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能源植物新秀_芒草[1]

时间:2019-11-05 13:27 来源:未知 编辑:admin

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能源植物新秀_芒草[1]_生物学_自然科学_专业资料。能源植物新秀 芒草 化石能源日益紧缺, 污染日趋严重, 新能 源的开发和利用成为时代的迫切要求。 在寻找 新能源的过程中, 芒草...

  能源植物新秀_芒草[1]_生物学_自然科学_专业资料。能源植物新秀 — — 芒草 化石能源日益紧缺, 污染日趋严重, 新能 源的开发和利用成为时代的迫切要求。 在寻找 新能源的过程中, 芒草逐渐进入人们的视线。 随着研究的深入, “高个子” 芒草已经成

  能源植物新秀 — — 芒草 化石能源日益紧缺, 污染日趋严重, 新能 源的开发和利用成为时代的迫切要求。 在寻找 新能源的过程中, 芒草逐渐进入人们的视线。 随着研究的深入, “高个子” 芒草已经成为能源 植物中的佼佼者。 化石能源 危机重重 险也逐渐逼近。 □ 撰文 / 桑涛 形成的。 可是, 正当人们不断享受着工业革命 带来的成果时, 人类社会不可持续性发展的危 事实就是, 化石能源是有限的, 我们用几 百年的时间就会用光几亿年的储藏, 那么, 这 以后我们的子孙后代该用什么能源来持续现在 的文明呢? 不仅如此, 燃烧化石能源把地层中 长期蕴藏的碳以二氧化碳的形式迅速释放到 大气中, 不可避免地造成温室效应, 引起全球 气候变化。 而且, 化石能源, 特别是煤炭燃烧造 成的各种污染也极大地危害着人类健康, 破坏 了森林、 耕地和建筑。 控制化石能源的消耗, 减少温室气体排放 已成为全世界的共识。 人类社会要走向可持续 性发展, 必须寻求可再生清洁能源, 这也是全 18世纪末, 包括蒸汽机在内的一系列技术 发明催生了工业革命, 也彻底打破保持了几千 年自给自足的农业社会。 工业革命从根本上改 变了人类对能源的利用, 从几乎完全依赖植物 生物质很快转变到以石油、 煤炭和天然气占绝 对优势的能源。 这些能源统称为化石能源, 是 由地球上若干亿年积累下来的生物残骸转化 38 LIFE WORLD Vol.255 生命·科学 LIFE·S C I E N C E 世界科学家积极探索的命题。 生物质能 潜力巨大 源应该何去何从呢? 科研人员很快把目光集中到了多年生草 本和快速生长树种上, 视为研究和开发的重 点, 并称作第二代能源作物。 与第一代能源作 物相比, 它们具有一个很显著的特点, 这些植 物能够生长在贫瘠的土地上, 不与粮食作物争 耕地; 它们光合效率高, 能更有效地把太阳能 和二氧化碳转化储存起来; 年产生物量大, 所 以能提供更多的生物质以转化为燃料。 同时它 们具有高效用水、 用肥和光合作用的能力, 并 且一年播种可持续生产十至二十年, 所以投入 低, 净能量产出就相当大。 正是由于不与粮食 争耕地、 产量高、 减碳能力强、 净能量大等几个 法宝, 第二代能源作物受到了广大科研人员的 严格意义上的可再生能源主要包括风能、 太阳能、 地热、 潮汐、 水电和生物质能。 这里, 生物质是指绿色作物通过光合作用而形成的有 机体。 生物质能就是太阳能以化学能形式贮存 在生物质中的能量形式, 即以生物质为载体的 能量。 在各种可再生能源中, 生物质能源的发 展潜力和路线最不清楚, 也最具争议。 因为生 物质能源的生产需要相当可观的土地面积, 而 世界粮食供应并不乐观。 特别是在拥有世界五 分之一人口的中国, 耕地面积不及世界的十分 之一, 用耕地生产能源植物必然危及粮食安全 和国家稳定。 那么, 怎么解决能源植物和粮食 作物争地的矛盾呢? 在中国, 生物质能源到底 有多大发展潜力呢? 说起生物质能源的利用其实也由来已久, 人们长期以来燃烧的薪柴、 秸秆都属于这个范 畴。 在我国广大农村, 大部分家庭还依然靠秸 秆来作为燃料。 现今国际上生物质能源的生产 主要指利用能源作物来生产乙醇和生物柴油。 人们普遍使用的能源植物有玉米、 小麦、 甘蔗、 大豆、 油菜等粮食、 经济作物, 它们统称为第一 代能源作物。 这些植物大多是一年生, 需年年 耕地播种, 大量灌溉和施肥, 投入的能量大, 净能量产出却少得可怜。 加上它们还与粮食作 物争耕地, 由此带来了一系列负面作用。 举个 例子, 人们为了补充耕地而砍伐森林, 结果降 低了地球的碳储存能力, 反而不利于解决温室 效应。 显然, 第一代能源作物无法为我们提供可 持续发展的生物质能源。 那么, 开发生物质能 ◆ 芒草可以生长在河边湿地或山涧。 Vol.255 LIFE WORLD 39 青睐。 华丽芒草 是名副其实的 “高个子” 植物。 ◆ 有些芒草高度可达4米, 异军突起 在人们对第二代能源植物的探索中, 芒草 很快脱颖而出。 因为, 相比其他第二代能源作 物, 芒草生物质产量高, 耐寒抗旱, 对水、 肥依 赖小, 收割处理容易, 这些特点注定它成为第 二代能源作物中的佼佼者。 首先, 让我们来认识 一下芒草。 与谷物类粮食作物一样, 芒草在分类学上 属于被子植物的禾本科。 全世界共有约14个野 生种, 大多分布在亚洲, 少量产于非洲。 中国拥 有7个种, 分布几乎贯穿了全国整个气候带, 而 且包括了生物质产量最高的种类, 是芒草自然 资源最为丰富的国家。 国际上研究最多的是巨芒草, 这是一个起 源于日本的不育三倍体杂交种, 它的父母本是 原产于东亚 (包括中国) 的二倍体的芒和四倍 体的荻。 它于1935年作为观赏植物传入丹麦。 半 个世纪后, 巨芒草作为能源作物的潜力首先在 欧洲得到认可和测试。 美国伊利诺伊州的科研人员对芒草作为 能源植物这一课题已经研究了好多年。 最近他 们的研究结果表明, 在几乎不施肥的情况下, 巨芒草的干生物质产量达到了平均每公顷30 吨。 如果对芒草品种进一步改良, 使它在更广 泛的地区种植并提高产量, 理论上拿出美国 6.2%的耕地面积就可以生产出1 330亿升乙醇, 可以取代美国2008年汽油使用量的20%, 减少 该年美国因使用石油所排放的二氧化碳量的 30%。 尽管这一芒草种植试验是在耕地上进行 的, 但是美国目前有超过12%的耕地处于轮休 状态, 拿出其中的一半种植芒草不会影响其本 40 LIFE WORLD Vol.255 生命·科学 LIFE·S C I E N C E 国的粮食安全。 然而, 世界上大部分国家和地区并没有富 余的耕地。 特别是在人口众多的中国, 耕地面 积本来就有限, 还面临由于盐碱化和城市化加 速而减少的威胁。 那么, 芒草在中国该如何发 展呢? 坚强挺拔 变沙为宝 中国幅员辽阔, 但绝大部分耕地集中在降 雨量和淡水资源丰富、 土地也比较肥沃的东部 和南部地区; 而北方和西北的广大地区不仅雨 水较少、 土壤贫瘠, 而且由于长期过度耕种和 放牧, 遭受了严重的水土流失和土地退化, 已 不适合于粮食生产和继续放牧。 不仅如此, 严 重退化的土地还面临沙漠化的威胁, 是沙尘暴 的主要成因之一。 总之, 水土流失, 土地退化, 土地沙漠化, 生态频频告急, 警钟时时在响, 中国约有两亿 公顷的土地急需生态恢复。 那么, 能否利用面 积如此巨大的贫瘠和退化土地种植芒草, 以同 时达到大规模生物质能源生产和生态恢复的 作用呢? 首先我们来看芒草的生理特性和生态适 应能力。 芒草具有碳四光合作用途径 (高等植 物光合作用中二氧化碳转化途径有碳四途径、 碳 三途径和景天科途径) , 与大多数植物具有的 碳三途径相比, 碳四植物能够利用较少的水和 肥合成同等量的生物质。 对水的高效利用使得 碳四植物能适应于高温、 干旱的环境, 并大都 具有较高的生物质产量。 在温带, 特别是气候 寒冷地区, 碳四植物自然分布较少。 而芒草却 一直分布到中国最东北端, 是能够适应寒冷气 候、 年产生物质最高的多年生草本。 仅此特性 就让欧洲学者早在20世纪80年代便看好芒草 作为能源作物的潜力。 不仅如此, 芒草还具有发达的地下茎, 可 以无性繁殖, 大大增强了抗旱、 越冬和地下碳 封存能力。 芒草地 上茎、 叶部分每年秋天干 枯, 到年末或第二年初收割时, 养分已经回流 到地下茎中储存, 以供来年生长所用。 这更加 增强了芒草对肥料, 特别是氮肥的利用效率, 从而减少了能源作物生产过程中的能量投入。 41 其生命力可见一斑。 ◆ 从山缝里都可以看到芒草, Vol.255 LIFE WORLD 由此可见, 芒草具备了在我国贫瘠、 干旱 的北方和西部成为能源作物的基本条件。 但 是, 芒草在我国的自然分布仍然集中于降雨量 500毫米以上的东、 南地区。 虽然黄土高原和内 蒙古部分地区也有野生芒草, 但在绝大多数半 干旱和土地严重退化地区, 却没有生长良好的 芒草种群。 那么, 我们怎样才能利用这里大面 积的荒地种植芒草呢? 这就要求我们到作物驯化中去寻找答案。 水稻和玉米的野生祖先种自然分布在热带和亚 热带, 小麦的野生祖先种产于暖温带。 而经过 人们长期驯化培育, 这些主要粮食作物不仅从 狭小的自然分布区扩散到世界各地, 而且种植 到了气候寒冷得多的高纬度地区。 例如, 中国 的东北已经成为全国最重要的水稻生产基地 之一, 而野生稻的自然分布最北也只到江西。 因 此利用中国得天独厚的芒草自然资源, 总结人 类对粮食作物驯化所得出的经验, 采用现代生 物学手段和育种技术, 我们就有可能在短期内 驯化培育出能够在贫瘠、 干旱、 寒冷的中国北 方和西北大规模生产的芒草能源作物。 中国科 学院的研究人员已经在我国芒草自然分布区大 范围调查和采集野生资源, 并在黄土高原和北 方退还草原上进行种植试验, 栽种以筛选出最 适合当地生长的品种, 并用遗传手段对这些优 良资源进一步加以改良, 以培育我国的新一代 能源作物。 新兴作物 保障未来 可以燃烧发电1 458万亿瓦小时, 并减少约17亿 吨由煤炭火力发电排放的二氧化碳。 这相当于 2007年全国电力总输出的45%和二氧化碳总排 放量的28%。 每公顷10吨的产量目标显然比巨芒草在美 国试验地的平均产量低, 这一保守估计考虑到 中国北方尤其西北部地区土地贫瘠、 降雨量也 较低的因素。 然而, 在过去几十年中, 粮食作物 的育种已经让谷物的产量翻了两番, 而随着分 如果芒草在中国的种植面积达到一亿公顷 (一百万平方千米) , 产量达到每公顷平均10吨 干生物质, 每年就可收获10亿吨可供生物质能 源生产的原料。 用已有的模型估算, 这些芒草 42 LIFE WORLD Vol.255 ◆ 芒草还可以生长在房前屋后以及公路旁边。 子育种和生物技术的应用, 人们还在努力突破 产量的上限。 作为尚未经过人工驯化的芒草, 在高产量、 低投入方面都有巨大的发展空间。 特别是对水的利用, 尽管这些地区降雨量低, 生命·科学 LIFE·S C I E N C E 但全年降水分布不均匀, 绝大部分集中在5到10 月, 这与芒草的生长期基本吻合。 如果再通过 分子育种和遗传工程对各地栽培芒草作物品种 的萌发和开花时间进行调整优化, 那么即使在 较为干旱的地区, 它也可能在不需灌溉的条件 下达到预期的产量。 因此, 平均每公顷10吨的 产量是可实现的近期目标; 而经过长期努力, 大 幅度提高产量也是完全可能的。 在黄土高原这样自然植被稀少、 水土流失 严重的地区, 有限但不均匀的降雨往往可以引 起洪水和泥石流爆发, 进一步侵蚀土地, 造成 人民生命财产损失。 芒草地下根、 茎系统十分 发达, 非常适合应用于水土保持和生态恢复。 与植树造林相比, 多年生草地更加能够适应于 中国北方和西部的气候和土壤条件。 芒草生长 所需水分比一般树木少, 根系相对较浅, 但近 地表的地下茎却非常发达, 这些特点使得芒草 有更好的固定表土的作用, 能更加有效地防止 水土流失和沙漠化。 同时, 芒草也不会像有些 乔木防护林一样造成地下水位的下降。 因此, 芒草在促进能源生产和经济发展的同时, 也起 到环境保护和生态恢复的作用。 我们有理由相信, 以芒草为主的第二代能 源作物完全有潜力在中国可再生能源发展中扮 演重要角色。 在大面积贫瘠、 退化土地上种植 芒草作物还具有保持水土、 改良土壤和防治沙 漠化的生态效益。 然而, 我们绝对不能忽视大 规模种植能源作物可能带来的负面生态影响。 必须边观察、 边研究、 边试验, 包括适当种植 一些除芒草外的多年生草本植物, 如固氮的豆 科植物苜蓿等, 来进一步提高土地生产力并尽 量维护自然生态系统功能。 我们还应该确定和 保护地方和区域性的生物多样性热点, 为野生 动、 植物设计并建立保护区和迁徙通道, 从而 在生物质能源生产景观上有效地保护生物多 样性。 从长远来看, 如果各种新型可再生能源的 开发利用允许我们减少生物质能源的生产, 那 么能源作物可以转变为材料作物。 芒草所含的 丰富的纤维素和半纤维素可以通过生物工程 或物理化学方法转化为烃类小分子, 进而合成 包括生物塑料在内的各种高分子材料。 随着生 物炼制技术的不断提高, 我们可以用生物质作 为无污染、 可再生的原材料, 最终完全取代以 石油为主的化石原料。 因此, 我们将要驯化培 育的是一种集能源、 材料和生态功能于一身的 新作物, 为此而进行的第二次作物大驯化或许 成为一次农业革命, 为人类自身的可持续性发 展提供重要保障。 ■ 作者致谢 感谢中国科学院武汉植物园闫娟, 复旦大学陆帆 为本文提供图片。 作者简介 桑涛, 美国密西根州立大学植物学系教授, 中国科 学院植物研究所特聘研究员, 主要从事进化生物学、 遗传学和作物驯化方面的研究。 (责编 桑新华) 现在主要用来造纸。 ◆ 芒草在湖北有大面积生长, Vol.255 LIFE WORLD 43

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