能源草研究进展

高瑞芳　张建国

摘要：能源植物作为未来生物能源的主要原料，开发利用前景广阔，他将成为21世纪新型能源的研究热点。其中，能源草，因其具生长快、适应性强、抗逆性好、易栽培管理、可多年利用等优点，将是人们关注的重点。通过对发展能源草的背景、意义、国内外能源草研究利用概况进行了综合评述，并分析了具有发展潜力的能源草及其在发展中存在的问题和对策，为进一步深入开展能源草研究提供参考。

关键词：能源草；生物质能；可再生能源

中图分类号：S 216.2 文献标识码：A 文章编号：10095500（2013）01008908

随着工业的迅速发展和科技的日益进步，世界各国对能源的需求也在不断增大，其中，消耗的能源大部分来自化石能源。据美国油气杂志报道，至2008年全球约1838亿t的石油储量，以目前的开采速度也只够消费60年＼[1＼]。同时，化石能源会释放大量的CO2，SOX和NOX等危害环境的气体。因此，以可再生能源代替传统的化石资源对缓解能源短缺、降低环境污染具有重要的意义＼[2＼]。

1 发展能源草的背景

能源草是指植株高大、生长迅速、生物质产量高的草类能源植物，是可直接作燃料及用于生产生物质能源的草本植物的统称，多为两年或多年生＼[3，4＼]。利用能源草生产生物质能源可缓解煤炭、石油的供应压力，有效利用农闲田，改良土壤结构，提高生物多样性，减少有害气体排放等＼[5＼]。

20世纪70年代初的“石油危机”掀起了世界各国研究生物质能源的热潮，其中，美国和巴西最早成功用玉米和甘蔗制得燃料乙醇。然而，以粮食作物为原料生产生物质能，不仅加大了农作物需求量，也引起了粮食短缺。国际货币基金组织（IMF）调查发现，不断扩大对生物燃料的需求是导致最新粮食价格上涨的主要原因＼[6＼]。2007年我国政府呼吁停止使用玉米生产燃料乙醇。在生物质能产业发展的过程中，应坚持不争粮、不争地、不争食用油和糖的方针。2008年中国农业大学生物质工程中心报道能源草堪当未来生物能源之大任＼[7＼]。

2 发展能源草的意义

根据能源草的成分特征，可将其分为4类＼[3＼]：（1）淀粉类，生产燃料乙醇，如甜高粱等；（2）油脂类，生产生物柴油，如油莎草等；3）木质纤维素类，通过转化获得热能、电能、乙醇和生物气体等，如芦竹、芒草等；（4）萜类、烯烃类石油物质类，通过脱脂处理作为柴油使用，如续随子等。能源是人类赖以生存和发展的基础，继石油、煤炭和天然气后的第四大能源-生物质能，如农业生产、农产品加工废弃物等，其储量丰富且可再生。除可作为固体燃料，亦是唯一转化可再生液体燃料的资源，其中，木质纤维素类植物是制取燃料乙醇的主要原料＼[8＼]。我国木质纤维素类资源丰富，但制备过程仍存在一定困难。而能源草产量高、易获得、储量丰富，作为转化原料潜力巨大。相对于其他农作物或能源木本，能源草的优势尤为突出。

2.1 生长速度快，干物质产量高

能源草生长速度快，全年均可收获利用。芦竹（Arundo donax）年干物质产量可达37 t/hm2＼[9＼]，象草（Pennisetum purpureum）的年干物质产量高者可达89.4 t/hm2＼[10＼]，与能源作物和木本相比，能源草产量更高。

2.2 适应性强，建植、管理成本低

能源草适应性强，对土壤和气候要求不高，在各种土壤类型上均有适宜草种可种植。所以不需要特别维护，建植、管理成本也较低。

2.3 生长周期短，生态效益高

能源草为多年生，具再生性，一年可多次刈割利用，生长周期相对较短，不仅降低了生产成本，有效改善土壤理化性质，增强水土保持力，亦可有效利用和改良农业废弃地、农田边际土地等土地资源＼[5＼]，有利于环境的可持续发展。此外，能源草的含硫量低，燃烧释放物对环境污染小，抗虫害能力强，所以生态效益也较高＼[5，11＼]。

2.4 能量回报率高

能源草作为生物能源原料的能量回报率（输出/输入）比一般农作物及林木都高。奇岗（Miscanthus giganteus）的能量回报率为22%～47%＼[12＼]，柳枝稷（Panicum virgatum）为12%～17%，而玉米谷粒为6%，秸秆最多也只能达到8%＼[13，14＼]，能源柳约30%＼[15＼]。充分利用能源草可获得较高的能量回报率。

3 国外能源草研究利用概况

近年来，对纤维素类能源草的研究集中在种质资源的探索与开发＼[16，17＼]、品种改良、栽培管理技术＼[18，19＼]、能源转化生态与经济效益评估、转化工艺＼[20，21＼]等方面。欧盟及美国均提出将以柳枝稷和芒草（Miscanthus spp.）等作为能源草进行研究＼[5，22＼]。

3.1 欧洲

19世纪30年代芒草首次由日本引入丹麦＼[23＼]，从此欧洲开始将芒草作为草本能源植物的研究。1935年杂交种三倍体奇岗引入丹麦，旨在观察其生长状况＼[24＼]。20世纪60年代末欧洲为开发适应性广的能源草，进一步展开了对能源植物的研究，如芒（Miscanthus sinens）、芦苇（Phragmites communis），并在欧洲部分地区进行种植试验。经深入研究发现，芦竹、虉草（Phalaris arundinacea）分别在地中海地区、北欧种植生物质能特性良好＼[5＼]。

20世纪80年代瑞典开展了各种植物及其生物量潜力的若干评估项目，虉草成为最引人注目的能源草之一＼[25＼]。1983年北欧建立了首个能源草试验基地＼[26＼]，广泛种植奇岗，其干物质产量每年可达20 t/hm2＼[27，28＼]。基于一系列初步研究，1989年在JOULE项目的资助下，欧洲启动了国际研究项目。随后在爱尔兰、英国、德国和丹麦建立了芒草试验基地，研究了奇岗在北欧各国的潜力＼[29＼]。1993年，欧洲将芒属植物的田间试验延伸到南欧的意大利、西班牙和希腊等地＼[30＼]。此外，奥地利、荷兰和瑞士等国也开始资助有关芒属植物研究的项目，如芒属植物的繁殖、建植、管理、收获等＼[31＼]。这些试验表明了奇岗在欧洲种植的潜力和局限性，其主要优势是高产、需肥和杀虫剂量少，局限性是基因库狭窄、越冬率低＼[32＼]、正常繁殖的成本高＼[33＼]。

1997年，欧洲启动FAIR项目，研究芒草的育种技术，筛选全欧洲不同基因型的芒草＼[34＼]。随后对20种草本植物进行试验研究，筛选出柳枝稷、芒草、芦竹和虉草为最具潜力的能源草＼[35＼]。

目前，欧洲各国已对能源草草芦＼[36＼]、芦竹＼[37＼]、芒草＼[38＼]、象草＼[39＼]、芦苇＼[40＼]、柳枝稷＼[41＼]等从生物质产量、能源利用效率、季节养分动态、茎皮层和髓部木质素的结构特征、灰分熔融性、转化乙醇的最佳条件等方面作了广泛而深入的研究。

3.2 美国

1978年美国能源部（DOE）建立了关于生物能源原料发展的项目，以多年生草本为研究对象进行了能源植物的筛选。1984年DOE设立了“草本能源植物研究项目（HECP）”。1985～1989年，从35种草本植物中筛选出18种最具潜力的能源草＼[9＼]，如柳枝稷、象草、大蓝须芒草（Andropogon gerardii）、五芒雀麦（Bromus inermis）等，其中，柳枝稷是最具潜力的多年生草本植物＼[42＼]。1987年，美国率先将象草作为能源草开展研究，经过长达20年的研究，证明其可用于乙醇、沼气和电能的生产＼[43-46＼]。

1991年起，因柳枝稷是本土多年生暖季型C4草本、比其他草本更适宜用于生物质能生产＼[47＼]、局限性小＼[48＼]、易融入传统农耕系统，HECP将其作为模式草本能源植物进行全方位的研究。已成功选育出了柳枝稷品种Shawnee＼[49＼]。目前，已从抗性、分子、建植、产量等方面最新研究了奇岗、柳枝稷＼[50-52＼]等能源草，以期为生物质能的发展提供高产、优质的生物质原料。

4 国内能源草研究利用概况

我国对能源草的研究起步较晚。近年来对柳枝稷、芒草等研究较多＼[53-55＼]。并在此基础上建立了相关的评价体系＼[56＼]，有助于我国能源草的选择。在《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006～2020年）》中生物质能的大力开发利用己成为重点＼[57＼]。现在主要集中于能源草资源的开发、种植管理及转化工艺的改良等。

周秋平等＼[58＼]比较了本氏针茅（Stipa bungeana）与柳枝稷光合生理生态特征，表明柳枝稷属于高光合、低蒸腾和高水分利用效率的植物。宁祖林等＼[59＼]对8种高大禾草的热值和灰分动态变化进行了研究，得出C3类植物中芦竹干重热值较高。陈慧娟等＼[60＼]研究了五节芒（Miscanthus floridulus）生物量及热值的动态变化，发现五节芒在整个生长季节内生长迅速，茎、叶全年平均干重热值分别为17.76 MJ/kg、17.44 MJ/kg，平均灰分含量分别为2.55%、7.03%。沈文彤＼[61＼]研究了柳枝稷种植行距和施氮量对其生长和能源特性的影响。许岳飞等＼[62＼]研究了不同施肥和株行距对王草产量的影响，表明平衡施肥及行距70 cm、株距50 cm时可提高王草的鲜草产量。徐炳成等＼[63＼]测定了柳枝稷苗期水分利用与根冠比，表明低水时柳枝稷光合速率降低，蒸腾速率增大，叶片水分利用效率减小。丁成龙等＼[64＼]研究了施肥量、密度对美洲狼尾草（Pennisetum glaucum）产量的影响，表明美洲狼尾草的产量受栽培密度的影响较小，而对氮肥的施用量非常敏感。余醉等＼[65＼]、袁振宏等＼[54＼]、代王莹等＼[66＼]分别研究了芦竹、芒草、黑麦草（Lolium multiflorum）生产燃料乙醇的发酵工艺。解新明等＼[67，68＼]对象草不同品种木质素含量及其合成关键酶活性动态变化进行了研究。何立珍等＼[69＼]通过秋水仙碱处理南荻愈伤组织，获得首例同源四倍体南荻，其鲜草产量提高182%。蒋昌顺等＼[70＼]对热带禾本科牧草进行区域性试验研究，表明王草鲜草产量最高，为95.91 t/hm2。宗俊勤等＼[71＼]对柳枝稷、荻（Triarrhena sacchariflora）、芒、芦竹、芦苇、斑叶芒（M.sinensis）、甜茅（Glyceria maxima）7种多年生禾草作为能源植物的潜力进行了研究，表明芒和荻的干物质年产量、燃烧值均最高，灰分最低。孙发政＼[72＼]对类芦的大量研究表明类芦具有较强的抗逆性。

5 具有发展潜力的能源草

目前，对能源草的评价仍没有统一的标准，即使对同一种能源草，利用方式不同其评价指标也有很大区别。一般来说，理想的能源草应生物质产量高、再生能力强、富含纤维素和半纤维素，木质素、水分和灰分含量低，建植和田间管理成本低＼[73＼]。

5.1 柳枝稷

柳枝稷是禾本科（Gramineae）黍属（Panicum），高秆多年生C4草本植物，水肥利用效率高，生长迅速，产量高，适应性强，具有较大发展潜力。

5.1.1 生产性能 柳枝稷的干物质年产量高，可达35 t/hm2（表1）。生长10年，如管理合理，高产期可持续15年＼[74＼]。

5.1.2 生物量理化性质 柳枝稷中纤维素、半纤维素含量分别为37.10%，32.10%，而木质素、水分及灰分含量较低＼[8，83＼]。因N、S含量低，能适应养分贫瘠的土壤条件，所以对土壤的可持续利用具有重要的意义。因柳枝稷比小麦、大麦、玉米秸秆水分和灰分含量低、热值高，柳枝稷又为典型的理想生物燃料＼[84＼]。

5.1.3 生态适应性 柳枝稷抗逆性强，分布范围广。原产于北美，在美国广泛种植＼[85＼]。种植在与其起源地相近的地区会表现出较高的产量和生态适应性＼[86＼]。比传统农作物的抗旱、耐涝能力强＼[87＼]。适宜各种土壤类型，pH 4.9～7.6土壤上生长良好＼[88＼]，在中性土壤上生长最优。

5.1.4 经济指标 柳枝稷经济潜能大，适宜推广种植。定植较易成功，种植当年杂草竞争比较强，需使用除草剂。生长良好后只需定期除草，若管理合理基本不需除草。水肥利用率高，可以高效利用土壤中的水分及氮、磷、钾肥，在美国阿拉巴马州柳枝稷氮肥利用率达65.6%，而小麦、玉米为50% ＼[89＼]。

5.2 芦竹

芦竹为禾本科芦竹属（Arundo）多年生高大丛生C3草本植物，其为芦竹属惟一广泛分布的种＼[90＼]，生长期20年以上。芦竹纤维含量较高，为40%；木质素和灰分含量较低；热值14.8～18.8 MJ/kg。芦竹作为欧洲重点研究的能源植物，主要分布于较温暖的南欧和地中海地区＼[91＼]。在我国分布范围广，产量高，干物质年产量可达45 t/hm2（表1）；生态适应性强，芦竹是一种高抗逆性植物，是低洼盐碱地的“先锋植物”；易于繁殖和管理，便于机械化收割，由于芦竹主要生长在陆生生境中，植株高大，并可推迟收获时间，因此非常便于机械化收割。

5.3 芒草

芒草是芒属（Miscanthus）植物的总称，禾本科多年生高大丛生型C4草本植物，原种起源于热带和亚热带地区，广泛分布于东亚＼[92＼]。光合固碳效率高、生长快、适应性强、病虫害抗性强、生产力高＼[5＼]，被国内外公认为最具潜力的能源植物之一＼[79＼]。寿命为18～20年，最长可达25年＼[93＼]。干物质年产量高达44 t/hm2以上（表1）。纤维成分80%以上可降解利用，适于作为生产燃料乙醇的原料＼[54＼]。芒属其他品种有五节芒、芒、高山芒等。如五节芒生长迅速，在高温下仍生长旺盛；适应性强，水肥利用率高，在最低的氮供应下只有芒草的能量及土地利用率同时达到最大，而黑小麦和草芦则不及芒草＼[94＼]；种植成本低、利用率高；灰分含量低为3.54%～9.21%，燃烧完全其干重热值为16.59～18.40 MJ/kg＼[60，95＼]。

5.4 狼尾草

狼尾草是禾本科黍亚科狼尾草属（Pennisetum）的总称，多数原产于非洲，广泛分布于热带、亚热带和温带地区＼[96＼]。为一年生或多年生C4草本植物，具有高效的光合作用能力，生物量高，适应性和抗逆性强。主栽品种有象草、杂交狼尾草、王草等，其利用年限长，生长4～6年，甚至长达10年以上＼[97＼]。其干物质年产量高达89.4 t/hm2（表1）。如象草富含纤维素、半纤维素，均高达30%；木质素、灰分含量较低。作为能源草，其生长迅速，生物量大，再生能力强；热值高17.8～18.1 MJ/kg；抗逆性强，抗土壤酸性能力强，在沙土和粘土中均能生长；适应性广；生物质燃料易被引燃，灰烬中残留的碳量较燃用煤炭少，燃烧完全＼[11＼]。

6 存在的问题及对策

尽管能源草可在一定程度上缓解能源危机、改善环境，但其存在的问题也应引起人们的重视。总体而言，能源草的开发利用处于初级阶段，真正的产业链尚未形成，仍面临着诸多问题。

6.1 大规模生产能源草仍可能挤占耕地、破坏自然生态系统

随着能源草越来越受到人们的重视，能源草的大规模生产也在逐步推进。然而，大规模生产能源草仍然挤占耕地、破坏自然生态系统，所以，应根据能源草种类选择适宜的土壤类型，首先利用生产力较低的边际农业土地，以保证粮食安全和生态系统的稳定性。

6.2 能源草品种资源缺乏

品种资源缺乏制约了能源草的总体发展和不同地区发展方式的选择。针对这一问题，应收集、引种、筛选适合本土种植的能源草品种资源，并利用诱变技术、分子生物等技术对功能基因进行定向改良，创建优良的能源植物品种，选育高产、优质、易管理的新品种。

6.3 高产栽培配套技术、生物质能转化技术薄弱

高产栽培配套技术和生物、化工等生物质能转化技术是加速生物能源产业发展的关键。技术单一、落后，技术创新力量薄弱，均阻碍了生物能源的开发利用。各国应根据本国拥有的植物资源，加强技术研究，通过采用合理、先进的技术促进生物质原料的高效管理和应用，以解决技术水平产生的问题。此外，应加强与国际技术的交流和合作，实施可再生能源国际科技合作计划，有目的、有选择地引进先进的技术工艺和主要设备，以缓解世界各国面临的能源和环境问题。

6.4 国家对生物质能的发展缺少法律和财政支持

生物能源产业作为推动国家能源发展的新型产业，需要国家给予大力的支持。建立健全、完善的相关法律法规，为生物能源产业的快速发展提供法律保障，以鼓励清洁的可再生能源产业的发展、研究和开发。此外，国家还应给予适当的财政支持，刺激生物质能的发展。

总之，能源草是生物质能发展的一个重要方向，但要使其成为一个大的产业，仍需要各级政府、研究者、生产企业等多方面的不断努力。

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