非粮生物质能源植物“油莎豆”的产业化前景及对策

2011-10-18黄春荣梁文章孙祖东

大众科技 2011年5期

黄春荣梁文章孙祖东

（1.中国科技开发院广西分院，广西南宁 530022；2.广西桂邦生物质能源有限责任公司，广西南宁 530001；3.广西农业科学院经济作物研究所，广西南宁 530001）

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油莎豆是一种莎草科多年生草本油料植物，全生育期110～130天，年可种两季，具有抗逆性强、耐贫瘠、耐盐碱、病虫害少、喜阳光、容易裁培管理、不与粮争地、可规模推广种植等特点。油莎豆块茎产量高且富含油脂、淀粉和糖，是目前发现的最理想的非粮生物质能源植物之一，除可加工成生物柴油外，还可制成乙醇，产业化前景非常广阔。

非粮生物质能源；油莎豆；生物柴油；性状；盐碱地；采收机械；产业化开发；策略

今天，全世界每年能源消费是13太拉瓦（13万亿瓦），其中85%的能源来自于矿物燃料。据专家估计，到2050年，全球能源需求将达到43太拉瓦。因油价上涨，我们的社会将必须利用所有的替代性能源，才能防止文明白崩溃。生物柴油是一种重要的可再生能源。我国早在“八五”期间就已研发出生物柴油技术，并对小桐子、光皮树、油桐等油料植物作为能源植物利用进行了相关试验，研制出了以菜籽油、豆油等为原料生产生物柴油的工艺。目前，欧洲国家如德国、意大利、丹麦、捷克和奥地利等国主要以菜籽油为原料生产生物柴油；美国是以豆油为原料生产生物柴油的最大国家。尽管我国大量生产大豆和油菜籽，但食用油需求量较大，生物柴油原料严重不足。国务院于2006年12月发令，明令禁止用油菜子、花生、大豆、葵花子等食用油生产生物燃油，2007年6月9日又发布通知明令禁止发展粮食乙醇生物燃料项目，在建项目立即叫停。因此，寻找繁殖力强、生长周期短、生物量大、产油量高和对环境适应性强的非食用油料作物作为生产生物柴油的原料就成为植物育种、可再生能源等领域一个急需解决的战略性问题。

油莎豆抗逆性强，对土壤条件要求不严，不与大豆、花生、油菜等草本油料作物及水稻、玉米等主粮食作物争地，是理想的生物质能源原料。中华人民共和国国家标准:粮食、油料及其加工产品的名词术语 GB8869-88中第 2.11条介绍“油莎豆 cyperus esculentus 亦称“油莎草”、“地下扁桃”。莎草科草本植物栽培油莎豆的长圆形地下块茎。含油约20%～30%。”我国油莎豆于1952年由中科院植物所北京植物园从苏联引种，1960年又从保加利亚引种。广泛分布于广东、黑龙江和新疆等地，作为一年生油料作物栽培，全生育期110～130天，3月初至7月均可播种。现已在北京、甘肃、广西、江西、四川、山东等20多个省市自治区种植。广西种植油莎豆的时间也较早，1975年原广西植物研究所邓立杰等三人组成的科研小组，在灵川县大面大队的五个生产队进行了40亩油莎豆丰产栽培试验获得成功，亩产由原来的200斤提高到700斤（干重），至1977年仅灵川县油莎豆种植面积就达7000多亩，当年该县外调的油莎豆种子50多万斤（见广西日报1978年1月30日第二版）。此后，油莎豆的命运与国内其它地区一样，都因缺少产品深加工导致原料收购价低而停止种植。时隔30年后，2007年广西桂邦生物能源有限公司从湖南引种试种油莎豆 15亩获得成功，最低亩产达到 602kg，最高亩产达到1050kg，平均亩产789kg。因此，广西如能规模化推广油莎豆为非粮生物质能源原料植物，将推动广西非粮生物质能源的快速发展。

（一）植物学性状

在我国，除北部寒冷地区外均能生长油莎豆，但在我国的气候条件下，一般不开花或开花不结果，以块茎繁殖为主。其植物学性状如下：

1.生长周期短，生物量大。当气温稳定在10～12℃时即可播种油莎豆。在广西，从2月中旬到7月均可播种，年可种两季，春播夏收，夏播秋收。因此，油莎豆比光皮树、油桐、小桐子、黄连木等木本油料植物优越。光皮树种子发芽率低，实生苗造林需6～8 年开花结实，嫁接苗造林需2～3 年方结果；油桐不耐荒芜，如不加管理则林内杂草丛生，影响树体生长，甚至导致全树死亡；黄连木生长较慢，人工栽培10～12年结果；小桐子在 3年内可长成3m高的植株，种子繁殖植株3～4 年结果，扦插繁殖植株1年左右结果。

2.繁殖力强，耐肥性强，适应性广。油莎豆性喜温湿气候，耐旱、耐涝、耐贫瘠、抗干旱、耐盐碱，在沙质土、白浆土、盐碱地、黑土及荒地山坡等低、中、高肥力土地上均可种植，最适宜沙壤土。如土壤肥力中等，施足基肥，一般不需追肥，播种时用家肥和复合肥拌合做基肥；如肥力一般或较差，可追施尿素一次即可。中国农科院油料所在湖北、河南、安徽等三地的荒山、滩涂等地试验种植表明，油莎豆含油量高达20%以上，亩产四五百公斤，亩产油量均大于大豆、油菜等大田油料作物。

3.病虫害少，可粗放管理。油莎豆以块茎无性繁殖，因其块茎营养丰富，芽眼多，只要温湿度适宜均能萌发出土，保苗容易，生长势强。生长期内基本无病害，偶有危害茎叶的螟虫、危害块茎的黄丝蚁、危害地下根的蛴螬，用茶枯或农药防治即可。成熟期散发香味，注意田间观察及时收获即可避免鼠害。生长的前中期田间管理主要是松土及除草，以疏松土壤，提高地温，铲除杂草，促进分蘖。中后期当地上茎叶覆盖整个地表时就不需锄草。但需刈割地上茎叶2～3次，每次刈割后要再拔除杂草。

4.可套种其它作物，充分利用土地资源。油莎豆地上茎叶含灰分10.9%、无氨浸出物7.86%，茎叶肥地增强地力。油莎豆地下须根较多，可肥地改土，在幼林果园套种，可疏松土壤、抗旱保墒，抑制杂草、提高果树成活率、防止水土流失，生态效益良好。

5.地上茎叶丰富，再生力强。油莎豆地上茎叶再生能力强，经广西桂邦能源有限公司试种试验，如任由地上茎叶长生，最高可长到130cm。为促进分蘖，每季需刈割地上茎叶两次，第一次刈割后25天左右即长高达60cm。两次刈割可得鲜草3500kg/亩。

6.品种分大粒和小粒两种。小粒油莎豆含油较高，一般为25%～35%，块茎有园、卵、椭园、棒、新月形等形，长1.0～2.7cm、宽0.6～1.2cm，褐色、具节和鳞片、芽端鳞片细密，块茎表面有短线形不定根。大粒油莎豆块茎较大、但含油较低（比小粒型低 5%～15%），形状如小粒油莎豆、褐色、长1.3～3.6cm、宽 0.9～1.7cm。

（二）经济价值性状

1.生物质能高。由于各地的土质、气候、管理等条件的差异，油莎豆果实成份含量不尽相同。一般情况下，干油莎豆含脂肪20～32%（有的达36%）、淀粉25～45%、糖分15～20%。此外还有维生素A和微量元素，以及纤维素等。可见，油莎豆不但含油率高，而且淀粉和糖的含量也高，可加工成生物柴油和乙醇，生物质能丰富。

表1 油莎豆的生物组成

2.产量大。油莎豆平均株产 50～250个块茎，但块茎重2～2.6g，每千克约有2000～2600个块茎，产量一般为800kg/亩，丰产的可达 1200kg/亩，产油 200kg/亩，其产量为油料作物中最高，被称为“油料作物之王”。而小桐子亩产干果650kg，亩产油约180kg，光皮树亩年产干果50～150kg。

3.出油率高。油莎豆出油率为32.5%～38.7%，是花生的2倍、油菜籽的4倍。而光皮树出油率为25%～30%，黄连木种子出油率为22%～30%。因此，只要扩大油莎豆的种植规模，就可以发挥其作为主要能源油料植物开发的巨大潜力。

4.综合利用价值高

（1）鲜草可做饲料。油莎豆分蘖多，无茎秆、叶细长，叶片平均长67cm，宽0.5cm，亩产鲜草3000kg，茎叶营养丰富，可直接或打浆后饲喂食草动物；干草可打成粉状调配混合饲料，饲养家禽。一亩油莎豆可满足2头牛或10只羊或100只兔或500尾鱼的青饲料。

表2 油莎豆茎叶（干基）成份检验结果

（2）饼粕用途广。油莎豆榨油后的饼粕含淀粉、糖等营养物质。经一定的理化和生物手段可提取其中的淀粉、糖等物质作食品加工原料使用。淀粉经化学变性后，其衍生物有数百种，普遍用于各行业。油莎豆饼提取淀粉熬糖，出糖率20%～30%。油莎豆饼或糖渣可用来酿酒，出酒率32%。油莎豆淀粉含量高，经羧甲基化后能较好地改善黏度性质，使油莎豆羧甲基淀粉糊具有很好的冻融稳定性，可替代价格较高的果胶、卡拉胶等胶凝剂，广泛应用于果冻及冷饮食品中。

（三）生物质性能

1.可制备生物柴油。目前，中国农科院油料所已对 150余种草本和藤本油料植物的能源利用潜力进行了综合评价，筛选确定油莎豆、续随子等是发展生物柴油的理想原料。

生物柴油主要由C、H、O 三种元素组成，其主成分是软脂酸、硬脂酸、油酸、亚油酸等长链饱和或不饱和脂肪酸同甲醇或乙醇等醇类物质所形成的酯类化合物的混合物。油莎豆油脂的不饱和脂肪酸成分占83.6%，其中油酸71.6%，亚油酸11.2%，所含脂肪酸成分明显优于菜籽油，可用于制备生物柴油。

在江苏首届可再生能源展上，油莎豆与海滨锦葵、籽粒苋等高产含油耐盐碱物种，经南京大学科研人员十多年的研究，首次被加工成新型可再生能源——生物柴油。2004年湖南天然生物能源有限公司正式引种油莎豆，作为润滑油和生物柴油生产原料进行开发。此外，何元漳测定了油莎豆的粘度、密度、热值、碘值等参数，并与大豆油、油菜籽和2#柴油的相关参数进行对照。结果表明，油莎豆油的高粘度使其不能直接在柴油机上应用，但它可与大豆油和菜籽油一样混合一定的柴油制备生物柴油。研究表明，油莎豆油和柴油以50∶50（体积比）或75∶25（体积比）的比例混合能产出比传统燃料更高的十六烷值和更好的发动机性能。油莎豆油粘度比较高，在柴油中掺合适量油莎豆油能改善发动机的润滑性能，有利于减轻机件的磨损。

表3 油莎豆油与其它油类的性能参数

2.可替代性。生物柴油在冷凝、闪点、燃烧功效、含硫量、含氧量、芳香烃含量、燃烧耗氧量、对水源的危害以及生物可降解性方面优于石化柴油，而其他指标与石化柴油相当。卢碧林等将制备的油莎豆生物柴油进行蒸馏后检测的主要性能见表4。

表4 油莎豆生物柴油和石化柴油的性能比较

可见，采用油莎豆油生产的生物柴油，其主要性能指标达到或超过石化柴油的相应性能指标，不含硫，更具环保性，是理想的石化柴油的可再生替代燃料。

（四）油莎豆产业化开发策略

1.进一步评估广西的可利用土地资源，开展能源植物适应性种植研究

实践表明，油莎豆和麻疯树、元宝枫、黄连木、文冠果、油桐等生物能源树在“四荒地”（荒山、荒坡、荒沟、荒滩）间种较为有益。首先，油莎豆具有较强的耐寒冷、耐瘠薄、耐盐碱、耐旱涝、易种好管，且能有效的利用荒漠化土地，这是它的共同特性。其次，在“四荒地”上种植能源树从栽植到进入盛果期需要 6~8年，在此期间与油莎豆间作套种，既不影响幼树生长，又可收到油莎豆果实。随着能源树苗逐年长大，油莎豆不换茬会逐年减产，但地上盛草部分每亩可收获2000kg，可作牧草也可作肥料用，即使不收果实，仅地上鲜草收入也是很可观的。退一步讲，就是油莎豆草全烂到地里，也是能源树木极好的有机肥料。如果采集油莎豆地下果实，则对能源树林起到中耕松土的作用。

目前，广西未利用土地面积为451.84万公顷，其中可用来种植各种油料植物的土地面积达 233.08公顷，折合 3496万亩，按利用50%来种植油料植物，6年后每亩可产出150kg生物柴油，总产量可达 260万吨。如能对未利用土地进行分类评估，选择可套种油莎豆的土地种植木本或其它油料作物，不用等到六年后，就可达到适当的生物柴油产量规模。

2.实施“公司带动,合作社担保”的产业化战略

即以公司为龙头，按公司的要求组织生产。在适宜种植油莎豆的农村经联社有意识地组织成立“油莎豆种植合作社”，并与公司签订“保底收购合约”，解决农户分散种植、抗风险能力弱、产销易脱节、技术培训不到位、信用社不敢贷款等瓶颈问题，公司通过合作社引入优良种子和先进技术、信用社在公司和合作社的联合担保下给农户发出放贷款，促进农户生产积极性，大力发展油莎豆种植。

3.加强高产优质栽培技术的研究

油莎豆含油量高、块茎产量高、出油量大。但在不同种植条件下，含油量和产量均有变化。通过植物育种人员对现有油莎豆的资源进行种质改良工作，利用远缘杂交、外源基因导人和多倍体诱变等手段培育高蓄能品种，使其块茎不仅高产而且高含油量，并进行基地化、规范化产业种植示范，制订出整套适合广西的高产优质栽培技术。

4.研制油莎豆的播种机械和采收机械

虽然，油莎豆被称为“生物能源之王”，但是，目前只能通过人工播种和采收，特别是其采收成本已占到油莎豆销售价格的40%以上，严重地影响了广大农民种植油莎豆的经济效益。所以，有关科研院所的科研人员应从生产实际出发，尽快研制出适应南方土地特点的油莎豆点种机及采收机械。实现油莎豆播种、收获机械化，提高劳动生产率，降低劳动强度，这对发展油莎豆产业有着及其重要和深远的意义，它标志着油莎豆能否大量地被使用在生物能源中的关键因素之一。

5.油莎豆产业化开发技术路线图

油莎豆可谓全身都是宝。经过几年的实践研究，我们认为，要实现产业化开发，带动农民致富，关键是要科学地整合油莎豆的产业链，只有加强综合开发利用，提高油莎豆综合效益，才能激发广大农民种植油莎豆的积极性，才能发挥其应有的作用。油莎豆产业化开发的技术路线如下图：