主题：【原创】生物质 序 -- 橡树村

挑选需要利用的生物质，就需要评价生物质里面所含有的能量。这个概念呢，叫做生物能含有量。生物能含有量的表示方法，是发热量，也就是生物质完全燃烧所能产生的热量，也就是燃烧热。不同的生物质燃烧的时候放出的热是有差别的，一般来讲含油越高，含碳越高，发热量也就越高。无机成分由于在燃烧的时候基本上没多大作用，所以基本上与这个数值没关系。

发热量传统上就有两个概念，一个叫高位发热量，一个叫低位发热量。产生这个原因，在于生物质燃烧之后，产物里面有水，这个水的状态不同，发热量就有区别。水（水蒸气）本身就含有大量的潜热，包括这部分潜热的燃烧热，是高位发热量，也叫总发热量。而不包括这部分潜热的发热量，就是低位发热量，也叫真发热量。没看明白？

换个说法。高位发热量测量的时候，物质的起终状态都是25度。这样呢，燃烧以后得到的水，就完全冷凝了下来，测量得到的燃烧能量里面，也就包括水冷凝所释放的能量。而测量低位发热量的时候，终止状态是在150摄氏度，这样水仍然是水蒸气的形式，水本身仍然含有很多的热量。

按照这个说法，高位发热量基本上都比低位发热量的数值大。比如无烟煤，高位发热量是34.1MJ/kg，而低位发热量就是33.3MJ/kg。不过具体的能源材料不同，高位发热量和低位发热量之间的比例也不同，比例从一到一点几不等。

高位发热量与低位发热量这两个概念各有各的用处，取决于具体的能源利用方法，所以同时使用。看资料的时候，要注意得到的发热量究竟是哪一个。

高位发热量和低位发热量并不能准确的描述生物质的能源价值。更加有用的概念，是有效发热量。生物质里面含有水和无机物，在真正燃烧的时候，这些成分都会带走一些热量，燃烧的时候加热周围的空气，维持火焰温度，排烟，灰分都会导致能量的损失。考虑了这些因素之后，得到的才是有效发热量。一般来讲，水含量越高有效发热量越低。这个有效发热量和具体的燃烧条件也是有关的，特别是燃烧温度对这个数值是有影响的。使用的时候要注意。

罗嗦半天，来讲生物质的发热量。能查到的生物质的发热量，一半上都会注明是干燥生物质为计算基准的。实际上，生物质里面含水很多。如果含水超过三分之二，那么基本上生物质的有效发热量就会是负的，完全没有利用价值。

这里列一下有代表性的生物质的发热量，列的都是干物质的高位发热量，单位是MJ/kg。

废弃物：

家畜粪便 13.4

活性污泥 18.3

锯屑 20.5

草本：

木薯 17.5

蓝草 18.7

高粱 17.6

柳枝稷 18.0

水生：

大型海带 10.3

水葫芦 16.0

木本：

赤杨 20.1

桉树 18.7

美国杉树 21.0

梧桐 19.4

副产物

纸 17.6

松树皮 20.1

稻草 15.2

比较一下其他燃料：

无烟煤 34.1

柴油 45.9

汽油 46.7

甲烷 55.5

氢气 141.9

横着穿过大气层的太阳辐射大部分都直接穿过去了，尤其是横穿过大气上层的部分。毕竟低空比较稠密的大气也就几十公里而已。所以这部分误差不大。而直接反射应该有很大一部分，也许有20-30%左右（完全是我瞎猜的数字，可见光反射的多，其他波长反射的少。）？但是应该差不到50%。

有哪个坑没填么？

至于答应写没写的东西，慢慢来。收集整理资料很花时间的。

各家数字略有差别.某院士写的能源综述文章里边的数据:被大气（包括云）直接反射的大概27%，散射出大气的大概7%

里面好多问题没有说明白。我在这里问几个，希望能够帮助大家理清思路吧。

第一个，目前的碳循环基本是稳定的。所以，每年，通过光合作用，还要生成千亿吨碳数量级的新的生物质资源。这段没有问题。因为每年也有等量的生物质被消耗还原成二氧化碳，重新回到循环。但是下一句，每年新生成的净值，就够现在的世界使用10年的了。这个就成问题了，如果有新生成的净值的话，那么这个净值的来源，不可能是原有的碳循环中存在的，只能是来源于化石燃料。而每年消耗的化石燃料，即使完全的转化为生物质，也不过是维持人类能源消耗的一部分，要说这些净值会满足人类使用10年，恐怕是夸大其辞了。但是，如果是每年新合成的生物质，就其总量来说，绝对不止让人类使用10年，恐怕几千年、几万年都够了。所以这一点还需要村长给我们解惑。

第二点，关于我们能够使用的生物质。这里，首先要考虑的是，我们必须维持一个健康的生态体系。这个生态体系，不仅仅供给人类食物和能量，而且还提供给人类氧气，能够完全降解掉人类的垃圾，并把里面的可分解的部分重新整合到自然循环中去。只有这样，人类才不至于活活被自己憋死或者被自己的垃圾淹没掉。当年生物圈的实验表明，其中生物质与人类重量的比例，远不是几万，几十万就能够解决的。一个成熟稳定的生态体系，维持人类生活所需要的生物质，很可能是人类重量的几千万甚至上亿倍才行。这里需要村长给出个数字。

第三点，世界有机废弃物，实际上是人类的有机废弃物。对于自然界来说，没有任何有机物是废弃的。因为一旦废弃，就意味着要积累起来。被隔绝在碳循环、氮循环之外。而这就是绝对的浪费。会很快的被排除在主流循环之外。也就自然会被灭绝。只有那些对于人类无用的，才会被废弃掉。而所谓的利用，也是人类的利用而已。

自然界的物质循环，每一步，都会成为下一步的起点。植物光合作用，产生生物质，这是阳光生命的起点。然后，除了大部分维持植物的自然生存之外，剩余的小部分都是流向了动物。其中只有极少的部分被人类直接利用，其余的部分，都是所谓的废弃生物质。但是，这些废弃的生物质，养活了人类可以直接食用的牲畜禽类水产品之外的几千万种动物，维持了整个阳光生态体系的能量来源。即使那些不能够被利用的难以被消化的木质素和纤维素，也养活了包括白蚁、真菌、细菌等在内的庞大的降解者。

村长所谈到的，可以利用的废弃生物质，实际上是指人类自己种植的植物所产生的生物质在去除人类所需部分的残留而已。这个总额相对于我们每年所利用的那部分，还是比较大的。虽然跟全球的总生物质产量相比，是微不足道的。

第四点，对于这部分所谓的废弃生物质，现在的利用率很低。这仅仅是对于人类能够利用的分额而言。实际上，人类所生产出来的每一个碳原子，在自然界里面，都最终得到了应用。目前所应该提倡的，是如何提高这一方面人类的利用能力。

太晚了，明天接着说。

净值的问题，来源是一份日文的资料的中文翻译，我再仔细看看是怎么回事。

是我理解错了。

原文使用的是净生产量，这个词是光合成生产量以及化学合成生产量减去呼吸消耗量，大约是生物质的生成量。

这个概念和化石没关系。原文已改。谢谢。

不过每年合成的新的生物质，从我看到的数字来看，真的没有这么多，不能维持人类几千几万年的消耗。陆地地面上生物能总量是33000EJ，目前世界年消耗大约在400EJ以上，也就是80年而已。加上海洋和土壤中的生物质，最多也就是翻一番多一点，距离千万年还有很远的距离。真够千万年使用的，生物能利用的前景就更好了。

生态的问题，实在超出了我的专业范围，我就不敢多说了，只敢简单带过。

木质的生物质当然就是木头，这几乎是人类最早用于能源的生物质了。现在呢，成材的木头当然还是不舍得当能源使用，所以没有多大用处的木头才用于能源。

森林生产的生物质原料，包括各种各样原因采伐下来的没有商业价值的木材。比如人工森林里面的杂木，形态不好的树木需要清理，比如为了控制人工林生长进行的间伐遗弃的部分。这些木材往往运输价格高，缺乏商业价值，被弃置在森林里面。森林主伐的时候，也会有将近三分之一的木材资源，比如枝叶，树梢等等，没有商业价值而被弃置。这些都是未被利用的资源。

目前的估算，来源于人工森林的林地残余木材资源大约有每年400万吨，来源于天然森林的资源量大约是每年1000万吨。总量不少，不过利用起来还有很多麻烦，经济性还有问题。

以能源为目的专门种植的树木，当然是重要的木质生物质原料。这里面比较看好的，包括柳树，杨树，桦树等等生长迅速的树种。这些树木可以种植在田间，也可以专门种植。在热带，热门的树种包括桉树，合欢树等等。

大规模种植能源树种也是有不少问题需要注意的。比如这些树种大部分都是外来树种，那么对于当地的生态肯定有影响。同时对单一的树种进行扩大人工造林，也会降低生态系统的稳定性。这方面，人们在逐渐地改进人工造林的方式方法，尽可能的维持生态系统的稳定性和生物多样性。虽然仍然有各种各样的问题没有解决，但是这方面的研究和实践也是在不断进步的。

另外，竹子也是很好的资源。利用竹子的麻烦在于大部分地方的竹子都是空心的，运输起来成本就比较高，经济性和能源利用性能大打折扣。非空心的竹子更有推广价值。

木质生物质的生长速度和地域有很大的关系，气温，降雨量，土壤情况，树种本身等等都影响生长速度。桉树和合欢树在东南亚地区每年每公顷土地生长的干物质是10-30吨，而中纬度地区的杉树，每年每公顷生长的干物质基本上在10吨以下。另外森林在种植后的早期生长较快，然后会逐渐放慢，所以究竟在什么时间进行砍伐，也是需要权衡的。

目前全世界的森林状况并不乐观，热带大约每年减少一千多万公顷，温带的植树造林比较多，每年增加几百万公顷，总的森林量，全世界是在减少。目前世界的森林总量大约在三十几亿公顷，树干的干重大约在3500亿吨，其中三分之一在南美。但是森林每年的净减少量接近一千万公顷，减少的地方主要也在南美。在这样的背景下，推广人工林应该是对保护地球环境是有好处的。在热带地区大面积种植人工林被很多人看成是生物能源利用的重要方向，并有可能在成本上与化石燃料竞争。当然在推广的过程中需要考虑生态影响以及对周围居民的社会经济影响等等，不是盲目的种树，不要打着环保的旗号破坏环境。

今天看了一下最近的文献，发现自己大学学的生态内容似乎是太陈旧了。简直是惨不忍睹了。

尤其在数字上面，似乎我的课本上的数字比现在的数字要小好几个数量级。比如说人类与自然界的比例。

如果维基百科的这部分数字是正确的话，那么我以前所学的所有的结论好像都是错的。

整个地球包含了7.5万亿吨生命物质，这个跟村长提到的4200-8300亿吨差了一个数量级。人类现在有60亿，按照每个个体平均50千克计算，有3亿吨。（这个数字真的很恐怖的）。只占整个生命物质的0.004%，或者说万分之四。（这也是为什么我更相信地球的生命物质至少是万亿吨级的原因。按照村长的数字，千分之四的比例，感觉是十分的荒谬，人类根本就是地球的蛀虫啊。） 人类的家畜，有7亿吨（来源不详，估算是在7-10亿吨之间），也就是说，我们的家畜的重量是我们的两倍多。人类的农作物可以到20亿吨的总量（来源不详），也就是占到地球生物总量的2.7%。

那么，按照以往的估算，地球的生态体系，要么已经处于一个极端脆弱的状况，要么是我们大大低估了地球的生物总量。但是如果这个数字是正确的话，这只说明一个问题，就是人类对于自然界的影响的深度和广度，已经达到了前无古人的境地。这固然是一个好消息。但是同时一个坏消息就是，人类可以在地球这个生态体系下可以折腾的空间，已经没有剩下多少了。也就是说，无论人类怎么折腾，将农作物的产量提高一倍，还有那么一点点的可能性存在，但是提高两倍，是几乎不可能的。（因为那个时候，人类本身的出产，就占到了世界的10%，也就是说，整个世界生态体系中，十分之一的生物要依赖于人类的出产存活。目前，我们还没有任何一个实验表明，人类可以做到这一点。要知道在生物圈的实验中，人类生产的物质与整个生物质的比例可是几十比一）。

同时，这个数字，也将成为人类能够产生和利用的生物能的上限。（如果没有新的生产方式产生的话。）

写到这里，我忽然好悲观。

不是总重。这两个数字，考虑到活的生物质含水量，估计一下正好差一个数量级。

是呀，这些数字，也是看了才知道人类的影响有多大，才知道事情的可怕了。这个生态系统，也许已经来不及达到稳定了。

草本生物质就是草呀！其实广义的草本的定义要广一些，草本，指的是草地上生长的稻科，豆科的植物。这里面，有很多已经都被人利用了，作为粮食，饲料使用。比如稻，麦，玉米，高粱等等都是稻科植物，这些作物的残余物，秸秆之类的，也就被纳入到草本生物质的范畴了。除了人类已经大规模种植的，还有很多的野草没有得到利用。

草本生物质的物质生产量比木本还快！前面讲了，热带地区，桉树，合欢树啦，最高一公顷一年也就生产30吨的干物质。草呢？有一种象草，也叫紫狼尾草，每年每公顷能生产80吨的干物质！并且呢，草本植物再生能力超强，持续性好，很多品种都可以长期稳定生产。在一些长期种植试验里面，长达七年的时间，几内亚草都可以每年每公顷生产40吨以上的干重。还有呢，草本植物的适应性很不错，能在很多种环境上生长繁殖，也能很方便的晒干，这样就能降低了除水的能耗。所以作为能源原料，的确是非常有前景的。

现在的草本生物质的现存量并不高。草地本身的生态系统也非常丰富，草的根部也非常的热闹，草原起到的生态作用，也是很强的，不亚于热带雨林的作用。

草本生物质可以燃烧，现在也有直燃利用草本生物质的技术，不过呢，实际应用上还不如木本的利用效果好。草本生物质的利用，是目前的技术热点。

目前作为候选，可能被广泛利用的能源草本生物质也不少了。最高的纪录是在波多黎各种植的紫狼尾草，每年每公顷干物质85吨，夏威夷的甘蔗，每年每公顷也达到64吨干物质。这个是什么概念呢？每天的产量就是232公斤和176公斤！还是摸不清楚？一公顷是15亩，亩产就分别是11000斤和8500斤干物质！

草本植物在热带长得快，温带也不慢。玉米，高粱，在栽培的初期，生长速度也可以达到每天每公顷132-260公斤干物质。在温带，夏季的时候，是可以达到热带的生长速度的，利用潜力很很大。当然了，温带在冬季的时候，草本植物生长速度就不这么快了。

草本植物也算是人类最早使用的燃料了，应该和人类使用木头的时候差不多。到现在，草本植物也仍然被很多人作为燃料使用。当然了，传统的使用方法效率很低，新技术的发展，使得大规模使用草本植物成为可能，利用效率也有了很大提高。

草本植物的利用，除了燃烧，还可以干别的。比如现在已经有不少人喜欢和不喜欢的生物乙醇，常见原料是玉米和甘蔗，就都是草本。当然了目前的生物乙醇技术在和人抢粮食，需要寻找其他原料，我们后面还会具体说。

草本植物有多大的利用量呢？草本植物的面积，大约将近四千万平方公里，总的现存生物量不多，1000亿吨而已，比森林少很多。虽然一些草本的生长速度很快，但是大部分草本的生长速度没这么快，平均来讲，大草原上，每年每公顷生产量是9吨干物质，比热带雨林还是差了不少（和温带森林相当），也可以成为生物质的重要来源。

列一下一些草本植物的生长量，单位是每年每公顷干物质的吨数

多年生：

热带：

紫狼尾草 85

几内亚草 49

狼尾草 51

甘蔗 64

亚热带：

甘蔗 50

几内亚草 51

克育草 30

温带

百慕大草 30

黑麦草 27

鸭茅 22

一年生：

高粱 29-47

玉米 27-34

几内亚草 17-24

稻 16-19

小麦 12-15

淀粉，糖类生产性，油类生产型的生物质，其实有的可以算到木本，更多的可以算到草本。这里面拿出来说，是因为利用的物质有一些特殊。

生产淀粉，糖类的植物很多，这些淀粉，糖，经过发酵之后，可以形成乙醇，是目前生物乙醇的原料。

淀粉类的植物包括土豆，红薯，玉米，小麦，大麦，木薯，西谷椰子等等。这些基本上也都是粮食。糖类的植物，常见的就是甘蔗，甜菜。这些物种人类都已经种植了很多年，对这些作物的研究也很多，通过品种改良，栽培技术的提高等等，产量在过去的几十年里面都有很大提高。但是呢，似乎进一步的提高单位产量也已经比较困难了。现在推广这些物种的种植，主要是在扩大其种植范围方面下文章，比如通过技术增加耐寒，耐干，耐盐等等性质。当然了，单纯的扩大耕种面积就可以增加其生产量。现在小麦，稻，玉米三种作物，年产量基本上都在6多亿吨，马铃薯大约在年产3亿吨，其他的品种产量基本上都在2亿吨以下。

糖类的作物，主要就是甘蔗和甜菜。甘蔗的年产量大约在13亿吨，甜菜的年产量大约是2亿吨。甘蔗最近几年在热带地区有扩大的势头，甜菜产量基本稳定。

淀粉，糖类的植物性生产总量，在2000年是42亿吨，听起来挺多的。但是呢，世界人口60亿，要维持这么多人吃饱饭，42亿吨并不多。实际上，现在世界上大约有8亿人口缺少粮食。这些作物的产量基本上稳定了，增长有限，但是人口增长却没完没了。所以呢，虽然这类物质是很好的能源材料，但是拿来解决能源问题，总让人觉得不那么对头。巴西使用甘蔗生产乙醇，也还算好，但是现在大规模的是用玉米生产乙醇，就立刻导致了玉米价格上扬，然后就是饲料涨价，肉制品涨价，那些缺少粮食的地方立刻就感受到了压力。有人说用粮食作乙醇是犯罪，虽然不知道说话的这个人喝不喝酒支持犯罪，但是这个说法也还是有道理的。

油类的作物含有油脂，这些由现在一般被用于食品，是重要的食品辅料，也有一定的比例用于油脂化学行业。作为能源来利用呢，就是生物柴油这个形式。

世界四大油类作物，是油椰子，油菜，大豆，向日葵。单位面积生产能力最高的是油椰子，每年每公顷有4吨的油产量。油椰子也就是棕榈，主要分布在热带，特别是马来西亚，印尼，还有尼日利亚，冈比亚等。目前世界45%的产量在马来西亚。油菜分布在比较寒冷的地区，亚洲，欧洲，北美都有广泛种植，产量最多的是中国，加拿大，印度，加在一起占了世界的60%。油菜提取的菜籽油，主要是作为食用油使用，在欧洲，是生物柴油的主要原料。油菜每年每公顷产油0.5-0.9吨。大豆主要生产国是美国，中国，巴西，每年每公顷产油0.3-0.4吨，广泛用于食用油，也是涂料，油光漆等等的化工原料。向日葵油产量每年每吨0.5-0.8吨，在俄罗斯，东欧，美国，阿根廷广泛种植，主要用作色拉油。

2000年的油脂产量，大豆油2500万吨，棕榈油2100万吨，菜籽油1400万吨，葵花油950万吨，占了全部油脂产量的60%。其他的油料植物还有花生油440万吨，棉籽油390万吨。总产量大约在1.1亿吨，75%用于食品。

油脂可以生产生物柴油，这个产品有很多优良的性能，是第一代生物能源燃料的明星。不过毕竟除了棕榈油之外，油脂的增产空间已经很小，用于能源，又要和人抢食品，也是有很多问题的。棕榈油的产量应该还有很大的空间，可以在热带地区大规模种植，成本也低，油类作物用于能源的话，这个应该是个好的选择。

好久没在村长的地盘得宝了