芒草:突围中国生物质能源困局?

2011-7-25 09:28 来源: 科学时报
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  理论上,中国需要生态恢复的土地超过100万平方公里,如用来种芒草,按10吨/公顷的保守产量计算,一年干芒草产量能达10亿吨,如用于燃烧发电,即能达到2007年全国总发电量的45%;而如果拿出5亿吨转化成乙醇,则能取代中国2010年全年的汽油用量。

  在中国,“节能减排,发展可再生能源”的提法正变得妇孺皆知。但在国家“千人计划”入选者、中科院植物研究所资源植物研发重点实验室主任桑涛看来,“与各种可再生能源相比,中国对生物质能源的潜力仍然不清楚”。

  尤其是限制能源作物大面积种植的土地问题,一直是科学家们纠结的焦点。中国西部和北部的大片边际性土地到底能不能用?又该怎么用?桑涛隐约觉得,中国生物质能源的希望,也许就孕育在这片广袤的土地上。

  中国生物质能源的发展潜力和前景,是桑涛一直关注和研究的方向。经过了若干年的探索,一种不起眼的野草进入桑涛的视野。

  这种植物就是芒草。

  芒草,中国得天独厚的能源作物

  近年来,由于包括玉米、油菜、甘蔗等在内的第一代能源作物对气候条件要求较高,还需要大量施肥、浇水、耕种、管理等,投入的能量成本很高,而净得能量却不多,学者们开始考虑开发第二代能源植物,也就是高产的多年生草本和速生树种。

  2007年,美国启动了几个大的生物质能源项目,桑涛任教的密歇根州立大学参与了其中的第二代能源植物开发计划,柳枝稷、芒草、柳树、杨树均成为该计划重点研究的对象。

  美国国家能源顾问Stephen Long是对芒草研究较为深入的科学家之一。他们在伊利诺伊大学香槟分校试验地里种植的芒草,平均年产量高达30吨/公顷,比美国应用较多的原产能源植物柳枝稷长得更加高大,生物量也比柳枝稷大3倍。

  Long和Somerville随后在《科学》杂志上撰文称,如果用美国一半的休闲耕地(约700万公顷)来种植芒草,按照这一产量,能够取代2008年美国汽油用量的20%,并能减少30%因使用汽油导致的二氧化碳排放。

  “这个数目太可观了。”这立即引起了桑涛的关注,他惊奇地发现芒草属的十几个种绝大部分都分布在亚洲,且以中国的资源最为丰富,几个生物量最大的种都原产于中国。

  和玉米、高粱、甘蔗、柳枝稷等一样,芒草也是碳4植物,其特点是光合作用效率高,对水、肥利用效率高,能在比较贫瘠的土地上产生较大的生物量。且与其他多生活在热带、亚热带地区的碳4植物不同,芒草是非常罕见的、在我国北方有分布的高产碳4植物。“在齐齐哈尔都采到了标本。”桑涛说。 

  “如果芒草能行,中国生物质能源发展的潜力就大了。”桑涛当时的想法是,以黄土高原为代表的中国北方和西北地区贫瘠、退化,荒漠化趋势严重,如果能把芒草种在那里,不但能满足能源持续供应的需求,而且芒草是多年生植物,根系发达,抗旱、抗寒能力强,因此还能起到水土保持和生态恢复的作用,可谓一箭双雕。 

  集各种优点于一身的芒草,让桑涛跃跃欲试。

  与黄土高原一拍即合

  2008年,桑涛把研究芒草的想法一提出来,就立即引起了中科院同行的共鸣。在上海生命科学研究院研究员韩斌的牵头下,芒草能源植物项目迅速得到了中科院知识创新工程重要方向项目的资助。同年秋天,由中科院植物研究所研究员葛颂承担的全国范围野生芒草收集工作启动。

  2009年,中科院武汉植物园研究员李建强等人把收集到的约100个芒草自然居群,分别种在了内蒙古锡林郭勒国家草原生态站、黄土高原上的甘肃省庆阳,另外一部分种在武汉作为对照。“我们选了3个生物量最大而花期又大致相同的野生种,种植后的第二年开始就不浇水、不施肥,完全靠天吃饭。”

  桑涛坦承,能不能把这种野草种好,他的心里原本还是有点打鼓的。

  然而经过2009年、2010年两个生长季,研究人员惊喜地发现,一部分芒草可以在寒冷的锡林郭勒生长,还有一些在较为干旱的庆阳则长势喜人。

  在这中间,有一种中国特有种南荻引起了桑涛的注意。这种植物原本生长在长江沿岸地区,是芒草中生物量最大的一种,高度可达7米。桑涛原以为南荻在黄土高原的日子不会好过,可实验却证明,南荻与黄土高原一拍即合,甚至比武汉的对照组长得还要高大。

  研究人员同时发现,芒草具有非常丰富的遗传变异。“高的遗传多样性是作物选育的重要条件。”这一结果让桑涛十分兴奋。目前,植物所负责的芒草遗传多样性研究已经进入尾声,而上海生命科学院对芒草的全基因组测序也基本完成。

  今年5月,芒草种植试验的结果在线发表在《全球变化生物学—生物质能源》(Global Change Biology Bioenergy)杂志上。

  同时,该杂志以《适者为芒》(Miscanthus Adapts)为题,对成果进行了新闻发布,迅速受到主流科学媒体的关注。美国科学促进会新闻网站(AAAS EureAlert)、欧洲科学新闻(Alpha Galileo)、每日科学(Science Daily)、科学新闻在线(Science Newsline)等媒体纷纷进行了转载和报道。

  第二次作物大驯化的时机来了

  在去年发表的一篇论文中,桑涛和同事算了一笔账,中国需要生态恢复的土地远远超过100万平方公里,如果拿出这些土地来种芒草,按照10吨/公顷的保守产量计算,一年干芒草产量能达到10亿吨。

  这样的产量,就算是简单地燃烧发电,即能达到2007年全国总发电量的45%,降低全国二氧化碳总排放量的28%;而如果拿出5亿吨转化成乙醇,则能取代中国2010年全年的汽油用量。 

  但如何将理论变成现实,还是一件非常有挑战性的事。芒草在中国毕竟是野草,它仍倾向生长于气候条件较好的地区。芒草在黄土高原能走多远,是桑涛及合作者正在主攻的课题。 

  下一步,研究人员要进行大规模的种植试验,看其能否生活在更干旱的地方。桑涛透露:“这次我们在甘肃的试验点又向北推了100多公里,那里更加干旱,农作物收成没有保障,现在到处都是荒地。” 

  “我们的理论模型估计,除去宜农、宜林、宜牧和完全不可耕种的土地,总面积60多万平方公里的黄土高原还有约2/3可以用于种植芒草,总产量能达到每年4亿多吨。哪怕如果能够部分实现这个目标,不仅会基本防止那里严重的水土流失,还能为经济发展提供可持续利用的资源。

  他们要做的事,是要像一万多年前人类驯化水稻、玉米和小麦一样,把野生的芒草变成一种作物。“现在可能已经到了这样一个路口,需要一类新的作物来提供能源和有机原材料,为人类可持续发展提供保障。对此,中国科学家应当仁不让。” 

  桑涛认为,能够在边际性土地上生长并获得高产,作为第二代能源植物热门候选者的芒草,其驯化的潜力不仅很大,而且应该是“一个只争朝夕的快速过程”。但必须经过严格、细致和不断的科学试验,边生产边试验,确保大规模生物质能源生产是可持续和对生态环境有利的。