能源直接关系到每个国家的建设发展，随着油气资源的不断消耗，全球能源安全面临巨大的挑战。中国是世界上最大的能源消费国，对油气资源的需求不断上升，据有关资料统计，中国的能源消费占到全世界能源消费总量的23.6%，原油进口占到世界原油贸易的15%^[1]。但是国内的油气资源增产难度大，供应远远不足，能源供应受外部影响较大，能源安全难以得到保障^[2]。同时，传统的化石能源燃烧带来酸雨、大气破坏、全球变暖、生物多样性降低等一系列严重的生态环境问题，极大地影响了人类的生存和可持续发展^[3]。因此，寻找新的可再生能源来取代传统能源的主导地位极为迫切，发展可再生能源不仅可以降低对石油、天然气等传统能源的依赖程度，保障我国的能源安全^[4]；还可以减少氮、硫、温室气体的排放^[5-7]，促进生态环境的保护和低碳经济的发展。

在可再生能源中，我国对水能和太阳能的开发发展很快，但对生物质能的开发较为滞后，而生物质能特别是能源作物的开发对于保障能源安全、缓解能源紧张、促进循环农业和低碳经济发展等都具有重要作用。我国植物资源丰富，具有发展能源作物产业的优势^[8]。因此，加快能源作物的开发，推进能源作物产业化、规模化发展，加强对能源作物的环境效应研究，对我国的能源安全和生态环境保护都具有十分重要的意义。

1 能源作物的概念及分类 1.1 能源作物的概念

地球上能够供人类利用的可再生能源包括生物质能、风能、太阳能等，其中生物质能源（Biomass energy）是可再生能源的重要组成部分，是唯一可再生的碳源^[9]。能源植物（Energy plant）是生物质能的重要原料，通常是指那些具有合成较高还原性烃的能力，可产生接近石油或柴油成分、可替代石油或柴油使用的产品的植物，以及富含大量油脂的植物^[10]。能源作物是能源植物的主要组成部分之一，是指在保证农作物（如水稻、小麦和玉米）高产稳产的前提下，为达到能源利用目的而种植的作物^[11]。2006年1月颁布实施的《中华人民共和国可再生能源法》对能源作物进行了定义，即能源作物是指经专门种植，用以提供能源原料的草本和木本植物。综上所述，能源植物的科学特点一般可以理解为：能够高效转化太阳能，高效利用水分，高效产出能量，专门种植，环保性能好，低生产成本。

1.2 能源作物的分类

根据能源植物的化学成分及其用途可大致将其分为4类^[12-14]：

（1）富含碳水化合物型能源植物

富含碳水化合物型能源植物主要用于生产燃料乙醇，可以分为糖类能源植物、淀粉类能源植物和纤维素类能源植物等这3类。其中，能够直接通过发酵法生产燃料乙醇的糖类能源植物有甘蔗、甜高粱、甜菜等；需经过水解反应，然后才能被用于生产燃料乙醇的淀粉类能源植物有甘薯、木薯、玉米等；而纤维素类能源植物可以通过直接燃烧发电，主要包括芒草、桉树等。

（2）富含油脂型能源植物

富含油脂型能源植物——这类植物的某一器官或种子含油率很高，通过提取它们中的油脂经酯化过程形成脂肪酸甲酯类的物质，可加工成生物柴油，如大豆、油菜籽等都是常见的生产生物柴油的原料。还有富含类似石油型能源植物，这类作物含有大量的油脂类碳氢化合物，可直接利用生产接近石油成分的燃料，如麻疯树、棕榈、油楠、光皮树、黄连木、古巴香胶树等^[15-16]，它们通过简单的脱脂处理，就可作为生物柴油使用。

（3）富含木质纤维素类植物

富含木质纤维素作物类——这类植物富含纤维素、半纤维素和木质素，主要被用于生产固体颗粒类燃料，可以通过转化获得热能、电能、乙醇和生物气体等。主要木本类能源作物有桉树、杨树和柳树等，另外，一些轮伐获得的灌木也富含木质纤维素，可用来发电^{[15, 17]}。

（4）速生丰产薪炭树

速生丰产薪炭类植物种植的目的是提供薪柴和木炭，世界上种植效益较好的薪炭树种有加拿大杨、意大利杨、美国梧桐等。近年来我国也有一些适合作薪炭的树种，如银合欢、紫穗槐、沙枣、旱柳、杞柳、泡桐等。

2 能源作物的特点 2.1 储量丰富

根据国家林业局2013年6月颁布的《全国林业生物质能源发展规划（2011—2020年）》（图 1），我国现有薪炭林170多万hm²，蓄积量3900万m³，现有林木资源可用作木质能源的潜力约有3.5亿t，全部开发利用可替代2亿t标准煤。油料植物中油棕、无患子等9个树种相对成片分布面积超过100万hm²，年果实产量100万t以上，全部加工利用可获得40余万t生物燃油。淀粉类植物中，栎类树种现有面积约1600万hm²，可年产种子1000万t以上，可用于生产250万t燃料乙醇；葛类总面积约40万hm²，年资源总量150万t以上，可用于生产50万t燃料乙醇。灌木林地总面积5300多万hm²，每年灌木平茬复壮可采集木质燃料1亿t左右；全国大约7000多万hm²的中幼龄林，通过正常抚育间伐每年可获取0.2~0.4亿t生物质能原料。

2.2 可再生性

能源作物通过光合作用将太阳能以化学能形式贮存在生物中，原始能量来源于太阳，取之不尽，用之不竭，属于可再生资源。能源作物的种类丰富，分布面积广，能有计划地进行种植和开采。

2.3 环保性好

生物质能源不含硫化物，燃烧以后不会产生酸雨^[8]，生物柴油燃烧后还可以借由生物分解，在自然条件下即可实现生物降解，避免对土壤和地下水造成污染，因而不会污染环境^[18]。种植能源作物，可以有效防止现代农业中对作物的高度集约化生产和单一作物的种植导致的土壤流失，还可以帮助土壤建立新土壤层，对土壤起到保护作用^[19]。

2.4 生产简单，储存运输便捷，使用安全

经过多年的发展，现有的生物能源燃料生产的技术已趋成熟，如将各种植物、城乡有机废物、农作物秸秆、林业加工废弃物转化成可再生能源的技术以及生产工艺都已经具备。此外，能源燃料运输和储存也更为方便，如薪柴、沼气、生物柴油、燃料乙醇等都可以便捷地运输和储存。在运输和储存、使用的过程中也较为安全，不会发生爆炸或泄漏。

3 能源作物环境效应

能源作物的环境效应是由于能源作物的生长、加工、利用等各环节对环境造成影响，从而导致环境系统的结构和功能发生变化，如自然环境效应、环境化学效应和环境物理效应。能源作物的发展应用会从各方面改善环境系统的结构和功能，在自然环境效应方面能够减少农业生产中输入及输出性污染，提高废弃物利用率，改善生态环境和缓解能源紧张，促进边际土地开发和资源有效利用；在环境物理化学效应方面能够提供清洁能源，降低对化石燃料的依赖，减少酸雨、温室气体的排放等。与此同时，能源作物的开发也会带来一些负面的环境效应，能源植物的生长会对周围植物和地下水产生影响，能源植物加工过程中消耗化石能源和二次污染问题，能源植物对土地肥料的争夺、引发淡水危机等。

3.1 能源作物的自然环境效应

能源作物的发展可以改善生态环境和缓解能源紧张，促进人与自然的和谐与经济社会的可持续发展。长期以来，我国各种废弃秸秆、残果落果等被大量丢弃在田中或路边，给农村饮用水安全带来隐患，对居民身体健康、高速公路和民航的安全运行造成极大影响。能源作物的开发利用可以变农业废弃物为生产原料，变废为宝，在缓解能源紧张的同时可显著减少农业废弃物对水体、空气的污染，控制农业废弃物对环境的污染，达到能源利用和环境保护的双重效益^[20-21]。

我国人多地少，耕地资源十分有限，农村地区存在大量的土地资源和生物资源未能得到合理的利用，对农村的生产生活环境造成了很大的破坏和污染，使得农村的卫生环境差，农业资源也闲置浪费。合理地开发边际土地，将能源作物的种植与边际地区土地进行整合，调整农业种植结构，让能源作物能够与粮食作物、经济作物共同合理分享农业资源，特别是土地资源，既保障了粮食生产的安全，也做到资源的合理化利用，同时也改善农村生活环境^[22-24]。

3.2 能源作物的环境物理和化学效应

能源作物能够有效地减少温室气体的排放，改善地面水体和土壤的酸化。化石能源燃烧产生的SO₂、NO₂、CO₂、粉尘、固体废渣、悬浮颗粒等有害物质造成很多环境问题，如农业面源污染、温室效应、酸雨等^[25]。且化石能源除了本身的消耗之外，在其开采、运输的过程中还会造成额外的消耗和污染。生物质能源所排放的有害气体、粉尘、固体废渣等远低于化石能源，而且在能源作物生长的过程中还需要从空气中吸收CO₂，所产生的废弃物在自然条件下即可实现生物降解, 因而能够有效地改善环境酸化问题。

农业废弃物，如农作物秸秆、脱枯枝落叶、落杂果、陈霉粮食等，是农业污染的源头。通过生物技术将农业大量的废弃物转变成清洁高效的能源，不仅为循环农业提供了清洁能源，生产能源（如生物沼气）所产生的沼液和沼渣也可为循环农业提供肥料，这些肥料为作物生长提供营养物质，还能有效地杀灭田间虫害，减少化肥和农药的投入，达到绿色施肥和生态除害的目的^[26]。

3.3 能源作物减排能力的不确定性

能源作物的种植对于原有植被及耕地土壤的固碳能力会产生影响甚至是破坏，其影响程度相关方面的研究还不多。各种能源作物的生长效率不同，对周围生长的其他植被甚至地下水也会产生影响^[27]。发展能源作物必须要考虑到在种植、加工过程中各种能源的投入和消耗，以及生物质能源的利用率等问题^[28]。由于作物种类、种植方式、规模、生产技术和生物质能源用途等各个环节的差异性，导致了能源作物减排能力的不确定性。

3.4 其他环境问题

发展能源作物的过程中可能产生其他环境效应问题，例如增加能源作物和种植粮食以及蔬菜生产之间对有限环境资源可能发生冲突；将农作物的秸秆等作为生物能源的生产原料，势必会减少家禽家畜的饲料，也会减少进入耕地中的有机肥力，这样会造成能源作物与土地肥料的争夺^[29]，能源作物转化为生物能源过程中和使用过程中可能产生的二次污染^[30]。大幅提高生物能源开发，势必会增加能源作物的种植用水和生产加工用水，必将对农业生产用水和人畜用水造成影响，引发淡水危机^[20]。长期种植某一种作物会使作物从土壤中单项固定吸收某种或多种矿物质，让土壤中的某些营养元素大幅减少，造成土壤养分失衡，以至于肥力下降，土地的耕作效率降低，土地利用周期缩短^[31-33]。

4 能源作物产业开发利用现状 4.1 能源作物利用现状

我国拥有良好的自然条件，生物能资源十分丰富，但各类能源作物资源的基本特性和分布特点差异很大，因此在利用的方式上也有很大区别。我国生物能源的研究和开发较晚，科学合理地开发和利用能源作物，引导能源作物向生物质发电、生物质成型燃料、生物质燃气、生物液体燃料等方面多元发展，可以促进能源结构的调整和发展。

4.1.1 直接燃烧

我国的一些农村地区还存在将作物秸秆、枯枝落叶等作为薪柴、薪炭直接燃烧，这种利用方式的热效率低，既对环境产生不利影响，又对薪柴、薪炭、柴草资源造成浪费。燃烧过程中需要耗费大量的氧气使燃料充分燃烧，产生CO₂和水的同时还会有大量不可燃的烟气排放到空气中。

4.1.2 生物质成型（固化）

生物质成型燃料相对于作物秸秆、植物枯枝落叶等体积更小，结构更加紧密，便于储存和运输；单位体积的能量也更大，燃烧更加充分，产生的热值也更高^[34-35]。生物质成型燃料燃烧时间长，经济实惠，极大提高了能源作物资源的利用率，是一种低碳无污染的可再生燃料，主要用于城镇供暖和工业供热等领域，当前成型燃料机械制造、专用锅炉制造、燃料燃烧等技术日益成熟，具备规模化、产业化发展基础^[25]。

4.1.3 生物质液化

生物质液化就是以各种植物体及残渣为原料，利用发酵或化学热解等方法，制成甲醇、乙醇等清洁液体燃料的过程^[36]。目前大规模使用的生物液体燃料主要包括燃料乙醇、生物柴油等，我国生物液体燃料产业较好，纤维素燃料乙醇加快发展，我国自主研发生物航煤成功应用于商业化载客飞行示范。生物质液化转化技术包括从植物体中直接提取碳氢化合物、生物质发酵生产乙醇、热分解技术几个方面^[37]。

从植物体中直接提取碳氢化合物：富含碳氢化合物的植物能够通过叶绿素把太阳能固定下来，把能量转化为燃料，从植物的茎、叶、花、果、籽等部位流出的液体，可以直接或间接作为汽油、柴油或石油的代产品^[38]。生物质发酵生产乙醇：高粱、玉米等经过微生物的糖化发酵可以生产燃料乙醇。燃料乙醇燃烧产生的CO₂和水不会对环境造成污染，排放的CO₂气体也比汽油燃烧所排放的低^[39]。热分解技术：在无氧条件下，对能源作物进行加热，使生物质受热分解为固相、液相和气相的燃料，生物质热解技术的主要产物有燃气、燃油和碳产物。用于生产的能源作物种类多，加工的过程短，对于能源的转化效率高^[40]。

4.1.4 生物质气化

在高温条件下，以空气中的氧气、水蒸气或者含氧物混合气等作为气化剂，使生物质的中分子质量较高的有机碳氢化合物发生热解、氧化、还原重整反应，产生分子质量较低的一氧化碳、氢气、甲烷等，将生物质燃料中的可燃部分转化为可燃气^[41]。目前运用最广泛的是生物质的沼气发酵（厌氧发酵），主要成分是甲烷，作为燃料广泛用于民用和工业当中^[42]。

4.2 能源作物产业发展现状 4.2.1 中国燃料乙醇产业发展现状

2017年我国的燃料乙醇产量已经达到265万t，仅次于美国、巴西和欧盟，居全球第4位，但仅占全球燃料乙醇总产量的3%^[43]，产能和产量偏小，优势并不明显。目前我国的燃料乙醇生产方式主要有3类：玉米乙醇、纤维质乙醇和煤制乙醇，玉米乙醇、纤维质乙醇都属于生物质乙醇，煤制乙醇属于煤基乙醇^[44]。随着燃料乙醇的不断推广使用，以玉米为主要原料的燃料乙醇市场需求也不断增大，原料价格上涨是制约我国燃料乙醇产业发展的主要因素，另外原料种植分散、规模小等因素也导致了燃料乙醇生产成本过高。我国燃料乙醇产业起步较晚，与美国、巴西等国家相比，无论是生产工艺、环境效应，还是原料转化效率、转化过程的能源消耗都要落后。装备的生产制造、效率、稳定性等都与国际先进水平存在较大的差距，缺乏核心竞争力。随着陈化粮的消耗，全球石油价格下跌，国家对于燃料乙醇产业的补贴幅度逐年减少，特别是“不与人争粮、不与粮争地”的指导思想，以及对燃料乙醇征收消费税等，使燃料乙醇产业面临的压力加大^{[29, 45-46]}。

4.2.2 中国生物柴油产业发展现状

2018年我国生物柴油的产量达到103万t。我国每年约有1000万t废弃油脂，所以当前我国主要是以废弃油脂为原料来制取生物柴油，生物柴油产业的发展推动了地沟油的回收，防止地沟油回流餐桌，是解决废弃油脂污染环境最直接和有效的方法^[47-49]。废弃油脂制取生物柴油主要的方法有酸-碱两步法、酸催化法、生物酶法等，然而废弃油脂的分布分散，收集系统也不健全，导致原材料短缺，收集和运输的费用过高，限制了生物柴油产业，只能就地取材，小规模发展。为了扩大生物柴油的原料来源，我国还利用盐碱地、荒草地、荒山荒坡等未开发的宜能荒地种植小桐子、油桐、黄连木、无患子等油料能源作物，仅小桐子油全国每年可获取资源量就达5400 t。根据2013年国家林业局发布的《林业生物质能发展规划（2011— 2020年）》，到2020年，油料能源林规模将达到422万hm²，全部进入结实期后，全部利用可折合约580万t标煤。

4.2.3 中国生物沼气产业发展现状

截至2015年，全国户用沼气4380万户，大型沼气工程10万处，年产气量约50亿m³，沼气年产量达到190亿m^3[50-51]。我国目前的生物沼气项目多是将工业和农业生产活动中产生的各种有机废弃物进行回收发酵，并将生成的沼气根据市场需要提纯净化成CNG、LNG，或采用燃气发电机发电、供热，所产生的沼渣也可以制成有机肥料，避免了对环境形成二次污染。经过中央投资带动以及多年的发展和推广，生物沼气产业在全国已经有大中小型的工程上万处，沼气发电装机也已经初具规模。但目前生物沼气规模化、企业化、商品化主要集中在畜禽养殖业，占比小，大量的沼气利用还是以低品位的热利用为主^[52-53]。

4.2.4 中国生物质发电产业发展现状

2017年底，全国共有30个省、区、市、投产了747个生物质发电项目，并网装机容量1 476.2万kW，年发电量794.5亿kW·h时。我国当前的生物能源发电方式有3种：农林生物质发电、生活垃圾发电、沼气发电。生物质发电产业依赖于生物能源的供应，由于我国生物质能源资源分布的空间差异性，造成生物质发电行业在区域上的分布特点比较明显。原料丰富的地区有利于成本降低，易于生物质发电产业的发展和规模化，因此我国华东地区是生物质发电装机的主要聚集地。目前生物质发电需要的原材料容易受到季节因素的影响，价格波动较大，造成原材料的成本较高，且原材料的存储和运输也容易受到各种不确定因素的影响，这些各种因素叠加使得生物质发电产业的运营成本较高。生物质发电主要设备虽然已经实现国产化，但核心的技术还依赖于国外。虽然国家有关部门在生物质发电项目的规划、选址、建设规模、核准程序等方面出台了管理规定，随着项目的增多，规划管理、项目扎堆、政策补贴滞后等问题也日益凸显^{[13, 15, 54-55]}。

我国能源作物产业虽然起步较晚，但发展迅速，开发利用规模不断扩大，生物质发电和液体燃料形成一定规模。生物质成型燃料、生物天然气等发展呈现良好势头。当前，原材料价格高是制约我国能源作物产业发展的主要因素，另外原材料短缺、收集系统不健全、运输费用过高，都给能源作物产业发展造成了困难。在生产加工方面，部分生产设备已经实现国产化，但与国际先进水平还存在较大差距，无论是设备的原料转化率、稳定性等都缺乏核心竞争力，优势并不明显。

5 中国能源作物的发展策略 5.1 能源作物种质收集保存与新品种发掘选育

我国能源作物资源丰富，包括碳水化合物型能源植物（玉米、甜高粱、甘蔗）、油脂型能源植物（油菜、麻疯树、花生）、木质纤维素类作物（芒草、柳枝稷、桉树）、薪炭类作物（松、刺槐、冷杉）等。现阶段种植的能源作物品种多而杂，没有品种方面的优势，今后的能源作物发展策略应该加大对能源植物资源的种类、空间分布、生长状况、资源赋存等方面的调查统计，在此基础上由国家有关部门牵头，联合各级地方政府对能源植物进行类别划分，编制我国能源植物资源赋存现状的名录，筛选优质的能源作物，收集和存储种质资源，并建立能源作物数据库；此外，还要充分利用我国能源植物的多样性，注重不断筛选质优的种质资源，以及结合现代生物技术方法和育种技术，选育高品质的种质资源^[56-58]。

5.2 能源作物规模化高效种植、丰产技术研究

我国生物质能源发展遵循“不与人争粮，不与粮争地”的基本原则，因此要充分合理地利用荒山荒地、边角地等边际土地资源发展能源作物。我国国土面积广大，能源作物受空间水土资源差异和季节变化的影响大，导致我国的能源作物分布破碎、难以规模化种植，在大面积栽培和规模化种植推广方面还存在很大困难。今后要重点研究不同能源作物在不同水土协同条件下的生长规律和栽培模式，突破能源作物种植受区域水土肥限制的瓶颈，考虑土地的承载力和休养生息，在不同的水热资源条件下推广优质高效的能源作物规模化、丰产种植，如在水热资源集中的地区推广种植生长周期短、收获期长的能源作物，在干旱地区、盐碱化地区推广种植耐旱耐盐碱的能源作物。建立区域化的能源作物规模种植基地，对适宜的优质品种进行规模化种植、丰产栽培，集成能源作物规模化高效种植技术并推广^[59-60]。

5.3 能源作物高效转化工艺技术研究

我国生物质能技术创新实力较弱，先进的技术设备和高科技材料基本来自国外，在系统集成研究上也远远落后于其他发达国家；我国对能源作物提取和加工的技术也相对简单粗糙，工业流程等方面与发达国家还存在较大差距，生产的生物燃料的水分和杂质含量偏高，限制了生物燃料的应用范围和产业的发展。在能源作物发展策略中，要将能源作物高效转化工艺技术作为今后重点攻关方向，改进生产设备，加快推进生物质催化剂技术、液化技术、发酵系统技术、微生物制油技术、重整和组分调整技术、高耐磨成型燃料技术、混合燃烧技术的研发，提高能源作物的转化率和品质，降低生产成本，缩短生产时间^[61]。

中国能源作物的未来发展，需要通过能源作物优质种质资源的选育、规模化高效丰产种植、高效转化工艺技术，尽快形成种植-生产-销售的完整产业链，将研究成果尽快转化为生产力，促进我国经济健康发展，实现节能减排和环境改善。