高瑞芳　張建國

摘要：能源植物作為未來生物能源的主要原料，開發(fā)利用前景廣闊，他將成為21世紀新型能源的研究熱點。其中，能源草，因其具生長快、適應(yīng)性強、抗逆性好、易栽培管理、可多年利用等優(yōu)點，將是人們關(guān)注的重點。通過對發(fā)展能源草的背景、意義、國內(nèi)外能源草研究利用概況進行了綜合評述，并分析了具有發(fā)展?jié)摿Φ哪茉床菁捌湓诎l(fā)展中存在的問題和對策，為進一步深入開展能源草研究提供參考。

關(guān)鍵詞：能源草；生物質(zhì)能；可再生能源

中圖分類號：S 216.2 文獻標識碼：A 文章編號：10095500（2013）01008908

隨著工業(yè)的迅速發(fā)展和科技的日益進步，世界各國對能源的需求也在不斷增大，其中，消耗的能源大部分來自化石能源。據(jù)美國油氣雜志報道，至2008年全球約1838億t的石油儲量，以目前的開采速度也只夠消費60年＼[1＼]。同時，化石能源會釋放大量的CO2，SOX和NOX等危害環(huán)境的氣體。因此，以可再生能源代替?zhèn)鹘y(tǒng)的化石資源對緩解能源短缺、降低環(huán)境污染具有重要的意義＼[2＼]。

1 發(fā)展能源草的背景

能源草是指植株高大、生長迅速、生物質(zhì)產(chǎn)量高的草類能源植物，是可直接作燃料及用于生產(chǎn)生物質(zhì)能源的草本植物的統(tǒng)稱，多為兩年或多年生＼[3，4＼]。利用能源草生產(chǎn)生物質(zhì)能源可緩解煤炭、石油的供應(yīng)壓力，有效利用農(nóng)閑田，改良土壤結(jié)構(gòu)，提高生物多樣性，減少有害氣體排放等＼[5＼]。

20世紀70年代初的“石油危機”掀起了世界各國研究生物質(zhì)能源的熱潮，其中，美國和巴西最早成功用玉米和甘蔗制得燃料乙醇。然而，以糧食作物為原料生產(chǎn)生物質(zhì)能，不僅加大了農(nóng)作物需求量，也引起了糧食短缺。國際貨幣基金組織（IMF）調(diào)查發(fā)現(xiàn)，不斷擴大對生物燃料的需求是導(dǎo)致最新糧食價格上漲的主要原因＼[6＼]。2007年我國政府呼吁停止使用玉米生產(chǎn)燃料乙醇。在生物質(zhì)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的過程中，應(yīng)堅持不爭糧、不爭地、不爭食用油和糖的方針。2008年中國農(nóng)業(yè)大學(xué)生物質(zhì)工程中心報道能源草堪當未來生物能源之大任＼[7＼]。

2 發(fā)展能源草的意義

根據(jù)能源草的成分特征，可將其分為4類＼[3＼]：（1）淀粉類，生產(chǎn)燃料乙醇，如甜高粱等；（2）油脂類，生產(chǎn)生物柴油，如油莎草等；3）木質(zhì)纖維素類，通過轉(zhuǎn)化獲得熱能、電能、乙醇和生物氣體等，如蘆竹、芒草等；（4）萜類、烯烴類石油物質(zhì)類，通過脫脂處理作為柴油使用，如續(xù)隨子等。能源是人類賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ)，繼石油、煤炭和天然氣后的第四大能源-生物質(zhì)能，如農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)產(chǎn)品加工廢棄物等，其儲量豐富且可再生。除可作為固體燃料，亦是唯一轉(zhuǎn)化可再生液體燃料的資源，其中，木質(zhì)纖維素類植物是制取燃料乙醇的主要原料＼[8＼]。我國木質(zhì)纖維素類資源豐富，但制備過程仍存在一定困難。而能源草產(chǎn)量高、易獲得、儲量豐富，作為轉(zhuǎn)化原料潛力巨大。相對于其他農(nóng)作物或能源木本，能源草的優(yōu)勢尤為突出。

2.1 生長速度快，干物質(zhì)產(chǎn)量高

能源草生長速度快，全年均可收獲利用。蘆竹（Arundo donax）年干物質(zhì)產(chǎn)量可達37 t/hm2＼[9＼]，象草（Pennisetum purpureum）的年干物質(zhì)產(chǎn)量高者可達89.4 t/hm2＼[10＼]，與能源作物和木本相比，能源草產(chǎn)量更高。

2.2 適應(yīng)性強，建植、管理成本低

能源草適應(yīng)性強，對土壤和氣候要求不高，在各種土壤類型上均有適宜草種可種植。所以不需要特別維護，建植、管理成本也較低。

2.3 生長周期短，生態(tài)效益高

能源草為多年生，具再生性，一年可多次刈割利用，生長周期相對較短，不僅降低了生產(chǎn)成本，有效改善土壤理化性質(zhì)，增強水土保持力，亦可有效利用和改良農(nóng)業(yè)廢棄地、農(nóng)田邊際土地等土地資源＼[5＼]，有利于環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。此外，能源草的含硫量低，燃燒釋放物對環(huán)境污染小，抗蟲害能力強，所以生態(tài)效益也較高＼[5，11＼]。

2.4 能量回報率高

能源草作為生物能源原料的能量回報率（輸出/輸入）比一般農(nóng)作物及林木都高。奇崗（Miscanthus giganteus）的能量回報率為22%～47%＼[12＼]，柳枝稷（Panicum virgatum）為12%～17%，而玉米谷粒為6%，秸稈最多也只能達到8%＼[13，14＼]，能源柳約30%＼[15＼]。充分利用能源草可獲得較高的能量回報率。

3 國外能源草研究利用概況

近年來，對纖維素類能源草的研究集中在種質(zhì)資源的探索與開發(fā)＼[16，17＼]、品種改良、栽培管理技術(shù)＼[18，19＼]、能源轉(zhuǎn)化生態(tài)與經(jīng)濟效益評估、轉(zhuǎn)化工藝＼[20，21＼]等方面。歐盟及美國均提出將以柳枝稷和芒草（Miscanthus spp.）等作為能源草進行研究＼[5，22＼]。

3.1 歐洲

19世紀30年代芒草首次由日本引入丹麥＼[23＼]，從此歐洲開始將芒草作為草本能源植物的研究。1935年雜交種三倍體奇崗引入丹麥，旨在觀察其生長狀況＼[24＼]。20世紀60年代末歐洲為開發(fā)適應(yīng)性廣的能源草，進一步展開了對能源植物的研究，如芒（Miscanthus sinens）、蘆葦（Phragmites communis），并在歐洲部分地區(qū)進行種植試驗。經(jīng)深入研究發(fā)現(xiàn)，蘆竹、虉草（Phalaris arundinacea）分別在地中海地區(qū)、北歐種植生物質(zhì)能特性良好＼[5＼]。

20世紀80年代瑞典開展了各種植物及其生物量潛力的若干評估項目，虉草成為最引人注目的能源草之一＼[25＼]。1983年北歐建立了首個能源草試驗基地＼[26＼]，廣泛種植奇崗，其干物質(zhì)產(chǎn)量每年可達20 t/hm2＼[27，28＼]?；谝幌盗谐醪窖芯浚?989年在JOULE項目的資助下，歐洲啟動了國際研究項目。隨后在愛爾蘭、英國、德國和丹麥建立了芒草試驗基地，研究了奇崗在北歐各國的潛力＼[29＼]。1993年，歐洲將芒屬植物的田間試驗延伸到南歐的意大利、西班牙和希臘等地＼[30＼]。此外，奧地利、荷蘭和瑞士等國也開始資助有關(guān)芒屬植物研究的項目，如芒屬植物的繁殖、建植、管理、收獲等＼[31＼]。這些試驗表明了奇崗在歐洲種植的潛力和局限性，其主要優(yōu)勢是高產(chǎn)、需肥和殺蟲劑量少，局限性是基因庫狹窄、越冬率低＼[32＼]、正常繁殖的成本高＼[33＼]。

1997年，歐洲啟動FAIR項目，研究芒草的育種技術(shù)，篩選全歐洲不同基因型的芒草＼[34＼]。隨后對20種草本植物進行試驗研究，篩選出柳枝稷、芒草、蘆竹和虉草為最具潛力的能源草＼[35＼]。

目前，歐洲各國已對能源草草蘆＼[36＼]、蘆竹＼[37＼]、芒草＼[38＼]、象草＼[39＼]、蘆葦＼[40＼]、柳枝稷＼[41＼]等從生物質(zhì)產(chǎn)量、能源利用效率、季節(jié)養(yǎng)分動態(tài)、莖皮層和髓部木質(zhì)素的結(jié)構(gòu)特征、灰分熔融性、轉(zhuǎn)化乙醇的最佳條件等方面作了廣泛而深入的研究。

3.2 美國

1978年美國能源部（DOE）建立了關(guān)于生物能源原料發(fā)展的項目，以多年生草本為研究對象進行了能源植物的篩選。1984年DOE設(shè)立了“草本能源植物研究項目（HECP）”。1985～1989年，從35種草本植物中篩選出18種最具潛力的能源草＼[9＼]，如柳枝稷、象草、大藍須芒草（Andropogon gerardii）、五芒雀麥（Bromus inermis）等，其中，柳枝稷是最具潛力的多年生草本植物＼[42＼]。1987年，美國率先將象草作為能源草開展研究，經(jīng)過長達20年的研究，證明其可用于乙醇、沼氣和電能的生產(chǎn)＼[43-46＼]。

1991年起，因柳枝稷是本土多年生暖季型C4草本、比其他草本更適宜用于生物質(zhì)能生產(chǎn)＼[47＼]、局限性?。躘48＼]、易融入傳統(tǒng)農(nóng)耕系統(tǒng)，HECP將其作為模式草本能源植物進行全方位的研究。已成功選育出了柳枝稷品種Shawnee＼[49＼]。目前，已從抗性、分子、建植、產(chǎn)量等方面最新研究了奇崗、柳枝稷＼[50-52＼]等能源草，以期為生物質(zhì)能的發(fā)展提供高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)的生物質(zhì)原料。

4 國內(nèi)能源草研究利用概況

我國對能源草的研究起步較晚。近年來對柳枝稷、芒草等研究較多＼[53-55＼]。并在此基礎(chǔ)上建立了相關(guān)的評價體系＼[56＼]，有助于我國能源草的選擇。在《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006～2020年）》中生物質(zhì)能的大力開發(fā)利用己成為重點＼[57＼]。現(xiàn)在主要集中于能源草資源的開發(fā)、種植管理及轉(zhuǎn)化工藝的改良等。

周秋平等＼[58＼]比較了本氏針茅（Stipa bungeana）與柳枝稷光合生理生態(tài)特征，表明柳枝稷屬于高光合、低蒸騰和高水分利用效率的植物。寧祖林等＼[59＼]對8種高大禾草的熱值和灰分動態(tài)變化進行了研究，得出C3類植物中蘆竹干重熱值較高。陳慧娟等＼[60＼]研究了五節(jié)芒（Miscanthus floridulus）生物量及熱值的動態(tài)變化，發(fā)現(xiàn)五節(jié)芒在整個生長季節(jié)內(nèi)生長迅速，莖、葉全年平均干重熱值分別為17.76 MJ/kg、17.44 MJ/kg，平均灰分含量分別為2.55%、7.03%。沈文彤＼[61＼]研究了柳枝稷種植行距和施氮量對其生長和能源特性的影響。許岳飛等＼[62＼]研究了不同施肥和株行距對王草產(chǎn)量的影響，表明平衡施肥及行距70 cm、株距50 cm時可提高王草的鮮草產(chǎn)量。徐炳成等＼[63＼]測定了柳枝稷苗期水分利用與根冠比，表明低水時柳枝稷光合速率降低，蒸騰速率增大，葉片水分利用效率減小。丁成龍等＼[64＼]研究了施肥量、密度對美洲狼尾草（Pennisetum glaucum）產(chǎn)量的影響，表明美洲狼尾草的產(chǎn)量受栽培密度的影響較小，而對氮肥的施用量非常敏感。余醉等＼[65＼]、袁振宏等＼[54＼]、代王瑩等＼[66＼]分別研究了蘆竹、芒草、黑麥草（Lolium multiflorum）生產(chǎn)燃料乙醇的發(fā)酵工藝。解新明等＼[67，68＼]對象草不同品種木質(zhì)素含量及其合成關(guān)鍵酶活性動態(tài)變化進行了研究。何立珍等＼[69＼]通過秋水仙堿處理南荻愈傷組織，獲得首例同源四倍體南荻，其鮮草產(chǎn)量提高182%。蔣昌順等＼[70＼]對熱帶禾本科牧草進行區(qū)域性試驗研究，表明王草鮮草產(chǎn)量最高，為95.91 t/hm2。宗俊勤等＼[71＼]對柳枝稷、荻（Triarrhena sacchariflora）、芒、蘆竹、蘆葦、斑葉芒（M.sinensis）、甜茅（Glyceria maxima）7種多年生禾草作為能源植物的潛力進行了研究，表明芒和荻的干物質(zhì)年產(chǎn)量、燃燒值均最高，灰分最低。孫發(fā)政＼[72＼]對類蘆的大量研究表明類蘆具有較強的抗逆性。

5 具有發(fā)展?jié)摿Φ哪茉床?/p>

目前，對能源草的評價仍沒有統(tǒng)一的標準，即使對同一種能源草，利用方式不同其評價指標也有很大區(qū)別。一般來說，理想的能源草應(yīng)生物質(zhì)產(chǎn)量高、再生能力強、富含纖維素和半纖維素，木質(zhì)素、水分和灰分含量低，建植和田間管理成本低＼[73＼]。

5.1 柳枝稷

柳枝稷是禾本科（Gramineae）黍?qū)伲≒anicum），高稈多年生C4草本植物，水肥利用效率高，生長迅速，產(chǎn)量高，適應(yīng)性強，具有較大發(fā)展?jié)摿Α?/p>

5.1.1 生產(chǎn)性能 柳枝稷的干物質(zhì)年產(chǎn)量高，可達35 t/hm2（表1）。生長10年，如管理合理，高產(chǎn)期可持續(xù)15年＼[74＼]。

5.1.2 生物量理化性質(zhì) 柳枝稷中纖維素、半纖維素含量分別為37.10%，32.10%，而木質(zhì)素、水分及灰分含量較低＼[8，83＼]。因N、S含量低，能適應(yīng)養(yǎng)分貧瘠的土壤條件，所以對土壤的可持續(xù)利用具有重要的意義。因柳枝稷比小麥、大麥、玉米秸稈水分和灰分含量低、熱值高，柳枝稷又為典型的理想生物燃料＼[84＼]。

5.1.3 生態(tài)適應(yīng)性 柳枝稷抗逆性強，分布范圍廣。原產(chǎn)于北美，在美國廣泛種植＼[85＼]。種植在與其起源地相近的地區(qū)會表現(xiàn)出較高的產(chǎn)量和生態(tài)適應(yīng)性＼[86＼]。比傳統(tǒng)農(nóng)作物的抗旱、耐澇能力強＼[87＼]。適宜各種土壤類型，pH 4.9～7.6土壤上生長良好＼[88＼]，在中性土壤上生長最優(yōu)。

5.1.4 經(jīng)濟指標 柳枝稷經(jīng)濟潛能大，適宜推廣種植。定植較易成功，種植當年雜草競爭比較強，需使用除草劑。生長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、鉀肥，在美國阿拉巴馬州柳枝稷氮肥利用率達65.6%，而小麥、玉米為50% ＼[89＼]。

5.2 蘆竹

蘆竹為禾本科蘆竹屬（Arundo）多年生高大叢生C3草本植物，其為蘆竹屬惟一廣泛分布的種＼[90＼]，生長期20年以上。蘆竹纖維含量較高，為40%；木質(zhì)素和灰分含量較低；熱值14.8～18.8 MJ/kg。蘆竹作為歐洲重點研究的能源植物，主要分布于較溫暖的南歐和地中海地區(qū)＼[91＼]。在我國分布范圍廣，產(chǎn)量高，干物質(zhì)年產(chǎn)量可達45 t/hm2（表1）；生態(tài)適應(yīng)性強，蘆竹是一種高抗逆性植物，是低洼鹽堿地的“先鋒植物”；易于繁殖和管理，便于機械化收割，由于蘆竹主要生長在陸生生境中，植株高大，并可推遲收獲時間，因此非常便于機械化收割。

5.3 芒草

芒草是芒屬（Miscanthus）植物的總稱，禾本科多年生高大叢生型C4草本植物，原種起源于熱帶和亞熱帶地區(qū)，廣泛分布于東亞＼[92＼]。光合固碳效率高、生長快、適應(yīng)性強、病蟲害抗性強、生產(chǎn)力高＼[5＼]，被國內(nèi)外公認為最具潛力的能源植物之一＼[79＼]。壽命為18～20年，最長可達25年＼[93＼]。干物質(zhì)年產(chǎn)量高達44 t/hm2以上（表1）。纖維成分80%以上可降解利用，適于作為生產(chǎn)燃料乙醇的原料＼[54＼]。芒屬其他品種有五節(jié)芒、芒、高山芒等。如五節(jié)芒生長迅速，在高溫下仍生長旺盛；適應(yīng)性強，水肥利用率高，在最低的氮供應(yīng)下只有芒草的能量及土地利用率同時達到最大，而黑小麥和草蘆則不及芒草＼[94＼]；種植成本低、利用率高；灰分含量低為3.54%～9.21%，燃燒完全其干重熱值為16.59～18.40 MJ/kg＼[60，95＼]。

5.4 狼尾草

狼尾草是禾本科黍亞科狼尾草屬（Pennisetum）的總稱，多數(shù)原產(chǎn)于非洲，廣泛分布于熱帶、亞熱帶和溫帶地區(qū)＼[96＼]。為一年生或多年生C4草本植物，具有高效的光合作用能力，生物量高，適應(yīng)性和抗逆性強。主栽品種有象草、雜交狼尾草、王草等，其利用年限長，生長4～6年，甚至長達10年以上＼[97＼]。其干物質(zhì)年產(chǎn)量高達89.4 t/hm2（表1）。如象草富含纖維素、半纖維素，均高達30%；木質(zhì)素、灰分含量較低。作為能源草，其生長迅速，生物量大，再生能力強；熱值高17.8～18.1 MJ/kg；抗逆性強，抗土壤酸性能力強，在沙土和粘土中均能生長；適應(yīng)性廣；生物質(zhì)燃料易被引燃，灰燼中殘留的碳量較燃用煤炭少，燃燒完全＼[11＼]。

6 存在的問題及對策

盡管能源草可在一定程度上緩解能源危機、改善環(huán)境，但其存在的問題也應(yīng)引起人們的重視?？傮w而言，能源草的開發(fā)利用處于初級階段，真正的產(chǎn)業(yè)鏈尚未形成，仍面臨著諸多問題。

6.1 大規(guī)模生產(chǎn)能源草仍可能擠占耕地、破壞自然生態(tài)系統(tǒng)

隨著能源草越來越受到人們的重視，能源草的大規(guī)模生產(chǎn)也在逐步推進。然而，大規(guī)模生產(chǎn)能源草仍然擠占耕地、破壞自然生態(tài)系統(tǒng)，所以，應(yīng)根據(jù)能源草種類選擇適宜的土壤類型，首先利用生產(chǎn)力較低的邊際農(nóng)業(yè)土地，以保證糧食安全和生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

6.2 能源草品種資源缺乏

品種資源缺乏制約了能源草的總體發(fā)展和不同地區(qū)發(fā)展方式的選擇。針對這一問題，應(yīng)收集、引種、篩選適合本土種植的能源草品種資源，并利用誘變技術(shù)、分子生物等技術(shù)對功能基因進行定向改良，創(chuàng)建優(yōu)良的能源植物品種，選育高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、易管理的新品種。

6.3 高產(chǎn)栽培配套技術(shù)、生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化技術(shù)薄弱

高產(chǎn)栽培配套技術(shù)和生物、化工等生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化技術(shù)是加速生物能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵。技術(shù)單一、落后，技術(shù)創(chuàng)新力量薄弱，均阻礙了生物能源的開發(fā)利用。各國應(yīng)根據(jù)本國擁有的植物資源，加強技術(shù)研究，通過采用合理、先進的技術(shù)促進生物質(zhì)原料的高效管理和應(yīng)用，以解決技術(shù)水平產(chǎn)生的問題。此外，應(yīng)加強與國際技術(shù)的交流和合作，實施可再生能源國際科技合作計劃，有目的、有選擇地引進先進的技術(shù)工藝和主要設(shè)備，以緩解世界各國面臨的能源和環(huán)境問題。

6.4 國家對生物質(zhì)能的發(fā)展缺少法律和財政支持

生物能源產(chǎn)業(yè)作為推動國家能源發(fā)展的新型產(chǎn)業(yè)，需要國家給予大力的支持。建立健全、完善的相關(guān)法律法規(guī)，為生物能源產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展提供法律保障，以鼓勵清潔的可再生能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展、研究和開發(fā)。此外，國家還應(yīng)給予適當?shù)呢斦С?，刺激生物質(zhì)能的發(fā)展。

總之，能源草是生物質(zhì)能發(fā)展的一個重要方向，但要使其成為一個大的產(chǎn)業(yè)，仍需要各級政府、研究者、生產(chǎn)企業(yè)等多方面的不斷努力。

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