第二代生物能源研發(fā)的中國優(yōu)勢：芒草資源豐富且遺傳多樣性高
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中國在第二代生物能源研發(fā)方面的優(yōu)勢
我國是世界上芒草屬植物自然資源最豐富的國家。近日，由中國科學(xué)院植物研究所、中國科學(xué)院武漢植物園、上海生命科學(xué)研究院等單位聯(lián)合開展的新一代能源作物研究取得關(guān)鍵突破。經(jīng)過三年的種植試驗發(fā)現(xiàn)，我國原產(chǎn)的芒草具有豐富的遺傳多樣性，人工馴化后將對我國土地資源利用和能源結(jié)構(gòu)產(chǎn)生革命性影響。但由于我國第二代能源作物研究處于起步階段，科研項目立項、轉(zhuǎn)化研究存在體制機制矛盾。相關(guān)研究人員建議，國家應(yīng)重點對第二代能源作物研究立項，加強產(chǎn)學(xué)研結(jié)合。
該實驗讓研究人員大吃一驚
世界上14種野生芒屬植物中國都有7種，幾乎遍布我國整個氣候區(qū)，生物量產(chǎn)量最高的4種芒屬植物也都分布在中國，是世界上芒屬植物自然資源最豐富的國家。
2008年，中國科學(xué)院植物研究所、上海生命科學(xué)研究院和中國科學(xué)院武漢植物園組成芒屬植物研究小組，該項目由中國科學(xué)院知識創(chuàng)新工程重要方向項目資助，當年秋，在全國范圍內(nèi)開展野生芒屬植物的收集工作。2009年，中國科學(xué)院武漢植物園研究員李建強等人在黃土高原上種植了內(nèi)蒙古錫林郭勒國家草原生態(tài)站和甘肅慶陽采集的約100個芒屬植物天然種群，另一部分在武漢種植作為對照。
“我們選取了生物量最大、花期大致相同的3個野生種，從栽種后第二年開始，就不再澆水施肥，完全依靠天氣狀況�！崩罱◤娬f，他不知道芒草的生物學(xué)性狀和遺傳特性在國內(nèi)這些地方會表現(xiàn)如何，但他很期待。
經(jīng)過2009年、2010年兩個生長季的試驗，李建強和同事們驚喜地發(fā)現(xiàn)，有的芒草能在寒冷的錫林郭勒生長，有的在相對干旱的慶陽也長得很好。而且，甘肅慶陽的芒草生物量含量，比其原產(chǎn)地武漢江夏地區(qū)的芒草生物量含量還高。
李建強說，這說明芒屬植物遺傳變異豐富，適應(yīng)性強，可以用來培育耐寒、耐旱、耐瘠薄的高產(chǎn)能源作物。
這一結(jié)果讓科研人員興奮不已。經(jīng)過多次分析總結(jié)，研究團隊于今年5月在《全球變化生物生物質(zhì)能》（ CB）期刊上在線發(fā)表了該項研究成果。同時，該期刊以“”為題發(fā)表了關(guān)于這一結(jié)果的新聞稿，迅速引起了國際社會的廣泛關(guān)注。美國科學(xué)促進會新聞網(wǎng)站（AAA lert）、歐洲科學(xué)新聞（）、《每日科學(xué)》（ Daily）、細胞新聞（Cell Press NewsA）、科學(xué)新聞在線（ News ）等均對此進行了轉(zhuǎn)載報道。
能“綠化”我國干旱半干旱地區(qū)
課題組在我國黃土高原地區(qū)進行了調(diào)研，并根據(jù)我國芒草產(chǎn)量情況做出了保守的效益估算。
除去可耕地和不宜種植的土地，黃土高原可供種植芒草的面積有43萬平方公里。按照甘肅慶陽試驗基地的產(chǎn)量，保守估計每公頃芒草年產(chǎn)量為11噸干重，總產(chǎn)量達5億噸。如果把這些產(chǎn)量全部折合成乙醇，大致相當于我國2010年消耗的汽油總量。
進一步測算，如果在我國華北、西北地區(qū)集中的荒蕪?fù)嘶恋厣戏N植1億公頃（100萬平方公里）芒草，以每公頃平均干重10噸計算，總產(chǎn)量為10億噸，可發(fā)電145.8萬億千瓦時，減少二氧化碳排放16億噸，相當于2007年我國全社會用電量的45%和二氧化碳排放總量的28%；其中一半可作為原料轉(zhuǎn)化為乙醇，大致相當于我國2010年消耗的汽油量。
中國科學(xué)院武漢植物園系統(tǒng)與進化植物學(xué)首席研究員李建強總結(jié)認為，芒草作為第二代能源作物的研發(fā)可以實現(xiàn)三大功能：
第一，糧食安全。芒草可以替代糧食和經(jīng)濟作物，成為新一代能源作物，緩解糧食危機。
第二，能源獨立。我國有大面積無法耕種的干旱、半干旱邊緣地帶，如果能將這部分土地作為生物能源的生產(chǎn)場所，將改變能源依賴進口的格局。
三是生態(tài)保護。芒草的環(huán)境適應(yīng)性強，可以改善干旱、半干旱非耕地的植被狀況，同時保持水土，防止土地沙化。
“想象一下，如果貧瘠的干旱半干旱地區(qū)種上芒草，那該有多好啊。土地變得綠油油的，百姓也能因此致富�！敝袊茖W(xué)院植物研究所資源植物研究與開發(fā)重點實驗室主任桑濤也對芒草寄予厚望。
進入人工馴化階段
要讓上述所有設(shè)想都變成現(xiàn)實，芒屬植物的研究還有很長的路要走。桑濤表示，目前的研究成果已經(jīng)證明，芒屬植物是我國第二代能源作物的最佳選擇，而下一步的突破就是進行人工馴化。
人工馴化是將野生作物種子通過人工選擇、雜交，轉(zhuǎn)化成可以人工培育種植的作物的過程�！叭斯ゑZ化的目標是將芒草從野生植物轉(zhuǎn)化成作物�！鄙f。
其實，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)過馴化的。大約1萬年前開始的糧食作物馴化，奠定了人類文明的基礎(chǔ)。比如水稻，就是由野生稻經(jīng)過漫長的過程，逐漸被人類移栽、選擇、栽培而形成的。
據(jù)了解，根據(jù)課題組的安排，下一步將完善芒屬植物基因組學(xué)平臺建設(shè)，明年將在干旱、貧瘠、退化和鹽堿地上篩選高產(chǎn)芒屬植物品系并開展雜交試驗；2013年至2014年對芒屬植物抗逆性、產(chǎn)量性狀進行數(shù)量遺傳學(xué)分析；通過模擬分析，評估我國芒屬能源植物的生產(chǎn)潛力和規(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，基于現(xiàn)有的遺傳技術(shù)，芒草的基本馴化僅需幾年時間。據(jù)他介紹，今年課題組在山東東營的鹽堿地和甘肅環(huán)縣較為干旱的地區(qū)進行試驗，篩選出30萬個遺傳個體，挑選出更加耐旱、耐寒、耐鹽堿的種質(zhì)資源，進行人工雜交育種，隨后進行遺傳基因分析。
“這個過程不會花很長時間，而且目前世界上還沒有人做過，因為歐美國家不是芒屬植物的原產(chǎn)地，沒有種質(zhì)資源。另外，歐美國家耕地面積大，不需要馴化在干旱貧瘠的土地上生長的能源作物。但他們最終需要具有高遺傳多樣性的作物，所以很可能要依靠我們的馴化育種�！鄙f。
資金和政策支持力度要更大
目前，我國正在大力發(fā)展生物能源，但由于生物資源的限制，遇到了瓶頸，第二代能源作物的研究起步較晚，在能源作物研究上也存在一些體制上的制約。研究人員建議，國家應(yīng)該加大對第二代能源作物研究的重視，加大投入，在科研機制和產(chǎn)學(xué)研上掃除一些?*�，尖欃芒草从研究道U慕獺?/p>
由中國科學(xué)院植物研究所、上海生命科學(xué)研究院、中國科學(xué)院武漢植物園組成的芒草研究團隊認為，節(jié)能減排是我國經(jīng)濟發(fā)展方式轉(zhuǎn)變的內(nèi)在壓力，科學(xué)發(fā)展成為生物能源發(fā)展的內(nèi)在動力。近年來，我國生物能源發(fā)展取得了令人矚目的成就，截至2010年底，全國生物質(zhì)直燃發(fā)電裝機容量已達200萬千瓦，以糧食為原料的生物燃料乙醇產(chǎn)量已達180萬噸。
2007年，國家制定了《可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃》，提出了到2020年生物質(zhì)發(fā)電3000萬千瓦的目標、生物燃料乙醇1000萬噸的發(fā)展目標。但業(yè)內(nèi)人士認為，實現(xiàn)這一目標存在客觀困難，主要原因是各企業(yè)紛紛上馬生物質(zhì)發(fā)電項目，但均遭遇生物資源短缺的難題，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、集中性之間的矛盾造成的。
專家認為，將芒草發(fā)展成為我國專業(yè)的能源作物可以解決這一難題，實現(xiàn)生物質(zhì)能源規(guī)�；玫耐緩绞菍I(yè)化、產(chǎn)業(yè)化，芒草作為最佳選擇，可以擔(dān)負起這一重任。
但目前對芒屬植物的研究也面臨一些困難。
一是盡管目前國家十分重視生物能源的研究與發(fā)展，但尚未對我國生物能源的潛力和前景進行科學(xué)評估，國內(nèi)相關(guān)研究也較為薄弱和分散，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構(gòu)承擔(dān)，能源植物研究項目多由我國能源專家進行評審，他們大多為石油、煤炭等化石能源研究的專家，由于對能源植物了解不多，不利于能源作物項目的立項和項目評審過程中資金的獲取。
與高度重視能源革命的美國相比，我國對能源產(chǎn)業(yè)特別是新能源產(chǎn)業(yè)的支持、對能源革命的推動相對滯后和不足。
桑濤告訴記者，其實，我國在第二代生物能源研究方面比美國等西方國家更加緊迫。我國每年50%以上的石油依賴進口，而美國的石油儲量比我國高得多，而且有廣闊的閑置閑置農(nóng)田。第一代生物能源生產(chǎn)技術(shù)成熟，糧食安全和耕地減少的壓力不如我國大。因此，我國應(yīng)該把第二代生物能源研究上升到能源戰(zhàn)略的高度，奮起直追，搶占先機。因為我們有著西方國家無法比擬的種質(zhì)資源優(yōu)勢。
桑濤呼吁國家加大對第二代生物能源研究的政策和資金支持。
此外，目前芒草研究尚處于人工馴化階段，要加速從研究到生產(chǎn)的進程，還需要多學(xué)科合作和全產(chǎn)業(yè)鏈的系統(tǒng)研究。
研究團隊認為，芒草不僅是一種能源作物，還是一種非常好的材涂料作物，建議國家相關(guān)部門整合科研資源，加強對芒草綜合開發(fā)利用的關(guān)注和實際鼓勵。
此外，當前我國生物能源研究主要集中在植物能量轉(zhuǎn)換方面，而忽視了能源植物進行生物能源轉(zhuǎn)換的物質(zhì)基礎(chǔ)研究，目前我國生物能源研究人員短缺，人才隊伍建設(shè)與歐美差距仍較大。
針對上述問題，專家建議國家有關(guān)部門可加大對能源作物研究的投入，將生物能源上升為新時代我國可持續(xù)發(fā)展的能源戰(zhàn)略高度，爭取早日實現(xiàn)芒草人工馴化，為生物能源發(fā)展提供優(yōu)質(zhì)、專業(yè)、持續(xù)的能源原料。
同時，從生物育種、種植推廣、能源轉(zhuǎn)化、生產(chǎn)機理與模式等方面對第二代能源作物進行系統(tǒng)的科學(xué)研究與試驗�！耙粭l龍研發(fā)，可加速實現(xiàn)芒草的糧食、能源、生態(tài)綜合效益，最終使我國領(lǐng)先歐美，成為新一代能源作物的主產(chǎn)國和生物能源大國�！崩罱◤娬f。
專家還特別指出，我國目前已有植物能源轉(zhuǎn)化技術(shù)，但還不夠優(yōu)化、效率不夠，建議投資建立芒草生物能源轉(zhuǎn)化中試工廠，推動我國整體生物能源研發(fā)和生產(chǎn)能力的提升。
最后專家建議國家應(yīng)重點支持我國生物能源相關(guān)專業(yè)發(fā)展，培養(yǎng)生物、環(huán)境、能源復(fù)合型人才。
芒草——一種強勢亮相的新能源作物
化石能源日益匱乏，污染日趨嚴重，開發(fā)利用新能源已成為世界各國面臨的時代課題。在尋找替代化石能源和第一代能源作物的過程中，芒草逐漸進入研究者的視野，成為第二代能源植物的希望。
第一代能源作物與人類爭奪土地和食物
當今世界，可再生能源發(fā)展迅速，風(fēng)能、太陽能、地?zé)崮�、潮汐能、水能、生物質(zhì)能等均取得了快速發(fā)展。其中生物質(zhì)能主要是指綠色農(nóng)作物通過光合作用形成的生物體，生物質(zhì)能是太陽能以化學(xué)能形式儲存在生物質(zhì)中的能量形式，也就是以生物質(zhì)為載體的能量。目前，我國農(nóng)村常見的生物質(zhì)能有秸稈、沼氣等。
第一代能源作物主要是玉米、水稻、甘蔗、大豆、油菜等糧食和經(jīng)濟作物。這些植物大多是一年生植物，需要每年種植、灌溉、施肥。能源投入大，但凈能源產(chǎn)出卻少得可憐。此外，它們與糧食作物爭奪耕地，帶來一系列負面效應(yīng)。比如，人們砍伐森林來補充耕地，減少了地球的碳儲存能力，不利于解決溫室效應(yīng)。
美國等西方國家擁有大量閑置土地，發(fā)展第一代生物能源條件相對優(yōu)越，且已形成規(guī)模。而對于擁有世界五分之一人口的中國來說，耕地面積卻不足世界的十分之一，利用耕地生產(chǎn)第一代能源植物必然會危及糧食安全和國家穩(wěn)定。
芒草有很多優(yōu)點
為了解決能源植物與糧食作物的矛盾，世界各國都在尋找合理的替代品。早在20世紀80年代，芒屬植物中的大芒草就進入了西方科學(xué)家的研究領(lǐng)域。西方科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，作為第二代能源作物，大芒草具有很多優(yōu)點。
芒草可以在貧瘠的土地上生長，不會與糧食作物爭耕地；光合效率高，能更有效地轉(zhuǎn)化和儲存太陽能和二氧化碳；每年產(chǎn)生大量的生物質(zhì)，可以提供更多的生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為燃料。同時，芒草具有高效的水肥利用和光合作用能力，每年播種一次即可持續(xù)生產(chǎn)10到20年，投入少，凈能量產(chǎn)出可觀。正是由于芒草具有不與糧食爭耕地、產(chǎn)量高、碳減排能力強、凈能量大等諸多優(yōu)勢，使其迅速成為能源作物研究的后起之秀。
芒屬植物與谷類作物一樣，在分類學(xué)上屬于被子植物禾本科，全球約有14種野生種，大部分分布在亞洲，少量產(chǎn)于非洲。芒屬植物為C4植物，光飽和點高，光合速率高，光合生產(chǎn)效率高，耗水量比C3植物少，光合效率高。
研究最多的芒屬植物是原產(chǎn)于日本的不育三倍體雜交種。其親本是二倍體芒屬植物和四倍體蘆葦，均原產(chǎn)于東亞（包括中國）。1935 年，芒屬植物作為觀賞植物被引入丹麥。半個世紀后，它首次在歐洲被認可并被測試為能源作物的潛在替代品。
芒草研究進入西方新能源戰(zhàn)略
據(jù)中科院植物研究所資源植物研究與開發(fā)重點實驗室主任桑濤介紹，美國自2007年起已成立4個生物質(zhì)能源研究中心，動員美國幾乎所有相關(guān)國家實驗室和數(shù)十所研究型大學(xué)開展第二代能源作物研究。在美國第二代能源植物發(fā)展計劃中，柳枝稷、芒草、柳樹、楊樹等均成為研究重點。
美國國家能源顧問斯蒂芬·朗是對芒草進行深入研究的科學(xué)家之一。最近，他們的研究成果顯示生物質(zhì)能源，在幾乎不施肥的情況下，巨型芒草的干物質(zhì)產(chǎn)量平均達到每公頃30噸。如果進一步改良芒草品種，可以更大面積種植，產(chǎn)量還可以提高。理論上，美國6.2%的耕地可以生產(chǎn)1330億升乙醇，可以替代美國2008年使用的20%的汽油，減少美國當年因使用石油而產(chǎn)生的30%的二氧化碳排放量。
美國學(xué)者薩莫維爾將美國生物能源戰(zhàn)略提升為新世紀的“曼哈頓計劃”，美國在應(yīng)對金融危機時，發(fā)起了一場能源革命。有人認為，奧巴馬主導(dǎo)的能源革命是一場以綠色經(jīng)濟為驅(qū)動力的新經(jīng)濟革命，這場革命已經(jīng)遠遠超出了簡單的經(jīng)濟振興計劃，被廣泛譽為“開啟了一場綠色革命”。
目前美國所推行的經(jīng)濟復(fù)興計劃的核心是能源產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型發(fā)展，最終目的是通過能源轉(zhuǎn)型和改造，大幅降低美國對進口石油和化石能源的依賴，從而實現(xiàn)國際秩序的重構(gòu)，推動全球經(jīng)濟轉(zhuǎn)型。具體來說，這將催生一個全新的產(chǎn)業(yè)，不僅將為美國創(chuàng)造數(shù)百萬個就業(yè)崗位，還將在新能源技術(shù)及其應(yīng)用上取得重大突破。未來，美國計劃大力投資和發(fā)展綠色能源。
因此美國對第二代能源作物的發(fā)展寄予厚望。
英國大芒草燃料試驗領(lǐng)先于其他歐洲國家。據(jù)路透社報道，英國大芒草種植規(guī)模大幅擴大，過去5年收獲量增長十倍以上，這將幫助英國更快更好地實現(xiàn)歐盟可再生能源目標。去年，英國啟動了大芒草能源計劃。英國最大的火力發(fā)電站德拉克斯發(fā)電站已開始混合使用煤炭和芒草發(fā)電。今年年初英國食品價格上漲，并未改變英國的計劃。