甜高粱作为一种生物能源作物的研究进展

张庆芳

（辽宁省农业科学院农作物海南育种中心，海南乐东572541）

1 研究背景

全球经济快速发展带来的问题之一就是能源的过度消耗。预计到2025 年，能源消费量将比20 年前增加50%以上；到2035 年，二氧化碳的排放将比20 年前增加20%以上。能源危机使得许多国家出台相关政策，鼓励研发和利用可再生能源。生物能源是一种很受青睐的可再生能源，其形式多样、低碳、原材料潜力大并且容易控制。据估算，目前全世界的生物能源生产潜力约为33～1135 EJ/年，变化幅度非常大，主要受几方面因素影响：粮食供给、粮食需求、生产类型、森林生产力、生物能源用途、可利用土地面积增加等。目前，全世界对生物能源的研究主要集中在生物燃料方面，包括生物乙醇和生物柴油。甲基叔丁基醚是一种汽油辛烷值添加剂，其泄漏会导致水中产生致癌物质。而生物乙醇可以替代甲基叔丁基醚，对环境不会造成污染。

1.1 生物能源的特点

生物能源是一种新型能源，能够将太阳能转换为含碳化学能，被加工转化为容易利用的三态能源。其优点在于：便于储存和运输、可以减少温室气体的排放、增加土壤碳封存。同时，其另一大优势是一种可生产液体能源的能量形式。糖类、淀粉类和油料等粮食作物的种子是生物能源的主要生产原料。由于这些粮食作物的新兴功能与作用，长远来讲，可以进一步促进发展中国家的粮食作物生产，推动国家的经济发展。

生物能源发展到现在，最为迫胁的需求是寻找和发展专用能源作物，其需要具备如下特点：高效率转换太阳能、高效率产出能量、高效率利用水分、强抗逆性、低生产成本、对环境危害小等。

1.2 甜高粱的特点

甜高粱，拉丁名是Sorghum bicolor（L.）Menoch，是高粱的一个变种，除霜冻地区外，甜高粱都是多年生作物[1-3]。甜高粱是一种理想的生物能源作物，与其他能源作物相比，具有高产量、高含糖量、较强的抗逆性、耐旱性等特点[4-5]。同时，由于甜高粱是C4 作物，CO2的补偿点很低（空气中CO2浓度为1 mg/L 时，光合作用即启动）。甜高粱的最大短期光合生产率为51 g/d/m2，因此具有成为高能作物的潜力（甘蔗为50 g/d/m2，小麦为34 g/d/m2，大豆为39 g/d/m2）。一般甜高粱的燃料乙醇产量为5.25 t/hm2，而且成本较低，较利用甜菜生产乙醇的成本低50%左右，因此，利用甜高粱制备生物乙醇是节约成本的有效途径[6]。美国科学家发现，甜高粱的乙醇产量远远高于甘蔗，前者为6106 L/hm2，后者为4680 L/hm2。甜高粱的栽培起源于非洲大陆，在这种环境下能够生长说明其具备较强的抗逆生长能力。其一表现为抗寒性非常强，由于其根系发达，并生有大量次生根，能够大量吸收土壤中的水分，同时，甜高粱叶片表明和茎干表面覆盖蜡质，可有效减少水分散失。甜高粱的生产需水量较低，约为300 kg/kg 干物质，而小麦和大豆的需水量却是甜高粱的1 倍左右。有研究表明，甜高粱在生育期的总需水量为玉米的34%，甘蔗的26%。其二表现为耐涝性较强，有试验表明，在甜高粱的整个生育期，灌溉次数由2 次增加到6 次，但甜高粱产量并无明显差异[7]。还有试验表明，对甜高粱进行淹水1 周处理，结果发现，甜高粱的生长并未受到影响，而且恢复正常生长环境后，甜高粱还能继续生长，但是相同的处理条件（淹水）下，玉米仅可以维持生长3 d。其三表现为耐盐碱性较强，由于甜高粱品种不同，它们可在pH 5.0～8.0、含盐量0.5%～0.9%的土壤中生长，与其相比，水稻和玉米的耐受盐含量为0.3%～0.7%，小麦的耐受盐含量为0.3%～0.6%。而且，甜高粱还具有改良盐碱土壤的作用。最值得注意的一点是，甜高粱在我国有广泛的种植区域，北到黑龙江省，南到海南省，只要符合10℃以上的积温达到1500～2500℃的情况下，都具有可种植的甜高粱品种。全球对甜高粱作为能源作物的研究起源于20 世纪70 年代，此时世界范围内出现了能源危机，由此看出，对能源作物的研究热度与世界能源消耗情况密切相关。到了20 世纪80 年代，由于油价下跌，对能源作物的栽培育种研究热度降低。近些年，甜高粱品种的选育主要以杂交育种为主，印度调查了适宜在热带地区生长且高产的杂交甜高粱品种的资源分布情况[8-10]。

1.3 甜高粱作为能源作物的效益指标分析

在我国，种植甜高粱，可同时获得显著的经济效益、社会效益和环境效益[11]。一般来讲，甜高粱的乙醇产量为1250～5625 L/hm2，这个产量相当于10000 kg 左右的粮食的乙醇产量，可大量节约粮食。目前，国家正大力推进精准扶贫，种植甜高粱可以为农民带来较好的经济收益（种植收益达到8060 元/hm2），这个收益要高于种植大豆和玉米的收益。种植甜高粱的投资回报率为15%左右，回收周期为7 年。有调查发现，在山东、新疆地区种植甜高粱，农民的净收入显著高于种植其他作物。我国是能源消费大国，在我国深入开发甜高粱作为能源作物，不仅可以帮助当地农民增加收入，还可以解决我国面临的能源短缺问题，促进我国农业和工业生产，保护生态环境。我国曾在5 个城市（哈尔滨、郑州、洛阳、南阳、肇庆）作试点，进行为期1 年的试验：用乙醇汽油代替传统汽油。结果发现，车用乙醇汽油具有适用性和减排性的特点。以此推算，如果全国都使用甜高粱来生产乙醇汽油，则需要约270 万hm2的种植面积来满足需求[12]。

2 我国甜高粱栽培的主要品种

我国甜高粱选育工作始于20 世纪60 年代，以雅津系列为代表。到了20 世纪80 年代，我国开始从美国引进甜高粱种质，并进行种植试验。我国甜高粱自交系和引进的品种共有24 种，分别为：吉甜杂2 号，吉甜3 号、吉甜7号、绿能2 号、绿能3 号、能饲1 号、甜饲1 号、新高粱2号、新高粱3 号、新高粱7 号、雅津1 号、雅津2 号、雅津3号、雅津4 号、雅津13 号、雅津14 号、原甜1 号、考利（美国）、意达利（澳大利亚）、凯勒（美国）、M-81E（美国）、丽欧（美国）、洛马（美国）、雷伊（美国）。

2.1 东北区甜高粱栽培的品种及特点

在东北区，由于气候原因，较适宜种植的品种是中晚熟品种。东北地区的一些科研院所（辽宁省农科院、吉林省农科院、黑龙江省农科院）经过多年的选育研究，又育成一些新品种，主要是中晚熟品种，包括辽饲杂2 号、辽饲杂4 号、辽甜1 号、辽甜9 号、辽甜10 号、吉甜杂1 号、吉甜3 号和九甜杂4。这些品种的产量、榨汁率、茎干粗度等指标优于早熟品种。

2.2 黄淮海区甜高粱栽培的品种及特点

在黄淮海区，主要种植的也是中晚熟品种，早熟品种种植较少，仅有3 个品种（早熟1 号、能饲1 号、能饲杂1号）。中晚熟品种中比较好的主要有醇甜2 号、辽甜1 号、绿能2 号和辽饲杂2 号，株高、产量、糖锤度等指标表现好于其他品种。

2.3 内蒙古区甜高粱栽培的品种及特点

在内蒙古区，主要栽培的品种有辽甜1 号、辽甜2号、辽甜3 号、晋甜杂2 号、吉甜杂2 号、吉甜3 号、通甜1号、甜格雷兹。这些大部分为中晚熟品种。

2.4 甘新区甜高粱栽培的品种及特点

在甘肃和新疆区，主要品种有辽甜1 号、绿能2 号、新高粱2 号、新高粱3 号、新高粱4 号、新高粱5 号、新高粱7号、考利、凯勒、M-81E、丽欧、绿能3 号、雷伊、早熟1 号、醇甜2 号、新高粱9 号、雅津4 号、醇甜4 号、醇甜1 号、沈农甜杂2 号、辽饲杂1 号、BJ0602、BJ0603。这些品种在抗黑穗病、抗倒伏、抗旱、抗盐碱、抗虫等方面表现出色。

2.5 黄土高原区甜高粱栽培的品种及特点

在黄土高原区，主要品种有晋甜杂1 号、九甜杂三、吉甜5 号、超级放牧者、BJ0602、辽甜1 号、辽甜3 号、大力士、吉甜3 号。它们在抗叶病、抗倒伏、抗旱等方面表现较好。

2.6 西南区甜高粱栽培的品种及特点

在西南区，主要品种有辽甜1 号、辽甜2 号，辽甜3号，辽甜4 号，辽甜5 号，大力士。这些品种有很多是从北方引种，但是茎杆产量、糖锤度等方面表现不如北方。

2.7 长江中下游区甜高粱栽培的品种及特点

在长江中下游区，种植的品种较多，主要有甜选35、甜212、Babush、甜选116、MN-3466、Sart、大力士、ST005、ST008。它们在抗倒伏、抗蚜虫等方面表现较为突出。

2.8 华南区甜高粱栽培的品种及特点

在华南区，主要品种有辽饲杂1 号、M-81E、辽甜1 号、辽甜3 号、辽甜4 号、辽甜5 号、品甜3 号、Smith-1、10-80、MN-3329、Dale、Browley、Keller、吉甜2 号、吉甜7 号、BJK236。

3 小结

随着经济的不断发展，甜高粱作为能源作物已经越来越受到世界范围的关注。对甜高粱的研究领域包括品种选育、遗传育种、生理学、栽培方式、灌溉方式、施肥管理、种植技术、收获时间等方面[13-15]。美国学者研究发现，东南部地区甜高粱乙醇的产量要高于玉米、大豆和棉花。

我国是研究甜高粱作为燃料乙醇较早的国家之一，曾进行了为期10 年的大田试验。随着生物技术的不断发展，利用基因技术改良了很多品种，使我国拥有很多产量高、含糖量高的品种[16-17]。我国首个产业化乙醇工厂获批在内蒙古建立[18]。通过调查发现，生物燃料乙醇企业的主要运行成本为原料成本，若能降低原料成本，则企业可获得更大经济效益。甜高粱的栽培成本也很高，但通过改良栽培模式，采用高粱和大豆间作模式，会提高栽培甜高粱的投入产出比。有调查发现，我国各农业区域甜高粱规模化生产技术的排名为：第一是东北区，第二是甘肃新疆区，第三是黄淮海区，第四是长江中下游地区，第五是黄土高原区，第六是华南区，第七是内蒙古及长江沿线区，第八是西南区。

在我国，甜高粱是最具有潜力的生物能源作物，其生产乙醇的潜力也是最大的。但是，甜高粱的栽培方式属于粗放型，对农药和灌溉量需求较少。随着农业生物技术的发展，应考虑农药和灌溉对可持续发展的影响[19-20]。通过对我国七大种植区的综合调查，评估生物燃料种植地区的利用地潜力，认为东北、华北、黄土高原、内蒙-新疆地区最适宜作为能源作物产地，长江中下游地区和黄土高原地区次之。大力发展甜高粱种植，不仅可以增加农民收入，为企业带来收益，还可以为国家带来更长远的社会效益和环境效益。