海洋種植業(yè)生態(tài)建設(shè)思考

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1.引言

要想用生物質(zhì)能源替代傳統(tǒng)化石能源，必須獲得足夠的生物質(zhì)資源，農(nóng)業(yè)種植是最根本的途徑。不同國家和地區(qū)根據(jù)自身資源狀況，采用不同的生物質(zhì)資源獲取戰(zhàn)略。巴西地處熱帶多雨區(qū)，種植甘蔗獲取生物資源；美國耕地面積大，種植技術(shù)發(fā)達(dá)，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(guān)能源植物的報(bào)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(shí)際土地資源及生態(tài)穩(wěn)定狀況制約，由森林或耕地進(jìn)行大面積的能源植物種植，大規(guī)模、穩(wěn)定地提供生物質(zhì)能源幾乎是不可能的。“合理利用劣質(zhì)土地種植綠色植物，獲取生物質(zhì)資源，做到不與糧爭地，不與林爭山，確保生物質(zhì)資源開發(fā)與糧食安全和生態(tài)安全相協(xié)調(diào)”，這是國家發(fā)改委2006年8月召開的全國生物質(zhì)能開發(fā)利用工作會(huì)議確定的核心戰(zhàn)略原則。在我國大致有三類劣質(zhì)土地：沙地、內(nèi)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(fā)展海洋種植業(yè)解決生物質(zhì)資源來源是可行的。因?yàn)槭芩Y源的制約，內(nèi)陸沙地和內(nèi)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(jù)生態(tài)工程學(xué)原理，充分利用生物適應(yīng)性原理，發(fā)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(jì)90年代，美國國家研究委員會(huì)國際事務(wù)辦國際科技開發(fā)部（BOSTID）曾組織多國專家小組正式提出鹽土農(nóng)業(yè)發(fā)展計(jì)劃，就是根據(jù)這一原理。鹽土農(nóng)業(yè)以獲取食物為目標(biāo)，目前的研究證明并不太理想，因?yàn)辂}土作物含鹽量和毒素，很難直接用于食品。但是，作為生物質(zhì)資源開發(fā)就不存在這一問題。因此，我們提出發(fā)展海洋種植業(yè)提供生物質(zhì)能源和材料。在短期內(nèi)利用海涂資源發(fā)展高產(chǎn)鹽生植物，應(yīng)當(dāng)是生物質(zhì)資源獲取的非常可行途徑。在更遠(yuǎn)的未來，建設(shè)海平面漂浮平臺，開拓海洋水面空間，發(fā)展高產(chǎn)鹽土植物應(yīng)當(dāng)是最有潛力的生物質(zhì)資源獲取途徑。該途徑非常符合國家關(guān)于生物質(zhì)資源開發(fā)，不與糧爭地，不與林爭山的戰(zhàn)略原則，確保了生物質(zhì)資源開發(fā)與糧食安全和生態(tài)安全相協(xié)調(diào)。本文擬通過互花米草利用及其產(chǎn)業(yè)鏈構(gòu)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(chǎn)美國東海岸，于20世紀(jì)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(qū)試種，是為防止海岸受侵蝕和加速陸地形成而引種的，促進(jìn)了其在沿海地區(qū)的大面積引種。目前，北起遼寧盤山、南至廣東電白的淤泥質(zhì)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(shù)能夠直接生活在海水環(huán)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(zhì)灘涂具有高度的適應(yīng)性，甚至可以利用全海水灌溉在潮上帶高鹽土壤獲得高產(chǎn)。

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(chǎn)力。根據(jù)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(chǎn)量在蘇北可以達(dá)到2.5～3.0kg/m2，即1600～2000kg/畝；上海地區(qū)可以達(dá)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(tǒng)糧食作物及其單產(chǎn)(含秸稈產(chǎn)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(dá)到傳統(tǒng)作物良好田間管理產(chǎn)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(chǎn)量。

基于此，我們提出通過現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)進(jìn)行互花米草生物質(zhì)資源的轉(zhuǎn)化，使互花米草如此高效的生產(chǎn)力服務(wù)和造福于人民，促進(jìn)沿海居民的經(jīng)濟(jì)、生活水平的提升。

2.2利用方法及其產(chǎn)業(yè)鏈構(gòu)建

本文介紹一套互花米草利用方法及其產(chǎn)業(yè)鏈構(gòu)建途徑。其核心技術(shù)是利用現(xiàn)種互花米草為原料，進(jìn)行沼氣發(fā)酵預(yù)處理轉(zhuǎn)化后，制造紙漿，并獲取副產(chǎn)品：高純度木質(zhì)素和高效有機(jī)肥。該工藝體系涵蓋了從原料收割、儲存、預(yù)處理產(chǎn)能、紙漿制造到紙漿黑液資源化等紙漿制造的全部工藝環(huán)節(jié)。具體工藝系統(tǒng)見圖1。

3.結(jié)果

3.1原料成分

互花米草生物質(zhì)是一類成分非常復(fù)雜的有機(jī)質(zhì)。根據(jù)課題組多年的研究，互花米草的化學(xué)構(gòu)成指標(biāo)大致為：灰分10%～13%，鹽量（按NaCl計(jì)）3%～5%，纖維素30%～35%，木質(zhì)素18%～20%，半纖維素35%～40%，蛋白質(zhì)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(jī)質(zhì)。

3.2直接造紙和產(chǎn)沼氣效果

實(shí)驗(yàn)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(jìn)入造紙黑液。由于黑液中雜質(zhì)大，黑液的堿回收或木質(zhì)素的提取效益都比較差，同時(shí)互花米草生物質(zhì)內(nèi)在的N、P元素也溶進(jìn)黑液，污染負(fù)荷非常大，處理費(fèi)用高。（2）互花米草單獨(dú)用于沼氣發(fā)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(jī)質(zhì)、半纖維素的70%～80%，纖維素的10%，木質(zhì)素基本不被利用。

3.3沼氣發(fā)酵和造紙?zhí)菁夀D(zhuǎn)化

實(shí)驗(yàn)室小試表明：（1）沼氣發(fā)酵過程中，灰分的70%～80%，N、P的80%～90%基本溶解，殘?jiān)欣w維素含量提高到50%以上，木質(zhì)素含量提高到30%以上，材料的結(jié)構(gòu)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(xué)試劑消耗大幅降低。同時(shí)，按原料計(jì)算得漿率仍能夠達(dá)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(shù)等特性明顯得到改善。此外，由于灰分、半纖維素等在沼氣發(fā)酵中被消耗，造紙黑液的木質(zhì)素比例和純度顯著提高，商品特性得到顯現(xiàn)。

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(fā)存在兩個(gè)非常普遍的問題：一是只有圍墾才能開發(fā)利用，這帶來非常大的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。另一方面，由于淡水資源短缺，已經(jīng)圍墾的土地不能及時(shí)開發(fā)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(jì)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(tài)。這些土地未來除部分規(guī)劃為建設(shè)用地使用外，大部分將會(huì)因?yàn)樽匀幻擕}較慢短期內(nèi)不能直接農(nóng)耕，繼續(xù)處于拋荒狀態(tài)。

直接進(jìn)行海水灌溉種植互花米草，不僅能夠利用現(xiàn)有80～100萬畝的互花米草自然植被生物資源，同時(shí)也可以加速灘涂鹽土資源的開發(fā)，獲取生物質(zhì)資源。如果通過海水直接澆灌開發(fā)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(chǎn)紙漿1500～1600萬噸。

此外，利用互花米草作為造紙?jiān)线M(jìn)行紙漿生產(chǎn)，還具有原料供給穩(wěn)定，成本易于控制的優(yōu)勢。通過農(nóng)作物秸稈和速生林的種植獲取造紙?jiān)闲枰c農(nóng)民打交道，而中國目前的農(nóng)業(yè)是聯(lián)產(chǎn)承包，土地都在農(nóng)民手中，與千千萬萬個(gè)農(nóng)民談判原料的價(jià)格，風(fēng)險(xiǎn)非常大，而且穩(wěn)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(xiàng)實(shí)現(xiàn)海涂資源的連片開發(fā)，資源量穩(wěn)定，只存在生產(chǎn)成本，不存在原料購買的議價(jià)。

4.2技術(shù)創(chuàng)新使該工藝途徑成為可能

本工藝所運(yùn)用的生物酸化濕式儲存和轉(zhuǎn)化、厭氧發(fā)酵聯(lián)合化學(xué)蒸煮紙漿制造工藝、造紙黑液木質(zhì)素生物酸化提取等技術(shù)，同濟(jì)大學(xué)生物質(zhì)能源研究中心自2004年開始進(jìn)行研究目前以上研究都已經(jīng)完成了實(shí)驗(yàn)研究，工藝技術(shù)路線完全成熟，并申報(bào)了相關(guān)專利。小規(guī)模試驗(yàn)的參數(shù)可能與生產(chǎn)過程之間存在差異，僅需進(jìn)一步擴(kuò)大中試生產(chǎn)、校正工藝生產(chǎn)參數(shù)即可進(jìn)行規(guī)模化生產(chǎn)。

生物酸化濕式儲存既不同于傳統(tǒng)的干燥保存，也不同于青貯濕式儲存。其無火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，且基本不耗能；儲存設(shè)施簡單，容易控制，可以在海灘進(jìn)行簡單施工，就地儲存。因此，生物酸化濕式儲存既安全，又經(jīng)濟(jì)。

生物酸化轉(zhuǎn)化不同于傳統(tǒng)的固體有機(jī)物沼氣轉(zhuǎn)化，也不同于固體有機(jī)物兩相沼氣發(fā)酵。傳統(tǒng)固體有機(jī)質(zhì)沼氣發(fā)酵是把生物質(zhì)在一個(gè)反應(yīng)器中直接生成沼氣，進(jìn)出料難，效率低，管理不便；固體有機(jī)物兩相沼氣發(fā)酵把原料管理和微生物管理分置于兩個(gè)反應(yīng)器欲達(dá)到產(chǎn)酸與產(chǎn)氣的分離，但是目前的研究表明產(chǎn)酸與產(chǎn)氣的兩相分離是很難實(shí)現(xiàn)的。因此，這種技術(shù)只是提高發(fā)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(zhuǎn)化技術(shù)通過發(fā)酵環(huán)境的調(diào)控，控制微生物群系，實(shí)現(xiàn)開放式產(chǎn)酸，不僅提高效率，而且降低基礎(chǔ)設(shè)施投入和管理費(fèi)用。此外，生物酸化轉(zhuǎn)化的抽出物不僅可以用于沼氣發(fā)酵，同時(shí)也可以用于其他生物發(fā)酵工程，拓展了生物質(zhì)轉(zhuǎn)化的途徑。

利用厭氧生物酸化轉(zhuǎn)化后的生物質(zhì)進(jìn)行紙漿制造，我們提出了厭氧生物轉(zhuǎn)化與化學(xué)蒸煮聯(lián)合紙漿制造新工藝，這一工藝特點(diǎn)是生物處理與化學(xué)物理處理相結(jié)合，利用生物方法消耗了原料中非纖維有機(jī)質(zhì)，提高造紙?jiān)系睦w維含量，改善了原料的結(jié)構(gòu)，不僅可以降低生產(chǎn)單位紙漿的污染負(fù)荷，而且可以降低生產(chǎn)單位紙漿的能源和化學(xué)試劑消耗量。

5.結(jié)論

互花米草是一種優(yōu)良的耐鹽植物，其生物量大，纖維質(zhì)量高。互花米草的耐鹽、耐淹，是僅有的少數(shù)能夠直接生活在海水環(huán)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(zhì)灘涂具有高度的適應(yīng)性，而且可以利用全海水灌溉在潮上帶高鹽土壤獲取高產(chǎn)。因此，在短期內(nèi)利用海涂，在長遠(yuǎn)的未來，建設(shè)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(zhuǎn)化，獲取能源和纖維質(zhì)生物材料，是最有潛力的生物質(zhì)資源獲取途徑。該思想符合國家關(guān)于生物質(zhì)資源開發(fā)，“不與糧爭地，不與林爭山”的戰(zhàn)略原則；確保造紙?jiān)祥_發(fā)與糧食安全和生態(tài)安全的相互協(xié)調(diào)。

（注：本項(xiàng)目提供的紙漿制造工藝體系所涉及的技術(shù)都已經(jīng)完成試驗(yàn)過程，并已經(jīng)申請7項(xiàng)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(fēng)浪。種子可隨風(fēng)浪傳播。根系分布深達(dá)60cm的灘土中，單株一年內(nèi)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(jīng)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(qū)，特別是江蘇沿海，互花米草的面積已經(jīng)達(dá)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(guān)資料表明，鹽度范圍在0～35之內(nèi)互花米草均能生長，在10～20的鹽度下可以達(dá)到最高的生長量。