森林植物生命能源开发与利用研究综述

许恒勤，安立华，许 谭，李 艳

(1.东北林业大学，哈尔滨 150040;2.黑龙江省林业科学院，哈尔滨 150040)

生命能源一直是人类赖以生存的重要能源，是一种可再生的能源。但目前大多以传统的直接燃烧方式为居民提供生活用能，其特点是利用率低，浪费严重。现代的生命能源利用 (主要是生物质能源)是通过一系列先进的转换技术，生产出固态、液态和气态等高品位能源替代石化燃料，为人类生产、生活提供终端能源产品。生命能源的开发与利用对缓解能源危机、保护生态环境、实现人类社会的可持续发展具有非常重要的现实意义和长远意义。

1 生命能源研究现状

人类的发展与其它生命密切相关。人类对于马的驯服，以每小时60 km的速度，使其活动的空间扩大到900～1 000 km2。这对于自身的文化和贸易交流，不同种群、族群的融合，时间和空间的交换更快，从而加速了人类的文明与进步。牛耕技术始于何时，范文澜《中国通史》、郭沫若《中国史稿》认为牛耕始于商代，甲骨文中的犁字即有牛的雏形。有文字可考的牛驯服历史可以追溯到2000多年以前。有史考据的是相传5000年前的黄帝时期牛已被驯服，并使用于畜力，但考古发现尚未得到有力支持。人类驯服马的历史相传6000年以上，可见牛马对于人类的文明发展具有相当重要的作用。当然不只是牛和马，还有驴、骡、猪、羊、鸡、鸭、鹅、狗和猫等。这里要说的是作为家畜、家禽的动物与人类的文明是不可分割的。马的奔跑速度是其生命能源的应用。马车拉客或拉货，既是对速度的利用也是对其力的应用。牛也是同样。也就是说，动物能源的利用具有悠久的历史，无论是战争还是运输，都起到了巨大的作用。

科学技术的发展，特别是近百年来的突飞猛进，牛马之类的动物能源应用快速萎缩。各种交通运输工具，无论是速度还是载量都远远超过了牛和马的能力。载量几万吨、几十万吨的船舶，时速从50 km到500 km的火车，各种吨位的汽车以及航空航天装备，为人类历史的发展开创了先河。

然而各种运输工具使用的能源大多对环境有污染，无论是石油、煤炭，还是天然气，释放能量的过程中会有大量的碳排放。我国每年发电3万亿度，按80%为火电计算，2.4万亿度电耗煤占全国煤炭消费总量的50%。到2010年，中国汽车保有量达到5500万辆，平均按每辆车日耗油4 L计，全国日耗油2.2亿L。按1°电排放0.997 kg CO2，0.272 kg C，1 L汽油排放2.3 kg CO2，0.627 kgC计算，这两项年排放分别为CO27.45亿kg和654/亿kgC，可见碳排放大户首先是发电，汽车排放数量也很可观，特别是2009年汽车销售超过1300万辆，2010年会远远超过2009年，其它还有船舶航空等［1］，由此可见碳排放关系到新能源的开发利用。

2 生命能源的含义及其开发利用

2.1 生命能源的含义

石油、煤炭、天然气能源，通过考证均为生命能源。在一定地下深度，动植物的尸体经过成千上万年的物理化学反应后形成石油，水中浮游的动、植物或称腐泥型有机质生成天然气，除此以外还有高等植物或腐植型有机质。而煤炭则主要是由树木经过数千万年的物理变化和化学变化而形成的。可见，现在利用的能源绝大部分是生命能源或生命延续产生的能源，这里称为生命遗留能源［2］。

生命能源具有繁衍、孕育、呼吸、成长、发育及衰弱死亡的特征。在整个生产过程中离不开水、空气和阳光等抚育和滋润。死亡后如果条件适宜又会产生新的生命延续能源。而水、阳光和空气的合理利用，又给生命带来了新的能源，如水力发电、太阳能发电和风力发电等。

生命能源主要分为动物生命能源和植物生命能源两类。动物生命能源又可以分为鲜活生命能源和遗留生命能源。而正在生长发育的生命能源可以称为鲜活生命能源。植物生命能源可分为鲜活植物生命能源和遗留植物生命能源。遗留植物生命能源又分为远期遗留植物生命能源和近期遗留植物生命能源。遗留动物生命能源也应该分成远期和近期两种。远期遗留动物生命能源和远期遗留植物生命能源可以理解为石油、煤炭和天然气等;近期遗留动物生命能源和近期遗留植物生命能源可以理解为动物骨骼、木乃伊和干燥的植物根茎叶等［2］。当然，也可以有第三种生命能源，如微生物生命能源，但这里不是主要研究内容。这样，遗留生命能源的利用会产生碳排放，对环境和生态产生不利影响，如全球气候变暖等。而鲜活生命能源的开发利用，产生的碳排放可大大降低。鲜活动物生命能源的利用已有数千年的历史，但多为初级或较简单的利用。而近期遗留植物生命能源的利用数量不多，质量很低。如某些针叶乔木、绿叶及枝干即可生火取暖烧饭，如能采取某些先进或科学的方法或手段进行鲜活植物生命能源的利用，碳排放有可能降低到零，这是对环境、对生态、对人类的巨大贡献。比如最近研究的热门就是绿藻的培育和提纯。绿藻生成石油的比率可达50%，是一种很有价值的低等能源植物。

2.2 生命能源的开发利用

这里强调的是下述植物生命能源的开发与利用。

(1)种子发芽的力测试。种子发芽是种子生命的巨大渴望，这种力有多大，草本植物、木本植物是否有区别，区别多大、低等植物和高等植物是否有区别、区别多大，相关资料几乎没有涉及。有一些种子外壳坚硬，如核桃和松籽等，用工具砸开都要用很大的力，但其籽仁很小，一旦温度、湿度适宜即可穿破坚壳，可见其力的大小大有必要测试。知道了种子发芽产生的力的大小以及变化规律，就有可能利用种子发芽这一功能，为人类文明、进步服务。种子发芽力的测试涉及到种子发芽的条件、种子的选定、种子力测试装置的设计、不同种子不同时间不同力的测量记录分析计算等，一套完整的测试系统需要规划设计。

(2)乔木生长阶段径级增加产生的力的测定。速生丰产树种如梧桐、毛白杨及非洲黑杨等，生长速度快，据相关资料记载［3］，6年生毛白杨及非洲黑杨等胸径可达30 cm，10年可达40 cm［4］，当然这些树种的生长需要相关的立地条件，如长江或黄河中下游，温湿度及地位级合适等［8－11］。对于一些优势树种，生长成熟年限可能很长，也就是说生长缓慢，但无论生长快慢，直径方向的增加都会产生力的变化，这个力有多大，不同树种、不同树龄、不同地域有哪些区别，相同树种、不同高度，径级增大产生的力的变化是否有区别，区别有多大，这些都是未知的问题。一旦这些力的大小测定结果明确，即可以考虑如何利用。比如沿着公路栽种某些树种，以其直径增长变化发生的动能进行发电，那么路边的绿化就有可能成为路灯的电光源。一片森林靠其林木生长直径变化进行发电，完全有可能实现。

(3)木材变形涨缩力的测定。原木、板方材在不同温度、湿度的作用下，由于干燥速度的不均匀，会产生不均匀的涨缩［5，6］，从表象上看是木材的劈烈或涨大，这种涨缩的力有多大，树种不同、材种不同、光照不同、温湿度变化不同，膨胀的力是如何变化的，这方面的有关资料很难查到。如能得到这些力的变化规律，经过充分利用，无疑得到的是清洁能源。如在我国南方某些地区，水量充足，气温偏高，能够利用木材干湿的变化产生的力做功，完全有可能得到碳排放很低的能源。

生命能源的利用取得了大量的应用成果。如利用人们穿着的鞋来发电，平均一双鞋可以发出20 W的能量［7］，这也是一种低碳排放的装备。现今比较热门的生物质能源开发利用，主要是利用作物秸杆、根叶或树木的剩余物如树叶、树根，或采伐、造材和制材剩余物进行发电、制沼、饲料和保温墙体等，实际上都属于生命能源的利用。

3 结论

可持续发展的循环经济要求尽可能低的碳排放。生命能源的利用和开发必将得到迅速发展。只有这样，才能对环境、对生态、对人类社会有所贡献。

［1］http://zhidao.baidu.com/question/145252142.html.

［2］Wok K，Nam H L，Pang S S，et al.Free vibration of polar orthotropic circular plates with elastic growth stresses and drying stresses［J］.Applied Acoustics，2008，69(11):985 －993.

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［4］关明星，李静辉，方广盛.非均质正交各向异性树干中的生长应力分析 ［J］.东北林业大学学报，1993，21(6):50－55.

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［6］Okuyama T，Sasaki Y，Kikata Y，at el.The seasonal change in growth stress in the tree trunk.Mokuzai Gakkaishi，1981，27(5):350－355.

［7］http://wxb.newssc.org/html/2008 －11/18/conten t331374.htm.

［8］李静辉，关明星.树木生长应力与测试分析 (Ⅱ) －非均质各向异性体 ［J］.东北林业大学学报，1994，22(1):86－91.

［9］王忠林，何普林，刘晓丽，等.我国桉树人工林生长应力的研究进展 ［J］.桉树科技，2005，2(1):37－41.

［10］张文标，李文珠，阮锡根.树木的生长应力［J］.世界林业研究，2001，14(3):29－34.

［11］张厚江.城市树木生长质量的检测 ［J］.林业科学，2005，41(6):198－200.