森林植物生命能源開發(fā)與利用研究綜述

許恒勤，安立華，許 譚，李 艷

(1.東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱 150040;2.黑龍江省林業(yè)科學(xué)院，哈爾濱 150040)

生命能源一直是人類賴以生存的重要能源，是一種可再生的能源。但目前大多以傳統(tǒng)的直接燃燒方式為居民提供生活用能，其特點(diǎn)是利用率低，浪費(fèi)嚴(yán)重?，F(xiàn)代的生命能源利用 (主要是生物質(zhì)能源)是通過一系列先進(jìn)的轉(zhuǎn)換技術(shù)，生產(chǎn)出固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)等高品位能源替代石化燃料，為人類生產(chǎn)、生活提供終端能源產(chǎn)品。生命能源的開發(fā)與利用對(duì)緩解能源危機(jī)、保護(hù)生態(tài)環(huán)境、實(shí)現(xiàn)人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義和長(zhǎng)遠(yuǎn)意義。

1 生命能源研究現(xiàn)狀

人類的發(fā)展與其它生命密切相關(guān)。人類對(duì)于馬的馴服，以每小時(shí)60 km的速度，使其活動(dòng)的空間擴(kuò)大到900～1 000 km2。這對(duì)于自身的文化和貿(mào)易交流，不同種群、族群的融合，時(shí)間和空間的交換更快，從而加速了人類的文明與進(jìn)步。牛耕技術(shù)始于何時(shí)，范文瀾《中國通史》、郭沫若《中國史稿》認(rèn)為牛耕始于商代，甲骨文中的犁字即有牛的雛形。有文字可考的牛馴服歷史可以追溯到2000多年以前。有史考據(jù)的是相傳5000年前的黃帝時(shí)期牛已被馴服，并使用于畜力，但考古發(fā)現(xiàn)尚未得到有力支持。人類馴服馬的歷史相傳6000年以上，可見牛馬對(duì)于人類的文明發(fā)展具有相當(dāng)重要的作用。當(dāng)然不只是牛和馬，還有驢、騾、豬、羊、雞、鴨、鵝、狗和貓等。這里要說的是作為家畜、家禽的動(dòng)物與人類的文明是不可分割的。馬的奔跑速度是其生命能源的應(yīng)用。馬車?yán)突蚶?，既是?duì)速度的利用也是對(duì)其力的應(yīng)用。牛也是同樣。也就是說，動(dòng)物能源的利用具有悠久的歷史，無論是戰(zhàn)爭(zhēng)還是運(yùn)輸，都起到了巨大的作用。

科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是近百年來的突飛猛進(jìn)，牛馬之類的動(dòng)物能源應(yīng)用快速萎縮。各種交通運(yùn)輸工具，無論是速度還是載量都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了牛和馬的能力。載量幾萬噸、幾十萬噸的船舶，時(shí)速從50 km到500 km的火車，各種噸位的汽車以及航空航天裝備，為人類歷史的發(fā)展開創(chuàng)了先河。

然而各種運(yùn)輸工具使用的能源大多對(duì)環(huán)境有污染，無論是石油、煤炭，還是天然氣，釋放能量的過程中會(huì)有大量的碳排放。我國每年發(fā)電3萬億度，按80%為火電計(jì)算，2.4萬億度電耗煤占全國煤炭消費(fèi)總量的50%。到2010年，中國汽車保有量達(dá)到5500萬輛，平均按每輛車日耗油4 L計(jì)，全國日耗油2.2億L。按1°電排放0.997 kg CO2，0.272 kg C，1 L汽油排放2.3 kg CO2，0.627 kgC計(jì)算，這兩項(xiàng)年排放分別為CO27.45億kg和654/億kgC，可見碳排放大戶首先是發(fā)電，汽車排放數(shù)量也很可觀，特別是2009年汽車銷售超過1300萬輛，2010年會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過2009年，其它還有船舶航空等［1］，由此可見碳排放關(guān)系到新能源的開發(fā)利用。

2 生命能源的含義及其開發(fā)利用

2.1 生命能源的含義

石油、煤炭、天然氣能源，通過考證均為生命能源。在一定地下深度，動(dòng)植物的尸體經(jīng)過成千上萬年的物理化學(xué)反應(yīng)后形成石油，水中浮游的動(dòng)、植物或稱腐泥型有機(jī)質(zhì)生成天然氣，除此以外還有高等植物或腐植型有機(jī)質(zhì)。而煤炭則主要是由樹木經(jīng)過數(shù)千萬年的物理變化和化學(xué)變化而形成的?？梢?，現(xiàn)在利用的能源絕大部分是生命能源或生命延續(xù)產(chǎn)生的能源，這里稱為生命遺留能源［2］。

生命能源具有繁衍、孕育、呼吸、成長(zhǎng)、發(fā)育及衰弱死亡的特征。在整個(gè)生產(chǎn)過程中離不開水、空氣和陽光等撫育和滋潤(rùn)。死亡后如果條件適宜又會(huì)產(chǎn)生新的生命延續(xù)能源。而水、陽光和空氣的合理利用，又給生命帶來了新的能源，如水力發(fā)電、太陽能發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電等。

生命能源主要分為動(dòng)物生命能源和植物生命能源兩類。動(dòng)物生命能源又可以分為鮮活生命能源和遺留生命能源。而正在生長(zhǎng)發(fā)育的生命能源可以稱為鮮活生命能源。植物生命能源可分為鮮活植物生命能源和遺留植物生命能源。遺留植物生命能源又分為遠(yuǎn)期遺留植物生命能源和近期遺留植物生命能源。遺留動(dòng)物生命能源也應(yīng)該分成遠(yuǎn)期和近期兩種。遠(yuǎn)期遺留動(dòng)物生命能源和遠(yuǎn)期遺留植物生命能源可以理解為石油、煤炭和天然氣等;近期遺留動(dòng)物生命能源和近期遺留植物生命能源可以理解為動(dòng)物骨骼、木乃伊和干燥的植物根莖葉等［2］。當(dāng)然，也可以有第三種生命能源，如微生物生命能源，但這里不是主要研究?jī)?nèi)容。這樣，遺留生命能源的利用會(huì)產(chǎn)生碳排放，對(duì)環(huán)境和生態(tài)產(chǎn)生不利影響，如全球氣候變暖等。而鮮活生命能源的開發(fā)利用，產(chǎn)生的碳排放可大大降低。鮮活動(dòng)物生命能源的利用已有數(shù)千年的歷史，但多為初級(jí)或較簡(jiǎn)單的利用。而近期遺留植物生命能源的利用數(shù)量不多，質(zhì)量很低。如某些針葉喬木、綠葉及枝干即可生火取暖燒飯，如能采取某些先進(jìn)或科學(xué)的方法或手段進(jìn)行鮮活植物生命能源的利用，碳排放有可能降低到零，這是對(duì)環(huán)境、對(duì)生態(tài)、對(duì)人類的巨大貢獻(xiàn)。比如最近研究的熱門就是綠藻的培育和提純。綠藻生成石油的比率可達(dá)50%，是一種很有價(jià)值的低等能源植物。

2.2 生命能源的開發(fā)利用

這里強(qiáng)調(diào)的是下述植物生命能源的開發(fā)與利用。

(1)種子發(fā)芽的力測(cè)試。種子發(fā)芽是種子生命的巨大渴望，這種力有多大，草本植物、木本植物是否有區(qū)別，區(qū)別多大、低等植物和高等植物是否有區(qū)別、區(qū)別多大，相關(guān)資料幾乎沒有涉及。有一些種子外殼堅(jiān)硬，如核桃和松籽等，用工具砸開都要用很大的力，但其籽仁很小，一旦溫度、濕度適宜即可穿破堅(jiān)殼，可見其力的大小大有必要測(cè)試。知道了種子發(fā)芽產(chǎn)生的力的大小以及變化規(guī)律，就有可能利用種子發(fā)芽這一功能，為人類文明、進(jìn)步服務(wù)。種子發(fā)芽力的測(cè)試涉及到種子發(fā)芽的條件、種子的選定、種子力測(cè)試裝置的設(shè)計(jì)、不同種子不同時(shí)間不同力的測(cè)量記錄分析計(jì)算等，一套完整的測(cè)試系統(tǒng)需要規(guī)劃設(shè)計(jì)。

(2)喬木生長(zhǎng)階段徑級(jí)增加產(chǎn)生的力的測(cè)定。速生豐產(chǎn)樹種如梧桐、毛白楊及非洲黑楊等，生長(zhǎng)速度快，據(jù)相關(guān)資料記載［3］，6年生毛白楊及非洲黑楊等胸徑可達(dá)30 cm，10年可達(dá)40 cm［4］，當(dāng)然這些樹種的生長(zhǎng)需要相關(guān)的立地條件，如長(zhǎng)江或黃河中下游，溫濕度及地位級(jí)合適等［8－11］。對(duì)于一些優(yōu)勢(shì)樹種，生長(zhǎng)成熟年限可能很長(zhǎng)，也就是說生長(zhǎng)緩慢，但無論生長(zhǎng)快慢，直徑方向的增加都會(huì)產(chǎn)生力的變化，這個(gè)力有多大，不同樹種、不同樹齡、不同地域有哪些區(qū)別，相同樹種、不同高度，徑級(jí)增大產(chǎn)生的力的變化是否有區(qū)別，區(qū)別有多大，這些都是未知的問題。一旦這些力的大小測(cè)定結(jié)果明確，即可以考慮如何利用。比如沿著公路栽種某些樹種，以其直徑增長(zhǎng)變化發(fā)生的動(dòng)能進(jìn)行發(fā)電，那么路邊的綠化就有可能成為路燈的電光源。一片森林靠其林木生長(zhǎng)直徑變化進(jìn)行發(fā)電，完全有可能實(shí)現(xiàn)。

(3)木材變形漲縮力的測(cè)定。原木、板方材在不同溫度、濕度的作用下，由于干燥速度的不均勻，會(huì)產(chǎn)生不均勻的漲縮［5，6］，從表象上看是木材的劈烈或漲大，這種漲縮的力有多大，樹種不同、材種不同、光照不同、溫濕度變化不同，膨脹的力是如何變化的，這方面的有關(guān)資料很難查到。如能得到這些力的變化規(guī)律，經(jīng)過充分利用，無疑得到的是清潔能源。如在我國南方某些地區(qū)，水量充足，氣溫偏高，能夠利用木材干濕的變化產(chǎn)生的力做功，完全有可能得到碳排放很低的能源。

生命能源的利用取得了大量的應(yīng)用成果。如利用人們穿著的鞋來發(fā)電，平均一雙鞋可以發(fā)出20 W的能量［7］，這也是一種低碳排放的裝備。現(xiàn)今比較熱門的生物質(zhì)能源開發(fā)利用，主要是利用作物秸桿、根葉或樹木的剩余物如樹葉、樹根，或采伐、造材和制材剩余物進(jìn)行發(fā)電、制沼、飼料和保溫墻體等，實(shí)際上都屬于生命能源的利用。

3 結(jié)論

可持續(xù)發(fā)展的循環(huán)經(jīng)濟(jì)要求盡可能低的碳排放。生命能源的利用和開發(fā)必將得到迅速發(fā)展。只有這樣，才能對(duì)環(huán)境、對(duì)生態(tài)、對(duì)人類社會(huì)有所貢獻(xiàn)。

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