文献阅读 | 生物质能源作物的推迟使用可能导致全球的气候与食品危机

题目

Delayed use of bioenergy crops might threaten climate and food security

作者

Siqing Xu, Rong Wang, Thomas Gasser, Philippe Ciais, Josep Peñuelas, Yves Balkanski, Olivier Boucher, Ivan A. Janssens, Jordi Sardans, James H. Clark, Junji Cao, Xiaofan Xing, Jianmin Chen, Lin Wang, Xu Tang & Renhe Zhang

期刊

Nature

时间

2022年9月

一作

单位

Shanghai Key Laboratory of Atmospheric Particle Pollution and Prevention (LAP³), Department of Environmental Science and Engineering, Fudan University, Shanghai, China

链接

https://doi.org/10.1038/s41586-022-05055-8

摘要

将全球温升限制在2℃内依赖生物质能结合碳捕集与封存技术（BECCS）的大规模应用。然而，气候变化对作物产量的不利影响会减少BECCS的发展潜力并威胁食品安全，进而在全球变暖的过程中形成一个难以准确识别的正反馈循环。

本研究在一个地球系统模型中模拟了作物产量在升高的气温、增大的二氧化碳与氮肥浓度等条件下的反馈，并量化了这种正反馈的强度。研究发现：当气候变化超过一定程度时，社会-生态系统会造成巨大的变化，损害气候稳定性并威胁食品安全。如果推迟到2060年才开始大规模应用BECCS进行全球减排，那么可用于BECCS的农业残余物会显著下降以至于无法在2200年实现2℃温升目标。这样的失败风险在持续的食品需求背景下会被进一步放大。为了弥补气候变化带来的损失，农作物的生长区域会扩张，同时氮肥的使用会不断增加。本研究强调了在2040年前开始进行早期减排的紧迫性，从而能够避免不可逆的气候变化和系列危机。

引言

《巴黎协定》目标是在本世纪之前将全球变暖控制在2℃以内，同时努力将全球变暖控制在1. 5℃以内。实现国家自主贡献下的所有承诺可能能够将升温幅度限制在略低于2℃的范围内，但这需要在当前十年内大幅度减少排放量。尽管如此，许多减缓设想仍然假定诸如BECCS等负排放技术将在本世纪下半叶投入使用，即依靠技术进步可以减缓气候变化。然而，BECCS的大规模部署面临着生物、物理、技术和社会等方面的挑战。过度依赖BECCS可能会延误其他脱碳技术的发展，无法实现《巴黎协定》的目标。及早采取行动对于避免不可逆转的气候变化和土地使用方面的明显变化十分重要。

在大多数将全球变暖限制在2℃的情景下，都需要全球范围内大规模布局负排放技术。将燃煤发电厂改造为BECCS，通过利用木质纤维素能源作物或残留物的生物质发电来替代化石燃料，并从大气中去除二氧化碳，被认为是综合评估模型（IAMs）的一个具有成本效益的选择。

IPCC第六次评估报告建议，从粮食作物（例如玉米和水稻）或专用能源作物的农业残余物燃烧过程中捕集二氧化碳，并将其储存在地质场所，以达到2℃或1. 5℃目标。利用农业残渣中的生物质作为原料发电比种植专用能源作物（如芒属植物）更经济。由于发展中国家的人口和粮食需求都在增加，将农作物的残留物转移到BECCS将减少新的专用能源作物与粮食生产对土地、化肥和水等资源的竞争。

然而，如果强有力的缓解行动被推迟，未来的作物产量可能会由于气候变暖的有害影响而下降，从而降低BECCS的缓解能力。目前的IAMs没有考虑到这些反馈，它们依赖于农业残留物或专用能源作物用于大规模的BECCS。不少文献评估了BECCS对粮食-气候-能源关系的影响，但BECCS减排能力对气候变暖的反馈尚不清楚，需要量化作物减产对减缓气候变化的影响，以估计地球系统的生物和技术经济部分之间的相互作用，认识到社会生态系统的临界点，并评估实现《巴黎协定》中2℃目标的排放承诺的有效性。

主要结果

BECCS下气候减缓的情景设置

每个情景对应于分别从2030年到2100年的每个十年开始，全球开始大规模减缓气候变化的影响。当有雄心的减缓行动开始时，假设政策从共享社会经济路径SSP5-8.5的基线情景减少化石排放到SSP2-4.5的低排放情景，并且在全球范围内使用农业残留物进行BECCS减排。

关于技术提高作物产量，考虑两种情景：（1）全球氮肥利用效率提高；（2）将作物的生长季节提前或推迟一个月，以提高作物产量。BECCS的负排放量是根据生物质产生的碳量和捕获BECCS工厂排放的90%二氧化碳的效率来估算的，同时本研究研究了不同类型生物能源的气候效益。利用耦合模型比较项目（CMIP）第5阶段和第6阶段的模型结果，校准了气候变化与全球碳循环之间的相互作用。通过用OSCAR9模型运行蒙特卡罗模拟，结果代表了CMIP集合和产量-气候关系的变化。

图1气候-产量反馈   

原因是气候变暖导致用于BECCS的作物残渣的生物量原料减少，以及对粮食供应和LUC（土地利用与变化）的潜在影响

农作物产量和气候的关系

本研究利用全球数据估算了作物产量(Y)与平均生长季温度(T_atm)、大气 CO₂浓度(X_CO2)和氮肥施用量(Z_nit)之间的关系。

首先，作物产量在最佳温度(T_opt)时达到峰值，而当温度超过T_opt 时，由于蒸发增加水分流失而导致产量下降。

其次，X_CO2的升高提高了C3作物的光合速率以及小麦和水稻的产量。

第三，施氮有利于作物的生长，但随着投入量的增加，效应逐渐减弱。

图2 作物产量、气候和土地管理之间的关系

降低的BECCS潜力对气候变化的反馈

模拟表明，如果在2040年开始大规模BECCS减排，全球变暖将在2050年达到2.5℃，2100年达到2.7℃ ，2200年达到1.7℃。在2030年，如果生物质能供应偏低，那么对应地区的农田面积将扩大，以满足每人每天200万卡路里摄入量的目标。

由于气候变化会对作物产量产生有害影响，如果不考虑技术的好处，全球人均卡路里从2030年的220万卡路里/天分别下降到2100年的180和2200年的210万卡路里/天。相比之下，如果有雄心的减排工作分别推迟到2050年和2060年进行，因为化石燃料使用的维持时间延长，BECCS的生物质原料减少，全球变暖将在2100年达到3.4℃和4.2℃，然后在2200年降至2.6℃和3.7℃。

如果50%的边际土地用于种植专门的能源作物（如芒属植物），而不是用于BECCS的农作物，那么全球变暖将得到更有效的减缓，因为通过回收农业残留物，能源作物能够比农业作物生产更多的生物能源。此外，如果将造林与BECCS一起考虑，将边缘土地转化为森林，那么全球变暖的幅度也将进一步下降。最后，如果利用农业残留物生产液态生物乙醇，以替代没有碳捕获和储存（CCS）的车用油，或者燃气发电厂改造为BECCS，由于二氧化碳排放量较高，生物能源的气候效益将低于燃煤发电厂改造为BECCS。如果生物质用于液体生物燃料生产，那么如果在生产生物乙醇的发酵过程中只有15%的高纯度二氧化碳排放被捕获，那么生物炼油厂的生物能源比BECCS发电厂产生的气候效益更低，但是如果发酵过程中55%的二氧化碳能够被捕获，那么生物能源比BECCS发电厂产生的效益更高。

在不确定性增加之后，考虑到2050年开始气候减缓时的农业反馈，到2200年实现2℃目标的可能性将从47%降至3%，但如果在2040年开始，考虑到农业反馈，这种可能性仅从93%下降到75%。

图3 农业反馈对气候变暖和粮食供应的影响

对食品安全的影响

研究者假设先将边缘土地，其次是森林转化为农田，或者增加氮肥，以在2030年达到更高的人均热量目标。同时，粮食供应取决于作物产量对气候变化的反应。

研究结果显示，到2050年，全球的减排措施需要与作物产量下降以及日益增长的粮食需求相匹配。研究者假设从2040年大规模使用BECCS减排，之后分解了2041-2200年期间的总排放量的驱动因素，结果发现：为了达到合理的人均卡路里目标（每人每天200万卡路里）将减少28Gt C的陆地碳汇，增加10Gt C的土地利用与变化（LUC）碳排放，以及92Gt C的陆地N₂O排放量（均根据等价关系换算为C的质量）。

将边缘土地而不是森林改为耕地将减缓气候变暖，但会增加对化肥的需求。相比之下，如果减排被推迟到2060年，由于LUC和N₂O排放，耕地扩张将加速全球变暖（由于耕地扩张而增加BECCS将会被全球变暖导致的BECCS减少所抵消）。

图4 生物能源、气候变暖和粮食安全的关系

农业反馈对碳预算的影响

部署BECCS对化石燃料排放量的影响取决于气候变化下农业反馈的大小。为了达到2100年2℃的气候目标，在1850-2100年期间，如果考虑农业的反馈，通过部署BECCS能够将允许的二氧化碳排放量从940亿吨C增加到1400亿吨C，如果考虑农业反馈，则是增加到1380亿吨C。

来自BECCS（大约460Gt C）的负排放服务与之前的模型估计一致，但前提是在2030年之前启动全球缓解行动。2200年农业反馈对全球碳预算的影响大于2100年。为实现2200年2℃的目标，1850-2200年期间，在排除农业反馈的情况下，实施大规模BECCS能够将允许排放的二氧化碳量从1120Gt C增加到2040Gt C，考虑农业反馈则只增加到1890 Gt C。

由于气候变暖的反馈越来越多，以及减缓工作有被推迟的可能，因此农业反馈在减少二氧化碳允许排放量方面的影响将持续增加。例如，农业反馈将使达到2200年2℃和3℃目标所允许的二氧化碳排放量分别减少150Gt C和270Gt C。这些减少表明，由于减缓行动的推迟，BECCS缓解气候变化的能力将会下降。

图5 农业反馈对变暖和累积二氧化碳排放量之间关系的影响

气候变化下的区域粮食差距

减缓气候变化需要通过全球尽快大规模采用BECCS，但气候变暖对作物产量的影响因区域而异。在产量-气候关系的基础上，气候变暖提高了平均生长季温度低于10℃和19℃的高纬度地区小麦和玉米的产量，分别覆盖全球耕地面积的4%和30%。

研究者将食物缺口指数定义为1减去人均卡路里与最低营养不良水平（每人每天150万卡路里）的比率，在这个指数中，较高的正食物缺口表明较大的粮食作物短缺。如果通过将有雄心的气候减缓（在模型中指在SSP2-4.5情景中部署大规模BECCS和脱碳技术）的时间从2040年推迟到2060年，那么在没有粮食贸易的情况下，2100年印度，非洲和中东的粮食缺口将增加超过50%。许多发展中国家位于低纬度地区，气温较高。由于减缓气候变化的工作从2040年推迟到2060年，到2100年，粮食差距为正的发展中国家将从81个增加到90个。相比之下，如果有雄心的缓解措施从2040年推迟到2060年，发达国家在2100年的粮食缺口仍将是负数。

图6 减缓气候变化对缩小区域粮食差距的贡献

讨论与结论

本研究的结果支持了那些对“可以温度‘过冲’并依靠BECCS进行减排”，“BECCS的生产对气候变化不敏感” 等论断的担忧。研究还表明，如果其他负排放技术无法弥补BECCS减排能力的下降，则最好通过加速供应方脱碳的方式避免不可逆转的气候变化和严重的粮食危机。

尽管BECCS的生物物理和技术障碍已得到广泛的认识，但本研究结果强调了BECCS一个未被认识到的缺点——即农业反馈会限制BECCS在减排被延迟的情况下缓解气候变化的能力。

如果要实现BECCS的气候效益，应尽早部署，否则生物质原料的减少将降低BECCS的效能，甚至在2200年之前都无法达到2℃的目标。如果大规模的BECCS项目不能在短期内实施，这些反馈将不可避免地减少可允许的排放量，其减排量将超出先前的想象：需求方脱碳和其他负排放技术应该得到更快的部署，使人类社会在气候变化方面保持在安全的范围内。

启示与思考

我在本科生科研中对于生物质能的探索和分析还是很不够的，一个很重要的不足之处，也是很值得关注的一方面即为生物质能在应对气候变化领域的潜力，即生物质能发展究竟能够带来多大的减碳效果？要回答这一问题需要对能源、技术、气候、农业等不同要素如何相互作用进行更深入的探索与模拟。

复旦大学王戎老师团队的这篇最新文章对这个问题提供了一定的思考，其中对气候变化与生物质能作物的正反馈关系进行了量化，很有借鉴意义，模型结果的可视化也很清晰美观，值得学习。

编辑&排版：房晨

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