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第二代生物能源:有力的新希望?

一个美国研究小组宣称,在毫不影响耕地的前提下,生物燃料可以满足全世界一半的燃料需求。琼•梅尔切采访了小组的负责人。

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美国伊利诺伊大学的一个环境工程科研小组经过三年的研究,日前得出结论说:利用边角土地生产的生物燃料(从动物或植物体中提取的燃料)可以满足目前全世界一半的燃料消费需求。据该小组负责人蔡锡铭(音)说,这个发现不仅对生物燃料的生产具有重要的影响,而且对退化土地的环境质量意义非凡。

这项研究的最终报告发表在去年底的《环境科学与技术杂志》上,而此时适逢全球对生物量的兴趣与日俱增。据国际能源机构预测,生物质能源在全球能源供应中的比例到2050年将增加两倍,占到30%。今年三月,设在英国的国际环境与发展学会(IIED)呼吁各国政府采取“更加成熟的”方式来获取能源,将其置于能源战略的核心部分,逐渐加大对新技术和研究项目的投入。

伊利诺伊大学的这个项目采用了尖端的土地利用数据收集方法,以期估算出第二代生物燃料和多年生草本植物的潜力,这些植物不会与粮食作物发生竞争,需要的肥料和农药也比常规生物燃料要少。它们被视为玉米乙醇(即所谓“第一代”生物燃料)的替代品,后者之所以遭到诟病,是因为其生产和收获中大量的能源消耗、巨大的灌溉用水需求以及目前生产生物燃料所用的玉米要占美国玉米总产量的40%

这项研究中的一个关键概念就是它的考察对象只包括边角土地,即所谓的废地、退化或者不适于耕种的劣质土地。研究小组负责人、伊利诺伊大学的环境工程学教授蔡锡铭接受了中外对话的采访。

研究小组主要考虑了三种生物燃料作物的培育:柳枝稷芒草和一系列被认为具有低影响高多样性(简称LIHD)属性的多年生草本植物。

研究者们还设想了可利用土地的多元方案。第一个方案只包括生产力低下的闲置土地;第二个包括了退化或者贫瘠的耕地,用来种植柳枝稷和芒草;第三个又增加了在边角草原上种植的LIHD草类;第四个则涵盖了除去目前在用的耕地和牧场的所有土地。但上述任何一个方案都没有把林地计算在内。在所有方案中,研究者们都认为生物燃料作物的生长只靠自然降水就足够了。他们还对各项自然指标进行了评估,包括土壤性质、土壤质量、土地坡度和区域气候等。

研究小组把研究的重点放在了第四种方案上。按此计算,他们发现全球可资利用的土地多达1100万平方公里。其中单是非洲可提供的土地就占到三分之一,而南美洲和非洲加起来要占到一半以上。按照这种方案,如此广袤的土地能够满足当前世界液体燃料需求的26%到55%。蔡锡铭说,变化区间之所以这么大,是因为反映了生物燃料作物生产力、天气以及劳动力和机械等其他要素的变量。

根据他提供的数字,美国能够为种植这些作物提供的土地达到120万平方公里,中国为150万平方公里,欧洲为110万平方公里,印度为150万平方公里。他还指出,即使只实现最低影响的方案,美国的生产能力也能满足联邦指令中关于到2022年为交通部门提供360亿加仑(约1360亿升)生物燃料的要求。而目前美国的边角土地中只有一半左右仍然用于农业生产。

蔡锡铭说,中国的情况截然不同,因为大多数的边角土地目前都被用来耕种。他说:“我们发现中国1.52亿公顷(边角)土地中有88%都被用于农业生产。也就是说,如果我们想要在中国进行生物燃料的生产,农民们就必须用生物燃料作物换掉常规作物,这就面临着一种取舍。生物燃料作物的利润可能会比较高,但它会影响到中国的粮食生产。”

研究小组还对六个国家或地区的净能量增益进行了计算,发现在第四种方案(即除去现有耕地和牧场的所有土地)下的净能量积蓄将达到每公顷490亿到1050亿焦耳,相当于每公顷产出约294到630桶石油。

研究人员们也指出了研究中面临的几个问题。一个是生物燃料的生产有可能加剧某些地区的水源压力,这是因为提炼中需要大量的水。总的来说,第二代生物燃料比玉米乙醇需要更多的加工。另一个问题是现有可利用土地的分布。如果能够按照研究中所设想的方案进行生物燃料的生产,一半以上产品将由非洲和南美提供,但与此同时最大的燃料需求地却在美国、欧洲、印度和中国。蔡锡铭说:“这就意味着生物燃料的海运将成为一个重要问题。如果我们按照上述发展路径前进,就要把大量的能源丛非洲和南美运往其他地区,也就是说需要在基础设施发展上进行巨大的投入。”

他还说,在边角土地上发展生物燃料和种植多年生草本植物也会给土地本身带来显著的环境益处。除了对水、肥料和农药的需求非常低之外,这些多年生草本植物的根系还可以防止土壤流失和水系的淤积。

近年来,柳枝稷在美国已经得到了逐渐的推广。位于美国东南部亚拉巴马州奥本大学的试验田已经获得了最高达每英亩(约4000平方米)15吨生物质的产量,五年中的平均产量为11.5吨,相当于每年每英亩生产出4400升的乙醇。这种草可以长到3米多高,其根系也能钻入土壤差不多的深度,这让它成了一种遏制土壤流失的利器。人们还发现它能为熟土保持重要的养分。柳枝稷每年能收割一到两次,每十年左右重种一次即可。

芒草是一种高大的多年生草本植物,人们发现它在种植和燃料生产方面的效率比柳枝稷更高。伊利诺伊大学在芒草的研究方面在美国处于领先地位。同时,美国能源部橡树岭国家实验室的一个研究小组也在大力探索柳枝稷以及其它生物燃料的潜力。

比起柳枝稷和芒草,尽管LIHD作物的乙醇产量要低一些,但它们的环境影响最小,和草原的自然植被非常相近。据研究人员估计,LIHD生物质的净能量增益为每公顷178亿焦耳(相当于2.9桶石油)。根据他们给出的定义,所谓的净能量就是“收获的生物制产生的能量减去原料生产和乙醇加工中消耗的能量”。

柳枝稷和芒草的经能量增益平均为每公顷600到1400亿焦耳(相当于9.8到23桶石油),具体依土壤、气候和农业投入情况而定。围绕玉米乙醇的经能量增益有很大的争议,原因在于包括化肥和农药生产消耗的能量等玉米种植过程中所需燃料的计算。一些研究者说它的净能量增益微乎其微,在碳减排上甚至是负值。蔡锡铭估计玉米的净能量增益为每公顷16到23桶石油。2011年,美国的乙醇总产量有望达到约135亿加仑(511亿升),相当于3.21亿桶石油。

目前蔡锡铭正在从事另一项研究,即气候变化对可利用边角土地的影响。他说他发现由于某些地区降水量的增加,中国可利用的土地有所增长。而按照同样的理论,世界其他一些地方适宜生物燃料生产的土地面积则(随着降水量的减少而)在减少。

蔡锡铭说他希望这项关于生物燃料生产潜力的研究可以“为未来的研究打下一个坚实的基础,我们希望各地方的研究者们利用我们的数据在本地进行更细化的研究。”他还说:“这项研究的目的是展现一幅全球图景,我们开放数据供大家分享,任何国家都可以利用我们的数据和方法论。”

 

·梅尔切,蒙大拿州自由撰稿人。

图片来自Shenghung Lin

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alternativeview

道德和谬误

生物多样性和在那个被戏称为“边缘土地”或“退化土地”上繁衍和生产的数百万人不应该因气候变化而牺牲自己的权益。
在没有大量能源的密集供给时,耕地无法收获这样高产的粮食。碳排放可能会增加,尤其是在热带高草草原。
芒草因其富含矽质作为供电燃料的可利用性不大。油桐的前景十分可观。

此评论由张晓菲翻译

Ethics and fallacies

Biodiversity and millions of people who derive their livelihood from that mischievously named “marginal” or “degraded” land to should not be sacrificed for those who are causing climate change.

That land would not tolerate high yield crops without large quantities of energy-intensive inputs. Carbon emissions would probably increase - particularly in the cerrado.

Miscanthus is already out of favour as a fuel for electricity generation - due to its high silica content. Jaropha seems to have had its day.

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anumakonda

生物燃料前景广阔

关于这个主题的一篇佳作。生物燃料是未来补充传统能源的不错的选择。美国有一种龙舌兰植物——剑麻生长在不同的环境条件下,且长势喜人。很多国家广袤的空地上都可以种植这种植物用以制造生态燃料。墨西哥已经在这么做了。

A.Jagadeesh Nellore博士,美联社(印度)

Yes. Biofuels have great future

Good post on the subject. Biofuel is the future energy option to supplement conventional energy. There is Agave(Americna),Sisal Agave which grows under a variety of environmental conditions and the plant regenerates. In the vast vacant lands in many countries this plant can be grown to get Biofuel. Already Mexico is doing this.

Dr.A.Jagadeesh Nellore(AP),India