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摘要：发展能源作物等可再生能源，控制化石燃料消耗、减少CQ排放己成为世界共识。芒草被认为是生物质产量高、资源利用效率高、生产成本低、生态适应性广、开发潜力巨大的理想能源作物。本文综述了能源作物芒草的分类与分布、生物学特性、能源作物特性及其转化利用技术等的重要研究成果：提出了我国芒草产业的发展战略，即加快种质资源收集与保护，强化种质创新和新品种培育，因地制宜发展高产高效技术，开发转化利用技术与产业化模式。
关键词：能源作物芒草分类分布生物学特性转化利用
1 引言
由18世纪末蒸汽机等发明催生的工业革命，彻底改变了人类历史的发展历程一保持了几千年自给自足的传统农业社会开始步入工业社会。工业社会从根本上改变了人类对能源的依存方式，从几乎完全依赖植物生物质变成了主要依赖石油、煤炭和天然气等化石燃料。众所周知，这些化石燃料是由地球若干亿年积累下来的生物残骸转化形成的，具有不可再生性。如果人类不改变能源依赖方式，地球上的化石燃料就将在几十年内枯竭。爆发多次的能源危机和不断上升的能源价格也在警告我们：人类现行的能源依存方式是不可持续的，甚至是非常危险的。
大量开采利用化石燃料的另一问题是，将地层中长期蕴藏的碳以CO，的形式释放到大气中，从而不可避免地造成温室效应，引起全球气候变暖。而且，化石燃料特别是燃烧煤炭造成的各种污染也极大地危害着人类健康，破坏了森林、耕地和建筑。因此，控制化石燃料的消耗，减少CO，排放已成为世界共识。人类社会要走向可持续性发展，必须寻求可再生清洁能源，这已成为科学家们积极探索的热点。
可再生清洁能源包括风能、太阳能、地热、潮汐、水电和生物质能等。其中，生物质能是绿色植物通过光合作用将太阳能转化为化学能而蕴藏在生物体内的能量，是可再生的绿色能源。与其它可再生清洁能源相比，生物质能是唯一能固碳、可再生并转化成气态、液态和固态燃料或其它化工原料和产品的碳资源。生物质能具有良好的稳定性、储能性、原料多样性和产品多样性等优点，缺点是季节性强、原料分散、能量密度低。
根据能源载体物质的化学成分，可将生物质原料分为三大类：①糖和淀粉类，富含糖或淀粉，可用于生产燃料乙醇；②油脂类，富含油脂，能通过脂化过程形成脂肪酸甲脂类物质，即生物柴油；⑧纤维素类，富含纤维素、半纤维素和木质素，可通过转化获得热能、电能、乙醇和生物气体等。目前，已规模化利用生物质能源的国家有美国和巴西，其主要原料分别是玉米和甘蔗。众所周知，玉米、甘蔗、油菜等第一代能源作物是人类的重要食物来源，将它们作为生物质能源将影响到世界食物安全，也很难在食物紧缺的国家推广。近年来，科研人员的目光已集中到产量大、来源广的纤维素类——第二代能源作物上，其中多年生草本植物芒草被认为是生物质产量高、资源利用效率高、生产成本低、生态适应性广、开发潜力巨大的理想能源作物。2011年10月28日，《经济参考报》刊登了“第二代生物质能源呼之欲出芒草成能源作物新星”的报道。
2 芒草的分类与分布
芒草是各种芒属(Miscanthus And ress，)植物的统称，属于禾本科(Poaceae)黍亚科(Panicoideae)蜀黍族(And ropogoneae)。芒草的种间、种内多样性复杂，据《中国植物志》记载，全世界芒属植物可分13个种，我国有8个种，但有关种的数目、划分及其亲缘和演化关系，学术界尚存争议。
1855年，Andressons首次从甘蔗属(Saccha rum)和蔗茅属(Erianthus)中将芒属分列出来，其命名的Miscanthus包括5个种；1881年，Benth等将荻(Triar rhena sachariflo ra(Maxln，)Nakai)归入芒属。1930年，Honda将芒属分为两组，一组为Triarrhena，另一组为Eumi scanIhus。1959年，耿以礼在研究中国芒属植物时，将上述两组合并为三药芒组(Triarrhena)，该组植物有3枚雄蕊，而将分布于我国西南地区的芒属种类另立为双药芒组(Diandra)，该组植物有2枚雄蕊。1962年，Adatj等认为芒属植物有17个种，可分为四个组，分别命名为Section Triar rhena(荻组)、Seciion Eumiscanthus(真芒组)、SectionKa riyasua(青茅组)和Section Dlandra(双药芒组)。1989年，刘亮在修订禾本科甘蔗亚属的分类时，将荻从芒属中独立出来，恢复了Nakai于1950年所建立的荻属，包括荻和南荻(T.1ularlorlpana)2个种，并认为南荻是我国的特有种。2006年，Chen等纠又将荻、南荻、红山茅以及双药芒属归并到芒属，认为全世界芒属植物共有14个种，中国有7个种，分别是红山茅(M.paniculatus)、南荻(M.1utarioripa rlus)、荻(M.sacchariflorus)、五节芒(M.floridulus)、芒(M.slnensls)、尼泊尔芒(M.nepalensis)和双药芒(M.nudipes)，并认为M.condensatus(八丈芒)、M.purpurascens(紫芒)、M.transmorrJsonensis(高山芒)和M.jinxianensis(金县芒)都为M.slnensls的变异类型(变种)。
另外，1988年出版的《四川植物志》中，还列出了短毛芒(M.revipilus)和川芒(M.szechuanensis)在欧洲，三倍体芒草——奇岗(M.×giganteus)已被大量研究报道，它原产于日本、被认为是荻(四倍体)和芒(二倍体)的天然杂交种。在非洲南部，有M.junceus、M.sorghum、M.violensis和M.ecklonii的自然群落发生，但究竟是否属于芒草尚不清楚。在芒属植物的各个种内，芒的变种最多，仅二倍体变种就有17个。
芒草原产于东亚，广泛分布于从东南亚到太平洋岛屿的热带、亚热带和温带地区，现已扩展至西非、美洲和欧洲地区。周昌弘等。依据外部形态和地理分布的关系，将芒草划分为三大类群，第一大群为中国芒类群，是由芒及其变种形成的分类群，主要分布在中国大陆东部、朝鲜(半岛)、日本、琉球群岛、台湾岛、菲律宾群岛等；第二大群为五节芒类群，是由五节芒形成的分类群，主要分布在中国南部沿海、东亚和南亚地区；第三大群是尼泊尔芒类群，是以尼泊尔芒为主形成的区系，分布范围以环绕喜马拉雅山的区域为主，涵盖中国云南、四川，印度、巴基斯坦、缅甸、尼泊尔等地。关于我国芒草的分布，Chen等认为：红山茅生长在海拔2500～3100m的干旱山坡，分布于四川、贵州、云南；南荻生长在海拔低于100m的 湖边和河堤，分布在湖南、湖北；荻生长在山坡和河岸，分布于河南、河北、陕西、甘肃以及日本、朝鲜、俄罗斯；五节芒生长在坡地、河谷和草地，分布于海南、台湾、广东、广西、福建、浙江、江苏、安徽、湖北、河南、四川、贵州、云南以及东南亚国家；芒生长在低于海拔2000m的山坡、海岸，分布于海南、台湾、广东、广西、福建、江西、浙江、江苏、安徽、湖北、山东、河北、吉林、陕西、四川、云南、贵州以及日本、朝鲜(半岛)；尼泊尔芒生长在海拔1900-2800m的山坡，分布于四川、云南、西藏以及不丹、印度、缅甸、尼泊尔；双药芒生长在海拔1000-3600m的山坡，分布干四川、云南、贵州、西藏以及不丹、印度、尼泊尔。在芒属植物的各个种内，芒的分布范围最广，且不同变种通常有显著不同的分布区域，如台湾的八丈芒、白背芒(M，gIabe r)、台湾芒(M，fo rmosanus)和高山芒均为芒的变种，它们的分布区域分别为海边、低海拔、中海拔和高海拔区域。
3 芒草的生物学特性
芒草为多年生草本植物，一般寿命18-20年，最长可达25年以上；植株高大，茎秆粗壮、中空、高度通常为1N3m，在热带、亚热带可达5m以上；叶片扁平、窄长，长度10～80cm不等、长宽比30-50；根系发达、入土深度1m以上，具有发达的地下根茎、横走于地表下10cm左右，可构成纵横交织的根茎一根系网络系统；分蘖能力强，单株分蘖数可达100个以上，并形成单株群落；顶生大型圆锥花序，由多数总状花序沿一延伸的主轴排列而成，小穗成对、孪生于延续的总状花序轴上，每小穗含一两性花，雄蕊2N3枚，雌蕊2枚；异花授粉，自交不亲和，易形成变种问、种间、甚至属于杂种；种子小而轻，千粒重0.3-0.59，适合风播，但三倍体、五倍体的芒草不育。
芒草的染色体很小，基数为19，是禾本科中染色体基数最大的植物之一；除二倍体外，常出现多倍体和非整倍体的情况。Watson等将芒草的染色体数目分为：2n=2x=35～43，2n=3x=57，2n=4x=76，2n=5x=95和2n=6x=114；Deuter对发表于2000年前的研究报告进行了统计，发现各种芒草的染色体数目如下：荻组中荻为2n=2×=38、2n=3×=57、2n=4x=76、2n=5x=95，奇岗为2n=3x=57-58；真芒组中芒为2n=2x=36～42，八丈芒为2n=2x=36～38、2n=3x=57，五节芒为2n=2x=38、2n=3x=57，紫芒为2n=2x=40；青茅组中M，o Jjgostachyus为2n=2×=38，中介芒(M，i nte rmedi u s)为2n=4x=76、2n=6x=1 14，青茅(M，tincto rius)为2n=2x=38、2n=4x=76—78、2n=6x=1 03～109；双药芒组中尼泊尔芒为2n=2x=40、双药芒为2n=2x=40、蔗茅(M，rufipilus)为2n=2x=40；其它如高山芒为2n=2x=38、M，pycnocephaIus为2n=2x--38。另据杜风研究，陕西凤县居群的芒为2n=3x=57，南荻为2n=2x=38；据陈少凤研究，南荻的变种细荻(M，1utario riparius var.humilior)为2n=4x=76。
芒草是喜温、喜光的长日照作物，一般春季播种或移栽，初夏拔节、分蘖，秋季开花结实，深秋停止生长，翌年春季返青；芒草是高光效C。作物，光能利用率高，光合速率与玉米、甘蔗等相当，可达50mg／(dmh)；芒草生长速度快，在生长季约每周出叶1片，最高叶面积指数可达6.5N10.0，分蘖期株高增长0.5N1.0cm／d，拔节期达到3cmid；芒草繁殖能力强，既能有性生殖、也能无性繁殖，一般从5月下旬开始，株丛中约20N30％的枝条形成生殖枝并逐步进入生殖生长，种子成熟后依靠风力传播，无性繁殖则依靠根茎和蘖芽。
芒草具有极宽的生态适应性，在我国从低海拔的沿海滩涂、河流岸边、道路沿线、干热河谷地到海拔2000m以上的山地草丛，芒草都生长良好；芒草侵袭能力、竞争能力强，能适应多种土壤类型，常常是山地、丘陵、滩涂、林缘等草本群落的优势组分；芒草具有较强的耐旱、耐热、耐寒等特点另外，芒草对Cu、Cd、Pb、Zn、As、Mn等重金属具有较强的耐受性，可作为修复污染土壤或矿区等废弃地的优先物种。
芒草有很高的生物质产量潜力。根据Lewandowski等的统计，三倍体芒草——奇岗在欧洲定植3-5年后可达最大干物质产量，南欧在灌溉条件下可达30t／hm。以上，中北欧在无灌溉条件下也可达10~25t／hm。Heaton等[28]在美国伊利诺斯州的试验表明，在投入极少的条件下，奇岗的光能利用率平均为1.0％、最高达到2.0％，平均生物质产量为30t／hm。最高达到61t／hm。我国各地的试验表明，在黑龙江可达37.5t／hm。在山东微山可达43.76t／hm。在北京种植当年可达4.33～14.77t／hm。第二年可达18.49N20.36t／hm。第三年可达39.05t／hm。
4 芒草的能源作物特性及其开发利用途径
Heaton等总结了理想能源作物的特征，包括：C光合途径，冠层持续时间长，多年生(无需每年耕种)，无明显病虫害，春季生长速度快、胜过杂草，不育(防止“逃逸”)，在土壤中贮碳(土壤修复和减碳的工具)，秋季将营养分配回土壤(降低养分需求)，低养分含量如含氮、含磷量<200mg／MJ，水分利用效率高，在田间风干(无干燥成本)，冬季直立性好(按需收获、无储藏成本)，使用现有农机具，选择性市场(高品质纸、建筑材料和发酵)；对照上述14项特征，第一代能源作物玉米符合4项、短期轮作木本植物符合7项，三倍体芒草一奇岗则全部符合。因此，芒草被公认为是理想的能源作物。
利用能源作物替代化石燃料时，需要将生物质能进行转化，转化方式可分物理、化学和生物三个方面，涉及到固化、直接燃烧、气化、液化、热解、发酵、消化等技术。芒草属于木质纤维素类能源作物，主要组分是纤维素、半纤维素和木质素等碳水化合物，可通过压缩成型、直接燃烧或与煤混燃、纤维素乙醇转化、沼气发酵等多种途径加以开发利用。
压缩成型就是将松散的生物质原料，经高温高压压缩成棒状、粒状、块状等具有一定紧实度的成型物，以减少运输费用、提高转化设备的单位容积燃烧强度和热效率。由于压缩成型需要消耗能源，因此欧美国家在收获芒草时大都采用机械打包方式，干物质密度通常在130～150kg／m。有些专用打包机则可达300kg／m。以上。
直接燃烧发电，是目前欧美国家利用芒草的主要方式。据LewandOWSki等报道：奇岗在早春收获时，生物质中C、O和H的含量均较高，分 别为47.8-49.7％、41.2-42.9％和5.5-5.9％，因此适合用于燃烧，燃烧时的反应性和稳定性好，所产热值高、达到17.1～19.2％；同时，由于芒草中N和S的含量低，分别为1.92％和0.22％，因此燃烧过程中产生的NO。SO。等化合物少，对环境的污染压力小。芒草燃烧后的灰分量占生物质量的1.6-4.0％，与当地木本能源植物相比，灰分中重金属含量低，营养物含量高，其中SiO占25~40％、K20占20-25％，P205、CaO和MgO各占5％左右。芒草直接燃烧的主要问题是灰分中Si、K含量高，导致灰分熔点降低、易形成污垢而使燃炉堵塞。因此，欧美国家大多采用与煤混燃的利用方法。10多年前，欧洲就开始了芒草与煤混燃的生产性试验，并取得了成功。根据LewandOWSki等的测算：如果芒草的干物质产量为20t／(hma)，其能值就相当于12t硬煤，用1hm2芒草替代12t硬煤，能减少31t的CO，排放(减少90％)；在发电厂周围50 km半径内种植芒草1.95万hm。(相当于总面积的215％)，就能生产芒草干物质39万t，燃烧这些干物质能使一个263MW的热电厂每年输电7000h，从而节省硬煤23.4~-t，减少C02排放60.4万t。
据估计，全球每年的纤维素类生物质量转化为生物燃料相当于340-1600亿桶原油，远超目前每年30亿桶原油的能源消耗。因此，将纤维素转化为燃料乙醇被视为解决能源危机的根本出路，倍受各国政府、大企业和科学家的重视。芒草含有80％以上可降解的纤维素和半纤维素，是理想的纤维素乙醇原料。据Heaton等测算，种植1200万hm(相当于美国作物面积的9.3％)芒草可转化纤维素乙醇133×109L，替代美国20％的汽油消耗，而相同面积的玉米籽粒只能生产49×109L的燃料乙醇，而且需要投入大量的肥料、机械等资源。纤维素乙醇的生产方法可分为生物化学法和热化学法。生物化学法有3个关键步骤，即生物质预处理、纤维素水解和单糖发酵。纤维素酶的成本是长期影响纤维素乙醇产业发展的瓶颈，20世纪90年代，每加仑纤维素乙醇的酶成本约为5美元，但目前已能降至50美分以下，从而将纤维素乙醇的生产成本降至2美元／加仑。热化学法是将生物质通过热转化过程生成合成气，再通过化学合成或微生物发酵生成燃料乙醇的技术，包括生物质热裂解技术和生物质气化技术。但目前生物质热解、气化技术还不成熟，尚未解决气化效率低、合成气转化过程选择性低和催化剂易失活等问题。
芒草沼气发酵是另一具有商业开发潜力的途径。余一等比较了生物质能的三种发酵利用模式，认为能量回收率沼气发酵最高、乙醇发酵其次、产氢发酵最低，单位生产成本则沼气发酵最低、乙醇发酵其次、产氢发酵最高等用马铃薯试验，制成乙醇的能量转换效率是2.6kW·h／kg，而制成沼气(甲烷)的能量转换效率是4.3kW·h／kg，后者比前者高出70％。曾宪录等认为，从目前的技术水平分析，沼气发酵是芒草利用的最好方式，其优势包括：减少收集与运输费用，将分散的芒草发酵成沼气进行“浓缩”，并可发电向外输送，沼气发电机组容量可灵活选择(10-500kW)，非常适合分布式发电；沼气发酵是在常温(或中温)常压下的自然过程，相对成本低、净能产出率高，按稻草常温发酵的研究结果计算，1kg芒草(稻草)可产沼气0.457m。50hm。芒草(1500t)则可产气约68万m。发电100万kW·h；芒草中的营养元素能促进沼气发酵，因此可从早秋开始收获利用，从而延长收获期、减少火灾风险和储备成本；通过沼渣还田，可减少农作物包括芒草的施肥量、降低生产成本，并减少化肥对环境的污染。目前，沼气产业在西欧国家已初具规模，如2007年瑞典已有1.5万辆用提纯沼气驱动的汽车和100多个加气站，车用提纯沼气的量已超过天然气；到2009年底，德国已有4780家大型沼气发电厂，发电产能达1600MW(为1999年的6倍)，约占全德国总发电量的29％。
5 我国能源作物芒草的发展战略
自20世纪80年代中期，欧美国家已开始多年生草本能源作物的研究和开发利用。1984年，美国能源部资助了“草本能源作物研究计划(HECP)”，通过对35种草本植物(其中18种为多年生，但没有包含芒草的评价，认为柳枝稷(Panicum virgatum L)潜力最大；1990年，HECP发展为“生物能源原料发展计划(BFDP)”，次年又决定在DFDP内将柳枝稷作为“模式”作物进行系统研究，以求达到快速应用和示范的目的。近年来，美国伊利诺斯大学等的科研人员对芒草进行了研究，认为芒草的生物质产量和净能产出都要优于柳枝稷，是更适合的能源作物。
欧洲对草本能源作物的研究和开发利用集中于三倍体芒草——奇岗，20世纪60年代就在丹麦开始试验，并在1983年建立了首个试验基地；在此基础上，1989年启动了由欧洲JOULE计划资助的研究项目，在丹麦、德国、爱尔兰和英国开始田间试验，研究奇岗在北欧的生物质潜力；1993年，在欧洲AlR计划资助下，田间试验拓展到了南欧的希腊、意大利和西班牙；与此同时，丹麦、荷兰、德国、奥地利和瑞士等国则资助了有关芒草生育繁育、管理实践和收获运输等的研究；1997年，在欧洲FAlR计划资助下，启动了旨在全欧洲培育新芒草杂交种、发展芒草育种技术和筛选不同芒草基因型的项目。目前，欧洲有关芒草的研究已进入产业化开发应用阶段。
我国是芒属植物的分布中心，但与欧美等国相比，我国对能源作物芒草的研究才刚刚开始，目前尚无国家级别的研究开发计划。鉴于芒草在能源作物中的地位，亟需从国家层面勾画、制定芒草发展战略，动员政府部门、科研机构、能源企业和社会各界力量，将大规模培育、推广种植和开发利用芒草作为我国能源发展战略的重要组成部分。现阶段，应重视以下四方面的全国性协作攻关。
第一、加快芒草种质资源的收集与保护。芒属植物在我国的分布范围极广，大致为18。N-50。N，98。E～135。E组织力量在全国开展芒草资源调查和收集，对我国芒草资源的保存和开发利用具有十分重要的意义。目前，湖南农业大学已建有一个能保存1000份以上芒属野生种质的资源圃，但我国究竟有多少芒属植物资源尚不清楚。2007年，广西柳州市农科所科研人员在该市沙塘镇农户地里发现了几株人工栽培的高大芒属植物，因其茎像甘蔗，叶、鞘像芒草，穗像狗尾草而命名为“三像草”；经初步观测，“三像草”极具开发利用价值。值得指出的是，芒属与蔗茅属(Erianthus)、河八王属(Narenga)、甘蔗属(Saccharum)和硬穗属(Sclerostachya)同属甘蔗属复合体(Saccharum Complex)，各属问能天 然杂交并能产生可育的F1代，因此整个甘蔗属复合体都有可能成为芒草育种的宝贵资源。至于“三像草”是否与甘蔗属复合体有关，尚待研究。
第二，强化芒草种质创新和新品种培育。我国对芒属植物的研究刚起步，与芒草种质创新和新品种培育相关的遗传学研究不仅少、而且很零散。因此，亟需在全国范围内加强组织协调，利用我国丰富的芒草资源，根据其分布特点和开发利用途径，统一部署芒草的种质创新和新品种培育。在我国7个芒草种中，芒、五节芒、荻和南荻的生物产量高、开发潜力大，以及在欧洲已广泛研究利用的奇岗，可作为核心种质资源用于作物驯化和品种改良。据报道，湖南农业大学利用细胞工程技术选育出了同源四倍体新品种——“芙蓉南荻”，利用转基因技术培育出了转外源Bt基因的抗虫南荻新种质，利用种问杂交技术培育出了芒与南荻的杂交新品系湘杂交芒1号、2号和3号。目前，基因工程技术等已广泛应用于能源作物种质创新，如提高生物质产量和品质、降低或改变木质素含量和成分、增加纤维素降解酶表达量等，加之芒草兼备有性生殖和无性繁殖的优点，这些都有利于优质、高产芒草品种的快速培育和迅速推广。
第三、因地制宜发展芒草高产高效技术。我国人口多、粮食需求压力大、土地资源紧张，发展能源作物只能依赖于边际性土地资源。我国地域辽阔、生态环境多样，边际性土地种类较多，如荒草地、盐碱地、滩涂、沙地、瘠薄地、旱地、渍涝地、冷湿地、污染地等，因此芒草的品种类型和生产技术必须适合当地的生态环境和边际性土地特点。根据欧洲对奇岗的研究，芒草在大面积种植时，扩繁成本高、定植当年越冬时抗寒性差是影响芒草产量的重要因素。目前，在我国芒草作为能源作物刚受重视，有关芒草种植技术如扩繁建植、生产管理、收获贮存等的研究还很少，更没有能适合于芒草产业化发展所需的标准化、集成化生产技术体系。作为能源作物，芒草的生物产量、经济效益和生态效益是决定能否产业化的关键，因此发展芒草高产高效生产技术非常重要。
第四、开发芒草转化利用技术与产业化模式。从世界范围来看，在芒草等木质纤维素能源作物的转化利用方面，压缩成型、直接燃烧或与煤混燃发电以及沼气发酵等技术已基本成熟，并具备产业化条件；而纤维素乙醇转化、高温裂解气化等技术近年来虽有所进展，但尚处于研发和示范阶段。
目前，我国芒草的转化利用技术与欧美国家还有较大差距，更没有建立芒草品种培育、规模化推广种植和商业化转化利用的产业化模式。因此，在引进国外先进技术和相关设备、提升我国芒草转化利用技术水平的同时，应积极组织高等院校、科研机构和能源企业等多方面力量，根据各地芒草种质资源状况、边际土地类型和数量以及芒草转化利用技术水平等条件，在全国范围内设计、部署芒草产业化模式的试验和示范，从而推动我国能源作物芒草产业的快速发展。
参考文献：
[1]石元春，决胜生物质[M].北京：中国农业大学出版社，2011.
[2] Bassam NE.Energy plant species，their use and impact on environment and development [M].London：James and James(science Pubi shers)Ltd，1998.
关键词：能源作物芒草分类分布生物学特性转化利用
1 引言
由18世纪末蒸汽机等发明催生的工业革命，彻底改变了人类历史的发展历程一保持了几千年自给自足的传统农业社会开始步入工业社会。工业社会从根本上改变了人类对能源的依存方式，从几乎完全依赖植物生物质变成了主要依赖石油、煤炭和天然气等化石燃料。众所周知，这些化石燃料是由地球若干亿年积累下来的生物残骸转化形成的，具有不可再生性。如果人类不改变能源依赖方式，地球上的化石燃料就将在几十年内枯竭。爆发多次的能源危机和不断上升的能源价格也在警告我们：人类现行的能源依存方式是不可持续的，甚至是非常危险的。
大量开采利用化石燃料的另一问题是，将地层中长期蕴藏的碳以CO，的形式释放到大气中，从而不可避免地造成温室效应，引起全球气候变暖。而且，化石燃料特别是燃烧煤炭造成的各种污染也极大地危害着人类健康，破坏了森林、耕地和建筑。因此，控制化石燃料的消耗，减少CO，排放已成为世界共识。人类社会要走向可持续性发展，必须寻求可再生清洁能源，这已成为科学家们积极探索的热点。
可再生清洁能源包括风能、太阳能、地热、潮汐、水电和生物质能等。其中，生物质能是绿色植物通过光合作用将太阳能转化为化学能而蕴藏在生物体内的能量，是可再生的绿色能源。与其它可再生清洁能源相比，生物质能是唯一能固碳、可再生并转化成气态、液态和固态燃料或其它化工原料和产品的碳资源。生物质能具有良好的稳定性、储能性、原料多样性和产品多样性等优点，缺点是季节性强、原料分散、能量密度低。
根据能源载体物质的化学成分，可将生物质原料分为三大类：①糖和淀粉类，富含糖或淀粉，可用于生产燃料乙醇；②油脂类，富含油脂，能通过脂化过程形成脂肪酸甲脂类物质，即生物柴油；⑧纤维素类，富含纤维素、半纤维素和木质素，可通过转化获得热能、电能、乙醇和生物气体等。目前，已规模化利用生物质能源的国家有美国和巴西，其主要原料分别是玉米和甘蔗。众所周知，玉米、甘蔗、油菜等第一代能源作物是人类的重要食物来源，将它们作为生物质能源将影响到世界食物安全，也很难在食物紧缺的国家推广。近年来，科研人员的目光已集中到产量大、来源广的纤维素类——第二代能源作物上，其中多年生草本植物芒草被认为是生物质产量高、资源利用效率高、生产成本低、生态适应性广、开发潜力巨大的理想能源作物。2011年10月28日，《经济参考报》刊登了“第二代生物质能源呼之欲出芒草成能源作物新星”的报道。
2 芒草的分类与分布
芒草是各种芒属(Miscanthus And ress，)植物的统称，属于禾本科(Poaceae)黍亚科(Panicoideae)蜀黍族(And ropogoneae)。芒草的种间、种内多样性复杂，据《中国植物志》记载，全世界芒属植物可分13个种，我国有8个种，但有关种的数目、划分及其亲缘和演化关系，学术界尚存争议。
1855年，Andressons首次从甘蔗属(Saccha rum)和蔗茅属(Erianthus)中将芒属分列出来，其命名的Miscanthus包括5个种；1881年，Benth等将荻(Triar rhena sachariflo ra(Maxln，)Nakai)归入芒属。1930年，Honda将芒属分为两组，一组为Triarrhena，另一组为Eumi scanIhus。1959年，耿以礼在研究中国芒属植物时，将上述两组合并为三药芒组(Triarrhena)，该组植物有3枚雄蕊，而将分布于我国西南地区的芒属种类另立为双药芒组(Diandra)，该组植物有2枚雄蕊。1962年，Adatj等认为芒属植物有17个种，可分为四个组，分别命名为Section Triar rhena(荻组)、Seciion Eumiscanthus(真芒组)、SectionKa riyasua(青茅组)和Section Dlandra(双药芒组)。1989年，刘亮在修订禾本科甘蔗亚属的分类时，将荻从芒属中独立出来，恢复了Nakai于1950年所建立的荻属，包括荻和南荻(T.1ularlorlpana)2个种，并认为南荻是我国的特有种。2006年，Chen等纠又将荻、南荻、红山茅以及双药芒属归并到芒属，认为全世界芒属植物共有14个种，中国有7个种，分别是红山茅(M.paniculatus)、南荻(M.1utarioripa rlus)、荻(M.sacchariflorus)、五节芒(M.floridulus)、芒(M.slnensls)、尼泊尔芒(M.nepalensis)和双药芒(M.nudipes)，并认为M.condensatus(八丈芒)、M.purpurascens(紫芒)、M.transmorrJsonensis(高山芒)和M.jinxianensis(金县芒)都为M.slnensls的变异类型(变种)。
另外，1988年出版的《四川植物志》中，还列出了短毛芒(M.revipilus)和川芒(M.szechuanensis)在欧洲，三倍体芒草——奇岗(M.×giganteus)已被大量研究报道，它原产于日本、被认为是荻(四倍体)和芒(二倍体)的天然杂交种。在非洲南部，有M.junceus、M.sorghum、M.violensis和M.ecklonii的自然群落发生，但究竟是否属于芒草尚不清楚。在芒属植物的各个种内，芒的变种最多，仅二倍体变种就有17个。
芒草原产于东亚，广泛分布于从东南亚到太平洋岛屿的热带、亚热带和温带地区，现已扩展至西非、美洲和欧洲地区。周昌弘等。依据外部形态和地理分布的关系，将芒草划分为三大类群，第一大群为中国芒类群，是由芒及其变种形成的分类群，主要分布在中国大陆东部、朝鲜(半岛)、日本、琉球群岛、台湾岛、菲律宾群岛等；第二大群为五节芒类群，是由五节芒形成的分类群，主要分布在中国南部沿海、东亚和南亚地区；第三大群是尼泊尔芒类群，是以尼泊尔芒为主形成的区系，分布范围以环绕喜马拉雅山的区域为主，涵盖中国云南、四川，印度、巴基斯坦、缅甸、尼泊尔等地。关于我国芒草的分布，Chen等认为：红山茅生长在海拔2500～3100m的干旱山坡，分布于四川、贵州、云南；南荻生长在海拔低于100m的 湖边和河堤，分布在湖南、湖北；荻生长在山坡和河岸，分布于河南、河北、陕西、甘肃以及日本、朝鲜、俄罗斯；五节芒生长在坡地、河谷和草地，分布于海南、台湾、广东、广西、福建、浙江、江苏、安徽、湖北、河南、四川、贵州、云南以及东南亚国家；芒生长在低于海拔2000m的山坡、海岸，分布于海南、台湾、广东、广西、福建、江西、浙江、江苏、安徽、湖北、山东、河北、吉林、陕西、四川、云南、贵州以及日本、朝鲜(半岛)；尼泊尔芒生长在海拔1900-2800m的山坡，分布于四川、云南、西藏以及不丹、印度、缅甸、尼泊尔；双药芒生长在海拔1000-3600m的山坡，分布干四川、云南、贵州、西藏以及不丹、印度、尼泊尔。在芒属植物的各个种内，芒的分布范围最广，且不同变种通常有显著不同的分布区域，如台湾的八丈芒、白背芒(M，gIabe r)、台湾芒(M，fo rmosanus)和高山芒均为芒的变种，它们的分布区域分别为海边、低海拔、中海拔和高海拔区域。
3 芒草的生物学特性
芒草为多年生草本植物，一般寿命18-20年，最长可达25年以上；植株高大，茎秆粗壮、中空、高度通常为1N3m，在热带、亚热带可达5m以上；叶片扁平、窄长，长度10～80cm不等、长宽比30-50；根系发达、入土深度1m以上，具有发达的地下根茎、横走于地表下10cm左右，可构成纵横交织的根茎一根系网络系统；分蘖能力强，单株分蘖数可达100个以上，并形成单株群落；顶生大型圆锥花序，由多数总状花序沿一延伸的主轴排列而成，小穗成对、孪生于延续的总状花序轴上，每小穗含一两性花，雄蕊2N3枚，雌蕊2枚；异花授粉，自交不亲和，易形成变种问、种间、甚至属于杂种；种子小而轻，千粒重0.3-0.59，适合风播，但三倍体、五倍体的芒草不育。
芒草的染色体很小，基数为19，是禾本科中染色体基数最大的植物之一；除二倍体外，常出现多倍体和非整倍体的情况。Watson等将芒草的染色体数目分为：2n=2x=35～43，2n=3x=57，2n=4x=76，2n=5x=95和2n=6x=114；Deuter对发表于2000年前的研究报告进行了统计，发现各种芒草的染色体数目如下：荻组中荻为2n=2×=38、2n=3×=57、2n=4x=76、2n=5x=95，奇岗为2n=3x=57-58；真芒组中芒为2n=2x=36～42，八丈芒为2n=2x=36～38、2n=3x=57，五节芒为2n=2x=38、2n=3x=57，紫芒为2n=2x=40；青茅组中M，o Jjgostachyus为2n=2×=38，中介芒(M，i nte rmedi u s)为2n=4x=76、2n=6x=1 14，青茅(M，tincto rius)为2n=2x=38、2n=4x=76—78、2n=6x=1 03～109；双药芒组中尼泊尔芒为2n=2x=40、双药芒为2n=2x=40、蔗茅(M，rufipilus)为2n=2x=40；其它如高山芒为2n=2x=38、M，pycnocephaIus为2n=2x--38。另据杜风研究，陕西凤县居群的芒为2n=3x=57，南荻为2n=2x=38；据陈少凤研究，南荻的变种细荻(M，1utario riparius var.humilior)为2n=4x=76。
芒草是喜温、喜光的长日照作物，一般春季播种或移栽，初夏拔节、分蘖，秋季开花结实，深秋停止生长，翌年春季返青；芒草是高光效C。作物，光能利用率高，光合速率与玉米、甘蔗等相当，可达50mg／(dmh)；芒草生长速度快，在生长季约每周出叶1片，最高叶面积指数可达6.5N10.0，分蘖期株高增长0.5N1.0cm／d，拔节期达到3cmid；芒草繁殖能力强，既能有性生殖、也能无性繁殖，一般从5月下旬开始，株丛中约20N30％的枝条形成生殖枝并逐步进入生殖生长，种子成熟后依靠风力传播，无性繁殖则依靠根茎和蘖芽。
芒草具有极宽的生态适应性，在我国从低海拔的沿海滩涂、河流岸边、道路沿线、干热河谷地到海拔2000m以上的山地草丛，芒草都生长良好；芒草侵袭能力、竞争能力强，能适应多种土壤类型，常常是山地、丘陵、滩涂、林缘等草本群落的优势组分；芒草具有较强的耐旱、耐热、耐寒等特点另外，芒草对Cu、Cd、Pb、Zn、As、Mn等重金属具有较强的耐受性，可作为修复污染土壤或矿区等废弃地的优先物种。
芒草有很高的生物质产量潜力。根据Lewandowski等的统计，三倍体芒草——奇岗在欧洲定植3-5年后可达最大干物质产量，南欧在灌溉条件下可达30t／hm。以上，中北欧在无灌溉条件下也可达10~25t／hm。Heaton等[28]在美国伊利诺斯州的试验表明，在投入极少的条件下，奇岗的光能利用率平均为1.0％、最高达到2.0％，平均生物质产量为30t／hm。最高达到61t／hm。我国各地的试验表明，在黑龙江可达37.5t／hm。在山东微山可达43.76t／hm。在北京种植当年可达4.33～14.77t／hm。第二年可达18.49N20.36t／hm。第三年可达39.05t／hm。
4 芒草的能源作物特性及其开发利用途径
Heaton等总结了理想能源作物的特征，包括：C光合途径，冠层持续时间长，多年生(无需每年耕种)，无明显病虫害，春季生长速度快、胜过杂草，不育(防止“逃逸”)，在土壤中贮碳(土壤修复和减碳的工具)，秋季将营养分配回土壤(降低养分需求)，低养分含量如含氮、含磷量<200mg／MJ，水分利用效率高，在田间风干(无干燥成本)，冬季直立性好(按需收获、无储藏成本)，使用现有农机具，选择性市场(高品质纸、建筑材料和发酵)；对照上述14项特征，第一代能源作物玉米符合4项、短期轮作木本植物符合7项，三倍体芒草一奇岗则全部符合。因此，芒草被公认为是理想的能源作物。
利用能源作物替代化石燃料时，需要将生物质能进行转化，转化方式可分物理、化学和生物三个方面，涉及到固化、直接燃烧、气化、液化、热解、发酵、消化等技术。芒草属于木质纤维素类能源作物，主要组分是纤维素、半纤维素和木质素等碳水化合物，可通过压缩成型、直接燃烧或与煤混燃、纤维素乙醇转化、沼气发酵等多种途径加以开发利用。
压缩成型就是将松散的生物质原料，经高温高压压缩成棒状、粒状、块状等具有一定紧实度的成型物，以减少运输费用、提高转化设备的单位容积燃烧强度和热效率。由于压缩成型需要消耗能源，因此欧美国家在收获芒草时大都采用机械打包方式，干物质密度通常在130～150kg／m。有些专用打包机则可达300kg／m。以上。
直接燃烧发电，是目前欧美国家利用芒草的主要方式。据LewandOWSki等报道：奇岗在早春收获时，生物质中C、O和H的含量均较高，分 别为47.8-49.7％、41.2-42.9％和5.5-5.9％，因此适合用于燃烧，燃烧时的反应性和稳定性好，所产热值高、达到17.1～19.2％；同时，由于芒草中N和S的含量低，分别为1.92％和0.22％，因此燃烧过程中产生的NO。SO。等化合物少，对环境的污染压力小。芒草燃烧后的灰分量占生物质量的1.6-4.0％，与当地木本能源植物相比，灰分中重金属含量低，营养物含量高，其中SiO占25~40％、K20占20-25％，P205、CaO和MgO各占5％左右。芒草直接燃烧的主要问题是灰分中Si、K含量高，导致灰分熔点降低、易形成污垢而使燃炉堵塞。因此，欧美国家大多采用与煤混燃的利用方法。10多年前，欧洲就开始了芒草与煤混燃的生产性试验，并取得了成功。根据LewandOWSki等的测算：如果芒草的干物质产量为20t／(hma)，其能值就相当于12t硬煤，用1hm2芒草替代12t硬煤，能减少31t的CO，排放(减少90％)；在发电厂周围50 km半径内种植芒草1.95万hm。(相当于总面积的215％)，就能生产芒草干物质39万t，燃烧这些干物质能使一个263MW的热电厂每年输电7000h，从而节省硬煤23.4~-t，减少C02排放60.4万t。
据估计，全球每年的纤维素类生物质量转化为生物燃料相当于340-1600亿桶原油，远超目前每年30亿桶原油的能源消耗。因此，将纤维素转化为燃料乙醇被视为解决能源危机的根本出路，倍受各国政府、大企业和科学家的重视。芒草含有80％以上可降解的纤维素和半纤维素，是理想的纤维素乙醇原料。据Heaton等测算，种植1200万hm(相当于美国作物面积的9.3％)芒草可转化纤维素乙醇133×109L，替代美国20％的汽油消耗，而相同面积的玉米籽粒只能生产49×109L的燃料乙醇，而且需要投入大量的肥料、机械等资源。纤维素乙醇的生产方法可分为生物化学法和热化学法。生物化学法有3个关键步骤，即生物质预处理、纤维素水解和单糖发酵。纤维素酶的成本是长期影响纤维素乙醇产业发展的瓶颈，20世纪90年代，每加仑纤维素乙醇的酶成本约为5美元，但目前已能降至50美分以下，从而将纤维素乙醇的生产成本降至2美元／加仑。热化学法是将生物质通过热转化过程生成合成气，再通过化学合成或微生物发酵生成燃料乙醇的技术，包括生物质热裂解技术和生物质气化技术。但目前生物质热解、气化技术还不成熟，尚未解决气化效率低、合成气转化过程选择性低和催化剂易失活等问题。
芒草沼气发酵是另一具有商业开发潜力的途径。余一等比较了生物质能的三种发酵利用模式，认为能量回收率沼气发酵最高、乙醇发酵其次、产氢发酵最低，单位生产成本则沼气发酵最低、乙醇发酵其次、产氢发酵最高等用马铃薯试验，制成乙醇的能量转换效率是2.6kW·h／kg，而制成沼气(甲烷)的能量转换效率是4.3kW·h／kg，后者比前者高出70％。曾宪录等认为，从目前的技术水平分析，沼气发酵是芒草利用的最好方式，其优势包括：减少收集与运输费用，将分散的芒草发酵成沼气进行“浓缩”，并可发电向外输送，沼气发电机组容量可灵活选择(10-500kW)，非常适合分布式发电；沼气发酵是在常温(或中温)常压下的自然过程，相对成本低、净能产出率高，按稻草常温发酵的研究结果计算，1kg芒草(稻草)可产沼气0.457m。50hm。芒草(1500t)则可产气约68万m。发电100万kW·h；芒草中的营养元素能促进沼气发酵，因此可从早秋开始收获利用，从而延长收获期、减少火灾风险和储备成本；通过沼渣还田，可减少农作物包括芒草的施肥量、降低生产成本，并减少化肥对环境的污染。目前，沼气产业在西欧国家已初具规模，如2007年瑞典已有1.5万辆用提纯沼气驱动的汽车和100多个加气站，车用提纯沼气的量已超过天然气；到2009年底，德国已有4780家大型沼气发电厂，发电产能达1600MW(为1999年的6倍)，约占全德国总发电量的29％。
5 我国能源作物芒草的发展战略
自20世纪80年代中期，欧美国家已开始多年生草本能源作物的研究和开发利用。1984年，美国能源部资助了“草本能源作物研究计划(HECP)”，通过对35种草本植物(其中18种为多年生，但没有包含芒草的评价，认为柳枝稷(Panicum virgatum L)潜力最大；1990年，HECP发展为“生物能源原料发展计划(BFDP)”，次年又决定在DFDP内将柳枝稷作为“模式”作物进行系统研究，以求达到快速应用和示范的目的。近年来，美国伊利诺斯大学等的科研人员对芒草进行了研究，认为芒草的生物质产量和净能产出都要优于柳枝稷，是更适合的能源作物。
欧洲对草本能源作物的研究和开发利用集中于三倍体芒草——奇岗，20世纪60年代就在丹麦开始试验，并在1983年建立了首个试验基地；在此基础上，1989年启动了由欧洲JOULE计划资助的研究项目，在丹麦、德国、爱尔兰和英国开始田间试验，研究奇岗在北欧的生物质潜力；1993年，在欧洲AlR计划资助下，田间试验拓展到了南欧的希腊、意大利和西班牙；与此同时，丹麦、荷兰、德国、奥地利和瑞士等国则资助了有关芒草生育繁育、管理实践和收获运输等的研究；1997年，在欧洲FAlR计划资助下，启动了旨在全欧洲培育新芒草杂交种、发展芒草育种技术和筛选不同芒草基因型的项目。目前，欧洲有关芒草的研究已进入产业化开发应用阶段。
我国是芒属植物的分布中心，但与欧美等国相比，我国对能源作物芒草的研究才刚刚开始，目前尚无国家级别的研究开发计划。鉴于芒草在能源作物中的地位，亟需从国家层面勾画、制定芒草发展战略，动员政府部门、科研机构、能源企业和社会各界力量，将大规模培育、推广种植和开发利用芒草作为我国能源发展战略的重要组成部分。现阶段，应重视以下四方面的全国性协作攻关。
第一、加快芒草种质资源的收集与保护。芒属植物在我国的分布范围极广，大致为18。N-50。N，98。E～135。E组织力量在全国开展芒草资源调查和收集，对我国芒草资源的保存和开发利用具有十分重要的意义。目前，湖南农业大学已建有一个能保存1000份以上芒属野生种质的资源圃，但我国究竟有多少芒属植物资源尚不清楚。2007年，广西柳州市农科所科研人员在该市沙塘镇农户地里发现了几株人工栽培的高大芒属植物，因其茎像甘蔗，叶、鞘像芒草，穗像狗尾草而命名为“三像草”；经初步观测，“三像草”极具开发利用价值。值得指出的是，芒属与蔗茅属(Erianthus)、河八王属(Narenga)、甘蔗属(Saccharum)和硬穗属(Sclerostachya)同属甘蔗属复合体(Saccharum Complex)，各属问能天 然杂交并能产生可育的F1代，因此整个甘蔗属复合体都有可能成为芒草育种的宝贵资源。至于“三像草”是否与甘蔗属复合体有关，尚待研究。
第二，强化芒草种质创新和新品种培育。我国对芒属植物的研究刚起步，与芒草种质创新和新品种培育相关的遗传学研究不仅少、而且很零散。因此，亟需在全国范围内加强组织协调，利用我国丰富的芒草资源，根据其分布特点和开发利用途径，统一部署芒草的种质创新和新品种培育。在我国7个芒草种中，芒、五节芒、荻和南荻的生物产量高、开发潜力大，以及在欧洲已广泛研究利用的奇岗，可作为核心种质资源用于作物驯化和品种改良。据报道，湖南农业大学利用细胞工程技术选育出了同源四倍体新品种——“芙蓉南荻”，利用转基因技术培育出了转外源Bt基因的抗虫南荻新种质，利用种问杂交技术培育出了芒与南荻的杂交新品系湘杂交芒1号、2号和3号。目前，基因工程技术等已广泛应用于能源作物种质创新，如提高生物质产量和品质、降低或改变木质素含量和成分、增加纤维素降解酶表达量等，加之芒草兼备有性生殖和无性繁殖的优点，这些都有利于优质、高产芒草品种的快速培育和迅速推广。
第三、因地制宜发展芒草高产高效技术。我国人口多、粮食需求压力大、土地资源紧张，发展能源作物只能依赖于边际性土地资源。我国地域辽阔、生态环境多样，边际性土地种类较多，如荒草地、盐碱地、滩涂、沙地、瘠薄地、旱地、渍涝地、冷湿地、污染地等，因此芒草的品种类型和生产技术必须适合当地的生态环境和边际性土地特点。根据欧洲对奇岗的研究，芒草在大面积种植时，扩繁成本高、定植当年越冬时抗寒性差是影响芒草产量的重要因素。目前，在我国芒草作为能源作物刚受重视，有关芒草种植技术如扩繁建植、生产管理、收获贮存等的研究还很少，更没有能适合于芒草产业化发展所需的标准化、集成化生产技术体系。作为能源作物，芒草的生物产量、经济效益和生态效益是决定能否产业化的关键，因此发展芒草高产高效生产技术非常重要。
第四、开发芒草转化利用技术与产业化模式。从世界范围来看，在芒草等木质纤维素能源作物的转化利用方面，压缩成型、直接燃烧或与煤混燃发电以及沼气发酵等技术已基本成熟，并具备产业化条件；而纤维素乙醇转化、高温裂解气化等技术近年来虽有所进展，但尚处于研发和示范阶段。
目前，我国芒草的转化利用技术与欧美国家还有较大差距，更没有建立芒草品种培育、规模化推广种植和商业化转化利用的产业化模式。因此，在引进国外先进技术和相关设备、提升我国芒草转化利用技术水平的同时，应积极组织高等院校、科研机构和能源企业等多方面力量，根据各地芒草种质资源状况、边际土地类型和数量以及芒草转化利用技术水平等条件，在全国范围内设计、部署芒草产业化模式的试验和示范，从而推动我国能源作物芒草产业的快速发展。
参考文献：
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[2] Bassam NE.Energy plant species，their use and impact on environment and development [M].London：James and James(science Pubi shers)Ltd，1998.