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1.引言

要想用生物質能源替代傳統化石能源，必須獲得足夠的生物質資源，農業種植是最根本的途徑。不同國家和地區根據自身資源狀況，采用不同的生物質資源獲取戰略。巴西地處熱帶多雨區，種植甘蔗獲取生物資源；美國耕地面積大，種植技術發達，種植玉米獲取生物資源；北歐森林覆蓋率高，管理良好，以木材作為主要生物資源。在中國，目前有關能源植物的報道，草本的有：甜高粱、油菜、蓖麻等；木本的有：麻瘋樹、黃連木等。但是，受實際土地資源及生態穩定狀況制約，由森林或耕地進行大面積的能源植物種植，大規模、穩定地提供生物質能源幾乎是不可能的。“合理利用劣質土地種植綠色植物，獲取生物質資源，做到不與糧爭地，不與林爭山，確保生物質資源開發與糧食安全和生態安全相協調”，這是國家發改委2006年8月召開的全國生物質能開發利用工作會議確定的核心戰略原則。在我國大致有三類劣質土地：沙地、內陸鹽堿地、海洋空間，其中海洋空間又包括海濱灘涂和海洋水面。綜合分析，未來發展海洋種植業解決生物質資源來源是可行的。因為受水資源的制約，內陸沙地和內陸鹽堿地的利用是渺茫的。而海洋空間不論是海濱灘涂或是海水平面，都有充足的水資源，只不過鹽度過高，一般作物難以生長。

根據生態工程學原理，充分利用生物適應性原理，發展耐鹽植物就可以直接利用海洋空間獲取生物資源。20世紀90年代，美國國家研究委員會國際事務辦國際科技開發部（BOSTID）曾組織多國專家小組正式提出鹽土農業發展計劃，就是根據這一原理。鹽土農業以獲取食物為目標，目前的研究證明并不太理想，因為鹽土作物含鹽量和毒素，很難直接用于食品。但是，作為生物質資源開發就不存在這一問題。因此，我們提出發展海洋種植業提供生物質能源和材料。在短期內利用海涂資源發展高產鹽生植物，應當是生物質資源獲取的非常可行途徑。在更遠的未來，建設海平面漂浮平臺，開拓海洋水面空間，發展高產鹽土植物應當是最有潛力的生物質資源獲取途徑。該途徑非常符合國家關于生物質資源開發，不與糧爭地，不與林爭山的戰略原則，確保了生物質資源開發與糧食安全和生態安全相協調。本文擬通過互花米草利用及其產業鏈構建論述該途徑的可行性。

2.材料和方法

2.1互花米草

互花米草（Spartinaalterniflora）屬禾本科、虎尾草族、米草屬（Spartina）的多年生海岸鹽沼植物。互花米草原產美國東海岸，于20世紀80年代初引入中國，最初在江蘇射陽和浙江溫嶺等沿海地區試種，是為防止海岸受侵蝕和加速陸地形成而引種的，促進了其在沿海地區的大面積引種。目前，北起遼寧盤山、南至廣東電白的淤泥質海岸，都有互花米草間斷分布，面積約80～100萬畝(1畝=1/15hm2）。互花米草耐鹽、耐淹，是僅有的少數能夠直接生活在海水環境下的植物之一。本課題組的研究表明：互花米草不僅在海岸帶和河口等廣闊的潮間帶淤泥質灘涂具有高度的適應性，甚至可以利用全海水灌溉在潮上帶高鹽土壤獲得高產。

互花米草屬于C4植物，具有高效的光合作用，因此具有高效的生產力。根據課題組在蘇北和上海兩地的多年研究，互花米草單位面積地上部分收獲產量在蘇北可以達到2.5～3.0kg/m2，即1600～2000kg/畝；上海地區可以達到3～5kg/m2，即2000～3333kg/畝。目前在良好田間管理的條件下，三大傳統糧食作物及其單產(含秸稈產量）分別為：小麥500～600kg/畝，水稻600～1000kg/畝，玉米800～1200kg/畝。在沒有任何人為管理投入的條件下，互花米草幾乎達到傳統作物良好田間管理產量的2～3倍。如果輔以人工肥水管理，互花米草可以獲得更高的單位產量。

基于此，我們提出通過現代科學技術進行互花米草生物質資源的轉化，使互花米草如此高效的生產力服務和造福于人民，促進沿海居民的經濟、生活水平的提升。

2.2利用方法及其產業鏈構建

本文介紹一套互花米草利用方法及其產業鏈構建途徑。其核心技術是利用現種互花米草為原料，進行沼氣發酵預處理轉化后，制造紙漿，并獲取副產品：高純度木質素和高效有機肥。該工藝體系涵蓋了從原料收割、儲存、預處理產能、紙漿制造到紙漿黑液資源化等紙漿制造的全部工藝環節。具體工藝系統見圖1。

3.結果

3.1原料成分

互花米草生物質是一類成分非常復雜的有機質。根據課題組多年的研究，互花米草的化學構成指標大致為：灰分10%～13%，鹽量（按NaCl計）3%～5%，纖維素30%～35%，木質素18%～20%，半纖維素35%～40%，蛋白質5%～8%，粗脂肪2%～3%。但是，互花米草熱水直接提出物僅為原料的15%～20%，含40%灰分和60%有機質。

3.2直接造紙和產沼氣效果

實驗室小試研究表明：（1）互花米草直接造紙只能獲取35%～40%的纖維素，60%～65%的其他成分都進入造紙黑液。由于黑液中雜質大，黑液的堿回收或木質素的提取效益都比較差，同時互花米草生物質內在的N、P元素也溶進黑液，污染負荷非常大，處理費用高。（2）互花米草單獨用于沼氣發酵，由于厭氧微生物的自身特性，僅能夠利用互花米草中的熱抽提有機質、半纖維素的70%～80%，纖維素的10%，木質素基本不被利用。

3.3沼氣發酵和造紙梯級轉化

實驗室小試表明：（1）沼氣發酵過程中，灰分的70%～80%，N、P的80%～90%基本溶解，殘渣中纖維素含量提高到50%以上，木質素含量提高到30%以上，材料的結構也得到改善。（2）用這種材料造紙，NaOH用量由原來的16%降到12%，化學試劑消耗大幅降低。同時，按原料計算得漿率仍能夠達到35%～38%，與原料直接造紙得漿率相近，但是紙漿透水性、白度和撕裂指數等特性明顯得到改善。此外，由于灰分、半纖維素等在沼氣發酵中被消耗，造紙黑液的木質素比例和純度顯著提高，商品特性得到顯現。

4.討論

4.1海涂資源直接利用潛力巨大

我國有豐富的海岸帶鹽土資源，總面積約217.04萬公傾。目前海岸帶鹽土開發存在兩個非常普遍的問題：一是只有圍墾才能開發利用，這帶來非常大的生態風險。另一方面，由于淡水資源短缺，已經圍墾的土地不能及時開發利用，綜合效益低下。以上海為例，2001～2004年上海市灘涂造地公司在南匯海灘通過三期工程總計圍墾灘涂11萬畝，但是由于鹽度過高，目前基本處于拋荒狀態。這些土地未來除部分規劃為建設用地使用外，大部分將會因為自然脫鹽較慢短期內不能直接農耕，繼續處于拋荒狀態。

直接進行海水灌溉種植互花米草，不僅能夠利用現有80～100萬畝的互花米草自然植被生物資源，同時也可以加速灘涂鹽土資源的開發，獲取生物質資源。如果通過海水直接澆灌開發利用目前灘涂資源的50%種植互花米草，每年可以新增紙漿原料資源3255.60萬噸，可以年生產紙漿1500～1600萬噸。

此外，利用互花米草作為造紙原料進行紙漿生產，還具有原料供給穩定，成本易于控制的優勢。通過農作物秸稈和速生林的種植獲取造紙原料需要與農民打交道，而中國目前的農業是聯產承包，土地都在農民手中，與千千萬萬個農民談判原料的價格，風險非常大，而且穩定性差。而目前海涂資源基本由國家土地管理部門管理，完全可以通過國家立項實現海涂資源的連片開發，資源量穩定，只存在生產成本，不存在原料購買的議價。

4.2技術創新使該工藝途徑成為可能

本工藝所運用的生物酸化濕式儲存和轉化、厭氧發酵聯合化學蒸煮紙漿制造工藝、造紙黑液木質素生物酸化提取等技術，同濟大學生物質能源研究中心自2004年開始進行研究目前以上研究都已經完成了實驗研究，工藝技術路線完全成熟，并申報了相關專利。小規模試驗的參數可能與生產過程之間存在差異，僅需進一步擴大中試生產、校正工藝生產參數即可進行規模化生產。

生物酸化濕式儲存既不同于傳統的干燥保存，也不同于青貯濕式儲存。其無火災風險，且基本不耗能；儲存設施簡單，容易控制，可以在海灘進行簡單施工，就地儲存。因此，生物酸化濕式儲存既安全，又經濟。

生物酸化轉化不同于傳統的固體有機物沼氣轉化，也不同于固體有機物兩相沼氣發酵。傳統固體有機質沼氣發酵是把生物質在一個反應器中直接生成沼氣，進出料難，效率低，管理不便；固體有機物兩相沼氣發酵把原料管理和微生物管理分置于兩個反應器欲達到產酸與產氣的分離，但是目前的研究表明產酸與產氣的兩相分離是很難實現的。因此，這種技術只是提高發酵效率，并沒有降低管理難度，相反可能增加管理成本。

生物酸化轉化技術通過發酵環境的調控，控制微生物群系，實現開放式產酸，不僅提高效率，而且降低基礎設施投入和管理費用。此外，生物酸化轉化的抽出物不僅可以用于沼氣發酵，同時也可以用于其他生物發酵工程，拓展了生物質轉化的途徑。

利用厭氧生物酸化轉化后的生物質進行紙漿制造，我們提出了厭氧生物轉化與化學蒸煮聯合紙漿制造新工藝，這一工藝特點是生物處理與化學物理處理相結合，利用生物方法消耗了原料中非纖維有機質，提高造紙原料的纖維含量，改善了原料的結構，不僅可以降低生產單位紙漿的污染負荷，而且可以降低生產單位紙漿的能源和化學試劑消耗量。

5.結論

互花米草是一種優良的耐鹽植物，其生物量大，纖維質量高。互花米草的耐鹽、耐淹，是僅有的少數能夠直接生活在海水環境下的植物之一。不僅在海岸帶和河口等廣闊的潮間帶淤泥質灘涂具有高度的適應性，而且可以利用全海水灌溉在潮上帶高鹽土壤獲取高產。因此，在短期內利用海涂，在長遠的未來，建設海平面漂浮平臺，開拓海洋水面空間，直接種植互花米草。收獲后的互花米草通過梯級轉化，獲取能源和纖維質生物材料，是最有潛力的生物質資源獲取途徑。該思想符合國家關于生物質資源開發，“不與糧爭地，不與林爭山”的戰略原則；確保造紙原料開發與糧食安全和生態安全的相互協調。

（注：本項目提供的紙漿制造工藝體系所涉及的技術都已經完成試驗過程，并已經申請7項專利）

知識鏈接

互花米草為多年生草本，生于潮間帶。植株耐鹽耐淹，抗風浪。種子可隨風浪傳播。根系分布深達60cm的灘土中，單株一年內可繁殖幾十甚至上百株。稈高1.0～1.7m，直立，不分枝。目前，互花米草已經廣泛分布于福建、浙江、上海、江蘇、山東、天津以及遼寧等省市的沿海地區，特別是江蘇沿海，互花米草的面積已經達到125km2，形成了全國面積最大的互花米草人工鹽沼。互花米草適鹽范圍較寬。有關資料表明，鹽度范圍在0～35之內互花米草均能生長，在10～20的鹽度下可以達到最高的生長量。