2.3　生物质能源主导人类能源需求

2.3.1　生物工程与大气碳含量的增加决定了生物质能源必将替代化石能源

2.3.1.1　地球生物质的增长潜力与速度不可估量

生物工程技术的突破已使地球生物质的快速发展具备了强劲的内在动力，而地球大气中CO₂的快速增长则使生物质发展拥有了无限的物质基础与发展空间。研究表明：在19世纪中期以前，大气中的CO₂浓度处于一个相对稳定的状态，为270~290ppm；之后大气中的CO₂浓度增速加快，目前已超过410ppm，并以每年0.4%的速度快速增加。照此速度，22世纪中期，大气中的CO₂浓度将达到700ppm。在全球都在热切讨论如何减少CO₂排放的时候，我们也不得不面对一个现实：全球工业化的持续发展将需要更多的能源来做基础支持，这必将会导致大气中的CO₂进一步快速持续增长。

生物学实验表明，大气中CO₂增加一倍时，植物光合速度将大大提高，而生物工程技术、水利与灌溉技术以及生物质能源的应用与转化技术的飞速发展也必将进一步推进生物质体量的增加以及再生速度。因此，不久的将来，我们将看到粮食作物、能源作物及所有地球生物质的增长速度逐步加快，其意义与作用也将不可估量。

2.3.1.2　生物质能源必将取代其他能源

在数亿万年的历史累积中所形成的化石能源可供人类使用几百年，但是，化石能源终有枯竭的一天。与此同时，煤炭、石油、天然气等化石能源燃烧时产生的有害物质已经严重破坏了环境。

从元素分析的角度讲，生物质与常规的化石燃料，如石油、煤炭等是同类。生物质的特征和利用方式与化石燃料有很大的相似性，因而可以充分利用已经发展起来的常规能源体系开发利用生物质能。除此之外，相对于化石燃料，生物质的挥发组分高、碳活性高，含硫量和灰分却都比煤炭低。其利用过程中的SO₂、NO_X排放较少，造成的空气污染与酸雨会明显减少。因此，绿色植物能源作为一种再生能源，不仅美化了人类的生存环境，促进了生态环境的碳氧平衡，还可以成为安全能源的典范。

生物燃料与化石燃料的不同点在于，生物燃料既是CO₂的排放者，也是CO₂的吸收者。生物质的功能就是碳汇，吸收大气CO₂，把碳融入植物组织。据相关学者分析，每年光合作用总固碳量为200~300Gt，远远超过全球每年消耗的煤和石油总量。因此，种植生物燃料原料，有助于降低大气CO₂水平。生物燃料燃烧时，再将CO₂释放回大气中。相比于化石燃料，虽然燃烧过程均放出CO₂，但是生物质可以将燃烧后的CO₂吸收成为自身物质，可有效调节空气中CO₂的浓度。

综上所述，生物质能源持续可再生，有利于环境保护，还可调节大气中CO₂的浓度。不论是与可再生能源相比，还是与化石能源相比，生物质能源都拥有较多优势。在不久的将来，生物质能源的数量和质量都将会突飞猛进，它不仅将逐步替代化石能源，而且对整个人类及地球生态环境均有重大的意义。

2.3.2　光合速率与最佳CO₂含量

2.3.2.1　光合作用的最佳条件与CO₂浓度

以下三个环境条件决定了光合作用的速率（光合速率）：

（1）光照强度。太阳是光合作用的能量来源，光合速率的高低直接取决于光照强度。在保持其他条件相对稳定、一致的前提下，在适当的区间内，光合速率随光照强度提高而加快。但当光照强度超过一定阈值后，光合速率不再随着光照强度提高而变化，这就是光饱和现象。开始达到光饱和现象的光照强度称为光饱和点。

（2）CO₂浓度。CO₂是光合作用中除光能以外必不可少的原料，因此，大气中的CO₂浓度对光合速率的高低有一定影响。在自然条件下，植物通过吸收空气中或水中的CO₂补充碳源，而空气中CO₂含量占空气体积的0.033%左右，浓度较低。据科学家试验研究，在CO₂含量低的条件下，植物光合效率较慢。例如，将棉花、玉米放在CO₂含量0.064%的空气中，与含量0.033%的自然条件相比，棉花的光合速率提高了1.5倍，玉米的光合速率提高了15%。因此CO₂在空气中的含量成为植物光合作用的关键因素。

（3）水分。水分是光合作用必要的物质条件，光合作用利用太阳的能量将水分分解出氢，氢与碳合成碳氢化合物，放出氧气。地球从产生生命之前至今，一直存在丰富的水资源，其对生物发展的影响主要表现在大气圈水循环的频率、范围与规模。

在以上三个条件中，阳光是由太阳决定的，自地球有生命以来是相对稳定的。而CO₂一直呈周期性波动，阳光和CO₂共同控制了地球的温度和大气圈的水循环，因此，地球大气中CO₂浓度及碳循环体系就成为决定光合速率及地球生物生长速度的关键。

对于有利于光合作用的最佳CO₂浓度，世界各国的科学家做了多方面的研究与试验，得出的比较一致的结果是1000ppm，即接近于今天浓度的2.5倍。

2.3.2.2　人类理想的CO₂浓度及其对光合作用、气候的影响作用

大气中CO₂浓度增加会引起全球气候变化，进而引起区域的温度、湿度、生长季长度、降水和蒸发的变化。科学试验表明，当大气中CO₂浓度超过1000ppm时，人会产生轻微的不适，而CO₂低于1000ppm时，不会影响人类的生活。中国东北林业大学的杨金艳、范晶、刘思秀等的研究表明，到2030年，CO₂浓度将达到0.055%，是100年前的两倍，从而可能导致全球增温1.5~4.5℃，降水增加7%~11%。当CO₂浓度升高一倍时，地球植被将会大量增加，大面积的森林植被将会在一定程度上缓解气温的升高，对温度急速升高进行有效调控。因此，无论从植物光合速率还是从人类的舒适度来看，大气CO₂较现在提升一倍，即达到600~700ppm时，地球环境即可实现良性循环。

森林在夏季具有降温作用，主要体现在5~9月，在冬季具有保温作用，主要表现在11月到次年2月，保温效果不如降温效果明显。山东交通学院的冯海霞、张丽彩曾于2006年在山东地区进行的研究表明，夏季上午10：30，森林类样点的温度比城镇低3℃左右；到了13：30，两者的温差更大，达3.89℃。森林在夏季温度越高时降温效果越明显。在冬季，森林类样点的温度比城镇温度高，主要体现在11月到次年2月。例如，1月上午10：30，城镇类样点的温度是0.17℃，森林类样点温度是3.10℃，温差为2.93℃，这说明森林在冬季具有保温的效果，且在温度最低的月份，保温效果也最明显。

以上研究表明，大气CO₂的增加会导致气温升高，但同时也促进了植物的生长，而植物的快速增长，尤其是森林植被覆盖率的提高又会吸收和固化大气中的CO₂，使CO₂含量减少，从而抑制气温的升高，有效地调节地球温差。

2.3.3　绿色地球与人类生存环境的根本改善

2.3.3.1　地球气候的均一化趋势与极端气候的缓解

随着CO₂的增长，全球气温将升高，但由于受地表的地理地貌特性不同、地表物理化学结构不同、植被和气候带不同以及水陆差异等因素影响，全球各地变暖程度不同，在不同季节变暖程度也不同。设在奥地利的国际应用系统分析研究所（IIASA），于1993年在全球范围内选择了11个区域（6个半旱区，5个北半球中纬度地区），进行CO₂浓度增加对地区气候、经济影响的研究，结果表明：CO₂浓度倍增会使地表平均温度升高2.01℃，且冬季增温明显，约2.9℃，夏季只有冬季的一半，为1.5℃；在高纬度地区更明显，年平均增温2.5℃，中纬度地区为2.2℃，而低纬度（0o~30o）地区仅为1.6℃。因为冬季高纬度（60o~90o）地区增温大于低纬度地区，使得极地—赤道之间的热差发生变化，而使东亚冬季风强度减弱。IPCC运用大气环流模型预测，也得出相似的结论：随着CO₂倍增，热带地区升温较少，极地升温较多。

除此以外，地球上没有月球等星球的极大温差，还得归功于CO₂等保温气体。众所周知，在月球上，在阳光垂直照射的地方，温度高达127℃；夜晚，月球的温度可降低到-183℃。这主要是因为月球上没有大气层。而地球上的CO₂就犹如温度的调节剂，当太阳直射在地面上时，CO₂吸纳了太阳部分热量，从而有效降低了太阳直射处的地温；同时CO₂通过气体流动，将吸纳的热量注射到没有太阳直射的地方，从而提升了当地的温度，整体上降低了地球各地的温差。

综上所述，CO₂具有调节（减小）温差的作用。当CO₂含量倍增、温度适度上升时，原本温度较高的地区升温较少，极地等地区升温较多，从而使全球的气候更加均衡，也能减少因温差大而引起的强对流极端天气。

2.3.3.2　CO₂排放与生物吸收平衡，地球重回温暖宜居的生态环境

也许有一天，无论走到哪里，呈现在眼前的都将不再是黄沙和荒漠，阳光、雨露、充足的氧气，将成为最宝贵的无价资源。作为大自然的一分子，人类享受着绿树成荫、蓝天白云、小河涓涓，也将重新理解“和谐发展”的深层含义。也许撒哈拉沙漠将会褪去它的黄衣，一展绿色的风采；黄土高原将从地球上消失，地球被绿色植被覆盖。

人们的生活将与绿色植物息息相关：每天闻着绿草的芬芳醒来，驾车于绿树成荫的大路上，到办公室后开始潜心研究植物能源的应用；假期生活是城市森林一日游，孩子将不再看着书本认识各种植物，而是在教师的带领下到真实的生态环境中发现地球的奥妙。

大家都能充分感觉到植物的重要性：植树造林、提高植物光合效率等已经不只是为了满足人类对环境的需求，而是成为经济发展的核心竞争力。在新的世纪，各国的核心竞争力将会逐步转化为生物技术，新的革命即将拉开序幕。