生物質燃料土地利用變化對環境影響的研究

李學琴　王志偉　劉鵬　雷廷宙　吳幼青　呼和濤力　楊樹華

摘要 為了研究生物質燃料土地利用變化對環境的影響，首先，對我國近年來農作物的種植面積、農產品產量、土地利用變化及類型進行分析，其次，以玉米秸稈清潔水解制備乙酰丙酸乙酯為例，探究其生產和使用過程中對環境的影響。結果表明，我國農業作物資源潛力及儲量巨大，為生物質燃料的生產提供了豐富的原料保證，是農業固碳的主要途徑，具有很好的土壤碳匯作用。同時，以玉米、小麥、水稻為主要農作物的種植結構且種植土地類型為耕地時，1 g玉米秸稈產生0.124 g乙酰丙酸乙酯作為燃料使用時的排碳量和固碳量分別為0.28、1.10 g CO，加上玉米秸稈收集、運輸及轉化為乙酰丙酸乙酯的過程中溫室氣體的排放量；生物質的生產和使用在一定程度上有望實現碳平衡，這為生物質燃料的額外需求所引起的土地利用變化對環境影響的評估提供了理論支撐。

關鍵詞生物質；液體燃料；土地利用變化；環境影響

中圖分類號X24文獻標識碼A

文章編號0517-6611（2023）08-0048-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2023.08.012開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Study on the Effect of Land Use Change of Biomass Fuel on Environment

LI Xue-qin WANG Zhi-wei LIU Peng et al（1.Institute of Urban and Rural Mining， Changzhou University， Changzhou， Jiangsu 213164;2. Department of Chemical Engineering for Energy Resources， School of Resources and Environmental Engineering， East China University of Science and Technology， Shanghai 200237;3. School of Environmental Engineering， Henan University of Technology， Zhengzhou， Henan 450001）

AbstractIn order to study the effect of land use change of biomass fuel on the environment， firstly， the planting area of crops， agricultural product output， land use change and types in China in recent years were analyzed. Secondly， the impact of its production and use on the environment was explored by taking the clean hydrolysis of corn straw to prepare ethyl levulinate as an example.The results showed that China’s agricultural crop resources had huge potential and reserves， which provided abundant raw material guarantee for the production of biomass liquid fuel， was the main way of agricultural carbon fixation， and had a good role in soil carbon sequestration.When the planting structure of corn， wheat and rice was cultivated land， the carbon emission and carbon sequestration of 0.124 g ethyl levulinate produced by 1 g corn straw as fuel were 0.28 g and 1.10 g CO， respectively， plus the greenhouse gas emissions in the process of collection， transportation and conversion of corn straw to ethyl acetopropionate. The production and use of biomass fuel is expected to achieve carbon balance to a certain extent， which provides theoretical support for the assessment of the environmental impact of land use changes caused by the additional demand for biomass liquid fuel.

Key wordsBiomass;Liquid fuels;Land use change;Environmental influence

2022年國家發展和改革委員會發布了《關于完善能源綠色低碳轉型體制機制和政策措施的意見》，提出推行先進生物液體燃料，支持生物燃料乙醇等清潔燃料接入油氣管網，加快研發纖維素等非糧生物燃料乙醇、生物航空煤油等先進可再生能源燃料關鍵技術及產業化示范［1］。加拿大2022年《生物燃料報告》也制定了可再生和低碳燃料發展的政策［2］，西班牙能源部認為先進生物燃料和其他非糧生物燃料是目前最廣泛地用于重型車輛和航空等領域的可再生能源［3］。由此可見，生物質燃料是未來降低航空排放、實現化石能源替代最直接、最有效的手段。我國從2001年開始先后建立了乙醇生產試點企業并實行補貼政策，2005年開始相繼出臺了《關于燃料乙醇虧損補貼政策的通知》《中華人民共和國可再生能源法》《可再生能源中長期發展規劃》等，2008年以來陸續出臺了“十一五”“十二五”“十三五”和“十四五”《可再生能源發展規劃》《關于發展生物能源和生物化工財稅扶持政策的實施意見》《生物燃料乙醇彈性補貼財政財務管理辦法》等政策性文件，明確規定了“不與人爭糧、不與糧爭地”的原則，促進了生物燃料在可再生能源發展、資源節約和環境保護、應對全球氣候變化等方面作出的積極貢獻。

生物燃料引起的土地利用變化主要體現在能源作物取代糧食作物［4-5］，或原料的額外需求導致其他地方的土地利用結構發生變化［6］，這在國際上被定義為直接土地利用變化（direct land-use change，DLUC）和間接土地利用變化（indirect land-use change，ILUC）。與DLUC相比，ILUC是在生物能源作物取代其他作物時，觸發某個地方的土地（草地或林地等）轉換成農田進而對環境排放造成影響［7-11］。在最初的研究中，研究者僅僅考慮了生物燃料的原料面積是否有所增加［6，12-13］；Hill等［14-15］研究表明生物燃料可有效降低溫室氣體（greenhouse gas，GHG）的排放，如玉米生產乙醇可減少12%的GHG排放。Fargione等［4］研究表明以糧食作物為原料生產生物質燃料及其使用過程排放出了更高的GHG，而利用農林剩余物生產生物質燃料時減少了GHG的排放。另外，一些研究在比較生物質燃料對環境的影響時表明DLUC和ILUC系數的估算是排放量變化的主要來源［16］。盡管大多數的研究結果之間有很大差異，但一些國內外學者研究的重點依然偏重于生物質燃料引起的間接土地利用變化［17-19］。Taheripour等［20-22］采用最新數據及模型評估了美國燃料乙醇擴張對全球的影響，結果表明土地利用的排放量下降了18%。但由于全球經濟的挑戰及生物質燃料生產對環境影響的差異等因素的影響，導致了生物質燃料應用的可變性和間接土地利用變化的不確定性，使生物質燃料在緩解氣候變化潛力方面存在很大爭議［23］。截至目前，國際上將土地利用變化的分析納入生命周期評估中的研究很少［24］；而我國生物質燃料的土地利用變化對環境的影響研究目前仍處于空白。所以，掌握間接土地利用變化對理解生物質燃料的生產和使用相對于化石燃料是否增加了GHG排放至關重要。因此，該研究以國內外文獻為理論基礎，借助歷史數據，通過統計分析法對我國近年來農作物的種植面積、農產品產量、土地利用變化及類型進行分析，計算了我國農林作物資源潛力及儲量，進一步分析土壤碳匯與農業碳匯的關系；以玉米秸稈清潔水解制備乙酰丙酸乙酯為實例，分析了生物質燃料間接土地利用變化對環境的影響，以期為我國生物質燃料土地利用變化的評估提供基礎數據和理論參考。

1估算方法及數據來源

1.1估算方法生物質燃料土地利用變化的評估方法主要包括統計數據分析法、模型分析法、生命周期評估法。統計數據分析法是為了確定生物質燃料生產率與土地利用變化之間可能的關系，從統計學的角度收集和分析不同來源的歷史數據進行分析［5，20］。生命周期評估（life cycle assessment，LCA）是通過對能源和物質消耗、環境排放進行量化，進而評估能量、物質利用對環境的影響，最終尋求改善產品或工藝的途徑［25-27］。模型分析法是測量DLUC和ILUC最常用方法［25］，主要分為經濟模型和確定性模型［3，28-30］；由于不同模型的復雜性和可變性，土地利用變化很少被納入LCA的研究中［31］。國外大多數研究者認為經濟模型的分析更加準確貼切［31-32］，但由于我國在生物質燃料與土地利用變化的研究處于空白且目前還沒有找到適合我國國情的經濟模型。因此，該研究采用統計數據分析法，以干物質光合作用平衡式（6CO+12HO→CHO +6HO+6O）以及農業碳匯的計算方法為依托［33-34］，按單位面積農作物收獲的干物重（以 CHO 計）估算單位面積農用地年吸碳量與制氧量，利用劉曉永等［35-38］研究中農作物秸稈資源的草谷比和折算系數［37，39-42］估算生物質資源儲量，進而初步探究生物質燃料間接土地利用變化對環境的影響。

1.2數據來源數據主要來源于《國家統計年鑒》《中國環境統計年鑒》《中國可再生能源發展報告》《中國能源大數據報告》《中國能源發展報告》《中國能源統計年鑒》《中國生態環境公報》等關于生物資源、農產品產量、生物質燃料、土地結構、環境污染程度等方面的統計數據。玉米秸稈在收集及預處理過程中的溫室氣體排放如表1所示，其轉化為乙酰丙酸乙酯的年消耗的玉米秸稈量和收集半徑見文獻［25］；以3 000 t 玉米秸稈清潔水解制備372 t乙酰丙酸乙酯的系統為例，水解過程產生蒸汽鍋爐的熱量由鍋爐燃燒裝置提供，該裝置燃燒效率為90%，該生產過程中涉及的排放因子見文獻［25］。

2結果與分析

2.1生物質資源量及燃料密度根據農產品產量及農作物草谷比估算我國近11年秸稈類生物質資源量（圖1），由圖1可知，近年來我國生物質資源量逐年增加，截至2020年生物質資源量達到10.98×10 t，生物質資源潛力巨大。以我國農作物大省之一河南省為例，從圖2可看出，近年來農作物秸稈產量的分布呈現由西北向東南逐漸增加的趨勢，在其他省份秸稈產量的分布均有不同程度的分布差異，這主要與農業種植結構、地域面積、土地狀況和區域氣候條件等多重因素相關［36］。從不同生物質原料及其燃料的能量密度（圖3）可以看出，玉米秸稈熱解制備生物油（O4）的能量密度最高，是原料玉米秸稈能量密度的3倍左右；與之相近的是秸稈殘渣和木材廢棄物熱解制備生物油（O5和O6）。由此可見，巨大的生物質資源量為生產高密度、高能效的生物質燃料提供了保證。

2.2我國農林業固碳情況分析以干物質光合作用平衡式（6CO+12HO→ CHO +6HO+6O）估算了近年來我國農業固碳情況。經計算，2015年我國主要農作物吸收CO大約117 812.8萬t，釋放O大約為85 682.0萬t。由于生物質燃料的使用及對環境氣候的關注，我國農作物固碳、制氧量逐年增加；從2020年我國不同農作物固碳制氧情況（表2）可以看出，2020年我國不同農作物固碳量達到262 794.1萬t，釋放O達到191 122.9萬t，表明2020年我國167 487萬hm農用土地面積種植農林作物共固CO為262 794.1萬t；同時，玉米在固碳制氧方面具有明顯的效果，其中固碳量為103 223.3萬t，釋放O為75 071.5萬t，單位土地面積的固碳量為25.0萬t/（hma）；其次為水稻、小麥，表明玉米秸稈、小麥秸稈、水稻秸稈等農作物資源是生產生物質燃料原料的主要來源，在固碳制氧中起主要作用。

由表2可估算出2020年主要農作物吸收CO量分別占全部作物固碳量的比重，如圖4所示。玉米秸稈的吸碳量約占全部10種農林作物吸碳總量的1/3，其次為水稻、小麥、麻類、油料等。因此，在不影響其他作物種植面積的情況下，確保種植玉米、水稻、小麥的土地面積且保持這種種植結構，既保證了足夠的糧食產量，又為生物質燃料的生產提供了原料保證；不僅避免了能源作物與糧食作物競爭土地，也確保了糧食安全和環境效益；同時，也避免了農林資源的浪費，增加了土地的固碳量。根據《中國產品全生命周期溫室氣體排放系數集（2022）》可知，我國所有省份的生物質炭、土壤有機質碳排放均為負數［44］，說明土壤固碳數量巨大。結合表2和圖4，約80%以上的碳貯存在種植玉米、水稻、小麥等農作物土壤中且種植這3種農作物土壤的單位面積總固碳量為63.6萬t/（hm·a），平均值為21.2萬t/（hm·a），表明農作物種植的耕地能起到一定的固碳作用。

2.3間接土地利用變化與農林固碳的關系分析從我國主要農作物種植面積變化趨勢（圖5）來看，1980年以前我國農作物種植面積呈緩慢下降趨勢，1980—2000年總體上出現緩慢上升趨勢，2000年以后我國農作物面積變化趨勢較為明顯，其中玉米種植面積出現大幅度的上升且明顯高于其他農作物。2005年以前，水稻和小麥的種植面積位居第一、第二；2005年以后玉米種植面積位居第一，水稻、小麥分別位居第二和第三，說明玉米、水稻、小麥始終是我國主要糧食作物和農作物秸稈來源，這也導致了農作物單位面積固碳量的增加，這與圖4的分析結果一致。結合2000年以來我國土地利用的變化情況（圖6），2000—2008年耕地面積減少了近51%，林地面積增加了3.2%。從2009年開始耕地面積大幅度增加，占總用地的20.9%。截至2019年，耕地與林地面積占總農業用地面積的51.3%，這其中有大部分耕地用于種植玉米、水稻、小麥等糧食作物。由于糧食作物的價格有限，雖然大量種植糧食作物不利于農民收入的增加，但在一定程度上解決了糧食安全問題，為解決化石能源短缺及環境污染的可再生能源提供了原料，對生態環境保護和可持續發展是極有利的。

2.4生物質酯類燃料間接土地利用變化的影響以種植面積最大的農作物玉米秸稈為例，通過清潔水解制備生物質酯類燃料乙酰丙酸乙酯，探究其生產過程對環境的影響。以3 000 t 干玉米秸稈為例，所得的乙酰丙酸乙酯372 t及其他副產物，所得主副產品的產量及轉化率如圖7所示。根據燃料的熱值及密度，柴油熱值為35.53 MJ/L，乙酰丙酸乙酯混合燃料熱值為35.49 MJ/L，則消耗單位體積混合燃料的排放VOC、CO、NO、PM、SO分別為2.24、25.88、7.96、1.87、0.28 g/L，排放總溫室氣體量為2 312.48 g/L［25］。由此可估算 1 g 乙酰丙酸乙酯在使用過程中溫室氣體排放量為2.28 g CO。因此，當1 g玉米秸稈產生0.124 g乙酰丙酸乙酯并用于燃料使用時，溫室氣體排放量為0.28 g CO。由表2可知，我國2020年玉米秸稈產量為70 379.6萬t，共固碳量為103 223.3萬t，故而計算出1 g玉米秸稈能固1.10 g CO。結合玉米秸稈在收集、運輸及轉化過程中溫室氣體的排放量［25］，玉米秸稈制乙酰丙酸乙酯及其使用起到了很好的固碳作用，相對于化石能源不僅減少了溫室氣體的排放，而且也實現了資源的高效利用。同時，土地利用變化機制的出現，在一定程度上促進了生物質燃料的生產和使用。因此，生物質清潔水解制備乙酰丙酸乙酯是未來液體燃料領域發展的方向之一。

因此，能源作物實施前的土地利用類型決定了生物質燃料的生產和使用是否減少了碳排放［6，13-14］。所以，在當前種植模式下，保證以玉米、小麥、水稻為主要農作物的種植結構且種植土地類型為耕地，生物質燃料的生產和使用有望實現碳平衡。但該研究中由于缺乏DLUC和ILUC的系數、環境影響的差異以及考慮土地利用變化效應時遇到多因素限制，很難準確地對生物質燃料引起的間接土地利用變化進行直接研究［17-19］。

3結論與討論

該研究通過統計分析法對我國近年來農作物的種植面積、農產品產量、土地利用變化及類型進行分析，結果表明我國農作物資源潛力及儲量巨大，為生產高密度、高能量的生物質酯類燃料提供了足夠的原料。在我國主要農作物種植結構中，玉米、水稻、小麥的種植面積、產量較大，是我國農林業固碳的主要途徑，與土壤碳匯量密切相關。玉米秸稈清潔水解制備乙酰丙酸乙酯的工藝實例表明，乙酰丙酸乙酯的生產及其使用在一定程度上實現了碳平衡，避免了能源作物種植帶來的間接土地利用變化的影響。結合我國土地利用特征，鑒于玉米、水稻、小麥的固碳作用，建議采取嚴格的耕地保護制度，維持主要農作物的耕地面積，提高農作物資源的能源化利用率，對實現生物質資源的高效利用及生物質燃料的發展有重要的現實意義，為評估我國生物質燃料土地利用變化提供參考。

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