芒草能源植物在边际性土地上资源可持续利用的综合评价

Large-scale bioenergy production is necessary for the national energy independence, environmental safety and sustainable economic development. Miscanthus is suggested to be one of the most suitable second-generation energy plants to grow in the vast marginal land in northern China, contributing to soil and water conservation and ecological restoration. China is richest in Miscanthus natural resources, which provide a solid foundation for domesticating energy crops with high adaptability and productivity. Therefore, the central question to be addressed in this project is how to evaluate the sustainable production of Miscanthus energy plants in large scale for a long run. Based on previous works, the proposed research will establish the yield model coupled with soil water balance to simulate the yield time series in the next hundred years using the recent regional climate change model. Using large amounts of data gathered from Miscanthus sites, we will estimate the required parameters and calibrate the models. Simulation results for the long period will quantitatively evaluate the effect of Miscanthus production on soil and water conservation and soil improvement. We will also calculate the carbon debt to evaluate carbon sequestration and emission reduction with land use data. The proposed research will not only provide the theoretical assessment framework of sustainable production of Miscanthus energy plants, but also enhance our understanding of the ecological effects of energy crop production.

芒草是多年生C4草本植物，新一代能源植物代表，在寒冷、干旱气候下有高生物量产出。我国拥有世界上最丰富的芒草植物资源和广大边际性土地资源。其中，北方面积最大的边际性土地位于生态问题严峻的黄土高原地区。芒草在这一地区种植不仅提供生物质能原料，还有助于当地生态修复，为国家能源独立和生态文明建设提供重要保障。因此，从芒草产量和环境影响两个方面，综合评价芒草在边际性土地上大规模长期生产的可持续性，便成为芒草资源利用中亟待解决的关键科学问题。本项目将基于已有研究成果，建立芒草产量和土壤水分耦合模型，在最新的气候情景模式下模拟芒草长期产量，并用试验样地的观测数据进行检验和校正；分析芒草生产对种植地水土保持和土壤改良的贡献；纳入现有土地利用方式，研究芒草种植的固碳减排潜力；根据多种生物质能发展目标，综合产量和环境影响进行可持续性评价，为实现芒草植物资源的巨大潜力和边际性土地的生态效应提供理论与实证依据。

芒草是新一代能源植物的代表。这种多年生C4草本植物在寒冷、干旱地区生物量高。我国拥有世界上最丰富的芒草植物资源和广大边际性土地资源。其中，黄土高原地区边际性土地面积巨大，生态问题突出。在该地区种植芒草既可以提供生物质能原料，还有助于生态修复。本项目在前期工作基础上，进一步研究了芒草在边际性土地上大规模长期生产的可持续性，主要包括以下两个关键科学问题。（1）边际性土地上大规模种植芒草，生产可再生能源，有利于替代化石能源，固碳减排。然而，首次种植时整理土地会导致土壤有机碳流失，称之为碳债。如果某一地区土壤有机碳含量不高，同时芒草固碳明显，能迅速补偿碳债，那么发展芒草生产就是可持续的。基于多期高分辨率的土地利用数据、土壤分布和类型数据、以及甘肃两个芒草样地多年的土壤有机碳测量结果，根据IPCC账簿式方法和之前发展的芒草固碳模型，发现黄土高原大部分地区的碳债可以在5年内还清。有27.6万平方公里的边际性土地适合大规模发展芒草生产，有9.7万平方公里适合生态修复。每年可获得4亿吨原料，减排源于电煤的二氧化碳排放5亿吨。这些结果提供了芒草可持续生产的区划基础，有助于实现芒草能源作物的发展潜力。（2）从温暖湿润的原产地到寒旱胁迫的黄土高原地区，芒草需要适应新环境。因此检测影响适应的选择信号，有助于快速驯化优良芒草材料。相比微卫星标记和单个等位基因的SNP，全基因组的完整基因等位基因频率在分析选择效应时更为准确。基于已有的在与原生境相近的湖北江夏和位于黄土高原庆阳实验地的80个个体的群体转录组数据，获得29094个SNP位点。在庆阳,超过60%基因的核苷酸多态性低于江夏，说明在庆阳多数基因可能受到选择作用。通过发展推断单倍型来检测选择信号的新方法，比较两地等位基因频率变化，发现在适应黄土高原胁迫环境过程中，402个基因受到了正选择作用，51个基因受到了负选择作用。这些候选基因的功能富集在非生物胁迫响应相关基因和光合作用相关的基因上。