從美國能源牧草發展得到的啟示

王 粟，裴占江，史風梅，高亞冰，鐘 鵬，劉 杰(黑龍江省農業科學院農村能源研究所，黑龍江哈爾濱150086)

“能源牧草”概念的提出意在強調牧草可作為生物能源原料，同時將能源牧草定位為一種“多功效、多用途作物”［1］。牧草是一種易獲得、生產力高、儲量豐富的木質纖維素生物質，作為轉化燃料乙醇的原料潛力巨大［2］。

種植能源牧草短時間內能夠獲得最大產量，隨后每年都產生可觀收益，在無需求時可非常靈活地調整或停止生產。尤其是可以生長在荒灘、鹽堿地等邊際生境，可以控制土壤侵蝕，提高生物多樣性，具有良好的環境效應［3－4］。與木本植物相比，牧草更便于管理，利用其生產生物能源比天然牧場或耕種作物的傳統土地利用方式更具有提升生態價值的意義。

作為生產生物燃料原料，能源牧草研究和開發一直得到美國政府的高度重視，其研究水平也一直處于世界領先地位，而我國在能源牧草的研究與開發起步較晚，與美國存在諸多的不足和差距。筆者通過對美國能源牧草戰略地位、前沿技術、研究體系、生產現狀調查，分析了我國能源牧草研究和開發差距和潛力，提出了我國能源牧草學科發展的具體建議，以期為我國能源牧草今后的發展提供理論參考。

1 美國能源牧草的發展現狀

1.1 能源牧草在美國的戰略地位 美國是生物質燃料生產和使用的引領者。2011年，美國生產了5.0×1010L燃料乙醇，占世界總生產量的一半以上。2012年，美國能源部發布的《2012能源展望》報告指出，到2035年生物質能源產量將由2010年的40.5萬桶增加到2035年的96.8萬桶，增量超過100%，液體生物質燃料在燃料總消費中所占的比例從2010年的1%上升至4%［5］。

美國通過立法、制定路線圖及研發計劃和項目布局，對能源植物研究進行了周密部署。在法律層面先后出臺了《生物質研究法》、《能源獨立與安全法》等，將能源植物研究納入了管理體系并部署了投資方案［6－7］。在這些法案的指導下美國能源部和農業部為主獨立或聯合發布了多個路線圖，制定了能源植物研究目標和研究重點并通過各法案的資助布設了許多能源植物研究項目，開展能源植物基礎和可持續性研究。

1.2 美國能源牧草研究進展 美國在生物質生產燃料的生物能源計劃中確定了生產纖維素類物質潛力大的34種草本植物和125種木本植物［8］。在多年生草本木質纖維素作物中，研究最多的是禾本科根莖類植物，其中柳枝稷、草蘆、蘆竹等是較為理想的能源牧草［9］。

柳枝稷(Panicum virgatum)的研究和利用現狀反映了美國能源牧草研究的最新成就。20世紀90年代，美國能源部就開始嘗試將柳枝稷作為生物能源作物進行研究，并將其確定為研究能源牧草的模式植物［10－11］。與傳統壟作物相比，柳枝稷不需要年年種植，成本低，且生長迅速，生產力高，根系發達，耐瘠薄、洪澇和干旱，與現有傳統農業和畜牧業競爭很小。作為能源牧草，其細胞壁可被消化為糖類并隨之發酵生產燃料乙醇，產量約500 L/hm2。

通過基因工程手段進行細胞壁設計制取生物燃料是當前能源牧草研究的最新技術。植物中的木質素結構阻礙了纖維素的轉化，導致轉化為液體燃料的成本大幅度增加，成本為玉米乙醇的2～3倍。美國的科學家已經設計出木質素更容易降解的植物。轉化后的木質素在弱堿性環境下很容易被降解，且被修飾過的植物做飼料時更容易被消化，有利于節約糧食類飼料。細胞壁設計已成為能源牧草研究的熱門領域并顯示出良好的發展潛力［12－14］。

與種植糧食作物不同，種植能源牧草的目的是獲取較高的纖維素(多糖)產量，功能基因組學研究已經在纖維素、半纖維素合成方面取得了突破性進展。今后研究方向包括:①集中在細胞壁多糖合成過程和含量增加的基因設計上;②增加整體的生物質產量，主要包括植物生長調控機理、碳源調控、養分利用等方面。

1.3 美國能源牧草的主要研究機構 能源牧草的研究一直被納入美國國家層面研究體系，由政府直接管理和扶持。美國環境署、能源部和農業部3個部門為相關研究機構提供政策和資金保障，引領行業發展。

1.3.1 美國國家植物資源系統(The National Plant Germplasm System，NPGS)。美國國家植物資源系統是保存、收集、整理和評價品種資源的重要機構。柳枝稷作為重要的能源植物，其種質保存在喬治亞格里芬植物遺傳資源保存中心，收集了來自全美21個州的181份資源。

1.3.2 美國能源部所屬研究中心。作為制定國家能源戰略的機構，在生物燃料方面設置了三大研究中心，包括幾十所大學和研究機構。作為研發資金的資助者，既保證了充足的研究經費，又有利于研究方向和國家戰略需求統一。

(1)生物能源科學中心(The BioEnergy Science Center，BESC)。該中心以柳枝稷和楊樹為目標植物，通過分子生物學手段設計細胞壁快速降解的植物品種以及生物質轉化過程中的結構和成分限制因子，開發新的轉化工藝和復合酶系，提高轉化生物燃料的效率。

(2)大湖生物能源研究中心(The Great Lakes Bioenergy Research Center，GLBRC)。主要研究包括農業廢棄物、木片和能源牧草等原料轉化為液體生物燃料，此外該中心還與農業研究機構合作開發經濟上可行、環境友好的生物能源生產技術。

(3)聯合生物能源研究所(The Joint BioEnergy Institute，JBI)。在對纖維素基因和酶水平充分理解的基礎上，開發了發酵糖容易降解的專門能源植物以及新型預處理溶劑有效地將生物質降解為多糖，同時分離木質素。

1.3.3 私營公司。

(1)克瑞斯公司。該公司掌控了1 000多個影響植物生物質相關基因，并已形成了世界上最大的能源作物試驗示范網絡，主要銷售柳枝稷、甜高粱、芒草和高生物質甘蔗能源作物種子。同時，開發了用于生產纖維素生物燃料的定制植物變種和酶混合劑。

(2)Metabolix公司。主要從事生物基再生塑料、生物電池、生物精煉技術研究與開發。該公司利用柳枝稷的葉片生產了“數量巨大”的生物塑料產品——聚羥基脂肪酸酯(PHA)，形成了一套通過混合許多天然關系緊密的物質的基因生產塑料的程序。

2 我國能源牧草發展的現狀

在我國，主要是以玉米為原料，同時正積極開發甜高粱、薯類、秸稈等其他原料生產乙醇［15－17］。纖維素類原料主要是作物秸稈和廢木材等，對能源牧草研究較少。隨著《中華人民共和國可再生能源法》、《可再生能源產業發展指導目錄》、《可再生能源發展“十一五”規劃》等政策法規的陸續出臺，我國能源牧草的研究也得到了快速發展［18］。李建龍教授開展了利用草本蘆竹生產燃料乙醇的研究［19］;徐寧等利用芒草為材料，分析了細胞壁成分變化及其影響［20］;王曉娟等利用柳枝稷探索了制備燃料乙醇預處理新技術，100 g柳枝稷可獲得12 g燃料乙醇［21］;另外，許多機構也針對不同的地域條件對能源牧草的種植與開發進行了評估［22－24］。然而，與美國相比，我國能源牧草研究起步晚，發展相對滯后，主要存在以下方面差距和不足:①國家政策支持和資金投入方面。以能源牧草為主要原料生產生物質液體燃料一直是美國實施能源戰略的重要舉措。美國學者薩莫維爾甚至將美國生物能源戰略提升至新世紀的“曼哈頓計劃”。最近，美國農業部、能源部與美國海軍合作，計劃在未來3年中共同投資5.1億美元研發先進的生物燃料。但是，我國在此方面政策和資金投入均存在較大差異。②研究體系和架構方面。美國在國家層面由能源部、農業部和環境署牽頭，幾乎整合了全美所有生物質能源學科相關優勢科研資源，分工合作，開展系統研究，科研體系完備。這不僅最大限度地提升了科研效率，同時從體制上避免了科研設施和人才資源浪費。與美國相比，盡管我國也成立了生物質液體燃料產業技術創新聯盟，但研究體系無論是規模上還是組織化程度都相去甚遠。③能源牧草學科建設方面。我國目前生物能源研究的主要力量集中在植物能源轉化方面，忽視了能源植物這一生物能源轉化的物質基礎研究。現階段，我國生物能源研究人員缺乏，人才隊伍建設與歐美相比差距還是很大。

3 我國能源牧草發展的對策

我國幅員遼闊，地域跨度大，能源牧草種類豐富，而且能源牧草適應性強。我國南方約有0.2×108hm2荒山荒坡，北方有1×108hm2鹽堿地，利用荒山荒坡和鹽堿地、荒灘、沙地種植能源牧草既能充分利用邊際土地，又可提供大量的生產原料，改善生態環境、增加農民收入。柳枝稷在我國大部分地區均適合生長，在水土流失嚴重的黃土高原地區還能夠顯著改變當地的生態環境。在我國，能源牧草蘊藏著巨大的發展潛力。為此，應明確未來的方向，以加快我國能源牧草發展的步伐。

3.1 因地制宜的制定能源牧草發展戰略 我國幅員遼闊，能源牧草資源豐富，應因地制宜的對不同區域進行分析評價，結合“三農”、“三牧”以及環境等問題，制定合理有效的開發途徑和技術方法，加強政策引導和資金扶持，最大效能地發揮能源牧草在農業、牧業、能源建設和環境保護功能。

3.2 科研團隊的建設，提升研究水平 借鑒美國能源牧草研究的科研體系，整合科研資源，分工合作，開展系統研究，避免科研設施和人才的浪費，提高科研效率。在研究中，注重夯實科研基礎，科學發展。加強對能源牧草的抗性研究，培育優質、高產、高效、多用途的能源牧草新品種，改進能源牧草的抗寒、抗旱和耐鹽堿能力，提高其對環境的適應性。

3.3 加強對外交流與合作 美國、歐洲等國家的能源牧草研究起步早、發展快，組織化、產業化程度高。因此，應加強與先進國家的交流與合作，可以有針對性地選派國內高水平大學及研究機構的學生、科研人員通過留學、學術訪問等方式建立合作關系。同時，吸引美國生物質能領域高層次人才回國或來華創新、創業。

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