甜高粱作為一種生物能源作物的研究進(jìn)展

張慶芳

（遼寧省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)作物海南育種中心，海南樂東572541）

1 研究背景

全球經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展帶來的問題之一就是能源的過度消耗。預(yù)計(jì)到2025 年，能源消費(fèi)量將比20 年前增加50%以上；到2035 年，二氧化碳的排放將比20 年前增加20%以上。能源危機(jī)使得許多國家出臺相關(guān)政策，鼓勵研發(fā)和利用可再生能源。生物能源是一種很受青睞的可再生能源，其形式多樣、低碳、原材料潛力大并且容易控制。據(jù)估算，目前全世界的生物能源生產(chǎn)潛力約為33～1135 EJ/年，變化幅度非常大，主要受幾方面因素影響：糧食供給、糧食需求、生產(chǎn)類型、森林生產(chǎn)力、生物能源用途、可利用土地面積增加等。目前，全世界對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。甲基叔丁基醚是一種汽油辛烷值添加劑，其泄漏會導(dǎo)致水中產(chǎn)生致癌物質(zhì)。而生物乙醇可以替代甲基叔丁基醚，對環(huán)境不會造成污染。

1.1 生物能源的特點(diǎn)

生物能源是一種新型能源，能夠?qū)⑻柲苻D(zhuǎn)換為含碳化學(xué)能，被加工轉(zhuǎn)化為容易利用的三態(tài)能源。其優(yōu)點(diǎn)在于：便于儲存和運(yùn)輸、可以減少溫室氣體的排放、增加土壤碳封存。同時，其另一大優(yōu)勢是一種可生產(chǎn)液體能源的能量形式。糖類、淀粉類和油料等糧食作物的種子是生物能源的主要生產(chǎn)原料。由于這些糧食作物的新興功能與作用，長遠(yuǎn)來講，可以進(jìn)一步促進(jìn)發(fā)展中國家的糧食作物生產(chǎn)，推動國家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

生物能源發(fā)展到現(xiàn)在，最為迫脅的需求是尋找和發(fā)展專用能源作物，其需要具備如下特點(diǎn)：高效率轉(zhuǎn)換太陽能、高效率產(chǎn)出能量、高效率利用水分、強(qiáng)抗逆性、低生產(chǎn)成本、對環(huán)境危害小等。

1.2 甜高粱的特點(diǎn)

甜高粱，拉丁名是Sorghum bicolor（L.）Menoch，是高粱的一個變種，除霜凍地區(qū)外，甜高粱都是多年生作物[1-3]。甜高粱是一種理想的生物能源作物，與其他能源作物相比，具有高產(chǎn)量、高含糖量、較強(qiáng)的抗逆性、耐旱性等特點(diǎn)[4-5]。同時，由于甜高粱是C4 作物，CO2的補(bǔ)償點(diǎn)很低（空氣中CO2濃度為1 mg/L 時，光合作用即啟動）。甜高粱的最大短期光合生產(chǎn)率為51 g/d/m2，因此具有成為高能作物的潛力（甘蔗為50 g/d/m2，小麥為34 g/d/m2，大豆為39 g/d/m2）。一般甜高粱的燃料乙醇產(chǎn)量為5.25 t/hm2，而且成本較低，較利用甜菜生產(chǎn)乙醇的成本低50%左右，因此，利用甜高粱制備生物乙醇是節(jié)約成本的有效途徑[6]。美國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，甜高粱的乙醇產(chǎn)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于甘蔗，前者為6106 L/hm2，后者為4680 L/hm2。甜高粱的栽培起源于非洲大陸，在這種環(huán)境下能夠生長說明其具備較強(qiáng)的抗逆生長能力。其一表現(xiàn)為抗寒性非常強(qiáng)，由于其根系發(fā)達(dá)，并生有大量次生根，能夠大量吸收土壤中的水分，同時，甜高粱葉片表明和莖干表面覆蓋蠟質(zhì)，可有效減少水分散失。甜高粱的生產(chǎn)需水量較低，約為300 kg/kg 干物質(zhì)，而小麥和大豆的需水量卻是甜高粱的1 倍左右。有研究表明，甜高粱在生育期的總需水量為玉米的34%，甘蔗的26%。其二表現(xiàn)為耐澇性較強(qiáng)，有試驗(yàn)表明，在甜高粱的整個生育期，灌溉次數(shù)由2 次增加到6 次，但甜高粱產(chǎn)量并無明顯差異[7]。還有試驗(yàn)表明，對甜高粱進(jìn)行淹水1 周處理，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，甜高粱的生長并未受到影響，而且恢復(fù)正常生長環(huán)境后，甜高粱還能繼續(xù)生長，但是相同的處理?xiàng)l件（淹水）下，玉米僅可以維持生長3 d。其三表現(xiàn)為耐鹽堿性較強(qiáng)，由于甜高粱品種不同，它們可在pH 5.0～8.0、含鹽量0.5%～0.9%的土壤中生長，與其相比，水稻和玉米的耐受鹽含量為0.3%～0.7%，小麥的耐受鹽含量為0.3%～0.6%。而且，甜高粱還具有改良鹽堿土壤的作用。最值得注意的一點(diǎn)是，甜高粱在我國有廣泛的種植區(qū)域，北到黑龍江省，南到海南省，只要符合10℃以上的積溫達(dá)到1500～2500℃的情況下，都具有可種植的甜高粱品種。全球?qū)μ鸶吡蛔鳛槟茉醋魑锏难芯科鹪从?0 世紀(jì)70 年代，此時世界范圍內(nèi)出現(xiàn)了能源危機(jī)，由此看出，對能源作物的研究熱度與世界能源消耗情況密切相關(guān)。到了20 世紀(jì)80 年代，由于油價下跌，對能源作物的栽培育種研究熱度降低。近些年，甜高粱品種的選育主要以雜交育種為主，印度調(diào)查了適宜在熱帶地區(qū)生長且高產(chǎn)的雜交甜高粱品種的資源分布情況[8-10]。

1.3 甜高粱作為能源作物的效益指標(biāo)分析

在我國，種植甜高粱，可同時獲得顯著的經(jīng)濟(jì)效益、社會效益和環(huán)境效益[11]。一般來講，甜高粱的乙醇產(chǎn)量為1250～5625 L/hm2，這個產(chǎn)量相當(dāng)于10000 kg 左右的糧食的乙醇產(chǎn)量，可大量節(jié)約糧食。目前，國家正大力推進(jìn)精準(zhǔn)扶貧，種植甜高粱可以為農(nóng)民帶來較好的經(jīng)濟(jì)收益（種植收益達(dá)到8060 元/hm2），這個收益要高于種植大豆和玉米的收益。種植甜高粱的投資回報率為15%左右，回收周期為7 年。有調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在山東、新疆地區(qū)種植甜高粱，農(nóng)民的凈收入顯著高于種植其他作物。我國是能源消費(fèi)大國，在我國深入開發(fā)甜高粱作為能源作物，不僅可以幫助當(dāng)?shù)剞r(nóng)民增加收入，還可以解決我國面臨的能源短缺問題，促進(jìn)我國農(nóng)業(yè)和工業(yè)生產(chǎn)，保護(hù)生態(tài)環(huán)境。我國曾在5 個城市（哈爾濱、鄭州、洛陽、南陽、肇慶）作試點(diǎn)，進(jìn)行為期1 年的試驗(yàn)：用乙醇汽油代替?zhèn)鹘y(tǒng)汽油。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，車用乙醇汽油具有適用性和減排性的特點(diǎn)。以此推算，如果全國都使用甜高粱來生產(chǎn)乙醇汽油，則需要約270 萬hm2的種植面積來滿足需求[12]。

2 我國甜高粱栽培的主要品種

我國甜高粱選育工作始于20 世紀(jì)60 年代，以雅津系列為代表。到了20 世紀(jì)80 年代，我國開始從美國引進(jìn)甜高粱種質(zhì)，并進(jìn)行種植試驗(yàn)。我國甜高粱自交系和引進(jìn)的品種共有24 種，分別為：吉甜雜2 號，吉甜3 號、吉甜7號、綠能2 號、綠能3 號、能飼1 號、甜飼1 號、新高粱2號、新高粱3 號、新高粱7 號、雅津1 號、雅津2 號、雅津3號、雅津4 號、雅津13 號、雅津14 號、原甜1 號、考利（美國）、意達(dá)利（澳大利亞）、凱勒（美國）、M-81E（美國）、麗歐（美國）、洛馬（美國）、雷伊（美國）。

2.1 東北區(qū)甜高粱栽培的品種及特點(diǎn)

在東北區(qū)，由于氣候原因，較適宜種植的品種是中晚熟品種。東北地區(qū)的一些科研院所（遼寧省農(nóng)科院、吉林省農(nóng)科院、黑龍江省農(nóng)科院）經(jīng)過多年的選育研究，又育成一些新品種，主要是中晚熟品種，包括遼飼雜2 號、遼飼雜4 號、遼甜1 號、遼甜9 號、遼甜10 號、吉甜雜1 號、吉甜3 號和九甜雜4。這些品種的產(chǎn)量、榨汁率、莖干粗度等指標(biāo)優(yōu)于早熟品種。

2.2 黃淮海區(qū)甜高粱栽培的品種及特點(diǎn)

在黃淮海區(qū)，主要種植的也是中晚熟品種，早熟品種種植較少，僅有3 個品種（早熟1 號、能飼1 號、能飼雜1號）。中晚熟品種中比較好的主要有醇甜2 號、遼甜1 號、綠能2 號和遼飼雜2 號，株高、產(chǎn)量、糖錘度等指標(biāo)表現(xiàn)好于其他品種。

2.3 內(nèi)蒙古區(qū)甜高粱栽培的品種及特點(diǎn)

在內(nèi)蒙古區(qū)，主要栽培的品種有遼甜1 號、遼甜2號、遼甜3 號、晉甜雜2 號、吉甜雜2 號、吉甜3 號、通甜1號、甜格雷茲。這些大部分為中晚熟品種。

2.4 甘新區(qū)甜高粱栽培的品種及特點(diǎn)

在甘肅和新疆區(qū)，主要品種有遼甜1 號、綠能2 號、新高粱2 號、新高粱3 號、新高粱4 號、新高粱5 號、新高粱7號、考利、凱勒、M-81E、麗歐、綠能3 號、雷伊、早熟1 號、醇甜2 號、新高粱9 號、雅津4 號、醇甜4 號、醇甜1 號、沈農(nóng)甜雜2 號、遼飼雜1 號、BJ0602、BJ0603。這些品種在抗黑穗病、抗倒伏、抗旱、抗鹽堿、抗蟲等方面表現(xiàn)出色。

2.5 黃土高原區(qū)甜高粱栽培的品種及特點(diǎn)

在黃土高原區(qū)，主要品種有晉甜雜1 號、九甜雜三、吉甜5 號、超級放牧者、BJ0602、遼甜1 號、遼甜3 號、大力士、吉甜3 號。它們在抗葉病、抗倒伏、抗旱等方面表現(xiàn)較好。

2.6 西南區(qū)甜高粱栽培的品種及特點(diǎn)

在西南區(qū)，主要品種有遼甜1 號、遼甜2 號，遼甜3號，遼甜4 號，遼甜5 號，大力士。這些品種有很多是從北方引種，但是莖桿產(chǎn)量、糖錘度等方面表現(xiàn)不如北方。

2.7 長江中下游區(qū)甜高粱栽培的品種及特點(diǎn)

在長江中下游區(qū)，種植的品種較多，主要有甜選35、甜212、Babush、甜選116、MN-3466、Sart、大力士、ST005、ST008。它們在抗倒伏、抗蚜蟲等方面表現(xiàn)較為突出。

2.8 華南區(qū)甜高粱栽培的品種及特點(diǎn)

在華南區(qū)，主要品種有遼飼雜1 號、M-81E、遼甜1 號、遼甜3 號、遼甜4 號、遼甜5 號、品甜3 號、Smith-1、10-80、MN-3329、Dale、Browley、Keller、吉甜2 號、吉甜7 號、BJK236。

3 小結(jié)

隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，甜高粱作為能源作物已經(jīng)越來越受到世界范圍的關(guān)注。對甜高粱的研究領(lǐng)域包括品種選育、遺傳育種、生理學(xué)、栽培方式、灌溉方式、施肥管理、種植技術(shù)、收獲時間等方面[13-15]。美國學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，東南部地區(qū)甜高粱乙醇的產(chǎn)量要高于玉米、大豆和棉花。

我國是研究甜高粱作為燃料乙醇較早的國家之一，曾進(jìn)行了為期10 年的大田試驗(yàn)。隨著生物技術(shù)的不斷發(fā)展，利用基因技術(shù)改良了很多品種，使我國擁有很多產(chǎn)量高、含糖量高的品種[16-17]。我國首個產(chǎn)業(yè)化乙醇工廠獲批在內(nèi)蒙古建立[18]。通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，生物燃料乙醇企業(yè)的主要運(yùn)行成本為原料成本，若能降低原料成本，則企業(yè)可獲得更大經(jīng)濟(jì)效益。甜高粱的栽培成本也很高，但通過改良栽培模式，采用高粱和大豆間作模式，會提高栽培甜高粱的投入產(chǎn)出比。有調(diào)查發(fā)現(xiàn)，我國各農(nóng)業(yè)區(qū)域甜高粱規(guī)?；a(chǎn)技術(shù)的排名為：第一是東北區(qū)，第二是甘肅新疆區(qū)，第三是黃淮海區(qū)，第四是長江中下游地區(qū)，第五是黃土高原區(qū)，第六是華南區(qū)，第七是內(nèi)蒙古及長江沿線區(qū)，第八是西南區(qū)。

在我國，甜高粱是最具有潛力的生物能源作物，其生產(chǎn)乙醇的潛力也是最大的。但是，甜高粱的栽培方式屬于粗放型，對農(nóng)藥和灌溉量需求較少。隨著農(nóng)業(yè)生物技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)考慮農(nóng)藥和灌溉對可持續(xù)發(fā)展的影響[19-20]。通過對我國七大種植區(qū)的綜合調(diào)查，評估生物燃料種植地區(qū)的利用地潛力，認(rèn)為東北、華北、黃土高原、內(nèi)蒙-新疆地區(qū)最適宜作為能源作物產(chǎn)地，長江中下游地區(qū)和黃土高原地區(qū)次之。大力發(fā)展甜高粱種植，不僅可以增加農(nóng)民收入，為企業(yè)帶來收益，還可以為國家?guī)砀L遠(yuǎn)的社會效益和環(huán)境效益。