從美國能源牧草發(fā)展得到的啟示

王 粟，裴占江，史風(fēng)梅，高亞冰，鐘 鵬，劉 杰(黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)村能源研究所，黑龍江哈爾濱150086)

“能源牧草”概念的提出意在強(qiáng)調(diào)牧草可作為生物能源原料，同時將能源牧草定位為一種“多功效、多用途作物”［1］。牧草是一種易獲得、生產(chǎn)力高、儲量豐富的木質(zhì)纖維素生物質(zhì)，作為轉(zhuǎn)化燃料乙醇的原料潛力巨大［2］。

種植能源牧草短時間內(nèi)能夠獲得最大產(chǎn)量，隨后每年都產(chǎn)生可觀收益，在無需求時可非常靈活地調(diào)整或停止生產(chǎn)。尤其是可以生長在荒灘、鹽堿地等邊際生境，可以控制土壤侵蝕，提高生物多樣性，具有良好的環(huán)境效應(yīng)［3－4］。與木本植物相比，牧草更便于管理，利用其生產(chǎn)生物能源比天然牧場或耕種作物的傳統(tǒng)土地利用方式更具有提升生態(tài)價值的意義。

作為生產(chǎn)生物燃料原料，能源牧草研究和開發(fā)一直得到美國政府的高度重視，其研究水平也一直處于世界領(lǐng)先地位，而我國在能源牧草的研究與開發(fā)起步較晚，與美國存在諸多的不足和差距。筆者通過對美國能源牧草戰(zhàn)略地位、前沿技術(shù)、研究體系、生產(chǎn)現(xiàn)狀調(diào)查，分析了我國能源牧草研究和開發(fā)差距和潛力，提出了我國能源牧草學(xué)科發(fā)展的具體建議，以期為我國能源牧草今后的發(fā)展提供理論參考。

1 美國能源牧草的發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 能源牧草在美國的戰(zhàn)略地位 美國是生物質(zhì)燃料生產(chǎn)和使用的引領(lǐng)者。2011年，美國生產(chǎn)了5.0×1010L燃料乙醇，占世界總生產(chǎn)量的一半以上。2012年，美國能源部發(fā)布的《2012能源展望》報告指出，到2035年生物質(zhì)能源產(chǎn)量將由2010年的40.5萬桶增加到2035年的96.8萬桶，增量超過100%，液體生物質(zhì)燃料在燃料總消費(fèi)中所占的比例從2010年的1%上升至4%［5］。

美國通過立法、制定路線圖及研發(fā)計(jì)劃和項(xiàng)目布局，對能源植物研究進(jìn)行了周密部署。在法律層面先后出臺了《生物質(zhì)研究法》、《能源獨(dú)立與安全法》等，將能源植物研究納入了管理體系并部署了投資方案［6－7］。在這些法案的指導(dǎo)下美國能源部和農(nóng)業(yè)部為主獨(dú)立或聯(lián)合發(fā)布了多個路線圖，制定了能源植物研究目標(biāo)和研究重點(diǎn)并通過各法案的資助布設(shè)了許多能源植物研究項(xiàng)目，開展能源植物基礎(chǔ)和可持續(xù)性研究。

1.2 美國能源牧草研究進(jìn)展 美國在生物質(zhì)生產(chǎn)燃料的生物能源計(jì)劃中確定了生產(chǎn)纖維素類物質(zhì)潛力大的34種草本植物和125種木本植物［8］。在多年生草本木質(zhì)纖維素作物中，研究最多的是禾本科根莖類植物，其中柳枝稷、草蘆、蘆竹等是較為理想的能源牧草［9］。

柳枝稷(Panicum virgatum)的研究和利用現(xiàn)狀反映了美國能源牧草研究的最新成就。20世紀(jì)90年代，美國能源部就開始嘗試將柳枝稷作為生物能源作物進(jìn)行研究，并將其確定為研究能源牧草的模式植物［10－11］。與傳統(tǒng)壟作物相比，柳枝稷不需要年年種植，成本低，且生長迅速，生產(chǎn)力高，根系發(fā)達(dá)，耐瘠薄、洪澇和干旱，與現(xiàn)有傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)和畜牧業(yè)競爭很小。作為能源牧草，其細(xì)胞壁可被消化為糖類并隨之發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇，產(chǎn)量約500 L/hm2。

通過基因工程手段進(jìn)行細(xì)胞壁設(shè)計(jì)制取生物燃料是當(dāng)前能源牧草研究的最新技術(shù)。植物中的木質(zhì)素結(jié)構(gòu)阻礙了纖維素的轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致轉(zhuǎn)化為液體燃料的成本大幅度增加，成本為玉米乙醇的2～3倍。美國的科學(xué)家已經(jīng)設(shè)計(jì)出木質(zhì)素更容易降解的植物。轉(zhuǎn)化后的木質(zhì)素在弱堿性環(huán)境下很容易被降解，且被修飾過的植物做飼料時更容易被消化，有利于節(jié)約糧食類飼料。細(xì)胞壁設(shè)計(jì)已成為能源牧草研究的熱門領(lǐng)域并顯示出良好的發(fā)展?jié)摿Γ?2－14］。

與種植糧食作物不同，種植能源牧草的目的是獲取較高的纖維素(多糖)產(chǎn)量，功能基因組學(xué)研究已經(jīng)在纖維素、半纖維素合成方面取得了突破性進(jìn)展。今后研究方向包括:①集中在細(xì)胞壁多糖合成過程和含量增加的基因設(shè)計(jì)上;②增加整體的生物質(zhì)產(chǎn)量，主要包括植物生長調(diào)控機(jī)理、碳源調(diào)控、養(yǎng)分利用等方面。

1.3 美國能源牧草的主要研究機(jī)構(gòu) 能源牧草的研究一直被納入美國國家層面研究體系，由政府直接管理和扶持。美國環(huán)境署、能源部和農(nóng)業(yè)部3個部門為相關(guān)研究機(jī)構(gòu)提供政策和資金保障，引領(lǐng)行業(yè)發(fā)展。

1.3.1 美國國家植物資源系統(tǒng)(The National Plant Germplasm System，NPGS)。美國國家植物資源系統(tǒng)是保存、收集、整理和評價品種資源的重要機(jī)構(gòu)。柳枝稷作為重要的能源植物，其種質(zhì)保存在喬治亞格里芬植物遺傳資源保存中心，收集了來自全美21個州的181份資源。

1.3.2 美國能源部所屬研究中心。作為制定國家能源戰(zhàn)略的機(jī)構(gòu)，在生物燃料方面設(shè)置了三大研究中心，包括幾十所大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)。作為研發(fā)資金的資助者，既保證了充足的研究經(jīng)費(fèi)，又有利于研究方向和國家戰(zhàn)略需求統(tǒng)一。

(1)生物能源科學(xué)中心(The BioEnergy Science Center，BESC)。該中心以柳枝稷和楊樹為目標(biāo)植物，通過分子生物學(xué)手段設(shè)計(jì)細(xì)胞壁快速降解的植物品種以及生物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程中的結(jié)構(gòu)和成分限制因子，開發(fā)新的轉(zhuǎn)化工藝和復(fù)合酶系，提高轉(zhuǎn)化生物燃料的效率。

(2)大湖生物能源研究中心(The Great Lakes Bioenergy Research Center，GLBRC)。主要研究包括農(nóng)業(yè)廢棄物、木片和能源牧草等原料轉(zhuǎn)化為液體生物燃料，此外該中心還與農(nóng)業(yè)研究機(jī)構(gòu)合作開發(fā)經(jīng)濟(jì)上可行、環(huán)境友好的生物能源生產(chǎn)技術(shù)。

(3)聯(lián)合生物能源研究所(The Joint BioEnergy Institute，JBI)。在對纖維素基因和酶水平充分理解的基礎(chǔ)上，開發(fā)了發(fā)酵糖容易降解的專門能源植物以及新型預(yù)處理溶劑有效地將生物質(zhì)降解為多糖，同時分離木質(zhì)素。

1.3.3 私營公司。

(1)克瑞斯公司。該公司掌控了1 000多個影響植物生物質(zhì)相關(guān)基因，并已形成了世界上最大的能源作物試驗(yàn)示范網(wǎng)絡(luò)，主要銷售柳枝稷、甜高粱、芒草和高生物質(zhì)甘蔗能源作物種子。同時，開發(fā)了用于生產(chǎn)纖維素生物燃料的定制植物變種和酶混合劑。

(2)Metabolix公司。主要從事生物基再生塑料、生物電池、生物精煉技術(shù)研究與開發(fā)。該公司利用柳枝稷的葉片生產(chǎn)了“數(shù)量巨大”的生物塑料產(chǎn)品——聚羥基脂肪酸酯(PHA)，形成了一套通過混合許多天然關(guān)系緊密的物質(zhì)的基因生產(chǎn)塑料的程序。

2 我國能源牧草發(fā)展的現(xiàn)狀

在我國，主要是以玉米為原料，同時正積極開發(fā)甜高粱、薯類、秸稈等其他原料生產(chǎn)乙醇［15－17］。纖維素類原料主要是作物秸稈和廢木材等，對能源牧草研究較少。隨著《中華人民共和國可再生能源法》、《可再生能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展指導(dǎo)目錄》、《可再生能源發(fā)展“十一五”規(guī)劃》等政策法規(guī)的陸續(xù)出臺，我國能源牧草的研究也得到了快速發(fā)展［18］。李建龍教授開展了利用草本蘆竹生產(chǎn)燃料乙醇的研究［19］;徐寧等利用芒草為材料，分析了細(xì)胞壁成分變化及其影響［20］;王曉娟等利用柳枝稷探索了制備燃料乙醇預(yù)處理新技術(shù)，100 g柳枝稷可獲得12 g燃料乙醇［21］;另外，許多機(jī)構(gòu)也針對不同的地域條件對能源牧草的種植與開發(fā)進(jìn)行了評估［22－24］。然而，與美國相比，我國能源牧草研究起步晚，發(fā)展相對滯后，主要存在以下方面差距和不足:①國家政策支持和資金投入方面。以能源牧草為主要原料生產(chǎn)生物質(zhì)液體燃料一直是美國實(shí)施能源戰(zhàn)略的重要舉措。美國學(xué)者薩莫維爾甚至將美國生物能源戰(zhàn)略提升至新世紀(jì)的“曼哈頓計(jì)劃”。最近，美國農(nóng)業(yè)部、能源部與美國海軍合作，計(jì)劃在未來3年中共同投資5.1億美元研發(fā)先進(jìn)的生物燃料。但是，我國在此方面政策和資金投入均存在較大差異。②研究體系和架構(gòu)方面。美國在國家層面由能源部、農(nóng)業(yè)部和環(huán)境署牽頭，幾乎整合了全美所有生物質(zhì)能源學(xué)科相關(guān)優(yōu)勢科研資源，分工合作，開展系統(tǒng)研究，科研體系完備。這不僅最大限度地提升了科研效率，同時從體制上避免了科研設(shè)施和人才資源浪費(fèi)。與美國相比，盡管我國也成立了生物質(zhì)液體燃料產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟，但研究體系無論是規(guī)模上還是組織化程度都相去甚遠(yuǎn)。③能源牧草學(xué)科建設(shè)方面。我國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?，F(xiàn)階段，我國生物能源研究人員缺乏，人才隊(duì)伍建設(shè)與歐美相比差距還是很大。

3 我國能源牧草發(fā)展的對策

我國幅員遼闊，地域跨度大，能源牧草種類豐富，而且能源牧草適應(yīng)性強(qiáng)。我國南方約有0.2×108hm2荒山荒坡，北方有1×108hm2鹽堿地，利用荒山荒坡和鹽堿地、荒灘、沙地種植能源牧草既能充分利用邊際土地，又可提供大量的生產(chǎn)原料，改善生態(tài)環(huán)境、增加農(nóng)民收入。柳枝稷在我國大部分地區(qū)均適合生長，在水土流失嚴(yán)重的黃土高原地區(qū)還能夠顯著改變當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境。在我國，能源牧草蘊(yùn)藏著巨大的發(fā)展?jié)摿Α榇?，?yīng)明確未來的方向，以加快我國能源牧草發(fā)展的步伐。

3.1 因地制宜的制定能源牧草發(fā)展戰(zhàn)略 我國幅員遼闊，能源牧草資源豐富，應(yīng)因地制宜的對不同區(qū)域進(jìn)行分析評價，結(jié)合“三農(nóng)”、“三牧”以及環(huán)境等問題，制定合理有效的開發(fā)途徑和技術(shù)方法，加強(qiáng)政策引導(dǎo)和資金扶持，最大效能地發(fā)揮能源牧草在農(nóng)業(yè)、牧業(yè)、能源建設(shè)和環(huán)境保護(hù)功能。

3.2 科研團(tuán)隊(duì)的建設(shè)，提升研究水平 借鑒美國能源牧草研究的科研體系，整合科研資源，分工合作，開展系統(tǒng)研究，避免科研設(shè)施和人才的浪費(fèi)，提高科研效率。在研究中，注重夯實(shí)科研基礎(chǔ)，科學(xué)發(fā)展。加強(qiáng)對能源牧草的抗性研究，培育優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、高效、多用途的能源牧草新品種，改進(jìn)能源牧草的抗寒、抗旱和耐鹽堿能力，提高其對環(huán)境的適應(yīng)性。

3.3 加強(qiáng)對外交流與合作 美國、歐洲等國家的能源牧草研究起步早、發(fā)展快，組織化、產(chǎn)業(yè)化程度高。因此，應(yīng)加強(qiáng)與先進(jìn)國家的交流與合作，可以有針對性地選派國內(nèi)高水平大學(xué)及研究機(jī)構(gòu)的學(xué)生、科研人員通過留學(xué)、學(xué)術(shù)訪問等方式建立合作關(guān)系。同時，吸引美國生物質(zhì)能領(lǐng)域高層次人才回國或來華創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)。

［1］程序.能源牧草堪當(dāng)未來生物能源大任［J］.園藝，2013(1):27－29.

［2］LANG A，KOPETZ H，PARKER A.Australia:biomass energy holds big promise［J］.Nature，2012，488:590 －591.

［3］余醉，李建龍，李高揚(yáng).利用多年生牧草生產(chǎn)燃料乙醇前景［J］.草業(yè)科學(xué)，2009，26(9):62 －68.

［4］孔祥永.奧巴馬政府能源政策調(diào)整的成效與影響［J］.現(xiàn)代國際關(guān)系，2013(1):41－46.

［5］朱守先.低碳草業(yè)發(fā)展模式探析［J］.生態(tài)經(jīng)濟(jì)，2014，30(10):70 －72.

［6］付慶云，蘭月.美國能源政策轉(zhuǎn)向影響美國和世界能源走勢［J］.國土資源情報，2008(6):27－30.

［7］朱凱.美國能源獨(dú)立的構(gòu)想與努力及其啟示［J］.國際石油經(jīng)濟(jì)，2011(10):34－47.

［8］MIECHAEL D.Developing the bioenergy industry［J］.Biocycle international，2004，4:75 －78.

［9］LEWANDOWSKI I，SCURLOCK JMO，LINDVALL E，et al.The development and current status of Perennial rhizomatous grasses as energy crops in the US and Europe［J］.Biomass Bioenergy，2003，25(4):355 －361.

［10］VOGEL K P，SCHMER M R，MITCHELL R B.Plant adaptation regions:ecological and clmiatic classification of plant materials［J］.Rangeland E-cology and Management，2005，58:315 －319.

［11］MOSER L E，VOGEL K P.Switchgrass，big bluestem，and indiangrass［M］//BARNES R F.Forages:An introduction to grassland agriculture Vo.l5th.Ames:Iowa State Press，1995:409 －420.

［12］HIMMEL M E，DING S Y，JOHNSON D K，et.al.Biomass recalcitrance:engineering plants and enzymes for biofuels production［J］.Science，2007，315:804 －807.

［13］STICKLEN M B.Plant genetic engineering for biofuel production:towards affordable cellulosic ethanol［J］.Nat Rev Genet，2008，9:433 －443.

［14］PRINS M J，PTASINSKI K J，JANSSSEN F G.Exergetic optimization of a production process of Fischer－ Tropsch fuels from biomass［J］.Fuel Process Technol，2004，86:375 －389.

［15］王莉衡.能源植物的研究與開發(fā)利用［J］.化學(xué)與生物工程，2010，27(4):6 －8.

［16］陳英明，肖波，常杰.能源植物的資源開發(fā)與應(yīng)用［J］.氨基酸和生物資源，2005，27(4):1 －5.

［17］ABDERRAHIM B.Pilot plant studies of biodiesel production using Brassica carinataas raw material［J］.Catalysis Today，2005，106(4):193 －196.

［18］譚芙蓉，吳波，代立春，等.纖維素類草本能源植物的研究現(xiàn)狀［J］.應(yīng)用與環(huán)境生物學(xué)報，2014，20(1):162 －168.

［19］余醉，李高楊，李建龍，等.不同預(yù)處理對草本蘆竹生產(chǎn)燃料乙醇糖化效果比較［J］.貴州農(nóng)業(yè)科學(xué)，2008，36(6):117 －119.

［20］徐寧.能源植物細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)與堿處理降解轉(zhuǎn)化關(guān)系的研究［D］.武漢:華中農(nóng)業(yè)大學(xué)，2011.

［21］王曉娟.生物質(zhì)制備燃料乙醇預(yù)處理新技術(shù)研究［D］.大連:大連理工大學(xué)，2011.

［22］田兵，冉雪琴，薛紅，等.貴州42種野生牧草營養(yǎng)價值灰色關(guān)聯(lián)度分析［J］.草業(yè)學(xué)報，2014，23(1):92 －103.

［23］徐俊華.荒漠草原豆科與禾本科牧草光合特性及產(chǎn)量研究［J］.廣東農(nóng)業(yè)科學(xué)，2014(13):17 －23.

［24］龍會英，張德，史亮濤，等.元謀干熱谷優(yōu)良牧草的利用現(xiàn)狀與前景［J］.熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)，2014，34(7):46－50.