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面效應。于是，尋找第二代能源作物成為生物質(zhì)能領域重要課題，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、上海生命科學研究院等單位合作展開的新一代能源作物研究取得關鍵性突破。經(jīng)過三年來的種植試驗發(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，在科研立項和轉(zhuǎn)化研究方面存在體制機制矛盾，有關研究人員建議，國家應對第二代能源作物研究進行重點立項，加強產(chǎn)學研結合。

　　試驗讓科研人員驚喜

　　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、上海生命科學研究院、中科院武漢植物園組成芒草研究小組，項目得到中科院知識創(chuàng)新工程重要方向項目的資助。當年秋天，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◤娬f，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)。

　　李建強說，這說明芒草種類具有豐富的遺傳變異和很強的適應性，可供培育耐冷、耐旱和耐貧瘠的高產(chǎn)能源作物。

　　這一結果讓科研人員非常興奮。經(jīng)過多次分析總結，2011年5月份，研究小組將研究成果在線發(fā)表于《全球變化生物學生物質(zhì)能源》(GlobalChangeBiologyBioenergy)雜志上。同時，該雜志以“適者為芒”(MiscanthusAdapts)為題，對此成果進行了新聞發(fā)布，迅速受到國際上廣泛關注，美國科學促進會新聞網(wǎng)站(AAASEureAlert)、歐洲科學新聞(AlphaGalileo)、每日科學(ScienceDaily)、細胞出版社新聞(CellPressNewsAggregator)、科學新聞在線(ScienceNewsline)等都進行了轉(zhuǎn)載報道。

　　可“點綠”我國干旱半干旱地區(qū)

　　研究小組對我國黃土高原地區(qū)進行了考察，根據(jù)芒草在我國的產(chǎn)量，保守地進行了一個效益測算。

　　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)甘肅慶陽試驗基地的產(chǎn)量，保守估計以每公頃年產(chǎn)芒草干重11噸計算，總產(chǎn)量為五億噸。這些產(chǎn)量如果全部轉(zhuǎn)化成乙醇，大致相當于我國2010年消耗的汽油總量。

　　再進一步推算，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，大致相當于我國2010年消耗的汽油。

　　中科院武漢植物園系統(tǒng)與進化植物學學科首席研究員李建強總結認為，對芒草作為第二代能源作物研發(fā)可以實現(xiàn)三大功能：

　　一是糧食安全。芒草可取代糧食、經(jīng)濟作物成為新一代能源作物，緩解糧食危機。

　　二是能源獨立。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，將改變能源依賴進口的格局。

　　三是生態(tài)保護。芒草極強的環(huán)境適應性可以改善干旱、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)重點實驗室主任桑濤對芒草也抱著巨大的希望。

　　進入人工馴化階段

　　要使上述一切變?yōu)楝F(xiàn)實，對芒草的研究還有不短的路要走。桑濤說，目前的研究結果已經(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”，桑濤說。

　　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。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平臺的建設。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。2013年到2014年，對芒草的抗逆性和產(chǎn)量性狀進行數(shù)量遺傳學分析；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。

　　作為植物馴化領域的專家，桑濤表示，根據(jù)現(xiàn)有的遺傳基因技術，芒草的基礎馴化只需要幾年時間。據(jù)他介紹，2011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)進行了試驗，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，進行人工雜交和育種，然后做基因遺傳學分析。

　　“這個過程不會很長，而且這件事情全世界目前都沒有做過，因為歐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，掃除科研機制上和產(chǎn)學研上存在的一些障礙，加快芒草從研到產(chǎn)的進程。

　　中科院植物所、上海生命科學研究院、中科院武漢植物園組成的芒草研究小組認為，節(jié)能減排是我國經(jīng)濟發(fā)展方式轉(zhuǎn)型的內(nèi)在壓力，而科學發(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)電裝機已達200萬千瓦，以糧食為原料的生物燃料乙醇產(chǎn)量達到了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)電目標是3000萬千瓦，生物燃料乙醇的發(fā)展目標是1000萬噸。不過業(yè)界認為，這個目標實現(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，芒草可以擔此重任。

　　但是，當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行過科學評估。國內(nèi)相關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構承擔，能源植物科研項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，在科研項目立項評審過程中，不利于能源作物的立項和資金爭取。

　　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方面顯得相對滯后和力度不足。

　　桑濤表示，實際上，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%以上的石油依賴進口，而美國石油儲備遠高于我國，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。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，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)的進程，還需要多學科合作、進行整個產(chǎn)業(yè)鏈的系統(tǒng)化研究。

　　研究小組認為，芒草不僅是能源作物，還是非常好的材料、涂料作物，建議國家有關部門整合科研資源，加強對芒草綜合開發(fā)利用的重視和實際鼓勵。

　　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)基礎研究?，F(xiàn)階段，我國生物能源研究人員缺乏，人才隊伍建設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)機制和模式等進行系統(tǒng)科學研究和試驗?！耙粭l龍的研發(fā)可加快芒草實現(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◤娬f。

　　專家們還特別提出，目前我國擁有植物能源轉(zhuǎn)化技術，但是不夠優(yōu)化和高效，建議投資建立芒草生物能源轉(zhuǎn)化試驗廠，從而整體推進我國生物能源研發(fā)和生產(chǎn)能力。

　　最后專家建議，國家應重點扶持我國生物能源相關專業(yè)的發(fā)展，培養(yǎng)生物、環(huán)境、能源跨學科綜合人才。

　　芒草能源作物新秀強勢登場

　　化石能源日益緊缺，污染日趨嚴重，新能源的開發(fā)和利用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，芒草漸漸進入研究人員的視野，成為第二代能源植物中的希望。

　　第一代能源作物與人搶地爭糧

　　當今世界，再生能源發(fā)展迅速，風能、太陽能、地熱、潮汐、水電和生物質(zhì)能……都取得快速發(fā)展，其中生物質(zhì)能主要指綠色作物通過光合作用而形成的有機體。生物質(zhì)能是太陽能以化學能形式貯存在生物質(zhì)中的能量形式，即以生物質(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。這些植物大多為一年生，需年年耕地播種，大量灌溉施肥，投入的能量大，凈能量產(chǎn)出卻少得可憐。加上它們還與糧食作物爭耕地，由此帶來一系列負面效應。比如，人們?yōu)檠a充耕地而砍伐森林，結果降低了地球的碳儲存能力，反而不利于解決溫室效應。

　　美國等西方國家擁有大量閑置土地，因此他們發(fā)展第一代生物能源條件比較優(yōu)越，已經(jīng)形成規(guī)模。但是，對于擁有世界1/5人口的中國，耕地面積不及世界的1/10，用耕地生產(chǎn)第一代能源植物必然危及糧食安全和國家穩(wěn)定。

　　芒草多種優(yōu)勢集于一身

　　為解決能源植物和糧食作物爭地的矛盾，世界各國均在尋找合理的替代途徑。早在上個世紀80年代，芒草中的巨芒草就進入了西方科學家的研究視野。西方科學家發(fā)現(xiàn)，作為第二代能源作物，巨芒草具有多種優(yōu)勢。

　　芒草能夠在貧瘠的土地上生長，不會與糧食作物爭耕地；它們光合效率高，可以更有效地把太陽能和二氧化碳轉(zhuǎn)化儲存起來；年產(chǎn)生物量大，能提供更多的生物質(zhì)以轉(zhuǎn)化為燃料。同時，芒草具有高效用水、用肥和光合作用的能力，并且一年播種可持續(xù)生產(chǎn)10到20年，投入低，凈能量產(chǎn)出相當大。正是由于芒草具有不與糧食爭耕地、產(chǎn)量高、減碳能力強、凈能量大等多個優(yōu)勢，迅速成為能源作物研究中的新星。

　　與谷物類糧食作物一樣，芒草在分類學上屬于被子植物的禾本科。全世界共有約14個野生種，大多分布在亞洲，少量產(chǎn)于非洲，屬碳四植物，具有高光飽和點、高光合速率和高光合生產(chǎn)效率生理特性，比碳三植物耗水少且光合效率高。

　　國際上研究最多的巨芒草，是一個起源于日本的不育三倍體雜交種，其父母本是原產(chǎn)于東亞(包括中國)的二倍體的芒和四倍體的荻。1935年巨芒草作為觀賞植物傳入丹麥，半個世紀后，作為能源作物的潛力替代品種首先在歐洲得到認可和測試。

　　芒草研究已經(jīng)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發(fā)重點實驗室主任桑濤介紹，美國于2007年起建立了四個生物質(zhì)能研究中心，動員美國幾乎所有相關國家實驗室和數(shù)十所研究型高校對第二代能源作物進行研究。在美國第二代能源植物開發(fā)計劃中，柳枝稷、芒草、柳樹、楊樹均成為重點研究的對象。

　　美國國家能源顧問斯蒂芬？朗是對芒草研究較為深入的科學家之一。最近，他們的研究結果表明，在幾乎不施肥的情況下，巨芒草的干生物質(zhì)產(chǎn)量達到了平均每公頃30噸。如果對芒草品種進一步改良，使其在更廣泛的地區(qū)種植并提高產(chǎn)量，理論上拿出美國6.2%的耕地面積就可以生產(chǎn)出1330億升乙醇，可以取代美國2008年汽油使用量的20%，減少該年美國因使用石油所排放的二氧化碳量的30%。

　　美國學者薩莫維爾將美國生物能源戰(zhàn)略提升至新世紀的“曼哈頓計劃”。美國應對金融危機時，發(fā)起了一場能源革命。有觀點認為，奧巴馬主導的能源革命是以綠色經(jīng)濟為主推動新的經(jīng)濟革命，這場革命已經(jīng)遠遠超出單純的經(jīng)濟振興計劃，被廣泛譽為“開啟一場綠色革命”。

　　當前，美國力推的經(jīng)濟復興計劃核心即是能源產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型和發(fā)展，最終目標是通過能源改造、轉(zhuǎn)型，使美國大幅減少對進口石油的依賴，較少依賴化石能源，進而實現(xiàn)國際秩序的重建，促使全球經(jīng)濟轉(zhuǎn)型。具體來說，這將催生一個全新的產(chǎn)業(yè)，不僅為美國創(chuàng)造數(shù)百萬個就業(yè)崗位，而且在新能源技術及其應用方面，也將取得重大的突破。未來，美國計劃大量投資和開發(fā)綠色能源。

　　因此，美國對開發(fā)第二代能源作物寄予厚望。

　　英國巨芒草燃料試驗領先于歐洲其他國家。據(jù)路透社消息，英國巨芒草種植規(guī)模急劇擴大，在過去五年里，收獲量增長了十幾倍，這將幫助英國更快更好地滿足歐盟可再生能源目標。去年，英國啟動了巨芒草能源計劃。英國最大的火電站德拉克斯電站已經(jīng)開始將煤和芒草混合發(fā)電。2011年年初的英國糧食價格上漲，也未能改變英國這一計劃。