馬志林，馮長松

(1.河南省水利科學(xué)研究院，河南 鄭州 450003； 2.河南省水利工程安全技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450003；3.河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 畜牧獸醫(yī)研究所，河南 鄭州 450008)

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能源草發(fā)展的比較優(yōu)勢和戰(zhàn)略潛力研究

馬志林1,2，馮長松3

(1.河南省水利科學(xué)研究院，河南 鄭州 450003； 2.河南省水利工程安全技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450003；3.河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 畜牧獸醫(yī)研究所，河南 鄭州 450008)

生物質(zhì)能源；能源草；重要性；優(yōu)勢；潛力

纖維素類生物質(zhì)已經(jīng)成為發(fā)展生物質(zhì)能源的主導(dǎo)原料。草本能源植物以其獨(dú)具的優(yōu)點(diǎn)在生物質(zhì)原料中居重要地位，具有廣闊的發(fā)展前景。針對(duì)能源替代、環(huán)保減排的迫切要求及生物質(zhì)能源發(fā)展原料需求，分析了我國發(fā)展能源草的重要性和必要性，論述了能源草作為新型生物質(zhì)原料的優(yōu)勢和潛力。

能源是人類社會(huì)賴以生存和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。20世紀(jì)70年代中期，由中東戰(zhàn)爭引發(fā)的全球性能源危機(jī)，使人們深刻認(rèn)識(shí)到了化石能源的資源有限性和環(huán)境污染問題。根據(jù)現(xiàn)已探明的儲(chǔ)量和需求推算，到21世紀(jì)中葉，世界石油、天然氣、煤炭資源可能枯竭。傳統(tǒng)能源面臨的挑戰(zhàn)及所引發(fā)的一系列生態(tài)危機(jī)，正嚴(yán)重威脅著人類的生存和社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。

因此，發(fā)展可再生的生物質(zhì)能源替代傳統(tǒng)化石資源，對(duì)緩解能源短缺、降低環(huán)境污染、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有重大意義。生物質(zhì)能源的開發(fā)和利用已經(jīng)成為當(dāng)前解決能源危機(jī)問題的一個(gè)發(fā)展方向[1]。從資源利用的角度來看，農(nóng)林業(yè)成為發(fā)展生物質(zhì)能源的基礎(chǔ)，能源植物的培育及優(yōu)化成為滿足生物質(zhì)能源規(guī)?；l(fā)展的保障。而能源草產(chǎn)量高、易獲得、儲(chǔ)量豐富，作為轉(zhuǎn)化原料潛力巨大。相對(duì)于其他農(nóng)作物或木本能源，能源草的優(yōu)勢尤為突出[2]。

1　我國能源草發(fā)展的重要性和必要性

1.1替代能源的要求

據(jù)統(tǒng)計(jì)，按目前的水平開采世界已探明的能源，煤炭資源尚可開采100年、石油30～40年、天然氣50～60年[3]。而我國正處在經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展期，能源需求不斷增長，2009年就已超過美國成為世界第一大能源消費(fèi)國。2013年我國石油消耗量達(dá)到4.98億t，同比增長1.7%，石油對(duì)外依存度達(dá)58.1%，已高于50%的國際警戒線；2014年原油對(duì)外依存度高達(dá)59.6%,超過了58.8%的預(yù)期[4]。中國石油對(duì)外依存度每年增加2～3百分點(diǎn)，2020年預(yù)計(jì)達(dá)到76.9%[5]。我國交通能源對(duì)石油產(chǎn)品的依賴度超過95%，交通業(yè)石油消耗量已超過石油總消耗量的一半(汽車對(duì)原油的消耗占了3/5)，中國目前又處于交通發(fā)展初期，人均汽車保有量僅不到發(fā)達(dá)國家的10%，近10年汽車增長速度達(dá)20%，航空業(yè)也以每年17.5%的速度快速發(fā)展，國家能源安全問題日益嚴(yán)峻。而目前生物燃料、電能、天然氣等替代能源的利用量仍然很低，能源急需補(bǔ)充和替代，生物液體燃料是當(dāng)前替代石油基燃料唯一可行的生物質(zhì)能源利用路徑[6]。能源草作為一種可再生能源載體，制成的生物液體燃料可直接替代化石燃料，生物質(zhì)顆?？商娲禾咳紵l(fā)電，這是其他新能源載體難以實(shí)現(xiàn)的，凸顯了能源草作為生物質(zhì)能源的優(yōu)勢。

1.2溫室氣體減排和環(huán)境污染治理的要求

化石燃料燃燒產(chǎn)生的大量CO2、SOx和NOx等氣體，是導(dǎo)致大氣污染、全球變暖、霧霾等重大環(huán)境問題的主要原因，持續(xù)增長的能源消耗使中國成為世界上CO2和SO2排放量最多的國家之一[7]。中國的發(fā)展正面臨著嚴(yán)峻的大氣污染形勢，霧霾問題已引起民眾強(qiáng)烈不滿和政府高度重視。

利用能源草生產(chǎn)生物質(zhì)能源，可再生而不會(huì)枯竭，使用過程中SO2排放量很低，產(chǎn)生的CO2量與植物生長過程中吸收的CO2量相近，同時(shí)植物自身還起到保護(hù)和改善生態(tài)環(huán)境的作用，幾乎不產(chǎn)生污染，因而在能源緊迫和力求減少溫室氣體排放的今天，其開發(fā)利用備受全球各國重視，發(fā)展前景廣闊。

1.3“不與人爭糧、不與糧爭地、不破壞生態(tài)環(huán)境”發(fā)展原則的要求

生物液體燃料實(shí)現(xiàn)交通燃料替代具有重要意義已是不爭的事實(shí)。自2006年國家提出“不與人爭糧、不與糧爭地、不破壞生態(tài)環(huán)境”的生物燃料發(fā)展原則以來，原料供應(yīng)問題就成了一個(gè)很大的挑戰(zhàn)，其中：玉米、小麥等糧食作為生物燃料原料，明顯與原則相悖，國家已不再擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)?；蚺鷾?zhǔn)新的項(xiàng)目；木薯等非糧作物雖不與人爭糧，但目前仍主要利用耕地進(jìn)行種植，未能擺脫與糧爭地的局面，長期來看，也不可能大規(guī)模推廣來滿足生物燃料的發(fā)展需求；而能源草作為一種低成本、抗逆性強(qiáng)的能源作物，符合中國生物質(zhì)能源發(fā)展原則，必將是未來生物質(zhì)能源的主要原料來源之一。

1.4生物質(zhì)能源發(fā)展原料的需求

生物質(zhì)商品燃料生產(chǎn)，需要有規(guī)模大而價(jià)格又相對(duì)低廉的原料供應(yīng)保障。美國和巴西最早成功利用玉米和甘蔗制得燃料乙醇。然而，以糧食作物為原料的生物質(zhì)能生產(chǎn)，不僅加大了對(duì)農(nóng)作物的需求量，也引起了糧食短缺，導(dǎo)致糧價(jià)上漲,引發(fā)了人們對(duì)于國際糧食安全風(fēng)險(xiǎn)的擔(dān)憂。2007年我國政府呼吁停止使用玉米生產(chǎn)燃料乙醇。

第二代生物液體燃料的原料來源主要有兩種：農(nóng)林廢棄物和草本能源作物。目前中國及世界關(guān)于纖維素乙醇的研究及示范項(xiàng)目主要集中于農(nóng)林廢棄物，尤其是農(nóng)作物秸稈(玉米秸稈)。農(nóng)林秸稈廢棄物理論總量大，但由于低密度零散分布，收集運(yùn)輸成本高，因此實(shí)際可利用率低。而能源草在種植、收獲、運(yùn)輸、貯藏方面可實(shí)現(xiàn)全程機(jī)械化操作，適合規(guī)模化發(fā)展，加之能源草對(duì)土地要求較低，抗逆性強(qiáng)，可利用邊際和荒棄土地種植，因此能源草在規(guī)?；a(chǎn)和土地利用上具有較大優(yōu)勢。以我國生產(chǎn)木質(zhì)纖維素類原料而言，多年生牧草有一年生糧食作物不可比擬的優(yōu)越性[8]，目前很多國家都已開始大量種植[9]。

2　能源草在生產(chǎn)性能方面的優(yōu)勢和潛力

2.1生長速度快，生物量大

能源草生長迅速，再生性好，一般定植2年后便可達(dá)到較高產(chǎn)量(如表1)，全年均可收獲利用，且一次種植可連續(xù)穩(wěn)產(chǎn)收獲10年以上，優(yōu)良品種甚至可達(dá)25年。

表1　北京郊區(qū)連續(xù)4年試種能源草干物質(zhì)產(chǎn)量[10]

北京昌平的種植試驗(yàn)表明[11]，柳枝稷、雜交狼尾草及紫花苜蓿生長速度分別可達(dá)3.34、3.47和1.89 cm/d，再生速度分別達(dá)到1.97、1.82和0.54 cm/d，年鮮物質(zhì)產(chǎn)量分別達(dá)到84.6、84.5和78.9 t/hm2，年干物質(zhì)產(chǎn)量分別可達(dá)22.5、21.8和20.5 t/hm2。

能源草的株高、產(chǎn)量與品種、種植條件及種植區(qū)域有關(guān)。在較好的種植條件下，北京郊區(qū)雜交狼尾草干物質(zhì)產(chǎn)量可達(dá)40.14～48.54 t/hm2[12]。在美國東南部等優(yōu)良種植條件下柳枝稷干物質(zhì)產(chǎn)量可達(dá)35～40 t/hm2，是北京的1.2～1.4倍[13]。芒草在南歐地區(qū)種植年產(chǎn)量可達(dá)30～45 t/hm2[14]，是中國湖南長沙的2.1～3.2倍。蘆竹在天津地區(qū)最大干物質(zhì)產(chǎn)量可達(dá)45 t/hm2[15]，是北京的1.3倍。象草在廣東珠海的年干物質(zhì)產(chǎn)量可達(dá)89.4 t/hm2[16]，廣西南寧引種的象草平均干物質(zhì)產(chǎn)量為36.1 t/hm2[17]。

在能源植物中，木本植物生長比較緩慢、年生物量相對(duì)較低，農(nóng)作物秸稈一年只收一茬，而能源草一年中可刈割三四茬，相比較而言單位產(chǎn)量更高(表2)。

表2　不同能源植物年產(chǎn)生物質(zhì)量　t/hm2

2.2品質(zhì)好，能源利用潛力高

木質(zhì)纖維素是由纖維素、半纖維素、木質(zhì)素和少量的可溶性固形物組成，其自身的結(jié)構(gòu)特性決定了生物質(zhì)液體燃料的轉(zhuǎn)化效率，纖維素含量越高、木質(zhì)素含量越低，其轉(zhuǎn)化效率就越高[20]。柳枝稷、芒草等能源草的纖維素與半纖維素含量超過60%，且結(jié)構(gòu)相對(duì)蓬松，木質(zhì)素含量較低(見表3)，最有利于水解發(fā)酵，預(yù)處理糖轉(zhuǎn)化效率可達(dá)90%以上[21]，是加工二代纖維素乙醇燃料的優(yōu)質(zhì)原料。謝光輝等[22]在科爾沁對(duì)柳枝稷的規(guī)模示范研究表明，柳枝稷的能源產(chǎn)出投入比約為20 ∶1，是玉米產(chǎn)出投入比的2～2.5倍。按高產(chǎn)量30 t/hm2計(jì)算，每公頃柳枝稷可產(chǎn)出高達(dá)50萬MJ的能量，能源利用潛力極高，最大能量凈產(chǎn)出比甜高粱還高[23]。

表3　不同生物質(zhì)的組分分析

2.3熱值高，污染物排放少

從化學(xué)組分分析知，能源草富含碳?xì)浠衔?，炭活性高，灰分含量低，熱值高[27]；易引燃，灰燼中殘留的碳量較燃用煤炭少，燃燒完全，適于作燃料[28]。柳枝稷和荻的C、H元素總含量均在50%左右，熱值為17.98和18.03 MJ/kg[10]，高于一年生農(nóng)作物秸稈及樹木，與褐煤相當(dāng)，但灰分含量只有3.58%和3.56%(見表4)，含硫量也很低，為0.02%～0.17%[17]，而農(nóng)作物秸稈的平均含硫量為0.38%，煤的平均含硫量約達(dá)1%[29]。

表4　不同能源燃燒特性

北京昌平的試驗(yàn)表明[32]，每噸褐煤在燃燒過程中生成的CO2為60 kg、SO2為40 kg；蘆竹的燃燒值為22.76 MJ/kg，略高于褐煤，而每噸蘆竹干料生成的CO2僅為8 kg(而且植物燃燒排放的CO2和生長吸收的CO2相當(dāng),可相抵)、SO2為2.4 kg，污染排放很低。

除能凈化空氣之外，能源草還能有效地減少揚(yáng)塵。成熟的能源草高度可達(dá)6～8 m，滯塵量可達(dá)450 t/(hm2·a)；由能源草構(gòu)成的塊狀林，減塵效果可達(dá)70%以上[33]。

2.4適合發(fā)展沼氣產(chǎn)業(yè)

由生物質(zhì)發(fā)酵制取燃?xì)猓饕抢棉r(nóng)作物秸稈、林木廢棄物、食用菌渣、禽畜糞便等可燃性物質(zhì)作為原料轉(zhuǎn)換為可燃性能源。農(nóng)作物秸稈變干后，木質(zhì)素含量幾乎提高一倍，大量木質(zhì)素與纖維素、半纖維素結(jié)晶，嚴(yán)重阻礙后兩者在生化轉(zhuǎn)化過程中的降解，非常不利于沼氣發(fā)酵和其他生物能轉(zhuǎn)化方式的變化[34-35]，難以滿足全年發(fā)酵的需要。而能源草每年可刈割3～4次，隨收隨用，不需要大量青貯就可以滿足一年中發(fā)酵生產(chǎn)沼氣的需要，比起農(nóng)作物秸稈、林木廢棄物等生物質(zhì)原料，更適于發(fā)酵產(chǎn)氣。

3　能源草在種植方面的優(yōu)勢和潛力

3.1環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，適于邊際土地，可不占用耕地

能源草對(duì)土質(zhì)和氣候條件要求不高，耐旱、抗凍，適合在鹽堿地、荒坡等邊際土地種植。根據(jù)《中國宜能荒地資源調(diào)查與評(píng)價(jià)》結(jié)果，我國共有宜能荒地約2 680萬hm2，其中Ⅰ、Ⅱ類共占48.8%。當(dāng)前只要充分利用Ⅰ、Ⅱ類宜能荒地，按60%的平均墾殖指數(shù)計(jì)算，就能達(dá)到年產(chǎn)2 482萬t生物液體燃料的原料種植需求，完全滿足國家生物能源發(fā)展目標(biāo)[36]。

3.2生長周期短，種植管理成本低

能源草一次種植，常年收獲，收益快，產(chǎn)出率高，克服了林木作為能源植物生長周期長的缺陷[37]；抗性強(qiáng)，在土壤含水量降到15%時(shí)仍能正常生長,僅在分蘗期需要適量氮肥；天然病蟲害少，不需要或很少需要?dú)⑾x劑；同時(shí)，耕種次數(shù)少，種植成本只有造林的1/5到1/4，不僅減少了人力財(cái)力的投入，而且有利于土壤有機(jī)物的沉淀與積累，有利于減少水土流失。

3.3易于機(jī)械化收割儲(chǔ)運(yùn)

能源草一般莖稈高大、粗壯，成熟后植株依然保持生長期時(shí)的直立狀態(tài)，便于機(jī)械化收割。蘆竹的機(jī)械化收割試驗(yàn)表明，其收割效率是人工的40～54倍，成本僅為人工收割的25%～30%[38]。

4　能源草在生態(tài)修復(fù)方面的優(yōu)勢和潛力

纖維類能源草除作為能源用途外，還兼有綠化美化環(huán)境、保持水土、改良土壤和用作造紙?jiān)系茸饔肹39]。

4.1保持水土能力強(qiáng)，有利于生態(tài)修復(fù)

能源草一般都根系發(fā)達(dá)、抗性較強(qiáng)、適生范圍廣，本身就是優(yōu)良的水土保持和荒灘地治理植物，具有很好的水土保持能力，對(duì)防治水土流失、改善生態(tài)環(huán)境具有良好的作用[17,40]。研究表明，在坡地種植柳枝稷、芒草等能源草可減少土壤侵蝕90%以上；荒坡地種植雜交狼尾草，年徑流量和年侵蝕模數(shù)僅為15 466和79 t/km2，防治效果分別達(dá)到81.85%和97.40%，基本控制了水土流失，顯著增加了土壤水分含量，提高了土壤的抗沖性、滲透性[41]。

4.2降低土壤重金屬污染

能源草的富集能力雖不及超富集植物，但較強(qiáng)的生態(tài)適應(yīng)性使其在退化或重金屬污染土壤修復(fù)中具有一定的優(yōu)勢和潛力。相對(duì)于已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的超富集植物多數(shù)生長較為緩慢、植株矮小、生物量較小[42-43]的特點(diǎn)，能源草根系發(fā)達(dá)、生長迅速、植株巨大、生物量高、絕對(duì)富集量大。侯新村[44]等在北京郊區(qū)的試驗(yàn)表明，柳枝稷、荻、蘆竹、雜交狼尾草等4種草本能源植物對(duì)重金屬有較高的絕對(duì)富集量。在重金屬污染土地規(guī)?；N植能源草，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)能源草生物質(zhì)原料生產(chǎn)和重金屬污染土壤修復(fù)的目的。

另外，能源草的某些品種具有很好的觀賞性，如芒屬植物最初就是作為觀賞植物被引入歐美國家的[40]。芒屬能源草、狼尾草、蘆竹等，植株高大挺拔，一般莖頂端生有大型圓錐花序，或大面積種植，或點(diǎn)綴于庭院、園林花木之間，隨風(fēng)搖曳，如羽毛飛舞，十分美麗，具有很好的視覺景觀效果。

5　結(jié)　語

在生物質(zhì)能源利用中，以纖維素類生物質(zhì)作為發(fā)展生物質(zhì)能源的主導(dǎo)原料，已經(jīng)成為國內(nèi)外專家和政府的共識(shí)。國家《可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃》(發(fā)改能源〔2007〕2174號(hào))明確提出：“從長遠(yuǎn)考慮，要積極發(fā)展以纖維素生物質(zhì)為原料的生物液體燃料技術(shù)。”能源草以生長速度快、生物量大、富含纖維素、抗逆性強(qiáng)、適應(yīng)性廣并適宜在邊際土地種植等特點(diǎn)，在生物質(zhì)原料中居于越來越重要的地位，具有明顯的優(yōu)勢和廣闊的發(fā)展前景，是最具發(fā)展?jié)摿Φ纳镔|(zhì)能源之一。能源草的開發(fā)利用必將在緩解化石燃料的供應(yīng)壓力、高效利用荒地和農(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方面日益展現(xiàn)其高效功用。

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(責(zé)任編輯徐素霞)

2015-04-30

河南省科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目(132102110077)；河南省農(nóng)科院科研發(fā)展專項(xiàng)基金項(xiàng)目(20148403)

S216.2；S157.433

A

1000-0941(2016)04-0022-05

馬志林(1964—)，男，河南南陽市人，教授級(jí)高級(jí)工程師，博士，主要從事能源植物、生物質(zhì)能源與水土保持生態(tài)修復(fù)技術(shù)研究。