利用多年生牧草生产燃料乙醇前景

卷9期9/2009PRATACULTURAL SCIENCEVol 26. No 9利用多年生牧草生产燃料乙醇前景余醉,李建龙,李高扬(南京大学生命科学院江苏南京210093)摘要:多年生牧草具有可再生、产量高、分布广、价格低康、纤维素含量高等特点,采用其生产燃料乙醇不仅可以解决现阶段能源生产与粮食安全之间的矛盾,还可带来控制土壤侵蚀、减少农药化肥的污染、降低CO2瓣放量等生态效益。相比于粮食作物,在生产工艺发展的基础上,使用多年生牧草将大幅降低燃料乙醇的生产成本,带来良姸的经济效益。阐逃了利用多年生牧草生产燃料乙酵的研究现状,并在此基础上分析其生态优势与经济价值·介绍了几种可作为燃料乙醇原料开发的多年生牧草,为利用多年生牧草发展能源草业提供了科学依据。关键词:多年生能源牧草;生物质能源;燃料乙醇;能源草业中图分类号:TQ517.4·,3文献标识码:A文章编号:1001-0629(2009)090062-08近年来石油资源的需耗量不断增加,设在伦料乙醇的原料进一步发展能源草业对解决当今敦的石油枯竭中心(ODAC)认为2006年全球石能源危机与粮食耕地紧张有重要的意义。可作为油产量超过消耗量的历史已经结束,全世界已经能源牧草发展的牧草种类丰富,如柳枝稷Pani探明的石油储藏量约为1564亿t,但以目前的开 cum virgatum、芒草 Miscanthus spp.、草本芦竹釆速度计算,地球上的石油储量只够消费41 Arundo donax,以及一些分布广泛的杂类草。在年[,因此需要大力开发非常规能源如生物柴油、介绍目前使用多年生牧草作为能源植物生产燃料生物乙醇等以弥补需求缺口。同时使用化石燃乙醇现状的基础上,分析了多年生牧草作为清洁料造成空气污染加剧温室效应而燃料乙醇的氧能源燃料乙醇生产的生态价值及经济价值,并重及辛烷含量高于汽油,燃烧效率高,可减少CO、点介绍了几种主要的能源牧草,并对其作为能源NO,芳香族化合物的排放以及传统的添加剂如植物及生产燃料乙醇原料的前景做出展望甲基叔丁基醚(MTBE〕对水体的污染,因此加快1多年生牧草生产燃料乙醇的生态效益燃料乙醇等清洁能源的开发研究是非常重要的。与经济效益分析目前燃料乙醇主要的生产原料有玉米zea1.1多年生牧草生产燃料乙醇的生态效益mays、甘蔗 Saccharum officinarum、薯类等。1.L.1多年生牧草生产燃料乙醇控制环境污染粮食安全与能源生产之间的矛盾给燃料乙醇的开总体上能源植物比传统作物更能适应一些极端的发带来了一些争议,并且一年生作物易造成土壤肥力以及水分条件,因此在一些弃耕地、边际生态侵蚀其在生产过程中使用的大量化肥农药会污系统、湿地上种植多年生牧草可带来经济与生态染环境。因此,近年来越来越多的国家和研究机双方面的收益2)。种植多年生牧草可以提高土壤构加强了对生产燃料乙醇的非粮食能源作物的筛有机质含量,改善土壤结构,增强土壤蓄水、蓄肥选培育。其中多年生牧草生物量高并可每年收能力多年生草本植物多数具有较强的抗虫、抗病获,价格低廉,分布生境广泛,尤其是可生长在荒滩、盐碱地等边际生境,其具有良好的环境效应,收稿日期:2008-0729可控制土壤侵蚀提高生物多样性。因此将草业中国煤化工引入能源工业发展,使用多年生牧草作为生产燃CNMHG9/2009草业科学(第26卷9期)能力因此可以减少农药的使用(表1),并且由于 Hohenstein等(2估计,相比于一年生作物,多年较低强度的农耕管理的干扰,可为土壤生物、哺乳生草本能源植物可使土壤侵蚀速度下降95%杀动物以及鸟类等提供栖息地,增加生物多样性。虫剂的使用量减少90%。豪1几种粮食作物与能源作物的农药化肥使用量及土壤侵蚀状况侵蚀量磷钾除草剂作物[Mg/(hm2·a)][kg/(hm2·a)][kg/(hm2·a)][kg/(hm2·a)][kg/(hm2·a)]玉米3.06大豆40.91.830.25SRWC2.000663000高草草原2.09000.15注:HEC表示草本能源植物;SRWC表示短期轮伐木使用多年生牧草作为能源植物,生产燃料乙可见使用柳枝稷生产燃料乙醇比传统的以玉米为醇可减少CO2排放量。用生命周期评价模型分原料的生产工艺可增加50%~100%的能量收析汽车用燃料乙醇的生产和使用对环境作用的研。究预测,相比使用低硫汽油(RFG)汽车,使用柳枝1.2多年生牧草生产燃料乙醇的经济效益稷燃料乙醇的E85燃料汽车到2010年内,温室分析燃料乙醇生产中存在的主要问题之一是气体排放可降低57%。而通过工程性的提高作如何降低原料成本。据报道,以玉米为原料生产物和燃料乙醇的产量,到2020年中长期,可减少燃料乙醇,原料成本占综合成本的7819%,相70%。并且不同于一年生作物,多年生牧草可比于粮食和经济作物,多年生牧草来源广泛,价格以大大增加土壤有机质的含量,固定CO212。多低廉,一旦大规模机械化培育和收获,价格将有大年生牧草可以通过积累残余植物体枯落物,并可幅降低。多年生牧草生长周期短,可较快产生经因其较庞大的地下根系增加地下同化碳与土壤有济效益,一般2年后可年年收获。而木本木质纤机质的含量。有研究结果表明用多年生牧草代替维素能源植物从种植到可利用来生产燃料乙醇密集耕作的一年生作物(棉花 Gossypium sp.,般需要3~5年才能有足够产量,并且不能每年都小麦 Triticum aestium,玉米)平均可增加土壤碳产出大量生物质。种植多年生能源牧草可在不改量1.1Mg/(hm2·a)变目前农业耕作的方式下大规模种植,并且其化1.1.2多年生牧草生产燃料乙醇提高能源利用率肥农药用量远低于木本能源植物以及粮食作物个衡量能源植物的环境效益的重要方面是因此种植成本较低。有研究利用生命周期评价比其在多大程度上可抵消开采及燃烧化石燃料所产较速生柳与芒草可为农民带来的利润,速生柳的生的环境代价。使用生物燃料,如燃料乙醇代替毛利润为211~270C/hm2,而芒草可达到32化石燃料的净收益不仅决定于生物质材料所蕴涵383C/hm20)的能量,也取决于生产及转化生物质材料为生物另一方面,多年生牧草质地较松软,易于加工燃料所需的能量。有研究比较了以玉米及柳枝稷和预处理,Guo等1用稀酸法处理获 Miscanthus为原料生产燃料乙醇2个系统的净能量收人。柳 sacchar floras稻秆和甘蔗渣后发现荻的木糖最枝稷能量产出的比率为12~17,而玉米为6,当玉高产中国煤化工0,但获在水解米秸秆纤维用做能源产品时,其比率可达到8。酶处CNMH〔因是形成乙酸PRATACULTURAL SCIENCE(VoL 26. No 9)9/2009量相对较少,由于其生长周期短其成分中对后续3几种可作为能源牧草开发的多年生牧的水解发酵等工艺不利的有害物质相对较少。草简介目前,基于稀酸水解技术,木质纤维素生物质到燃3.1柳枝稷柳枝稷为禾本科黍属多年生暖季料乙醇的转化效率约为35%随着预处理技术尤型丛生草本植物原产于北美是一种C植物它其是生产过程的优化,可将乙醇的生产效率提高有优良的草料特性和水土保持功能有研究发现其到48%整体处理效率提高到68%,如柳枝稷生在10年的生长期内,产量没有下降趋势,各种植地产燃料乙醇的成本未来5年为22E/Gmw,未来点管理方式品种间平均产量达14t/hm{。10~15年内为13/GJ,未来20年后可降至8.7柳枝稷土壤改良能力较好,可适应贫瘠土壤E/G0,因此,在预处理、水解、发酵技术发展的和边缘耕地,具有很强的耐旱、耐涝能力,其同时,多年生草本植物的加工成本将不断降低,同每年的氮肥使用量为70~100kg/hm2,玉米为时,由于其巨大的生物量与低廉的种植成本,将具138-154kg/hm2,在 Alabama进行的研究发现有其他生物质原料不可比拟的优势柳枝稷的氮利用率为65.6%,而小麦与玉米为2多年生能源牧草的品种筛选50%2(见表2)。在其10年的生长周期内只有美国和欧洲从20世纪80年代起就开始研究建植的第1年需要使用除草剂,玉米等一年生作多年生牧草作为能源植物美国能源部(DOE)在物则需要每年使用。柳枝稷较易整合入传统的农1984年开展的HECP( Herbaceous Energy Crops耕系统,传统的用于播种、田间管理、收获的农用Research Program)项目中筛选了35种生产成本机械都可用于柳枝稷。此外,柳枝稷可用于泥沙较低并可整和入当地农耕系统的草本植物(包括淤积控制,土壤沉降,以及和其他一些植物结合用18种多年生牧草),如狗牙根 Cynodon dact ylon、于滤土带和动物废弃物管理系统{2)l弯叶画眉草 Eragrostis curvula、藹草 Phalaris表2沙质土壤上不同作物碳汇Mg/hm2arundinacea等,于1991年决定选择柳枝稷作为碳汇棉花玉米百喜草草地柳枝稷种模式植物进一步研究。在随后的几年内,地上碳0.532.341.06DOE开展了6个相关的项目研究柳枝稷的产量地下碳4.434.94及种植管理方式等。总碳4.877.2818.8010.75欧洲对于能源牧草的研究始于芒草,并在欧洲中部与北部不同的地区开展了种植试验开发更从柳枝稷的化学组分可看出其十分适合做多的适应不同地理环境的本土能源植物,如芦苇生产燃料乙醇的原料(见表3),有研究发现稀酸Phragmites communis、大米草 spartina anglica预处理柳枝稷最大产糖量在质量分数1.25%的及高羊茅 Festuca arundinacea,研究发现在地中酸条件下保持稳定,稀酸预处理和酶解糖化作用海地区生产芦竹和在北欧生产黼草都取得了较理相结合葡萄糖的产出效率更高2。而使用微波想的结果。1997年欧洲“芦竹网络”建立,旨在推加热比传统加热可提高预处理效果,总糖产量比广其作为能源牧草的开发。通过研究20种多年常规的加热方式提高了53%,而如果将原材料在生草本植物,筛选出4种最具能源植物潜力的能碱液(0.1g/g)中预处理后再使用微波加热糖总源牧草:芒草、柳枝稷藺草和芦竹2出),我国能产量可达最大产量的90%2]. Torget等2用稀源牧草研究起步相对较晚已有相关研究探讨了酸法处理一些硬木材料和草本作物后发现将柳枝关于柳枝稷芒草、大米草等作为能源植物生产乙稷和查叶画肩草在最优处理条件下约92%的木醇的可行性*),并初步建立了能源植物评价指聚糖中国煤化工%。在美国Ne标体系1n。brCNMHG较试验结果表草业科学(第26卷9期袁3柳枝稷不同生长期的成分含量1细胞壁纤维素半纤维素木质素生长期NDF葡萄糖 ADF-ADL糖类 NDF- ADF KL ADL灰分总能值纤维(g/kg) (MJ/kg)(g/kg) (g/kg) (g/kg) (g/kg) (g/kg) (g/kg) (g/kg)生长期开花期6945718.619霜后期733279注:纤维含量为中性糖类,乌龙酸以及克拉松木质素之和:NDF为中性洗涤纤维,ADF为酸性洗涤纤维,ADL为酸性洗涤木质素;半纤维素含量为木糖十树胶醛醣十甘露糖+乌龙酸之和明在最优的氮肥水平下,柳枝稷的乙醇产量等于最佳条件为质量分数为1.5%硫酸,芒草与硫酸甚至高于玉米及其秸秆的总的乙醇产量1的固液比6:1,在121℃高温下处理30min。其3.2芒草芒草原种产于中国南北各地,为禾工艺设计应采用分步循环水解法即以较低酸度本科多年生草本植物是少数具有C光合途径的先水解半纤维素,再以较高酸度来水解纤维素以温带草种,生长迅速,适应性强,耐寒、耐早,从亚保证总糖得率和较高的水解液糖浓度。而An热带到温带的广阔地区都能生长,芒草主要利nete等2以芒草为材料研究稀酸法湿法爆破和用根茎进行繁殖,无需每年重新种植,种植成本酶的预处理效果,结果发现3种方法结合可以得低,产量高在地中海地区温度适宜、光照充足条到最高的糖产量。件下,其产量可达28~38t/hm2,同化率达85表4芒草化学成分含量kg/(hm2·h)2)。而随后产量逐年增加,通常情纤维素半纤维素 Klason木质素酸溶木质素总木质素况下在第2年就可以开始收割32.448.616.52.5芒草一个生长季高度可达3~4m,可为鸟类和哺乳动物提供栖息地比其他一些草本作物地3.3藕草黼草为长根茎型禾草株高150有更多的大型动物这可能是因为其林冠层结构300cm,属C植物,根状茎发达,生长周期约为的多样性可提供更多,更广泛的生态位,由于10年。草在欧洲温带、亚洲、北美都有分布,芒草落叶枯枝的积累以及较少的土地耕作,相比其在瑞典及芬兰种植面积达几千公顷,多用做饲于一年生的耕作作物,土壤的有机质含量增高,土料作物造纸业以及生物能源。黼草在多种类型壤结构改善。建成的芒草群丛每年可为土壤25的土壤上都能较好地生长,其在排水能力较差的m的表层增加干物质10~20t/hm21, Lewan-土地上生长良好,耐涝能力强因此在用做能源植dowski等2比较3种草本能源植物的氮利用效物的同时,还可以发展其防洪及污水治理的作用。率后发现只有芒草在最低的氮供应下可以同时同时,其比许多草种都更加耐旱。草干物质产达到最大的能量利用率及土地利用率因此提出量可达到7~13t/(hm2·a)2,每年春天可收获在环境条件适宜的地区种植芒草是效率最高的生1次,这种延迟收割可以降低植物的水分、灰分、物质能源物质生产方法。芒草的生产对环境危害钾以及氯化物含量。黼草可用种子繁殖,其种较小,并且至今未发现可严重影响芒草生长的病子萌发较慢,并有不同程度的休眠。因此在建植虫害,而杂草控制主要在建植的第1年,从而可减的前子在杂草干扰,但可使用常用的除少农药与除草剂的使用草剂中国煤化工较小,蘸草草地芒草的纤维素含量较高(见表4),其产糖的旦CNMHGPRATACULTURAL SCIENCE(VoL 26. No 9)9/2009黼草的纤维素等的含量随植物部位与成熟度量较低,凯氏木质素含量低于30%(见表6),低于的不同存在较大差异(见表5),在稀酸预处理以常见能源植物芒草与柳枝稷。有研究发现芦竹及酶糖化后,未成熟黼草的葡萄糖产量显著髙于在霜后收获比柳枝稷、蕨麻Poteη tilla anserina等成熟藕草以及苜蓿。Den等使用黼草进行的试有更高的利用价值,其原因大概是芦竹在冬季保验发现在2种不同温度预处理条件(120℃和留了主秆,以便在春天萌发。因此,延迟收获150℃)下,150℃预处理后进行酶水解可得到更时,落叶以及矿物质向地下茎的运输可减少收获高的糖产量[3能源植物的矿物质含量。研究表明如能源植物表5贏草化学成分含量Si/K和Ca/K的值较高,其作为燃料燃烧产生的草纤维素半纤维素木质素熔渣较少,芦竹的S/K和Ca/K在叶中分别为(g/kg)(g/kg)(g/kg)(MJ/kg)3.4和1.2,在茎秆中为1.1和0.2,平均水平高于茎秆10917.710高梁秸秆蕨麻等能源材料3成熟种子26521814817.652在种植芦竹作为能源植物的同时,也可取得很大的生态效益。它还是一种非常有效的净化水34芦竹芦竹属禾本科芦竹属,是C光合途体的生物过滤植物。芦竹在污染或非污染环境中径的草本植物,其为芦竹属惟一广泛分布的种都能较好地富集镉、铅、汞,一方面切断了有害金芦竹是C植物中产量比较高的一种,其产量接近属进入食物链另一方面通过资源再利用过程,使许多C植物,其干物质产量30~40t/hm2富集的重金属得到稀释,避免了重金属的二次污在我国,芦竹产量在天津地区可达45t/hm21,染,由此可见,芦竹在修复湿地重金属污染方面具芦竹植物组织中纤维含量较高,木质素和灰分含有较大潜力是一种较为理想的选择衰6芦竹不同部位的化学成分含量纤维素Klason木质素灰分部位下部中部上部下部中部下部中部上部34.416.04.9节393.630.819.718117.15.55.33.5紫花苜蓿紫花苜蓿 Medicago sativa为NP307)已确定“生物质型”苜蓿的育种目标:1)直多年生草本豆科植物,主要分布于温暖地区,主要立生长习性;2)刈割次数少的情况下仍可生长良产区有美国、加拿大、欧盟、中国。苜蓿具有较强好;3)茎、叶产量均最大化;4)生产成本低;5)纤维的耐寒和再生能力,其生态适应性强耐贫瘠,产素含量增加而木质素含量减少。已有研究比较了量高,纤维素含量高(见表7)。在含盐量为不同条件下稀酸法预处理苜蓿后纤维素酶解的糖0.1%~0.8%下能生长良好,因此被作为黄土分产量。结果表明,其在150℃条件下其酶解后高原地区栽培草地的首选草种。在适度灌溉条件糖产量较高,其葡萄糖产量随酸浓度的增加而增下,苜蓿平均产量可达17t/hm2,且其具有较好的加在1.25%(m:V)的浓度下达最高值,但非葡固氮能力可减少氮肥的使用。苜稽叶还可作为萄糖糖产量在225%(m:V)的酸浓度条件下达优质的高蛋白饲料。使用苜蓿作为能源牧草的一到最高,个关键因素是从其初渣中可提炼高价值的特殊粘3.6其他多年生牧草杂类草为牧草的一个结剂,因此可增加其作为能源植物的生产附加值。类群中国煤化工包括灯心草科)美国农业部相关项目(美国农业部国家级项目以外CNMH〔毫杂,在各类草草业科学(第26卷9期)表7紫花首着化学成分含量用玉米等粮食作物生产燃料乙醇会导致粮食价格纤维素半纤维素木质素能值增高,耕地紧张。普通经济作物原料如甜高粱、甘(g/kg)(g/kg(g/kg)(MJ/kg)蔗相比于多年生牧草需要使用大量化肥、农药,会30612217518.75带来土壤侵蚀与水质污染等环境问题。因此综合生态与经济方面的考虑,应大力开发多年生牧草地中都有分布,一般占草地植物学成分的10%~作为清洁生物质能源和燃料乙醇的原料。0%,在林间草地和荒漠草地中占有重要地位。4.3多年生能源牧草的选择必须考虑到其应用于在原生植物群落受到破坏的撂荒地采伐迹地过农业生产系统的可行性,并因地制宜地根据可用牧地段以及施用过多的地块和营地(畜圈)周围。的土地类型选择具有生态及经济效应的植物开杂类草中除了菊科蒿属等饲用价值较大的种属发不同类型的多年生草本植物作为能源牧草的主外存在大量可开发作为生物质能源及燃料乙醇要目的在于适应不同气候带的生态环境{。选生产的种属大部分具有生态适应性强分布广泛择适合的能源牧草要考虑到农民种植的可能性与的特点。其他的多年生牧草如雀麦属、早熟禾属、经济效益方面的平衡,以及整个产业链的能量平黑麦草属等具有非常丰富的种质资源,且产量较衡与环境平衡。高,已具有一些栽培种植的管理技术基础。筛选44如果改造自然类型土地如森林和湿地来种植其中野生或半野生的草本能源植物井通过生物工多年生能源牧草,有可能破坏原有生态系统的功程改良和培育良种能源植物结合生态恢复充分能,降低生物多样性因此必须注意能源植物种植利用荒山荒地将降低环境污染,促进受破坏的生地的选择,优先考虑高度可侵蚀的土地被排干用态系统恢复实现资源能源环境一体化,利用前景做农业用地的湿地及生产力较低的一些边际农业非常可观[。土地。我国拥有4亿hm2草地(边际性土地)占前景展望国土面积的41.7%比林地和农田总和还大。其4.1多年生能源牧草产量高,投入低,具有较高的中约6000万hm2沙荒、盐碱、山坡地;20世纪50生态效益与经济效益。未来的研究可培育高产量年代以来开垦草原约900万hm2撂荒地和牧区的适应各种生态环境尤其是农作物无法利用的1400万hm2的宜农土地;南方6000万hm2多的边际生境的新品种。同时,可利用基因工程改良草山草坡和2000万hm2冬闲田,发展生物质原现有品种,减少木质素和发酵抑制剂的合成。技料生产,有望在生态保护和重建基础上发展能源术方面还需要对提高水解效率、降低水解糖液的草业毒性、筛选高效代谢木糖和葡萄糖及对水解毒物和酒精耐性较高的菌种等方面进行研究。参考文献4.2采用多年生牧草生产燃料乙醇的最大挑战在[1]曾祥艳生物新燃料—芒草的开发利用广西于其生产技术还未成熟到大规模商业化的程度,热带农业,2007,112(5):37-38.生产成本较玉米及甘蔗等稍高但是随着预处理[2] Paine L K, Peterson T L, Undersander D,aa工艺的改进和糖化发酵技术的发展,多年生牧草ome ecological and socio-economic considerationfor biomass energy crop production[J]. 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This paper discussed the status of producing bioethanol by perennial forage, and analyzed its ecological advantageand economic value. Also, some main perennial forage as feedstock of producing ethanol were intro-duced, and it provided a scientific basis for developing energy grassland industry with perennial forKey words: perennial energy forage; bio-energy: bio-ethanol; energy grassland industry中国煤化工CNMHG