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亟待开发的甜高粱酒精燃料
北京绿能经济植物研究所 (北京昌平区创新路8号505室, 102200)
摘要：随着“汽车时代”的到来，能耗与日俱增，自1993年起，我国已成为石油净进口国， 2001年进口7000多万吨，占我国石油加工能力的36%，能源安全已面临挑战。由于汽车尾气排放大 量的污染物，使大气中 CO2的含量增加，有加剧温室效应和导致酸雨的危险，尾气排出的铅，更 遗害无穷，据对深圳11,348名在校学生的调查，近65%的学生体内的铅超过世界卫生组织认可的安 全标准！甜高粱（Sorghum bicolor (L.) Moench）具有极高的光合速率，故有“高能植物”之称。 在我国， 甜高粱的单位面积酒精产量远高于玉米、甜菜和甘蔗，更由于甜高粱具有耐旱、耐涝、 耐盐碱的特性，特别适于我国栽培，加之在甜高粱研究与新品种选育这一领域我国居世界领先地 位。甜高粱酒精燃料亟待开发！它将对我国产业结构的调整、能源安全、环境保护起举足轻重的 作用。
关键词：甜高粱；Sorghum bicolor (L.) Moench；酒精燃料；生物能源；环境保护
中国分类号：S38 文献标识码：A
文章编号：1008-0864（2003）04-0048-04 甜高粱（Sorghum bicolor (L.) Moench）也叫芦粟、甜秫秸、甜秆和糖高粱，为粒用高粱的一个 变种，他同普通高粱一样，每亩地也能结出150-500公斤的粮食，但它的精华不在于它的籽粒，而在于它 那亩产4000-5000公斤的富含糖分的茎秆，优良的甜高粱品种，在北方，其含糖量可与甘蔗相媲美。由于 它产量高，栽培容易，用途极广，加加之它茎秆中所含的糖极易转化为酒精，而酒精又是汽油的代用品， 因而用甜高粱生产酒精，受到许多国家的重视。
1. 能源安全，面临挑战 从1993年起中国成为石油净进口国。2000年我国进口石油6800万吨，占原油加工量的36%。全世界 石油探明可采储量为1434亿吨，按目前的开采速度，只能采40年。中国已探明石油可采储量为62亿吨， 其中已累计采出 34.6 亿吨，剩余的 27.4亿吨，按去年自采原油1.6亿吨计算，可供开采17年。预计， 由于汽车使用量的增加，到2010年，中国石油消耗量将增加 80%。到2050年，我国石油进口依存度将达 到50%。我国能源安全已面临挑战！ 1973年10月6日中东战争爆发，国际市场上的石油价格从每桶3美元涨到12美元，上涨了4倍。那次危 机使美国国内生产总值下降了4.7%，使西欧的增长下降了2.5%，日本则下降了7%。1979年伊朗爆发了伊 斯兰革命、和两伊战争，石油生产急剧下降，使国际石油市场价格骤升，每桶石油的价格从1978年的14 美元涨到了1981年的35美元。两次石油危机给人的启示是石油是一种非再生性的化学资源，从而加快了 对可再生能源的开发与利用。 据1984年欧洲共同体专家们的估计，三十年来消耗的能源同在这以前的整个历史时期所消耗的能源 一样多，石油和天然气的消耗速度比它们自然形成的速度要快大约 100万倍。现在已没有单项技术可以 满足能源的需要，因此自从能源危机以来，世界各国都在寻找新的能源，以尽量减少对外来燃料的依赖， 其途径之一，就是开发绿色能源。1980年美国科学基金会向总统提出的研究报告中，特定研究课题的首 项即为：光合作用--发展有效利用太阳能的作物。在1995年度联邦科学预算中，美国国会批准能源部有 关"生物环境"投入的数额竟大于核物理和聚变，达4.45亿美元，而农业部的整个"全国研究计划"仅1.03 亿美元。目前正在研究投入产出比大于10的能源植物。欧洲议会的白皮书"将来的能源：可再生能源"确 定了欧共体的策略和行动计划，即增加可再生能源的比例以改善能源供应的安全性，减少对矿物燃料的 依赖性，降低温室气体的排放。他们计划将可再生能源在能源总产中的比例由现在的6%提高到2010年的 12%。欧洲的生物量燃油已从 1992年的80,000吨增加到1998年的470,000吨。瑞典的Va"xja"市所应用的 生物量能源的比例已经达到90.89%，被称为"没有矿物燃料的城市"。
2. 环境保护，迫在眉捷 用汽油做燃料，使人们付出了沉重的代价，即使再便宜也得不偿失。目前，全世界每年由于燃烧矿 物燃料排放出来的碳达60亿吨，成为大气中二氧化碳的主要来源，导致温室效应与酸雨。空气污染已成 为某些城市的一大问题，如伊朗的首都德黑兰，70 万辆各类汽车每天排放出3,000吨一氧化碳，450吨 碳氢化合物，120吨二氧化氮，30吨氧化硫和2吨铅，有毒气体遮住了奥尔伯兹山和德黑兰市中心，该市 居民人均每天要吸进 0.5克的铅，1000万人口正面临疾病和慢性死亡的威胁，受害最重的是儿童，人体 吸进铅的主要危险是损害大脑和大脑神经系统并引起呼吸系统疾病。 在过去40万年的时间里，地球的CO2 一直保持在280ppm 的水平，工业时代开始以来这个数字跳到 360 ppm。如果今后50年能将CO2的排放量减少到目前水平的1/3 或1/5，到本世纪末，大气CO2的含量 将达到450ppm，因为CO2在大气中可以存在好几个世纪。可是如果我们需要100年才能将CO2的排放量控 制在这个水平上，CO2的含量就有可能达到或超过650ppm，到那时，局面将更难控制。CO2的含量的增加 将导致温室效应，如果到2100年地球温度上升了4 ℃，那么到2300年，大概会上升8 ℃左右，要知道， 在冰川时期，气温才下降4 ℃！如果等着瞧，就等于自杀。目前我国能源需求增长率为每年3.5%，预计 在未来20年，这个数字将增加一倍，从而使中国成为与欧洲一样的能源消耗大户。在二氧化碳的释放量 上，仅次于美国，占世界的14%。 我国环保事业任重道远，47个环境保护重点城市中，有三分之二空气质量不达标，其中18个城市空 气质量超过二级标准！中华医学会2001年10-12月对深圳11348名在校学生进行了调查，发现近65%的学 生体内的铅超过世界卫生组织认可的安全标准。在北京约20%的儿童体内的铅超标，在太原，铅的超标率 为64%，在广州，两年前作的一次调查表明，高达83%的儿童体内的铅含量超标！铅中毒会损害人的神经 系统和生殖系统， 并引起贫血和高血压，儿童的不可逆转的的脑损伤、智力迟钝、痴呆、行为问题及发 育受阻，铅中毒会导致抽慉、昏迷和死亡。
3.酒精是汽油的理想代用品 作为汽油的代用品，最有希望的燃料就是酒精。用酒精作发动机燃料有许多优点，发动机无须或稍 加改动即可燃用汽油醇，并且酒精各地均可生产；它不污染大气，通过对国产小轿车试验表明，汽车尾 气中CO、HC排放量算术平均值分别下降了30.8%和13.4%。应用酒精燃料的好处是：解决了能源、环境、 健康问题、提供就业机会、减少外汇支出和对外国石油的依赖，增加了农民的收入。因此，许多国家都 把酒精生产纳入能源计划的一部分，这就是世界酒精产量急剧增加的原因。
3.1 巴西的经验值得借鉴 1972年，巴西酒精的产量还不到7亿升，石油危机以后从1975年开始执行酒精计划，到1982年，酒 精产量已达56亿升。1983年，酒精产量达80亿升，由于执行1983-1993年的能源计划，使巴西全国各类 汽车的 35%使用纯酒精，其余使用掺入20-24%的酒精、汽油混合燃料，80年代末，巴西生产用于内销的 载重汽车有 85%是燃用酒精的，巴西成为世界上第一个完全不在汽油中添加四乙基铅的国家，26,000汽 油醇及酒精零售站分散在巴西各地，1996年，巴西因甘蔗的生产和利用，使空气中的CO2减少了1274万 吨的碳，即吸收了巴西每年因燃烧矿质燃料所排放 CO2 的 20%。美国每年有至少66亿公升的乙醇和155 亿公升的MTBE用作汽油添加剂。
3.2
对燃料电池用酒精作原料应有所准备 燃料电池是可再生能源的一种，近期开始崭露头角，一辆Necar 5燃料电池汽车，在没有任何备件的 情况下，从美国的旧金山出发，穿越13个州，直奔华盛顿，全长3262英里，其中有800英里的路程在海拔 6000英尺以上，最高为8640英尺，遇到了大雪、下雨、冰雹等各种天气，历时 12天，首次完成了从美国 西海岸到东海岸的旅行。燃料电池过去用硫酸、醋酸作介质，但近来科学家们看好酒精。用酒精作为燃料 电池原料的优点是：酒精是一种单一燃料成份，为清洁的无硫原料，CO2循环保持中立，酒精与水的比例 可以调整为最佳比例，较好操作；在反应器中所需的温度较低；氢的浓度较高；CO 的浓度较低因而体积 可以做得很小。随着燃料电池的发展，对酒精的需求量也将增加，对这一点应有所准备。
4.
发展甜高粱酒精燃料，势在必行 4.1令人赞叹的"高能作物"--甜高粱 甜高粱的生长快，产量高，在生物量能源系统中， 甜高粱是第一位的竞争者，在北京，甜高粱品种 '雷伊'，从7月20日至26日期间，平均每天长高12cm，其生长速度之快，实在令人赞叹！无愧于"高能作 物"的光荣称号。美国的试验表明，每公顷甜高粱每年的酒精产量达 6,106升，而号称太阳能最有效转化 器的甘蔗只有 4,680 升。 中国科学院植物研究所植物园的试验也表明， 甜高粱的酒精产量每公顷可达 6,000升，鲜生物量可达10667公斤/亩。南斯拉夫联邦共和国的实验也表明，在水浇地每公顷可产8,000 升酒精。 为什么甜高粱等四碳途径植物 （C4） 有如此高的光合速率呢？这是由于三碳途径植物（C3, 如大 豆、水稻、小麦等）和C4植物（如甜高粱、甘蔗等）的解剖构造、 生理功能、对环境条件的反应各不相 同所致。水稻、小麦等C3作物的光合速率只有10-34 mg CO2 平方分米·小时，甘蔗、甜高粱等 C4植物 则可达60-80 mg CO2 平方分米·小时，而CAM植物只有1-4 mg CO2 平方分米·小时；甜高粱CO2 浓度 的补偿点为近乎 0，当空气中CO2浓度达到1ppm时，便可积累光合产物，而C3作物的补偿点一般为40-60 ppm，并且C3作物在较低的CO2浓度下（300 ppm）即可达到饱和，而C4植物CO2浓度高达 1000 ppm时， 光合作用仍在上升。大豆和甜菜的光呼吸分别消耗掉白天合成的光合产物的47-75% 和34-55%，而甜高 粱的光呼吸几乎未能测出。C4植物在最大日照时仍达不到光饱和，并且在高温条件下，C4作物的光合强 度为C3作物的2倍。因此甜高粱的光合效率为大豆、甜菜、小麦等作物的2-3倍。甜高粱之所以高产，并 非多施肥、多浇水就能奏效的，这也是我们开发"高能作物"的理论基础。
4.2 作物中的"骆驼" 甜高粱不仅有"高能作物"之称，而且也因它有抗旱、耐涝、耐盐碱的特性，故有作物中的"骆驼"之 谓。它对土壤的适应能力很强，pH 值从5.0-8.5，各品种均能很好生长。由于甜高粱具有若干特有的生 理结构和抗逆性，使它分布的地理范围十分广泛。首先，它有强大的根系， 并且根的表皮层存在着重硅 酸， 在根成熟时，形成一个完整的硅柱，使得它在干旱期间仍然有足够的机械强度以防止根系的崩塌。 加之茎的外皮覆盖着蜡粉，遇旱时叶片能自行卷缩以减少水分的蒸发；在干旱期间，它能"休眠"，当水 分重新供应时，植株又能很快恢复生长。甜高粱每生产1公斤干物质需水分250-350公斤，而小麦、大豆 约需500-700公斤。甜高粱也很耐涝，特别在生长后期尤为显著，只要田间的积水不淹没穗部，对其生长 和发育的影响都不太大。一般说来，凡是可以栽培棉花的地区，都可以栽培甜高粱。品种区域性试 验表明，从海南岛至黑龙江，凡10℃以上的积温达2600-4100℃的地区均可栽培甜高粱，但最适宜栽培的 地区是山东、河北、河南、江苏、安徽、湖北、四川、陕西、山西、宁夏、内蒙南部、甘肃、 新疆南部 地区，正当甜高粱旺盛生长、需水较多的时期适逢当地高温、多雨季节，恰好满足了甜高粱对温度和水分 的要求。实践也表明，该地区最适于栽培甜高粱。其他地区，只要选择适宜的品种，也可栽培。
4.3 非常适合在我国栽培
我国是一个盛产高粱的国家，粒用高粱栽培面积达282.8万公顷，总产量达703.4万吨，总产量占全 世界的10.73%。1993 年，我国甘蔗的单位面积的产量与世界持平，甜菜的单位面积产量只有世界平均产 量的54%，而粒用高粱的单位面积产量却为世界平均单产的285%。甜高粱的生物学特性与高粱类似，可见 我国非常适合于甜高粱的栽培。最适合我国国情、最适合我国气候条件、既产粮食又产能源、产量最高的 比较理想的作物在目前看来应数甜高粱。
4.4 甜高粱优良品种的选育方面，我们居世界领先地位 我们自1974年开始了甜高粱的研究, 先后发起、主持召开了首届全国甜高粱会议和第一届国际甜高 粱会议，出版了世界上主要的中、英文甜高粱著作。70年代和80年代，收集了世界上主要的优良品种并 进行评价与鉴定，90年代，在此基础上在培育出一批新的世界上最优良的品种，在全国甜高粱品种区域 试验和国际甜高粱品种区域试验中，我们的新品种均排名第一，这批优良的甜高粱品种将使我国的甜高 粱酒精燃料的生产成本更低，更加易于推广。
5．两点建议 5.1 建立甜高粱种子繁育基地，以满足全国推广甜高粱所需的种子 5.2 引进一套甜高粱发酵设备 用我国农村传统的固体发酵法生产白酒，发酵时间需3-5天。用传统的液体发酵法，也需 50-72小 时。我国在20世纪80年代，我国曾试验过固定化细胞发酵技术，可惜这技术至今尚未进行中试，而巴西 目前已有年产 16万立方米的固定化细胞发酵设备，发酵时间只有6-9小时。由于他们注重革新，使每吨 酒精的成本从 800 美元下降到现在的200美元。若能引进一套这样的设备，将大大缩短我们同国外的差 距， 更有利于我们在甜高粱优势的发挥。 其意义将与 60 年将代引进化肥厂合成氨设备的意义将一样 深远。 美伊尚未开战，油价已经上扬，致使我国民航机票上涨17%。为确保石油安全，国家拟在未来20 年 内投资1000亿美元，使石油库存达440亿桶。改革要有新思路，若将1000亿美元用于“甜高粱地面油田” 的开发，要用多少酒精就种多少，这样，它给中国人民带来的不仅是能源的安全和清洁的环境，而且它 将是帮助8亿农民脱贫、致富奔小康、开创我国农业和农村工作的新局面的重大举措。
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