陳 卓 李學(xué)琴 王志偉 雷廷宙 劉 鵬 楊樹華
(1. 華北水利水電大學(xué)管理與經(jīng)濟(jì)學(xué)院,河南 鄭州 450046; 2. 常州大學(xué)城鄉(xiāng)礦山研究院,江蘇 常州213164;3. 河南工業(yè)大學(xué)環(huán)境工程學(xué)院,河南 鄭州 450001;4. 河南省科學(xué)院,河南 鄭州 450008)
在能源短缺和環(huán)境污染的雙重壓力下,作為唯一的可再生碳源,生物質(zhì)的高效利用是解決能源與環(huán)境問題的紐帶。生物質(zhì)燃料以清潔、低碳、可再生性等優(yōu)勢逐漸成為重要的替代能源之一[1-2]。截至2020年8月,美國、歐洲、巴西和印度尼西亞的生物質(zhì)燃料價格較2019年的平均價格上漲了70%~150%。相比之下,同期原油價格上漲了40%。根據(jù)《2021可再生能源分析與預(yù)測》,2026年全球?qū)ι镔|(zhì)燃料的年需求量將增長28%,2060年生物質(zhì)燃料的需求將上升到近17 EJ/a。生物質(zhì)燃料在發(fā)電供熱、交通運(yùn)輸、脫碳減排方面將發(fā)揮至關(guān)重要的作用,肩負(fù)著實(shí)現(xiàn)生命周期溫室氣體(Greenhouse Gas,GHG)減排的特定目標(biāo)。然而,生物質(zhì)燃料引起的土地利用變化不容忽視,土地利用變化主要包括直接土地利用變化(Direct Land-Use Change,DLUC)和間接土地利用變化(Indirect Land-Use Change,ILUC)[3]。DLUC是將某些其他土地利用類別轉(zhuǎn)換為生產(chǎn)生物能源作物的土地,從而降低環(huán)境成本和增加效益;可通過每單位生物質(zhì)能源生產(chǎn)所消耗的資源和每單位土地的原料產(chǎn)量獲得。而對生物質(zhì)原料產(chǎn)生額外的需求時,ILUC就會產(chǎn)生;它高度依賴于不同作物和地點(diǎn)產(chǎn)量之間的相互作用,以及需求和供應(yīng)之間替代的可能性[4]。所以,生物質(zhì)燃料的土地利用變化的評估是極有必要的[5-6]。
通過Web of Science、CNKI、萬方等數(shù)據(jù)庫以“l(fā)and use change、土地利用變化”為主題詞搜索時發(fā)現(xiàn),美國是該領(lǐng)域最具有學(xué)術(shù)權(quán)威的國家且研究熱點(diǎn)與“生物質(zhì)燃料、氣候變化”等學(xué)科相關(guān)。我國在生物質(zhì)燃料的土地利用變化、土地利用變化與溫室氣體排放等方面的研究較少。因此,本文通過概述巴西、美國、歐洲等國家或地區(qū)在生物質(zhì)燃料土地利用變化方面的發(fā)展概況以及總結(jié)近年來我國能源結(jié)構(gòu)及占比,深入分析我國生物質(zhì)資源潛力及土地利用情況,并提出評估生物質(zhì)燃料土地利用變化的建議,為大力促進(jìn)生物質(zhì)燃料的發(fā)展提供參考。
隨著畜牧集約化的發(fā)展,巴西自然和人工牧場的比例發(fā)生了顯著變化,變化后的牧場減少了大約60%的CO2排放,并為生產(chǎn)生物質(zhì)燃料提供了大量的原料來源;同時減少了將自然區(qū)域轉(zhuǎn)變?yōu)槟翀龅膲毫7-8]。在農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)中,為了縮短夏季大豆收獲和玉米種植之間的時間而提高玉米的產(chǎn)量。玉米一茬和二茬種植面積的年增長率分別達(dá)到了12.8%和14.9%,第二茬玉米產(chǎn)量的增長完全彌補(bǔ)了第一茬玉米產(chǎn)量的下降。這就表明第二茬玉米對價格、市場和土地利用變化都非常敏感。甘蔗是巴西最適合生產(chǎn)生物乙醇的作物,近年來甘蔗種植面積穩(wěn)步增長(圖1),也產(chǎn)生了積極的溢出效應(yīng)并提高了以每公頃產(chǎn)量為衡量標(biāo)準(zhǔn)的糧食生產(chǎn)率。甘蔗的產(chǎn)量對再植投資非常敏感,盡管重新種植的投資較大,但第一次收割的甘蔗產(chǎn)量幾乎是第五次收割的兩倍(圖2)。因此,將糧食生產(chǎn)和畜牧業(yè)結(jié)合起來的綜合系統(tǒng)不僅能使農(nóng)作物產(chǎn)量明顯增加,提高農(nóng)民的收入水平,而且還恢復(fù)了牧場的容量、減少了污染物排放,為發(fā)展新農(nóng)業(yè)提供了催化劑。
圖1 2009—2016 年甘蔗種植面積Fig.1 Sugarcane planted area from 2009—2016
圖2 2007—2014 年甘蔗產(chǎn)量Fig.2 Sugarcane production from 2007—2014
Aoun等[9]利用生命周期模型分析了法國生物質(zhì)燃料土地利用變化的影響并確定了生物質(zhì)燃料的來源途徑和LUC類型,表明GHG平衡對土地利用變化具有高度敏感性,但無法就GHG排放方面的相關(guān)影響作出結(jié)論,因此無法估計(jì)全球土地利用變化系數(shù)[10]。Laborde等[11]使用經(jīng)濟(jì)模型評估了第一代生物質(zhì)燃料的消費(fèi)模式,影響因子以DLUC+ILUC系數(shù)表示(圖3)。Marelli等[12]對相同的原料、生產(chǎn)區(qū)域、生物質(zhì)燃料的土地利用變化進(jìn)行了評估,與Laborde的研究內(nèi)容不同的是,該項(xiàng)研究將某些作物歸類為一年生或多年生植物,對某些土壤(如泥炭地)使用最新的排放因子以及對土地進(jìn)行更精細(xì)的分類。Edwards等[13]比較了不同經(jīng)濟(jì)模型分析的生物質(zhì)燃料土地利用變化的結(jié)果,其直接和間接LUC系數(shù)如圖4所示。表1匯總了不同生物質(zhì)燃料LUC的研究結(jié)果。與經(jīng)濟(jì)性研究相比,基于LCA的土地利用變化的相關(guān)研究較少。
圖3 文獻(xiàn)的LUC系數(shù)Fig.3 LUC coeきcients of reference
圖4 文獻(xiàn)的LUC系數(shù)Fig.4 LUC coeきcients of literature
表1 不同生物燃料土地利用變化系數(shù)Tab.1 Land use change coeきcients for diあerent biofuels
Mosnier等[18]分析了美國生物燃料和全球溫室氣體排放,主要包括了土地利用變化、作物管理和農(nóng)作物產(chǎn)量;獲得了基于RFS2(Renewable fuels requirement)基線的五種生物燃料政策情景下的凈出口量(圖5)。其中,玉米產(chǎn)量從2010年1.24億t增加到2020年1.45億t,大豆產(chǎn)量從18億t增加到26億t。如果不考慮副產(chǎn)品的回報,在2030年這個數(shù)字將占全球玉米(12%)和大豆(11%)需求的一大部分。此外,巴西在2030年出口到美國的乙醇占其乙醇總產(chǎn)量的16%,相當(dāng)于其甘蔗產(chǎn)量的13%。2010—2030年,由于對生物能源及食品和飼料的額外需求,美國玉米產(chǎn)量增加了23%,其新增產(chǎn)量的2/3流向了國內(nèi)市場,1/3流向了國際市場,美國仍是最大的玉米出口國,這就導(dǎo)致了國際上土地利用之間的競爭。
圖5 2020 年美國RFS2 基線的五種生物燃料政策情景下的凈出口量Fig.5 U.S. net exports in five biofuel policy scenarios relative to the RFS2 baseline in 2020
美國土地利用變化是由開發(fā)土地和短期輪作種植園的擴(kuò)張推動的。為了實(shí)現(xiàn)生物能源的發(fā)展目標(biāo),在2010—2030年農(nóng)業(yè)用地總量減少了10%,其中玉米面積減少了約13%,小麥面積減少了約16%,大豆面積減少了約14%。由于美國開發(fā)的短輪植林所產(chǎn)生的額外碳匯抵消了森林和草地向發(fā)達(dá)土地轉(zhuǎn)變的排放,美國作物管理的排放量趨于減少,但畜牧業(yè)的排放量將在2030年增加24.5%。由此產(chǎn)生的農(nóng)業(yè)溫室氣體排放量和土地利用變化在2010—2030年保持相對穩(wěn)定。因此,隨著生物燃料替代化石燃料,溫室氣體凈排放量會逐漸減少。
Garrain[19]從間接角度量化了全球能源作物土地面積和后續(xù)ILUC方面的環(huán)境影響。Lechon[14]對生產(chǎn)原材料的土地可用性進(jìn)行了分析并量化了DLUC和相關(guān)GHG的系數(shù)。Borjesson等[20]從面積和能源效率、溫室氣體和富營養(yǎng)化等方面分析了北歐農(nóng)作物的生物燃料,結(jié)果表明土地利用的直接變化對所有生物燃料的溫室氣體平衡和富營養(yǎng)化有重大影響。Gbadebo等[21]提出了改善生物燃料政策對土地利用影響至關(guān)重要。Julie等[22]提出應(yīng)該增加對土地利用依賴較小的生物質(zhì)原料的種植面積、降低原料的土地利用變化風(fēng)險、刺激投資進(jìn)而提高土地生產(chǎn)力和環(huán)境保護(hù)。
在生命周期評價和建模分析方面,Amber等[23]認(rèn)為隨著監(jiān)管政策的演變,ILUC的評估應(yīng)該被納入生物質(zhì)燃料的生命周期評價中。Diogo等[24]提出了基于理論的建模方法,Schaldach等[25]模擬了土地利用變化并闡述了人類住區(qū)、生物質(zhì)燃料生產(chǎn)和糧食生產(chǎn)等土地使用活動之間的競爭。Lorenzo等[26]分析了生物燃料政策下的ILUC的方法,結(jié)果表明預(yù)防性方法在有效性和利益相關(guān)者的可接受性方面似乎是最佳的選擇。Goldemberg等[27]指出環(huán)保政策計(jì)劃是推動生物燃料生產(chǎn)和使用向可持續(xù)性方向發(fā)展的關(guān)鍵,Martin等[28]在討論歐洲能源戰(zhàn)略實(shí)施和穩(wěn)定性的潛在影響時特別強(qiáng)調(diào)了一些不確定性在評估生物質(zhì)系統(tǒng)性能中的作用。
2.1.1 能源概況
隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,我國能源生產(chǎn)呈現(xiàn)不同的發(fā)展趨勢。2019 年原煤、原油生產(chǎn)持續(xù)下降9.2%和1.6%,天然氣生產(chǎn)占比提升1.6%[29]。從圖6 可知,2015 年我國總發(fā)電量中煤電占比較大,生物質(zhì)能發(fā)電占比1%左右;到2020 年底,我國可再生能源發(fā)電裝機(jī)總規(guī)模達(dá)到930 GW,占總裝機(jī)量的42.4%。其中生物質(zhì)能發(fā)電為2 952 萬 kW,占比達(dá)到2%,連續(xù)3 年穩(wěn)居全球首位。從能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)看,煤炭仍處于主體地位,石油和天然氣對外依存度高,清潔能源消費(fèi)占比在持續(xù)提升(24.3%)[30]。據(jù)2020 年《BP世界能源統(tǒng)計(jì)年鑒》,2019 年我國一次能源消費(fèi)總量居于世界首位,但仍需提升以生物質(zhì)能為主的可再生能源的占比。
圖6 2015 和2020 年我國能源的發(fā)電情況[30-31]Fig.6 Power generation of energies in 2015 and 2020
生物質(zhì)來源于林業(yè)、農(nóng)業(yè)資源、生活污水和工業(yè)有機(jī)廢水、城市固體廢棄物和畜禽糞便等五大類[31-32]。可通過熱化學(xué)法(熱解、氣化、液化)轉(zhuǎn)化成固體、液體和氣體燃料,集中利用在發(fā)電、供熱和運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域[33]。從不同國家近幾年不同技術(shù)的研究發(fā)文量來看(圖7),中國在生物質(zhì)熱解、氣化、液化技術(shù)方面的發(fā)文量位居第一;在熱解和液化技術(shù)方面,中國的貢獻(xiàn)率超過50%[34]。乙醇汽油E10 全覆蓋目標(biāo)等使得生物質(zhì)基車用燃料技術(shù)行業(yè)需求和市場潛力增大,對增強(qiáng)我國能源安全、減少原油進(jìn)口具有重要的戰(zhàn)略意義[35]。
圖7 不同國家生物質(zhì)技術(shù)發(fā)文量Fig.7 Biomass technology issued in diあerent countries
2.1.2 生物質(zhì)資源
中國作為農(nóng)業(yè)大國,農(nóng)作物秸稈長期以來被當(dāng)作廢棄物隨意處置或大面積焚燒,造成嚴(yán)重的環(huán)境污染[36]。以中國統(tǒng)計(jì)年鑒(2011—2021年)中農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量為基礎(chǔ),估算了我國近年來生物質(zhì)資源潛力[37],如圖8。由圖8可知,近年來我國生物質(zhì)資源量及潛力巨大,2020年生物質(zhì)資源量為109 847萬t。但是各地區(qū)農(nóng)作物秸稈分布不均衡,高產(chǎn)地區(qū)主要分布在中部和東部地區(qū)[38],這與農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)、地域面積、土地狀況和區(qū)域氣候條件等因素有關(guān)[37]。從全國范圍看,生物質(zhì)資源產(chǎn)量的分布呈現(xiàn)由西北向東南逐漸增加的趨勢。
圖8 2015—2020 年我國生物質(zhì)資源量Fig.8 Biomass resources in China from 2015—2020
2.1.3 農(nóng)作物種植面積
圖9顯示了我國2020年不同農(nóng)作物的種植面積。由圖9可知,2020年我國農(nóng)作物總播種面積為167 487 khm2,全年糧食種植面積116 768 khm2,比上年增加70 khm2;玉米是我國種植面積最大的糧食作物。不同地區(qū)的農(nóng)作物播種面積差異較大,但總體上以糧食作物中玉米、水稻、小麥為主。從2019年分地區(qū)土地利用情況來看(圖10),中國種植業(yè)結(jié)構(gòu)發(fā)生了顯著變化,生物能源占用耕地面積較大,發(fā)展趨勢迅猛[39]。
圖9 2015—2020 年我國農(nóng)作物播種面積Fig.9 Crop sown area in China from 2015—2020
圖10 2019 年我國分地區(qū)土地利用情況Fig.10 Land use in China's sub-regions in 2019
據(jù)測算,2019 年,我國油料消費(fèi)中棕櫚油占9%,大豆油占49%,菜籽油占25%,棉籽油占3%,花生油占9%,葵花籽油占l4%,其他占1%[38];生物柴油產(chǎn)量上升至120 萬t[36-37]。2020 年我國現(xiàn)有燃料乙醇產(chǎn)能為322 萬t,對汽油的替代規(guī)模逐漸加大[40]。隨著全球航空運(yùn)輸燃料需求的不斷增加及航空碳稅任務(wù)的加重,大力發(fā)展生物質(zhì)航空燃料等可替代能源,減小對化石能源的依賴程度,走可持續(xù)發(fā)展之路意義重大。我國作為航空運(yùn)輸大國和化石能源進(jìn)口大國,生物質(zhì)燃料的研究和推廣應(yīng)用需求迫切,預(yù)計(jì)到2030 年生物質(zhì)液體燃料使用量超過2 500 萬t,減排約1.8 億t;到2060年,生物質(zhì)供能占比高達(dá)30%[41]。生物質(zhì)燃料是未來降低航空排放水平、實(shí)現(xiàn)化石能源替代最直接、最有效的原料來源。
隨著生物質(zhì)能的快速發(fā)展,能源作物占用耕地面積不斷增加。付晶瑩等[42]以3 種主要原料作物(燃料乙醇原料甜高粱、木薯和生物柴油原料油菜)為研究對象,評估了非糧糖料、淀粉能源作物和油料能源植物發(fā)展的邊際土地。研究表明,木薯生產(chǎn)燃料乙醇的能量效益、環(huán)境影響和經(jīng)濟(jì)性都優(yōu)于甜高粱,且木薯種植的宜能荒地資源更集中,也節(jié)約了運(yùn)輸成本。然而,生物燃料的持續(xù)擴(kuò)張將不僅對農(nóng)產(chǎn)品價格產(chǎn)生較大的壓力,還會對環(huán)境和溫室氣體排放產(chǎn)生重大影響,但影響程度與生產(chǎn)方式及其導(dǎo)致的土地利用變化的情況密切相關(guān)[43]。孟海波等[44]在綜合考慮能量平衡、污染物排放、土地、水資源成本等各種因素的基礎(chǔ)上,利用生命周期理論研究了生物液體燃料可持續(xù)評價系統(tǒng)。但該研究并沒有考慮到生物燃料引起的土地利用變化對農(nóng)產(chǎn)品價格、溫室氣體排放等方面的影響。Lei等[45]在評價土地利用對地下生物量積累的影響時發(fā)現(xiàn),原草地上種植的多年生作物具有較高的根系生長力,而在原農(nóng)業(yè)用地上種植玉米的根系生產(chǎn)力最低。不同能源作物生產(chǎn)生物質(zhì)燃料時產(chǎn)生的副產(chǎn)品及其對土地利用變化的影響如表2 所示。
表2 生物燃料及副產(chǎn)品對土地利用的影響[46]Tab.2 Impacts of biofuels and by-products on land use
加大對生物質(zhì)燃料的基礎(chǔ)性研究支持力度,推進(jìn)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的技術(shù)開發(fā),力爭在未來航空燃油替代中占領(lǐng)制高點(diǎn)。重點(diǎn)針對生物質(zhì)能源作物優(yōu)良品種的繁育、農(nóng)作物種植用地的選擇及種植面積的規(guī)劃、資源的收-儲-運(yùn)體系、原料供應(yīng)等;生物質(zhì)資源高能效低、能耗轉(zhuǎn)化為液體燃料,包括:燃料乙醇和生物柴油、生物質(zhì)燃料的精煉和提純等過程。
我國“十三五”期間生物質(zhì)能的相關(guān)政策較多,如《生物質(zhì)能發(fā)展“十三五”規(guī)劃》《關(guān)于促進(jìn)生物質(zhì)能供熱發(fā)展的指導(dǎo)意見》《關(guān)于開展秸稈氣化清潔能源利用工程建設(shè)的指導(dǎo)意見》《關(guān)于促進(jìn)生物天然氣產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的指導(dǎo)意見》等,這些文件都明確了支持生物質(zhì)能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[30],但對生物質(zhì)燃料的具體指導(dǎo)性文件需要精細(xì)化,進(jìn)一步明確生物質(zhì)燃料生產(chǎn)和消費(fèi)的需求或目標(biāo)、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與產(chǎn)業(yè)體系、生物質(zhì)燃料使用的排放標(biāo)準(zhǔn)、生物質(zhì)燃料性能的參數(shù)及定價等。
以生物質(zhì)能為代表的清潔能源是繼全球石油危機(jī)爆發(fā)后受重視程度最大的能源。根據(jù)國際可再生能源機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)顯示,2017 年世界生物燃料產(chǎn)量達(dá)到8 412 萬 t油當(dāng)量,同比增長3.5%。其中,全球燃料乙醇產(chǎn)量增長貢獻(xiàn)超60%,生物質(zhì)能產(chǎn)業(yè)達(dá)到前所未有的高度?!蛾P(guān)于積極發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)扎實(shí)推進(jìn)社會主義新農(nóng)村建設(shè)的若干意見》指出:以生物能源、生物基產(chǎn)品和生物質(zhì)原料為主要內(nèi)容的生物質(zhì)產(chǎn)業(yè),是拓展農(nóng)業(yè)功能、促進(jìn)資源高利用的朝陽產(chǎn)業(yè)。加快生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)技術(shù)研發(fā)、示范、儲備和推廣,組織實(shí)施農(nóng)林生物質(zhì)科技工程;鼓勵有條件的地方利用荒山、荒地等資源[47]。而用于種植生物燃料原料的邊際土地的可用性和適用性仍在爭論中。
從理論上講,生物質(zhì)燃料的發(fā)展會為農(nóng)業(yè)資源開辟新的市場,從而改變傳統(tǒng)農(nóng)產(chǎn)品市場的供求關(guān)系。從供給方面來看,在耕地資源既定的條件下,由于能源作物原料需求增加和價格上漲,誘使更多的土地種植能源作物,減少其他糧食作物的種植與供給,進(jìn)一步推動其他糧食價格的上漲;從而產(chǎn)生土地利用的變化[48-51],正如前文所述,主要體現(xiàn)在用于生產(chǎn)生物燃料的能源作物取代糧食作物導(dǎo)致的DLUC和ILUC。從需求方面看,生物質(zhì)燃料產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展,對玉米、大豆等作物的需求迅速增加,從而推動了全球范圍內(nèi)糧食和其他農(nóng)產(chǎn)品價格的整體上漲[52],影響農(nóng)民在種植結(jié)構(gòu)方面的決策。因此,生物質(zhì)燃料發(fā)展對農(nóng)產(chǎn)品價格及環(huán)境影響應(yīng)引起高度重視。
生物質(zhì)燃料是未來降低污染物排放、替代化石能源最有效的手段。但生物質(zhì)燃料引起的DLUC很難估算。國外研究者多采用模型進(jìn)行評估,但是不同模型及相同模型的分析結(jié)果差異均較大。截至目前,沒有更好的方法來確定生物質(zhì)燃料在農(nóng)田演變、作物管理和土地利用變化中的影響。因此,須依據(jù)我國的國土面積分布,探索適合生物質(zhì)燃料間接土地利用變化的模型和方法。由于畜牧業(yè)集約化是直接影響間接土地利用變化的因子,因此我國在評估生物質(zhì)燃料引起的土地利用變化時可參考巴西生物質(zhì)燃料的評估方法。
國外在生物質(zhì)燃料與土地利用變化方面的研究較多且借鑒性較強(qiáng)。本文通過概述國外生物質(zhì)燃料土地利用變化的發(fā)展現(xiàn)狀發(fā)現(xiàn),生物質(zhì)燃料生產(chǎn)和消費(fèi)導(dǎo)致了農(nóng)業(yè)用地的擴(kuò)大以及農(nóng)作物和農(nóng)業(yè)活動內(nèi)土地的重新分配。我國生物質(zhì)資源潛力巨大且占用耕地面積較大,尤其是生物質(zhì)燃料原材料的分布與農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)、地域面積、土地狀況和區(qū)域氣候條件等因素有關(guān)。生物質(zhì)燃料引起的土地利用變化影響較大,但針對目前存在的問題,已有研究仍然不足。
未來,我國應(yīng)借鑒國外生物燃料間接土地利用變化方面的評估經(jīng)驗(yàn),因地制宜,加強(qiáng)生物質(zhì)燃料技術(shù)的基礎(chǔ)性研究,重視生物質(zhì)燃料間接土地利用變化的影響,開發(fā)適合我國生物質(zhì)燃料間接土地利用變化的評估方法并出臺相關(guān)的支持性政策,加大對多元生物質(zhì)資源的開發(fā)利用技術(shù),提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力,不斷優(yōu)化能源結(jié)構(gòu),加強(qiáng)環(huán)境保護(hù),促進(jìn)綠色經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。