3，現有林木資源可用作木質能源的潛力約有3.5億t，全部開發利用可替代2億t標準煤。油料植物中油棕、無患子等9個樹種相對成片分布面積超過100 萬hm2，年果實產量100萬t以上，全部加工利用可獲得40余萬t生物燃油。淀粉類植物中，櫟類樹種現有面積約1600萬hm2，可年產種子1000 萬t 以上，可用于生產250 萬t 燃料乙醇；葛類總面積約40 萬hm2，年資源總量150 萬t 以上，可用于生產50 萬t 燃料乙醇。灌木林地總面積5300 多萬hm2，每年灌木平茬復壯可采集木質燃料1億t左右；全國大約7000多萬hm2的中幼齡林，通過正常撫育間伐每年可獲取0.2～0.4億t生物質能原料。

2.2 可再生性

能源作物通過光合作用將太陽能以化學能形式貯存在生物中，原始能量來源于太陽，取之不盡，用之不竭，屬于可再生資源。能源作物的種類豐富，分布面積廣，能有計劃地進行種植和開采。

2.3 環保性好

生物質能源不含硫化物，燃燒以后不會產生酸雨[8]，生物柴油燃燒后還可以借由生物分解，在自然條件下即可實現生物降解，避免對土壤和地下水造成污染，因而不會污染環境[18]。種植能源作物，可以有效防止現代農業中對作物的高度集約化生產和單一作物的種植導致的土壤流失，還可以幫助土壤建立新土壤層，對土壤起到保護作用[19]。

2.4 生產簡單，儲存運輸便捷，使用安全

經過多年的發展，現有的生物能源燃料生產的技術已趨成熟，如將各種植物、城鄉有機廢物、農作物秸稈、林業加工廢棄物轉化成可再生能源的技術以及生產工藝都已經具備。此外，能源燃料運輸和儲存也更為方便，如薪柴、沼氣、生物柴油、燃料乙醇等都可以便捷地運輸和儲存。在運輸和儲存、使用的過程中也較為安全，不會發生爆炸或泄漏。

3 能源作物環境效應

能源作物的環境效應是由于能源作物的生長、加工、利用等各環節對環境造成影響，從而導致環境系統的結構和功能發生變化，如自然環境效應、環境化學效應和環境物理效應。能源作物的發展應用會從各方面改善環境系統的結構和功能，在自然環境效應方面能夠減少農業生產中輸入及輸出性污染，提高廢棄物利用率，改善生態環境和緩解能源緊張，促進邊際土地開發和資源有效利用；在環境物理化學效應方面能夠提供清潔能源，降低對化石燃料的依賴，減少酸雨、溫室氣體的排放等。與此同時，能源作物的開發也會帶來一些負面的環境效應，能源植物的生長會對周圍植物和地下水產生影響，能源植物加工過程中消耗化石能源和二次污染問題，能源植物對土地肥料的爭奪、引發淡水危機等。

3.1 能源作物的自然環境效應

能源作物的發展可以改善生態環境和緩解能源緊張，促進人與自然的和諧與經濟社會的可持續發展。長期以來，我國各種廢棄秸稈、殘果落果等被大量丟棄在田中或路邊，給農村飲用水安全帶來隱患，對居民身體健康、高速公路和民航的安全運行造成極大影響。能源作物的開發利用可以變農業廢棄物為生產原料，變廢為寶，在緩解能源緊張的同時可顯著減少農業廢棄物對水體、空氣的污染，控制農業廢棄物對環境的污染，達到能源利用和環境保護的雙重效益[20-21]。

我國人多地少，耕地資源十分有限，農村地區存在大量的土地資源和生物資源未能得到合理的利用，對農村的生產生活環境造成了很大的破壞和污染，使得農村的衛生環境差，農業資源也閑置浪費。合理地開發邊際土地，將能源作物的種植與邊際地區土地進行整合，調整農業種植結構，讓能源作物能夠與糧食作物、經濟作物共同合理分享農業資源，特別是土地資源，既保障了糧食生產的安全，也做到資源的合理化利用，同時也改善農村生活環境[22-24]。

3.2 能源作物的環境物理和化學效應

能源作物能夠有效地減少溫室氣體的排放，改善地面水體和土壤的酸化。化石能源燃燒產生的SO2、NO2、CO2、粉塵、固體廢渣、懸浮顆粒等有害物質造成很多環境問題，如農業面源污染、溫室效應、酸雨等[25]。且化石能源除了本身的消耗之外，在其開采、運輸的過程中還會造成額外的消耗和污染。生物質能源所排放的有害氣體、粉塵、固體廢渣等遠低于化石能源，而且在能源作物生長的過程中還需要從空氣中吸收CO2，所產生的廢棄物在自然條件下即可實現生物降解,因而能夠有效地改善環境酸化問題。

農業廢棄物，如農作物秸稈、脫枯枝落葉、落雜果、陳霉糧食等，是農業污染的源頭。通過生物技術將農業大量的廢棄物轉變成清潔高效的能源，不僅為循環農業提供了清潔能源，生產能源（如生物沼氣）所產生的沼液和沼渣也可為循環農業提供肥料，這些肥料為作物生長提供營養物質，還能有效地殺滅田間蟲害，減少化肥和農藥的投入，達到綠色施肥和生態除害的目的[26]。

3.3 能源作物減排能力的不確定性

能源作物的種植對于原有植被及耕地土壤的固碳能力會產生影響甚至是破壞，其影響程度相關方面的研究還不多。各種能源作物的生長效率不同，對周圍生長的其他植被甚至地下水也會產生影響[27]。發展能源作物必須要考慮到在種植、加工過程中各種能源的投入和消耗，以及生物質能源的利用率等問題[28]。由于作物種類、種植方式、規模、生產技術和生物質能源用途等各個環節的差異性，導致了能源作物減排能力的不確定性。

3.4 其他環境問題

發展能源作物的過程中可能產生其他環境效應問題，例如增加能源作物和種植糧食以及蔬菜生產之間對有限環境資源可能發生沖突；將農作物的秸稈等作為生物能源的生產原料，勢必會減少家禽家畜的飼料，也會減少進入耕地中的有機肥力，這樣會造成能源作物與土地肥料的爭奪[29]，能源作物轉化為生物能源過程中和使用過程中可能產生的二次污染[30]。大幅提高生物能源開發，勢必會增加能源作物的種植用水和生產加工用水，必將對農業生產用水和人畜用水造成影響，引發淡水危機[20]。長期種植某一種作物會使作物從土壤中單項固定吸收某種或多種礦物質，讓土壤中的某些營養元素大幅減少，造成土壤養分失衡，以至于肥力下降，土地的耕作效率降低，土地利用周期縮短[31-33]。

4 能源作物產業開發利用現狀

4.1 能源作物利用現狀

我國擁有良好的自然條件，生物能資源十分豐富，但各類能源作物資源的基本特性和分布特點差異很大，因此在利用的方式上也有很大區別。我國生物能源的研究和開發較晚，科學合理地開發和利用能源作物，引導能源作物向生物質發電、生物質成型燃料、生物質燃氣、生物液體燃料等方面多元發展，可以促進能源結構的調整和發展。

4.1.1 直接燃燒

我國的一些農村地區還存在將作物秸稈、枯枝落葉等作為薪柴、薪炭直接燃燒，這種利用方式的熱效率低，既對環境產生不利影響，又對薪柴、薪炭、柴草資源造成浪費。燃燒過程中需要耗費大量的氧氣使燃料充分燃燒，產生CO2和水的同時還會有大量不可燃的煙氣排放到空氣中。

4.1.2 生物質成型（固化）

生物質成型燃料相對于作物秸稈、植物枯枝落葉等體積更小，結構更加緊密，便于儲存和運輸；單位體積的能量也更大，燃燒更加充分，產生的熱值也更高[34-35]。生物質成型燃料燃燒時間長，經濟實惠，極大提高了能源作物資源的利用率，是一種低碳無污染的可再生燃料，主要用于城鎮供暖和工業供熱等領域，當前成型燃料機械制造、專用鍋爐制造、燃料燃燒等技術日益成熟，具備規模化、產業化發展基礎[25]。

4.1.3 生物質液化

生物質液化就是以各種植物體及殘渣為原料，利用發酵或化學熱解等方法，制成甲醇、乙醇等清潔液體燃料的過程[36]。目前大規模使用的生物液體燃料主要包括燃料乙醇、生物柴油等，我國生物液體燃料產業較好，纖維素燃料乙醇加快發展，我國自主研發生物航煤成功應用于商業化載客飛行示范。生物質液化轉化技術包括從植物體中直接提取碳氫化合物、生物質發酵生產乙醇、熱分解技術幾個方面[37]。

從植物體中直接提取碳氫化合物：富含碳氫化合物的植物能夠通過葉綠素把太陽能固定下來，把能量轉化為燃料，從植物的莖、葉、花、果、籽等部位流出的液體，可以直接或間接作為汽油、柴油或石油的代產品[38]。生物質發酵生產乙醇：高粱、玉米等經過微生物的糖化發酵可以生產燃料乙醇。燃料乙醇燃燒產生的CO2和水不會對環境造成污染，排放的CO2氣體也比汽油燃燒所排放的低[39]。熱分解技術：在無氧條件下，對能源作物進行加熱，使生物質受熱分解為固相、液相和氣相的燃料，生物質熱解技術的主要產物有燃氣、燃油和碳產物。用于生產的能源作物種類多，加工的過程短，對于能源的轉化效率高[40]。

4.1.4 生物質氣化

在高溫條件下，以空氣中的氧氣、水蒸氣或者含氧物混合氣等作為氣化劑，使生物質的中分子質量較高的有機碳氫化合物發生熱解、氧化、還原重整反應，產生分子質量較低的一氧化碳、氫氣、甲烷等，將生物質燃料中的可燃部分轉化為可燃氣[41]。目前運用最廣泛的是生物質的沼氣發酵（厭氧發酵），主要成分是甲烷，作為燃料廣泛用于民用和工業當中[42]。

4.2 能源作物產業發展現狀

4.2.1 中國燃料乙醇產業發展現狀

2017 年我國的燃料乙醇產量已經達到265 萬t，僅次于美國、巴西和歐盟，居全球第4 位，但僅占全球燃料乙醇總產量的3%[43]，產能和產量偏小，優勢并不明顯。目前我國的燃料乙醇生產方式主要有3 類：玉米乙醇、纖維質乙醇和煤制乙醇，玉米乙醇、纖維質乙醇都屬于生物質乙醇，煤制乙醇屬于煤基乙醇[44]。隨著燃料乙醇的不斷推廣使用，以玉米為主要原料的燃料乙醇市場需求也不斷增大，原料價格上漲是制約我國燃料乙醇產業發展的主要因素，另外原料種植分散、規模小等因素也導致了燃料乙醇生產成本過高。我國燃料乙醇產業起步較晚，與美國、巴西等國家相比，無論是生產工藝、環境效應，還是原料轉化效率、轉化過程的能源消耗都要落后。裝備的生產制造、效率、穩定性等都與國際先進水平存在較大的差距，缺乏核心競爭力。隨著陳化糧的消耗，全球石油價格下跌，國家對于燃料乙醇產業的補貼幅度逐年減少，特別是“不與人爭糧、不與糧爭地”的指導思想，以及對燃料乙醇征收消費稅等，使燃料乙醇產業面臨的壓力加大[29，45-46]。

4.2.2 中國生物柴油產業發展現狀

2018 年我國生物柴油的產量達到103 萬t。我國每年約有1000 萬t廢棄油脂，所以當前我國主要是以廢棄油脂為原料來制取生物柴油，生物柴油產業的發展推動了地溝油的回收，防止地溝油回流餐桌，是解決廢棄油脂污染環境最直接和有效的方法[47-49]。廢棄油脂制取生物柴油主要的方法有酸-堿兩步法、酸催化法、生物酶法等，然而廢棄油脂的分布分散，收集系統也不健全，導致原材料短缺，收集和運輸的費用過高，限制了生物柴油產業，只能就地取材，小規模發展。為了擴大生物柴油的原料來源，我國還利用鹽堿地、荒草地、荒山荒坡等未開發的宜能荒地種植小桐子、油桐、黃連木、無患子等油料能源作物，僅小桐子油全國每年可獲取資源量就達5400 t。根據2013 年國家林業局發布的《林業生物質能發展規劃（2011—2020 年）》，到2020 年，油料能源林規模將達到422 萬hm2，全部進入結實期后，全部利用可折合約580 萬t標煤。

4.2.3 中國生物沼氣產業發展現狀

截至2015年，全國戶用沼氣4380萬戶，大型沼氣工程10 萬處，年產氣量約50 億m3，沼氣年產量達到190億m3[50-51]。我國目前的生物沼氣項目多是將工業和農業生產活動中產生的各種有機廢棄物進行回收發酵，并將生成的沼氣根據市場需要提純凈化成CNG、LNG，或采用燃氣發電機發電、供熱，所產生的沼渣也可以制成有機肥料，避免了對環境形成二次污染。經過中央投資帶動以及多年的發展和推廣，生物沼氣產業在全國已經有大中小型的工程上萬處，沼氣發電裝機也已經初具規模。但目前生物沼氣規模化、企業化、商品化主要集中在畜禽養殖業，占比小，大量的沼氣利用還是以低品位的熱利用為主[52-53]。

4.2.4 中國生物質發電產業發展現狀

2017 年底，全國共有30 個省、區、市、投產了747個生物質發電項目，并網裝機容量1 476.2 萬kW，年發電量794.5 億kW·h 時。我國當前的生物能源發電方式有3 種：農林生物質發電、生活垃圾發電、沼氣發電。生物質發電產業依賴于生物能源的供應，由于我國生物質能源資源分布的空間差異性，造成生物質發電行業在區域上的分布特點比較明顯。原料豐富的地區有利于成本降低，易于生物質發電產業的發展和規模化，因此我國華東地區是生物質發電裝機的主要聚集地。目前生物質發電需要的原材料容易受到季節因素的影響，價格波動較大，造成原材料的成本較高，且原材料的存儲和運輸也容易受到各種不確定因素的影響，這些各種因素疊加使得生物質發電產業的運營成本較高。生物質發電主要設備雖然已經實現國產化，但核心的技術還依賴于國外。雖然國家有關部門在生物質發電項目的規劃、選址、建設規模、核準程序等方面出臺了管理規定，隨著項目的增多，規劃管理、項目扎堆、政策補貼滯后等問題也日益凸顯[13,15,54-55]。

我國能源作物產業雖然起步較晚，但發展迅速，開發利用規模不斷擴大，生物質發電和液體燃料形成一定規模。生物質成型燃料、生物天然氣等發展呈現良好勢頭。當前，原材料價格高是制約我國能源作物產業發展的主要因素，另外原材料短缺、收集系統不健全、運輸費用過高，都給能源作物產業發展造成了困難。在生產加工方面，部分生產設備已經實現國產化，但與國際先進水平還存在較大差距，無論是設備的原料轉化率、穩定性等都缺乏核心競爭力，優勢并不明顯。

表1 “十三五”生物質能發展目標（引自國家能源局）Table 1 "13th Five-year Plan"biomass energy development goal（from National Energy Administration）

5 中國能源作物的發展策略

5.1 能源作物種質收集保存與新品種發掘選育

我國能源作物資源豐富，包括碳水化合物型能源植物（玉米、甜高粱、甘蔗）、油脂型能源植物（油菜、麻瘋樹、花生）、木質纖維素類作物（芒草、柳枝稷、桉樹）、薪炭類作物（松、刺槐、冷杉）等。現階段種植的能源作物品種多而雜，沒有品種方面的優勢，今后的能源作物發展策略應該加大對能源植物資源的種類、空間分布、生長狀況、資源賦存等方面的調查統計，在此基礎上由國家有關部門牽頭，聯合各級地方政府對能源植物進行類別劃分，編制我國能源植物資源賦存現狀的名錄，篩選優質的能源作物，收集和存儲種質資源，并建立能源作物數據庫；此外，還要充分利用我國能源植物的多樣性，注重不斷篩選質優的種質資源，以及結合現代生物技術方法和育種技術，選育高品質的種質資源[56-58]。

5.2 能源作物規模化高效種植、豐產技術研究

我國生物質能源發展遵循“不與人爭糧，不與糧爭地”的基本原則，因此要充分合理地利用荒山荒地、邊角地等邊際土地資源發展能源作物。我國國土面積廣大，能源作物受空間水土資源差異和季節變化的影響大，導致我國的能源作物分布破碎、難以規模化種植，在大面積栽培和規模化種植推廣方面還存在很大困難。今后要重點研究不同能源作物在不同水土協同條件下的生長規律和栽培模式，突破能源作物種植受區域水土肥限制的瓶頸，考慮土地的承載力和休養生息，在不同的水熱資源條件下推廣優質高效的能源作物規模化、豐產種植，如在水熱資源集中的地區推廣種植生長周期短、收獲期長的能源作物，在干旱地區、鹽堿化地區推廣種植耐旱耐鹽堿的能源作物。建立區域化的能源作物規模種植基地，對適宜的優質品種進行規模化種植、豐產栽培，集成能源作物規模化高效種植技術并推廣[59-60]。

5.3 能源作物高效轉化工藝技術研究

我國生物質能技術創新實力較弱，先進的技術設備和高科技材料基本來自國外，在系統集成研究上也遠遠落后于其他發達國家；我國對能源作物提取和加工的技術也相對簡單粗糙，工業流程等方面與發達國家還存在較大差距，生產的生物燃料的水分和雜質含量偏高，限制了生物燃料的應用范圍和產業的發展。在能源作物發展策略中，要將能源作物高效轉化工藝技術作為今后重點攻關方向，改進生產設備，加快推進生物質催化劑技術、液化技術、發酵系統技術、微生物制油技術、重整和組分調整技術、高耐磨成型燃料技術、混合燃燒技術的研發，提高能源作物的轉化率和品質，降低生產成本，縮短生產時間[61]。

中國能源作物的未來發展，需要通過能源作物優質種質資源的選育、規模化高效豐產種植、高效轉化工藝技術，盡快形成種植-生產-銷售的完整產業鏈，將研究成果盡快轉化為生產力，促進我國經濟健康發展，實現節能減排和環境改善。