文献阅读 | 来自废弃农田的全球生物能源潜力的土-能-水关系

题目

The land–energy–water nexus of global bioenergy potentials from abandoned cropland

作者

Jan Sandstad Næss, Otavio Cavalett, Francesco Cherubini

期刊

Nature Sustainability

时间

2021年1月

一作

单位

Industrial EcologyProgramme, Department of Energy and Process Engineering, Norwegian Universityof Science and Technology, Trondheim, Norway.

链接

https://www.nature.com/articles/s41893-020-00680-5

研究内容

在减缓气候变化情景下，生物能源是一个关键选择。为逐步部署生物能源，并降低粮食安全和环境风险，在最近废弃的农田上种植多年生牧草是一种短期战略。但是，全球撂荒耕地的程度、生物能源潜力和管理要求尚不清楚。

本研究采用了一种自下而上的分析方法，将一个新近开发的高分辨率时间土地覆盖数据库与一个空间明确的农业生态作物产量模型相结合，以估算在土地能量和水的关系下，近期撂弃田的全球生物能源潜力。基于当地土壤和气候特征，并利用多种管理因素和限制条件形成多种组合计算生物能源潜力（如表1）：土地可利用性、生物能源作物类型、农业管理强度和供水系统。同时也探讨了未来气候条件下生物能源潜力的变化。

表1. 本研究中所调查的全球生物能源潜力的可能组合概述

研究结果

全球废弃耕地

       在1992 - 2015年，研究发现83Mha废弃耕地（图1a），其中50Mha废弃耕地位于生物多样性热点地区之外（图1b），13Mha废弃耕地位于缺水地区。全球大约30%的废弃耕地在亚洲，并主要在东南亚地区。非洲占了22%，主要在赤道以南，其次是欧洲，约占20%。在南美洲，被遗弃的耕地大多位于东南海岸附近(13%)。其余小部分的废弃农田分布在北美、大洋洲和中美洲，各占5%左右。从历史上看，社会经济增长和开放的农业市场是导致农田撂荒的主要原因，因为这种情况经常发生在对农业生产没有重大限制的地区。

图1. 1992 - 2015年全球撂荒耕地网格单元的比例

全球生物能源潜力

在新近撂荒农田上种植芒草（miscanthus）、柳枝稷（switchgrass）和草芦（reed canary grass）的全球生物能源潜力分别为19 EJ yr^-1、5.4 EJ yr^-1和4.3 EJ yr^-1（图2a、b、c）。这些潜力是基于当前气候条件、高农业管理强度、雨水供应和没有自然保护的土地限制条件计算得到的。根据当地的生长条件，生物能源作物的最佳分配（图2d）实现了25 EJ yr^-1潜力（图2f），全球平均生物能源产量为298 GJ ha^-1 yr^-1（图2e）。

      多年生草本植物的生物能量潜力具有明显的纬向分布特征。芒草在热带（图2a）、柳枝稷在中纬度（图2c）、草芦在高纬度和山区的潜力更大。这种纬度格局反映在最佳作物生产配置中（图2d），保证每个网格单元的生物能产量最大化（图2e）。一般来说，在热带和亚热带以及温带湿润地区，生物能源产量更高，它们可以超过600 GJ ha⁻¹ yr⁻¹。在欧洲，生物能源产量主要在GJ ha⁻¹ yr⁻¹和400 GJ ha⁻¹ yr⁻¹之间。约有20%的已确定的全球废弃农田（17 Mha）不适合在雨养和当前气候条件（大部分位于干旱地区和山区）下种植生物能源作物。

图2. 撂荒耕地的全球生物能源生产潜力

        由于土地可用性、管理强度和水供应的不同情况，全球生物能源潜力在5.5-39 EJ yr^-1之间（图3）。当考虑雨养条件、低农业管理强度和排除生物多样性热点地区土地时，潜力是最低的（5.5 EJ yr^-1）。在高农业管理强度和雨养条件下，剔除在生物多样性热点地区的33 Mha撂荒耕地，其潜力由25 EJ yr ^-1降低到13 EJ yr^-1左右。最高潜力（39 EJ yr^-1）是基于高农业管理强度的完全灌溉下实现的。混合方法是考虑将灌溉限制在缺水影响的地区，从而可以在35 EJ yr^-1最优作物分配下产生生物能源潜力，其中灌区贡献占比为95%。低、中、高管理强度区域分别为15、49和19 Mha，分别贡献1.9 EJ yr^-1、15 EJ yr^-1和8.6 EJ yr^-1。总之，生物能源潜力显示出对土地可用性、农业管理强度和水需求之间的非线性响应和权衡。

图3. 在水供应、农业管理强度水平和土地可用性的一系列不同假设下，并基于目前气候条件下的撂荒耕地的生物能源潜力

生物能源作物生产力

        生物能源产量一般在100 ~ 600 GJ ha⁻¹ yr⁻¹之间，仅在农业管理强度较高的情况下高于600 GJ ha⁻¹ yr⁻¹（图4）。农业管理强度从高降低到中等或低等水平，雨养条件下的年均生物能源产量将分别从298 GJ ha⁻¹ yr⁻¹减少到239 GJ ha⁻¹ yr⁻¹和130 GJ ha⁻¹ yr⁻¹。在完全灌溉部署下，以及高管理强度和没有自然保护措施下，全球平均生物能源产量可以实现472 GJ ha⁻¹ yr⁻¹。在没有灌溉下，13-17 Mha的撂荒耕地没有任何潜力，并主要位于干燥和极地气候地区或山区。

        生物能源作物的能源优化取决于农业管理水平和供水系统。在低农业管理强度和雨养条件下，45、15和10 Mha撂荒耕地将被分别分配给芒草、柳枝稷和草芦进行种植。当农业管理强度提升到高水平时，这三种作物面积分别改变为43、7.6和16 Mha。灌溉将进一步扩大芒草（50 Mha）和柳枝稷（29 Mha）的生产面积，减少草芦（2.9 Mha）的生产面积。芒草因其相对较高的水利用效率而成为缺水的热带地区的首选作物，而柳枝稷则受热带以外地区灌溉和高农业管理强度的青睐。草芦产量仅在高纬度地区大于其他生物能源作物。在许多地方，由于高农业管理强度和灌溉，它则被柳枝稷所取代，这将柳枝稷生产区域扩大到高纬度地区。同样由于灌溉，芒草生产区域将扩展到低纬度地区。

图4. 在不同的管理强度和供水系统下，全球撂荒耕地的生产力分布和最优作物分配下的生物能源产量

土-能-水关系

研究通过对总能源收益、边际能源收益、蓝水足迹和取水量四个指标的评估来评价土-能-水关系。相对于雨养条件，在中等和高农业管理强度下，灌溉可使全球生物能源潜力分别增加10和15 EJ yr^-1（图5a和b）。在中等农业管理强度下，通过灌溉额外提供一个单位能量的全球平均边际能量增益为0.26 GJ ha⁻¹ mm⁻¹，而在较高的农业管理强度下，其边际增益为0.32 GJ ha⁻¹ mm⁻¹（图5c和d）。蓝水足迹值在农田撂荒区域的分布是基本均匀的，并随着管理强度的提高，平均足迹普遍从36 m³ GJ⁻¹下降到28 m³ GJ⁻¹（图5e和f）。在高管理强度下，每年用于灌溉生物能源生产的总取水量为4080亿立方米，相当于当今全球农业年取水量的15%。

图5. 在两种不同的农业管理强度和缺水水平下，灌溉对生物能源潜力和关键需水指标的影响

研究结论

在1992年至2015年期间，研究发现了830 Mha的废弃农田，相当于当前耕地面积的5%。生物能源潜力为6-39 EJ yr^-1（当前生物能源需求的11-68%），并受多种当地和管理因素的制约。如果将目前的全球耕地面积和用水量分别增加3%和8%，并且在生物多样性热点地区不进行生产或在缺水地区不进行灌溉，每年大约可以实现20 EJ。考虑具体环境的实践和多个环境维度可以减轻生物能源部署的权衡。

编辑：白明皓

排版：白明皓 江琴

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