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第二代生物质能源呼之欲出
作者:经济参考报 时间:2011-10-27 15:17:00 

控制化石能源消耗,减少温室气体排放、寻找可再生清洁能源已是全世界共识。对生物质能的研究,吸引大批科研人员目光。然而,第一代能源作物玉米、水稻、甘蔗、大豆等在给人类赢得替代能源希望的同时,也随之带来净能量产出少、与粮食作物争抢耕地等一系列负面效应。于是,寻找第二代能源作物成为生物质能领域重要课题,一种叫芒草的能源作物聚集了人们的目光……

第二代生物能源研发的“中国优势”

我国是芒草自然资源最为丰富的国家。近期,由中科院植物所、中科院武汉植物园、上海生命科学研究院等单位合作展开的新一代能源作物研究取得关键性突破。经过三年来的种植试验发现,原产我国的芒草具备丰富的遗传多样性,人工驯化后将对我国土地资源利用、能源格局产生革命性影响。然而,由于我国第二代能源作物研究处于起步阶段,在科研立项和转化研究方面存在体制机制矛盾,有关研究人员建议,国家应对第二代能源作物研究进行重点立项,加强产学研结合。

试验让科研人员惊喜

在全世界14个野生芒草种类中,中国拥有七个种,分布几乎贯穿了我国整个气候带,而且拥有生物质产量最高的四个种类,是芒草自然资源最为丰富的国家。

2008年,中科院植物所、上海生命科学研究院、中科院武汉植物园组成芒草研究小组,项目得到中科院知识创新工程重要方向项目的资助。当年秋天,启动了全国范围野生芒草收集工作。2009年,中科院武汉植物园研究员李建强等人把收集到的约100个芒草自然居群,分别种在了内蒙古锡林郭勒国家草原生态站、黄土高原上的甘肃省庆阳,另外一部分种在武汉作为对照。

“我们选了三个生物量最大而花期又大致相同的野生种,种植后的第二年开始就不浇水、不施肥,完全靠天吃饭。”李建强说,不知道芒草的生物性能和遗传特性在国内这几个地方有何表现,内心期待。

经过2009年、2010年两个生长季,李建强他们惊喜地发现,一部分芒草可以在寒冷的锡林郭勒生长,另外一些在较为干旱的庆阳则长势喜人,而且在甘肃庆阳的芒草生物质含量高过芒草的原生地武汉江夏地区。

李建强说,这说明芒草种类具有丰富的遗传变异和很强的适应性,可供培育耐冷、耐旱和耐贫瘠的高产能源作物。

这一结果让科研人员非常兴奋。经过多次分析总结,今年5月份,研究小组将研究成果在线发表于《全球变化生物学生物质能源》(GlobalChangeBiologyBioenergy)杂志上。同时,该杂志以“适者为芒”(MiscanthusAdapts)为题,对此成果进行了新闻发布,迅速受到国际上广泛关注,美国科学促进会新闻网站(AAASEureAlert)、欧洲科学新闻(AlphaGalileo)、每日科学(ScienceDaily)、细胞出版社新闻(CellPressNewsAggregator)、科学新闻在线(ScienceNewsline)等都进行了转载报道。

可“点绿”我国干旱半干旱地区

研究小组对我国黄土高原地区进行了考察,根据芒草在我国的产量,保守地进行了一个效益测算。

除开耕地以及不宜种植土地,黄土高原有43万平方公里可以用于种植芒草,根据甘肃庆阳试验基地的产量,保守估计以每公顷年产芒草干重11吨计算,总产量为五亿吨。这些产量如果全部转化成乙醇,大致相当于我国2010年消耗的汽油总量。

再进一步推算,如果在集中分布于中国北方和西北的贫瘠、退化土地上种植一亿公顷(100万平方公里)芒草,以平均每公顷干重10吨计算,总产量为10亿吨,可发电1458万亿千瓦时,减排二氧化碳16亿吨,相当于中国2007年总用电量的45%和二氧化碳总排放量的28%;用其中的一半作为原料转化出的乙醇,大致相当于我国2010年消耗的汽油。

中科院武汉植物园系统与进化植物学学科首席研究员李建强总结认为,对芒草作为第二代能源作物研发可以实现三大功能:

一是粮食安全。芒草可取代粮食、经济作物成为新一代能源作物,缓解粮食危机。

二是能源独立。我国有大面积的干旱、半干旱无法耕种的边际性土地,如果这部分土地能够作为生物能源的生产地,将改变能源依赖进口的格局。

三是生态保护。芒草极强的环境适应性可以改善干旱、半干旱非耕地的植被状况,同时保持水土和防止土地荒漠化。

“荒芜的干旱、半干旱地区,如果种上芒草,想象一下都很激动。绿了、亮了,老百姓还可以从中发家致富。”中科院植物研究所资源植物研发重点实验室主任桑涛对芒草也抱着巨大的希望。

进入人工驯化阶段

要使上述一切变为现实,对芒草的研究还有不短的路要走。桑涛说,目前的研究结果已经证明,芒草是我国最优的第二代能源作物选择,接下来要突破的是进行人工驯化。

所谓人工驯化就是将野生的作物种子通过人工选育、杂交等方式转变为可以人为育种、种植的作物。“完成芒草从野生植物到作物的转变就是人工驯化的目标”,桑涛说。

其实,人们对人工驯化并不陌生。桑涛告诉记者,我们吃的大米、小麦都是经过人工驯化得来的,始于大约一万年前的粮食作物驯化奠定了人类文明的基础。比如水稻就是野生稻经过人类逐渐移栽、选育、培育的漫长过程形成的。

据了解,根据研究小组的安排,接下来要完善芒草基因组学平台的建设。明年开始筛选出在干旱、贫瘠、退化土地和盐碱地上的高产芒草株系,开展杂交试验。2013年到2014年,对芒草的抗逆性和产量性状进行数量遗传学分析;通过模拟分析,评估芒草能源植物在我国的生产潜力以及大规模种植的环境生态效应。

作为植物驯化领域的专家,桑涛表示,根据现有的遗传基因技术,芒草的基础驯化只需要几年时间。据他介绍,今年研究小组在山东东营的盐碱地和甘肃环县更加干旱的地区进行了试验,选取30万个基因个体,从中挑出更加耐旱、耐寒、抗盐碱的种质资源,进行人工杂交和育种,然后做基因遗传学分析。

“这个过程不会很长,而且这件事情全世界目前都没有做过,因为欧美国家不是芒草原产地,没有种质资源。另外,欧美国家耕地众多,不需要驯化在干旱、贫瘠土地上生长的能源作物。但是他们最终也需要遗传多样性高的作物,这样很可能要依赖我们的驯化育种。”桑涛说。

资金和政策支持还要更“给力”

当前,我国正大力发展生物能源,但是因生物资源问题遭遇瓶颈,而对第二代能源作物研究起步较晚,在能源作物研究上也遇到一些体制上的制约。科研工作者们建议国家提高对第二代能源作物研究的重视,增加投入,扫除科研机制上和产学研上存在的一些障碍,加快芒草从研到产的进程。

中科院植物所、上海生命科学研究院、中科院武汉植物园组成的芒草研究小组认为,节能减排是我国经济发展方式转型的内在压力,而科学发展成为发展生物能源的内在动力。近年来我国生物能源的发展成就斐然。到2010年底,全国生物质直燃发电装机已达200万千瓦,以粮食为原料的生物燃料乙醇产量达到了180万吨。

2007年,国家制定了《可再生能源中长期发展规划》,提出的2020年生物质发电目标是3000万千瓦,生物燃料乙醇的发展目标是1000万吨。不过业界认为,这个目标实现有着客观困难。主要就是,企业纷纷上马生物发电项目,但是都遭遇了生物资源短缺的问题。这是由生物质资源的季节性、分散性与生物质发电的连续性、集中性的矛盾引起的。

专家认为,将芒草发展为我国专业的能源作物可以解决这一难题,实现生物质能规模化利用的途径是专业化和产业化,作为最优选择,芒草可以担此重任。

但是,当前芒草的研究也面临一些困局。

首先,国家目前虽然十分重视生物能源研发,但我国的生物能源究竟有多大潜力和前景还没有进行过科学评估。国内相关研究也比较薄弱和分散,科研资源尚未整合。

其次,由于我国能源作物的研究主要由植物研究机构承担,能源植物科研项目多由我国能源方面专家评审,他们大多是石油、煤炭等化石能源方面研究出身的专家,由于对能源植物了解不多,在科研项目立项评审过程中,不利于能源作物的立项和资金争取。

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来源:经济参考报
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