非粮生物质原料体系研发进展及方向

非粮生物质原料供应是生物质能产业发展的最主要限制因素。本文系统分析了适合中国国情的非粮生物质和宜能非粮地概念,阐述粮食安全和生物质能源发展的关系,认为发展可持续非粮生物质能源是实现粮食、能源、生态、农村经济多赢的战略举措。进而,重点综述了当前中国非粮生物质原料及其供应体系研究进展,分析了当前迫切需要研发的重点任务,内容包括废弃物生物质资源及其可获得性,非粮能源植物种类筛选、育种和生产技术,原料生产、收获、收集和物流及其机械化,宜能非粮地的面积、分布和生产潜力,原料生产与供应的可持续性和标准化,供应产业模式及能源农业发展,发展规划和政策。

论我国非粮生物质原料的非粮属性

能源安全与粮食安全既相互依赖又相互影响,发展生物质能源具有非常重要的战略地位,而非粮原料供应是生物质能源产业发展的最大瓶颈。非粮原则的本质是不能影响粮食安全,因而狭义的非粮生物质应定义为谷物籽粒以外的生物质。以谷物为粮食生产统计的国际口径,我国已基本实现了粮食自给,而且,据预测2029年当我国人口达到最多时,仍能保持基本的粮食安全。因此,谷物类籽粒毫无疑问不属于非粮生物质原料的种类,谷物籽粒类以外的农林业产品属于非粮生物质原料。豆类作物籽粒、薯类作物薯块、油料作物类籽粒和糖料作物含糖器官,属于受限制发展的非粮生物质原料种类;非食用的动植物产品及其他有机废弃物属于鼓励发展的非粮生物质原料种类。

灰色系统理论在非粮柴油植物评价与筛选中的应用

利用灰色关联度法对油脂植物的主要性状进行综合分析,为评价及筛选优质非粮柴油植物提供科学参考。本研究选取9项评价指标并运用独立性权数法确定了其权重系数,总体变幅为0.085～0.186,其中碘值(0.136)与高热值(0.120)的权重较高,其余7项指标间差异不大。以秦岭地区23份符合柴油植物初步评价标准的野生资源为材料,分别利用等权关联度法与加权关联度法确定其与构建的理想物种间的关联度,并用于综合评价与筛选。结果表明:基于等权法的关联度变幅为0.906 5～0.985 1,前三名优势物种为山桃(γ=0.985 1)、粗榧(γ=0.984 2)与李(γ=0.983 9);基于加权法的关联度变幅为0.912 6～0.984 9,前三名优势物种为山桃(γ=0.984 9)、李(γ=0.983 9)与粗榧(γ=0.983 7)。基于两种评价方法下的23份资源综合品质排名差异不显著(P<0.01),其秩相关系数达到0.998,说明所选9项指标对评价非粮柴油植物综合品质具有同等重要性,同时也表明等权关联度法可直接用于评价与筛选。

陕西省非粮柴油植物资源的调查与筛选

原料可持续供应是保证生物柴油产业持续发展的基础。了解不同地区非粮柴油植物资源的特点、分布及油脂和相应油脂甲酯的理化性质,是开发当地生物柴油植物资源、实现原料可持续生产供应的前提。本研究对北方地区植物资源最丰富的陕西省的非粮柴油植物资源进行了初步调查与评估,共采集到37份植物的种子或种仁并测定了其油脂性质。结果表明:37份样品含油率质量分数的变幅为10.0～62.8%;其油脂碘值、酸值、皂化值的变幅分别为43.43～129.44g/100g,1.89～57.92mg/g,124.18～367.00mg/g。然后,采用文献报道的公式模拟计算了与油脂甲酯品质紧密相关的5项指标参数。结果表明:37份样品油脂甲酯的十六烷值、运动黏度的变幅分别为34.86～63.08,2.67～4.19mm2/s;其密度、高热值及冷滤点的变幅分别为833.94～884.22kg/m3,33.40～42.91kJ/g,-13.10～15.60℃。根据测定数据和模拟数据比对柴油植物初步评价标准,筛选出有进一步研究价值的非粮柴油植物共11种,其中山桃、女贞、厚朴最具有发展潜力。

基于灰色系统的陕西与甘肃非粮柴油植物资源评价与筛选

现阶段原料短缺仍制约着我国生物柴油产业的发展，筛选并规模化种植有潜力的非粮柴油植物将是产业发展的出路。本研究对陕西与甘肃两省的野生油料植物资源进行初步调查，并对采集的40份植物种子的油脂及其甲酯性质进行分析。结果表明：40份样品反映油脂特性的含油率、皂化值、酸值和碘值指标变幅分别为10．43％～51．42％、112．52～312．11mg／g、1．76～56．03mg／g和19．47～160．25g／100g，反映油脂甲酯特性的运动粘度、十六烷值、冷滤点、高热值和密度变幅分别为1．89～3．70mm^2／s、28．77～68．34、一15．82～6．65℃、33．85～42．79kJ／g和808．04～867．96kg／m^3。基于含油率、酸值、碘值、运动粘度、十六烷值、冷滤点、高热值、密度和产量等9项评价指标，利用等权灰色关联度分析法对40份样品的综合性状给予评价与筛选。综合分析表明：40份样品中有潜力作为生物柴油原料的前3名优势物种分别为榆叶梅（Arnygdalus triloba（Lindl．）Ricker）、贴梗海棠（Chaenomele speciosa（sweet）Nakai）及桃（Amygdalus persica Linn．），它们与研究中构建的理想物种相似度（以灰色关联度表示）分别为0．688、0．674和0．628。

中国各省大田作物田间秸秆资源量及其时间分布

准确评估中国秸秆资源量及其时空分布对秸秆资源化利用具有重要意义。本研究采用各省市区不同作物的最新田间秸秆系数评估田间秸秆资源量,确定各作物秸秆热值合理取值折算标煤量,并依据中国主要大田作物田间秸秆成熟期,对各省各作物田间秸秆的时间分布进行研究。结果表明:2007—2009年中国年均秸秆量为7.35亿t,包括田间秸秆6.46亿t(折标煤量3.41亿t,占总量87.36%)和加工副产物0.89亿t(折标煤量0.50亿t,占总量12.64%)。三大粮食作物是田间秸秆的主要来源,其中水稻田间秸秆为19 865.13万t,折标煤9 177.69万t,占总量26.90%;玉米田间秸秆为14 947.83万t,折标煤量8 266.15万t,占总量24.23%;小麦田间秸秆为14 373.43万t,折标煤7 833.52万t,占总量22.96%。秸秆量最大的10个省份由高到低依次为河南、山东、江苏、黑龙江、安徽、四川、广西、湖南、河北、湖北,变化范围为3 772.15～7 295.06万t,折标煤为1 908.83～3 999.61万t,这10省总量占全国总量62.46%。田间秸秆成熟时间分布不均,第三季度(7—9月)最多,秸秆折标煤占总量44.49%;其次为第四(10—12月)和第二季度(4—6月),分别为25.26%和24.27%;第一季度(1—3月)最少,只占总量的1.37%。

中国各省大田作物加工副产物资源量评估

作物加工副产物是秸秆资源的组成部分。本研究明确了加工副产物的概念、其系数取值和计算方法,评估了2007—2009年中国各省市自治区大田作物加工副产物的资源量。各省稻壳系数的取值范围为0.16～0.20,平均值为0.18;玉米芯系数取值范围是0.12～0.22,平均值为0.16;花生壳系数的取值范围为0.25～0.30,平均值为0.27;棉籽壳系数为0.47;甘蔗渣系数为0.16;甜菜渣系数为0.05。全国每年共产稻壳3 438.20万t,在30个省市区的分布量为0.05万t(北京)～451.94万t(湖南)。玉米芯年产量为2 571.67万t,分布范围为0.30万t(西藏)～293.77万t(黑龙江)。此外,花生壳年产量为378.19万t、棉籽壳为549.37万t、甘蔗渣1 881.01万t、甜菜渣43.59万t。稻壳的折标准煤转化系数是0.49,折标准煤量为1 684.72万t;玉米芯是0.60,折标煤1 543.00万t;花生壳0.59,折标煤233.13万t;棉籽壳0.60,折标煤329.62万t;甘蔗渣0.60,折标煤1 128.61万t;甜菜渣0.57,折标煤24.85万t。全国加工副产物每年总产量达到8 862.03万t,折标煤共4 933.93万t。

菊芋作为能源植物的研究进展

非粮能源植物是发展生物质能源的重要基础。菊芋适应性广,抗逆性强,生物质产量高,能源化利用方式多样,且环境友好,是我国有前景的非粮能源植物之一。笔者以原料生产和生物质转化利用为中心,对菊芋生物学、抗逆性和产量潜力、种质资源、遗传特性和良种选育、种植技术、化学组成和能源转化利用等方面的研究进展和存在问题进行了详细阐述,并展望了菊芋作为能源植物的研发前景。培育能源专用良种,建立适应能源生产的高效生产技术体系、获得高活力菊糖酶、高效发酵菌株和产油微生物,原料生产全生命周期评价及副产物综合开发利用是今后应着力研究的重点。

能源高粱在盐碱地上的品种筛选

以本实验室新培育的4个甜高粱杂交种（S1~S4）和6个生物质高粱杂交种（B1~B6）作为参试材料,在吉林省长岭县和山东省滨州市的盐碱地进行2年大田试验,旨在筛选出适合当地及周边盐碱地区生产试验和推广种植的能源高粱杂交种,为我国发展生物质能源提供原料基础。研究结果表明：1）在2个试验点的2年试验中,各参试杂交种株高与茎粗分别为347.4~496.3cm和14.8~20.3mm,生物质高粱杂交种要优于甜高粱杂交种;2）2年中各参试杂交种地上部总干重为9.1~28.5t/hm^2,其中生物质高粱杂交种B2、B4和甜高粱杂交种S2分别在各试验点的2年试验中表现突出;3）结合2年试验数据,得出适合长岭试验点推广种植的杂交种为生物质高粱杂交种B3、B4以及甜高粱杂交种S2,适宜滨州试验点推广栽培的为生物质高粱杂交种B2、B3以及甜高粱杂交种S4。

外源施加褪黑素对NaCl胁迫下狼尾草种子萌发及相关生理指标的影响

在狼尾草种子萌发过程中外源施加褪黑素,观察测定NaCl胁迫下狼尾草种子的萌发特性和萌动种子体内的抗逆酶活性与相关生理生化指标。结果表明:褪黑素处理显著提高了NaCl胁迫下狼尾草种子的发芽势和发芽率,其中300和500μmol/L的褪黑素处理效果比较明显。褪黑素处理显著提高了狼尾草胚根的直径,起到了壮根的作用。NaCl胁迫下褪黑素处理组的平均干重显著高于非褪黑素处理的组别,表明褪黑素处理促进了干物质积累。另外褪黑素提高了种子体内的游离脯氨酸和可溶性蛋白含量,有助于抵抗盐胁迫逆境造成的渗透伤害;提高了抗氧化系统酶的活性(SOD、POD和CAT),降低了丙二醛的含量,有效防止了胁迫产生的多余活性氧所造成的过氧化伤害。综合以上数据,褪黑素具有提高狼尾草抵抗NaCl胁迫逆境的作用。

24个甜高粱品种主要农艺性状与品质性状遗传多样性分析

本研究对国内9份和国外15份甜高粱自交系品种的45个农艺性状和品质性状在新疆干旱区的表现进行遗传参数分析。目的是了解甜高粱种质资源在新疆干旱区的表现,为新疆干旱区甜高粱品种选育提供参考依据。遗传多样性分析表明,主要农艺、产量及品质性状的遗传多样性指数平均为1.831 9,明显高于分级性状的0.779 6。其中,茎秆产量的遗传多样性指数达到1.817 2,茎秆可溶性总糖含量遗传多样性指数为1.946 9。变异系数分析表明,各性状的遗传变异潜力较大。其中,叶鞘可溶性总糖含量变异系数最大为50.3%,播种-出苗期变异系数最小为5.7%,总体平均为23.9%。遗传参数分析表明,农艺性状平均广义遗传率为0.74;产量性状平均广义遗传率为0.92;各品质性状平均广义遗传率为0.93,其中茎秆可溶性总糖的广义遗传率达到0.99。进一步分析发现茎秆产量和茎秆可溶性总糖含量的相对遗传进度分别为81.1%和84.9%,可获得遗传增量分别是122.3和212.3g/kg,说明该甜高粱群体的茎秆产量和茎秆可溶性总糖含量均有着巨大的改良潜力。

大田作物秸秆量评估中秸秆系数取值研究

本研究对《中国统计年鉴》各省的大田作物的不同种类,根据2006—2011年报导的秸秆系数的实测值,研究确定各省市自治区(除港、澳、台外)各类大田作物的秸秆系数取值,以数学模拟取值法对水稻、小麦和玉米3大作物进行取值,以相同或相似地区平均取值法、同类作物取值法确定其他作物取值。结果表明:水稻的秸秆系数取值变幅为0.74～1.33,全国平均值为1.04。小麦的变幅为1.05～1.41,全国平均值为1.28。玉米的变幅为0.93～1.30,全国平均值为1.07。豆类和薯类的变幅分别为1.13～1.86和0.42～0.75,全国平均值分别为1.35和0.53。黄红麻和棉花的秸秆系数的变幅分别为1.22～2.23和2.41～4.09,全国平均值分别为1.73和2.87。花生、油菜和芝麻的变幅分别为0.85～1.43、2.57～3.17和1.78～2.23,全国平均值分别为0.99、2.90和1.89。甘蔗的秸秆系数在各省统一取值为0.34。甜菜和烟草的变幅分别为0.18～0.67和0.49～0.92,全国平均值分别为0.37和0.66。"其他谷类"、"其他油料"和"其他麻类"的秸秆系数在各省取值均相同,分别为2.32、2.63和6.55。

不同类型高粱主要农艺性状与品质性状差异分析

对来自国内外60份不同类型高粱材料的农艺性状、产量性状和品质性状在新疆干旱区的表现进行分析比较,目的是了解不同高粱类型在新疆干旱区的差异表现,为新疆干旱区能源用高粱品种选育提供参考依据。研究发现,供试高粱材料间生育期差异显著(P<0.05),其中,甜高粱的生育期最长,平均为116.8d,变幅在100.5～131.5d之间。农艺性状分析发现,帚高粱的株高最高,平均为275.2cm,籽粒高粱最矮,平均只有235.6cm。甜高粱的伸长节间数最多,平均为12.6个,其中,甜高粱X054伸长节间数最多,为15.6个。各高粱类型的产量构成差异较大,籽粒高粱的籽粒产量最高,平均为7.9t/hm2,而甜高粱和帚高粱的茎秆产量较高,分别为10.3和10.2t/hm2,全株总干物质积累量以甜高粱为最高,平均为25.3t/hm2,变幅在18.4～31.5t/hm2之间,其次为帚高粱的23.6t/hm2,籽粒高粱最低,平均只有20.3t/hm2。品质性状分析表明,籽粒各组分含量最为稳定,各高粱类型间差异较小,其次为叶片和叶鞘,而不同高粱类型间茎秆的碳水化合物含量和木质素含量差异较大,其中,甜高粱表现出更高的可溶性总糖含量,平均为236.6g/kg,是籽粒高粱的3倍、帚高粱的2倍之多,而甜高粱的木质纤维素含量明显低于籽粒高粱和帚高粱,特别是纤维素含量,平均要低100g/kg以上。碳水化合物产量分析发现甜高粱和帚高粱的平均积累量较高,分别为14.2和13.8t/hm2,各高粱类型中均以纤维素和半纤维的贡献最大,特别是帚高粱材料,平均贡献率达65.9%。综上,相比于籽粒高粱和帚高粱,甜高粱整体表现出更强的能源利用潜力。同时应指出,各类型高粱材料均为宝贵的种质资源,应充分的挖掘利用,以筛选并进一步培育出适合新疆干旱区种植的能源用高粱新品种。

氮素对干旱地区甜高粱碳水化合物和理论乙醇产量的影响研究

利用新疆干旱地区4个甜高粱常用品种(杂交种早熟1号和醇甜2号,常规种丽欧和绿能3号)研究其在2个氮素水平下(N0∶0kg/hm2 N和N150∶150kg/hm2 N)全生育期不同碳水化合物含量和产量的变化规律,用以了解品种和氮肥对甜高粱碳水化合物产量的影响,并评估这4个品种在新疆干旱地区生产乙醇的潜力。研究结果表明,随着生育进程的推进,全株可溶性碳水化合物的含量和产量,纤维素、半纤维素的产量都呈现增加趋势,而全生育期半纤维素的含量较稳定。不同的甜高粱品种全株碳水化合物的含量和产量有显著差异,杂交种早熟1号和醇甜2号全株可溶性碳水化合物的产量显著(P<0.05)高于常规种丽欧和绿能3号。品种间不同器官碳水化合物产量所占比重也不同,杂交种早熟1号和醇甜2号的可溶性碳水化合物主要分布在籽粒,而常规种丽欧和绿能3号的可溶性碳水化合物主要分布在茎。乙醇产量潜力分析表明,乙醇产量主要来源于可溶性碳水化合物;杂交种早熟1号和醇甜2号的总理论乙醇产量(分别为10 148和9 982L/hm2)显著(P<0.05)高于常规种丽欧和绿能3号的总理论乙醇产量(分别为9 017和8 728L/hm2)。氮肥的施用并不能显著(P<0.001)增加甜高粱全株可溶性碳水化合物的产量,但能显著(P<0.001)增加全株纤维素、半纤维素理论乙醇产量。

我国不同地区主要大田作物田间秸秆成熟期

秸秆时间分布与作物的成熟期关系密切,对其可持续利用有重要影响。本研究首先提出田间秸秆成熟期的概念,通过查阅2006—2011年正式发表的大田试验文献获得大田作物主产品在各地区的成熟期或收获期,确定不同地区各作物秸秆的成熟期。结果表明:从时间分布上看,1—4月是甘薯、甘蔗、棉花、马铃薯和油菜的秸秆成熟期;5—6月小麦和玉米的秸秆开始成熟,为全国秸秆成熟初期;7—11月为水稻、小麦及玉米集中收获时段,属于秸秆成熟盛期,其中,9和10月秸秆成熟的作物最多;12月为秸秆成熟末期,马铃薯、甘薯、花生、棉花、黄红麻和甘蔗的秸秆在此时期成熟。长江以北地区的作物秸秆成熟期为6—10月,高峰期在8—10月初;长江流域及以南地区无霜期长,可栽培作物种类多,秸秆成熟时间相对分散。明确田间秸秆的成熟期,为研究我国田间秸秆资源的时间分布提供依据。