能源植物的研究现状与展望

吴忠海 杨曌 李红

摘要

自英国工业革命以来，世界各国对能源的开发利用不断深入，致使地球能够提供的资源量随时间推移越发不能满足人类的需要，全球的科学家们开始致力于寻找新型能源，在此针对新型清洁能源——生物质能，即能源植物当前的研究进展进行多角度综合分析，简要论述生物质能源发展的可行性和可持续性。

关键词能源植物；研究现状；开发前景

中图分类号S181.3文献标识码A文章编号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

世界經济发展的基础是能源，然而目前世界上约85%的能源是靠燃烧石油、天然气、煤等不可再生的化石能源来获得[1]。随着世界化石能源资源的渐趋枯竭，各国都在积极探求可以替代化石燃料的能源，安全、清洁、储量无限的生物质能源进入科学家们的视线，成为能源研究热点。这不仅缘于生物质能源可以无限再生、原料易得、资源丰富，且其稳定又储能，产品既有热与电，又有固、液、气三态的多种能源产品，以及塑料、生物化工原料等众多的非能生物基产品，这些特质与功能是其他所有物理态清洁能源所不具备的。因此，作为一种可再生资源，生物质能源的可贮藏性及连续转化能源的特性，决定了生物质能源将会成为非常有前景的替代能源，生物质能源主导未来可再生能源的发展已成为必然趋势。

所谓的生物质能源来自于能源植物，从广义上讲，能源植物包括一切陆生和海洋植物，从狭义来说包括富含纤维、淀粉、脂肪等可应用于提取能源的植物[2]，如野草类的芒以及作物类的大豆、玉米均可以称得上是能源植物。由于大部分的植物可以通过光合作用固定太阳能，所以对能源植物的开发利用，亦可以说成是对太阳能的另外一种新型利用方式，将无形的太阳能转化为有形的生物质能源，更加多样化的应用于包含能源需求的各个领域，如造纸、燃料、饲料、生物乙醇、生物柴油、生物燃气等。目前许多国家已经涉及研究和使用生物质能源[3]，其中巴西、澳大利亚、加拿大和欧美发达国家的研究较有突破并在生产应用上形成了一定规模。世界生物乙醇两大领跑国之一的巴西，生物燃料放在该国优先发展地位，目前全国以乙醇替代了50%的汽油；北欧的瑞典宣布，将在2020年成为全球首个告别石油的国家，称届时将没有汽车再使用汽油，生活用能（如电力、取暖）不再使用燃料油。2010年度，美国生物质能研发的拨款为太阳能和风能的5.8倍。我国对能源植物的研究起步较晚，多数研究处于较浅层次，但丰富的植物资源使科学家和学者们具有了更广阔的研究空间，如云贵等南方地区的油桐资源已被开发用来生产桐油，使我国成为世界上最大的桐油生产国[4]。笔者在此针对能源植物当前的研究进展进行多角度综合分析，简要论述生物质能源发展的可行性和可持续性。

1典型能源植物简析

目前，能源植物的研究主要集中于高大的茅草类植物和作物类植物，其中有几种植物的研究已初具成果，成为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，多年生禾本科稷属植物，原产于美国大平原及东部大部分地区、株高可以达2 m以上的高秆C4土生草种。该植物的耐性极强，对不良生境的适应性很高，不管是贫瘠、干旱、盐碱，甚至是沙石土砾遍布的荒滩均可以扎根生存，汲取大地深处的水和养分，正常生长。虽然柳枝稷自然状态下萌发率低，但通过多年的研究发现，仅需要简单的实验室处理就能够克服柳枝稷的这一缺点，达到90%以上的萌发率[5-6]，实现了大面积推广种植的可能。由于这些特点，柳枝稷很快进入能源植物科学家们的视线，成为能源植物研究的热门植物。经大量的试验论证发现，作为C4植物，柳枝稷是一个极好的二氧化碳“浓缩器”，氮和水的利用率高，生长迅速，产量高，含有极高比例的木质素和纤维素，可以提取制成固、液、气各种需要状态的能源物质满足工业需要。其中，柳枝稷的乙醇转化率可达57%，能量约是“玉米酒精”的2.5倍，据测算，1亩柳枝稷所产出的酒精能量可以抵3、4 t电煤的能量，提取后的剩余残渣可以通过简单的加压处理后形成坯状实体“煤球”用于燃烧产能，而燃烧后的剩余灰烬、气体污染物等相对等量煤炭要少很多[7]，灰烬甚至还可以进一步用作肥料，火力发电前景堪好。因此，如果采用合理而廉价的方式对其有效成分加以提取和利用就可以在不远的将来部分替代甚至完全取代化石能源燃烧供能。

除能源贡献外，柳枝稷的生态学效益也很明显，其良好的水土保持能力[8-9]，能够恢复和改善边际土地、贫瘠土地等恶劣生态环境，为野生动物鸟禽等提供栖息生境。

目前世界各国都在积极研究，尝试开发柳枝稷，研究所涉及的方面越来越广、越来越深入，希望可以得到稳定高产的柳枝稷品种用于扩大柳枝稷的生产。

1.2芒（Miscanthus）

芒素有柳枝稷接班人之称，是最有潜力的能源植物之一[10-11]。多年生禾本科芒属C4植物，根系发达，植株高大，通常可达1～2 m，形成密集草丛，适应性强，耐刈割。在牧区，因抽穗前植株营养价值高，适口性好，是牛羊喜食的牧草之一；幼茎还有散血去毒的药用价值；抽穗后的芒使用石灰水浸煮能够将淀粉价提高至40%，是生产生物乙醇等能源产品的优选原料，同时其高品质的纤维适用于造纸等多个工业领域。芒的分布很广，从东南亚到太平洋岛屿的热带以及亚热带和温带地区皆有分布，近年来被欧美、英国、德国等许多国家规模性种植并进行发电的研究[12]。在国内，李勤奋等研究表明芒在一定的土壤pH下甚至可以实现在矿区的广泛种植，并形成优势种群，改善矿区的生态环境[13-14]，国外学者同样有相似研究表明芒對碳的减排和吸存具有一定的积极作用[15-16]。

尽管芒具有明显的能源植物优势，但芒的种植难度较高，越冬能力较差，水分对其植株的成分有所影响，在欧洲自然生态条件下，科研人员使用新的农艺技术，改善基因型筛选可用的芒种[17]，而另一些科研人员尝试采用地下块茎进行繁殖同样得到一定的成效。中国科学家易自力教授于2008年率先在国内芒属能源植物研究领域获得国家自然科学基金，进行芒属植物在能源利用方面的研究，利用种间远缘杂交使野生的芒和南荻进行杂交，选育获得了湘杂交1号、2号、3号新品系；相对野生芒，其遗传性状更加稳定、长势更好、耐贫瘠性更强、高产期更长、纤维含量更高（达干物质的80%左右）、矿物质含量更低等，产量高出低产亲本80%以上，相当于亩产8桶原油或1.4 t原煤，为我国能源的可持续发展奠定坚实基础。

1.3苜蓿（Medicago sativa）

享有“牧草之王”美誉的苜蓿，属多年生豆科植物，产量高，草质优良，既因蔬菜成餐桌美食，亦以牧草为畜禽喜爱，是近年能源植物研究热潮下的明星植物。苜蓿的适应性广，可以适应各种地形、土壤、轻度盐碱地，具有较强的耐寒和再生能力，在黄土高原地区广泛种植，适度灌溉条件下干草就可达17 t/hm2的产量。苜蓿的茎叶含有蛋白质、胡萝卜素、维生素、钙、磷等多种营养成分及微量元素，在常规应用中，通常作为牧草直接供家畜采食或加工成草捆、草块、草颗粒等形式使用，但这些应用皆为“苜蓿饲用性”的范畴，是对苜蓿资源本身的“大材小用”，如何高效利用苜蓿资源加工包括燃料乙醇在内的多种增值产物成为当务之急。经研究发现苜蓿的可发酵多糖占非纤维多糖的40%，远高于其他牧草植物的5%，只要使用合理的发酵工艺就可以提取出苜蓿的有效成分，生产生物乙醇；除此之外，可以从初渣中提取出一种生物粘结剂，替代现有的酚甲醛用于胶合板的生产，减少空气污染对人体的危害，剩余榨渣还可用于造纸、生物质发电或饲用[18]，几乎没有废弃污染物。

试验数据显示，每千克鲜苜蓿压榨后可得到300 g榨渣、100 g乙醇、400 g粘结剂和50 g可回收的液态食用/饲用蛋白添加剂[19]。由此可见，苜蓿应用前景和范围非常广阔。

1.4作物类

它是一类被农民作为农作物种植获益的植物，包括大豆、玉米、甜高粱、油菜、甘蔗等。包括我国在内的很多国家的科学家们已经对这一类植物的能源替代性进行了研究，并投入了实际应用。其中美国酒精的95%来自于玉米，55%的生物柴油来自于大豆，是世界上最大的以大豆为原料生产生物柴油的国家；巴西主要致力于甜高粱的生物智能研究，法国主要以甜菜生产生物乙醇，德国则主要致力于菜籽油生物柴油的生产。在国内，生产生物能源的主要植物为油菜籽、小桐子、甜高粱、甘蔗等，其中油菜是生产生物柴油的理想原料，甜高粱是最佳的乙醇生产材料[20]，甘蔗生物乙醇的工艺研究正在稳步发展。

以农作物为能源植物生产生物乙醇或生物柴油存在明显弊端。首先，我国人口众多，耕地不足，有效的耕地面积应该为粮食让步；其次，我国有很多的边际土地、盐碱地、贫瘠土地等不适于农作物种植的土地，根据中国农业大学胡林等的研究报告显示，我国尚未被开发利用的荒草地是最重要的保留土地资源之一，若把其中适合种植的361万hm2荒草地种植生物乙醇能源植物，每年潜在的生物乙醇产量可达1 100万t，能够替代当今中国汽油消费的23%。柳枝稷、芒等能源植物恰能在这些土地上生长，提供绿色能源之余，仅需经过3～5年的能源植物种植改良后，边际土地的不良状况就能够得到部分改善，更长时间后可以使不良土壤成为适于耐性较好农作物生长的耕地，改善局部生态环境，提高粮食产能。

2能源植物开发的主要研究方法和手段

能源植物开发是一门新兴的产业，包括筛选和推广等环节皆处于试验阶段，因而每一种植物均有以能源植物身份被推广的可能，如何筛选高产、高效、高收益能源植物，目前的鉴定和育种手段主要依靠植物体内不饱和脂肪酸、纤维素、半纤维素、木质素、灰分等成分测定以及基因工程技术等。

2.1成分测定

能源植物主要因替代能源的身份应运而生，则适宜生产生物乙醇的植物就一定要含有高含量碳水化合物，即糖分，如纤维素、半纤维素等，纤维素测定仪可以很容易地完成纤维含量的测定。其次，富含油脂类的能源植物，尤其是富含C18不饱和脂肪酸的能源植物，其特性与0#柴油十分相近，却更加清洁、安全[21]，适合生产加工为生物柴油，用作机动车燃料。另外一类能源植物含有类似石油成分（烃类）可以用于生产生物石油，目前已有部分国家在此方面获得很大成就。除上述成分外，灰分、水分与热值比也是影响能源植物质量的重要因素。灰分的含量低可以降低燃烧后的废弃污染物，水分含量低降低了能源植物处理过程中的干燥成本，附之较高的热值，加工成燃料与煤炭混合燃烧供能即可以大比例降低燃料供能成本。

2.2适应性和抗逆性鉴定

根据各地域土壤、气候、水分等条件选择适宜的草种，采取适宜的播种方式—单播/混播，使能源植物收益最大化，优化能源产效。检测能源植物的适应性和抗逆性需要测定自然状况下样地中的生物产量、单株平均生物量/单位面积生物量、分蘖数、不同生长期（生长期、开花期、霜后期）植物各种成分的含量等指标筛选出最适宜、产量最大的能源植物品种。除此之外，氮肥以及收割时间、次数对能源植物的品质皆有影响，已有试验表明，在可能的情况下，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体内Cl、K等灰分成分，从而减少能源植物燃烧产生的废物，故越晚收割的能源草越适宜用来做燃料[22-23]。

2.3生态学效益评定

对边际土地、盐碱地等贫瘠土地种植能源植物前后土壤中有机质含量（即肥力）进行测量，进而评估能源植物对该区域水土保持、生态环境改善的能力。

2.4杂交和基因工程技术在能源植物育种的应用

自然状态下的能源植物并不是最理想的推广物种，科学家们通过引进良种与当地植物杂交后筛选培育高效、高产的能源植物已经取得一定的进展，同时基因工程技术的应用能够将有利基因（如耐盐、抗旱、耐贫瘠基因等）导入野生品种而得到更优质的新品种能源植物，更加利于推广种植，充分利用闲置荒地为人类造福。

3能源植物开发的研究进展

自从20世纪70年代以来，能源危机开始逐渐在世界范围内显露，替代能源研究成为各个国家科学研究的重点课题，并制订出多个推广开发研究计划。如日本的新阳光计划、印度的绿色能源工程、美国的能源农场和巴西的酒精能源计划等[24]。其中美国的研究取得的成绩最为优异，其能源植物产量每年均在500×104t以上，同时在生物柴油的提取和使用技术上也取得了较大的进展，利用海藻成功研制开发出生物柴油，发现一种被称为“鼠忧草”的植物，每公顷可提炼1 t石油。

巴西是能源植物推广利用最积极的国家之一，具备成熟的甘蔗乙醇生产技术，率先推出了国家酒精计划，大规模生产酒精动力汽车，最先成为世界上不使用纯汽油作为汽车燃料的国家[25]。除此之外，在巴西境内发现一种可以产油的油棕榈树，产出的油与柴油成分相近，无需提炼。

欧洲是世界上能源植物发展最快的区域，这些国家主要以油菜为原料开展研究生产生物柴油。德国和奥地利等国建起多个生物柴油生产厂，仅德国就有1 600余家的生物柴油加油站[26]，瑞典的斯德哥尔摩城市公交系统完全不使用石油燃料柴油，一年可替代14 000 t柴油，减排41 000 t的CO2。

近年来，我国的很多科研院所对能源植物资源利用进行了不同层次的研究，利用引种、杂交等手段开发出“三高”油菜品系等高效转基因能源植物，利用低端的能源植物资源生产出高端的能源产品——电等，稳步趋近实现“种出一个大庆油田”的理想。

4 开发前景及建议

能源植物的开发和推广同时具有经济效益和生态效益。首先，能源植物的开发受到的限制很小，哪里有能源植物哪里就可以开发建厂，而不像风能、太阳能的利用要受到风级、光强的制约。而且秸秆煤田、清林煤田、沙地煤田、林业荒山荒坡煤田四大绿色煤田储量丰富，可重复再生利用，具有广阔的开发空间和前景，一次投入，多次产出，从微利到大营利，是新时期能源革命的開始。其次，各个国家为支持能源植物研究开发相继出台各种扶持政策，保证了研究的开发基金、产品销路，是企业入驻能源植物开发领域的保证。这是一个义利结合的产业，不仅节能减排、清洁无污染，回收利用了可能引起火灾、病虫等隐患的清林剩余物，开发恢复沙地、荒山的生态环境，同时延长了农产品的产业链，增加农民收入。与此同时，仍然要清醒地认识到能源植物开发过程中的阻力，积极探索，寻找出合理的商业模式，搭建明显的营利点，让企业家们信服加入，农民积极参与开发推广能源植物，开辟一条可持续的能源发展道路，摆脱经济和社会发展的能源限制。

42卷6期吴忠海等能源植物的研究现状与展望

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