淺談纖維類能源草的開發和利用

仰 勇，肖 亮，蔣建雄

（湖南農業大學生物科學技術學院，湖南 長沙 410128）

化石能源短缺和環境污染加劇是當今世界各國所面臨的嚴峻問題。據美國《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境和生態問題，極大地威脅著人類的生存和發展。因此，從可持續性發展的角度考慮，開發能源植物是解決全球未來能源和環境問題的必然趨勢。

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，并于1986年在加州成功種植了2.43 hm2能源植物（續隨子Capparisspinosa和綠玉樹Euphorbia tirucalli），取得了年產50 t石油的成果，開創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，實現產業化。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利用具有如下優點：①生長快，產量高，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”的能源發展目標；⑤安全；⑥多方面的生態效益和經濟效益。因此，種植纖維類能源草對于緩解能源壓力、保護環境和生態、促進我國經濟社會可持續發展等具有重要意義。

2 纖維類能源草國內外研究進展

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資源的探索和開發、品種改良、生態效益、能源轉化經濟效益等方面。Anderson等在研究蘆竹、象草和狗牙根（Cynodon spp.）的乙醇轉化效率中發現乙醇產量在品種間和品種內都具有顯著性變化，提出通過遺傳育種對原料進行改良以提高乙醇產量是可行的，同年還研究了能源禾草木質纖維素的結構和化學性質與乙醇轉化之間的關系； Moon等對轉基因等生物技術在能源草中的應用展開了分析和預測。

2.2 國內研究進展

我國纖維類能源草資源非常豐富，開發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資源的開發和轉化工藝的改良方面，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能效益和生態效益，是較為理想的能源植物。程序通過對能源牧草的調研和潛力分析后，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變化進行了研究，結果表明蘆竹的干重熱值與灰分含量有顯著的線性相關，五節芒（Miscanthusf l oridulus）、蘆葦的干重熱值與灰分含量呈極顯著的線性相關；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。李高揚等以生產燃料乙醇等清潔生物質能源為目標，提出了一套優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量高、熱值高、不污染環境、燃燒性能好等優點，在歐美國家常用于直接燃燒發電。據報道，2000年芒草的產電量已在歐盟15國中占其總產電量的9%，其中愛爾蘭最高，占總產電量的37%。

3.2 生產燃料乙醇

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

3.3 制造燃氣

理論上，纖維質（C6H12O6）完全燃燒時所需的空氣與燃料比值為6:1，最終產物為CO2和H2O。在高溫高壓氣化過程中，使纖維質不完全燃燒（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，纖維質也可以在厭氧細菌的發酵作用下分解產生沼氣（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，開發纖維類能源草作為現有能源的補充和替代品，一方面能逐步緩解能源危機，另一方面生產成本低廉，同時還具有多方面的生態效益，符合可持續發展的要求和趨勢。但我國用纖維類草類做能源起步較晚，研究力度和技術水平落后于歐美國家，因此應從本國國情出發，尋找適合我國的植物能源長期發展的道路。

4.1 加大種質資源的調查、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資源的調查、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，為優質、高產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，以便于產業化種植。

4.3 加強能源轉化工藝研究，提高纖維類能源草利用效率

如研發節能灶爐，降低在直接燃燒使用中的熱量損失；研究木質纖維素的結構、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化為燃料乙醇的效率。

4.4 實行國家、科研機構、企業及農戶有機結合

我國能源植物的研究及開發利用起步較晚，盡管在“十五”和“十一五”期間取得了可喜的成績，但離產業化發展還有一定距離，這就需要政府在產業化規劃中進行宏觀調控，充分發揮科研機構、企業和農戶各自的優勢，做到政府指導，科研攻關，企業和農戶發展相協調，將科研成果迅速轉化為生產力。

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