仰 勇，肖 亮，蔣建雄

（湖南農(nóng)業(yè)大學生物科學技術(shù)學院，湖南 長沙 410128）

化石能源短缺和環(huán)境污染加劇是當今世界各國所面臨的嚴峻問題。據(jù)美國《Oil and Gas Journal》2008年12月報道：截至2008年，全球石油總探明儲量為1 838.64×108噸，新探增量僅占0.8%，按目前全球年開采量36×108噸計算，約60年內(nèi)將耗竭；中國已探明石油儲量為21.92×108噸，僅供開采11年。此外，化石能源為不可再生能源，不僅儲量有限，而且在燃燒過程中大量釋放CO2，SOx，NOx等有害氣體，嚴重污染環(huán)境，導致溫室效應、酸雨、生物多樣性下降和土壤荒漠化等多方面環(huán)境和生態(tài)問題，極大地威脅著人類的生存和發(fā)展。因此，從可持續(xù)性發(fā)展的角度考慮，開發(fā)能源植物是解決全球未來能源和環(huán)境問題的必然趨勢。

自20世紀70年代開始，美國便開始對能源植物進行研究和開發(fā)，并于1986年在加州成功種植了2.43 hm2能源植物（續(xù)隨子Capparisspinosa和綠玉樹Euphorbia tirucalli），取得了年產(chǎn)50 t石油的成果，開創(chuàng)了人工種植石油植物的先河，掀起了世界各國研究能源植物的熱潮。

1 纖維類能源草的特點

與木本植物相比，草本植物具有生長速度快、生活周期短、分布廣等特點，便于大面積推廣種植，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。纖維類能源草是能源草中富含纖維素的一類，也是能源草中最常見的一類，如芒（Miscanthussinensis）、柳枝稷（Panicumvirgatum）、蘆竹（Arundodonax）、象草（Pennisetumpurpureum）、蘆葦（Phragmitescommunis）等。纖維類能源草，尤其是多年生高大能源草的開發(fā)利用具有如下優(yōu)點：①生長快，產(chǎn)量高，種植成本低，易于普及推廣；②二氧化碳零排放，不污染環(huán)境；③可再生性；④適應性強，可利用邊際土地種植，符合我國“不與糧爭地，不與人爭糧”的能源發(fā)展目標；⑤安全；⑥多方面的生態(tài)效益和經(jīng)濟效益。因此，種植纖維類能源草對于緩解能源壓力、保護環(huán)境和生態(tài)、促進我國經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展等具有重要意義。

2 纖維類能源草國內(nèi)外研究進展

2.1 國外研究進展

美國草本能源植物研究計劃項目（HECP），早在1985～1989年間就從35種草本植物中篩選出18種最適合美國種植的纖維類能源禾草，并在1991年美國能源部將柳枝稷確定為模式植物加以重點研究；Mutoh等研究和報道了芒的生物多樣性和初級生產(chǎn)力；歐洲一些國家對20余種植物進行了研究，認為柳枝稷、三倍體芒－奇崗（Miscanthus×giganteus）、蘆竹、草蘆（Phalarisarundinacea）4種纖維類能源草是最具有潛力的能源植物。

近年來，國外對纖維類能源草的研究集中在種質(zhì)資源的探索和開發(fā)、品種改良、生態(tài)效益、能源轉(zhuǎn)化經(jīng)濟效益等方面。Anderson等在研究蘆竹、象草和狗牙根（Cynodon spp.）的乙醇轉(zhuǎn)化效率中發(fā)現(xiàn)乙醇產(chǎn)量在品種間和品種內(nèi)都具有顯著性變化，提出通過遺傳育種對原料進行改良以提高乙醇產(chǎn)量是可行的，同年還研究了能源禾草木質(zhì)纖維素的結(jié)構(gòu)和化學性質(zhì)與乙醇轉(zhuǎn)化之間的關(guān)系； Moon等對轉(zhuǎn)基因等生物技術(shù)在能源草中的應用展開了分析和預測。

2.2 國內(nèi)研究進展

我國纖維類能源草資源非常豐富，開發(fā)利用上主要集中在水土保持、造紙原料和動物飼料等方面，而用于生物質(zhì)能源研究的起步較晚，落后于歐美國家，目前的研究主要集中在能源植物種質(zhì)資源的開發(fā)和轉(zhuǎn)化工藝的改良方面，并取得了一些可喜的成績。解新明等認為，多年生能源禾草具有較好的產(chǎn)能效益和生態(tài)效益，是較為理想的能源植物。程序通過對能源牧草的調(diào)研和潛力分析后，明確指出能源牧草堪當未來生物能源之大任。寧祖林等對8種高大纖維禾草的熱值和灰分動態(tài)變化進行了研究，結(jié)果表明蘆竹的干重熱值與灰分含量有顯著的線性相關(guān)，五節(jié)芒（Miscanthusf l oridulus）、蘆葦?shù)母芍責嶂蹬c灰分含量呈極顯著的線性相關(guān)；C3植物類中去灰分熱值較高的是蘆竹，C4植物類中去灰分熱值較高的是芒。李高揚等以生產(chǎn)燃料乙醇等清潔生物質(zhì)能源為目標，提出了一套優(yōu)良能源植物篩選及評價指標，為纖維類能源草新資源的評價和開發(fā)提供了參考。

3 纖維類能源草的利用方式

3.1 直接燃燒

纖維類能源草多具有生物產(chǎn)量高、熱值高、不污染環(huán)境、燃燒性能好等優(yōu)點，在歐美國家常用于直接燃燒發(fā)電。據(jù)報道，2000年芒草的產(chǎn)電量已在歐盟15國中占其總產(chǎn)電量的9%，其中愛爾蘭最高，占總產(chǎn)電量的37%。

3.2 生產(chǎn)燃料乙醇

纖維類能源草的纖維素含量較高，纖維素可經(jīng)纖維素酶作用降解為葡萄糖，葡萄糖進一步發(fā)酵即可得乙醇。目前國內(nèi)外對木質(zhì)纖維素生產(chǎn)燃料乙醇工藝的研究很多，開發(fā)前景相當可觀，但未見突破性成果，還存在著技術(shù)和成本問題。

3.3 制造燃氣

理論上，纖維質(zhì)（C6H12O6）完全燃燒時所需的空氣與燃料比值為6:1，最終產(chǎn)物為CO2和H2O。在高溫高壓氣化過程中，使纖維質(zhì)不完全燃燒（空氣與燃料比值為1.5:1）得到的氣體叫做制造氣，可燃，熱值為4.5～5.0 MJ/Kg。此外，纖維質(zhì)也可以在厭氧細菌的發(fā)酵作用下分解產(chǎn)生沼氣（甲烷氣體）。

3.4 其他用途

纖維類能源草除作為能源用途外，還可用于綠化環(huán)境、保持水土、造紙原料等，某些品種可以作為觀賞植物，如芒屬植物最初就是作為觀賞植物被引入到歐美國家的，此外，高大纖維類禾草可以用于制造環(huán)保型建筑材料。

4 纖維類能源草研究展望

纖維類能源草是一種可再生的資源，開發(fā)纖維類能源草作為現(xiàn)有能源的補充和替代品，一方面能逐步緩解能源危機，另一方面生產(chǎn)成本低廉，同時還具有多方面的生態(tài)效益，符合可持續(xù)發(fā)展的要求和趨勢。但我國用纖維類草類做能源起步較晚，研究力度和技術(shù)水平落后于歐美國家，因此應從本國國情出發(fā)，尋找適合我國的植物能源長期發(fā)展的道路。

4.1 加大種質(zhì)資源的調(diào)查、收集和評價力度

我國幅員遼闊，纖維類能源草種類繁多，且分布廣泛。應加大纖維類能源草種質(zhì)資源的調(diào)查、收集和評價力度，加快各種資源圃、試驗圃的建設，盡快掌握不同纖維類禾草的生物學、繁育學、栽培學等特性，為優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)纖維類能源草的品種選育和推廣種植奠定基礎。

4.2 扶持開發(fā)邊際土地，加快品種選育和推廣種植進度

我國南方約有0.2×108hm2荒山荒坡，北方有1×108hm2鹽堿地，邊際土地多，開發(fā)種植纖維類能源草的空間大，同時符合我國“三不一充分”的能源開發(fā)目標。所以，應加大纖維類能源草的育種進度，因地制宜，培育出適合不同類型土地生長和不同利用方式特點的新品種，以便于產(chǎn)業(yè)化種植。

4.3 加強能源轉(zhuǎn)化工藝研究，提高纖維類能源草利用效率

如研發(fā)節(jié)能灶爐，降低在直接燃燒使用中的熱量損失；研究木質(zhì)纖維素的結(jié)構(gòu)、預處理工藝和設備；探索、篩選和培育高效的纖維素降解酶類，提高纖維類能源草轉(zhuǎn)化為燃料乙醇的效率。

4.4 實行國家、科研機構(gòu)、企業(yè)及農(nóng)戶有機結(jié)合

我國能源植物的研究及開發(fā)利用起步較晚，盡管在“十五”和“十一五”期間取得了可喜的成績，但離產(chǎn)業(yè)化發(fā)展還有一定距離，這就需要政府在產(chǎn)業(yè)化規(guī)劃中進行宏觀調(diào)控，充分發(fā)揮科研機構(gòu)、企業(yè)和農(nóng)戶各自的優(yōu)勢，做到政府指導，科研攻關(guān)，企業(yè)和農(nóng)戶發(fā)展相協(xié)調(diào)，將科研成果迅速轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力。

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