大豆

大豆作为生物燃料原料

大豆(大豆)是北美、南美和亚洲大部分地区的主要作物。美国是世界上最大的大豆生产国，产量约占世界的32%，其次是巴西，产量为28%。大豆起源于东南亚，公元前11世纪在中国首次被驯化。大豆最早于1765年在美国种植，19世纪中期传到玉米带，直到20世纪20年代才有大面积种植，当时主要用作饲料作物。美国作为油料作物的主要扩张始于20世纪40年代(Gibson和Benson 2005)。与其他油籽作物如油菜(40%)和向日葵(43%)相比，大豆含有大约18 - 20%的油(Berglund et al. 2007)(国家向日葵协会2009)。每蒲式耳48磅的豆粕仍然是用于动物饲料和人类食品的大豆的主要产品。大豆的种植面积比其他油料作物大得多，这使得大豆油产量可观，并可作为生物燃料原料。

目前用作生物燃料的潜力
大豆油是目前生产生物柴油(NBB)的主要原料。生产生物柴油最常见的方法是在氢氧化钠(作为催化剂)的存在下，将植物油或动物脂肪与甲醇或乙醇反应。酯交换反应生成甲基或乙基酯(生物柴油)和甘油的副产物。注:生物柴油不是在柴油发动机中直接燃烧的植物油。1980年至2000年间的大量研究表明，使用包括大豆油在内的纯植物油会导致碳沉积并缩短发动机寿命(Jones和Peterson, 2002年)。在柴油发动机中使用生物柴油不会产生类似的负面影响。美国大豆农民通过联合大豆委员会(USB)和随后成立的国家生物柴油委员会(NBB)推动了大豆油用于生物柴油的使用。

生物学和适应
大豆(大豆大豆和其他豆科植物与一种慢生根瘤菌有一种独特的关系，它会在大豆的根上定植，形成根瘤。这两个物种形成了一种共生关系，大豆提供营养，细菌从空气中固定氮。这种关系减少了大豆生产中对补充氮肥的需要。

大豆花对日照长度和温度的响应。在美国种植的品种被分为13个成熟组，从最早适应明尼苏达州北部和加拿大南部的成熟组000，到适应南部地区如德克萨斯州南部的成熟组X。早熟品种在昼长夜短时开花，晚熟品种在昼短夜长时开花。在北纬地区，夏季白昼较长，早熟品种在白昼较长时开始开花。成熟期群体发展不同，了解不同成熟期群体的生长习性有助于作物管理(Waitrak等，2010)。

生产和农艺信息
中西部地区大部分地区的大豆都是在4月至6月种植，9月至11月收获。大豆很适合在类似玉米的土壤中生长。在许多情况下，大豆与玉米或小麦轮种以打破虫害、杂草和疾病循环。大豆的养分需求通常比其他作物少，主要养分需求是氮、磷和钾，其中大部分氮是通过与细菌的关系获得的。土壤pH值在5.5至7.0范围内将提高养分有效性和大豆生长(Ferguson et. al. 2006)。为了获得最佳产量，杂草控制是必要的，而生物技术种子的使用降低了在生长季节控制杂草的能力。目前在美国，超过90%的大豆种植是抗除草剂的(美国农业部ERS, 2009年)。许多昆虫和疾病在中西部地区的大豆中很常见。对大豆危害最大的害虫是大豆包囊线虫，一种以大豆根部为食的土生寄生蛔虫(Chen et al. 2001)。害虫包括:豆叶甲虫、大豆蚜虫、绿三叶草虫和螨虫。 Soybean harvest begins after 95% leaf senescence when beans are 12 to 18% moisture.

潜在的生物燃料的产量
2009年美国大豆产量为34亿蒲式耳，产量为7,740万英亩。美国的平均产量为每英亩44蒲式耳(国家农业统计局)。一蒲式耳的大豆可以生产1.5加仑的生物柴油。将美国所有的大豆用于生物柴油可以生产51亿加仑的生物燃料。利用所有大豆生产的生物柴油尚未被提出，也不现实。2009年生物柴油产量为7亿加仑，产能为18.3亿加仑(《生物柴油杂志》，2008年)。以每英亩44蒲式耳的产量计算，一英亩大豆可以生产66加仑的生物柴油，而每英亩1300磅的菜籽油可以生产69加仑、葵花籽油可以生产84加仑、棕榈油可以生产600多加仑(Hill et al. 2006和SDSU 2008)。

生产的挑战
在中西部地区，大豆产量通常高于玉米产量。玉米和大豆在上中西部地区拥有数百万英亩的生产历史。这段历史导致了大型基础设施的设备、仓储、铁路、驳船和卡车运输。与许多作物一样，大豆也面临虫害和病虫害以及与天气有关的挑战。近年来，一种新出现的疾病引起了人们的广泛关注。大豆锈病，一种原产于亚洲的真菌疾病，已经传播到南美的大豆田，最后传播到美国的大豆。防锈是昂贵的，需要使用杀菌剂，产量损害可能是极端的。

估计生产成本
生产成本将因地点、种植制度和能源价格波动而有所不同。大豆生产的主要支出包括;种植，收获，种子和杀虫剂。以内布拉斯加州为例，2010年免耕大豆的雨耕预算为每英亩115美元，用于田间作业、材料和服务。加上土地、保险等间接费用，大约每英亩200美元。灌溉大豆的总成本约为每英亩400美元(Klein和Wilson, 2010年)。生物柴油的盈利能力变化很大，基于生物柴油、豆油、副产品甘油、甲醇和天然气价格的不断变化。大豆油原料价格是盈利能力的驱动因素之一(Hofstrand and Johanns 2010)。

环境与可持续发展问题
在过去的20年里，大豆用于生物柴油的生产能力从零增长到每年超过10亿加仑。在此期间，生物柴油产量的涨跌取决于原料价格、石油价格以及联邦和州对该行业的补贴。大豆面临的一个主要挑战是大豆油的不同用途。大豆油用于许多人类食品、食用油和许多工业应用。大豆占美国食用油脂消费的80%或更多(Gibson和Benson, 2005年)。与其他用途的竞争导致大豆油市场价格飙升，挑战了大豆生物柴油的盈利能力(Wisner, 2009)。美国农业部对生物柴油进行的生命周期分析报告称，生物柴油的化石能量比为每消耗一单位化石能量产生3.2单位能量。换句话说，生物柴油每消耗一单位化石能源，就能产生3.2单位能量，而石油柴油的化石能量比为~0.84。

内布拉斯加大学林肯分校推广教育家F. John Hay著
由内布拉斯加大学林肯分校土壤科学和作物营养推广专家查尔斯·夏皮罗博士评论

参考文献
生物柴油杂志，(2008)，2009生物柴油行业指南，第五版2008年12月，BBI国际，大福克斯，ND
Berglund D.R, McKay K.， Knodel J.(2007)，北达科他州立大学油菜生产，A-686, 2007年8月修订
Chen S.， MacDonald d.h.， Kurle J.E. Reynolds D.A, 2001，大豆孢囊线虫，明尼苏达大学推广，fo03935，http://www.soybeans.umn.edu
能源信息管理局
环境保护署
Ferguson R.B, Shapiro C.A, Dobermann A.R, Wortmann C.S，(2006)，大豆肥料建议，内布拉斯加大学林肯分校，G859
吉布森和本森，(2005)，大豆的起源，历史和用途，爱荷华州立大学农学系
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Hofstrand D.， Johanns A.(2010)农业营销资源中心，生物柴油盈利能力，爱荷华州立大学分校
Jones S.， Peterson C.L.(2002)使用未改性植物油作为柴油燃料扩展剂的文献综述。爱达荷大学生物与农业工程系，莫斯科
Klein R.N，和Wilson R.K，(2010)，内布拉斯加州作物预算2010，内布拉斯加州大学林肯分校，EC 872, http://www.iarnpubs.unl.edu/live/ec872/build/ec872.pdf
国家生物柴油委员会(NBB)
国家农业统计局
国家向日葵协会2009年美国向日葵作物质量报告，曼丹，ND