西北农林科技大学陈少林教授 | 生物质能源与可持续生态农业-IOTA

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西北农林科技大学陈少林教授 | 生物质能源与可持续生态农业

阅读量：3875557 2019-10-28

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来自西北农林科技大学同时也兼任Global Change Biology Bioenergy的主题编辑陈少林教授向我们解答在能源危机背景下为什么必须要发展生物质能源，生物质能源对于建立可持续生态农业和可持续发展和循环经济的意义。
视频一：

视频二：

在能源危机背景下为什么必须要发展生物质能源
植物等生物体通过光合作用将光能转化为化学能。具体过程是，二氧化碳和水通过光合作用形成蔗糖，蔗糖进而被用于合成为纤维素等生物质多糖大分子，沉积于植物细胞壁中，这些多糖大分子是生物质的主要成分，储存了大量的化学能。生物质能源的利用过程就是将这些化学能转化成其他能源形式，比如热能和电能等，加以利用。这些多糖大分子还可以被降解为单糖，再通过微生物发酵，比如酵母发酵，转化为生物燃料和生物基产品，比如乙醇和其它化学品或材料。得到的这些产品可以取代汽油或其它石油化工产品等。
为什么需要研究生物能源呢？主要原因是能源和环境安全。目前我国石油的进口度高达70%，存在严重的安全隐患。另外，煤和石油等矿物能源或化石燃料不可再生，过度开发、粗放利用、奢侈消费造成了严重的生态环境问题，特别是温室气体排放造成的全球气候变暖，引起各国的高度重视。因此，迫切需要开发和利用可再生绿色能源。生物质能是重要的可再生能源，具有绿色、低碳、清洁、可再生等特点。研究、开发和利用生物质资源，生产生物质能源和生物基产品，用以替代矿物能源和石油化工产品等，势在必行，逐步成为我国以及欧美国家的重大科技需求和战略性新兴产业。例如，国家的《生物质能发展 “十三五”规划》，分析了国内外生物质能源发展现状，阐述了我国生物质能产业发展的指导思想、基本原则、发展目标、发展布局和建设重点等，是我国近阶段生物质能产业发展的基本依据。
生物能源与常规能源的区别
从获得性而言,传统的矿物能源和生物能源同源，均来源于生物质。传统的矿物能源，例如煤和石油等，由深埋地下的生物质经过亿万年的反应逐步形成，因此又称之为化石燃料。从来源的角度而言，矿物能源其实也是一种生物质能源的形式。但是，由于化石燃料的不可再生性，我们将将矿物能源与生物质能源区分开来。
工业化革命使得我们的生产和生活严重依赖石油和煤等矿物能源，而短期内用尽地下亿万年形成的化石燃料，会大幅提升大气中的温室气体含量，造成全球气候变暖等生态环境问题。如前所述，化石燃料和生物质资源的具有同源性，均富含碳氢化合物等有机物。所以，生物质被认为是唯一能够大规模取代化石燃料资源的宝贵的可再生绿色资源，与其它可再生资源相比，具有不可替代的作用和功能。
生物质能源的类型，特点和优势
生物质资源来源广泛，包括能源植物、农业废弃物、木材和森林残留物、城市有机垃圾、以及藻类生物质等，它们可以被转化为固态、液态和气态燃料，固态燃料可以用于发电，生物乙醇等液态燃料可以用于替代汽油和柴油，沼气等气态燃料可以用于发电、取暖等，用途广泛。
此外，因为化石燃料和生物质资源具有同源性，都富含碳氢化合物等有机物，所以生物质同样可以通过炼制，用于生产液体燃料、化学品、材料、生物医药、润滑剂、绝缘油、肥料、杀虫剂等各类化工产品，所以生物质资源可以大规模取代石油等化石燃料资源。而太阳能、风能、水能等其它可再生资源则有所不同，它们只能部分地取代化石燃料的功能，比如发电或供热，而不能用于生产液体燃料以及化工产品和生活用品。简言之，与太阳能、风能、水能等可再生资源相比，生物质资源的用途更为广阔，是唯一能够大规模取代化石燃料的可再生资源。因此，在社会经济的可持续发展中，生物质资源具有不可替代的基础功能和战略地位。
您的研究如何促进可持续生态农业的发展
利用生物质能源和生物质资源大规模替代化石燃料，实现可持续发展，是本世纪面临的重大挑战。
我国西北地区属于典型的干旱、半干旱气候区，生态环境脆弱。部分地区，如北方农牧交错带地区，由于玉米等粮食作物种植面积持续增加，使得该区域的水资源开发强度已近极限，土地沙化、草原退化、生态功能弱化日益严重，对策之一是退耕还草。
那么，为什么传统的农业生产会带来这些问题呢？大家知道，玉米等粮食作物大多是一年生草本植物，需水量大，所以造成严重的水资源过度利用。另外，玉米等粮食作物的施肥量大，造成水资源污染和温室气体排放，同时造成水土流失、土壤有机碳流失等其它问题。而多年生草本植物则与之不同，能够改善生态环境，减少水土流失，增加土壤固碳，增加生物多样性。因此，我校山仑院士强调多年生草本植物的生态农业属性，兰州大学的南志标院士提出多功能草业发展理念。多年生草本植物的抗逆性强，能够种植于黄土高原和北方农牧交错带等半干旱地区，有助于改善生态环境，有助于提供优质绿色的生物质资源，用于生物质能源、生物基产品以及其它产品的生产。
西北农林科技大学地处西北，有责任面对西北地区农业发展的重大问题。所以，旱区生物质能研究中心的研究工作，不仅强调秸秆的转化利用，同时专注于多年生草本植物的研究、开发和利用，具体研究内容包括：（1）多年生草本能源草的分子育种理论和技术创新，以选育广适性新品种，为西北地区的多功能草业发展提供理论和技术支撑；（2）此外，我们也注重研究生物燃料和生物基产品生产过程的关键技术，包括生物质多糖大分子的微生物酶解，减低这一过程的成本，有助于推动生物燃料和生物基产品的产业化发展；（3）当然，生物燃料和生物基产品的产业化发展，不仅仅是原料生产问题，也不仅仅是生物燃料和生物基产品的生产问题，还涉及土地和水资源的优化配置、生态环境效益保育等其它农业和环境问题。因此，我们还在推动建立多年生草本能源草和牧草的环境和经济效益评价体系，以种植地的经济效益和环境效应等指标为依据，优化资源配置，以促进生态环境保育与多功能循环农业发展的深度融合。
生物质能源的发展对于可持续发展和循环经济的促进作用
我总结一下生物质能源对可持续发展和循环经济的积极作用。
首先，发展生物质能源等可再生能源技术产业有助于保障我国的能源安全。根据中国石油集团发布的《2018年国内外油气行业发展报告》，2018年我国的石油对外依存度升至70％。预计到2030年将上升到80%。在当前以及可预期的国际政治和贸易环境下，保障我国能源安全，转向以生物质能等可再生能源为主，是我国的重大战略需求。
其次，推动发展生物质能源和生物质资源循环利用是低碳经济与可持续发展的必然趋势。化石燃料的使用导致大量二氧化碳的排放, 二氧化碳是温室气体的主要来源，是加快全球变暖的重要因素。生物质能具有绿色、低碳、清洁、可再生等特性。生物质资源是唯一能够大规模取代化石燃料的可再生资源，在可持续发展中具有不可替代的基础战略地位。
第三，如上所述，多年生草本植物的种植和生产，能有效减少碳排放、改善生态环境，包括改良土壤、提高土壤固碳量、减少水土流失、增加生物多样性等。因此，推动发展以多年生草本植物资源为原料的生物质能源和生物质资源循环利用产业是多功能循环农业发展的重要组成。
第四，推动发展生物质能源和生物质资源循环利用，还有助于增加农民收入。我国西北半干旱地区有大量边际土地，北方农牧交错带等区域的水资源短缺、土地沙化、草原退化、生态功能弱化等生态环境问题日益严重，农牧民收入总体偏低，退耕还草、调整种植制度，推动可持续生物能源产业化发展，有助于增加农民收入、加速多功能循环农业发展。