第二代生物能源：有力的新希望？

瓊·梅爾切

美國(guó)伊利諾伊大學(xué)的一個(gè)環(huán)境工程科研小組經(jīng)過三年的研究，日前得出結(jié)論說：利用邊角土地生產(chǎn)的生物燃料（從動(dòng)物或植物體中提取的燃料）可以滿足目前全世界一半的燃料消費(fèi)需求。據(jù)該小組負(fù)責(zé)人蔡錫銘（音）說，這個(gè)發(fā)現(xiàn)不僅對(duì)生物燃料的生產(chǎn)具有重要的影響，而且對(duì)退化土地的環(huán)境質(zhì)量意義非凡。

這項(xiàng)研究的最終報(bào)告發(fā)表在去年底的《環(huán)境科學(xué)與技術(shù)雜志》上，而此時(shí)適逢全球?qū)ι锪康呐d趣與日俱增。據(jù)國(guó)際能源機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，生物質(zhì)能源在全球能源供應(yīng)中的比例到2050年將增加兩倍，占到30%。今年三月，設(shè)在英國(guó)的國(guó)際環(huán)境與發(fā)展學(xué)會(huì)（IIED）呼吁各國(guó)政府采取“更加成熟的”方式來獲取能源，將其置于能源戰(zhàn)略的核心部分，逐漸加大對(duì)新技術(shù)和研究項(xiàng)目的投入。

伊利諾伊大學(xué)的這個(gè)項(xiàng)目采用了尖端的土地利用數(shù)據(jù)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潛力，這些植物不會(huì)與糧食作物發(fā)生競(jìng)爭(zhēng)，需要的肥料和農(nóng)藥也比常規(guī)生物燃料要少。它們被視為玉米乙醇（即所謂“第一代”生物燃料）的替代品，后者之所以遭到詬病，是因?yàn)槠渖a(chǎn)和收獲中大量的能源消耗、巨大的灌溉用水需求以及目前生產(chǎn)生物燃料所用的玉米要占美國(guó)玉米總產(chǎn)量的40%。

這項(xiàng)研究中的一個(gè)關(guān)鍵概念就是它的考察對(duì)象只包括邊角土地，即所謂的廢地、退化或者不適于耕種的劣質(zhì)土地。研究小組負(fù)責(zé)人、伊利諾伊大學(xué)的環(huán)境工程學(xué)教授蔡錫銘接受了采訪。

研究小組主要考慮了三種生物燃料作物的培育：柳枝稷、芒草和一系列被認(rèn)為具有低影響、高多樣性(簡(jiǎn)稱LIHD)屬性的多年生草本植物。

研究者們還設(shè)想了可利用土地的多元方案。第一個(gè)方案只包括生產(chǎn)力低下的閑置土地；第二個(gè)包括了退化或者貧瘠的耕地，用來種植柳枝稷和芒草；第三個(gè)又增加了在邊角草原上種植的LIHD草類；第四個(gè)則涵蓋了除去目前在用的耕地和牧場(chǎng)的所有土地。

但上述任何一個(gè)方案都沒有把林地計(jì)算在內(nèi)。在所有方案中，研究者們都認(rèn)為生物燃料作物的生長(zhǎng)只靠自然降水就足夠了。他們還對(duì)各項(xiàng)自然指標(biāo)進(jìn)行了評(píng)估，包括土壤性質(zhì)、土壤質(zhì)量、土地坡度和區(qū)域氣候等。

研究小組把研究的重點(diǎn)放在了第四種方案上。按此計(jì)算，他們發(fā)現(xiàn)全球可資利用的土地多達(dá)1100萬平方公里。其中單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來要占到一半以上。按照這種方案，如此廣袤的土地能夠滿足當(dāng)前世界液體燃料需求的26%～55%。蔡錫銘說，變化區(qū)間之所以這么大，是因?yàn)榉从沉松锶剂献魑锷a(chǎn)力、天氣以及勞動(dòng)力和機(jī)械等其他要素的變量。

根據(jù)他提供的數(shù)字，美國(guó)能夠?yàn)榉N植這些作物提供的土地達(dá)到120萬平方公里，中國(guó)為150萬平方公里，歐洲為110萬平方公里，印度為150萬平方公里。他還指出，即使只實(shí)現(xiàn)最低影響的方案，美國(guó)的生產(chǎn)能力也能滿足聯(lián)邦指令中關(guān)于到2022年為交通部門提供360億加侖（約1360億升）生物燃料的要求。而目前美國(guó)的邊角土地中只有一半左右仍然用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

蔡錫銘說，中國(guó)的情況截然不同，因?yàn)榇蠖鄶?shù)的邊角土地目前都被用來耕種。他說：“我們發(fā)現(xiàn)中國(guó)1.52億公頃（邊角）土地中有88%都被用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。也就是說，如果我們想要在中國(guó)進(jìn)行生物燃料的生產(chǎn)，農(nóng)民們就必須用生物燃料作物換掉常規(guī)作物，這就面臨著一種取舍。生物燃料作物的利潤(rùn)可能會(huì)比較高，但它會(huì)影響到中國(guó)的糧食生產(chǎn)?！?/p>

研究小組還對(duì)六個(gè)國(guó)家或地區(qū)的凈能量增益進(jìn)行了計(jì)算，發(fā)現(xiàn)在第四種方案（即除去現(xiàn)有耕地和牧場(chǎng)的所有土地）下的凈能量積蓄將達(dá)到每公頃490億～1050億焦耳，相當(dāng)于每公頃產(chǎn)出約294～630桶石油。

研究人員們也指出了研究中面臨的幾個(gè)問題。一個(gè)是生物燃料的生產(chǎn)有可能加劇某些地區(qū)的水源壓力，這是因?yàn)樘釤捴行枰罅康乃??？偟膩碚f，第二代生物燃料比玉米乙醇需要更多的加工。另一個(gè)問題是現(xiàn)有可利用土地的分布。如果能夠按照研究中所設(shè)想的方案進(jìn)行生物燃料的生產(chǎn)，一半以上產(chǎn)品將由非洲和南美提供，但與此同時(shí)最大的燃料需求地卻在美國(guó)、歐洲、印度和中國(guó)。蔡錫銘說：“這就意味著生物燃料的海運(yùn)將成為一個(gè)重要問題。如果我們按照上述發(fā)展路徑前進(jìn)，就要把大量的能源從非洲和南美運(yùn)往其他地區(qū)，也就是說需要在基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展上進(jìn)行巨大的投入?！?/p>

他還說，在邊角土地上發(fā)展生物燃料和種植多年生草本植物也會(huì)給土地本身帶來顯著的環(huán)境益處。除了對(duì)水、肥料和農(nóng)藥的需求非常低之外，這些多年生草本植物的根系還可以防止土壤流失和水系的淤積。

近年來，柳枝稷在美國(guó)已經(jīng)得到了逐漸的推廣。位于美國(guó)東南部亞拉巴馬州奧本大學(xué)的試驗(yàn)田已經(jīng)獲得了最高達(dá)每英畝（約4000平方米）15噸生物質(zhì)的產(chǎn)量，五年中的平均產(chǎn)量為11.5噸，相當(dāng)于每年每英畝生產(chǎn)出4400升的乙醇。這種草可以長(zhǎng)到3米多高，其根系也能鉆入土壤差不多的深度，這讓它成了一種遏制土壤流失的利器。人們還發(fā)現(xiàn)它能為熟土保持重要的養(yǎng)分。柳枝稷每年能收割一到兩次，每十年左右重種一次即可。

芒草是一種高大的多年生草本植物，人們發(fā)現(xiàn)它在種植和燃料生產(chǎn)方面的效率比柳枝稷更高。伊利諾伊大學(xué)在芒草的研究方面在美國(guó)處于領(lǐng)先地位。同時(shí)，美國(guó)能源部橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的一個(gè)研究小組也在大力探索柳枝稷以及其他生物燃料的潛力。

比起柳枝稷和芒草，盡管LIHD作物的乙醇產(chǎn)量要低一些，但它們的環(huán)境影響最小，和草原的自然植被非常相近。據(jù)研究人員估計(jì)，LIHD生物質(zhì)的凈能量增益為每公頃178億焦耳（相當(dāng)于2.9桶石油）。根據(jù)他們給出的定義，所謂的凈能量就是“收獲的生物制產(chǎn)生的能量減去原料生產(chǎn)和乙醇加工中消耗的能量”。

柳枝稷和芒草的凈能量增益平均為每公頃600～1400億焦耳（相當(dāng)于9.8～23桶石油），具體依土壤、氣候和農(nóng)業(yè)投入情況而定。圍繞玉米乙醇的凈能量增益有很大的爭(zhēng)議，原因在于包括化肥和農(nóng)藥生產(chǎn)消耗的能量等玉米種植過程中所需燃料的計(jì)算。一些研究者說它的凈能量增益微乎其微，在碳減排上甚至是負(fù)值。蔡錫銘估計(jì)玉米的凈能量增益為每公頃16～23桶石油。2011年，美國(guó)的乙醇總產(chǎn)量有望達(dá)到約135億加侖（511億升），相當(dāng)于3.21億桶石油。

目前蔡錫銘正在從事另一項(xiàng)研究，即氣候變化對(duì)可利用邊角土地的影響。他說他發(fā)現(xiàn)由于某些地區(qū)降水量的增加，中國(guó)可利用的土地有所增長(zhǎng)。而按照同樣的理論，世界其他一些地方適宜生物燃料生產(chǎn)的土地面積則（隨著降水量的減少而）在減少。

蔡錫銘說他希望這項(xiàng)關(guān)于生物燃料生產(chǎn)潛力的研究可以“為未來的研究打下一個(gè)堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，我們希望各地方的研究者們利用我們的數(shù)據(jù)在本地進(jìn)行更細(xì)化的研究”。他還說：“這項(xiàng)研究的目的是展現(xiàn)一幅全球圖景，我們開放數(shù)據(jù)供大家分享，任何國(guó)家都可以利用我們的數(shù)據(jù)和方法論。”