控制化石能源消耗，減少溫室氣體排放、尋找可再生清潔能源已是全世界共識。對生物質(zhì)能的研究，吸引大批科研人員目光。然而，第一代能源作物玉米、水稻、甘蔗、大豆等在給人類贏得替代能源希望的同時，也隨之帶來凈能量產(chǎn)出少、與糧食作物爭搶耕地等一系列負(fù)面效應(yīng)。于是，尋找第二代能源作物成為生物質(zhì)能領(lǐng)域重要課題，一種叫芒草的能源作物聚集了人們的目光……
第二代生物能源研發(fā)的“中國優(yōu)勢”
我國是芒草自然資源最為豐富的國家。近期，由中科院植物所、中科院武漢植物園、上海生命科學(xué)研究院等單位合作展開的新一代能源作物研究取得關(guān)鍵性突破。經(jīng)過三年來的種植試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，原產(chǎn)我國的芒草具備豐富的遺傳多樣性，人工馴化后將對我國土地資源利用、能源格局產(chǎn)生革命性影響。然而，由于我國第二代能源作物研究處于起步階段，在科研立項(xiàng)和轉(zhuǎn)化研究方面存在體制機(jī)制矛盾，有關(guān)研究人員建議，國家應(yīng)對第二代能源作物研究進(jìn)行重點(diǎn)立項(xiàng)，加強(qiáng)產(chǎn)學(xué)研結(jié)合。
試驗(yàn)讓科研人員驚喜
在全世界14個野生芒草種類中，中國擁有七個種，分布幾乎貫穿了我國整個氣候帶，而且擁有生物質(zhì)產(chǎn)量最高的四個種類，是芒草自然資源最為豐富的國家。
2008年，中科院植物所、上海生命科學(xué)研究院、中科院武漢植物園組成芒草研究小組，項(xiàng)目得到中科院知識創(chuàng)新工程重要方向項(xiàng)目的資助。當(dāng)年秋天，啟動了全國范圍野生芒草收集工作。2009年，中科院武漢植物園研究員李建強(qiáng)等人把收集到的約100個芒草自然居群，分別種在了內(nèi)蒙古錫林郭勒國家草原生態(tài)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。
“我們選了三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�！崩罱◤�(qiáng)說，不知道芒草的生物性能和遺傳特性在國內(nèi)這幾個地方有何表現(xiàn)，內(nèi)心期待。
經(jīng)過2009年、2010年兩個生長季，李建強(qiáng)他們驚喜地發(fā)現(xiàn)，一部分芒草可以在寒冷的錫林郭勒生長，另外一些在較為干旱的慶陽則長勢喜人，而且在甘肅慶陽的芒草生物質(zhì)含量高過芒草的原生地武漢江夏地區(qū)。
李建強(qiáng)說，這說明芒草種類具有豐富的遺傳變異和很強(qiáng)的適應(yīng)性，可供培育耐冷、耐旱和耐貧瘠的高產(chǎn)能源作物。
這一結(jié)果讓科研人員非常興奮。經(jīng)過多次分析總結(jié)，今年5月份，研究小組將研究成果在線發(fā)表于《全球變化生物學(xué)生物質(zhì)能源》(Global Change Biology Bioenergy)雜志上。同時，該雜志以“適者為芒”(Miscanthus Adapts)為題，對此成果進(jìn)行了新聞發(fā)布，迅速受到國際上廣泛關(guān)注，美國科學(xué)促進(jìn)會新聞網(wǎng)站(AAAS EureAlert)、歐洲科學(xué)新聞(Alpha Galileo)、每日科學(xué)(Science Daily)、細(xì)胞出版社新聞(Cell Press News Aggregator)、科學(xué)新聞在線(Science Newsline)等都進(jìn)行了轉(zhuǎn)載報道。
可“點(diǎn)綠”我國干旱半干旱地區(qū)
研究小組對我國黃土高原地區(qū)進(jìn)行了考察，根據(jù)芒草在我國的產(chǎn)量，保守地進(jìn)行了一個效益測算。
除開耕地以及不宜種植土地，黃土高原有43萬平方公里可以用于種植芒草，根據(jù)甘肅慶陽試驗(yàn)基地的產(chǎn)量，保守估計(jì)以每公頃年產(chǎn)芒草干重11噸計(jì)算，總產(chǎn)量為五億噸。這些產(chǎn)量如果全部轉(zhuǎn)化成乙醇，大致相當(dāng)于我國2010年消耗的汽油總量。
再進(jìn)一步推算，如果在集中分布于中國北方和西北的貧瘠、退化土地上種植一億公頃(100萬平方公里)芒草，以平均每公頃干重10噸計(jì)算，總產(chǎn)量為10億噸，可發(fā)電1458萬億千瓦時，減排二氧化碳16億噸，相當(dāng)于中國2007年總用電量的45%和二氧化碳總排放量的28%；用其中的一半作為原料轉(zhuǎn)化出的乙醇，大致相當(dāng)于我國2010年消耗的汽油。
中科院武漢植物園系統(tǒng)與進(jìn)化植物學(xué)學(xué)科首席研究員李建強(qiáng)總結(jié)認(rèn)為，對芒草作為第二代能源作物研發(fā)可以實(shí)現(xiàn)三大功能：
一是糧食安全。芒草可取代糧食、經(jīng)濟(jì)作物成為新一代能源作物，緩解糧食危機(jī)。
二是能源獨(dú)立。我國有大面積的干旱、半干旱無法耕種的邊際性土地，如果這部分土地能夠作為生物能源的生產(chǎn)地，將改變能源依賴進(jìn)口的格局。
三是生態(tài)保護(hù)。芒草極強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性可以改善干旱、半干旱非耕地的植被狀況，同時保持水土和防止土地荒漠化。
“荒蕪的干旱、半干旱地區(qū)，如果種上芒草，想象一下都很激動。綠了、亮了，老百姓還可以從中發(fā)家致富�！敝锌圃褐参镅芯克Y源植物研發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任桑濤對芒草也抱著巨大的希望。
進(jìn)入人工馴化階段
要使上述一切變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，對芒草的研究還有不短的路要走。桑濤說，目前的研究結(jié)果已經(jīng)證明，芒草是我國最優(yōu)的第二代能源作物選擇，接下來要突破的是進(jìn)行人工馴化。
所謂人工馴化就是將野生的作物種子通過人工選育、雜交等方式轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢匀藶橛N、種植的作物�！巴瓿擅⒉輳囊吧参锏阶魑锏霓D(zhuǎn)變就是人工馴化的目標(biāo)”，桑濤說。
其實(shí)，人們對人工馴化并不陌生。桑濤告訴記者，我們吃的大米、小麥都是經(jīng)過人工馴化得來的，始于大約一萬年前的糧食作物馴化奠定了人類文明的基礎(chǔ)。比如水稻就是野生稻經(jīng)過人類逐漸移栽、選育、培育的漫長過程形成的。
據(jù)了解，根據(jù)研究小組的安排，接下來要完善芒草基因組學(xué)平臺的建設(shè)。明年開始篩選出在干旱、貧瘠、退化土地和鹽堿地上的高產(chǎn)芒草株系，開展雜交試驗(yàn)。2013年到2014年，對芒草的抗逆性和產(chǎn)量性狀進(jìn)行數(shù)量遺傳學(xué)分析；通過模擬分析，評估芒草能源植物在我國的生產(chǎn)潛力以及大規(guī)模種植的環(huán)境生態(tài)效應(yīng)。
作為植物馴化領(lǐng)域的專家，桑濤表示，根據(jù)現(xiàn)有的遺傳基因技術(shù)，芒草的基礎(chǔ)馴化只需要幾年時間。據(jù)他介紹，今年研究小組在山東東營的鹽堿地和甘肅環(huán)縣更加干旱的地區(qū)進(jìn)行了試驗(yàn)，選取30萬個基因個體，從中挑出更加耐旱、耐寒、抗鹽堿的種質(zhì)資源，進(jìn)行人工雜交和育種，然后做基因遺傳學(xué)分析。
“這個過程不會很長，而且這件事情全世界目前都沒有做過，因?yàn)闅W美國家不是芒草原產(chǎn)地，沒有種質(zhì)資源。另外，歐美國家耕地眾多，不需要馴化在干旱、貧瘠土地上生長的能源作物。但是他們最終也需要遺傳多樣性高的作物，這樣很可能要依賴我們的馴化育種。”桑濤說。
資金和政策支持還要更“給力”
當(dāng)前，我國正大力發(fā)展生物能源，但是因生物資源問題遭遇瓶頸，而對第二代能源作物研究起步較晚，在能源作物研究上也遇到一些體制上的制約。科研工作者們建議國家提高對第二代能源作物研究的重視，增加投入，掃除科研機(jī)制上和產(chǎn)學(xué)研上存在的一些障礙，加快芒草從研到產(chǎn)的進(jìn)程。
中科院植物所、上海生命科學(xué)研究院、中科院武漢植物園組成的芒草研究小組認(rèn)為，節(jié)能減排是我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式轉(zhuǎn)型的內(nèi)在壓力，而科學(xué)發(fā)展成為發(fā)展生物能源的內(nèi)在動力。近年來我國生物能源的發(fā)展成就斐然。到2010年底，全國生物質(zhì)直燃發(fā)電裝機(jī)已達(dá)200萬千瓦，以糧食為原料的生物燃料乙醇產(chǎn)量達(dá)到了180萬噸。
2007年，國家制定了《可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃》，提出的2020年生物質(zhì)發(fā)電目標(biāo)是3000萬千瓦，生物燃料乙醇的發(fā)展目標(biāo)是1000萬噸。不過業(yè)界認(rèn)為，這個目標(biāo)實(shí)現(xiàn)有著客觀困難。主要就是，企業(yè)紛紛上馬生物發(fā)電項(xiàng)目，但是都遭遇了生物資源短缺的問題。這是由生物質(zhì)資源的季節(jié)性、分散性與生物質(zhì)發(fā)電的連續(xù)性、集中性的矛盾引起的。
專家認(rèn)為，將芒草發(fā)展為我國專業(yè)的能源作物可以解決這一難題，實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)能規(guī)模化利用的途徑是專業(yè)化和產(chǎn)業(yè)化，作為最優(yōu)選擇，芒草可以擔(dān)此重任。
但是，當(dāng)前芒草的研究也面臨一些困局。
首先，國家目前雖然十分重視生物能源研發(fā)，但我國的生物能源究竟有多大潛力和前景還沒有進(jìn)行過科學(xué)評估。國內(nèi)相關(guān)研究也比較薄弱和分散，科研資源尚未整合。
其次，由于我國能源作物的研究主要由植物研究機(jī)構(gòu)承擔(dān)，能源植物科研項(xiàng)目多由我國能源方面專家評審，他們大多是石油、煤炭等化石能源方面研究出身的專家，由于對能源植物了解不多，在科研項(xiàng)目立項(xiàng)評審過程中，不利于能源作物的立項(xiàng)和資金爭取。
與美國對能源革命的高度重視相比，我國在能源產(chǎn)業(yè)特別是新能源產(chǎn)業(yè)方面的扶持和能源革命的推進(jìn)方面顯得相對滯后和力度不足。
桑濤告訴記者，實(shí)際上，對于第二代生物能源的研究，我國比美國等西方國家更加緊迫。我國每年有50%以上的石油依賴進(jìn)口，而美國石油儲備遠(yuǎn)高于我國，并且有著廣闊的閑置耕地和輪休耕地，第一代生物能源生產(chǎn)技術(shù)成熟，而且糧食安全壓力和耕地減少壓力沒有我國大。因此，我國更應(yīng)該將第二代生物能源的研究提升至能源戰(zhàn)略的高度，迎頭追趕，方能占住先機(jī)。因?yàn)�，我們有著西方國家無法比擬的種質(zhì)資源優(yōu)勢。
桑濤呼吁，希望國家加大對第二代生物能源研究政策上和資金上的支持力度。
此外，目前芒草的研究處在人工馴化階段，要加快從研到產(chǎn)的進(jìn)程，還需要多學(xué)科合作、進(jìn)行整個產(chǎn)業(yè)鏈的系統(tǒng)化研究。
研究小組認(rèn)為，芒草不僅是能源作物，還是非常好的材料、涂料作物，建議國家有關(guān)部門整合科研資源，加強(qiáng)對芒草綜合開發(fā)利用的重視和實(shí)際鼓勵。
另外，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。現(xiàn)階段，我國生物能源研究人員缺乏，人才隊(duì)伍建設(shè)與歐美相比之歐美差距還是很大。
針對以上問題，專家建議，國家有關(guān)部門能夠加大對能源作物研究方面的投入，將生物能源提升到我國新時期可持續(xù)性發(fā)展的能源戰(zhàn)略高度，爭取早日實(shí)現(xiàn)芒草的人工馴化，為生物能源開發(fā)提供優(yōu)質(zhì)、專業(yè)化、持續(xù)不斷的能源原料。
同時，對第二代能源作物從生物育種、種植推廣、能源轉(zhuǎn)化、生產(chǎn)機(jī)制和模式等進(jìn)行系統(tǒng)科學(xué)研究和試驗(yàn)�！耙粭l龍的研發(fā)可加快芒草實(shí)現(xiàn)其在糧食、能源、生態(tài)三方面的綜合效益，最終使我國走在歐美前列，成為新一代能源作物的主產(chǎn)國和生物能源大國�！崩罱◤�(qiáng)說。
專家們還特別提出，目前我國擁有植物能源轉(zhuǎn)化技術(shù)，但是不夠優(yōu)化和高效，建議投資建立芒草生物能源轉(zhuǎn)化試驗(yàn)廠，從而整體推進(jìn)我國生物能源研發(fā)和生產(chǎn)能力。
最后專家建議，國家應(yīng)重點(diǎn)扶持我國生物能源相關(guān)專業(yè)的發(fā)展，培養(yǎng)生物、環(huán)境、能源跨學(xué)科綜合人才。
鏈接：芒草——能源作物新秀強(qiáng)勢登場
