北京绿能经济植物研究所

甜高粱又称糖高粱，是普通粒用高粱 (Sorghum bicolor (L.) Moench) 的一个变种，它同粒用高粱一样，每亩也能结出 100—500 kg的粮食，但是甜高粱的精华不在于的种子，而在于它高大、富含糖份的茎秆，其产量极高，一般亩产 3000—5000 kg。甜高粱秆中汁的含糖量，因品种的不同而异，其锤度一般在15—23％之间。依茎秆中所含糖分的不同又可分为糖晶型甜高粱和糖浆型甜高粱。糖晶型甜高粱主要含蔗糖，可用以生产结晶糖；含葡萄糖为主的糖浆型甜高粱，则主要用以生产甜高粱糖浆。河北乐亭县前沙铺大队糖厂曾用 293,000 kg 甜高粱品种‘丽欧'的茎秆生产10,050 kg 赤砂糖，产糖率为3.43% - 4.92％；江西省第二糖厂1988年8月23-30日的试验表明，结晶黄砂糖的产糖率为11.4％。用加酶磷灰法者产糖率可达12.83％。然而甜高粱之所以能引起许多国家的普遍重视，不仅仅是由于它可产粮食和作为糖料作物或作为饲料作物栽培，而且也在于将它的糖和纤维转化为酒精燃料，作为一种能源作物栽培。

中东战争，石油禁运，使1974年世界石油价格上涨了4倍，并导致燃料及原材料成本的急剧上涨。石油是一种非再生性的化学资源，据1984年欧洲共同体专家们的估计，近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。从能源的角度上看，估计全世界每年用固体燃料、天然气、油页岩、沥青砂等所发的电为90,000亿度。据联合国1994年1月估计，世界上剩下的石油还能再用75年。另据世界能源理事会的估计，世界石油蕴藏量仅够开采60年。

1993年，中国已成为石油净进口国。据估计，我国的石油仅够开采19年。今年我国进口的石油估计每天大约为34万桶，到2000年将增加到每天85万桶，2005年将达到140万桶。解放以来，我国的能源生产取得巨大成就，1992年，我国可供消费的能源总量达100,195万吨标准煤，天燃气总产158亿立方米，原煤总产量达11.16亿吨，原油总产14,210万吨。由于汽车、机械等工业的迅速发展，使用油量急剧增加，供求矛盾日深，农村用能更显短缺。以河南为例，70年代后期国家每年给河南农用石油70万吨，近年农业机械增加了，但供油量反而减少，1990-1992年河南省农机系统每年计划用油80万吨，而近几年供应量只停留在40万吨左右，因此许多农业机械未能充分发挥作用。严重抑制我国农业的发展。

我国电力工业发展神速，世界有目共睹，1992年，我国发电量7,539亿千瓦小时。1994年，全国发电装机2亿千瓦，但全国需求量竟达2.2-2.3亿千瓦，供需缺口达2千多万千瓦，由此造成各地拉闸限电频繁。去年，山东省拉路限电18.6万条次；四川省拉大闸4,436条次；北京市仅7月5口一天就拉限789路次，拉限负荷高达104.8万千瓦。我国人口众多，按人口平均的能耗就显得很少，1990年，我国人均能源消牦量只有863 kg标准煤(表1)，只及世界平均1,932 kg 的44.7％。电力也只占世界总发电量的9.8％。1994年，人均电力消费量只有820千瓦小时，仅为世界平均水平的2/5。由于煤、电供应不足，设备利用率低，能源问题将越来越突出，成为制约我国国民经济发展的“瓶颈”。现在巳没有单项技术可以满足能源的需要，因此世界各国都在寻找新的能源，其中有一项就是绿色能源的开发利用。

光合作用是地球上最重要的生化过程，当初，它为石油、天然气和煤的形成提供了原料。绿色植物是太阳能的主要收集者，据估计全球每年由光合作用产生的生物质为1440～11800亿吨。在自然光照条件下，光合作用的光能转化率为18.7-28.0％，而目前最好的光电池的能量转换效率也只有15-20％。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4月在美国亚特兰大市召开的有1,800人参加的生物能源大会和1981年8月在肯尼亚内罗毕召开的联合国新能源和可再生能源会议，积极动员各国由偏重单一能源过渡到多种能源，特别是可再生能源。在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。欧共体的试验表明，甜高粱投入和产出的比例为 1 ：5，因而被欧洲共同体认为是未来能源的希望所在。目前美国正进行一项全国性宣传植物能源好处的示范计划，试验表明，这些植物提供可用的能源，10倍于农户种植这些能源作物所用掉的能源。若再经10年的研究和实践，可能使该能源产出与投入比提高到更高的水平。

在生物量的开发利用中，最受重视的途径之一是生产酒精，而最适合我国国情、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还得数甜高粱。

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吨氧化硫和两吨铅，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 g的铅，1,000万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。矿物燃料的使用使人们付出了沉重的代价，即使再便宜也得不偿失。发达国家前车之鉴，足以为戒。目前发展中国家的某些大城市如新德里、北京和墨西哥城这样一些大城市也已经成为雾都了。

1994年8月，美国政府做出决定，赞成用乙醇作汽油更清洁的燃烧添加剂。为降低矿物燃料所造成的污染，美国环保局规定，从1995年1月1日起在美国空气污染最严重的9个城市和其他14个州的部分地区和哥伦比亚特区，汽车所使用的燃料油必需含有1/3的酒精，以减轻对大气的污染。

甜高粱作为能源，硫的含量极低(<0．01％)，可大大减少S0₂的污染；种植甜高粱的最主要的优越性是极大地减少C0₂的量，因为将甜高粱作为能源所排出的C0₂与种植甜高粱时所吸收的C0₂是相等的。

用酒精作发动机燃料有许多优点，它不污染大气，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，因此，许多国家都把酒精生产纳入能源计划的一部分。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，600万辆汽甲燃用掺有20％酒精的混合燃料，100万辆汽车燃用纯酒精。1983年，酒精产量达80亿升，1983—1993年的能源发展计划中拟增加到197亿升，使巴西全国各类汽车的35％使用纯酒精，其余使用掺人20—25％的酒精汽油混合燃料。近几年来巴西生产用于内销的汽车有85％是燃用酒精的。1980年以来在巴西的Pelotas 地区的小型实验酒厂一直用甜高粱和甜菜生产94-96度的酒精燃料，11月一1月加工甜菜，每亩可生产酒精120升；2一5月加工甜高粱秆，平均每亩产147升酒精。每年的其它时间用高粱粒生产酒精，每亩可产27升酒精。

乌拉圭仿效巴西，每年种植65万公顷甜高粱用于制作酒精燃料，平均每公顷产酒精2500升。

法国拟用生物量代替10％的汽油。在他们的绿色能源计划中规定，到2000年绿色能源使用量达到1,000万吨油当量，并筹建世界上第一家生产一种阻止甲醇在水中分解的丙酮一丁醇添加剂的生物量转换工厂。

美国能源部在1979年制订的酒精产量计划中，拟逐步用甜高粱取代玉米以生产酒精，因为甜高粱每英亩可产600加仑酒精，而玉米只能生产237加仑。他们计划到2000年种植8,500万亩甜高粱，生产315亿升酒精，使全国汽车使用掺有10％的酒精混合燃料。美国人Lipinsky曾对甜高粱的产量和经济效益做了初步的分析：用甜高粱作原料生产酒精，每加仑的成本为0.69—0.77美元，而甜菜则须1.29美元，比甜高粱高65—85％。

在我国用甜高粱生产食用酒已初步显示出广阔前景。河南平台酒厂用甜高粱品种‘丽欧'作原料酿制食用酒，经济效益很高，1982年种植130亩，收鲜秆25万公斤，生产60度白酒225,000 kg，质量完全符合国家标准，其中甲醇含量远低于红薯干和一般粮食的白酒。各家各户种植甜高粱，用固体发酵法生产白酒，然后再用美国生产的小型酒精蒸馏器将其转化为酒精，可能是一条适于我国国情的途径。燃用10％的酒精燃料，或装备酒精、汽油两个油箱，起动时和停车前燃用气油，正常行驶时燃用酒精，在这两种情况下，都无需改变汽车发动机的结构即直接燃用酒精。

世界上绝大多数生物量均为光合过程中空气内的C0₂被固定后衍生而来，生物量中只有5—10％是从土壤中摄取的矿质及氮素。生物量的多少取决于总光合中的C0₂同化量减去呼吸消耗量。高等植物光合作用过程中固定二氧化碳的途径目前已知道的有三种：即三碳途径(C₃)、四碳途径(C₄)和景天酸代谢途径 (CAM)。水稻、小麦等C₄作物的光合速率只有 10-35 mg C0₂/平方分米·小时，甘蔗、甜高粱等C₄作物则可达 60-80 mg C0₂/平方分米·小时，而CAM植物只有 1-4 mg C0₂/平方分米·小时。为什么甜高粱等四碳途径植物有如此高的光合速率呢?这是由于三碳途径和四碳途径植物的解剖构造、生理功能、对环境条件的反应各不相同等生理特性所致，并非多施肥、多浇水就能获得高产，这也是我们开发“高能作物”的理论基础。

1．C0₂的浓度 甜高粱C0₂的补偿点为0，当空气中的C0₂浓度在1 ppm时，便可积累光合产物，而C₃植物的补偿点一般约为40-60 ppm；并且C₃植物在较低的C0₂浓度下(300 ppm)即可达到饱和，而C₄植物当C0₂浓度高达 1000 ppm 时，光合作用仍在上升。因此，C₄植物有较高的光合速率。

3．光照强度 C₃作物的光饱和点为最大日照量的1/4至1/2；而C₄作物在最大日照量时仍达不到光饱和。在高光强下，C₄作物的光合速率一般为 50-60毫克C0₂/平方分米·小时，而C₃作物一般低于 35毫克C0₂/平方分米·小时。

4．温度 在低温下，C₃作物和C₄作物的光合作用强度基本相同；但在高温条件下，C₄作物的光合强度为C₃作物的2倍。

在所有的C₃植物如大豆，甜菜、向日葵、烟草、小麦等，由于光呼吸释放C0₂而消耗了约50％的C0₂净同化量，而C₄植物的光呼吸则几乎未能测出。因此，C₄作物的平均产量及平均季节生产率比C₃作物高2—3倍。

在C₄植物中又以甘蔗和甜高粱的生物量最高，它们都是最有效的太阳能转换器，甘蔗的最大的短期生产率每平方米土地为 50—54 g·每天，甜高粱为 51g，而小麦、大麦、大豆其范围只有 34—49 g。甘蔗之所以享有这一声望，部分原因是由于它的高光合比例，而更重要的是它的生长期长，一般需 8-12个月，在美国的夏威夷，长达 24个月，而甜高粱只有3—5个月，并且栽培成本远较甘蔗低，适应范围也远比甘蔗广。

每亩甜高粱每天合成的碳水化合物可产 3.2升酒精，而玉米只有 1 升，小麦为 0.2升，粒用高粱才 0.6升。由于甜高粱生长期短，生长迅速，每公顷甜高粱每年的酒精产量达6,106升，而甘蔗只有4,680升(Knowles，1984)。澳大利亚的试验表明，假若甜高粱品种‘意达利'(Italian)考虑用于生产酒精，其固溶物(Brix)的产量非常高，141天的头茬甜高粱亩产506.7kg，81天的再生高粱亩产320 kg，其生产率分别为 3.6 kg/亩·天和3.95kg／亩·天，而该地区的甘蔗的生产率为 4.2kg／亩·天。把高粱籽粒的干物质也加在一起(一吨高粱干物质=0.7吨蔗糖)，甜高粱可发酵物质的生产就像甘蔗那样有效率。

中国科学院植物研究所植物园的试验表明，甜高粱的酒精产量每公顷可达3,600-6,000升。在北京甜高粱品种‘凯勒'(Keller)从7月1日至8月2日的32天中，其茎长高了227.5 cm，平均每天伸长7.10 cm；甜高粱品种‘雷伊'，从7月20口至26日间，平均每天仲长12 cm，具生长速度之快，实在令人赞叹!在生物量能源系统中，它是第一位的竞争者，甜高粱无愧于“高能作物”的光荣称号。

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学和农学特征，使它有更广泛的地理分布范围。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，形成一个完全的硅柱，这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，遇旱时叶片能自行收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。甜高粱每生产一公斤干物质需水分250—350 kg，而小麦、大豆约需500—700 kg。我国的实践证明，甜高粱十分耐旱，1981年河南郑州种畜场栽培的甜高粱，麦收后遇旱，与甜高粱相邻的玉米叶片干枯，而甜高粱仅中午叶片卷缩，下午四时以后，叶片又恢复正常。甜高粱虽耐旱，但因它茎叶多汁，为维持正常的生长发育和获得高产需要较充足的水分和比粒用高粱更湿润的气候条件。

甜高粱在热带地区，周年均可生长，但在温带地区，只能作夏作物栽培，一般说来凡是可以栽培棉花的地区，都可以栽培甜高粱，除个别高寒地区外，我国各地均栽培。

甜高粱在我国有着悠久的栽培历史。美国对甜高粱的研究是从1853年经由法国从我国引人‘中国琥珀种'开始的，经100多年特别是近40年来的努力，已育成了一大批优良品种，目前优良的试验材料每亩可产 692 kg糖，每亩最高产秆量可达 7,500 kg。德国、意大利、巴西、苏联、澳大利亚等国也先后育成一批优良的甜高粱品种。

我国甜高粱种质资源十分丰富，但因近百年来未进行系统的研究和选育，故未能适应生产上的需要。为增加我国经济作物的种类的品种，中国科学院植物研究所北京植物园1974年在中国科学院、国家计划委员会的大力支持下，通过中科学技术情报所从美国引人‘丽欧'和‘洛马'甜高粱种子各 400 kg，并同河北、河南省科委协作进行示范推广，1976年又引进‘拉马达'等品种。现在甜高粱品种‘丽欧'仍在我国某些地区栽培，但该品种毕竟是30年前育成的老品种。为适应四化建设蓬勃发展的需要，北京植物园近期又从美国、印度、肯尼亚、乌拉圭等许多国家引进一批新的、优良的甜高粱品种，其中有些是近期刚育成的。我们自己也选育出一批优良的品系，我们坚信这些优良品种对我国畜牧业、制糖、酿酒和酒精燃料的生产将有重大的意义。在甜高粱的育种工作上若能作出同玉米或甘蔗那样的努力，那么所取得的进展一定比玉米和甘蔗更大。

七、加强甜高粱发酵工艺的研究

尽管用酵母发酵有悠久的历史并且有许多优点，但是应用新的菌种有可能大大地提高酒精产量。如中国科学院微生物研究所的糖化酶新菌种应用在白洒固体曲生产上，酶活力提高5—10倍，一般可节约固体曲用量50—80％，出酒率提高l一5％。

目前也发现其它微生物有机体完成这种转化比酵母要快得多，并且有能在较高酒精浓度中生存的功能，目前受到最大注意的是 Zymomonas，国外许多大实验室正在对它进行研究。沈阳农业大学鲁楠教授等所采用的固定化细胞发酵，大大地提高了酒精发酵效率(祥见”甜高粱汁液固定化酵母发酵制取已醇“一文。

八、纤维素的开发利用

甜高粱的茎秆中含有 14—18％的纤维素，澳大利亚的试验表明，甜高粱品种‘意达利'亩产纤维素 567 kg。纤维素能源是一种至今尚未被充分开发利用的新能源。最近，日本通产省牵头组成的新燃料油开发技术研究组合，集中了日本国内生物工程产业的技术和力量，成功地研制出一种从秆梢、蔗渣纤维素中提取汽车用酒精燃料的生产新工艺。他们用人工合成出具有耐高温、耐高酒精浓度并能大量生成强力消化酶特性的纤维素消化酶，目前已在山口县建立一座实验工厂，预计每 360 kg 纤维素可提取100升乙醇，即每亩甜高粱秆渣可生产100—105升酒精，并且使酒厂有周年生产的可能。

我国是一个盛产高粱的国家，南自广东，北至黑龙江，东从山东，西到新疆均可栽培。978—1981年，我国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％，(表2)。1993年，我国粒用高粱的播种面积减少至142.5万公顷，总产量为560.5万吨，但单位面积产量却有很大的提高，从每公顷2493kg提高到3935 kg，为世界平均单产的285％，可见，我国非常适合于高粱的栽培。

若用优良的甜高粱品种或甜秆粒用高粱取代现有的部分或大部分粒用高粱，粮食的产量有可能达到或接近现有的水平，而每亩却可多收3000kg的茎秆，设秆的出汁率为60％，秆中汁的锤度为19％(多数品种在17-22％之间)，则每亩可产342kg可发酵的糖，这些糖就可制成199升酒精；每亩产300 kg的籽粒，可产129升酒精；若将秆渣的纤维也转化成酒精，每亩还可产另外的100多升酒精，三项合计每亩地可产428升左右的酒精，若将现在的142万公顷中的100万公顷粒用高粱改为甜高粱或甜秆粒用高粱，即可增收64亿升酒精，这无异于一个可再生的“地面油田”，无论对于我国的能源，还是乡镇工业的发展，都将有举足轻重的影响。

因甜高粱的单位面积酒精产量为其它粮食作物的2—3倍，并且无须由淀粉转化为糖的工艺。作为第一步，可将现有以玉米作为酒精原料的工厂改用甜高粱秆作原料，这样既可节约粮食，又可提高效益。1991年，我国饮用酒的总产量为 1674.96万吨，其中酒精为136万吨。基本上用粮食和薯类作为原料。其中以玉米为原料者为 35万吨，占酒精总产量的16.67％，以薯类作为原料的比例最大。以1992年我国玉米的平均单产为每亩 311 kg 计算，35万吨酒精须占用112.5万亩的耕地，若用甜高粱，可节省三分之二的土地，并大大地降低了工厂的成本、极大地增加了农民的收入。

1．建议政府部门制订甜高粱酒精燃料长远规划和近期发展计划，协调科研、生产部门的研究、示范试验并组织推广，起码将现有的350,000吨用粮食作原料的酒精的改用甜高粱秆作原料，即可节省1225,000吨的粮食并节约数百万亩左右的土地。

2．必需有政策上的扶植与支持。现在每公斤汽油为3元左右，一公斤酒精约6元(若用甜高粱秆生产酒精，其成本将便宜得多)。因此需有政策上的扶持和一套完整的规章制度与法律来保证，若任其自然，只能从蹈发达国家的覆辙。

3．加强综合利用的研究，将甜高粱的茎、叶、籽粒、穗稍、色素、秆渣都利用起来，其经济效益将成倍增加。

甜高粱在我国的发展已有了一个良好的开端，我们坚信，将甜高粱作为一种能源植物栽培并相应地发展我国的甜高粱酒精工业，必将对我国国民经济的发展起一定的促进作用。