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1能源作物對資源、生態及環境的影響

能源作物可根據其光合途徑（C3、C4）、利用和轉化物質的化學組成（糖料、淀粉、油料和木質纖維素）和其生長習性（一年生、二年生和多年生）進行分類。本研究主要討論能源作物對水土資源利用和保護的關系，根據植物的生長習性和形態特征分為木本能源作物、草本能源作物，后者又進一步分為一、二年生和多年生草本能源作物。與草本植物相比，木本植物扎根深，耗水量大；木本植物和多年生草本保持水土、防風固沙能力比一年生、二年生植物強。

1.1能源作物種植對資源影響

1.1.1草原資源

草原是西、北部干旱地區維護生態平衡的主要植被，草原畜牧業是牧區經濟的支柱產業（國發（2002）19號）。同時，草原是我國少數民族的主要聚居區，是牧民賴以生存的基本生產資料。農業部《全國草原保護建設利用總體規劃》中提出，草原與耕地、森林、海洋等自然資源一樣，是我國重要的戰略資源。自20世紀50年代以來，我國累計開墾草原約2000萬hm2，其中近一半已被撂荒成為裸地或沙地（草原規劃）。因此，從保護草原資源角度，應禁止在草原上種植一年生能源作物，可種植多年生草本能源植物。事實上，2003年1月1日施行的《中華人民共和國草原法》第四十六條明確規定禁止開墾草原。草原的功能是發展畜牧業、調節氣候、涵養水源、保持水土、防風固沙、保護生物多樣性。《草原法》第四十二條國家實行基本草原保護制度中劃定基本草原：重要放牧場；割草地；用于畜牧業生產的人工草地、退耕還草地以及改良草地、草種基地；對調節氣候、涵養水源、保持水土、防風固沙具有特殊作用的草原；作為國家重點保護野生動植物生存環境的草原。盡管某些能源作物也能實現草原的部分功能，但能源作物規模化發展從本質上與草原的功能不同，因此，基本草原上應禁止種植任何種類的能源作物。

1.1.2水資源

在國民經濟的行業中，農業歷來是用水大戶，灌溉用取水量占全國用水總量的60％～70％。盡管甜高粱抗旱性較其他常見農作物強，如果僅依賴大氣降水和地下水補充，遠遠不能滿足其需水要求，即使能勉強維持生命，也不能良好生長，需要灌溉才能達到產業化所需的產量。中國科學院寒區旱區環境與工程研究所臨澤內陸河流域研究站在河西走廊中部的沙地種植甜高粱試驗，灌溉耗水量達9700m3／hm2，相當于970mm降水，是干旱和半干旱區年降雨量的幾倍。邊際土地資源分布調查表明，一半以上的宜能邊際地位于新疆和內蒙古干旱和半干旱區，可以種植能源作物甜高粱。由于天然降水不足，種植甜高粱要靠開采地下水和利用地表水，在內蒙古主要是黃河水。黃河是世界上開采水量最多的河系之一，2010年流域內總人口約11368萬人，其中的半干旱區有1．1億人口依靠其生活。同時黃河作為聯結河源、上中下游及河口等濕地生態單元的“廊道”，是維持河流水生生物和洄游魚類棲息、繁殖的重要基礎。同時由于特殊的地理環境，黃河流域也是我國生態脆弱區分布面積最大、脆弱生態類型最多、生態脆弱性表現最明顯的流域之一。自20世紀70年代早期開始，大規模從黃河取水，導致“黃河斷流”，即黃河水在一年的大部分時間里無法到達入海口。盡管黃河水利委員會通過制定嚴格的省級水利用法規，自1999年起，黃河水每年都可以到達入海口。然而，黃河的流量仍然低于生態需求所必需的水平。根據《黃河流域綜合規劃（2012—2030年）》，黃河流域未來經濟社會發展的重點之一是發展高效節水農業，形成以黃淮海平原主產區、汾渭平原主產區、河套灌區主產區為主的全國重要的農業生產基地。干旱和半干地區的旱生植物在長期的進化與自然選擇過程中，形成了適應大氣干旱與土壤干旱的機制。如沙拐棗（CalligonummongolicumTursz．）、梭梭（Haloxylonammodendron）葉退化或葉片縮小，有效降低蒸騰；針茅（Stipaspp．）、蒿（Artemisia）等植物發達、但分布淺的根系能及時吸收降水后土壤表層水分；駱駝刺（AlhagisparsifoliaShap．）扎根深度可達30m，根系吸收范圍超過地上部的幾千倍。旱生植物的這些抗旱機制，使其在充分吸收地下水的同時，減少蒸騰耗水。中生木本植物蒸騰量大，僅靠大氣降水不能滿足其水分需求。北方干旱和半干旱草原區干旱少雨，年降水量一般在400mm以下，降水分布不均，部分地區低于50mm。中生木本植物作為能源植物大面積種植，如無人工灌溉，會大量消耗地下水，導致旱生植物死亡。農業部《全國草原保護建設利用總體規劃》中就指出，由于不合理開采草原水資源，致使下游湖泊干涸，綠洲草原及其外圍植被不斷消失。農業部在《全國草原保護建設利用總體規劃》中，根據我國草原的區域性特點、存在的主要問題和保護建設利用的需要，將我國草原劃分為北方干旱和半干旱草原區、青藏高寒草原區、東北華北濕潤半濕潤草原區和南方草地區等4大區域。在北方干旱和半干旱草原區、青藏高寒草原區、東北華北濕潤半濕潤草原區，降水量不足支持森林，由于喬木類木本植物不但扎根深、而且耗水量大，大量消耗地下水，盲目種植會造成沙生植物死亡。在自然降水不足的干旱和半干旱地區，灌溉水是除土地外限制糧食生產的另一決定因素，規模化種植大量消耗水資源的植物，包括“非糧”能源植物，即便“不與民爭糧，不與糧爭地”，也會通過“與糧爭水”，影響糧食安全，更何況在這些地區，由于缺水，有時連農業用水都讓位于首先滿足人畜飲水。因此，從保護水資源，維持草原生態和草原的永續利用的角度，應該禁止在草原上集約化、規模化種植一年生能源作物，利用這類地區的荒草地種植能源植物應立足于包括多年生草本和灌木在內的旱生植物。

1.2能源作物種植對生態和環境的影響

草原地區降水量小、多風、蒸發量大。特別是土壤貧瘠的荒草地、沙地鹽堿地，植被覆蓋度低、植物生長緩慢、生態脆弱、土壤風蝕嚴重，是沙塵暴的主要原因。2007年農業部長期《全國草原保護建設利用總體規劃》中指出，不合理的開發利用，導致草原不斷退化，沙塵暴、荒漠化、水土流失等危害日益加劇。國外學者Larsen也指出我國北方正在形成一個大的沙塵暴侵蝕區（SandBowl）。2003年1月1日施行的《中華人民共和國草原法》第四十六條規定對水土流失嚴重、有沙化趨勢、需要改善生態環境的已墾草原，應當有計劃、有步驟地退耕還草；《國務院關于加強草原保護與建設的若干意見》（國發（2002）19號）也要求，實施已墾草原退耕還草。“對有利于改善生態環境的、水土流失嚴重的、有沙化趨勢的已墾草原，實行退耕還草。”退耕還草重點放在江河源區、風沙源區、農牧交錯帶和對生態有重大影響的地區。條例強調“要堅持生態效益優先，兼顧農牧民生產生活及地方經濟發展，加快推進退耕還草工作。”

1.2.1植被覆蓋

盡管荒草地、沙地等植被覆蓋度較低，但土壤表面由地衣、苔蘚細菌和土壤顆粒組成的土壤生物痂皮或沙殼，可以減少土壤風蝕。這層沙殼和土壤生物痂皮很脆弱，在人畜踩踏、機械碾壓后破壞。一年生能源作物種植過程中，播種、收獲會造成土壤擾動，破壞土壤表面的保護層和植被。《防沙治沙法》第十二條規定，“在規劃期內不具備治理條件的以及因保護生態的需要不宜開發利用的連片沙化土地，應當規劃為沙化土地封禁保護區，實行封禁保護”。新修訂的《中華人民共和國水土保持法》第十八條指出：“水土流失嚴重、生態脆弱的地區，應當限制或者禁止可能造成水土流失的生產建設活動，嚴格保護植物、沙殼、結皮、地衣等”。同時，集約化、規模化的能源作物種植中，施用除草劑會破壞原生植被；作物收獲后土表裸露。

1.2.2生物多樣性和生物入侵

在千年生態系統評估所列出的6項導致生物多樣性喪失的主因中，生物能源發展占了4項，如能源作物大面積單作、土地利用方式改變會導致生物物種棲息地破壞、入侵物種等。能源草有些已被列入入侵物種名錄，如芒草（Miscanthus）類中的中國芒（Miscanthussinensis）、虉草（Phalarisarundinacea）、蘆竹（Arundodonax）。這些禾本科（Gramineae）草為多年生植物，既可以通過無性繁殖在局部地區快速蔓延，又可以通過種子遠距離傳播。它們可忍受各種惡劣的環境，包括土壤pH改變、土壤緊實、貧瘠、高溫及干旱，進入農田會成為惡性雜草。為避免象草（Miscanthusgiganteus）在密蘇里、俄亥俄、阿肯色州和賓夕法尼亞州成為入侵物種，美國農業部生物質作物資助項目（BiomassCropAssistanceProgram），規定在這些州種植象草，只能用不育品種伊利諾品系（“IllinoisClone”）的根狀莖。此外，發展生物質燃料的熱門樹種，牧豆樹（Prosopisjuliflora）為速生灌木，營養需求低，能在干旱和半干旱土地上良好生長。但一旦定殖，很難甚至不可能移除。放任其繁殖，牧豆樹會發展成濃密的樹叢，讓原生種無立錐之地。能源作物大規模單作，土壤耕翻、無節制地施用殺蟲劑、除草劑等也可能造成生物多樣性的喪失。

1.2.3土壤退化

荒草地土壤養分含量低，集約化種植需大量施用化肥，但這類土壤由于有機質含量低、質地粗、土壤保肥性差又容易造成N、P對地表水和地下水污染。灌溉不當，會造成地下水位抬升，如地下水礦化度高，就可能引發土壤次生鹽漬化。因此從保護生態環境角度，在沙地、荒草地特別是已經實施退耕還林還草地區，應禁止種植一年生能源作物。

2結論和建議

種植能源作物不應以威脅糧食安全、破壞草原資源、耗竭水、破壞或污染環境為代價。而規模集約化種植能源作物特別是一年生能源作物會占用破壞草原資源、消耗水資源，與畜牧業及防風固沙、保持水土、保護生物多樣性生態發展爭地、爭水。針對利用干旱和半干旱地區邊際土地大規模種植能源植物可能出現的問題，建議國家出臺相應的生物質能源產業準入政策和技術規范，包括：

1）從保護草原資源出發，應禁止在基本草原上種植能源作物，改變草原用途。禁止開墾草原或荒草地，特別是在水土流失嚴重、有沙化趨勢的土地上種植一年生能源作物。種植多年生草本能源作物，最好選用能草兼用型的物種，以兼顧能源與飼料之用。

2）在干旱和半干旱草原和荒草地種植多年生草本能源作物，需盡量選用本土植物物種，避免引入的能源植物在當地成為入侵物種。

3）研究制定詳細的干旱和半干旱區能源作物種植技術規范，包括：能源作物種植應采取的防風固沙、節水灌溉、養分綜合管理、保護性耕作、病蟲草害綜合防治技術規范。并出臺相應的經濟刺激政策，鼓勵企業和種植戶自愿采用這些技術規范。

4）從水資源保護角度，應限制或禁止在北方干旱和半干旱草原區種植耗水量大的喬木類木本能源作物如短輪伐周期的速生楊樹等和一年生草本能源植物。另外，產品水足跡（Waterfootprint）即產品全生命周期消耗的淡水總量分析表明，生物乙醇全生命周期耗水量很大。除在原料生產（農業階段）直接消耗“綠水”和“藍水”外，還因施用化肥、農藥及乙醇生產過程中對水體污染而產生“灰水”消耗。所謂“綠水”是指利用和結合入最終產品的自然降水量，如作物蒸騰耗水和作物體的水分，“藍水”是指消耗的地表水和地下水的量，“灰水”是產品全生命周期導致水體污染的指標，相當于將污染物稀釋到符合水質標準所需的凈水體積。因此，建議對在干旱和半干旱地區發展能源產業對水資源的消耗進行系統的、定量化研究，為國家制定相應的政策提供數據支持。

作者：張寶貴謝光輝單位：中國農業大學資源與環境學院中國農業大學農學與生物技術學院國家能源非糧生物質原料研發中心