绿色能源植物

摘要:绿色能源植物是一种重要的可再生能源。我国有着丰富的绿色能源植物资源,能源植物作为工业用油原料可缓解国内外日益出现的能源危机。介绍了光皮树作为绿色能源植物,是重要的生物柴油原料,其为开发新能源提供了良好的物质基础。

关键词:绿色能源植物;能源危机;光皮树;生物柴油

中图分类号:S791.08

文献标识码:A

文章编号:1674-9944(2010)09-0001-03

1 引言

能源是现代人类社会赖以生存和发展的重要物质基础, 也是人们日常生活不可缺少的物质基础之一;能源是社会发展之本,当代人类文明的发展模式是建立在以化石燃料利用为核心的工业化基础上的[1]。随着我国经济的高速发展,人民生活水平的不断提高,能源需求量的增大、全球不断出现的能源危机和能源枯竭,各国不断地寻找新的可再生能源。据专家测算,目前地球植物(主要是森林)每年生长量中所储藏的能量相当于600~800亿t石油,而全球石油年开采量仅约30亿t,只相当于植物能源年生长量的4.3%[2];因此,建立我国能源油料植物种质资源开发基地和生物燃料油生产技术体系,是我国能源可持续发展战略的关键之一,对于我国能源植物资源培育与利用具有十分重要的意义。

2 能源植物及其资源概况

能源植物通常是指质能合成较快、产能较高或者能够大量合成与石油成分相近的较高还原态物质的植物,以及富含油脂植物。能源植物主要包括3类。

(1)高产生物质植物(High-biomass plant),质能合成较快、生物质总产量高的植物,可通过燃烧发电或裂解进行质能转换,代表性的物种有柳、杨。

(2)能源作物(Energy Crop),淀粉、糖质、油脂等成分合成快、含量高的植物,可通过生物转化生产生物乙醇、生物柴油类产品,作为机动车燃料或平台化合物,代表性物种有玉米、甜高梁、薯类、甘蔗等作物。

(3)石油植物(Petroleum-like Plant),富含萜类、烯类成分,可通过生物或化学加工生产生物柴油,代表性物种有续随子、绿玉树等植物。苦配巴(copaifera officinalisl)是能源植物其中的一种。

美国加利福尼亚大学化学博士卡尔文在巴西发现,在苦配巴树干上钻个孔,就能流出油来,每个洞流油3h,能得油10~20 L,这种油可以直接在柴油机上使用。据估计,1 hm2苦配巴植物每年可产油50桶。橡树(Quercusdentata)每公顷可收获橡树油脂150kg。印度每年可收获3万t橡树种子,获得橡树油约5 000 t[3]。目前,大多数的能源植物尚处于野生或半野生状态,人类正在研究应用遗传改良、人工栽培或先进的生物技术等手段,随着对能源植物研究的深入和发掘利用,从应用研究的角度对其归纳并形成独立的资源类别对系统开展其生物学研究、资源评价、资源建设以及资源加工等具有重要的意义(表1)。

3 国内外能源植物发展现状

3.1 国外研究与开发现状

自从美国加利福尼亚大学的化学家、诺贝尔化学奖得主梅尔温・卡尔文于1986年在加州种植了大面积的能源植物获得成功以来,在全球迅速掀起了一股开发能源植物的浪潮。美国种植有几万公顷的能源速生丰产林;菲律宾有12万hm2的银合欢树(Leucaena leucocephala)。目前发达国家用于规模生产生物柴油的原料有:棕榈(Trachycarpus fortunei(Hook. )H.Wendl),原产东南亚国家,香胶树(Myroxylon Balsamum),原产巴西,把这些含油植物的树皮割开就可流出胶汁般的汁液,它的成分与石油相似,化学特性同柴油相仿,不需任何加工提炼就可以直接作为燃料油使用,如果经过简单加工还可以提炼出汽油。这种树每棵每年可产胶汁40~60kg,在如今的大自然中堪称最理想的可直接提供“生物石油”的植物。苦配巴(copaifera officinalisl)是能源植物其中的一种,这种植物油可以直接在柴油机上使用。橡树(Quercusdentata)每公顷可收获橡树油脂150kg。印度每年可收获3万t橡树种子,获得橡树油约5 000 t[4]。现在,美国和欧洲一些发达国家已经对大量的能源树木进行了研究和试验,包括洋槐(Robinia pseudoacacia)、毛白杨(Populus to-mentosa)、榕树(Ficusmicrocarpa)等。20世纪70年代以来,许多欧洲科学家试图将生物质能作为一种全新能源加以利用,以应付日益突出的环境和能源以及农产品过剩的问题[5]。

3.2 国内研究与开发现状

我国幅员辽阔,地域跨度大,水热资源分布多异,能源植物资源种类丰富多样,仅以木本植物为例,就有1~2年可收获的绿玉树(Euphorbia tirucalli)、麻疯树(Jatropha curcas)、桉树和一些樟科植物如沉水樟(Cin-namomum micranthum)等,以及3~5年可收获的光皮树(Swida wilsoniana)、山桐子(Idesia polycarpa)等。我国生物柴油的研究与开发起步比较晚,但发展速度比较快,一部分科研成果已达到国际先进水平。研究内容涉及到油脂植物的分布、选择、培育、遗传改良等及其加工工艺和设备。可以预计,在未来几年内,我国在该领域的研究将会有突破性进展并达到实用水平。其中一种能源植物光皮树,湖南省林科院等科研单位完成了光皮树榨取的油制取甲脂燃料油的工艺及其燃烧特性的研究;“九五”期间完成了国家重点科研攻关项目“植物油能源利用技术”,同时,还从南非、美国和巴西引进了能源树种绿玉树优良无性系,开展了“能源树种绿玉树及其利用技术的引进”的研究。以绿玉树为试材,利用分子标记、抗寒基因导入和倍性育种等手段,进行了生物技术育种,获得了高产烷烃类化学物质的四倍体和转基因植物材料。结合国家退耕还林工程在湖南江华、桂阳、龙山县和广西南宁市营建了能源植物原料林基地200 hm2。进行了绿玉树与不同种类能源植物配套的速成栽培新技术开发。我国能源植物具有广阔的发展空间。

4 光皮树生物学特性及其分布

4.1生物学特性

光皮树(Cornus Wilsoniana Wanaer)又称花皮树、光皮木等,山茱萸科(Cornaceae),木属(Cornus L.)。属落叶灌木或乔木,树高8~10m,原产中国。喜生长在排水良好的壤土,深根性,萌芽力强,喜光,耐旱,耐寒,一般可忍受-18~25℃ 低温。对土壤适应性较强,在微盐、碱性的沙壤土和富含石灰质的粘土中均能正常生长;抗病虫害能力强。树皮白色带绿,疤块状剥落后形成明显斑纹。树干光滑看似几乎无皮,小枝初被紧贴疏柔毛,淡绿褐色,叶椭圆形或卵状长圆形,长3~9cm,宽1.85~500cm,面暗绿,微被紧贴疏柔毛,背淡绿,近苍白,毛较密。聚伞花序塔形,长2~3 cm。萼管倒圆锥形,长2mm,萼片三角形,花瓣披针舌形,长约5mm,花期4~5月,果实未熟圆形、绿色、径约4~5mm,果熟期10~11月,核果球形,紫黑色。实生苗造林一般5~7年始果,人工林林分群体分化严重,产量高低不一,嫁接苗造林一般2~3年始果,结果早,产量高,树体矮化,便于经营管理。果实千粒重为62~89g,平均70g,其果实(带果皮)含油率33%~36%,盛果期平均每株产油15kg以上。4.2分布及资源

本文为全文原貌 未安装PDF浏览器用户请先下载安装 原版全文

光皮树广泛分布于黄河以南地区,集中分布于长江流域至西南各地的石灰岩区,分布于陕西、甘肃、浙江、江西、福建、河南、湖南、湖北、广东、广西、四川、贵州等省区,以湖南、江西、湖北等省最多,垂直分布在海拔1.000m以下。 我国现有光皮树野生资源较多,主要为散生分布。主产区处于中亚热带季风气候区,气候温和,光照充足,雨水充沛。以江西省产量较多的兴国、于都、石城、寻鸟、龙南、定南、全南7县的年平均气温为18.9℃,最冷的1月平均气温7.9℃,最热的7月平均气温为28.9℃,极端最低气温为-5.2 ℃,极端最高气温为39.9℃,全年无霜期285~299d,年平均日照时数1.877.3h,年平均降雨量1.510.4mm。 据上报数据统计,目前湖南、江西两省有相对集中光皮树资源约0.53万hm2,湖南省永州市和湘西州、江西现有光皮树资源比较多。

5 光皮树的应用与发展

5.1 燃料价值与开发前景

光皮树木材细致均匀、纹理直,坚硬,易干燥,车旋性能好,可供建筑、家具、雕刻、农具及胶合板等用。光皮树果实能榨油,其含油率较高,能作为生物柴油原料油,光皮树油有2大突出特点:一是光皮树全果含油酸和亚油酸高达77.68%(其中油酸383%、亚油酸3885%),所生产的生物柴油理化性质优(如冷凝点和冷滤点);二是利用果实作为原料直接加工(冷榨或浸提)制取原料油,加工成本低廉,得油率高。目前对光皮树的研究不是很多,曾意纯[6]等认为光皮树石灰岩山地造林的良好树种;成训妍[7]、梁仰贞[8]等认为光皮树是珍贵的木本食用油料资源;程树棋提出光皮树油将是一种理想的生物质液体燃料[9];高新章[10]介绍了光皮树的栽培技术;曾红艳、李昌珠[11]等对光皮树籽油进行了GC-MS分析。据湖南、江西、广东、广西的不完全统计,石灰岩山地总面积有2 200万hm2,按10%面积栽植光皮树,可年产光皮树油3 000万t[12]。湖南省林科院通过利用3种方法提取光皮树油的对比试验,提出超临界CO2法是提取光皮树油的较理想方法,并探讨了超临界CO2法的最佳工艺条件。选用果实提取子油后通过酯交换反应制取了生物柴油,并对所得生物柴油的物化性质进行了测定,表明以光皮树油为原料通过酯化反应制取的生物柴油与0#柴油燃烧性能相似,是一种安全(闪点>105℃)、洁净(灰分

5.2 发展光皮树生物燃料的重要意义

光皮树是一种高产木本油料树种,是理想的生物柴油原料油料树种之一。我国地域广阔,人口众多,能源需求量大,而矿物质资源有限,目前很大一部分能源需要靠进口石油。而我国的植物种类比较多,还有很多待研究和开发的物种,各区域都有,只是缺乏研究和开发而已。木本能源植物开发应用受到日益广泛的重视。我国生物质资源十分丰富,开发生物质能源潜力巨大,国内外也已经开始光皮树种植的研究计划。光皮树对环境适应能力强,基本不需肥料,可以适应严酷的自然环境,如旱灾以及贫瘠、退化的土壤等。从它的生长习性看,既可连片又可零星种植,地大物博,但地下缺乏油气资源,而地面上有生物油资源,开发利用这种生物柴油资源,将会给广大农民带来巨大的经济效益,也会对山区脱贫致富奔小康作出贡献。除明显的经济效益外,种植光皮树还有更加突出的生态效益。它生命力极强,在水土肥沃的汇集地带可以很快形成大面积的森林群落,有利于干热河谷森林景观的恢复,形成高产稳产的农业生态环境和人居环境,促进区域性水、土、气的良性循环,遏制水土流失,降低自然灾害。此外,它的生物生产量大,枯枝落叶量大,有利土壤改造和土壤腐殖质的积累,促进土攘活化,提高土地利用,对解决“三农”问题具有重要现实意义。同时也实现农村经济发展和环境保护的双赢。

6 结语

全球经济一体化的进程促使中国的经济水平进一步提高,因此我国对能源的需求有增无减。发展生物柴油还可促进中国农林产业发展,从而走出一条农林产品向工业产品转化的富农强农之路。我国是世界石油消费第二大国,开源节流是当务之急。从开源上讲,就是要多元化,除了开发国内、国外地下石油资源外,开发生物柴油也是一个重要补充。可见,光皮树的发展前景非常广阔。

参考文献:

[1] 刘湘溶,朱 翔.生态文明――人类可持续发展的必由之路[M].长沙:湖南师范大学出版社, 2003.

[2] 孟树标.开发利用植物能源[J].中国林业,1997(2):40.

[3] Ramadhas A.S,Jayaraj S.Muraleedharan Biodiesel production from high FFA rubber seedoil[J].Fuel,2005(84):335~340.

[4]席庆国.德国等欧洲国家重视对高大禾草的研究和利用[J].草业科学,2002,19(4):45~47.

[5] 曾意纯,潘锦祥.石灰岩山地造林树种――光皮树[J].湖南环境生物职业技术学院学报,2001(1):123~128.

[6] 成训妍.光皮树是珍贵的木本食用油料资源[J].生物与特产,1990(6):28~30.

[7] 梁仰贞.值得发展的油料植物――光皮树[J].植物杂志,1996(2):12~14.

[8] 程树棋.理想的生物质液体燃料光皮树油[J].太阳能,1994(2):15~29.

[9] 高新章.油料资源――光皮树[J].北方园艺,1991(11):1~3.

[10] 李昌珠,蒋丽娟.四种木本植物油制取生物柴油[J].中国生物质能技术,2004(2):156~161.

[11] 曾红燕,李昌珠,蒋丽娟,等.不同方法提取光皮树籽油的GC-MS分析[J].中国生物工程,2004,11(24):83~86.

[12] 长沙市新技术研究所.植物种类资源量调查研究与分析报告[R].长沙:湖南省林业科学院,1998:11~13.

Green energy Plant-Swida wilsonian

He Jian1,Dan Xinqiu1,Jiang Lijuan2,Li Changzhu3,Chen Weijun2,Zhang Xiaolin4

(1.Central South Forest Inventory and Planning Institute of State Forestry Administration,

Changsha, 410014,China; 2. Central South University of Forestry and Technology,

Changsha 410004, China; 3.Hunan Academy of Forestry, Changsha 410004, China;

4.Tonggu County Forestry Bureau,Tonggu Jiangxi 336200,china)

Abstract:Green energy plant is an important kind of renewable energy.China has rich green energy plant sources,they can alleviate the energy crisis in China and abroad as raw materials of industry oils. Swida Wilsonian introduced in the paper is a green energy plant.It is used as important raw materials of biodiesel,and it can provide good material basis for developing new energy.

Key words:green energy plant;energy crisis;Swida Wilsonian;biodiesel

本文为全文原貌 未安装PDF浏览器用户请先下载安装 原版全文