我國(guó)在天然種質(zhì)資源、氣候土壤適應(yīng)性、選育種植技術(shù)等方面均有優(yōu)勢(shì)
控制化石能源消耗，減少溫室氣體排放、尋找可再生清潔能源已是全世界共識(shí)。對(duì)生物質(zhì)能的研究，吸引大批科研人員目光。然而，第一代能源作物玉米、水稻、甘蔗、大豆等在給人類贏得替代能源希望的同時(shí)，也隨之帶來凈能量產(chǎn)出少、與糧食作物爭(zhēng)搶耕地等一系列負(fù)面效應(yīng)。于是，尋找第二代能源作物成為生物質(zhì)能領(lǐng)域重要課題，一種叫芒草的能源作物聚集了人們的目光……
第二代生物能源研發(fā)的“中國(guó)優(yōu)勢(shì)”
我國(guó)是芒草自然資源最為豐富的國(guó)家。近期，由中科院植物所、中科院武漢植物園、上海生命科學(xué)研究院等單位合作展開的新一代能源作物研究取得關(guān)鍵性突破。經(jīng)過三年來的種植試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，原產(chǎn)我國(guó)的芒草具備豐富的遺傳多樣性，人工馴化后將對(duì)我國(guó)土地資源利用、能源格局產(chǎn)生革命性影響。然而，由于我國(guó)第二代能源作物研究處于起步階段，在科研立項(xiàng)和轉(zhuǎn)化研究方面存在體制機(jī)制矛盾，有關(guān)研究人員建議，國(guó)家應(yīng)對(duì)第二代能源作物研究進(jìn)行重點(diǎn)立項(xiàng)，加強(qiáng)產(chǎn)學(xué)研結(jié)合。
試驗(yàn)讓科研人員驚喜
在全世界14個(gè)野生芒草種類中，中國(guó)擁有七個(gè)種，分布幾乎貫穿了我國(guó)整個(gè)氣候帶，而且擁有生物質(zhì)產(chǎn)量最高的四個(gè)種類，是芒草自然資源最為豐富的國(guó)家。
2008年，中科院植物所、上海生命科學(xué)研究院、中科院武漢植物園組成芒草研究小組，項(xiàng)目得到中科院知識(shí)創(chuàng)新工程重要方向項(xiàng)目的資助。當(dāng)年秋天，啟動(dòng)了全國(guó)范圍野生芒草收集工作。2009年，中科院武漢植物園研究員李建強(qiáng)等人把收集到的約100個(gè)芒草自然居群，分別種在了內(nèi)蒙古錫林郭勒國(guó)家草原生態(tài)站、黃土高原上的甘肅省慶陽，另外一部分種在武漢作為對(duì)照。
“我們選了三個(gè)生物量最大而花期又大致相同的野生種，種植后的第二年開始就不澆水、不施肥，完全靠天吃飯。”李建強(qiáng)說，不知道芒草的生物性能和遺傳特性在國(guó)內(nèi)這幾個(gè)地方有何表現(xiàn)，內(nèi)心期待。
經(jīng)過2009年、2010年兩個(gè)生長(zhǎng)季，李建強(qiáng)他們驚喜地發(fā)現(xiàn)，一部分芒草可以在寒冷的錫林郭勒生長(zhǎng)，另外一些在較為干旱的慶陽則長(zhǎng)勢(shì)喜人，而且在甘肅慶陽的芒草生物質(zhì)含量高過芒草的原生地武漢江夏地區(qū)。
李建強(qiáng)說，這說明芒草種類具有豐富的遺傳變異和很強(qiáng)的適應(yīng)性，可供培育耐冷、耐旱和耐貧瘠的高產(chǎn)能源作物。
這一結(jié)果讓科研人員非常興奮。經(jīng)過多次分析總結(jié)，今年5月份，研究小組將研究成果在線發(fā)表于《全球變化生物學(xué)生物質(zhì)能源》(GlobalChangeBiologyBioenergy)雜志上。同時(shí)，該雜志以“適者為芒”(MiscanthusAdapts)為題，對(duì)此成果進(jìn)行了新聞發(fā)布，迅速受到國(guó)際上廣泛關(guān)注，美國(guó)科學(xué)促進(jìn)會(huì)新聞網(wǎng)站(AAASEureAlert)、歐洲科學(xué)新聞(AlphaGalileo)、每日科學(xué)(ScienceDaily)、細(xì)胞出版社新聞(CellPressNewsAggregator)、科學(xué)新聞在線(ScienceNewsline)等都進(jìn)行了轉(zhuǎn)載報(bào)道。
可“點(diǎn)綠”我國(guó)干旱半干旱地區(qū)
研究小組對(duì)我國(guó)黃土高原地區(qū)進(jìn)行了考察，根據(jù)芒草在我國(guó)的產(chǎn)量，保守地進(jìn)行了一個(gè)效益測(cè)算。
除開耕地以及不宜種植土地，黃土高原有43萬平方公里可以用于種植芒草，根據(jù)甘肅慶陽試驗(yàn)基地的產(chǎn)量，保守估計(jì)以每公頃年產(chǎn)芒草干重11噸計(jì)算，總產(chǎn)量為五億噸。這些產(chǎn)量如果全部轉(zhuǎn)化成乙醇，大致相當(dāng)于我國(guó)2010年消耗的汽油總量。
再進(jìn)一步推算，如果在集中分布于中國(guó)北方和西北的貧瘠、退化土地上種植一億公頃(100萬平方公里)芒草，以平均每公頃干重10噸計(jì)算，總產(chǎn)量為10億噸，可發(fā)電1458萬億千瓦時(shí)，減排二氧化碳16億噸，相當(dāng)于中國(guó)2007年總用電量的45%和二氧化碳總排放量的28%；用其中的一半作為原料轉(zhuǎn)化出的乙醇，大致相當(dāng)于我國(guó)2010年消耗的汽油。
中科院武漢植物園系統(tǒng)與進(jìn)化植物學(xué)學(xué)科首席研究員李建強(qiáng)總結(jié)認(rèn)為，對(duì)芒草作為第二代能源作物研發(fā)可以實(shí)現(xiàn)三大功能：
一是糧食安全。芒草可取代糧食、經(jīng)濟(jì)作物成為新一代能源作物，緩解糧食危機(jī)。
二是能源獨(dú)立。我國(guó)有大面積的干旱、半干旱無法耕種的邊際性土地，如果這部分土地能夠作為生物能源的生產(chǎn)地，將改變能源依賴進(jìn)口的格局。
三是生態(tài)保護(hù)。芒草極強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性可以改善干旱、半干旱非耕地的植被狀況，同時(shí)保持水土和防止土地荒漠化。
“荒蕪的干旱、半干旱地區(qū)，如果種上芒草，想象一下都很激動(dòng)。綠了、亮了，老百姓還可以從中發(fā)家致富。”中科院植物研究所資源植物研發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任桑濤對(duì)芒草也抱著巨大的希望。
進(jìn)入人工馴化階段
要使上述一切變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，對(duì)芒草的研究還有不短的路要走。桑濤說，目前的研究結(jié)果已經(jīng)證明，芒草是我國(guó)最優(yōu)的第二代能源作物選擇，接下來要突破的是進(jìn)行人工馴化。
所謂人工馴化就是將野生的作物種子通過人工選育、雜交等方式轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢匀藶橛N、種植的作物。“完成芒草從野生植物到作物的轉(zhuǎn)變就是人工馴化的目標(biāo)”，桑濤說。
其實(shí)，人們對(duì)人工馴化并不陌生。桑濤告訴記者，我們吃的大米、小麥都是經(jīng)過人工馴化得來的，始于大約一萬年前的糧食作物馴化奠定了人類文明的基礎(chǔ)。比如水稻就是野生稻經(jīng)過人類逐漸移栽、選育、培育的漫長(zhǎng)過程形成的。
據(jù)了解，根據(jù)研究小組的安排，接下來要完善芒草基因組學(xué)平臺(tái)的建設(shè)。明年開始篩選出在干旱、貧瘠、退化土地和鹽堿地上的高產(chǎn)芒草株系，開展雜交試驗(yàn)。2013年到2014年，對(duì)芒草的抗逆性和產(chǎn)量性狀進(jìn)行數(shù)量遺傳學(xué)分析；通過模擬分析，評(píng)估芒草能源植物在我國(guó)的生產(chǎn)潛力以及大規(guī)模種植的環(huán)境生態(tài)效應(yīng)。
作為植物馴化領(lǐng)域的專家，桑濤表示，根據(jù)現(xiàn)有的遺傳基因技術(shù)，芒草的基礎(chǔ)馴化只需要幾年時(shí)間。據(jù)他介紹，今年研究小組在山東東營(yíng)的鹽堿地和甘肅環(huán)縣更加干旱的地區(qū)進(jìn)行了試驗(yàn)，選取30萬個(gè)基因個(gè)體，從中挑出更加耐旱、耐寒、抗鹽堿的種質(zhì)資源，進(jìn)行人工雜交和育種，然后做基因遺傳學(xué)分析。
“這個(gè)過程不會(huì)很長(zhǎng)，而且這件事情全世界目前都沒有做過，因?yàn)闅W美國(guó)家不是芒草原產(chǎn)地，沒有種質(zhì)資源。另外，歐美國(guó)家耕地眾多，不需要馴化在干旱、貧瘠土地上生長(zhǎng)的能源作物。但是他們最終也需要遺傳多樣性高的作物，這樣很可能要依賴我們的馴化育種。”桑濤說。
資金和政策支持還要更“給力”
當(dāng)前，我國(guó)正大力發(fā)展生物能源，但是因生物資源問題遭遇瓶頸，而對(duì)第二代能源作物研究起步較晚，在能源作物研究上也遇到一些體制上的制約。科研工作者們建議國(guó)家提高對(duì)第二代能源作物研究的重視，增加投入，掃除科研機(jī)制上和產(chǎn)學(xué)研上存在的一些障礙，加快芒草從研到產(chǎn)的進(jìn)程。
中科院植物所、上海生命科學(xué)研究院、中科院武漢植物園組成的芒草研究小組認(rèn)為，節(jié)能減排是我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式轉(zhuǎn)型的內(nèi)在壓力，而科學(xué)發(fā)展成為發(fā)展生物能源的內(nèi)在動(dòng)力。近年來我國(guó)生物能源的發(fā)展成就斐然。到2010年底，全國(guó)生物質(zhì)直燃發(fā)電裝機(jī)已達(dá)200萬千瓦，以糧食為原料的生物燃料乙醇產(chǎn)量達(dá)到了180萬噸。
2007年，國(guó)家制定了《可再生能源中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃》，提出的2020年生物質(zhì)發(fā)電目標(biāo)是3000萬千瓦，生物燃料乙醇的發(fā)展目標(biāo)是1000萬噸。不過業(yè)界認(rèn)為，這個(gè)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)有著客觀困難。主要就是，企業(yè)紛紛上馬生物發(fā)電項(xiàng)目，但是都遭遇了生物資源短缺的問題。這是由生物質(zhì)資源的季節(jié)性、分散性與生物質(zhì)發(fā)電的連續(xù)性、集中性的矛盾引起的。
專家認(rèn)為，將芒草發(fā)展為我國(guó)專業(yè)的能源作物可以解決這一難題，實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)能規(guī)模化利用的途徑是專業(yè)化和產(chǎn)業(yè)化，作為最優(yōu)選擇，芒草可以擔(dān)此重任。
但是，當(dāng)前芒草的研究也面臨一些困局。
首先，國(guó)家目前雖然十分重視生物能源研發(fā)，但我國(guó)的生物能源究竟有多大潛力和前景還沒有進(jìn)行過科學(xué)評(píng)估。國(guó)內(nèi)相關(guān)研究也比較薄弱和分散，科研資源尚未整合。
其次，由于我國(guó)能源作物的研究主要由植物研究機(jī)構(gòu)承擔(dān)，能源植物科研項(xiàng)目多由我國(guó)能源方面專家評(píng)審，他們大多是石油、煤炭等化石能源方面研究出身的專家，由于對(duì)能源植物了解不多，在科研項(xiàng)目立項(xiàng)評(píng)審過程中，不利于能源作物的立項(xiàng)和資金爭(zhēng)取。
與美國(guó)對(duì)能源革命的高度重視相比，我國(guó)在能源產(chǎn)業(yè)特別是新能源產(chǎn)業(yè)方面的扶持和能源革命的推進(jìn)方面顯得相對(duì)滯后和力度不足。
桑濤告訴記者，實(shí)際上，對(duì)于第二代生物能源的研究，我國(guó)比美國(guó)等西方國(guó)家更加緊迫。我國(guó)每年有50%以上的石油依賴進(jìn)口，而美國(guó)石油儲(chǔ)備遠(yuǎn)高于我國(guó)，并且有著廣闊的閑置耕地和輪休耕地，第一代生物能源生產(chǎn)技術(shù)成熟，而且糧食安全壓力和耕地減少壓力沒有我國(guó)大。因此，我國(guó)更應(yīng)該將第二代生物能源的研究提升至能源戰(zhàn)略的高度，迎頭追趕，方能占住先機(jī)。因?yàn)椋覀冇兄鞣絿?guó)家無法比擬的種質(zhì)資源優(yōu)勢(shì)。
桑濤呼吁，希望國(guó)家加大對(duì)第二代生物能源研究政策上和資金上的支持力度。
此外，目前芒草的研究處在人工馴化階段，要加快從研到產(chǎn)的進(jìn)程，還需要多學(xué)科合作、進(jìn)行整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的系統(tǒng)化研究。
研究小組認(rèn)為，芒草不僅是能源作物，還是非常好的材料、涂料作物，建議國(guó)家有關(guān)部門整合科研資源，加強(qiáng)對(duì)芒草綜合開發(fā)利用的重視和實(shí)際鼓勵(lì)。
另外，我國(guó)目前生物能源研究的主要力量集中在植物能源轉(zhuǎn)化方面，忽視了能源植物這一生物能源轉(zhuǎn)化的物質(zhì)基礎(chǔ)研究。現(xiàn)階段，我國(guó)生物能源研究人員缺乏，人才隊(duì)伍建設(shè)與歐美相比之歐美差距還是很大。
針對(duì)以上問題，專家建議，國(guó)家有關(guān)部門能夠加大對(duì)能源作物研究方面的投入，將生物能源提升到我國(guó)新時(shí)期可持續(xù)性發(fā)展的能源戰(zhàn)略高度，爭(zhēng)取早日實(shí)現(xiàn)芒草的人工馴化，為生物能源開發(fā)提供優(yōu)質(zhì)、專業(yè)化、持續(xù)不斷的能源原料。
同時(shí)，對(duì)第二代能源作物從生物育種、種植推廣、能源轉(zhuǎn)化、生產(chǎn)機(jī)制和模式等進(jìn)行系統(tǒng)科學(xué)研究和試驗(yàn)。“一條龍的研發(fā)可加快芒草實(shí)現(xiàn)其在糧食、能源、生態(tài)三方面的綜合效益，最終使我國(guó)走在歐美前列，成為新一代能源作物的主產(chǎn)國(guó)和生物能源大國(guó)。”李建強(qiáng)說。
專家們還特別提出，目前我國(guó)擁有植物能源轉(zhuǎn)化技術(shù)，但是不夠優(yōu)化和高效，建議投資建立芒草生物能源轉(zhuǎn)化試驗(yàn)廠，從而整體推進(jìn)我國(guó)生物能源研發(fā)和生產(chǎn)能力。
最后專家建議，國(guó)家應(yīng)重點(diǎn)扶持我國(guó)生物能源相關(guān)專業(yè)的發(fā)展，培養(yǎng)生物、環(huán)境、能源跨學(xué)科綜合人才。
芒草———能源作物新秀強(qiáng)勢(shì)登場(chǎng)
化石能源日益緊缺，污染日趨嚴(yán)重，新能源的開發(fā)和利用成為世界各國(guó)面臨的時(shí)代課題。在尋找替代化石能源和第一代能源作物的過程中，芒草漸漸進(jìn)入研究人員的視野，成為第二代能源植物中的希望。
第一代能源作物與人搶地爭(zhēng)糧
當(dāng)今世界，再生能源發(fā)展迅速，風(fēng)能、太陽能、地?zé)帷⒊毕⑺姾蜕镔|(zhì)能……都取得快速發(fā)展，其中生物質(zhì)能主要指綠色作物通過光合作用而形成的有機(jī)體。生物質(zhì)能是太陽能以化學(xué)能形式貯存在生物質(zhì)中的能量形式，即以生物質(zhì)為載體的能量。目前，我國(guó)農(nóng)村常見的生物質(zhì)能有秸稈、沼氣等。
第一代能源作物主要是玉米、水稻、甘蔗、大豆、油菜等糧食和經(jīng)濟(jì)作物。這些植物大多為一年生，需年年耕地播種，大量灌溉施肥，投入的能量大，凈能量產(chǎn)出卻少得可憐。加上它們還與糧食作物爭(zhēng)耕地，由此帶來一系列負(fù)面效應(yīng)。比如，人們?yōu)檠a(bǔ)充耕地而砍伐森林，結(jié)果降低了地球的碳儲(chǔ)存能力，反而不利于解決溫室效應(yīng)。
美國(guó)等西方國(guó)家擁有大量閑置土地，因此他們發(fā)展第一代生物能源條件比較優(yōu)越，已經(jīng)形成規(guī)模。但是，對(duì)于擁有世界1/5人口的中國(guó)，耕地面積不及世界的1/10，用耕地生產(chǎn)第一代能源植物必然危及糧食安全和國(guó)家穩(wěn)定。
芒草多種優(yōu)勢(shì)集于一身
為解決能源植物和糧食作物爭(zhēng)地的矛盾，世界各國(guó)均在尋找合理的替代途徑。早在上個(gè)世紀(jì)80年代，芒草中的巨芒草就進(jìn)入了西方科學(xué)家的研究視野。西方科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，作為第二代能源作物，巨芒草具有多種優(yōu)勢(shì)。
芒草能夠在貧瘠的土地上生長(zhǎng)，不會(huì)與糧食作物爭(zhēng)耕地；它們光合效率高，可以更有效地把太陽能和二氧化碳轉(zhuǎn)化儲(chǔ)存起來；年產(chǎn)生物量大，能提供更多的生物質(zhì)以轉(zhuǎn)化為燃料。同時(shí)，芒草具有高效用水、用肥和光合作用的能力，并且一年播種可持續(xù)生產(chǎn)10到20年，投入低，凈能量產(chǎn)出相當(dāng)大。正是由于芒草具有不與糧食爭(zhēng)耕地、產(chǎn)量高、減碳能力強(qiáng)、凈能量大等多個(gè)優(yōu)勢(shì)，迅速成為能源作物研究中的新星。
與谷物類糧食作物一樣，芒草在分類學(xué)上屬于被子植物的禾本科。全世界共有約14個(gè)野生種，大多分布在亞洲，少量產(chǎn)于非洲，屬碳四植物，具有高光飽和點(diǎn)、高光合速率和高光合生產(chǎn)效率生理特性，比碳三植物耗水少且光合效率高。
國(guó)際上研究最多的巨芒草，是一個(gè)起源于日本的不育三倍體雜交種，其父母本是原產(chǎn)于東亞(包括中國(guó))的二倍體的芒和四倍體的荻。1935年巨芒草作為觀賞植物傳入丹麥，半個(gè)世紀(jì)后，作為能源作物的潛力替代品種首先在歐洲得到認(rèn)可和測(cè)試。
芒草研究已經(jīng)進(jìn)入西方新能源戰(zhàn)略
據(jù)中科院植物研究所資源植物研發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任桑濤介紹，美國(guó)于2007年起建立了四個(gè)生物質(zhì)能研究中心，動(dòng)員美國(guó)幾乎所有相關(guān)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和數(shù)十所研究型高校對(duì)第二代能源作物進(jìn)行研究。在美國(guó)第二代能源植物開發(fā)計(jì)劃中，柳枝稷、芒草、柳樹、楊樹均成為重點(diǎn)研究的對(duì)象。
美國(guó)國(guó)家能源顧問斯蒂芬？朗是對(duì)芒草研究較為深入的科學(xué)家之一。最近，他們的研究結(jié)果表明，在幾乎不施肥的情況下，巨芒草的干生物質(zhì)產(chǎn)量達(dá)到了平均每公頃30噸。如果對(duì)芒草品種進(jìn)一步改良，使其在更廣泛的地區(qū)種植并提高產(chǎn)量，理論上拿出美國(guó)6.2%的耕地面積就可以生產(chǎn)出1330億升乙醇，可以取代美國(guó)2008年汽油使用量的20%，減少該年美國(guó)因使用石油所排放的二氧化碳量的30%。
美國(guó)學(xué)者薩莫維爾將美國(guó)生物能源戰(zhàn)略提升至新世紀(jì)的“曼哈頓計(jì)劃”。美國(guó)應(yīng)對(duì)金融危機(jī)時(shí)，發(fā)起了一場(chǎng)能源革命。有觀點(diǎn)認(rèn)為，奧巴馬主導(dǎo)的能源革命是以綠色經(jīng)濟(jì)為主推動(dòng)新的經(jīng)濟(jì)革命，這場(chǎng)革命已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出單純的經(jīng)濟(jì)振興計(jì)劃，被廣泛譽(yù)為“開啟一場(chǎng)綠色革命”。
當(dāng)前，美國(guó)力推的經(jīng)濟(jì)復(fù)興計(jì)劃核心即是能源產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型和發(fā)展，最終目標(biāo)是通過能源改造、轉(zhuǎn)型，使美國(guó)大幅減少對(duì)進(jìn)口石油的依賴，較少依賴化石能源，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)國(guó)際秩序的重建，促使全球經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型。具體來說，這將催生一個(gè)全新的產(chǎn)業(yè)，不僅為美國(guó)創(chuàng)造數(shù)百萬個(gè)就業(yè)崗位，而且在新能源技術(shù)及其應(yīng)用方面，也將取得重大的突破。未來，美國(guó)計(jì)劃大量投資和開發(fā)綠色能源。
因此，美國(guó)對(duì)開發(fā)第二代能源作物寄予厚望。
英國(guó)巨芒草燃料試驗(yàn)領(lǐng)先于歐洲其他國(guó)家。據(jù)路透社消息，英國(guó)巨芒草種植規(guī)模急劇擴(kuò)大，在過去五年里，收獲量增長(zhǎng)了十幾倍，這將幫助英國(guó)更快更好地滿足歐盟可再生能源目標(biāo)。去年，英國(guó)啟動(dòng)了巨芒草能源計(jì)劃。英國(guó)最大的火電站德拉克斯電站已經(jīng)開始將煤和芒草混合發(fā)電。今年年初的英國(guó)糧食價(jià)格上漲，也未能改變英國(guó)這一計(jì)劃。
來源：《經(jīng)濟(jì)參考報(bào)》
