能源草发展的比较优势和战略潜力研究

马志林，冯长松

(1.河南省水利科学研究院，河南 郑州 450003； 2.河南省水利工程安全技术重点实验室，河南 郑州 450003；3.河南省农业科学院 畜牧兽医研究所，河南 郑州 450008)



能源草发展的比较优势和战略潜力研究

马志林1,2，冯长松3

(1.河南省水利科学研究院，河南 郑州 450003； 2.河南省水利工程安全技术重点实验室，河南 郑州 450003；3.河南省农业科学院 畜牧兽医研究所，河南 郑州 450008)

生物质能源；能源草；重要性；优势；潜力

纤维素类生物质已经成为发展生物质能源的主导原料。草本能源植物以其独具的优点在生物质原料中居重要地位，具有广阔的发展前景。针对能源替代、环保减排的迫切要求及生物质能源发展原料需求，分析了我国发展能源草的重要性和必要性，论述了能源草作为新型生物质原料的优势和潜力。

能源是人类社会赖以生存和发展的重要物质基础。20世纪70年代中期，由中东战争引发的全球性能源危机，使人们深刻认识到了化石能源的资源有限性和环境污染问题。根据现已探明的储量和需求推算，到21世纪中叶，世界石油、天然气、煤炭资源可能枯竭。传统能源面临的挑战及所引发的一系列生态危机，正严重威胁着人类的生存和社会的可持续发展。

因此，发展可再生的生物质能源替代传统化石资源，对缓解能源短缺、降低环境污染、促进经济可持续发展具有重大意义。生物质能源的开发和利用已经成为当前解决能源危机问题的一个发展方向[1]。从资源利用的角度来看，农林业成为发展生物质能源的基础，能源植物的培育及优化成为满足生物质能源规模化发展的保障。而能源草产量高、易获得、储量丰富，作为转化原料潜力巨大。相对于其他农作物或木本能源，能源草的优势尤为突出[2]。

1　我国能源草发展的重要性和必要性

1.1替代能源的要求

据统计，按目前的水平开采世界已探明的能源，煤炭资源尚可开采100年、石油30～40年、天然气50～60年[3]。而我国正处在经济快速发展期，能源需求不断增长，2009年就已超过美国成为世界第一大能源消费国。2013年我国石油消耗量达到4.98亿t，同比增长1.7%，石油对外依存度达58.1%，已高于50%的国际警戒线；2014年原油对外依存度高达59.6%,超过了58.8%的预期[4]。中国石油对外依存度每年增加2～3百分点，2020年预计达到76.9%[5]。我国交通能源对石油产品的依赖度超过95%，交通业石油消耗量已超过石油总消耗量的一半(汽车对原油的消耗占了3/5)，中国目前又处于交通发展初期，人均汽车保有量仅不到发达国家的10%，近10年汽车增长速度达20%，航空业也以每年17.5%的速度快速发展，国家能源安全问题日益严峻。而目前生物燃料、电能、天然气等替代能源的利用量仍然很低，能源急需补充和替代，生物液体燃料是当前替代石油基燃料唯一可行的生物质能源利用路径[6]。能源草作为一种可再生能源载体，制成的生物液体燃料可直接替代化石燃料，生物质颗粒可替代煤炭燃烧发电，这是其他新能源载体难以实现的，凸显了能源草作为生物质能源的优势。

1.2温室气体减排和环境污染治理的要求

化石燃料燃烧产生的大量CO2、SOx和NOx等气体，是导致大气污染、全球变暖、雾霾等重大环境问题的主要原因，持续增长的能源消耗使中国成为世界上CO2和SO2排放量最多的国家之一[7]。中国的发展正面临着严峻的大气污染形势，雾霾问题已引起民众强烈不满和政府高度重视。

利用能源草生产生物质能源，可再生而不会枯竭，使用过程中SO2排放量很低，产生的CO2量与植物生长过程中吸收的CO2量相近，同时植物自身还起到保护和改善生态环境的作用，几乎不产生污染，因而在能源紧迫和力求减少温室气体排放的今天，其开发利用备受全球各国重视，发展前景广阔。

1.3“不与人争粮、不与粮争地、不破坏生态环境”发展原则的要求

生物液体燃料实现交通燃料替代具有重要意义已是不争的事实。自2006年国家提出“不与人争粮、不与粮争地、不破坏生态环境”的生物燃料发展原则以来，原料供应问题就成了一个很大的挑战，其中：玉米、小麦等粮食作为生物燃料原料，明显与原则相悖，国家已不再扩大生产规模或批准新的项目；木薯等非粮作物虽不与人争粮，但目前仍主要利用耕地进行种植，未能摆脱与粮争地的局面，长期来看，也不可能大规模推广来满足生物燃料的发展需求；而能源草作为一种低成本、抗逆性强的能源作物，符合中国生物质能源发展原则，必将是未来生物质能源的主要原料来源之一。

1.4生物质能源发展原料的需求

生物质商品燃料生产，需要有规模大而价格又相对低廉的原料供应保障。美国和巴西最早成功利用玉米和甘蔗制得燃料乙醇。然而，以粮食作物为原料的生物质能生产，不仅加大了对农作物的需求量，也引起了粮食短缺，导致粮价上涨,引发了人们对于国际粮食安全风险的担忧。2007年我国政府呼吁停止使用玉米生产燃料乙醇。

第二代生物液体燃料的原料来源主要有两种：农林废弃物和草本能源作物。目前中国及世界关于纤维素乙醇的研究及示范项目主要集中于农林废弃物，尤其是农作物秸秆(玉米秸秆)。农林秸秆废弃物理论总量大，但由于低密度零散分布，收集运输成本高，因此实际可利用率低。而能源草在种植、收获、运输、贮藏方面可实现全程机械化操作，适合规模化发展，加之能源草对土地要求较低，抗逆性强，可利用边际和荒弃土地种植，因此能源草在规模化生产和土地利用上具有较大优势。以我国生产木质纤维素类原料而言，多年生牧草有一年生粮食作物不可比拟的优越性[8]，目前很多国家都已开始大量种植[9]。

2　能源草在生产性能方面的优势和潜力

2.1生长速度快，生物量大

能源草生长迅速，再生性好，一般定植2年后便可达到较高产量(如表1)，全年均可收获利用，且一次种植可连续稳产收获10年以上，优良品种甚至可达25年。

表1　北京郊区连续4年试种能源草干物质产量[10]

北京昌平的种植试验表明[11]，柳枝稷、杂交狼尾草及紫花苜蓿生长速度分别可达3.34、3.47和1.89 cm/d，再生速度分别达到1.97、1.82和0.54 cm/d，年鲜物质产量分别达到84.6、84.5和78.9 t/hm2，年干物质产量分别可达22.5、21.8和20.5 t/hm2。

能源草的株高、产量与品种、种植条件及种植区域有关。在较好的种植条件下，北京郊区杂交狼尾草干物质产量可达40.14～48.54 t/hm2[12]。在美国东南部等优良种植条件下柳枝稷干物质产量可达35～40 t/hm2，是北京的1.2～1.4倍[13]。芒草在南欧地区种植年产量可达30～45 t/hm2[14]，是中国湖南长沙的2.1～3.2倍。芦竹在天津地区最大干物质产量可达45 t/hm2[15]，是北京的1.3倍。象草在广东珠海的年干物质产量可达89.4 t/hm2[16]，广西南宁引种的象草平均干物质产量为36.1 t/hm2[17]。

在能源植物中，木本植物生长比较缓慢、年生物量相对较低，农作物秸秆一年只收一茬，而能源草一年中可刈割三四茬，相比较而言单位产量更高(表2)。

表2　不同能源植物年产生物质量　t/hm2

2.2品质好，能源利用潜力高

木质纤维素是由纤维素、半纤维素、木质素和少量的可溶性固形物组成，其自身的结构特性决定了生物质液体燃料的转化效率，纤维素含量越高、木质素含量越低，其转化效率就越高[20]。柳枝稷、芒草等能源草的纤维素与半纤维素含量超过60%，且结构相对蓬松，木质素含量较低(见表3)，最有利于水解发酵，预处理糖转化效率可达90%以上[21]，是加工二代纤维素乙醇燃料的优质原料。谢光辉等[22]在科尔沁对柳枝稷的规模示范研究表明，柳枝稷的能源产出投入比约为20 ∶1，是玉米产出投入比的2～2.5倍。按高产量30 t/hm2计算，每公顷柳枝稷可产出高达50万MJ的能量，能源利用潜力极高，最大能量净产出比甜高粱还高[23]。

表3　不同生物质的组分分析

2.3热值高，污染物排放少

从化学组分分析知，能源草富含碳氢化合物，炭活性高，灰分含量低，热值高[27]；易引燃，灰烬中残留的碳量较燃用煤炭少，燃烧完全，适于作燃料[28]。柳枝稷和荻的C、H元素总含量均在50%左右，热值为17.98和18.03 MJ/kg[10]，高于一年生农作物秸秆及树木，与褐煤相当，但灰分含量只有3.58%和3.56%(见表4)，含硫量也很低，为0.02%～0.17%[17]，而农作物秸秆的平均含硫量为0.38%，煤的平均含硫量约达1%[29]。

表4　不同能源燃烧特性

北京昌平的试验表明[32]，每吨褐煤在燃烧过程中生成的CO2为60 kg、SO2为40 kg；芦竹的燃烧值为22.76 MJ/kg，略高于褐煤，而每吨芦竹干料生成的CO2仅为8 kg(而且植物燃烧排放的CO2和生长吸收的CO2相当,可相抵)、SO2为2.4 kg，污染排放很低。

除能净化空气之外，能源草还能有效地减少扬尘。成熟的能源草高度可达6～8 m，滞尘量可达450 t/(hm2·a)；由能源草构成的块状林，减尘效果可达70%以上[33]。

2.4适合发展沼气产业

由生物质发酵制取燃气，主要是利用农作物秸秆、林木废弃物、食用菌渣、禽畜粪便等可燃性物质作为原料转换为可燃性能源。农作物秸秆变干后，木质素含量几乎提高一倍，大量木质素与纤维素、半纤维素结晶，严重阻碍后两者在生化转化过程中的降解，非常不利于沼气发酵和其他生物能转化方式的变化[34-35]，难以满足全年发酵的需要。而能源草每年可刈割3～4次，随收随用，不需要大量青贮就可以满足一年中发酵生产沼气的需要，比起农作物秸秆、林木废弃物等生物质原料，更适于发酵产气。

3　能源草在种植方面的优势和潜力

3.1环境适应能力强，适于边际土地，可不占用耕地

能源草对土质和气候条件要求不高，耐旱、抗冻，适合在盐碱地、荒坡等边际土地种植。根据《中国宜能荒地资源调查与评价》结果，我国共有宜能荒地约2 680万hm2，其中Ⅰ、Ⅱ类共占48.8%。当前只要充分利用Ⅰ、Ⅱ类宜能荒地，按60%的平均垦殖指数计算，就能达到年产2 482万t生物液体燃料的原料种植需求，完全满足国家生物能源发展目标[36]。

3.2生长周期短，种植管理成本低

能源草一次种植，常年收获，收益快，产出率高，克服了林木作为能源植物生长周期长的缺陷[37]；抗性强，在土壤含水量降到15%时仍能正常生长,仅在分蘖期需要适量氮肥；天然病虫害少，不需要或很少需要杀虫剂；同时，耕种次数少，种植成本只有造林的1/5到1/4，不仅减少了人力财力的投入，而且有利于土壤有机物的沉淀与积累，有利于减少水土流失。

3.3易于机械化收割储运

能源草一般茎秆高大、粗壮，成熟后植株依然保持生长期时的直立状态，便于机械化收割。芦竹的机械化收割试验表明，其收割效率是人工的40～54倍，成本仅为人工收割的25%～30%[38]。

4　能源草在生态修复方面的优势和潜力

纤维类能源草除作为能源用途外，还兼有绿化美化环境、保持水土、改良土壤和用作造纸原料等作用[39]。

4.1保持水土能力强，有利于生态修复

能源草一般都根系发达、抗性较强、适生范围广，本身就是优良的水土保持和荒滩地治理植物，具有很好的水土保持能力，对防治水土流失、改善生态环境具有良好的作用[17,40]。研究表明，在坡地种植柳枝稷、芒草等能源草可减少土壤侵蚀90%以上；荒坡地种植杂交狼尾草，年径流量和年侵蚀模数仅为15 466和79 t/km2，防治效果分别达到81.85%和97.40%，基本控制了水土流失，显著增加了土壤水分含量，提高了土壤的抗冲性、渗透性[41]。

4.2降低土壤重金属污染

能源草的富集能力虽不及超富集植物，但较强的生态适应性使其在退化或重金属污染土壤修复中具有一定的优势和潜力。相对于已经发现的超富集植物多数生长较为缓慢、植株矮小、生物量较小[42-43]的特点，能源草根系发达、生长迅速、植株巨大、生物量高、绝对富集量大。侯新村[44]等在北京郊区的试验表明，柳枝稷、荻、芦竹、杂交狼尾草等4种草本能源植物对重金属有较高的绝对富集量。在重金属污染土地规模化种植能源草，可同时实现能源草生物质原料生产和重金属污染土壤修复的目的。

另外，能源草的某些品种具有很好的观赏性，如芒属植物最初就是作为观赏植物被引入欧美国家的[40]。芒属能源草、狼尾草、芦竹等，植株高大挺拔，一般茎顶端生有大型圆锥花序，或大面积种植，或点缀于庭院、园林花木之间，随风摇曳，如羽毛飞舞，十分美丽，具有很好的视觉景观效果。

5　结　语

在生物质能源利用中，以纤维素类生物质作为发展生物质能源的主导原料，已经成为国内外专家和政府的共识。国家《可再生能源中长期发展规划》(发改能源〔2007〕2174号)明确提出：“从长远考虑，要积极发展以纤维素生物质为原料的生物液体燃料技术。”能源草以生长速度快、生物量大、富含纤维素、抗逆性强、适应性广并适宜在边际土地种植等特点，在生物质原料中居于越来越重要的地位，具有明显的优势和广阔的发展前景，是最具发展潜力的生物质能源之一。能源草的开发利用必将在缓解化石燃料的供应压力、高效利用荒地和农闲田、改良土壤结构、提高生物多样性、减少有害气体排放等方面日益展现其高效功用。

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(责任编辑徐素霞)

2015-04-30

河南省科技攻关计划项目(132102110077)；河南省农科院科研发展专项基金项目(20148403)

S216.2；S157.433

A

1000-0941(2016)04-0022-05

马志林(1964—)，男，河南南阳市人，教授级高级工程师，博士，主要从事能源植物、生物质能源与水土保持生态修复技术研究。