我国发展生物能源树种原料林的潜力和对策

我国发展生物能源树种原料林的潜力和对策摘要：随着经济的迅猛发展，能源匮乏日趋严重，新型清洁生物能源受到人们重视。鉴于我国生物能源树种丰富及发展潜力巨大的现实，本文分析了我国发展生物能源树种原料林的现状和潜力，指出了目前发展生物能源树种原料林中存在的问题，提出我国发展生物能源树种原料林的对策。关键词：生物质能；能源树种；原料林；发展潜力；问题与对策能源是社会发展之本，当代人类文明的发展是建立在以化石燃料利用为核心的工业化基础上的[1]。目前化石燃料在现有能源体系中占主导地位，世界上约85%的能源是通过燃烧不可再生的化石燃料石油、天然气和煤来获得[2]。据统计，若按目前的水平开采世界已探明的能源，煤炭资源仅可开采100年，石油30-40年，天然气50-60年，能源短缺问题已成了目前世界各国共同面临的难题。而且化石燃料燃烧产生的CO2具有温室效应，产生的氮和硫氧化物及其它污染物也严重影响环境，引发物种多样性降低、荒漠化等诸多生态问题，以现有的技术水平还不能完全消除这些影响。因此开发可再生的清洁新型能源是历史发展的必然。目前世界各国都在致力于开发高效、无污染的生物质能利用技术。据预测，生物质能源将成为未来能源的重要组成部分，到2015年，全球总能源消费的40%将来自生物质能[3]。能源植物是最有前景的生物质能之一，地球上植物种类繁多，现存50余万种[4]，其中能源植物就是可直接或间接作为燃料代替化石燃料的可再生资源。理想的能源植物应该是太阳能利用转化率高，具有较高的光合速度和干物质积累能力的植物。我国在生物质能利用方面的研究起步较晚，目前在农业农作物方面的研究较多，对林业木本植物的研究较少。可是，我国幅员辽阔，地域跨度大，水热资源分布各异，森林资源丰富，分布着大量的生物能源树种。因此，发展生物能源树种具有巨大的潜力，这也是我国走上能源可持续利用的有效途径。l以生物质为原料制取燃料能源的优点以生物质为原料所制取的燃料能源是化石燃料的良好替代品，生物质燃料能源较普通化石能源具有许多特点：①原料来源广泛，可利用各种动、植物油作原2料。就我国而言，根据科技部中国生物技术发展中心、北京农业大学国家粮食安全研究中心等机构和有关专家调查显示，如果把全国现有的陈化粮、富余的农作物产品，拿来加工石油替代品，相当于再造一个大庆。②污染性低。生物质能燃烧过程中产生的硫氧化物、氮氧化物都较低；所产生的二氧化碳可被植物吸收利用，二氧化碳的净排放量为零，可有效地减少温室效应。③可再生性强。一年生的能源作物可连年种植收获，多年生的木本植物可一年种维持数十年的经济利用期，实现效益高。④相对于普通石化柴油50～65℃的闪点，生物柴油的闪点约为150℃[5]，因此其运输和储藏都更加方便安全。2生物能源树种原料林发展的现状木本植物是生物能源的主体，它是最古老的能源物质。国外对生物能源树种的开发较早，始于上世纪60年代，发展于70年代，当时主要利用粮食、甘蔗杆等高能植物制造燃料酒精、生物柴油等。近年来生物能源研究得到较快发展，许多国家都制定了相应的研究开发计划，如日本的阳光计划、印度的绿色能源工程、巴西的酒精计划、美国的能源农场等。美国是世界能源消耗最大的国家，70年代初就开始了对生物能源的大规模研究和开发，70年代末已在东南、西北、东北的森林密集地区建立了3个规模达2000hm2的专供木本能源研究实验林基地。在1980～1998年期间生物质能耗量占全国能源总耗量的比重由2.5%提高到10%～20%。法国目前每年生物质能利用已相当于200万t石油。瑞典能耗中石油的比重由1980年的70%降至1990年的4%，木质能源的比重由1979年的2%上升至1990年的10%[6]。法国、瑞典等国利用优良树种无性系营造短轮伐期能源林。英国利用8万公顷土地专门发展能源林。瑞典提出“能源林业”的新概念，并把1/6现有林用作能源林。我国目前能源树种原料林的利用形式主要是薪炭，早在“六五”期间就把发展薪炭林列入全国造林计划，并进行了薪炭林试点县建设，迄今为至，我国已发展薪炭林540万hm2，薪材超过5200万t油当量，到2010年薪炭林面积将达1340万hm2[7]。我国森林能源已占全国农村能量能源消耗的24%。但这些能源树种原料林的利用以分散的直接燃烧为主，平均热效率不到25%，造成极大的资源浪费[8]。与化石能源相比，木本植物能源的主要优点在于它的再生性和丰富的种类，3其次是含硫量低、灰分少、对环境污染小。到目前为止，科学家们已发现了40多种“石油”植物，主要集中在夹竹桃科（Apocynaceae）、大戟科（Euphorbiaceae）、萝摩科（Asclepiadaceae）、菊科（Compositae）、桃金娘科（Myrtaceae）及豆科（Leguminosae）植物。由于能源树种不同器官富含不同化学成分，因此同一植株不同营养器官的能源利用途径相异。目前主要是从植株的体内分泌物、种实及枝杆三部分进行利用。2.1体内分泌物利用这类植物因其体内富含油脂和石油类似物的分泌物，经转化或直接就可以作为燃料柴油运用于生产。1986年化学家卡尔文于在加州福尼亚种植了大面积的石油植物获得成功之后，全球迅速掀起了一股开发研究石油植物的热潮。研究发现，有的直接从树中挤出其体内分泌物就可发动汽车，有的稍加工提炼后就可作燃料油和化工产品的原料[9]。如澳大利亚的古巴树、阔叶木棉，巴西的“苦配巴”[10]、香胶树（MyroxylonBalsamum）等。还有生长在热带地区的珍贵稀有植物——油楠（sindoramaritimePierre），其树干含有淡黄色的油状液体，其中75%是无色透明的清淡芳香油，24%为棕色树脂类残渣，一般每株含油量达2.5～3.5㎏[11]。这类能源植物的大量种植无疑将为解决能源短缺和保护环境做出巨大贡献。2.2种实利用世界上富含油的植物达万种以上，我国有近千种以上[12]，其中有的种子含油率很高，如木姜子（LitseapungensHemsl.）种子含油率达66.4%，黄脉钓樟（L.flavinerviaAllen）种子含油率高达67.2%，光皮树(Cornusvilsooiana)和山桐子(Idesiapolycarpa)的含油率在30%左右，黄连木(PistaciachinensisBunge)种子含油率约40%，还有苍耳子（XanthiumsibiricumPatrin.exWidd.）等。我国目前对部分种实利用的能源树种进行过研究。中国科学院“八五”期间完成了金沙江流域燃料油植物资源的调查及栽培技术研究，建立了30公顷的小桐子栽培示范片。四川省林科院对攀西地区野生小桐子(麻疯树)（Jatrophacurcas）的适生立地环境、栽培技术、生物柴油提取等进行了较为深入的研究，利用野生小桐子树果实提取生物柴油也获得成功，每亩地平均可产干果650kg，提取加工约180kg燃油；湖南省林科院从南非、美国和巴西引进了能源树种绿玉树(Euphorbiatirucalli)；关于黄连木[13]作为能源植物的研究也迅速成为热点之一，4还有豆科植物水黄皮（Pongamiapinnata）、大戟科植物乌桕（Sepiumsebirferum）、海桐花科海桐属（Pittosporumspp）植物均是目前生物燃油开发的热点，正在进行生物能源资源的开发研究。2.3枝杆利用木本植物枝杆富含纤维素，而纤维素质原料是地球上最丰富的可再生资源，全球光合作用产生的植物生物量每年高达1.1×10t，纤维素质原料占全球生物量的60%～80%[14]。目前我国的纤维素类物质原料主要是一些作物的秸秆和废木材等，以生产纤维素类物质为目的能源植物研究较少。研究表明：利用纤维素类物质发酵生产乙醇是可行的，但成本较高。主要难题是缺乏高效低廉的纤维素酶以及半纤维素戊糖成分的酒精发酵技术不成熟[15-24]。但从长远看，将纤维素类物质转化为燃料乙醇是生物质能源的根本出路，是与化石燃料形成竞争的有效途径之一。今后我国应加快生长速度快的草本和木本植物的开发，为生物质能源利用提供丰富原料。综上所述，我国林木生物质能资源具有种类多、生物量大、燃烧值高等特点，具有重要的开发利用价值和发展潜力。大力发展林木生物质能，不仅有助于加快我国造林绿化步伐，改善森林质量，还有助于发挥林业在解决“三农”问题中的作用，同时减少污染和温室气体排放；更有助于新时期林业发展与国家能源发展战略紧密结合起来，为缓解我国能源紧张局面做出林业应有的贡献。3我国发展能源树种原料林中存在的问题及对策虽然近年来国内对能源树种的开发进行了不少研究，但与国外相比，我国在生物能源树种开发方面还有相当大的差距，主要表现在以下方面：①对能源树种的研究、开发和利用尚未引起足够的重视，长期徘徊在初级研究阶段，对能源树种原料林的发展潜力和意义认识不够；②缺乏促进能源树种原料林产业发展的配套政策，如减免税政策、有利于环保的一定比例生物质能燃料强制使用政策等，致使生物质能燃料在价格上无竞争优势；③未能对我国丰富的植物资源进行全面调查和开发，目前可供生产上利用的能源植物种类和品种不多，人工栽培面积小且分布零散，很多优良的能源植物尚处于野生状态，未被驯化栽培；④有些关键技术有待突破，如部分种类生物柴油自身存在的油脂分子较大、粘度较高等缺陷，木质纤维素制取乙醇研究中的水解糖液内含物复杂及纤维素酶成本高等。5针对目前我国能源树种原料林发展中存在的问题，特提出发展我国能源树种原料林的对策：①国家应将能源树种原料林列为优先发展领域，参考国外先进国家的成功经验，注重长期规划，统筹安排。②借鉴德国等欧洲国家的做法，制定生物质燃料产业的免税政策，减免生物质燃料产业的有关税赋，使生物质燃料在价格上具备竞争力，并制订在普通燃料中强制性添加一定比例的生物质燃料规定，以促进生物质能的推广应用，减轻废气污染。③根据全国不同森林类型的分布情况，进行生物能源树种资源和产业化现状的全面调查，比较不同能源树种的种类、数量和分布规律，建立生物能源树种资源数据库。④在对主要生物能源树种资源调查基础上，进行不同能源树种不同器官的含油种类、含油量、化学形态、品质、可利用性和生物制油的成本的分析测定，比较不同能源树种的能源品质和能源成分差异，从中筛选出优质的生物能源树种，并进行油脂植物活性成分、结构、作用机理和功能性评价研究，对其油料性能、生产工艺、技术、设备进行系统配套，推动我国生物质燃料油产业的发展。⑤进行不同优质能源树采种、育苗、造林试验，研究生物能源树种的种子繁育、扦插和组培等快繁技术体系，筛选出可供生产上应用的不同能源树种快繁技术。通过人工造林、矮林经营、林下套种等多种途径，建立不同能源树种原料林基地，进行我国生物能源树种的产业化经营。总之，在石化资源日趋枯竭和柴油需求量日益扩大的背景下，筛选和培育高效优质的能源植物，发展我国生物能源树种原料林，转化为可再生生物质能源替代化石燃料，既能为我国能源安全战略做出重大贡献，也有利于我国生态环境的改善，同时还有利于农民增收，战略意义十分重大。参考文献:[1]刘湘溶，朱翔．生态文明——人类可持续发展的必由之路[M]．长沙：湖南师范大学出版社，2003．1-20．[2]21世纪化学科学的挑战委员会著，陈尔强译．超越分子前沿——化学与化学工程面临的挑战[M]．北京：科学出版社，2004．10-25．[3]王涛．中国主要生物质燃料油木本能源植物资源概况与展望[J]．科技导报，2005，23（5）：12-14．[4]张宪省，贺学礼著．植物学[M]．北京：中国农业出版社，2003．1-20．[5]梅德清，袁银南，孙平，等．植物油作为发动机燃料及生物柴油制备的研究[J]．小型内燃机与摩托车2005，34（3）：24-27．[6]刘守新，李海潮，张世润．木质生物能源利用技术研究[J]．中国林副特产，2001，（3）：37-39．6[7]蒋建新，陈晓阳．能源林与林木生物转化能源化研究进展[J]．世界林业研究，2005，18（6）：39-44．[8]于渤．中国煤炭替代的经济分析[J]．中国能源，2