全 文 ：生命科学
Chinese Bulletin of Life Sciences
第22卷 第12期
2010年12月
Vol. 22, No. 12
Dec., 2010
文章编号 ：1004-0374(2010)12-1271-06
收稿日期：2010-07-05；修回日期：2010-09-12
基金项目：中国科学院知识创新工程重要方向项目
(082A341C04); 国家自然科学基金项目(31000061)
*通讯作者：E-mail: qzhang@wbgcas.cn; Tel: 027-
87510881
能源植物规模化种植理论与技术研究进展
王伟波, 张全发*
（中国科学院武汉植物园，武汉 430074）
摘　要：该文对与能源植物规模化种植相关的概念进行了讨论和综述，提出了能源植物规模化种植的生态学
原则、经济学原则和美学原则，综述了能源植物规模化种植技术体系并比较了三种不同技术体系的优缺点。
关键词：能源植物；规模化种植；概念；原则；技术体系
中图分类号：Q949.9　　文献标识码：A
Research progress in the theory and technology of large-scale
cultivation of energy plants
WANG Wei-bo, ZHANG Quan-fa*
(Wuhan Botanical Garden, Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430074, China)
Abstract: Concepts relative to the large-scale cultivation of energy plants are discussed and overviewed.
Principles of ecology, economics and esthetics are proposed to guide the lage-scale cultivation of energy
plants. Three different types of technical systems for lage-scale cultivation of energy plants are overviewed,
and their advantages and disadvantages are showed in this paper.
Key words: energy plants; large-scale cultivation; concepts; principles; technical systems
能源是人类赖以生存的物质基础，是社会经济
的基本支撑。日益增长的能源需求与化石能源资源
的有限性及其开发利用过程对环境生态造成的巨大
压力之间的矛盾，已严重制约着社会经济的可持续
发展。在这种形式下，开发清洁的可再生能源已成
为能源领域的一项紧急任务[1]。
植物能源是一种重要的可再生能源，它属于可
再生能源中生物质能的范畴。能够产生植物能源的
植物被称为能源植物。能源植物通过光合作用固定
二氧化碳和水，将太阳能以化学能形式储存在植物
中。除直接燃烧产生热能外，还可转化成固态、液
态和气体燃料[ 2]。广义上讲所有的植物均可称为能
源植物，不过从目前的技术和开发成本考虑，并不
是所有植物都适用于能源开发，所以通常意义上的
能源植物指那些能量富集型的植物[2,3]。
目前，植物能源的开发已进入蓬勃发展的时
期，全世界不同国家和地区已经或正在准备大面积
开发种植能源植物[4-5]。种植的能源植物种类亦繁
多，广泛分布于植物界的大量科、属中，既有藻
类等低等植物，也有木本和草本高等植物[6]。本文
就目前能源植物规模化种植相关概念、种植原则、
种植技术体系进行了探讨和综合评述，为能源植物
产业进一步发展提供参考依据。
1　能源植物规模化种植相关概念
关于能源植物的报道很多，其概念的使用也纷
繁多样，本部分就文献报道中出现频率较高的的术
语或概念进行讨论与阐述。
1272 生命科学 第22卷
1.1　能源植物和能源作物
能源植物(energy plants)是指那些一年生和多年
生植物，其栽培目的是生产固体液体或气体能源材
料[7]。能源作物(energy crops)是指经专门种植，用
以提供能源原料的草本和木本植物[8 ]。通常情况
下，能源植物和能源作物可以相互通用，如参考我
国发展改革委员会2007年发布的《可再生能源中长
期发展规划》。然而，两者之间还是存在一些细微
的差异。能源植物偏重于从生物学的角度来研究这
类生物，而能源作物偏重于农学方面的研究，如
2007年我国农业部发布的《农业生物质能产业发展
规划》中，只提到了能源作物，未提及能源植物。
所有的能源作物都属于能源植物，但是只有那些以
目前的技术水平评估，可用来进行农业推广生产
的，或已属于农作物范围的能源植物才经常被称为
能源作物。
1.2　边际土地
边际土地(marginal lands)是西方土地经济学研究
分析土地利用水平时常用的概念。指在一定的生产
条件下，生产收益正好补偿所需费用的土地。边际
土地的确定依赖于物理、环境、社会、经济因素
相互作用[9]。也就是说，边际土地的确定除土壤肥
力和位置之外，与利用方式和农产品价格等有关[10]。
退化土地(degraded lands)是指由于人为因素或自然因
素或者人为自然综合因素的干扰和破坏，原有的内
部结构、理化性状发生改变的土地。退化的土地经
受内在的质量的损失或其容量的衰减，最好的表示
不是单要素的，而是多种力共同作用的产物，其中
人和自然力都有各自的位置或作用。影响土地退化
的因素包括生物的、物理的、化学的、社会经济
的、技术的和文化的等方面，而不合理的人为活
动，如毁林、过度放牧、地下水过度开采、工矿
企业的污染和破坏等所引起的土壤退化问题无论在
范围还是程度上均比自然因子引起的退化要严重得
多[11]。弃耕地(abandoned agricultural lands)，又被
称为撂荒地，是指原来进行农业经营的土地不再进
行农业耕种而撂荒的土地。弃耕的主要原因是土壤
贫瘠、生态条件恶化、产出量小或是人力条件的限
制无力再继续经营下去，其中由于地力下降而导致
的撂荒是主要的[12]。废弃地(wasteland)被定义为在
各种类型土地的利用过程中，随着人类活动的停止
而使得已经使用或开发的土地目前处于闲置遗弃或
未完全使用的特殊状态，且该类土地需要经过一定
的治理才能投入将来的再次使用[13]。我国废弃地的
概念起源于对矿业废弃地的界定，指为采矿活动所
破坏的，非经治理而无法使用的土地[14]。国外通常
用“Brownfield”、“Brownland”等词来表示废
弃地，我国将其直译为“棕地”[ 1 3 ]。
其它一些概念如非粮能源植物[15]、宜能荒地[16]
在文献中也有报道。
上述不同土地类型是不同领域的研究者从不同
角度来定义的，各类型之间界限并不明显，对某一
具体土地，其可能同时属于几种土地类型。为促进
生物能源的长期研究和进步，本文作者倾向于支持
“宜能荒地”这种提法。
2　能源植物规模化种植的原则
2.1　生态学原则
能源植物规模化种植本质上是一个生产生物质
的生态过程，因此其必须遵循生态学原则。
2.1.1　初级生产力原则
初级生产力又称“原始生产力”或初级生产
量，指地表单位面积单位时间内绿色植物吸收太阳
能进行光合作用，制造有机物质的数量、大小的能
力。能源植物规模化种植本质上是一个生产生物质
的过程，而植物能源的开发是一个掠取生物质的过
程，在陆地生态系统中，光、二氧化碳、水和营
养物质是初级生产量的基本资源，温度是影响光合
效率的主要因素，食草动物的捕食会减少光合作用
生物量[17]。评估任一地区是否适合开发植物能源首
先要评估其初级生产力，陆地上初级生产力有随纬
度增加而逐渐降低的趋势。在陆地生态系统类型中，
以热带雨林生产力为最高，平均为2 200 g/(m2·a)。热
带常绿林、落叶林、北方针叶林、稀树草原、温
带草原、寒漠依次减少[17]。初级生产力从热带至亚
热带，经温带到寒带逐渐降低。一般认为，太阳
辐射、温度和降水是导致初级生产力随纬度增大而
降低的原因[17]。因而能源植物开发区域即能源植物
规模化种植区域应坚持低纬度优先的原则。
2.1.2　物质循环的原则
生态系统之间矿物元素的输入和输出以及它们
在大气圈、水圈、岩石圈之间以及生物间的流动和
交换称为生物地化循环，即物质循环[18]。物质循环
是以物质守恒定律为基础的。根据物质守恒定律，
物质不会凭空产生，也不会凭空消失，只会从一种
形态转化为另一种形态。虽然生态系统物质的自然
1273第12期 王伟波，等：能源植物规模化种植理论与技术研究进展
输入如降水过程、生物固氮、植物对母岩的降解可
以补充部分营养物质，但大多数情况下能源植物生
物质的收获或转移意味着生态系统物质的减少，因
此为保持生物质的持续生产，必须补充与收获或转
移的生物质等量的物质。只有这样，正常的物质循
环才能维持。在保证种植地区实现正常物质循环的
基础上，才可以通过选取不同的物种，采取不同的
管理措施，增加目标生物质组分在生产量中的配
额，从而实现能源植物高产的目标。
2.1.3　能源植物多样性共存的原则
能源植物资源十分丰富，广泛分布于植物界的
大量科属中，既有藻类等低等植物，也有高等植
物；既有陆生植物，也有水生植物；既有草本植
物，也有木本植物[6 ]。本着“百家争鸣，百花齐
放”的主导思想，能源植物产业开发及规模化种植
应坚持多样性共存的原则。传统的能源植物指那些
长期以来用于农业生产的农作物，新能源植物则是
根据“不与人争粮，不与粮争地”的指导思想，最
近研究开发的一些非粮能源植物[19]，从这个定义上来
看，低等植物藻类也应属于新能源植物(表1)[20]。
生境的多样性和能源植物利用方式的多样性决定了
能源植物资源开发的多样性。可供开发的能源植物
种类繁多，根据其生物学和生态学特性，各自具有
其优缺点，最理想种类是不存在的，通过比较单位
面积单位时间产量决定物种的取舍是没有实质意义
的。不同生境环境因素不同，原材料自然可获得性
也不同，因而要最大限度的实现其最大初级生产
力，必须选取对该生境最适合的物种。植物能源的
利用方式不同，主要有乙醇生产、生物柴油生产和
直接燃烧三种方式。因此如需要生产乙醇，则种植
淀粉含量高的植物；如需生产生物柴油，则种植油
脂含量高的植物。
2.1.4　与生态修复相结合的原则
在退化土地上种植能源植物，首先是一个为退
化生态系统提供繁殖体的过程，这个过程的进行是
以物理环境的改造为基础的[21]，脱离了物理环境的
改造，提供的繁殖体不可能在退化土地上成功拓
殖，更谈不上依靠繁殖体生产大量生物质。因此在
退化土地上进行能源植物种植必须分成两步走，首
先保证能源植物的存活，然后才能进行生物质的生
产。在退化土地上进行植物能源生产，最好选择多
年生植物，延缓生物质采收时间，从而为生态修复
的进行争取足够的时间。
2.1.5　生态安全的原则
能源植物规模化种植对生态安全的影响主要指
对水环境、土壤、生物多样性的影响，如能源植
物种植可能会引发水资源短缺和水质恶化[22]、生物
多样性降低[23]和外来物种入侵[24]等。该影响程度取
决于种植土地前期的利用情况。在人类活动影响较
大的土地上(如撂荒地)上种植能源植物，其对生态
安全的影响较小，而在人类活动影响较小的土地上
(如原始森林)种植能源植物，其对生态安全的影响
较大。为了最大限度的降低能源植物规模化种植对
生态安全的影响，优先选择生态服务功能价值相对
较低的区域种植能源植物，另一方面可考虑能源植
物与农作物间作或不同能源植物间作等种植模式。
2.2　经济学原则
在生物能源产业链中，生物质加工生产工艺相
表1 世界上开发的主要能源植物
高等植物/陆生植物[19] 低等植物/水生植物[20]
传统能源植物 玉米(Zea mays ); 甜高粱(Sorghum bicolor);
木薯(Manihot esculenta); 糖用甜菜(Beta
vulgaris); 大豆(Glycine max); 油菜
(Brassica Napus); 蓖麻(Ricinus communis)
新能源植物 小桐子(Jatropha curcas); 桉树(Eucalyptus spp); 布朗葡萄藻(Botryococcus braunii); 小球藻(Chlorella sp);
象草(Pennisetum purpureum); 柳枝稷(Qanicum 隐甲藻(Crypthecodinium cohnii); 细柱藻(Cylindrotheca sp.);
virgatum); 木棉(Bombax ceiba); 棕榈(Trachycarpus 盐生杜氏藻(Dunaliella primolecta); 金藻(Isochrysis sp.);
fortunei); 海桐(Pittoaporum tobira); 苏木(Copaifera); 单肠盐藻(Monallanthus salina); 微绿球藻(Nannochloris sp.);
黄连木(Pistacia chinensi); 油桐(Vernicia montana) 微拟球藻(Nannochloropsis sp. ); 新绿藻(Neochloris
oleoabundans); 菱形藻(Nitzschia sp. ); 三角褐指藻
(Phaeodactylum tricornutum); 裂壶藻(Schizochytrium sp.)
干扁藻(Tetraselmis sueica)
1274 生命科学 第22卷
对固定，受外界环境因素如光和温度影响较小，一
旦加工工厂建立，工艺流程确定，其单位产出碳排
放、能量消耗及投资成本均相对固定，因此整个产
业链的碳排放、能量消耗及投资成本的波动均发生
在生物质生产阶段(包括收获)，即能源植物规模化
种植(或藻类培养)阶段。
2.2.1　碳负性
生物能源的生产和消费理论上几乎是一个封闭
的CO2 循环系统，即生物能源燃烧所释放的CO2 等
于其净光合作用所固定的 CO2，因此通常情况下认
为生物能源是碳中性的。然而在生物能源的生产过
程中生物质原料的生产和收获、生物质加工处理、
生物质原料和生物能源的运输等均需要外源化石燃
料的输入，从而引起多余 CO 2 的排放。另外，生
物能源开发过程中土地利用方式的转变可能会引起
凋落物和土壤碳库储量的改变，从而改变大气中
CO2 的含量[25]。另一方面，在生物能源规模化种
植过程中，只有部分生物质被转化为生物能源，其
它剩余部分则进入植被、凋落物和土壤碳库。实际
评估过程(基于CO2 的生命周期分析)中，不同的系
统边界(时间、空间、生产线)、分析清单、功能
单元，其评估结果差异很大，再加上不同原材料种
类、管理措施、转化技术、终端利用技术等原因，
对生物能源是碳负性、碳中性或碳正性的确定始终
没能达到统一 [26]。比较一致的观点是生物能源相对
于化石能源可以减少CO2 的排放。Mathews[27]提出
生物能源的碳负性无可争议，其碳负性非技术决定
而由策略决定，即生物能源生产者完全可以通过决
定能源植物种植过程中多大比例的生物质返还土壤
实现其碳负性的目标，他甚至建议将生物能源的碳
负性作为市场准入的标准。
2.2.2　货币经济
与化石能源相比，生物能源的高成本仍是限制
其推广应用的主要障碍。在其高昂的成本中生物质
的生产占有相当大的比例(约40%-70%)。降低生物
质生产成本可有效降低生物能源开发成本。在能源
植物规模化种植过程中，主要采取两种途径：一是
加强管理，开发采用丰产栽培技术，提高产量，降
低投入，从而达到降低成本的目的；另外一条途径
就是扩大种植规模，根据规模经济理论，在一特定
时期内，产品绝对量增加时，其单位成本下降。
2.2.3　能量经济
由于农业机械、化肥和杀虫剂的使用，能源植
物生物质生产阶段所消耗的能量占整个产量链能量消
耗的绝大部分，草本的油料和淀粉类作物比木本能
源植物在生物质生产阶段其能量投资比例要大[25]。
净能量值(net energy value)和能值比(fuel energy ratio)
是评价生物能源能量生产效率的两项重要指标。净
能量值是生物能源燃烧释放的能量与其生产过程中
所消耗的能量之差，而能值比则是生物能源燃烧释
放的能量与其生产过程中所消耗的能量之比。在能
源植物规模化种植过程中，选取高能量转换率的植
物种类和提高光能利用率(延长光合时间、增加光
合面积、加强光合效率)是提高净能量值和能值比
的重要措施。
2.3　美学原则
美学原则是指能源林生态系统、能源田生产系
统及藻类培养系统的构建应给人以美的享受。在构
建过程中应考虑与周围景观的协调性。美学原则主
要包括景观美学原则、健康原则和精神文化愉悦原
则[28]。
3　能源植物规模化种植技术体系
生物能源生物质生产方式主要有3种，根据其
种植(或培养)模式，可分为木本、草本和藻类。木
本植物规模化种植形成“能源林”；草本植物规模
化种植形成“能源田”；能源微藻规模化培养形成
“微藻产油工厂”。不同国家和地区根据其自然条
件(地形地貌、气候条件、土壤条件)、经济发展
水平、技术发展水平选择适合本国或本地区发展的
生物能源生物质生产方式。
3.1　木本植物
木本能源植物规模化种植技术体系主要包括种
植基地规划设计、林地整理、种植、林地生态系
统管理、果实采收、林地更新六个部分[29]。基地
规划设计方案中应包括自然条件、社会经济条件、
栽培技术、基地投资、基地管理等主要内容；林
地的整理基本的要求是防止水土流失，其整地方法
可分为全耕整地、块状整地和带状整地；种植包括
种植密度、种植时间、种植方法及林地经营模式，
如油桐经营模式有油桐林立体经营模式、纯林经
营、桐农间作、零星种植等；林地生态系统管理
主要包括土壤耕作、除草、整形、灌溉等；林地
更新的主要方法有截枝更新、截干更新和矮桩更新。
木本能源植物生物质生产方式的优点是单位面
积投资最少；不受地形限制，可在丘陵高山地区种
1275第12期 王伟波，等：能源植物规模化种植理论与技术研究进展
植；对基质营养要求不高，可在相对贫瘠的土地上
种植；生态系统服务功能相对较高, 如森林在气候
调节、水土保持、土壤形成、水分调节、动物栖
息地提供等方面相对于农田均有一定优势。该生产
方式的主要缺点是单位面积产量低；生产周期较
长，如油桐2~3年进入盛果期，维持10~20 年进入
衰老期(表2)。
3.2　草本植物
草本能源植物规模化种植技术体系主要包括播
前准备、科学施肥、播种、田间管理和收获五个
阶段。播前准备指品种选择、茬口选择、耕作整
地、土壤施药、种子准备等；科学施肥指施肥量
和施肥方法的确定；精细播种指适期早播、合理密
植、播种方法的确定；田间管理包括间苗定植、
中耕除草、防治病虫害、适期灌水、施肥等；收
获指适期收获和及时脱粒等。
草本能源植物生物质生产方式的优缺点大体上
介于木本植物和藻类之间。
3.3　藻类
能源微藻培养方式主要有开放式培养池和封闭
式光合反应器两种，目前进行商业化规模生产的方
式是开放式培养池。生物能源生物质的生产大多倾
向于开放式培养池生产系统。开放式培养池生产系
统技术体系包括基地建设、培养基的配制、接种、
管理维护、收获和干燥六个阶段[30]。基地建设包括
平整土地、培养池的修建、培养池的防渗处理、混
合曝气系统的安装、数据采集系统的安装等；培养
基的配制指按一定比例往培养池中加入水和营养
盐；接种指向混合均匀的培养基中加入藻种；管
理维护主要包括光温调控、CO2 气体供给、污染防
治等；微藻收集方法主要有离心、过滤、自然沉
降、化学试剂悬浮等；收集后的微藻干燥方法主要
分为自然干燥和人工干燥，人工干燥方法主要有喷
雾干燥、滚筒干燥、冷冻干燥等。
微藻生物质生产系统优点是生产周期短，产量
大，约是木本植物生物质生产能力的上百倍；培养
基质不是土壤，而是人工配制的营养液，因此该生
产系统对土壤肥力没有要求，可以利用一些低初级
生产力的荒地；该生产方式有工业生产的特点，其
人为可控制性较强。缺点是单位面积投入大；除了
固碳外，几乎不提供其它生态系统服务功能；技术
含量高，需要专业技术人员操作管理；为了满足光
热条件的要求，延长生产时间，微藻生物质生产系
统应建在中低纬度地区(表2)。
4 　研究展望
能源植物规模化种植是能源植物产业发展的基
础，其发展可借鉴农学和林学现有的技术体系，未
来主要研究方向主要集中在关键能源植物规模化种
植技术体系；建立关键能源植物规模化种植的综合
评价标准体系，包括经济性状、能源性状及生态效
益评价标准体系；建立我国宜能荒地资源时空数据
库及演变模型和宜能荒地资源质量评价模型；对关
键能源植物规划化种植生命周期进行分析。
[参　考　文　献]
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表2 三种能源植物生物质生产方式属性比较
种植密度 单位面积 单位面积 人为可 生态 适宜 培养基 受环境因
植物种类 (株/hm2或 产量(吨/ 投资成本 控制 系统 种植 质营养 素变化影 生产周期
个/hm2) hm2/年) (万元) 程度 服务 地形 要求 响程度
木本植物(油桐) 低(450~900) 低(0.3) 低(0.6~1.2) 低 高 丘 陵 、 低 低 长(×10年)
高山
草本植物(油菜) 中(9~12×104) 中(1.2) 中(4~8) 中 中 平地 中 中 中(×月)
藻类(葡萄藻) 高(×1011) 高(60) 高(40~60) 高 低 平原或 高 高 短(×天)
沙地
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