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,。”李建強(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(bào)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,。”中科院植物研究所資源植物研發(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,。“完成芒草從野生植物到作物的轉(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?？蒲泄ぷ髡邆兘ㄗh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)?；玫耐緩绞菍I(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?，F(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),。“一條龍的研發(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,。”李建強(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,。(生物谷 Bioon.com)
