第二代生物质能源呼之欲出

Ľ>　　[经济参考报2011年10月27日]我国在天然种质资源、气候土壤适应性、选育种植技术等方面均有优势
　　控制化石能源消耗，减少温室气体排放、寻找可再生清洁能源已是全世界共识。对生物质能的研究，吸引大批科研人员目光。然而，第一代能源作物玉米、水稻、甘蔗、大豆等在给人类赢得替代能源希望的同时，也随之带来净能量产出少、与粮食作物争抢耕地等一系列负面效应。于是，寻找第二代能源作物成为生物质能领域重要课题，一种叫芒草的能源作物聚集了人们的目光……
　　第二代生物能源研发的"中国优势"
　　我国是芒草自然资源最为丰富的国家。近期，由中科院植物所、中科院武汉植物园、上海生命科学研究院等单位合作展开的新一代能源作物研究取得关键性突破。经过三年来的种植试验发现，原产我国的芒草具备丰富的遗传多样性，人工驯化后将对我国土地资源利用、能源格局产生革命性影响。然而，由于我国第二代能源作物研究处于起步阶段，在科研立项和转化研究方面存在体制机制矛盾，有关研究人员建议，国家应对第二代能源作物研究进行重点立项，加强产学研结合。
　　试验让科研人员惊喜
　　在全世界14个野生芒草种类中，中国拥有七个种，分布几乎贯穿了我国整个气候带，而且拥有生物质产量最高的四个种类，是芒草自然资源最为丰富的国家。
　　2008年，中科院植物所、上海生命科学研究院、中科院武汉植物园组成芒草研究小组，项目得到中科院知识创新工程重要方向项目的资助。当年秋天，启动了全国范围野生芒草收集工作。2009年，中科院武汉植物园研究员李建强等人把收集到的约100个芒草自然居群，分别种在了内蒙古锡林郭勒国家草原生态站、黄土高原上的甘肃省庆阳，另外一部分种在武汉作为对照。
　　"我们选了三个生物量最大而花期又大致相同的野生种，种植后的第二年开始就不浇水、不施肥，完全靠天吃饭。"李建强说，不知道芒草的生物性能和遗传特性在国内这几个地方有何表现，内心期待。
　　经过2009年、2010年两个生长季，李建强他们惊喜地发现，一部分芒草可以在寒冷的锡林郭勒生长，另外一些在较为干旱的庆阳则长势喜人，而且在甘肃庆阳的芒草生物质含量高过芒草的原生地武汉江夏地区。
　　李建强说，这说明芒草种类具有丰富的遗传变异和很强的适应性，可供培育耐冷、耐旱和耐贫瘠的高产能源作物。
　　这一结果让科研人员非常兴奋。经过多次分析总结，今年5月份，研究小组将研究成果在线发表于《全球变化生物学生物质能源》(GlobalChangeBiologyBioenergy)杂志上。同时，该杂志以"适者为芒"(MiscanthusAdapts)为题，对此成果进行了新闻发布，迅速受到国际上广泛关注，美国科学促进会新闻网站(AAASEureAlert)、欧洲科学新闻(AlphaGalileo)、每日科学(ScienceDaily)、细胞出版社新闻(CellPressNewsAggregator)、科学新闻在线(ScienceNewsline)等都进行了转载报道。
　　可"点绿"我国干旱半干旱地区
　　研究小组对我国黄土高原地区进行了考察，根据芒草在我国的产量，保守地进行了一个效益测算。
　　除开耕地以及不宜种植土地，黄土高原有43万平方公里可以用于种植芒草，根据甘肃庆阳试验基地的产量，保守估计以每公顷年产芒草干重11吨计算，总产量为五亿吨。这些产量如果全部转化成乙醇，大致相当于我国2010年消耗的汽油总量。
　　再进一步推算，如果在集中分布于中国北方和西北的贫瘠、退化土地上种植一亿公顷(100万平方公里)芒草，以平均每公顷干重10吨计算，总产量为10亿吨，可发电1458万亿千瓦时，减排二氧化碳16亿吨，相当于中国2007年总用电量的45%和二氧化碳总排放量的28%；用其中的一半作为原料转化出的乙醇，大致相当于我国2010年消耗的汽油。
　　中科院武汉植物园系统与进化植物学学科首席研究员李建强总结认为，对芒草作为第二代能源作物研发可以实现三大功能：
　　一是粮食安全。芒草可取代粮食、经济作物成为新一代能源作物，缓解粮食危机。
　　二是能源独立。我国有大面积的干旱、半干旱无法耕种的边际性土地，如果这部分土地能够作为生物能源的生产地，将改变能源依赖进口的格局。
　　三是生态保护。芒草极强的环境适应性可以改善干旱、半干旱非耕地的植被状况，同时保持水土和防止土地荒漠化。
　　"荒芜的干旱、半干旱地区，如果种上芒草，想象一下都很激动。绿了、亮了，老百姓还可以从中发家致富。"中科院植物研究所资源植物研发重点实验室主任桑涛对芒草也抱着巨大的希望。
　　进入人工驯化阶段
　　要使上述一切变为现实，对芒草的研究还有不短的路要走。桑涛说，目前的研究结果已经证明，芒草是我国最优的第二代能源作物选择，接下来要突破的是进行人工驯化。
　　所谓人工驯化就是将野生的作物种子通过人工选育、杂交等方式转变为可以人为育种、种植的作物。"完成芒草从野生植物到作物的转变就是人工驯化的目标"，桑涛说。
　　其实，人们对人工驯化并不陌生。桑涛告诉记者，我们吃的大米、小麦都是经过人工驯化得来的，始于大约一万年前的粮食作物驯化奠定了人类文明的基础。比如水稻就是野生稻经过人类逐渐移栽、选育、培育的漫长过程形成的。
　　据了解，根据研究小组的安排，接下来要完善芒草基因组学平台的建设。明年开始筛选出在干旱、贫瘠、退化土地和盐碱地上的高产芒草株系，开展杂交试验。2013年到2014年，对芒草的抗逆性和产量性状进行数量遗传学分析；通过模拟分析，评估芒草能源植物在我国的生产潜力以及大规模种植的环境生态效应。
　　作为植物驯化领域的专家，桑涛表示，根据现有的遗传基因技术，芒草的基础驯化只需要几年时间。据他介绍，今年研究小组在山东东营的盐碱地和甘肃环县更加干旱的地区进行了试验，选取30万个基因个体，从中挑出更加耐旱、耐寒、抗盐碱的种质资源，进行人工杂交和育种，然后做基因遗传学分析。
　　"这个过程不会很长，而且这件事情全世界目前都没有做过，因为欧美国家不是芒草原产地，没有种质资源。另外，欧美国家耕地众多，不需要驯化在干旱、贫瘠土地上生长的能源作物。但是他们最终也需要遗传多样性高的作物，这样很可能要依赖我们的驯化育种。"桑涛说。
　　资金和政策支持还要更"给力"
　　当前，我国正大力发展生物能源，但是因生物资源问题遭遇瓶颈，而对第二代能源作物研究起步较晚，在能源作物研究上也遇到一些体制上的制约。科研工作者们建议国家提高对第二代能源作物研究的重视，增加投入，扫除科研机制上和产学研上存在的一些障碍，加快芒草从研到产的进程。
　　中科院植物所、上海生命科学研究院、中科院武汉植物园组成的芒草研究小组认为，节能减排是我国经济发展方式转型的内在压力，而科学发展成为发展生物能源的内在动力。近年来我国生物能源的发展成就斐然。到2010年底，全国生物质直燃发电装机已达200万千瓦，以粮食为原料的生物燃料乙醇产量达到了180万吨。
　　2007年，国家制定了《可再生能源中长期发展规划》，提出的2020年生物质发电目标是3000万千瓦，生物燃料乙醇的发展目标是1000万吨。不过业界认为，这个目标实现有着客观困难。主要就是，企业纷纷上马生物发电项目，但是都遭遇了生物资源短缺的问题。这是由生物质资源的季节性、分散性与生物质发电的连续性、集中性的矛盾引起的。
　　专家认为，将芒草发展为我国专业的能源作物可以解决这一难题，实现生物质能规模化利用的途径是专业化和产业化，作为最优选择，芒草可以担此重任。
　　但是，当前芒草的研究也面临一些困局。
　　首先，国家目前虽然十分重视生物能源研发，但我国的生物能源究竟有多大潜力和前景还没有进行过科学评估。国内相关研究也比较薄弱和分散，科研资源尚未整合。
　　其次，由于我国能源作物的研究主要由植物研究机构承担，能源植物科研项目多由我国能源方面专家评审，他们大多是石油、煤炭等化石能源方面研究出身的专家，由于对能源植物了解不多，在科研项目立项评审过程中，不利于能源作物的立项和资金争取。
　　与美国对能源革命的高度重视相比，我国在能源产业特别是新能源产业方面的扶持和能源革命的推进方面显得相对滞后和力度不足。
　　桑涛告诉记者，实际上，对于第二代生物能源的研究，我国比美国等西方国家更加紧迫。我国每年有50%以上的石油依赖进口，而美国石油储备远高于我国，并且有着广阔的闲置耕地和轮休耕地，第一代生物能源生产技术成熟，而且粮食安全压力和耕地减少压力没有我国大。因此，我国更应该将第二代生物能源的研究提升至能源战略的高度，迎头追赶，方能占住先机。因为，我们有着西方国家无法比拟的种质资源优势。
　　桑涛呼吁，希望国家加大对第二代生物能源研究政策上和资金上的支持力度。
　　此外，目前芒草的研究处在人工驯化阶段，要加快从研到产的进程，还需要多学科合作、进行整个产业链的系统化研究。
　　研究小组认为，芒草不仅是能源作物，还是非常好的材料、涂料作物，建议国家有关部门整合科研资源，加强对芒草综合开发利用的重视和实际鼓励。
　　另外，我国目前生物能源研究的主要力量集中在植物能源转化方面，忽视了能源植物这一生物能源转化的物质基础研究。现阶段，我国生物能源研究人员缺乏，人才队伍建设与欧美相比之欧美差距还是很大。
　　针对以上问题，专家建议，国家有关部门能够加大对能源作物研究方面的投入，将生物能源提升到我国新时期可持续性发展的能源战略高度，争取早日实现芒草的人工驯化，为生物能源开发提供优质、专业化、持续不断的能源原料。
　　同时，对第二代能源作物从生物育种、种植推广、能源转化、生产机制和模式等进行系统科学研究和试验。"一条龙的研发可加快芒草实现其在粮食、能源、生态三方面的综合效益，最终使我国走在欧美前列，成为新一代能源作物的主产国和生物能源大国。"李建强说。
　　专家们还特别提出，目前我国拥有植物能源转化技术，但是不够优化和高效，建议投资建立芒草生物能源转化试验厂，从而整体推进我国生物能源研发和生产能力。
　　最后专家建议，国家应重点扶持我国生物能源相关专业的发展，培养生物、环境、能源跨学科综合人才。
　　芒草-能源作物新秀强势登场
　　化石能源日益紧缺，污染日趋严重，新能源的开发和利用成为世界各国面临的时代课题。在寻找替代化石能源和第一代能源作物的过程中，芒草渐渐进入研究人员的视野，成为第二代能源植物中的希望。
　　第一代能源作物与人抢地争粮
　　当今世界，再生能源发展迅速，风能、太阳能、地热、潮汐、水电和生物质能……都取得快速发展，其中生物质能主要指绿色作物通过光合作用而形成的有机体。生物质能是太阳能以化学能形式贮存在生物质中的能量形式，即以生物质为载体的能量。目前，我国农村常见的生物质能有秸秆、沼气等。
　　第一代能源作物主要是玉米、水稻、甘蔗、大豆、油菜等粮食和经济作物。这些植物大多为一年生，需年年耕地播种，大量灌溉施肥，投入的能量大，净能量产出却少得可怜。加上它们还与粮食作物争耕地，由此带来一系列负面效应。比如，人们为补充耕地而砍伐森林，结果降低了地球的碳储存能力，反而不利于解决温室效应。
　　美国等西方国家拥有大量闲置土地，因此他们发展第一代生物能源条件比较优越，已经形成规模。但是，对于拥有世界1/5人口的中国，耕地面积不及世界的1/10，用耕地生产第一代能源植物必然危及粮食安全和国家稳定。
　　芒草多种优势集于一身
　　为解决能源植物和粮食作物争地的矛盾，世界各国均在寻找合理的替代途径。早在上个世纪80年代，芒草中的巨芒草就进入了西方科学家的研究视野。西方科学家发现，作为第二代能源作物，巨芒草具有多种优势。
　　芒草能够在贫瘠的土地上生长，不会与粮食作物争耕地；它们光合效率高，可以更有效地把太阳能和二氧化碳转化储存起来；年产生物量大，能提供更多的生物质以转化为燃料。同时，芒草具有高效用水、用肥和光合作用的能力，并且一年播种可持续生产10到20年，投入低，净能量产出相当大。正是由于芒草具有不与粮食争耕地、产量高、减碳能力强、净能量大等多个优势，迅速成为能源作物研究中的新星。
　　与谷物类粮食作物一样，芒草在分类学上属于被子植物的禾本科。全世界共有约14个野生种，大多分布在亚洲，少量产于非洲，属碳四植物，具有高光饱和点、高光合速率和高光合生产效率生理特性，比碳三植物耗水少且光合效率高。
　　国际上研究最多的巨芒草，是一个起源于日本的不育三倍体杂交种，其父母本是原产于东亚(包括中国)的二倍体的芒和四倍体的荻。1935年巨芒草作为观赏植物传入丹麦，半个世纪后，作为能源作物的潜力替代品种首先在欧洲得到认可和测试。
　　芒草研究已经进入西方新能源战略
　　据中科院植物研究所资源植物研发重点实验室主任桑涛介绍，美国于2007年起建立了四个生物质能研究中心，动员美国几乎所有相关国家实验室和数十所研究型高校对第二代能源作物进行研究。在美国第二代能源植物开发计划中，柳枝稷、芒草、柳树、杨树均成为重点研究的对象。
　　美国国家能源顾问斯蒂芬·朗是对芒草研究较为深入的科学家之一。最近，他们的研究结果表明，在几乎不施肥的情况下，巨芒草的干生物质产量达到了平均每公顷30吨。如果对芒草品种进一步改良，使其在更广泛的地区种植并提高产量，理论上拿出美国6.2%的耕地面积就可以生产出1330亿升乙醇，可以取代美国2008年汽油使用量的20%，减少该年美国因使用石油所排放的二氧化碳量的30%。
　　美国学者萨莫维尔将美国生物能源战略提升至新世纪的"曼哈顿计划"。美国应对金融危机时，发起了一场能源革命。有观点认为，奥巴马主导的能源革命是以绿色经济为主推动新的经济革命，这场革命已经远远超出单纯的经济振兴计划，被广泛誉为"开启一场绿色革命"。
　　当前，美国力推的经济复兴计划核心即是能源产业的转型和发展，最终目标是通过能源改造、转型，使美国大幅减少对进口石油的依赖，较少依赖化石能源，进而实现国际秩序的重建，促使全球经济转型。具体来说，这将催生一个全新的产业，不仅为美国创造数百万个就业岗位，而且在新能源技术及其应用方面，也将取得重大的突破。未来，美国计划大量投资和开发绿色能源。
　　因此，美国对开发第二代能源作物寄予厚望。
　　英国巨芒草燃料试验领先于欧洲其他国家。据路透社消息，英国巨芒草种植规模急剧扩大，在过去五年里，收获量增长了十几倍，这将帮助英国更快更好地满足欧盟可再生能源目标。去年，英国启动了巨芒草能源计划。英国最大的火电站德拉克斯电站已经开始将煤和芒草混合发电。今年年初的英国粮食价格上涨，也未能改变英国这一计划。