第二代生物能源研发的中国优势：芒草资源丰富且遗传多样性高
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|中国在第二代生物能源研发方面的优势
我国是世界上芒草属植物自然资源最丰富的国家。近日，由中国科学院植物研究所、中国科学院武汉植物园、上海生命科学研究院等单位联合开展的新一代能源作物研究取得关键突破。经过三年的种植试验发现，我国原产的芒草具有丰富的遗传多样性，人工驯化后将对我国土地资源利用和能源结构产生革命性影响。但由于我国第二代能源作物研究处于起步阶段，科研项目立项、转化研究存在体制机制矛盾。相关研究人员建议，国家应重点对第二代能源作物研究立项，加强产学研结合。
该实验让研究人员大吃一惊
世界上14种野生芒属植物中国都有7种，几乎遍布我国整个气候区，生物量产量最高的4种芒属植物也都分布在中国，是世界上芒属植物自然资源最丰富的国家。
2008年，中国科学院植物研究所、上海生命科学研究院和中国科学院武汉植物园组成芒属植物研究小组，该项目由中国科学院知识创新工程重要方向项目资助，当年秋，在全国范围内开展野生芒属植物的收集工作。2009年，中国科学院武汉植物园研究员李建强等人在黄土高原上种植了内蒙古锡林郭勒国家草原生态站和甘肃庆阳采集的约100个芒属植物天然种群，另一部分在武汉种植作为对照。
“我们选取了生物量最大、花期大致相同的3个野生种，从栽种后第二年开始，就不再浇水施肥，完全依靠天气状况。”李建强说，他不知道芒草的生物学性状和遗传特性在国内这些地方会表现如何，但他很期待。
经过2009年、2010年两个生长季的试验，李建强和同事们惊喜地发现，有的芒草能在寒冷的锡林郭勒生长，有的在相对干旱的庆阳也长得很好。而且，甘肃庆阳的芒草生物量含量，比其原产地武汉江夏地区的芒草生物量含量还高。
李建强说，这说明芒属植物遗传变异丰富，适应性强，可以用来培育耐寒、耐旱、耐瘠薄的高产能源作物。
这一结果让科研人员兴奋不已。经过多次分析总结，研究团队于今年5月在《全球变化生物生物质能》（ CB）期刊上在线发表了该项研究成果。同时，该期刊以“”为题发表了关于这一结果的新闻稿，迅速引起了国际社会的广泛关注。美国科学促进会新闻网站（AAA lert）、欧洲科学新闻（）、《每日科学》（ Daily）、细胞新闻（Cell Press NewsA）、科学新闻在线（ News ）等均对此进行了转载报道。
能“绿化”我国干旱半干旱地区
课题组在我国黄土高原地区进行了调研，并根据我国芒草产量情况做出了保守的效益估算。
除去可耕地和不宜种植的土地，黄土高原可供种植芒草的面积有43万平方公里。按照甘肃庆阳试验基地的产量，保守估计每公顷芒草年产量为11吨干重，总产量达5亿吨。如果把这些产量全部折合成乙醇，大致相当于我国2010年消耗的汽油总量。
进一步测算，如果在我国华北、西北地区集中的荒芜退化土地上种植1亿公顷（100万平方公里）芒草，以每公顷平均干重10吨计算，总产量为10亿吨，可发电145.8万亿千瓦时，减少二氧化碳排放16亿吨，相当于2007年我国全社会用电量的45%和二氧化碳排放总量的28%；其中一半可作为原料转化为乙醇，大致相当于我国2010年消耗的汽油量。
中国科学院武汉植物园系统与进化植物学首席研究员李建强总结认为，芒草作为第二代能源作物的研发可以实现三大功能：
第一，粮食安全。芒草可以替代粮食和经济作物，成为新一代能源作物，缓解粮食危机。
第二，能源独立。我国有大面积无法耕种的干旱、半干旱边缘地带，如果能将这部分土地作为生物能源的生产场所，将改变能源依赖进口的格局。
三是生态保护。芒草的环境适应性强，可以改善干旱、半干旱非耕地的植被状况，同时保持水土，防止土地沙化。
“想象一下，如果贫瘠的干旱半干旱地区种上芒草，那该有多好啊。土地变得绿油油的，百姓也能因此致富。”中国科学院植物研究所资源植物研究与开发重点实验室主任桑涛也对芒草寄予厚望。
进入人工驯化阶段
要让上述所有设想都变成现实，芒属植物的研究还有很长的路要走。桑涛表示，目前的研究成果已经证明，芒属植物是我国第二代能源作物的最佳选择，而下一步的突破就是进行人工驯化。
人工驯化是将野生作物种子通过人工选择、杂交，转化成可以人工培育种植的作物的过程。“人工驯化的目标是将芒草从野生植物转化成作物。”桑涛说。
其实，人们对人工驯化并不陌生。桑涛告诉记者，我们吃的大米、小麦都是经过驯化的。大约1万年前开始的粮食作物驯化，奠定了人类文明的基础。比如水稻，就是由野生稻经过漫长的过程，逐渐被人类移栽、选择、栽培而形成的。
据了解，根据课题组的安排，下一步将完善芒属植物基因组学平台建设，明年将在干旱、贫瘠、退化和盐碱地上筛选高产芒属植物品系并开展杂交试验；2013年至2014年对芒属植物抗逆性、产量性状进行数量遗传学分析；通过模拟分析，评估我国芒属能源植物的生产潜力和规模种植的环境生态效应。
作为植物驯化领域的专家，桑涛表示，基于现有的遗传技术，芒草的基本驯化仅需几年时间。据他介绍，今年课题组在山东东营的盐碱地和甘肃环县较为干旱的地区进行试验，筛选出30万个遗传个体，挑选出更加耐旱、耐寒、耐盐碱的种质资源，进行人工杂交育种，随后进行遗传基因分析。
“这个过程不会花很长时间，而且目前世界上还没有人做过，因为欧美国家不是芒属植物的原产地，没有种质资源。另外，欧美国家耕地面积大，不需要驯化在干旱贫瘠的土地上生长的能源作物。但他们最终需要具有高遗传多样性的作物，所以很可能要依靠我们的驯化育种。”桑涛说。
资金和政策支持力度要更大
目前，我国正在大力发展生物能源，但由于生物资源的限制，遇到了瓶颈，第二代能源作物的研究起步较晚，在能源作物研究上也存在一些体制上的制约。研究人员建议，国家应该加大对第二代能源作物研究的重视，加大投入，在科研机制和产学研上扫除一些�**铀倜⒉荽友芯康缴慕獭�
由中国科学院植物研究所、上海生命科学研究院、中国科学院武汉植物园组成的芒草研究团队认为，节能减排是我国经济发展方式转变的内在压力，科学发展成为生物能源发展的内在动力。近年来，我国生物能源发展取得了令人瞩目的成就，截至2010年底，全国生物质直燃发电装机容量已达200万千瓦，以粮食为原料的生物燃料乙醇产量已达180万吨。
2007年，国家制定了《可再生能源中长期发展规划》，提出了到2020年生物质发电3000万千瓦的目标、生物燃料乙醇1000万吨的发展目标。但业内人士认为，实现这一目标存在客观困难，主要原因是各企业纷纷上马生物质发电项目，但均遭遇生物资源短缺的难题，这是由生物质资源的季节性、分散性与生物质发电的连续性、集中性之间的矛盾造成的。
专家认为，将芒草发展成为我国专业的能源作物可以解决这一难题，实现生物质能源规模化利用的途径是专业化、产业化，芒草作为最佳选择，可以担负起这一重任。
但目前对芒属植物的研究也面临一些困难。
一是尽管目前国家十分重视生物能源的研究与发展，但尚未对我国生物能源的潜力和前景进行科学评估，国内相关研究也较为薄弱和分散，科研资源尚未整合。
其次，由于我国能源作物的研究主要由植物研究机构承担，能源植物研究项目多由我国能源专家进行评审，他们大多为石油、煤炭等化石能源研究的专家，由于对能源植物了解不多，不利于能源作物项目的立项和项目评审过程中资金的获取。
与高度重视能源革命的美国相比，我国对能源产业特别是新能源产业的支持、对能源革命的推动相对滞后和不足。
桑涛告诉记者，其实，我国在第二代生物能源研究方面比美国等西方国家更加紧迫。我国每年50%以上的石油依赖进口，而美国的石油储量比我国高得多，而且有广阔的闲置闲置农田。第一代生物能源生产技术成熟，粮食安全和耕地减少的压力不如我国大。因此，我国应该把第二代生物能源研究上升到能源战略的高度，奋起直追，抢占先机。因为我们有着西方国家无法比拟的种质资源优势。
桑涛呼吁国家加大对第二代生物能源研究的政策和资金支持。
此外，目前芒草研究尚处于人工驯化阶段，要加速从研究到生产的进程，还需要多学科合作和全产业链的系统研究。
研究团队认为，芒草不仅是一种能源作物，还是一种非常好的材涂料作物，建议国家相关部门整合科研资源，加强对芒草综合开发利用的关注和实际鼓励。
此外，当前我国生物能源研究主要集中在植物能量转换方面，而忽视了能源植物进行生物能源转换的物质基础研究，目前我国生物能源研究人员短缺，人才队伍建设与欧美差距仍较大。
针对上述问题，专家建议国家有关部门可加大对能源作物研究的投入，将生物能源上升为新时代我国可持续发展的能源战略高度，争取早日实现芒草人工驯化，为生物能源发展提供优质、专业、持续的能源原料。
同时，从生物育种、种植推广、能源转化、生产机理与模式等方面对第二代能源作物进行系统的科学研究与试验。“一条龙研发，可加速实现芒草的粮食、能源、生态综合效益，最终使我国领先欧美，成为新一代能源作物的主产国和生物能源大国。”李建强说。
专家还特别指出，我国目前已有植物能源转化技术，但还不够优化、效率不够，建议投资建立芒草生物能源转化中试工厂，推动我国整体生物能源研发和生产能力的提升。
最后专家建议国家应重点支持我国生物能源相关专业发展，培养生物、环境、能源复合型人才。
芒草——一种强势亮相的新能源作物
化石能源日益匮乏，污染日趋严重，开发利用新能源已成为世界各国面临的时代课题。在寻找替代化石能源和第一代能源作物的过程中，芒草逐渐进入研究者的视野，成为第二代能源植物的希望。
第一代能源作物与人类争夺土地和食物
当今世界，可再生能源发展迅速，风能、太阳能、地热能、潮汐能、水能、生物质能等均取得了快速发展。其中生物质能主要是指绿色农作物通过光合作用形成的生物体，生物质能是太阳能以化学能形式储存在生物质中的能量形式，也就是以生物质为载体的能量。目前，我国农村常见的生物质能有秸秆、沼气等。
第一代能源作物主要是玉米、水稻、甘蔗、大豆、油菜等粮食和经济作物。这些植物大多是一年生植物，需要每年种植、灌溉、施肥。能源投入大，但净能源产出却少得可怜。此外，它们与粮食作物争夺耕地，带来一系列负面效应。比如，人们砍伐森林来补充耕地，减少了地球的碳储存能力，不利于解决温室效应。
美国等西方国家拥有大量闲置土地，发展第一代生物能源条件相对优越，且已形成规模。而对于拥有世界五分之一人口的中国来说，耕地面积却不足世界的十分之一，利用耕地生产第一代能源植物必然会危及粮食安全和国家稳定。
芒草有很多优点
为了解决能源植物与粮食作物的矛盾，世界各国都在寻找合理的替代品。早在20世纪80年代，芒属植物中的大芒草就进入了西方科学家的研究领域。西方科学家发现，作为第二代能源作物，大芒草具有很多优点。
芒草可以在贫瘠的土地上生长，不会与粮食作物争耕地；光合效率高，能更有效地转化和储存太阳能和二氧化碳；每年产生大量的生物质，可以提供更多的生物质转化为燃料。同时，芒草具有高效的水肥利用和光合作用能力，每年播种一次即可持续生产10到20年，投入少，净能量产出可观。正是由于芒草具有不与粮食争耕地、产量高、碳减排能力强、净能量大等诸多优势，使其迅速成为能源作物研究的后起之秀。
芒属植物与谷类作物一样，在分类学上属于被子植物禾本科，全球约有14种野生种，大部分分布在亚洲，少量产于非洲。芒属植物为C4植物，光饱和点高，光合速率高，光合生产效率高，耗水量比C3植物少，光合效率高。
研究最多的芒属植物是原产于日本的不育三倍体杂交种。其亲本是二倍体芒属植物和四倍体芦苇，均原产于东亚（包括中国）。1935 年，芒属植物作为观赏植物被引入丹麦。半个世纪后，它首次在欧洲被认可并被测试为能源作物的潜在替代品。
芒草研究进入西方新能源战略
据中科院植物研究所资源植物研究与开发重点实验室主任桑涛介绍，美国自2007年起已成立4个生物质能源研究中心，动员美国几乎所有相关国家实验室和数十所研究型大学开展第二代能源作物研究。在美国第二代能源植物发展计划中，柳枝稷、芒草、柳树、杨树等均成为研究重点。
美国国家能源顾问斯蒂芬·朗是对芒草进行深入研究的科学家之一。最近，他们的研究成果显示生物质能源，在几乎不施肥的情况下，巨型芒草的干物质产量平均达到每公顷30吨。如果进一步改良芒草品种，可以更大面积种植，产量还可以提高。理论上，美国6.2%的耕地可以生产1330亿升乙醇，可以替代美国2008年使用的20%的汽油，减少美国当年因使用石油而产生的30%的二氧化碳排放量。
美国学者萨莫维尔将美国生物能源战略提升为新世纪的“曼哈顿计划”，美国在应对金融危机时，发起了一场能源革命。有人认为，奥巴马主导的能源革命是一场以绿色经济为驱动力的新经济革命，这场革命已经远远超出了简单的经济振兴计划，被广泛誉为“开启了一场绿色革命”。
目前美国所推行的经济复兴计划的核心是能源产业的转型发展，最终目的是通过能源转型和改造，大幅降低美国对进口石油和化石能源的依赖，从而实现国际秩序的重构，推动全球经济转型。具体来说，这将催生一个全新的产业，不仅将为美国创造数百万个就业岗位，还将在新能源技术及其应用上取得重大突破。未来，美国计划大力投资和发展绿色能源。
因此美国对第二代能源作物的发展寄予厚望。
英国大芒草燃料试验领先于其他欧洲国家。据路透社报道，英国大芒草种植规模大幅扩大，过去5年收获量增长十倍以上，这将帮助英国更快更好地实现欧盟可再生能源目标。去年，英国启动了大芒草能源计划。英国最大的火力发电站德拉克斯发电站已开始混合使用煤炭和芒草发电。今年年初英国食品价格上涨，并未改变英国的计划。