北方农牧交错带以开发能源作物促生态重建的前景

程序，朱万斌

（中国农业大学生物质工程中心）

＊北方农牧交错带是位于我国东部农区与西部草原牧区之间，在几千年农、牧史演变过程中形成的生态过渡带。年均温8～10℃，年降水量仅250～500 mm，且年际变异剧烈，是传统种植业的边际地区。其中、西段恰与黄土高原的北部重合。这一地带是黄河及海河水系的水源涵养地，也是对我国中、东部极其重要的生态屏障。由于自然条件相对较为严酷，区域经济特别是农村经济发展十分滞后，水土流失已非常严重，在该地带进行生态重建的任务相当艰巨。

1 退耕是北方农牧交错带生态重建的起点

中国北方农牧交错带的形成，是汉族的农耕文化向草原牧区过度扩展的典型表现。其后果是严重破坏植被和表土结构，埋下水土侵蚀的祸根。

北方农牧交错带所在的黄土高原，虽然土层深厚，但由于受降水量少特别是春旱频繁的制约，加上生长期偏短，除具天然集水之利的沟谷地，大部分是不宜种植一年生粮、棉、油作物的边际土地。

世界多国的实践表明，对部分条件相对较好的土地集约化地耕种，而将大部分边际性土地退耕还林、草，是自然条件不利地区农业可持续发展的有效途径，已成为大范围生态重建的普遍模式。

由我国的国情所决定，我们不得不在北方农牧交错带这类外国大多弃耕甚至移民的半干旱偏旱区，在相当部分土地退耕的背景下，对一部分土地仍进行有一定集约度的农业生产。而不能像如美国和欧盟等发达国家那样，推行国家高额补贴下的连年大面积休耕，或完全转为自然保护区。

2 退耕还林、草面临重大的制约

退耕和休闲是有效的水土保持策略。在美国，由破坏原生草原植被而形成的大平原农区，在经历了20世纪30年代后的多次“沙尘暴”的侵袭后，1985年出台了“土地保护计划”（Conservation Reserve Program，CRP），对1 670万hm2（折合2.5亿亩）的农田实施补贴性休耕，面积占到总农地面积的8%。欧盟的CAP（共同农业政策）计划，也是为了保护土地和景观，并抑制部分农产品的生产过剩，面积（2004年成员国为15个时）为3 000万hm2，折合4.5亿亩。

而中国的国情与美国和欧盟不同，一是人多地少，二是粮食要求须有很高的自给率，三是整个国家特别是退耕任务地区人均收入尚低，国家的财力有限。因此，要像美国和欧盟那样大规模地补贴退耕几乎是不可能的。即便是一定规模，也是勉为其难，问题很多。

1999年至“十五”末，全国退耕共计900万hm2（1.35亿亩），国家投入了1 300亿元。到2007年，原定“十一五”期间再增加140万hm2的退耕，但后因考虑到要保“16亿亩粮田红线”而未实行；对已退耕的土地，由于绝大部分自我维持和发展能力未达理想，国家不得不决定将补贴年限再展延5～8年。在退耕实践中，受到广泛欢迎的所谓“经济林（经果林）”却享受不到与所谓“生态林”一样的补贴待遇；“还草”的补贴待遇更远不如“还林”。反映了国家目标与农民价值取向的尖锐矛盾。

此外，国家补贴难以持久与缺乏“造血”机能之间也存在不小的矛盾。在物价比十几年前已涨了若干倍和国家扶贫标准从683元调高为2 300元（2010年不变价）的背景下，每亩每年50～160元（每hm2每亩750～2 400元）的退耕补贴对农民已不可能有什么吸引力。2010年全国农民人均纯收入5 919元，而大部分地区位于黄土高原的陕西和甘肃两省分别只有4 105和3 425元。

需要强调指出的是，多年来中国农业的一条重要经验教训是，实践反复证明，最难最难的事，莫过于为农民提供一种或几种能够长期占领“卖方市场”的农产品。因此，“经果林”也罢，草地畜牧业也罢，面积扩展多了后，最终还会受到产品（苹果，杏，梨，牛奶，牛羊肉等）销路有限的致命性制约。而生物能源恰恰是能避免这么多制约因子的新型农产品（商品）。

显然，在农牧交错带通过退耕还林（草）实施生态重建，方向虽然对头，但必须解决“稳得住，能致富，不反弹”的问题，建立起支柱性的“后续产业”。

3 除林和饲用草外，退耕地的农作“双赢”优选方案

3.1 能源作物在欧美等国兴起

“专用能源作物”（dedicated energy crops）是近年来在欧美出现的一个新的专业词汇，指专门驯化、选择和培育的、种植后用于转化生物能源的作（植）物。草本的有芒草（Miscanthus）、柳枝稷（Switchgrasss，Panicumvirgatum）、苏丹草（Sorghumsudanense）；包括禾本科的玉米（Zeamays）、甜高粱（Sorghumbicolor）与黑麦（Secale cereale）（整株青贮）。灌木类及木本的有短轮伐期蒿柳（Salixviminalis）、杨（Populus）等［1］。

草本能源作物中的柳枝稷、芒、虉草（Phalarisarundinacea，reed canary grass）和木质能源作物（woody energy crops）主要是灌木柳（Willow shrub，如蒿柳）和杂交杨（hybrid poplar）等，是近年来大力发展生物能源的美国和欧盟国家认为最适合、最有希望的能源作物。除将原强制休闲的地转种能源作物外，甚至还用一部分在耕种农田改种能源作物。

以柳枝稷为例，它是北美大草原的原生建群种。有四倍体和八倍体2种种质，低地型及高地型2种生态型。20世纪30年代中叶美国“大尘暴”（Dust Bowl）之后，柳枝稷作为一种水土保持牧草开始被研究。1990年起，美国能源部（DOE）重点支持柳枝稷的研究，美国农业部林肯牧草实验室与DOE合作，开始加大研发力度。作为一种C4植物，柳枝稷能生长在纬度达40°～42°N的温带，这是很难得的。绝大多数C4植物（如百慕大草）分布在亚热带以南，在温带不能越冬。且柳枝稷茎、叶的纤维素、半纤维素含量高，可产出的多糖（可酵解）高达75%以上。每吨干草可转化为330 L燃料乙醇，12 t／hm2的平均单产相当于亩产264 L。其对降水量的要求为500～600 mm／年。低于此值仍能良好生长，但干草单产水平会有所降低［2］（美中西部地区生长期内降水量为560～610 mm）。

柳枝稷的根系发达，固碳作用大：根重达23.0～58.7 g／（cm2·a），相当于296～454 mg／cm2土壤有机碳（SOC）。相比之下，玉米仅分别为0.01～2.17 g／（cm2·a）和2.5～18.5 mg／（cm2·a）。

3.2 农牧交错带的“系统生产力”

北方农牧交错带以粮食作物单产为代表的初级生产力低下，同粮食作物在该地带的生态学适应性很差有着直接的关系。在黄土高原农牧交错带这种边际土地强行进行粮食作物生产，有很多完全不适应总体上较严酷的气候条件的地方。首先，由于温度条件决定了只能种植一季，然而，春播期间发生严重干旱、影响及时出苗和正常全苗的机率非常大。其次，黄土高原农牧交错带春—初夏连旱的机率亦高达60%，而以禾谷类为主的一年生粮食作物对生长期要求十分严格，久旱遇雨后的迅速补偿生长能力又很差，因而经常失收或严重减产。再其次，一年生粮食作物如玉米、春麦等，形成有效的植被覆盖时间晚，植被层保持的时间更只有90～100 d，土表裸露时间过长，水分蒸散量过多；加上大量山坡地种植更加大了土表裸露的比例。从而使农业生产长期以来低而严重不稳，而且异常不利于水土保持。

由于气候条件在总体意义上较为严酷，加上土壤肥力很低等原因，黄土高原粮食作物的生产潜力相对很低。山仑等［3］总结多年的研究结论认为，在雨养条件下，该地粮食大面积平均单产很难突破目前已达到的4 500 kg／hm2的上限。即以粮食生产的平均经济系数0.4计，每hm2的生物量（干重）产量上限为11 250 kg／hm2。

笔者在对黄土高原的研究中发现［4］，如就作物生长盛期（6－8月）计而非以全年而言，黄土高原农牧交错带在全球所有同纬度 （39°～41°N）地区中，是光、温及降水条件组合最好的地带之一：6－8月气候生产潜力在全球同纬度10个国家（朝鲜资料缺，未计入）中，与日本并列第一，达3 600 kg／hm2。光辐射、温度、降水及昼夜温差条件匹配最好，有利于同化产物的合成，减少呼吸消耗；7月气温累计日较差在10～13℃，而同期我国绝大部分农区差值仅有9℃上下。黄土高原6－8月的降水量占全年降水量的60%左右，而且变率（25.4%～32.0%）是全年各时段中最低的。可以说是土壤水分供给最有保障的时期。

据此，任继周［5］与我们先后提出了，在该区域通过开发能很好地适应自然条件、特别是能扬长避短地和充分利用总体上虽较严酷、而局部却具有优势的气候资源的“（农业生态）系统生产力”概念。我们对中国半干旱农牧交错带“系统生产力”下的定义是：在特定的半干旱（400 mm／a上下）、生长期长度不能较好满足禾谷类作物的要求且年际间波动大、作物生长期降水量变异率很高（CV值≥0.4）的条件下，以单位面积土地表现为生物量物质形式的太阳能同化量最大化为特征，单位降水资源的最终经济价值产出量远大于常规农业生产力的一种特殊的整体生产力。核心是选择和应用生物量高、水分效率高、植被覆盖作用好、经济价值高的新作物和相应的种植制度。

3.3 “营养体农业”思路主导下的能源作物种植

围绕生物量（biomass）最大化、以“营养体农业”［5］的技术路线主导，实行农、牧、能结合；重“生物质料”于草、于粮，相应改变传统农业的格局，大幅度地提高黄土高原地区的系统生产力，有可能走出一条对北方农牧交错带自然条件能扬长避短的、生态重建和支柱产业协调发展的新路。

能源作物是生物能源产业的基础。“生物质能”或”生物能源”一词系英文biomass energy（简称bioenergy）的中译，biomass意即生物量，原是一个生态学术语。由此也可看出，生物质的数量是生物能源的核心。“营养体农业”的优势，恰恰在于强调了整株生物质而非籽粒的产出数量高。

基于这样的思路，多年生（能有效避免频度很高的春旱对出苗的致命打击）、水分和植物养分利用率高、光能转换率高、生物量产量高和产品不愁卖和不愁价格贱的能源作物，可以认为是除了某些灌木和饲用草以外，退耕地的理想农作“双赢”方案。

4 能源作物在半干旱地区的种植可行性

美国与欧洲均自20世纪80年代中期开展多年生草本能源作物的研究。欧盟国家从20种牧草中选出4种：Miscanthus（巨芒）；Phalarisarundinacea（俗名reed canary grass，虉草，又名草芦）；Arundodonax（俗名giant reed，巨大芦苇）；以及柳枝稷。其选择的首要标准是生物量产量。4种中选草种的产量分别达5～44，7～23，3～37和5～23 t／（hm2·a）。柳枝稷与芒均为C4植物；而欧洲的草芦及巨苇则是C3植物，更适于在较低温的地区生长及越冬。

4.1 柳枝稷在美国的种植

2006年1月，美国布什总统在美国国情咨文中，提出了到2020年将对中东石油进口的依赖率降低75%。为此提出的措施之一是：不但要从玉米中制取乙醇，今后更主要从柳枝稷、林木下脚料等木质纤维素类原料提取乙醇。相应地，美国能源部制定了年利用10亿t生物质的规划目标。如全部实现，则从纤维类生物质原料中可提取相当于全国燃油年消费总量的40%。而年产10亿t生物质的4～5成，要来自多年能源作物和牧草（其余的则为农作物秸秆和林木下脚料）。

在中西部及其他地区大力发展柳枝稷，每t干草可卖35美元，是增加农民收入的第一步；用柳枝稷加工燃料乙醇，经济半径是50英里（约80 km），建立初加工厂可激活农村经济。据估计，初步的全国性发展，即用柳枝稷年产5 000万加仑纤维类乙醇，约需建工厂250座，以每加仑（带补贴）产值2美元计，每家工厂年产值可达1亿美元。

据美国农业部（USDA）和能源部（DOE）的联合研究［6］，为达到2030年前后由农、林业提供10亿t可用的生物质（农∶林业提供量之比大体是7∶3），以确保届时实现生物燃油替代30%的交通运输用石油的目标，一项关键措施便是大幅度增加多年生草本能源作物的种植，面积要达到6 000万英亩；收获的生物量要达到1.6～3.8亿t，分别占到10亿t可用生物质目标的27%～38%。

美国有被列入“水土保持退耕休闲计划”（CRP）的边际性土地3 500万英亩（2.1亿亩，1 400万hm2），土地侵蚀模数为3～100 t／（英亩·a）。每年需联邦政府提供17～30亿美元的补贴。将这些土地改种柳枝稷等草本能源作物，可收到一举两得的效果。

美国能源部橡树岭国家实验室的Mc Laughlin等［7］采用POLYSYS模型，定量估算了种植柳枝稷的多种效益。包括温室气体减排，土壤的碳封存，土壤侵蚀量的减少，水质量的改善以及景观生态效应。证明如果参加“水土保持退耕休闲计划”（CRP）土地改种柳枝稷，其发达的根系能有效地阻隔NO3－N和P2O5的淋失；土壤碳封存率可达1.7 t／hm2，而CRP土地只有1.1 t／hm2。以种植1 690万hm2柳枝稷（包括CRP土地1 400万hm2）和平均每hm2生物量（干重）10 t计，约可产出1.58亿t／a的第二代纤维类乙醇。农场主增收60亿美元／a，政府减少休耕补贴18.6亿美元／a，减排的温室气体价值400亿美元／a。

4.2 巨芒在欧、美的崛起

美国一度主要集中于对柳枝稷的研发。但近年来，对芒的重视程度显著加大。伊利诺伊大学的Stephen等2008年报告［8］，种植的天然三倍体巨芒（Miscanthusgiganteus），平均年产量高达30 t／hm2，比柳枝稷长得更高大，生物量大出3倍。研究发现，芒的光能转化率高达1%，是一般农作物的10倍。他们在《Science》撰文称［9］，如果用美国一半的休耕地（约700万hm2）来种植芒草，以上述单产计，能够取代2008年美国汽油用量的20%，并能减少30%因使用汽油导致的CO2排放。

明尼苏达大学的Tilman等［10］从20世纪80年代就开始了对退化农地和边际土地的牧草利用兼改良研究。真实模拟了2种土地的水分和养分特点。通过对12种混合配组牧草（其中包括15种北美起源的多生草种）的连续定位观察，筛选出生物量最大草种组合，单位面积的净能量产出可比流行的连作玉米的乙醇产出量高出238%；而且碳足迹极低乃至成为”碳负净排放”燃料。2006年起，将重点转移到能源牧草的开发之上。与一般研究能源作物多在较好的土地、给予高投入的做法不同，他们采用所谓LIHD（低投入、高多样性）模式，从60种混合配组牧草中优选，获得了1 500 L／（hm2·a）纤维素乙醇的生产率，比单种柳枝稷高142%［11］。

Lewandowski等［12］在欧洲的研究发现，三倍体巨芒能从年均温17.5℃的南欧到年均温只有7.5℃的北欧国家（年降水量500～1 000 mm）广泛分布。株高可达7～10 m，干重生物量单产范围为2～44 t／hm2。即便在年均温只有7.5℃的丹麦，最高单产亦可达25 t／hm2。由于热值高（18.2 MJ／kg），因此在欧洲，十几年前就开始在田间用专用机械将芒草压缩成颗粒或块，进而发电或制燃气。Jogensen和Schelde［13］对芒和柳枝稷等作物的水分和养分利用效率的研究表明，作为C4作物，芒的水分利用率（WUE）高达9～10.7 g／kg，甚至还高于玉米（8.5 g／kg），更大大高于C3作物，如大麦（4.2～4.8 g／kg）。水分效率高这一点对在半干旱地区成功种植能源草芒具有重要意义。

4.3 黄土丘陵沟壑区试种柳枝稷的结果

早在1992年，中国科学院水土保持研究所就开始在半干旱黄土丘陵沟壑区陕西安塞引种柳枝稷。研究表明，柳枝稷在当地的适宜性较强，表现出一定的水土保持效益和生物质生产潜力。徐炳成等［14］的引种试验发现，柳枝稷的地下生物量多于地方草种白羊草（Bothriochloaischaemun），在梯田根系最深可达1.75 m。但柳枝稷的水分利用效率在川地和坡地相差悬殊，前者达32～38 kg／（hm2·mm），而后者（含梯田）仅有3.6～8.2 kg／（hm2·mm）。

根据我们在当地的多年田间调查［15］，其生物量产量不甚高。自然维持状态下，川地多年生柳枝稷生物质产量平均在10 t／（hm2·a）以下（表1），山地只有0.2 t／（hm2·a）。调查还发现，在山地自然维持生长格局下，柳枝稷潜在的水土保持效益并不很理想。

表1 几种作物的旱作生物生产力潜力初步观测Table 1 Primary observation of biomass productivity potentials for several rain－fed crops

4.4 半干旱的黄土高原种植芒属植物的尝试

芒属植物起源于东亚和中国。美国密歇根州立大学Sang和Zhu［16］和中国科学院武汉植物园［17］合作，在中国试种4种本地起源的芒属植物以及做对比试验。3年的结果表明，芒属植物的综合性状显著优于作为引进种的柳枝稷，生物量单产平均为30 t／（hm2·a），约是柳枝稷的3倍。其中最突出的一种——南荻（Miscanthuslutarioriparius），株高可达7 m，是其他3种芒属植物的2倍多。特别值得注意的是，南荻和普通芒（Miscanthus sinensis）能在甘肃省的庆阳、环县一带安全越冬。而相比之下，欧、美普遍应用的三倍体巨芒，在温带地区一年生种群的越冬率低，是造成育苗成本高的主要原因。在甘肃庆阳的南荻的生物量甚至高过其原生地武汉江夏地区。而且，因为芒属植物有遗传多样性的种质资源，为日后通过育种进一步改进产量等性状提供了基础条件。Sang和Zhu［16］还估算了中国温带约3亿hm2天然草地种植芒属能源植物的潜力。认为黄土高原有6 000万hm2的退化、沙化土地，加上东北的毁林开荒林地，共有约1亿hm2的边际土地适于种植。以平均10 t／（hm2·a）（干物重）的生物量单产计，可年产10亿t生物质原料。用于直燃发电和与煤的混合发电，每年可获1.46亿k W·h的电量，年减排煤发电产生的CO217亿t，分别相当于2007年全国发电总量的45%和CO2排放总量的28%。

4.5 其他具可行性的能源植物

除种植能源作物芒等以外，近年来还有在黄土高原试种包括生物能源在内的多用途菌草获得初步成功的实验。据福建省菌草生物工程中心林占熺的报告［18］，从成千种野草中精选出近60种可取代木质材料培育食用菌等的草种，对水土保持，荒漠化治理，保护生态、减灾防灾和开发生物质能源均有意义。

巨菌草（Puelia，又名Jujun grass）属被子植物门，单子叶植物纲，禾本科，狼尾草属（Pennisetum）。原产地在北非。是目前世界上已知的太阳能转换率最高、生物量产量最高的草种之一。巨菌草高达6～7 m，直径3 cm，一年可收割两至多次。鲜草的年单产量高达105.5 t／hm2（长江流域）。1 hm2地所产的巨菌草燃烧发电量可相当于60吨左右煤炭。其对环境的要求也不高，在沙地、坡地等都可种植，不与粮争地。种植一次，可以利用多年。生长期间对CO2的吸收量可高达90～150 t／hm2。在宁夏银川永宁镇等多点试种的结果表明，巨菌草几乎不抽穗开花，个别情况下产生的种子在自然条件下萌发率极低，不会发生生物入侵问题。

5 结语

在土地面积多达6 000万hm2（9亿亩）的黄土高原地区种植能源作物，理论上年产6亿t（干重）以上的生物质，从而成为我国最重要的生物能源原料基地之一。同时，从经济上确保退耕方针的可持续性。

进一步可行性测算，如果在全国建设3 000万hm2芒草、木薯（Manihotesculenta）、甘蔗（Saccharum）、甜高粱等的能源植物生产基地，每年可产生12亿t生物质，相当于6.5亿t标准煤。同时，与退耕还林和“三北”防护林建设结合起来，可再发展2 000万hm2的能源植物，每年可产生4亿t生物质，相当于2亿t标准煤。合计可有8.5亿t标准煤，相当于2010年全国一次能源总消费量的30%，可年减排CO2约4亿t。是不亚于“森林碳汇”的“能源生物质碳汇”。

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