3.1 能源植物

3.1.1 能源植物的定義和特點(diǎn)

直接用于提供能源的植物稱為能源植物。固體、液體和氣體能源均可通過(guò)能源植物產(chǎn)生。棉稈、秸稈等傳統(tǒng)農(nóng)作物生產(chǎn)形成的有機(jī)殘余物雖然具有很大的生產(chǎn)能源的潛力，但是由于它們僅僅是作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的副產(chǎn)品出現(xiàn)的，所以并不能算作能源植物。根據(jù)能源植物的定義，該類植物的最大特點(diǎn)是其專為生產(chǎn)能源而種植。能源植物要想達(dá)到穩(wěn)定的能源供給，并且不會(huì)對(duì)現(xiàn)有土地使用產(chǎn)生影響，通常都需要具有高含能量、高生產(chǎn)力以及能夠良好的適應(yīng)邊際土地等特點(diǎn)。

3.1.2 能源植物種類

由于能源植物種類繁多，所以往往又將那些能夠被馴化的植物稱為能源植物，這些植物能夠按照人類的意愿在特定地點(diǎn)產(chǎn)生出大量的生物質(zhì)能，因此本章所提到的能源植物指的就是這些高能、專業(yè)化的能源作物。隨著2種概念的不斷混合使用，一般那些已經(jīng)被馴化或者容易被馴化的能源作物就被我們統(tǒng)稱為能源植物。

盡管能源植物的種類繁多，但絕大多數(shù)能源植物屬于被子植物，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，被子植物門(mén)中涉及能源植物的科就有20多個(gè)，至于屬種就更難以詳細(xì)統(tǒng)計(jì)。由于被子植物中含有的木質(zhì)素較少有利于轉(zhuǎn)化，常見(jiàn)的能源植物大部分屬于被子植物門(mén)。盡管在植物學(xué)中某些具有較高含油量的藻類并不屬于植物，但仍然可以看作能源植物。

植物分類學(xué)進(jìn)行能源植物的分類在學(xué)術(shù)上比較嚴(yán)謹(jǐn)，但是由于這種分類并不能很好地反映出能源植物的具體用途，因此，更為常見(jiàn)的是根據(jù)植物的化學(xué)成分或者根據(jù)植物的利用方式這2種方法來(lái)對(duì)能源植物進(jìn)行分類。一般情況下，根據(jù)能源植物的化學(xué)成分的不同將其分為淀粉作物、糖料作物、油料作物和纖維素作物等。

淀粉作物：富含淀粉的作物，也主要用于生產(chǎn)燃料乙醇。以富含淀粉的甘薯、馬鈴薯、木薯等薯類作物和大麥、小麥、玉米、籽粒高粱等禾谷類作物為原料生產(chǎn)乙醇已有很長(zhǎng)的歷史。淀粉是葡萄糖的聚合物，需要經(jīng)過(guò)一個(gè)解聚過(guò)程才能轉(zhuǎn)化為可溶性糖，因此，某些情況下，需要經(jīng)過(guò)一個(gè)高耗能的過(guò)程，才能將局部解聚的淀粉與可溶性糖分離開(kāi)來(lái)，但是將其直接用來(lái)生產(chǎn)乙醇卻不會(huì)有這個(gè)問(wèn)題。由于這些作物同時(shí)也是人類的食物來(lái)源，所以在糧食安全問(wèn)題日趨嚴(yán)重的今天，更多研究轉(zhuǎn)向了纖維素作物。

糖料作物：富含可溶性糖的作物，用于生產(chǎn)燃料乙醇。可溶性糖轉(zhuǎn)化為乙醇的化學(xué)過(guò)程最簡(jiǎn)單，生產(chǎn)成本最低。主要作物有甜高粱、甘蔗和甜菜等。

巴西是目前世界上主要的植物燃料乙醇生產(chǎn)和消費(fèi)國(guó)之一，由于境內(nèi)生產(chǎn)甘蔗，所以大量利用甘蔗來(lái)生產(chǎn)燃料乙醇。糖料植物對(duì)氣候的要求使得世界上往往只有一些特定的國(guó)家才能夠進(jìn)行大量的種植和相應(yīng)的能源生產(chǎn)。由于可溶性糖也是一些重要的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)品來(lái)源，所以目前歐美國(guó)家更傾向于利用淀粉來(lái)生產(chǎn)乙醇。

纖維素作物：富含纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的作物，轉(zhuǎn)化應(yīng)用范圍相當(dāng)廣泛，可生產(chǎn)固體顆粒燃料或獲得熱能、電能、沼氣、生物質(zhì)燃?xì)夂蜕镉偷取Ｓ捎谏锝到馐褂玫拿覆煌M管纖維素也是葡萄糖的高聚物，但纖維素轉(zhuǎn)化為乙醇要比淀粉難得多，而且植物纖維素中富含半纖維素和木質(zhì)素，雖然它們能夠通過(guò)熱解的方式轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问降哪茉矗巧锩冈诜纸饫w維素的時(shí)候卻會(huì)因?yàn)樗鼈兣c纖維素的交聯(lián)而受到嚴(yán)重的限制。

由于對(duì)纖維素的能源轉(zhuǎn)化過(guò)程研究不夠透徹，導(dǎo)致纖維素作物作為一種能源植物受到關(guān)注只有二三十年左右的時(shí)間，但作為自然界含量最大的生物質(zhì)，纖維素有著巨大的利用潛力。目前人們已經(jīng)開(kāi)始正視纖維素作物這一未來(lái)重要的能量來(lái)源，其原因主要在于相對(duì)其他能源植物，此類作物往往產(chǎn)量大、生產(chǎn)成本低、生態(tài)適應(yīng)范圍廣、水土保持與修復(fù)能力強(qiáng)，同時(shí)對(duì)纖維素作物的利用，不僅可以產(chǎn)生能源，而且對(duì)環(huán)境也有重要意義。

油料作物：富含油脂的作物，包括油料植物和含油藻類，其中的油脂提取后通過(guò)酯化過(guò)程形成脂肪酸甲酯類物質(zhì)，即生物柴油。油菜、向日葵、蓖麻和大豆是最主要的產(chǎn)油作物，已經(jīng)在商業(yè)化生產(chǎn)水平上實(shí)現(xiàn)了以生產(chǎn)生物柴油為目的的大田種植。目前美國(guó)主要以大豆為原料，歐洲主要以油菜籽為原料，巴西主要以蓖麻籽和油棕櫚為原料生產(chǎn)生物柴油。中國(guó)對(duì)黃連木的研究也有了一定的成果。

3.1.3 能源植物利用

能源植物的生物質(zhì)可被轉(zhuǎn)化為液體、氣體和固體能源以及用于直燃發(fā)電和供暖。

目前在工業(yè)上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了生物質(zhì)能源的應(yīng)用，很多轉(zhuǎn)化技術(shù)也都已應(yīng)用于大規(guī)模商業(yè)生產(chǎn)。根據(jù)轉(zhuǎn)化方式的不同，可以分為直接燃燒、熱解、氣化、液化和復(fù)合化工等利用方式。

最傳統(tǒng)的利用方式是直接燃燒，然而，這一燃燒方式實(shí)際上浪費(fèi)了很多能量，因?yàn)槠洳⒉荒軐?shí)現(xiàn)充分燃燒。為了實(shí)現(xiàn)充分燃燒，人們開(kāi)發(fā)了許多新方法來(lái)實(shí)現(xiàn)燃料與空氣或者氧氣充分混合后充分燃燒。直接燃燒是最傳統(tǒng)的利用方式，例如生物質(zhì)固體成型和生物質(zhì)微米燃料技術(shù)。

通過(guò)熱解可以實(shí)現(xiàn)將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為燃?xì)狻⑸锾炕蛘呷剂嫌偷哪康摹?/p>

通過(guò)生物轉(zhuǎn)化也可以將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為沼氣、氫氣或者生物乙醇。因此通過(guò)熱化學(xué)或者生物轉(zhuǎn)化的方法可以達(dá)到生物質(zhì)氣化或者液化的目的。

最后，通過(guò)化工技術(shù)，還可以將生物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)閺?fù)合化工原料，具體利用方式見(jiàn)本書(shū)的后續(xù)章節(jié)。

3.1.4 高效能源植物

能源植物的應(yīng)用主要集中于液態(tài)的高效清潔能源轉(zhuǎn)化。目前主要通過(guò)兩種途徑將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為液態(tài)能源：一是生產(chǎn)生物柴油，類似于傳統(tǒng)的化石能源的利用方法；二是生產(chǎn)生物乙醇。在能源生產(chǎn)中，人類很早就開(kāi)始利用這些能源植物，例如燃燒使用種子或者果實(shí)中的生物油成分，以及長(zhǎng)久以來(lái)的秸稈的家用燃燒等。此外，可以通過(guò)熱解來(lái)將能夠產(chǎn)生液態(tài)能源的成分轉(zhuǎn)變成氣態(tài)能源。破碎的生物質(zhì)或者直接利用纖維素，也構(gòu)成了主要的固態(tài)生物質(zhì)能源。以下列舉目前研究和應(yīng)用較為廣泛的一些高效陸生能源植物。

3.1.4.1 用于生產(chǎn)生物柴油的植物

有許多植物的分泌物與石油成分極其類似，不需提煉就可直接作為柴油使用，其中得到充分研究并有一定應(yīng)用的有以下幾種。

（1）續(xù)隨子（Capparis spinosa）

又名刺山柑、馬檳榔、野西瓜、水瓜榴木、酸豆，是一種多年生的有刺半蔓性灌木，屬于山柑科山柑屬。續(xù)隨子的葉身厚、對(duì)生、呈鵝卵形，有大大的白色到粉白色的花朵。

續(xù)隨子原產(chǎn)地中海，其種子中富含類似石油的甾醇成分，可以直接作為生物柴油使用。它的種子還含有大量的生物活性成分，具有很大的藥用價(jià)值。續(xù)隨子的生物有效成分和甾醇成分可以通過(guò)連續(xù)提取成功分離，這樣既能實(shí)現(xiàn)其種子成分的最大效益化，保證藥用價(jià)值，又能減少生物柴油使用過(guò)程中產(chǎn)生的有害副產(chǎn)物。

續(xù)隨子莖中所含有效成分會(huì)隨著自身生長(zhǎng)而逐漸減少，并喪失其較高的生物能源價(jià)值，因此需要注意有效成分的提取時(shí)間。

對(duì)續(xù)隨子在石縫、巖岸等惡劣環(huán)境條件下的生長(zhǎng)研究結(jié)果表明即便在很多極端環(huán)境條件下，續(xù)隨子也能夠很好地適應(yīng)，并且能夠保證相應(yīng)產(chǎn)量。這為能源的產(chǎn)出提供了保證，同時(shí)也為一些退化環(huán)境的修復(fù)提供了研究方向。從另一種角度來(lái)看，高效陸生能源植物并不一定非要是產(chǎn)量相當(dāng)大的植物，只要是能夠在一些其他植物不能生長(zhǎng)或者生長(zhǎng)不好的環(huán)境中保持有效產(chǎn)出的植物，也能夠作為有效的植物來(lái)使用。

（2）綠玉樹(shù)（Euphorbia tirucalli）

別稱光棍樹(shù)、綠珊瑚、青珊瑚、鐵樹(shù)、鐵羅、龍骨樹(shù)、神仙棒、龍骨樹(shù)、乳蔥樹(shù)、白蟻樹(shù)等，是大戟科大戟屬植物，一種熱帶灌木或小喬木，可高達(dá)2～9m，耐旱，耐鹽和耐風(fēng)，好光照，能于貧瘠土壤生長(zhǎng)，但是對(duì)溫度要求較高（需要25～30℃）。全株分泌的白色乳液與石油成分接近，富含12種烴類物質(zhì)，而且不含硫，可直接與其他物質(zhì)混合成原油，亦可作為生產(chǎn)沼氣的原料。由于從續(xù)隨子中提取的生物柴油通常都含有硫，因此通過(guò)綠玉樹(shù)獲得的生物柴油的產(chǎn)量和成分比續(xù)隨子要好。

綠玉樹(shù)生物柴油成分的主要來(lái)源是其白色乳液，但是乳液具有較強(qiáng)的毒性和刺激性，接觸皮膚可引起皮膚發(fā)炎、紅腫、痛癢和膿包。很多研究都已經(jīng)證實(shí)，乳液成分能夠降低免疫系統(tǒng)對(duì)特定病毒的抗性，這對(duì)其生物柴油成分的提取、運(yùn)輸以及應(yīng)用等環(huán)節(jié)的條件提出了較高的要求。

（3）西谷椰子（Metroxylon sagu）

棕櫚科、西谷椰子屬。原產(chǎn)于印度尼西亞的摩鹿加群島與巴布亞新幾內(nèi)亞群島。常綠喬木，莖干單生，高達(dá)10～20m。性喜高溫高濕，陽(yáng)光充足的生長(zhǎng)環(huán)境，不耐寒，生長(zhǎng)溫度為24～30℃，對(duì)土壤要求不嚴(yán)，但以疏松肥沃、排水良好的土壤生長(zhǎng)最佳。西谷椰子可用于諸多場(chǎng)所的綠化種植，也可作為食物，但在其原產(chǎn)地更重要的是作為一種重要的經(jīng)濟(jì)植物來(lái)種植。

長(zhǎng)期以來(lái)，西谷椰子都被認(rèn)為是一種高效的生物柴油來(lái)源，但是由于也同時(shí)被應(yīng)用于其他很多方面，例如作為生物活性成分的來(lái)源、淀粉的來(lái)源、食物來(lái)源，因此在生物柴油方面的利用反而研究較少。

由于西谷椰子在其產(chǎn)地是一種重要的糧食來(lái)源，將其作為生物柴油的來(lái)源很容易引起車與人爭(zhēng)糧食的爭(zhēng)議；其次，西谷椰子在生長(zhǎng)初期會(huì)合成生物活性成分，而此時(shí)尚未產(chǎn)生生物柴油，因此為了提取生物活性成分而進(jìn)行的收割就會(huì)嚴(yán)重影響后續(xù)的植物產(chǎn)量，導(dǎo)致生物柴油的來(lái)源不足；第三，在現(xiàn)有條件下通常難以對(duì)西谷椰子中含有的生物柴油成分提取完全，殘?jiān)矔?huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生較為嚴(yán)重的污染，盡管西谷椰子對(duì)環(huán)境污染治理效果較好，但是用來(lái)進(jìn)行生物柴油的提取會(huì)產(chǎn)生二次污染，這種負(fù)面效應(yīng)是其他利用方式不會(huì)帶來(lái)的，因此，尚需進(jìn)一步研究如何在生物柴油的利用中避免這一副作用。

通過(guò)對(duì)西谷椰子的大量生物學(xué)研究表明，這種植物具有在各種環(huán)境條件下生長(zhǎng)的潛力，而且在不同的環(huán)境條件下表現(xiàn)出的生物學(xué)活性也各有不同，或許將來(lái)西谷椰子的綜合環(huán)境治理意義要超過(guò)單一生物柴油生產(chǎn)者的意義。

（4）西蒙得木（Simmondsia chinensis）

又名“火火巴樹(shù)”“霍霍巴”“油油巴”，雙子葉植物綱，西蒙得木科唯一種。常綠灌木，根系發(fā)達(dá)，極耐干熱，適宜生長(zhǎng)在年降雨量600mm，年均溫22℃以上的地區(qū)。生長(zhǎng)期達(dá)100～200年，3年期結(jié)果，每年2次開(kāi)花結(jié)果。原產(chǎn)美國(guó)，曾被美國(guó)譽(yù)為“沙漠克星”，其果實(shí)榨出的油被譽(yù)為“液體黃金”，是航空、航天及精密儀器專用高級(jí)潤(rùn)滑油。果實(shí)所含油脂成分類似于抹香鯨蠟成分，具有燃點(diǎn)高、沸點(diǎn)低的特性。

國(guó)內(nèi)外對(duì)西蒙得木的油脂成分產(chǎn)出、提取以及該植物本身的生長(zhǎng)研究由來(lái)已久。1978年開(kāi)始，中國(guó)就已經(jīng)對(duì)西蒙得木的引種以及育種和種植進(jìn)行了大量的研究。西蒙得木在干旱、高溫、鹽堿、貧瘠土壤等惡劣的環(huán)境條件下都表現(xiàn)出了良好的農(nóng)藝特性，但是，由于植物的生長(zhǎng)受到土壤黏性限制，要求排水、透氣良好，目前只是在云南有較大規(guī)模的種植和應(yīng)用。

（5）巴西橡膠樹(shù)（Hevea brasiliensis）

俗名橡膠、膠樹(shù)，大戟科橡膠樹(shù)屬，熱帶雨林喬木中唯一的栽培種。巴西橡膠樹(shù)具有質(zhì)量好、產(chǎn)量高、采膠容易、經(jīng)濟(jì)壽命長(zhǎng)、膠乳再生快等優(yōu)點(diǎn)，為世界上大規(guī)模種植產(chǎn)膠樹(shù)種。

該樹(shù)種以其橡膠產(chǎn)出而聞名，是真正意義上的工業(yè)樹(shù)種。長(zhǎng)久以來(lái)，巴西橡膠樹(shù)并未被認(rèn)為能夠合成生物石油，但實(shí)際上在該樹(shù)種中橡膠的合成代謝過(guò)程卻正是建立在生物石油的合成代謝途徑上的。巴西橡膠樹(shù)的橡膠產(chǎn)出主要來(lái)源于樹(shù)干，種子中卻富含石油成分，這或許是因?yàn)榉N子中缺少將石油成分繼續(xù)合成為橡膠的代謝途徑所致，如何提高種子的產(chǎn)量以及其中的生物柴油產(chǎn)出將會(huì)是今后的研究方向。

（6）黃連木（Pistacia chinensis Bunge）

漆樹(shù)科黃連木屬有9個(gè)種和1個(gè)變種，中國(guó)僅有1種黃連木即中國(guó)黃連木，為木本油料及用材林樹(shù)種，種子含油量40%以上，是一種不干性油，可作工業(yè)原料或食用油。

黃連木在中國(guó)有大面積的分布，如河南省30萬(wàn)畝（1畝≈666.7平方米），河北省50萬(wàn)畝，安徽省60萬(wàn)畝，陜西省30萬(wàn)畝。山東、江蘇、湖北、湖南、福建、江西、浙江等11個(gè)省都有片林分布。用黃連木種子作原料生產(chǎn)的生物質(zhì)燃料油主要物理化學(xué)指標(biāo)達(dá)到美國(guó)生物質(zhì)燃料油以及中國(guó)輕質(zhì)燃料油標(biāo)準(zhǔn)，在中國(guó)已經(jīng)有了大量的生產(chǎn)。

陸生植物中還有很多富含生物柴油的種類，我國(guó)中科院植物所對(duì)陸生植物中富含生物柴油的種類進(jìn)行了大量的發(fā)掘工作，這里列出的僅僅是幾種具有代表性的植物。從生理來(lái)源上來(lái)講，植物中的生物柴油成分一般有兩個(gè)途徑：其一是生長(zhǎng)發(fā)育所必須的代謝途徑，種子和果實(shí)中的生物柴油來(lái)源即是如此，它主要是為了種子萌發(fā)；其二是來(lái)自于植物的次生代謝，主要是為了對(duì)抗環(huán)境脅迫。由于種種原因，或是因?yàn)榇紊x同時(shí)產(chǎn)生的毒性物質(zhì)，或是因?yàn)橹参镌谄渌矫娴慕?jīng)濟(jì)價(jià)值更高，都嚴(yán)重限制了生物柴油的廣泛應(yīng)用。但是這些植物中有關(guān)生物柴油代謝的特定基因可以為近似屬種的植物提供基因樣本，通過(guò)轉(zhuǎn)基因方法產(chǎn)生出更多的富含生物柴油的植物。由于這方面的研究進(jìn)展較快，相信很快就會(huì)有適應(yīng)環(huán)境廣、產(chǎn)量大的轉(zhuǎn)基因植物問(wèn)世。

與此同時(shí)，農(nóng)學(xué)改進(jìn)研究也是不容忽視的。通過(guò)農(nóng)業(yè)工藝擴(kuò)大這些植物的種植范圍，在現(xiàn)有生產(chǎn)條件下實(shí)現(xiàn)較高的產(chǎn)出，既可降低研究投入，同時(shí)也能規(guī)避轉(zhuǎn)基因方法的生物風(fēng)險(xiǎn)。農(nóng)學(xué)工藝的改進(jìn)需要較高的種植經(jīng)驗(yàn)，這正是我國(guó)在植物研究方面的強(qiáng)項(xiàng)。

在生物學(xué)領(lǐng)域，我國(guó)長(zhǎng)期以來(lái)將關(guān)注點(diǎn)過(guò)多的傾向于一些高精尖的領(lǐng)域，但是將這些領(lǐng)域的研究成果需要一個(gè)較長(zhǎng)的過(guò)程才能進(jìn)行實(shí)際轉(zhuǎn)化，比較而言，在現(xiàn)有條件下，經(jīng)驗(yàn)性的、農(nóng)藝的研究則可以很快地轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，其現(xiàn)實(shí)意義也更強(qiáng)，這既需要國(guó)家在投入上轉(zhuǎn)向，也需要廣大科研人員轉(zhuǎn)變思想，通過(guò)結(jié)合優(yōu)厚的科研條件與我國(guó)薄弱的生產(chǎn)條件，走出一條適合我國(guó)國(guó)情的生物柴油發(fā)展之道。

3.1.4.2 多糖成分高產(chǎn)植物

通過(guò)酵母能夠很輕易地將生物多糖成分轉(zhuǎn)變?yōu)橐掖迹@能夠很好地緩解世界性的能源短缺問(wèn)題，同時(shí)能夠避免大量使用化石能源所帶來(lái)的環(huán)境污染。生物乙醇的產(chǎn)生來(lái)源主要有兩種，分別稱為第一代生物乙醇和第二代生物乙醇。第一代生物乙醇中淀粉是多糖成分的來(lái)源，而第二代生物乙醇纖維素是多糖成分的來(lái)源。

（1）富含高糖、高淀粉的植物

這類植物的種類比較多，而且分布廣，主要是一些糧食性作物，例如木薯、馬鈴薯、菊芋、甜菜、甘蔗、高粱、玉米等。

① 木薯（Manihot esculenta） 又稱樹(shù)薯，大戟科植物，亞灌木，根部含有豐富的淀粉，可以食用。塊根中含氫氰酸，要先刮去外皮，煮熟后才能食用，全世界有8億人將木薯作為主要營(yíng)養(yǎng)來(lái)源。

木薯根部含有豐富的淀粉，很早就有關(guān)于木薯淀粉的乙醇應(yīng)用研究了，盡管木薯淀粉的生物乙醇生產(chǎn)意義很大，但是，應(yīng)當(dāng)指出的是這一植物的食用價(jià)值更高，顯然，在很多不適宜其他糧食作物大量生長(zhǎng)的地方，木薯不失為一種良好的糧食來(lái)源。

② 馬鈴薯（Solanum tuberosum） 在我國(guó)通常根據(jù)地區(qū)習(xí)慣又被稱為土豆、山藥蛋、洋山芋、薯仔等，多年生草本，但作一年生或一年兩季栽培，是除了谷物以外，目前世界上用作人類主食的最重要的糧食作物，主要食用其含有大量碳水化合物、蛋白質(zhì)、礦物質(zhì)（磷、鈣等）、維生素等營(yíng)養(yǎng)成分的地下塊莖。可以作主食，也可以作為蔬菜食用。

近年來(lái)，在發(fā)達(dá)國(guó)家尤其是美國(guó)，馬鈴薯逐漸成為了乙醇的重要來(lái)源，土豆乙醇已經(jīng)成為一個(gè)成熟的工業(yè)體系。但是，盡管富含淀粉，馬鈴薯顯然是比木薯更為重要的糧食作物，它在全球糧食產(chǎn)量中的比例不言而喻，發(fā)達(dá)國(guó)家以土豆、玉米為原料來(lái)生產(chǎn)乙醇已經(jīng)引起了全球的糧食價(jià)格上漲。

但是如果深入考察馬鈴薯的生長(zhǎng)條件，也許乙醇生產(chǎn)與糧食生產(chǎn)并不一定是天然沖突的。馬鈴薯可以種植于貧瘠土地并對(duì)土地加以改良，從而提高土地的產(chǎn)出，這對(duì)特定地區(qū)的糧食生產(chǎn)有重要意義，在糧食轉(zhuǎn)運(yùn)、儲(chǔ)存成本較高的地區(qū)尤其如此。其次，馬鈴薯能夠較好地去除土壤中的重金屬、有機(jī)污染物等，此外，馬鈴薯對(duì)土壤中的放射性元素也有很好的富集作用，它在凈化土壤、恢復(fù)耕地中有很好的先遣意義，在這些條件下生產(chǎn)的馬鈴薯并不能作為食物食用，卻是很好的生物乙醇來(lái)源，同時(shí)還能通過(guò)生物乙醇的生產(chǎn)過(guò)程對(duì)重金屬和放射性物質(zhì)進(jìn)行富集并最終進(jìn)行集中處理。

③ 菊芋（Helianthus tuberosus） 也稱洋姜、鬼子姜，菊科向日葵屬宿根性草本植物，其地下塊莖富含淀粉、菊糖，可以食用，也可鹽漬，或作制取淀粉和酒精的原料。

由于其地下塊莖的產(chǎn)量并不如馬鈴薯那么高，而且種植范圍也沒(méi)有馬鈴薯那么普及，所以菊芋更多的作為實(shí)驗(yàn)室中的淀粉類和生物活性成分研究的模式植物。

④ 甜菜（Beta vulgaris） 是熱帶甘蔗以外的一個(gè)主要糖來(lái)源，一種兩年生草本植物，主根為肉質(zhì)塊根，含糖分，可以生產(chǎn)砂糖，喜涼爽氣候。

⑤ 甘蔗 甘蔗屬（Saccharum）的總稱，禾本科單子葉植物，一年生或多年生草本；是制造蔗糖的原料，且可提煉乙醇作為能源替代品。甘蔗適合栽種于陽(yáng)光充足、土壤肥沃、冬夏溫差大的地方，是溫帶和熱帶農(nóng)作物。

由于甜菜和甘蔗中富含很高的糖分，因此它們可以直接通過(guò)發(fā)酵的方式生產(chǎn)生物乙醇，而不需要經(jīng)過(guò)其他淀粉類作物必須的水解過(guò)程。

⑥ 高粱（Sorghum bicolor） 禾本科，一年生高大草本植物。高粱釀酒沒(méi)有其他干擾味道，適合釀造中國(guó)白酒，中國(guó)白酒中質(zhì)量最高的品牌幾乎都是用高粱釀造的。毋庸置疑，高粱的生物乙醇生產(chǎn)在中國(guó)已經(jīng)有了相當(dāng)長(zhǎng)的歷史，但是由于其在釀酒中的特殊用途，在中國(guó)用高粱生產(chǎn)作為能源的生物乙醇并不是合適的方法。

⑦ 玉米（Zea mays） 亦稱玉蜀黍、包谷、苞米、棒子，一年生草本；根系強(qiáng)大，有支柱根；稈粗壯；線形披針形葉子寬大；花單性、雌雄同株。玉米是重要的糧食作物，也是美國(guó)用來(lái)生產(chǎn)生物乙醇的最大來(lái)源。

富含高糖、高淀粉的植物不僅包括以上的一些植物，事實(shí)上，主要的糧食作物都可以作為此類能源植物，例如大米、小麥等。在酵母的作用下它們所生產(chǎn)的淀粉可以通過(guò)較為簡(jiǎn)單的過(guò)程就轉(zhuǎn)化為乙醇，同時(shí)還可以產(chǎn)生諸如微生物蛋白質(zhì)和脂類等副產(chǎn)品，都可以產(chǎn)生較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

在此類作物的生物乙醇轉(zhuǎn)化過(guò)程中，目前最重要的研究對(duì)象并不是作物本身的種植生長(zhǎng)，而是集中在轉(zhuǎn)化過(guò)程中的新方法和效率提升上，由于此方面的研究眾多，在此不再贅述。盡管如此，由于此類作物都是重要的糧食作物，所以它們的生物乙醇生產(chǎn)導(dǎo)致了眾多爭(zhēng)議。國(guó)際貨幣基金組織和世界銀行2010年4月23日聯(lián)合發(fā)布報(bào)告說(shuō)，從1970年有饑餓人口數(shù)字記錄以來(lái)，全球饑餓人口在2009年首次突破10億，比2008年增加了1億人，約占世界總?cè)丝诘?/6，到2015年全球?qū)⑷杂屑s9.2億極度貧困人口。而發(fā)達(dá)國(guó)家利用淀粉類作物生產(chǎn)乙醇，占據(jù)了大量本應(yīng)用來(lái)生產(chǎn)糧食的耕地，導(dǎo)致了汽車跟人爭(zhēng)奪糧食的結(jié)果。盡管有很多研究關(guān)注于在貧瘠土地上的作物生產(chǎn)并實(shí)現(xiàn)淀粉乙醇的轉(zhuǎn)化，但是這些作物同時(shí)也能作為當(dāng)?shù)厝丝诘募Z食，耕地的緊張局面依然不會(huì)由于這種開(kāi)發(fā)有所緩解。更為重要的是，與其他類型的能源植物相比，在污染脅迫下，這些作物的產(chǎn)量可能會(huì)減少更多，應(yīng)用于環(huán)境污染治理的綜合效果可能比其他類型的能源植物要差很多，難以實(shí)現(xiàn)綜合治理。

（2）富含纖維素的植物

第二代燃料乙醇的最大優(yōu)點(diǎn)就在于它不會(huì)產(chǎn)生所謂的“汽車與人競(jìng)爭(zhēng)口糧”的問(wèn)題。總體來(lái)說(shuō)，纖維素是地球上最豐富的可再生資源，據(jù)測(cè)算年總產(chǎn)量高達(dá)1500×108t，蘊(yùn)儲(chǔ)著巨大的生物質(zhì)能（2.89×1016kJ）。我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，作物秸稈（如稻草、麥稈等）的年產(chǎn)量非常巨大（年產(chǎn)可達(dá)7×108t左右，相當(dāng)于5×108t標(biāo)煤），據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前的秸稈利用率為33%，而經(jīng)過(guò)一定技術(shù)處理后利用的僅占2.6%，其余大部分只是作為燃料等直接利用，開(kāi)發(fā)前景非常廣闊。由于纖維素的單體組成依然是各種單糖，因此對(duì)纖維素進(jìn)行降解，然后用來(lái)生產(chǎn)燃料乙醇就顯得尤其有誘惑力了。

一直以來(lái)，對(duì)纖維素的認(rèn)識(shí)都是來(lái)自于木本植物的次生壁。木本植物生長(zhǎng)時(shí)，次生壁在合成纖維素的同時(shí)，也在纖維素的切面上積累攜帶苯環(huán)結(jié)構(gòu)的木質(zhì)素，正是這些木質(zhì)素將半纖維素和纖維素平面牢固的結(jié)合在一起，再加上纖維素本身的結(jié)晶效應(yīng)，使得同為葡萄糖單體的聚合物的纖維素?zé)o法像淀粉那樣很輕易地轉(zhuǎn)化為葡萄糖單體，從而也無(wú)法轉(zhuǎn)化為生物乙醇。但是在草本植物中，由于纖維素中的木質(zhì)素含量較少，可以在現(xiàn)有條件下轉(zhuǎn)化為單糖，繼而實(shí)現(xiàn)纖維素乙醇的工業(yè)化生產(chǎn)。秸稈又稱禾稈草，是指水稻、小麥、玉米等禾本科農(nóng)作物成熟脫粒后剩余的莖葉部分，其中水稻的秸稈常被稱為稻草、稻藁，小麥的秸稈則稱為麥稈，而高粱、玉米等收割完畢后的高大的莖稈通常就稱為秸稈。在國(guó)外，在糧食作物收割完畢后通常對(duì)秸稈進(jìn)行粉碎加工，再作為有機(jī)肥料施加到農(nóng)田里去。隨著國(guó)內(nèi)農(nóng)業(yè)的發(fā)展，這種對(duì)秸稈的綜合利用方式也逐漸推廣開(kāi)來(lái)。在中國(guó)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)中，秸稈通常是作為家庭燃料來(lái)使用的，這種利用方式加劇了中國(guó)農(nóng)業(yè)對(duì)化肥的依賴性，導(dǎo)致了耕地的嚴(yán)重退化。

在目前尚不清楚土地輪作方式下的秸稈回用對(duì)土壤營(yíng)養(yǎng)價(jià)值的保持意義，特別是在與豆科植物輪作的情況下，這使得秸稈在其他方面的綜合利用成為可能。秸稈中的木質(zhì)纖維素比例較少，就玉米秸稈為例，木質(zhì)素的含量一般為15%～20%，而纖維素含量則一般在40%以上，半纖維素的含量一般在15%～20%之間，木質(zhì)素的含量較之木本植物的要少，在轉(zhuǎn)化過(guò)程中結(jié)構(gòu)更容易破壞，所以有很多的研究集中于秸稈的使用上。

（1）芒草（Miscanthus）

是各種芒屬植物的統(tǒng)稱，含有約15～20個(gè)物種，屬禾本科。一部分的芒屬植物，如中國(guó)芒與巨芒，已經(jīng)被當(dāng)作能源作物來(lái)生產(chǎn)生物燃料，主要產(chǎn)物為酒精。

芒草的優(yōu)點(diǎn)在于其適應(yīng)環(huán)境廣，在各種條件下都能夠很好地生長(zhǎng)，部分芒草（例如中華芒）生長(zhǎng)迅速，能夠在2～3個(gè)月的生長(zhǎng)期內(nèi)達(dá)到成熟，莖稈中的纖維素含量達(dá)到工業(yè)利用要求，這對(duì)大量的生物乙醇制造和燃燒需求都是很有意義的。芒草植株如圖3-1所示。

（2）皇竹草（Pennisetum hydridum）

為多年生禾本科植物，直立叢生，具有較強(qiáng)的分蘗能力，單株每年可分蘗80～90株。皇竹草是非洲狼尾草和象草雜交育成的品種，具有適應(yīng)性廣、抗逆性強(qiáng)、產(chǎn)量高、粗蛋白和糖分含量高的特點(diǎn)。適宜在熱帶、亞熱帶和我國(guó)南方栽培。

用于養(yǎng)殖行業(yè)的皇竹草生長(zhǎng)周期一般為2～3個(gè)月，3個(gè)月之后由于蛋白質(zhì)成分急劇減少，而纖維素成分迅速增加，因此不再適合作為飼料。皇竹草在6個(gè)月左右的時(shí)間達(dá)到60%左右的纖維素含量，此時(shí)可以用于生產(chǎn)生物乙醇。皇竹草植株如圖3-2所示。

（3）苧麻（Boehmeria）

屬蕁麻科植物，為多年生草本宿根植物，可活數(shù)十年。地下部分由根和地下莖形成麻兜。苧麻的獨(dú)特性在于它可以在偏堿性的土壤上生長(zhǎng)，與常見(jiàn)的糧食作物生長(zhǎng)環(huán)境有較好的互補(bǔ)性，缺點(diǎn)在于它對(duì)土壤的透氣性要求較高。苧麻是目前已知的年產(chǎn)量最高的草本纖維素作物，其纖維素含量可以達(dá)70%～80%，除木本植物外，僅有棉纖維的含量比苧麻的高。

目前研究較多的是苧麻的燃燒以及熱解實(shí)驗(yàn)，由于苧麻纖維素的結(jié)晶程度較高，在生物乙醇利用上還需要更多的研究。

20世紀(jì)90年代開(kāi)始，利用纖維素生產(chǎn)乙醇就已經(jīng)成為了一個(gè)國(guó)際性的研究熱點(diǎn)，這主要是由于全球每年有巨大的纖維素產(chǎn)量和廢棄量，如果用來(lái)生產(chǎn)生物乙醇，將會(huì)節(jié)省大量的糧食作物。但是迄今為止，纖維素乙醇的產(chǎn)量仍然沒(méi)有達(dá)到工業(yè)化的程度，這主要是因?yàn)橥矸勖赶啾容^起來(lái)，纖維素酶在降解能力上遠(yuǎn)不能達(dá)到實(shí)用要求，而且相關(guān)的預(yù)處理方法還有待深入的研究。當(dāng)然，關(guān)于纖維素的能源利用，還有其他的方法。苧麻植株如圖3-3所示。

纖維素作物的重要意義不僅在于其能夠產(chǎn)生大量的纖維素，固然，這些纖維素可以用于生產(chǎn)生物乙醇和其他新型燃料，例如通過(guò)氣化產(chǎn)生燃?xì)猓蛘咄ㄟ^(guò)粉碎產(chǎn)生微米燃料，不論何種利用方式，纖維素作物都可以實(shí)現(xiàn)能源產(chǎn)出過(guò)程中的溫室氣體零排放。

但是，纖維素作物的意義更多地存在于對(duì)環(huán)境條件的改善上，特別是在修復(fù)污染土地方面。此類作物環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、產(chǎn)出量大，既可作為環(huán)境改良的先遣植物，還能對(duì)土壤和水環(huán)境有很好的修復(fù)作用，同時(shí)還能夠大量吸收空氣中的重金屬和有機(jī)污染物，有著重要的生態(tài)學(xué)意義。