生物能
农业是以固定和转化太阳能并获得农产品为目的的生产活动。种植以固定太阳能为主，利用绿色植物进行光合作用，将无机物合成葡萄糖、淀粉、脂肪、蛋白质等有机物。种植也叫初级生产。
一、能源农业的概念及利用
农业是以固定和转化太阳能并获得农产品为目的的生产活动。种植以固定太阳能为主，利用绿色植物进行光合作用，将无机物合成葡萄糖、淀粉、脂肪、蛋白质等有机物。种植也叫初级生产。在光合作用中，每固定1摩尔CO2，约吸收209.3× 104J的太阳能，光合产物中有46.9×104J的能量以化学能的形式被固定。剩余的162.4×104J能量在CO2固定过程中以热能的形式消耗掉。由于人类培育了高产高效优质的农作物品种，为植物生长创造了良好的生产条件，农业生产中植物固定太阳能的效率大大提高。一般来说，植物的光合效率在肥沃的地区可以达到65，438+0%-2%，在贫瘠荒凉的地区只有0.65，438+0%，在精心管理的农田生态系统中已经记录到6%-8%。[1]水产养殖和农产品加工业主要是转化太阳能，也称二次生产。水产养殖生产的动物产品(肉、奶、蛋、毛、皮等。)在转化过程中被消耗，一部分以粪便的形式排出，一部分以尿液和气体(甲烷、氢气)的形式排出。在农产品加工过程中，除了提取主要产品外，排出的废水和废弃物中还有大量的能量。农产品转化过程中产生的畜禽粪便、农产品加工过程中排放的废水和废弃物可以作为生物质能源进行开发利用。
所谓能源农业，就是以生产能源为目的的农业。能源农业以生物质能为主要发展对象，包括四种能源利用模式[2](图1):
(1)直接燃烧模式
直接燃烧可分为炉灶燃烧、锅炉燃烧、垃圾燃烧和固体燃料燃烧四种情况。其中，固体燃烧是一种新推广的技术，将生物质固化，然后利用传统的燃煤设备进行燃烧。其优点是可以充分利用生物质能来替代煤炭，减少大气中CO2和SO2的排放。
(二)物理化学转化模式
物理化学转化方法包括三个方面，一是干馏技术；二是气化产生生物质气；三是热解生产生物质油。其中，气化生产生物质气技术推广面积大，容易被群众接受。
(3)生化转化模式
生化转化有两种方式，一种是厌氧消化产生沼气；二是利用酶技术制备乙醇液体燃料。
(4)植物油的利用方式
能源植物油是从油料植物和芳香油(还原烃)植物中提取的燃料油，加工后可代替石油使用。
二、发展能源农业的重大意义
(一)拓宽农业服务领域，增加农民收入。
恩格尔指出:当收入增加时，食品和日用品占收入增加的比重下降。随着经济的增长，人们的基本生活需求得到满足后，消费的重点将转向享乐型产品，因此市场将减少食物和衣服的消费份额。进入新世纪后，中国居民的消费结构发生了很大变化，恩格尔系数下降到38%。2002年城镇居民收入增加2020元，人均食品消费仅增加109元，占新增收入的5%。增长因素主要是外出就餐支出和烟、酒、茶支出。粮油肉菜消费支出减少，人均消费粮食减少83元。油10.1元，肉25.3元，菜12.4元。由于边际消费递减规律，农民很难增加收入。从1997开始，农业的收入没有增加，农民收入主要靠工资性收入。2002年，工资收入占农民纯收入的34.5%，2003年增加到36%。这个经济规律告诉我们，农业必须拓展服务领域，向农业的深度和广度进军。农业不仅要提供食物和纤维，还要提供能源和其他化学药品。发展能源农业拓宽了农业服务领域，也为农民增收开辟了新途径。〔3〕
(二)缓解中国能源短缺，保障能源安全。
中国从1993进口原油3000万吨，成为原油净进口国，2000年为7000万吨，2003年为100万吨。预计到2020年，中国GDP可能达到5万亿美元，能源需求25亿t-30亿t标准煤，其中石油缺口1.6-2.2亿t[4]发展生物质能不仅可行，而且非常迫切。农业应抓住这一机遇，提出能源农业发展战略，将其发展成为一个大产业。
(3)控制有机废物污染，保护生态环境。
目前，中国的环境污染形势十分严峻。对环境污染最大的企业仍然是水产养殖企业和农产品加工企业。2003年，被点名批评的十大污染企业中，有八家是农产品加工企业。根据国家环保总局2004年1周(从2004年的1.05到2004年的1.01)得出我国主要水系73个重点断面的8项指标(水温、pH、浊度、溶解氧、电导率、高锰酸盐指数)。ⅳ类水质断面10个，占13.7%；ⅴ类水质有6个断面，占8.2%；水质较差的断面有18个，占24.7%。污水劣于ⅳ类以上的河流占46.6%。在水污染中，农产品加工企业排放的污染物约为1/2。特别是农产品加工企业的污染贡献率在劣ⅴ类水河段更高[5]2003年，全国人大对《中华人民共和国固体废物污染环境防治法》进行了执法检查，严厉批评了农村固体废物污染问题。据调查，我国畜禽养殖场产生的粪便量达6543.8+0.73亿吨。80%的规模化畜禽养殖场缺乏必要的污染治理设施，畜禽粪便未经处理直接排入环境，严重污染空气和水体。[6]中国的温室气体排放严重影响了中国的气候变化。国家气象局局长秦大河说，中国科学家预测了中国未来的气候变化:首先，中国的气候将继续变暖。到2020-203O，全国平均气温将上升65438±0.7℃；到2050年，全国平均气温将上升2.2℃；当大气中二氧化碳浓度增加一倍，全国平均气温将上升2.9℃。第二，中国气候变暖的程度从南到北在增加。到2030年，西北地区气温可能上升1.9-2.3℃。再次，我国很多地区的降水量都有增加的趋势，其中东南沿海的增加值最大。长江中下游趋于干涸，华北、东南等部分地区持续干涸。
(D)生物技术的广泛应用和遗传工程的发展。
生物技术在培育能源作物和高效酶微生物方面潜力巨大。国外通过转基因方法获得了柴油油菜新品种；利用转基因技术获得分解秸秆纤维生产酒精的工程菌。转基因技术在能源作物和能源微生物上的应用，不受基因鉴定的限制，但在食品上，需要鉴定，受到很大限制。为了促进学科的发展，生物技术可以选择能源作物和能源微生物进行研究和应用。
三、实施能源农业重大工程
(1)沼气计划
沼气是有机物在厌氧条件下微生物发酵产生的主要由甲烷组成的可燃气体。沼气发酵过程可分为两个阶段，即不产甲烷阶段和产甲烷阶段。沼气发酵产生的三种物质，一是沼气，主要是甲烷，是清洁能源；二是消化液(沼液)，含有可溶性N、P、K，是优质肥料；第三，消化污泥(沼渣)，主要由细菌、难降解有机残留物和无机物组成，是一种优良的有机肥，具有改良土壤的作用。沼气产品具有很高的应用价值。很多人说:“沼气是有益的，但没有什么是有害的”。
沼气发酵有四个特点:
1，沼气微生物消耗的能量少。
沼气发酵过程中，沼气微生物自我繁殖所需的能量是好氧微生物的1/30-1/20。对于底物，约90%的COD转化为沼气。
2.沼气发酵可以处理高浓度有机废物。
在好氧条件下，一般只能处理COD含量在65，438+0，000 mg/L以下的废水，而沼气发酵处理后的废水COD含量可以达到65，438+0，000 mg/L以上..如表1所示，各种农产品加工废水均可作为沼气发酵的原料。
表1农产品加工转化企业排放水质特征[7]原料名称
PH值为COD/mg . l-1 BOD/mg . l-1的酒精醪。
白酒废水
黄酒废水
制革废水
柠檬酸废水
淀粉废水
豆制品废水
造纸黑液
制药废液
乳品加工废水
高浓度啤酒废水
味精废水
糖蜜酒精废水
猪粪水
鸡粪水
牛粪
3-5
3.7-5.8
3.5-4.0
8-10
4.0-4.6
4.6-5.3
3.5-5.0
11-13
4.0-6.0
3.5-7.5
3.5-6.0
1.5-3.2
4.4
7.0-7.8
6.5-7.5
7.2-8.2 30 000-60 000
11 400-130 000
9 400-30 000
3 000-4 000
10 000-40 000
3 000-12 000
10 000-20 000
106 000-157 000
5 000-40 000
2 000-11 000
9 000-43 000
20 000-60 000
40 000-150 000
11 000-26 000
43 000-77 000
70 000-116 285 15 000-30 000
5 800-67 000
5 000-15 000
1 500-2 000
6 000-25 000
1 000-7 000
7 000-12 000
34 500-42 500
2 000-18 000
1 000-75 000
7 000-33 350
10 000-30 000
20 000-60 000
7 000-13 000
17 000-32 000
3.可以处理的废物有很多种。
沼气发酵可以处理人畜粪便、农作物秸秆、废水以及农产品加工企业的废渣。沼气发酵去除了90%的有机物，剩下的经过耗氧处理后可以达到国家排放标准。
4.沼气发酵受温度影响很大。
沼气发酵可分为高温(50-600℃)、中温(30-350℃)和常温(自然温度)。高温发酵最强，中温次之，但需要一定的热能来维持所需的恒温。
沼气计划应包括两部分:农户小型沼气和大中型沼气。
农村户用小型沼气技术相对成熟。目前主要使用地埋式圆筒水力沼气池，并制定了国家标准(GB 4750-84、GB 4751-84、GB 4752-84)。这个沼气池解决了进料和出料的矛盾，可以连续生产。农民不用冒着生命危险去挖沼渣。北方在沼气池上搭建塑料大棚，将沼气与养猪、种菜结合起来，组装成“四位一体”模式，成功解决了冬季沼气发酵问题。各地从当地实际出发，把沼气与农民致富奔小康结合起来，形成了生态家园富民计划，极大地促进了农村户用沼气的发展，国家已列入西部大开发计划。为了使农村户用沼气更加符合国家经济建设和社会全面发展，建议:1。国家应进一步加大投入，满足农民的需求；2.突出重点。一是解决生态脆弱地区农民的燃料问题，巩固退耕还林成果，控制沙尘暴危害。二是解决我国南方血吸虫病高发区的虫卵处理问题。沼气发酵可以彻底治疗血吸虫卵。据卫生防疫部门检测结果，沼气池内，日本血吸虫虫卵在秋季22天内死亡，冬季40天内死亡，为100%。通过沼气池的建设，将厕所和牲畜圈舍连接起来，人畜粪便进入沼气池，经沼气发酵杀死虫卵，切断血吸虫病的传播链。
大中型沼气主要用于处理城市污水、高浓度工业有机废水、人畜粪便和生活垃圾。近20年来，世界各国积极发展大中型沼气，创造了许多新技术。随着高效常温厌氧消化技术的发展，大中型沼气技术日趋成熟。我国许多企业兴办沼气，进行综合利用，取得了显著的经济效益和生态效益。如河南省南阳酒精总厂(天冠集团)先后建成三座大型沼气池，对酒精醪液进行集中处理，形成日供气能力4万m3，满足南阳市4万户居民生活用气，污染排放接近于零，实现了社会、经济、生态效益的双赢，形成了循环经济模式。北京蟹岛度假村新建沼气池和污水处理系统，水面1.50亩。度假村内的生活垃圾和人畜粪便全部厌氧消化，产生的清洁能源用于烹饪，消化液和沼渣用作优质肥料，生产无公害农产品。生活污水经处理后达到一级排放标准，返回农田。整个度假村实现了零污染排放。目前我国环境污染日益严重，大中型沼气是消化有机污染物最有效的方式。国家要把发展大中型沼气纳入发展规划，制定促进大中型沼气发展的优惠政策，调动企业建设沼气的积极性，使我国大中型沼气发展出现良好发展的新局面。它不仅生产可再生能源，而且促进污染环境的治理。
(2)酒精计划
乙醇，学名酒精，是由碳、氢、氧组成的有机化合物，结构为C2H5OH。酒精生产方法包括化学合成和生物发酵。化学合成的酒精杂质多，应用受到限制。生物发酵主要用于生产。制造酒精的原料可以是淀粉原料、糖蜜原料、纤维原料和亚硫酸造纸废液。
酒精是一种清洁能源。少量可替代四乙基铅和ETBE(乙基叔丁基醚)作为汽油防爆剂。大量使用时，可与汽油混合制成汽油酒精作为汽车燃料。使用汽油醇作为燃料，可以减少汽油燃烧造成的空气污染，提高汽油的辛烷值，提高燃烧效率。
2001年4月8日，原国家计委、国家质检总局宣布，我国将全面推广使用汽油酒精。4月2日公布了《变性染料乙醇》和《车用乙醇汽油》两项国家标准。自2002年6月30日起，在河南省的郑州、洛阳、南阳，黑龙江省的哈尔滨、肇东进行试点，试行汽油酒精取得成功。2004年2月10日，国家发改委继续扩大试点。除了在全省范围内扩大试点，黑龙江、吉林、河南、安徽四省还向辽宁、河北、山东、江苏转移了燃料酒精。到2005年底，上述省市基本实现了乙醇汽油对其他汽油的替代。从1903开始，酒精作为汽车燃料已有近百年的历史。20世纪上半叶，人们对酒精的关注有两次。一战期间，双方都重视酒精的战略意义。二战期间，燃料酒精大规模普及。20世纪50年代，随着石油的大规模开采利用，高成本的酒精逐渐被人们遗忘，直到1973的世界石油危机。巴西和美国率先实施了“汽油酒精计划”。汽油酒精来源于英文“GASOHOL”，是指在汽油中加入一定比例的变性酒精后形成的混合燃料。这是一种清洁实用的燃料。1975，巴西政府在全球发起“汽油酒精计划”。1977年在首都圣保罗市正式实施，比例为20%，1980年在全国推广至22%。如今，巴西的酒精年产量为654.38+00万吨，其中97%用于汽车燃料。目前，巴西是世界上唯一不供应纯汽油的国家。25年来实施的“汽油酒精计划”给巴西带来了三大好处:“形成了独立的经济和能源运行体系，刺激了农业、酒精工业及相关产业的大发展，显著改善了大气和生态环境。”美国用法律强制执行“汽油酒精计划”，鼓励汽油酒精的生产和消费。从1978开始，美国已经通过了几十个法案，从能源、交通、税收、环保、农业等各个方面支持汽油醇。一些盛产玉米的州也颁布了自己的法律，要求州内必须使用汽油酒精。目前，美国燃料酒精的年消耗量约为500万吨。根据汽车发动机的类型，添加到汽油中的酒精有两种比例。汽油机添加量为5% ~ 15%，专用发动机酒精比例为85% ~ 100%。据美国有关部门调查，使用汽油酒精作为燃料，可以明显减少汽车尾气的排放，一氧化碳排放量减少20% ~ 30%，二氧化碳减少27%。除了环保，汽油酒精的推广也给美国带来了可观的综合效益。以1997为例。全年美国汽车燃料* * *使用酒精512万吨，转化玉米15万吨，占当年美国玉米总产量的7%，为社会提供了195200个就业岗位，使联邦政府多收入36亿元。美国国会还通过了一项法案，要求在未来10年大力发展酒精工业，将燃料酒精的年消费量提高到10万吨。从20世纪80年代开始，德国、荷兰、加拿大、瑞典等发达国家也开始推广汽油酒精。1995左右，英国、法国、南非、古巴、泰国等越来越多的国家也加入了这个行列。
为什么要推广汽油酒精？还有一个亟待解决的问题，就是汽油的添加剂问题。汽油在汽车发动机缸内燃烧时，由于缸内缺氧，燃烧不完全，机器震动强烈，从而降低输出功率，损坏零件，这就是汽油的抗爆特性。反映汽油抗爆性能的数值指标叫做辛烷值，也就是人们通常所说的汽油的标号，比如“90 #”和“93 #”汽油，指的就是这些汽油的抗爆性能。指数越高，抗爆性能越好。提高汽油抗爆性能的方法是在汽油中添加其他化学物质。以前一般都是加四乙基铅，所以才有了含铅汽油。由于铅对人体的危害，四乙基铅从1997开始在世界范围内被禁用。目前广泛使用的是MTBE(甲基叔丁基醚)。由于生产困难，包括中国在内的许多国家依赖进口。近年来，科学研究发现了MTBE的缺点:不易分解，对地下水有一定污染；它有少量的气味，使司机不舒服，并可引起恶心，眼睛疼痛，疱疹和其他反应。美国最近通过了一项“清洁燃料法案”，将在未来四年内禁用MTBE。目前，替代MTBE的“最佳化学品”是酒精。酒精作为添加剂，无毒无污染，不需要进口。〔8〕
(3)秸秆能源利用计划
秸秆能源利用方案包括两个方面:一是秸秆气化；另一种是秸秆压块成型燃料。现在分别介绍:
1，秸秆气化
秸秆气化，广义上也称为“生物质气化”，是指生物质在缺氧状态下燃烧，使生物质发生化学反应，生成高品位、易运输、高效的气体燃料。生物质由碳氢化合物组成，在生物质气化过程中通过热解、燃烧、还原等过程转化为一氧化碳、氢气等可燃气体。我国年可再生生物量约为165438+4500万吨，其中农作物秸秆6.7亿吨。因此，生物质气化燃料的发展应着眼于农作物秸秆的利用。农业部在全国数百个村庄开展了秸秆气化集中供气试点，取得了令人满意的效果。特别是，农民渴望使用清洁能源，改变村庄的卫生面貌。秸秆气化使农民由烧木柴变为烧煤气，符合农民的要求，因此受到农民的欢迎和肯定。〔9〕
2、秸秆压缩成型燃料
秸秆致密成型燃料是将秸秆粉碎，送入成型机，在外力作用下压缩成所需形状，然后直接作为燃料燃烧。还有进一步加工制造生物炭。
国外，如丹麦、德国、比利时、美国、日本等。，改性技术已经成熟并实现工业化生产，主要用于采暖炉和锅炉发电。河南农业大学与山西万发炉厂联合研制的生物质成型机已用于生产。生产的压缩燃料用于供暖和小型锅炉。经测定，各种排放远低于煤炭，是一种清洁可再生能源。〔9〕
(4)能源作物种植计划
能源作物是指以提供制造燃料的原料或提供燃料油为目的的栽培植物。用能源作物制成的燃料油有很多优点:燃烧后对环境的污染小于矿物能源，是一种低硫燃料，不会增加CO2的排放；比核能更安全；比风能、地热能应用更广泛；可降解等特点。因此，它已成为国际发展的热点，被称为“绿色”能源。
能源作物可分为四类:①生产酒精的一年生或多年生作物，如玉米、甘蔗、甜高粱、红薯、木薯；(2)以生产燃料油(如生物柴油和碳氢化合物)为目的的植物，如油菜和绿玉树；③用于直接燃烧的植物；④藻类或其他植物进行厌氧发酵。
促进能源作物发展的条件在我国已逐渐形成:①人类对资源的无限制开发利用，带来了资源枯竭和生态危机；(2)化石燃料的燃烧严重污染环境，并带来许多问题，如酸雨、温室气体和全球变暖。③农业服务领域过于狭窄，农民增收乏力。作物科学家应抓住能源作物发展的机遇，大力研究和培育能源作物。
除常规技术外，能源作物的栽培方法还应大力采用生物技术。充分利用能源作物无禁区的优势，让生物技术在能源作物种植中大放异彩。生物技术以作物为生物反应器，充分利用植物的生物合成能力，大规模生产廉价的能源原料，培育转基因能源作物。在糖类培养中，将细菌的ADP葡萄糖焦磷酸化酶基因转入马铃薯中，淀粉含量可提高60%。
生物技术在酒精发酵过程中发挥了更大的作用。利用DNA重组技术改进酒精生产工艺，通过对酶的改进，可以降低成本，提高效益。培养不同的工程菌，提高木质素、半纤维素和纤维素分解、糖化和合成酒精的能力。生物技术在这方面的进展将进一步扩大生物质能生产的原料来源，使能源农业成为现实。〔10〕
四、发展能源农业必须处理好几个关系
(一)处理好粮食安全和能源安全的关系。
从发展的角度看，从“黑色能源”走向“绿色能源”是大势所趋。发展生物质能，利用沼气和汽油酒精，不仅可以有效延长地球上有限石油资源的使用时间10% ~ 20%。未来的世界，沼气可能是天然气的替代品，酒精是汽油的替代品。有人会提出能源安全和粮食安全的矛盾。酒精是由谷物转化而来的。养活中国6543.8+0.3亿人口，压力巨大。哪里有生产酒精的土地？水资源在哪里？要解决这个问题，需要从以下几个方面来研究。
粮食安全和能源安全是统一的。
近年来，农民种粮积极性不高，主要是因为粮食价格太低，甚至到了种粮赔钱的地步。要提高农民种粮的积极性，必须有市场拉动。如果粮食只是粮食，市场容量是有限的。如果粮食既作为粮食又作为能源，市场容量将超过1/3。从这个意义上说，发展能源农业将是增加农民收入、调动农民种粮积极性的有效措施。
粮食作物和能源作物具有很强的互补性。
能源作物种类繁多，主要有玉米、高粱、甘蔗、甜菜、马铃薯、红薯、木薯等。这些作物都是高产作物，能满足粮食安全的需要，是很好的能源作物。我国每年玉米过剩约400-600万吨。甘蔗和甜菜因为糖的销路不好，每年都有大量的过剩产能。2003年人为减少产能500万吨。旱地可以种土豆和红薯，还有很大的增产潜力。如果粮食收成好，小麦和大米的陈化粮可以用作酒精。如果收成不好，玉米、甘薯和马铃薯等能源作物可以转化为粮食作物。
能源农业发展的领域很广，可以做到不与粮食竞争或少与粮食竞争。
在能源农业发展领域，大部分农业生产中的废弃物被用来生产酒精和沼气，如玉米秸秆、水稻秸秆、小麦秸秆等纤维状原料。从65438到0999，美国建成了世界上第一条用纤维素原料生产酒精的生产线。目前，我国也开展了这方面的研究工作。天冠企业集团实验中心与郑州工业大学、清华大学、无锡轻工大学及国外研究机构合作进行的“纤维素原料生产酒精”研究课题已列入国家十五计划。利用畜禽粪便、废水和农产品加工企业的废弃物开发能源，既能增加农民收入，又能为粮食生产提供优质肥料，是生产清洁能源、促进粮食生产、保障粮食安全和能源安全的双赢举措。
(二)处理好市场配置资源机制与国家支持的关系。
能源农业作为一种生产生物质能的新型产业，在市场化发展中面临许多障碍和问题。为了促进能源农业的健康发展，国家给予必要的支持是完全必要的。但是，仅仅依靠国家的支持，不依靠市场的力量和企业的积极参与，是无法形成能源农业这个大产业的。特别是要吸引民间资本进入能源农业，能源农业才能有更大的活力。因此，建议政府制定能源农业产业政策，营造能源农业发展环境。能源和农业产业政策的初步考虑应包括以下几个方面:
1.制定排放标准，对环保企业给予奖励。减少污染物排放的企业可以得到补偿，超过污染物排放的企业应该被罚款。
2.投融资政策。生物质能企业优先获得优惠贷款。对产业化龙头企业生产清洁能源的技术改造项目给予贷款贴息。
3.税收政策。对生产清洁能源的企业给予税收优惠，以弥补较高的生产成本。
4.创建能源和农业产业化科技园，实行产供销一体化管理，营造良好的发展环境。
参考
1.吴广河，田，胡双喜，王乃昂，生态系统功能，自然地理学，高等教育出版社，2000: 311，
2.吴创智，马龙龙主编，生物质能的现代利用技术，北京:化学工业出版社，2003: 10-11
3.明路，当前“三农”问题的分析与对策，作物学报，2004: 1.1-3。
4.王涛，石油工业与可持续发展，世界石油工业，2003: 6: 9-13
5.中国环境监测总站，主要流域重点断面水质自动监测周报，第2期，国家环保总局网站，2004-01-12。
6.《NPC执法检查报告》，盛华仁，2003年第6期
7.邓，大中型沼气工程技术，生物质能源现代利用技术，北京，化学工业出版社，2003: 40。
8.庄向阳，，汽油酒精——新世纪的呼唤，河南报业网，2006年2月4日5438+0。
9.张百亮，杨世冠，李刚，生物能源，现代生态农业，农业出版社，2002: 337-358
曲，顾洪亚，，陈，现代生物技术概论，高等教育出版社，1999:187-211。