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发展海洋种植业拓展生物质能源新渠道

　　1. 引言
　　要想用生物质能源替代传统化石能源，必须获得足够的生物质资源， 农业种植是最根本的途径。不同国家和地区根据自身资源状况，采用不同的生物质资源获取战略。 巴西地处热带多雨区，种植甘蔗获取生物资源；美国耕地面积大，种植技术发达，种植玉米获取生物资源；北欧森林覆盖率高，管理良好，以木材作为主要生物资源。在中国，目前有关能源植物的报道，草本的有：甜高粱、油菜、蓖麻等；木本的有：麻疯树、黄连木等。但是，受实际土地资源及生态稳定状况制约，由森林或耕地进行大面积的能源植物种植，大规模、稳定地提供生物质能源几乎是不可能的。“合理利用劣质土地种植绿色植物，获取生物质资源，做到不与粮争地，不与林争山，确保生物质资源开发与粮食安全和生态安全相协调”， 这是国家发改委2006年8月召 开的全国生物质能开发利用工作会议确定的核心战略原则。在我国大致有三类劣质土地：沙地、内陆盐碱地、海洋空间，其中海洋空间又包括海滨滩涂和海洋水面。综合分析，未来发展海洋种植业解决生物质资源来源是可行的。因为受水资源的制约，内陆沙地和内陆盐碱地的利用是渺茫的。而海洋空间不论是海滨滩涂或是海水平面，都有充足的水资源，只不过盐度过高，一般作物难以生长。
　　根据生态工程学原理，充分利用生物适应性原理， 发展耐盐植物就可以直接利用海洋空间获取生物资源。20世纪90年代，美国国家研究委员会国际事务办国际科技开发部曾组织多国专家小组正式提出盐土农业发展计划，就是根据这一原理。盐土农业以获取食物为目标，目前的研究证明并不太理想，因为盐土作物含盐量和毒素，很难直接用于食品。但是，作为生物质资源开发就不存在这一问题。因此，我们提出发展海洋种植业提供生物质能源和材料。在短期内利用海涂资源发展高产盐生植物，应当是生物质资源获取的非常可行途径。在更远的未来，建设海平面漂浮平台，开拓海洋水面空间，发展高产盐土植物应当是最有潜力的生物质资源获取途径。该途径非常符合国家关于生物质资源开发，不与粮争地，不与林争山的战略原则，确保了生物质资源开发与粮食安全和生态安全相协调。本文拟通过互花米草利用及其产业链构建论述该途径的可行性。
　　2. 材料和方法
　　互花米草
　　互花米草属禾本科、虎尾草族、米草属的多年生海岸盐沼植物。互花米草原产美国东海岸， 于20世纪80年代初引入中国，最初在江苏射阳和浙江温岭等沿海地区试种，是为防止海岸受侵蚀和加速陆地形成而引种的，促进了其在沿海地区的大面积引种。目前，北起辽宁盘山、南至广东电白的淤泥质海岸，都有互花米草间断分布，面积约80～100万亩(1亩=1/15hm2）。互花米草耐盐、耐淹，是仅有的少数能够直接生活在海水环境下的植物之一。本课题组的研究表明：互花米草不仅在海岸带和河口等广阔的潮间带淤泥质滩涂具有高度的适应性，甚至可以利用全海水灌溉在潮上带高盐土壤获得高产。
　　互花米草属于C4植物，具有高效的光合作用，因此具有高效的生产力。根据课题组在苏北和上海两地的多年研究，互花米草单位面积地上部分收获产量在苏北可以达到～/m2，即1600～2000 kg/亩；上海地区可以达到3～5 kg/m2，即2000～3333 kg/亩。目前在良好田间管理的条件下，三大传统粮食作物及其单产(含秸秆产量）分别为：小麦500～600 kg/亩，水稻600～1000kg/亩，玉米800～1200kg/亩。在没有任何人为管理投入的条件下，互花米草几乎达到传统作物良好田间管理产量的2～3倍。如果辅以人工肥水管理，互花米草可以获得更高的单位产量。
　　基于此，我们提出通过现代科学技术进行互花米草生物质资源的转化，使互花米草如此高效的生产力服务和造福于人民，促进沿海居民的经济、生活水平的提升。
　　利用方法及其产业链构建
　　本文介绍一套互花米草利用方法及其产业链构建途径。其核心技术是利用现种互花米草为原料，进行沼气发酵预处理转化后，制造纸浆，并获取副产品：高纯度木质素和高效有机肥。该工艺体系涵盖了从原料收割、储存、预处理产能、纸浆制造到纸浆黑液资源化等纸浆制造的全部工艺环节。具体工艺系统见图1。
　　3. 结果
　　原料成分
　　互花米草生物质是一类成分非常复杂的有机质。根据课题组多年的研究，互花米草的化学构成指标大致为：灰分10%～13%，盐量3%～5%，纤维素30%～35%，木质素18%～20%，半纤维素35%～40%，蛋白质5%～8%，粗脂肪2%～3%。但是，互花米草热水直接提出物仅为原料的15%～20%，含40%灰分和60%有机质。
　　直接造纸和产沼气效果
　　实验室小试研究表明：互花米草直接造纸只能获取35%～40%的纤维素， 60%～65%的其他成分都进入造纸黑液。由于黑液中杂质大，黑液的碱回收或木质素的提取效益都比较差，同时互花米草生物质内在的N、P元素也溶进黑液，污染负荷非常大，处理费用高。互花米草单独用于沼气发酵，由于厌氧微生物的自身特性，仅能够利用互花米草中的热抽提有机质、半纤维素的70%～80%，纤维素的10%，木质素基本不被利用。
　　沼气发酵和造纸梯级转化
　　实验室小试表明：沼气发酵过程中，灰分的70%～80%，N、P的80%～90%基本溶解，残渣中纤维素含量提高到50%以上，木质素含量提高到30%以上，材料的结构也得到改善。用这种材料造纸，NaOH用量由原来的16%降到12%，化学试剂消耗大幅降低。同时，按原料计算得浆率仍能够达到35%～38%，与原料直接造纸得浆率相近，但是纸浆透水性、白度和撕裂指数等特性明显得到改善。此外，由于灰分、半纤维素等在沼气发酵中被消耗，造纸黑液的木质素比例和纯度显着提高，商品特性得到显现。
　　4. 讨论
　　海涂资源直接利用潜力巨大
　　我国有丰富的海岸带盐土资源，总面积约万公倾。目前海岸带盐土开发存在两个非常普遍的问题：一是只有围垦才能开发利用，这带来非常大的生态风险。另一方面，由于淡水资源短缺，已经围垦的土地不能及时开发利用，综合效益低下。以上海为例，2001～2004年上海市滩涂造地公司在南汇海滩通过三期工程总计围垦滩涂11万亩，但是由于盐度过高，目前基本处于抛荒状态。这些土地未来除部分规划为建设用地使用外，大部分将会因为自然脱盐较慢短期内不能直接农耕，继续处于抛荒状态。
　　直接进行海水灌溉种植互花米草，不仅能够利用现有80～100万亩的互花米草自然植被生物资源，同时也可以加速滩涂盐土资源的开发获取生物质资源。如果通过海水直接浇灌开发利用目前滩涂资源的50%种植互花米草，每年可以新增纸浆原料资源万吨，可以年生产纸浆1500～1600万吨。
　　此外，利用互花米草作为造纸原料进行纸浆生产，还具有原料供给稳定，成本易于控制的优势。 通过农作物秸秆和速生林的种植获取造纸原料需要与农民打交道，而中国目前的农业是联产承包，土地都在农民手中，与千千万万个农民谈判原料的价格，风险非常大，而且稳定性差。而目前海涂资源基本由国家土地管理部门管理，完全可以通过国家立项实现海涂资源的连片开发，资源量稳定，只存在生产成本，不存在原料购买的议价。
　　技术创新使该工艺途径成为可能
　　本工艺所运用的生物酸化湿式储存和转化、厌氧发酵联合化学蒸煮纸浆制造工艺、造纸黑液木质素生物酸化提取等技术，同济大学生物质能源研究中心自2004年开始进行研究目前以上研究都已经完成了实验研究，工艺技术路线完全成熟，并申报了相关专利。小规模试验的参数可能与生产过程之间存在差异，仅需进一步扩大中试生产、校正工艺生产参数即可进行规模化生产。
　　生物酸化湿式储存既不同于传统的干燥保存，也不同于青贮湿式储存。其无火灾风险，且基本不耗能；储存设施简单，容易控制，可以在海滩进行简单施工，就地储存。因此，生物酸化湿式储存既安全，又经济。
　　生物酸化转化不同于传统的固体有机物沼气转化，也不同于固体有机物两相沼气发酵。传统固体有机质沼气发酵是把生物质在一个反应器中直接生成沼气，进出料难，效率低，管理不便；固体有机物两相沼气发酵把原料管理和微生物管理分置于两个反应器欲达到产酸与产气的分离，但是目前的研究表明产酸与产气的两相分离是很难实现的。因此，这种技术只是提高发酵效率，并没有降低管理难度，相反可能增加管理成本。
　　生物酸化转化技术通过发酵环境的调控，控制微生物群系，实现开放式产酸，不仅提高效率，而且降低基础设施投入和管理费用。此外，生物酸化转化的抽出物不仅可以用于沼气发酵，同时也可以用于其他生物发酵工程，拓展了生物质转化的途径。
　　利用厌氧生物酸化转化后的生物质进行纸浆制造，我们提出了厌氧生物转化与化学蒸煮联合纸浆制造新工艺，这一工艺特点是生物处理与化学物理处理相结合，利用生物方法消耗了原料中非纤维有机质，提高造纸原料的纤维含量，改善了原料的结构，不仅可以降低生产单位纸浆的污染负荷，而且可以降低生产单位纸浆的能源和化学试剂消耗量。
　　5. 结论
　　互花米草是一种优良的耐盐植物，其生物量大，纤维质量高。互花米草的耐盐、耐淹，是仅有的少数能够直接生活在海水环境下的植物之一。不仅在海岸带和河口等广阔的潮间带淤泥质滩涂具有高度的适应性，而且可以利用全海水灌溉在潮上带高盐土壤获取高产。因此，在短期内利用海涂，在长远的未来，建设海平面漂浮平台，开拓海洋水面空间，直接种植互花米草。收获后的互花米草通过梯级转化，获取能源和纤维质生物材料，是最有潜力的生物质资源获取途径。该思想符合国家关于生物质资源开发，“不与粮争地，不与林争山”的战略原则；确保造纸原料开发与粮食安全和生态安全的相互协调。
　　知识链接
　　互花米草为多年生草本，生于潮间带。植株耐盐耐淹，抗风浪。种子可随风浪传播。根系分布深达60cm的滩土中，单株一年内可繁殖几十甚至上百株。秆高～， 直立，不分枝。目前，互花米草已经广泛分布于福建、浙江、上海、江苏、山东、天津以及辽宁等省市的沿海地区，特别是江苏沿海，互花米草的面积已经达到125km2，形成了全国面积最大的互花米草人工盐沼。互花米草适盐范围较宽。有关资料表明，盐度范围在0～35之内互花米草均能生长，在10～20的盐度下可以达到最高的生长量。