芒草:突圍中國生物質能源困局？
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[時間:2011-07-25 國際新能源網 關注度:0]
摘要:
理論上，中國需要生態恢復的土地超過100萬平方公里，如用來種芒草，按10噸公頃的保守產量計算，一年干芒草產量能達10億噸，如用于燃燒發電，即能達到2007年全國總發電量的45%；而如果拿出5億噸轉化成乙醇，則能取代中國2010年全年...
理論上，中國需要生態恢復的土地超過100萬平方公里，如用來種芒草，按10噸/公頃的保守產量計算，一年干芒草產量能達10億噸，如用于燃燒發電，即能達到2007年全國總發電量的45%；而如果拿出5億噸轉化成乙醇，則能取代中國2010年全年的汽油用量。
在中國，“節能減排，發展可再生能源”的提法正變得婦孺皆知。但在國家“千人計劃”入選者、中科院植物研究所資源植物研發重點實驗室主任桑濤看來，“與各種可再生能源相比，中國對生物質能源的潛力仍然不清楚”。
尤其是限制能源作物大面積種植的土地問題，一直是科學家們糾結的焦點。中國西部和北部的大片邊際性土地到底能不能用？又該怎么用？桑濤隱約覺得，中國生物質能源的希望，也許就孕育在這片廣袤的土地上。
中國生物質能源的發展潛力和前景，是桑濤一直關注和研究的方向。經過了若干年的探索，一種不起眼的野草進入桑濤的視野。
這種植物就是芒草。
芒草，中國得天獨厚的能源作物
近年來，由于包括玉米、油菜、甘蔗等在內的第一代能源作物對氣候條件要求較高，還需要大量施肥、澆水、耕種、管理等，投入的能量成本很高，而凈得能量卻不多，學者們開始考慮開發第二代能源植物，也就是高產的多年生草本和速生樹種。
2007年，美國啟動了幾個大的生物質能源項目，桑濤任教的密歇根州立大學參與了其中的第二代能源植物開發計劃，柳枝稷、芒草、柳樹、楊樹均成為該計劃重點研究的對象。
美國國家能源顧問Stephen Long是對芒草研究較為深入的科學家之一。他們在伊利諾伊大學香檳分校試驗地里種植的芒草，平均年產量高達30噸/公頃，比美國應用較多的原產能源植物柳枝稷長得更加高大，生物量也比柳枝稷大3倍。
Long和Somerville隨后在《科學》雜志上撰文稱，如果用美國一半的休閑耕地（約700萬公頃）來種植芒草，按照這一產量，能夠取代2008年美國汽油用量的20%，并能減少30%因使用汽油導致的二氧化碳排放。
“這個數目太可觀了。”這立即引起了桑濤的關注，他驚奇地發現芒草屬的十幾個種絕大部分都分布在亞洲，且以中國的資源最為豐富，幾個生物量最大的種都原產于中國。
和玉米、高粱、甘蔗、柳枝稷等一樣，芒草也是碳4植物，其特點是光合作用效率高，對水、肥利用效率高，能在比較貧瘠的土地上產生較大的生物量。且與其他多生活在熱帶、亞熱帶地區的碳4植物不同，芒草是非常罕見的、在我國北方有分布的高產碳4植物。“在齊齊哈爾都采到了標本。”桑濤說。
“如果芒草能行，中國生物質能源發展的潛力就大了。”桑濤當時的想法是，以黃土高原為代表的中國北方和西北地區貧瘠、退化，荒漠化趨勢嚴重，如果能把芒草種在那里，不但能滿足能源持續供應的需求，而且芒草是多年生植物，根系發達，抗旱、抗寒能力強，因此還能起到水土保持和生態恢復的作用，可謂一箭雙雕。
集各種優點于一身的芒草，讓桑濤躍躍欲試。
與黃土高原一拍即合
2008年，桑濤把研究芒草的想法一提出來，就立即引起了中科院同行的共鳴。在上海生命科學研究院研究員韓斌的牽頭下，芒草能源植物項目迅速得到了中科院知識創新工程重要方向項目的資助。同年秋天，由中科院植物研究所研究員葛頌承擔的全國范圍野生芒草收集工作啟動。
2009年，中科院武漢植物園研究員李建強等人把收集到的約100個芒草自然居群，分別種在了內蒙古錫林郭勒國家草原生態站、黃土高原上的甘肅省慶陽，另外一部分種在武漢作為對照。“我們選了3個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。”
桑濤坦承，能不能把這種野草種好，他的心里原本還是有點打鼓的。
然而經過2009年、2010年兩個生長季，研究人員驚喜地發現，一部分芒草可以在寒冷的錫林郭勒生長，還有一些在較為干旱的慶陽則長勢喜人。
在這中間，有一種中國特有種南荻引起了桑濤的注意。這種植物原本生長在長江沿岸地區，是芒草中生物量最大的一種，高度可達7米。桑濤原以為南荻在黃土高原的日子不會好過，可實驗卻證明，南荻與黃土高原一拍即合，甚至比武漢的對照組長得還要高大。
研究人員同時發現，芒草具有非常豐富的遺傳變異。“高的遺傳多樣性是作物選育的重要條件。”這一結果讓桑濤十分興奮。目前，植物所負責的芒草遺傳多樣性研究已經進入尾聲，而上海生命科學院對芒草的全基因組測序也基本完成。
今年5月，芒草種植試驗的結果在線發表在《全球變化生物學—生物質能源》（Global Change Biology Bioenergy）雜志上。
同時，該雜志以《適者為芒》（Miscanthus Adapts）為題，對成果進行了新聞發布，迅速受到主流科學媒體的關注。美國科學促進會新聞網站（AAAS EureAlert）、歐洲科學新聞（Alpha Galileo）、每日科學（Science Daily）、科學新聞在線（Science Newsline）等媒體紛紛進行了轉載和報道。
第二次作物大馴化的時機來了
在去年發表的一篇論文中，桑濤和同事算了一筆賬，中國需要生態恢復的土地遠遠超過100萬平方公里，如果拿出這些土地來種芒草，按照10噸/公頃的保守產量計算，一年干芒草產量能達到10億噸。
這樣的產量，就算是簡單地燃燒發電，即能達到2007年全國總發電量的45%，降低全國二氧化碳總排放量的28%；而如果拿出5億噸轉化成乙醇，則能取代中國2010年全年的汽油用量。
但如何將理論變成現實，還是一件非常有挑戰性的事。芒草在中國畢竟是野草，它仍傾向生長于氣候條件較好的地區。芒草在黃土高原能走多遠，是桑濤及合作者正在主攻的課題。
下一步，研究人員要進行大規模的種植試驗，看其能否生活在更干旱的地方。桑濤透露：“這次我們在甘肅的試驗點又向北推了100多公里，那里更加干旱，農作物收成沒有保障，現在到處都是荒地。”
“我們的理論模型估計，除去宜農、宜林、宜牧和完全不可耕種的土地，總面積60多萬平方公里的黃土高原還有約2/3可以用于種植芒草，總產量能達到每年4億多噸。哪怕如果能夠部分實現這個目標，不僅會基本防止那里嚴重的水土流失，還能為經濟發展提供可持續利用的資源。”
他們要做的事，是要像一萬多年前人類馴化水稻、玉米和小麥一樣，把野生的芒草變成一種作物。“現在可能已經到了這樣一個路口，需要一類新的作物來提供能源和有機原材料，為人類可持續發展提供保障。對此，中國科學家應當仁不讓。”
桑濤認為，能夠在邊際性土地上生長并獲得高產，作為第二代能源植物熱門候選者的芒草，其馴化的潛力不僅很大，而且應該是“一個只爭朝夕的快速過程”。但必須經過嚴格、細致和不斷的科學試驗，邊生產邊試驗，確保大規模生物質能源生產是可持續和對生態環境有利的。
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