0 引言
目前，全球能源供需矛盾急剧恶化，能源危机日趋严重，化石能源的使用导致了环境污染与温室气体的过量排放等严重问题。二氧化碳作为温室气体的主要成分，减少其排放是解决温室效应的主要途径之一。中国的二氧化碳排放量位居世界前列，中国政府承诺将在2030年前实现碳达峰，并且提高非化石能源所占比重，大力发展清洁可再生能源，以便更好地实施能源战略与应对气候变化。能源作物作为一种优质的生物质能源资源，既能缓解能源危机，又能减轻温室效应，必将在“双碳”目标的实施中发挥重要作用。对此，2006年颁布施行的《中华人民共和国可再生能源法》明确鼓励清洁、高效地开发利用生物质燃料，鼓励发展能源作物[1]。《农业生物质能产业发展规划（2007—2015年）》提出利用荒山、荒坡、盐碱地等边际性土地，发展甜高粱、木薯等能源作物，走中国特色的农业生物质能产业发展道路[2]。《新时代的中国能源发展》白皮书也指出因地制宜发展生物质能[3]。“十四五”可再生能源发展规划中，提出了积极发展纤维素等非粮食燃料乙醇，鼓励开展醇、电、气、肥等多联产示范，以及研究完善对碳达峰具有重大意义的生物质等可再生能源扶持政策。
本文对能源作物的重要性进行阐述，综述能源作物种类及特点、研究现状、存在的问题及解决措施。能源作物的发展在保障国家能源安全、助力乡村振兴以及促进“双碳”目标的实施等方面起到非常重要的作用。
1 拓展利用能源作物的重要性
1.1 保障国家能源安全
发展能源作物既可解决一次能源短缺的问题，又能保护环境，在我国能源安全中扮演重要角色。中国是全球第三大燃料乙醇生产国，仅次于巴西和美国[6]。燃料乙醇的发展势必要大规模使用粮食，必将危及我国粮食安全。因此，以粮食为原料的第一代燃料乙醇因其生产成本过高以及与粮争地而倍受争议[7]。为确保我国粮食安全，国家发改委已明确提出，发展燃料乙醇应以薯类和甜高粱等非粮作物为主，这才是当前保障我国能源安全的重要途径[8]。并且中国边际土地甜高粱乙醇生产潜力较大，在不考虑其他社会经济限制因素下，总乙醇生产潜力可达11 838.5万吨以上（种植面积5 919.2万公顷，约占中国边际土地的10.80%）[9]，折合标准煤10 993.2万吨，可替代7 695.1万吨的原油，约占中国原油消费量的11.08%（中国2022年原油消费量为69 477万吨，折合标准煤99 254.8万吨）。如果将我国的边际土地充分利用起来，就能缓解能源危机，保障国家能源安全。
1.2 助力乡村振兴
《加快农村能源转型发展助力乡村振兴的实施意见》提出，推进农村能源绿色转型发展，是满足人民群众高质量生活需求的必然选择，同时也是建设现代能源体系的关键环节，对于巩固拓展脱贫攻坚成果，推进乡村振兴，实现碳达峰、碳中和，实现农业农村现代化都有着十分重要的意义[10]。
发展能源农作物可以有效地改善我国乡村的生态环境，缓解我国的能源短缺问题，促进人类与自然和谐发展，推动我国经济社会的可持续发展。我国农村存在着大量未开发利用的土地以及被忽视的生物质资源，如被废弃的玉米、甘蔗等秸秆对农村生产、居住环境造成了严重的破坏与污染。这些被废弃的玉米、甘蔗等秸秆可被资源化处理制作成为有机肥、饲料、颗粒燃料以及各类手工艺品[11]。将秸秆进行生化处理，可生产乙醇、沼气等产品，在一定程度上能缓解环境污染和液体燃料缺乏的问题[12]。以部分作物秸秆为例，通过先进技术和工艺将秸秆制成沼气利用，农民每亩可增加收入约300元[13]。在能源作物的发展和利用过程中，所产生的农业废物可以通过特定的技术和处理方式，变成生产的原材料，实现废物向资源的转化，在一定程度上缓解我国能源短缺与降低环境污染[14-15]。我国现有可开发的边际土地面积近8.254 × 107 hm2，占全国土地面积的9.3%，虽然暂时不宜将其垦为农田，但可种植某些环境适应性强、抗逆性强的高效能源作物[16]。阮小春等[17]对利用坡耕地种植能源作物进行研究，发现在边际土地上种植能源作物能提高农民收入，促进农村经济发展。木薯是一种耐旱、易种易收的能源作物，江西省东乡县利用荒山荒坡发展木薯产业并且扩大至周边七个县（市、区），给当地农民带来了新的收入[18]。利用边际土地和退耕还林、还草的土地种植沼气专用能源作物，按一个种植周期来算，每亩至少可额外增加收入500 ~ 800元[13]。可以通过调整种植结构，使能源作物与粮食作物、经济作物合理共享土地资源，这样既能保障粮食生产的安全，又能合理利用农业资源，同时改善农村生活环境与增加农民收入[15,19-20]。调整种植和产业结构，甜高粱产业就可为农村增加2 256亿元的净利润[21]。能源作物的种植与利用是农民增收、改善农村环境与解决“三农”问题的关键。
1.3 促进“双碳”目标的实施
基于我国以煤为主的能源结构体系，“双碳”目标的实施不仅要大力发展风光电力，而且要通过利用生物质混合燃烧来降低燃煤消耗，政府有关部门应建立健全法律、法规，为能源作物迅速发展提供法律保障[25]。通过优化调整经济与产业结构等措施发展能源作物和生物质资源的低碳利用技术，提高我国减碳、负碳能力，促进我国实现“碳中和”目标[26]。生物质能源的开发与利用是实现碳中和的一条重要途径[27]，燃煤耦合生物质发电被普遍认为是一种最为经济有效、易实施的火力发电厂碳减排方式[28]，是当前“双碳”环境下实现零碳排放[29]，提高可再生能源使用比例的有效途径之一[30]。能源作物燃烧技术的发展既能缓解温室效应，又能在充分利用生物质资源的同时改善农民的生活条件[31]。高比例的生物质掺混不仅可以充分利用火电的调整性，而且可以达到二氧化碳减排的目的，对2060年的碳中和目标起到了至关重要的作用[32]。郭宗涛等[33]改造生物质燃料耦合燃烧和40 t/h工业蒸汽锅炉，全年供汽量约为24万吨，通过耦合生物质燃烧可减排约3 800吨CO2。贾相如等[34]将能源作物等生物质资源与煤矸石混合使用，稳定火焰并改善其燃烧特性，可以有效地减少燃煤中的NO、SO2等污染物，既能提高生物质的利用率，同时还可以节省矿产资源。
2 能源作物的种类及特点
2.1 能源作物的种类
能源作物都能够被高效转换为能源替代物[35]，是可用于生产燃料或提供燃油的耕种植物的统称。能源作物主要有四大类：①主要用于燃料乙醇生产的淀粉和糖料作物，如禾谷类作物（玉米、小麦、大麦等），薯类作物（甘薯、木薯、马铃薯等），糖料作物（甜菜、甘蔗等）；②油脂类作物，主要用于制造生物柴油，主要有油菜、蓖麻、油棕榈、麻疯树、花生等；③木质纤维素类作物，富含纤维素、半纤维素以及木质素，主要用于转化热能、电能、乙醇等，主要有甜高粱、芒草、柳枝稷、芦竹等；④能够进行厌氧发酵生产沼气的藻类，如金藻、马尾藻、角网藻等。
2.2 能源作物的特点
2.2.1 适应性强，固碳环境要求低
能源作物的根系较为发达，能抗旱，耐寒，适应性极强[36]，且不占用耕地，可有效利用农业废弃地、边际土地等，非常符合“不与人争粮、不与粮争地、不破坏生态环境”发展原则。边际土地包括林地（疏林地、灌木林）、天然草地（高覆盖度草地、中覆盖度草地、低覆盖度草地）、未利用地（沙地、戈壁、盐碱地、裸土地、沼泽、裸岩土地、滩地、滩涂）。我国拥有丰富的边际土地，其中适宜能源作物种植的面积高达547.87万公顷[37]。能源作物对生物和非生物的适应性使其能够充分适应边际土地的严酷环境，而不会与谷物争夺肥沃的土壤[38]。2015年，中国适宜甜高梁和木薯种植的边际土地面积分别为3 463.67万公顷和1 232.82万公顷[39]。王小兰等[40]对四川省边际土地进行研究，约有46.14万公顷和64.12万公顷的边际土地适宜和较适宜种植油桐。ZHUANG等[41]经过计算发现如果利用中国10%的边际土地种植能源作物，可获得1 339万吨的生物燃料。张鑫彤等[42]估算了内蒙古适宜种植油莎豆的边际土地，约有1 250万公顷，如果在这些边际土地上种植油莎豆，则可获得生物质能量1.87 × 1012 MJ，可替代4.47 × 107 t燃料油。
2.2.2 高产且固碳量大
能源作物的主要特点是产量高，远远高于普通粮食作物[43]。如图4所示，荻和杂交狼尾草的年干物质产量分别达32.10 t/hm2和40.10 t/hm2[43-44]。象草的年干物质产量甚至能达到54.00 t/hm2[45]。其次，能源作物能量转化率高，根据CO2气体交换中的高光能利用率，芒草比C3型植物固定更多的碳[46]。柳枝稷具有巨大的根系[47]，不仅能降低水土流失[48]，还能通过代谢产生分泌物、凋落物等，提高其土壤的碳含量[49]。美国休耕保护项目（conservation reserve program, CPR）在土地上种植多年生禾草，发现每年的固碳量都在逐渐增加[50]。LEMUS等[51]研究发现柳枝稷的年固碳速率约为3 t/hm2，并且随着种植年限的增加，其固碳能力也随之增加。因此，柳枝稷不仅可以直接降低矿物燃料的消耗量，还可以通过提高土壤中的碳含量来达到减排的目的[52]。京郊挖沙废弃地上种植的柳枝稷、芦竹在一个生长季中固定的大气CO2的量分别达到6 108.75 kg/hm2和18 544.95 kg/hm2[53]，进一步表明规模化种植能源作物有利于减少温室气体的排放。
表1 不同能源作物的二氧化碳年固定量以及氧气释放量Table 1 Annual carbon dioxide fixation and oxygen release amounts of different energy crops |
| 植物种类 | 二氧化碳固定量/万吨 | 氧气释放量/万吨 |
|---|---|---|
| 柳枝稷 | 9 585.53 | 7 100.40 |
| 荻 | 17 094.20 | 12 662.37 |
| 芒草 | 15 975.89 | 11 833.99 |
| 杂交狼尾草 | 21 354.44 | 15 818.10 |
| 芦竹 | 15 336.85 | 11 360.63 |
| 象草 | 28 756.60 | 21 301.19 |
2.2.3 高热值，清洁且环保，固碳效率高
能源作物富含碳氢化合物，灰分含量低，热值高，易引燃且燃烧完全，适用于作燃料。芦竹的去灰热值为19.01 kg/g，略高于褐煤，而每吨芦竹干料燃烧生成的CO2仅为8 kg（植物燃烧排放的CO2和生长吸收的CO2相当，可相互抵消），污染排放很低[56]。易显风等[57]对能源作物进行比较实验，发现将能源作物作为固体燃料，其燃烧热值与褐煤、槐树、杨树相当，能够缓解传统燃料的供应压力，并且能够减轻温室效应、降低环境污染。甜高粱可在固碳释氧方面起到巨大作用。在常规田间条件下，种植1 hm2甜高粱，一年可固定二氧化碳49.5 t、释放氧气36 t[58]。每公顷的甜高粱每天合成的碳水化合物可产乙醇48 L[59]，通过固态发酵技术将甜高粱茎秆转变成乙醇，糖和乙醇的利用率分别为96.69%和91.80%，可以减少二氧化碳的产生和化石燃料的消耗[60]。巨芒草相较于传统燃料，在其燃烧过程中，可降低90%的CO2排放量[61]；每吨芒草干物质发电，可减少0.5吨的CO2排放[62]。
3 国内外研究现状
当今能源需求日益增长，尤其是对石油、煤炭和天然气的需求。煤炭、石油等化石能源的大规模开发和利用，导致了二氧化碳排放的逐年递增（图5）和化石能源的快速消耗，经预测，2050年全世界能源消耗量会比2020年增长50%左右[63]。从目前的形势来看，从化石燃料的使用转变到可再生能源的使用已经成为全球能源危机的关键解决办法之一[64]。根据QIN等[65]的农业剩余物和能源作物资源潜力研究，我国每年可产生200 Mt的生物质燃料乙醇，其中，30%来自农业剩余物，70%来自能源作物。同时定性分析温室气体排放影响，能源作物减排效果相较于传统化石能源更为显著。生物质是首选的替代能源，其具有的碳中和能力以及丰富的世界储备，在可再生能源中具有巨大的优势。在生物质能源中，能源作物的培育与转化日益受到重视，尤其是多年生能源草的培育与转化[66]。
1980年以来，美国与欧洲就开始了对能源作物的系统研究[67]。1997年，荷兰的“全球大气污染和气候变化国家研究计划”和欧洲芒草网络工程项目计划资助了巨芒草的燃烧产能研究[68]。通过多种评价和筛选，发现最理想的能源草种类有五种，均为多年生能源草，分别为具有C3光合路径的巨苇和金丝雀草，以及表现出C4光合作用路径的芒草、柳枝稷、狼尾草[69]。C4植物光合作用能力约为每天350 kg/hm2，远远大于每天200 kg/hm2的C3植物[70]。芦竹是一种产量接近C4植物的C3植物，其干物质产量能达到40 t/hm2[71]。芒草具有较高的碳缓解能力[72]，能够抵消化石燃料对地球空气的影响。在生长的过程中，芒草从空气中吸收二氧化碳，燃烧的时候释放出二氧化碳，吸收的二氧化碳基本能够抵消释放的二氧化碳，对大气中二氧化碳的净效应为零。部分能源作物中硫、氮含量低，用于制氢极具环保效益[73]。相较于化石燃料制氢法、电解水制氢法、甲醇转化制氢法，生物质制氢法能够降解生物质，减少温室气体的排放[74]。美国的Hynol Process项目通过高温高压将生物质和氢气转化为合成气，然后制得甲醇，整个甲醇合成过程中CO的转化率可达90%[75]。
我国关于能源作物的研究热度逐渐增加，但相较于欧美等国家，还存在着很大的差距。我国的生物质能源利用工程规模较小[76]，能源作物资源利用研究处于分散、无序的初级阶段。目前的研究重点是开发能源植物种质资源和改良转化工艺，并取得了一定的成果。甜高粱可在固碳释氧方面起到巨大作用。能源网平衡（net energy balance, NEB）系统是生物质能平台评估的一个关键指标，只有高NEB的作物才能实现生态与环境的可持续发展。在多种能源作物中，柳枝稷的NEB潜力非常高[70]。此外，柳枝稷是一种具有较高生物量的C4作物，其对碳源的吸收率较传统作物高20 ~ 30倍[77]，是一种理想的生物质能转换作物。相较于柳枝稷，芒属植物是一种更适合在我国发展的能源作物[56]，种植1 hm2的芒草（年产量为35 t/hm2），每年产生的热量为6.20 × 105 MJ，相当于16 ~ 29 t标准煤，并减少了CO2的排放量[61]。利用高温热裂解工艺制备的芒草生物质碳在固碳和减少温室气体排放方面具有很大的应用前景[78]。欧阳旭等[79]研究证实了芒草根系具有碳储存功能。芒草生长过程中吸收二氧化碳，燃烧时会释放吸收的二氧化碳，具有二氧化碳零排放作用[80]。传统燃煤发电每产生10亿焦耳的能量，需要排放96.6 kg的二氧化碳，而采用芒荻替代燃煤发电，二氧化碳排放量可降低90%左右，1 t芒干燃料发电可减排0.5 t二氧化碳[81]。生物质制航油相较于传统航空煤油，在全生命周期中可减排50%以上的（最高为90%）温室气体[82]，有利于航空运输业绿色、减排、可持续发展目标的实现[83]。
4 拓展能源作物利用的需求分析
4.1 筛选与培育优质品种以适应“双碳”目标实施过程中的固碳需求
4.2 充分利用边际土地种植满足生态系统平衡的需求
我国发展能源作物应遵循“不争地、不争粮、不争油、不争糖、充分利用边际土地”的基本方针[93]。在尽可能减少能源作物对耕地的占用和生态系统的破坏同时，实现能源作物在边际土地上的高产，就必须培育出耐盐、耐冷、耐干旱、耐贫瘠的优良品种。要以合理利用陈化粮为基础，多元化发展木薯、甘蔗、甘薯等能源作物。在进行大规模的能源作物栽培前必须进行生态环境评价，在保证草种多样性的同时，也要保证本地的生物数量，并尽可能避免单一的能源作物大面积种植对当地生态系统造成破坏。
4.3 开发收储运系统降低原料预处理成本
依据区域气候特点，将能源作物的类型与品种按照不同的收获周期进行组合种植利用，通过采用多种能源作物组合种植的模式以满足全年原料的稳定供应。未来能源作物的发展方向是：充分利用边际土地资源种植能源作物，采用机械化智能化设备与模式来优化能源作物的收储运过程，降低能源作物收储运成本。可以在边际土地上进行规模化种植，在原地进行粗加工，然后集中进行精加工，则可以有效的解决运输问题，同时还降低了总生产成本。
5 总结与展望
能源作物生长速度快、生物量大、富含纤维素、抗逆性强、适应性广，具有高效率的固碳能力，适合种植在边际土地，在生物质资源中占据着日益重要的地位，是极具开发潜力的生物质能源之一。
能源作物将会在改善土壤结构、高效利用边际土地、保障国家能源安全、助力乡村振兴、固碳减排等方面发挥越来越重要的作用。国内外针对能源作物已进行了较多的研究，无论从理论上还是方法上，都已取得了丰富的成果。但是，关于能源作物促进土壤有机碳固定，进而影响碳循环的机制研究，在我国尚缺乏系统深入的研究。由于全球变暖、能源危机的不断加剧，我国能源作物关于固碳减排方面的研究也在不断深入。
在不与粮争地的前提下，国家应加大能源作物育种、能量品质调控、智能化收储运、清洁高效转化等方面的科研投入，产业发展与财政支持相结合等原则，合理消纳能源作物。要加大对生物质能零碳理念的普及力度，建立试点碳税征收机制，构建生物质能碳减排方法学，完善生物质能转化技术体系，建立生物质能标准体系，加大对绿色金融的支持力度，在碳市场优先交易能源作物等生物质能减排量，打破能源作物消纳壁垒，促进以能源作物为代表的生物质能产业可持续发展。随着有关能源作物方面的技术革新，能源作物必将在可再生能源占据一席之地，促进我国“双碳”目标的实现。
