浅谈纤维类能源草的开发和利用

仰 勇，肖 亮，蒋建雄

（湖南农业大学生物科学技术学院，湖南 长沙 410128）

化石能源短缺和环境污染加剧是当今世界各国所面临的严峻问题。据美国《Oil and Gas Journal》2008年12月报道：截至2008年，全球石油总探明储量为1 838.64×108吨，新探增量仅占0.8%，按目前全球年开采量36×108吨计算，约60年内将耗竭；中国已探明石油储量为21.92×108吨，仅供开采11年。此外，化石能源为不可再生能源，不仅储量有限，而且在燃烧过程中大量释放CO2，SOx，NOx等有害气体，严重污染环境，导致温室效应、酸雨、生物多样性下降和土壤荒漠化等多方面环境和生态问题，极大地威胁着人类的生存和发展。因此，从可持续性发展的角度考虑，开发能源植物是解决全球未来能源和环境问题的必然趋势。

自20世纪70年代开始，美国便开始对能源植物进行研究和开发，并于1986年在加州成功种植了2.43 hm2能源植物（续随子Capparisspinosa和绿玉树Euphorbia tirucalli），取得了年产50 t石油的成果，开创了人工种植石油植物的先河，掀起了世界各国研究能源植物的热潮。

1 纤维类能源草的特点

与木本植物相比，草本植物具有生长速度快、生活周期短、分布广等特点，便于大面积推广种植，实现产业化。纤维类能源草是能源草中富含纤维素的一类，也是能源草中最常见的一类，如芒（Miscanthussinensis）、柳枝稷（Panicumvirgatum）、芦竹（Arundodonax）、象草（Pennisetumpurpureum）、芦苇（Phragmitescommunis）等。纤维类能源草，尤其是多年生高大能源草的开发利用具有如下优点：①生长快，产量高，种植成本低，易于普及推广；②二氧化碳零排放，不污染环境；③可再生性；④适应性强，可利用边际土地种植，符合我国“不与粮争地，不与人争粮”的能源发展目标；⑤安全；⑥多方面的生态效益和经济效益。因此，种植纤维类能源草对于缓解能源压力、保护环境和生态、促进我国经济社会可持续发展等具有重要意义。

2 纤维类能源草国内外研究进展

2.1 国外研究进展

美国草本能源植物研究计划项目（HECP），早在1985～1989年间就从35种草本植物中筛选出18种最适合美国种植的纤维类能源禾草，并在1991年美国能源部将柳枝稷确定为模式植物加以重点研究；Mutoh等研究和报道了芒的生物多样性和初级生产力；欧洲一些国家对20余种植物进行了研究，认为柳枝稷、三倍体芒－奇岗（Miscanthus×giganteus）、芦竹、草芦（Phalarisarundinacea）4种纤维类能源草是最具有潜力的能源植物。

近年来，国外对纤维类能源草的研究集中在种质资源的探索和开发、品种改良、生态效益、能源转化经济效益等方面。Anderson等在研究芦竹、象草和狗牙根（Cynodon spp.）的乙醇转化效率中发现乙醇产量在品种间和品种内都具有显著性变化，提出通过遗传育种对原料进行改良以提高乙醇产量是可行的，同年还研究了能源禾草木质纤维素的结构和化学性质与乙醇转化之间的关系； Moon等对转基因等生物技术在能源草中的应用展开了分析和预测。

2.2 国内研究进展

我国纤维类能源草资源非常丰富，开发利用上主要集中在水土保持、造纸原料和动物饲料等方面，而用于生物质能源研究的起步较晚，落后于欧美国家，目前的研究主要集中在能源植物种质资源的开发和转化工艺的改良方面，并取得了一些可喜的成绩。解新明等认为，多年生能源禾草具有较好的产能效益和生态效益，是较为理想的能源植物。程序通过对能源牧草的调研和潜力分析后，明确指出能源牧草堪当未来生物能源之大任。宁祖林等对8种高大纤维禾草的热值和灰分动态变化进行了研究，结果表明芦竹的干重热值与灰分含量有显著的线性相关，五节芒（Miscanthusf l oridulus）、芦苇的干重热值与灰分含量呈极显著的线性相关；C3植物类中去灰分热值较高的是芦竹，C4植物类中去灰分热值较高的是芒。李高扬等以生产燃料乙醇等清洁生物质能源为目标，提出了一套优良能源植物筛选及评价指标，为纤维类能源草新资源的评价和开发提供了参考。

3 纤维类能源草的利用方式

3.1 直接燃烧

纤维类能源草多具有生物产量高、热值高、不污染环境、燃烧性能好等优点，在欧美国家常用于直接燃烧发电。据报道，2000年芒草的产电量已在欧盟15国中占其总产电量的9%，其中爱尔兰最高，占总产电量的37%。

3.2 生产燃料乙醇

纤维类能源草的纤维素含量较高，纤维素可经纤维素酶作用降解为葡萄糖，葡萄糖进一步发酵即可得乙醇。目前国内外对木质纤维素生产燃料乙醇工艺的研究很多，开发前景相当可观，但未见突破性成果，还存在着技术和成本问题。

3.3 制造燃气

理论上，纤维质（C6H12O6）完全燃烧时所需的空气与燃料比值为6:1，最终产物为CO2和H2O。在高温高压气化过程中，使纤维质不完全燃烧（空气与燃料比值为1.5:1）得到的气体叫做制造气，可燃，热值为4.5～5.0 MJ/Kg。此外，纤维质也可以在厌氧细菌的发酵作用下分解产生沼气（甲烷气体）。

3.4 其他用途

纤维类能源草除作为能源用途外，还可用于绿化环境、保持水土、造纸原料等，某些品种可以作为观赏植物，如芒属植物最初就是作为观赏植物被引入到欧美国家的，此外，高大纤维类禾草可以用于制造环保型建筑材料。

4 纤维类能源草研究展望

纤维类能源草是一种可再生的资源，开发纤维类能源草作为现有能源的补充和替代品，一方面能逐步缓解能源危机，另一方面生产成本低廉，同时还具有多方面的生态效益，符合可持续发展的要求和趋势。但我国用纤维类草类做能源起步较晚，研究力度和技术水平落后于欧美国家，因此应从本国国情出发，寻找适合我国的植物能源长期发展的道路。

4.1 加大种质资源的调查、收集和评价力度

我国幅员辽阔，纤维类能源草种类繁多，且分布广泛。应加大纤维类能源草种质资源的调查、收集和评价力度，加快各种资源圃、试验圃的建设，尽快掌握不同纤维类禾草的生物学、繁育学、栽培学等特性，为优质、高产纤维类能源草的品种选育和推广种植奠定基础。

4.2 扶持开发边际土地，加快品种选育和推广种植进度

我国南方约有0.2×108hm2荒山荒坡，北方有1×108hm2盐碱地，边际土地多，开发种植纤维类能源草的空间大，同时符合我国“三不一充分”的能源开发目标。所以，应加大纤维类能源草的育种进度，因地制宜，培育出适合不同类型土地生长和不同利用方式特点的新品种，以便于产业化种植。

4.3 加强能源转化工艺研究，提高纤维类能源草利用效率

如研发节能灶炉，降低在直接燃烧使用中的热量损失；研究木质纤维素的结构、预处理工艺和设备；探索、筛选和培育高效的纤维素降解酶类，提高纤维类能源草转化为燃料乙醇的效率。

4.4 实行国家、科研机构、企业及农户有机结合

我国能源植物的研究及开发利用起步较晚，尽管在“十五”和“十一五”期间取得了可喜的成绩，但离产业化发展还有一定距离，这就需要政府在产业化规划中进行宏观调控，充分发挥科研机构、企业和农户各自的优势，做到政府指导，科研攻关，企业和农户发展相协调，将科研成果迅速转化为生产力。

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