文献阅读 | BECCS潜力与延缓气候变化之间的恶性循环
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
一作
单位
Shanghai Key Laboratory of Atmospheric Particle Pollution and Prevention (LAP), Department of Environmental Science and Engineering, Fudan University, Shanghai, China.
链接
https://doi.org/10.1038/s41586-022-05055-8
研究背景
目前，大多数研究都认为气候变化预计将通过大幅减少化石燃料的二氧化碳排放而减缓，但在限制全球变暖到2°C的大多数情况下，需要全球范围内的大规模负排放技术。因此，许多气候变化减缓情景假定可以通过负排放技术（如BECCS）缓解气候变化，且这些技术将在本世纪下半叶从技术上取得进展。然而，大规模部署BECCS面临多方面的挑战。比如，使用农业残留物中的生物质作为原料发电比种植专用能源作物更经济。然而，由于发展中国家的人口和食物需求都在增加，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、肥料和水等资源的竞争。而另一方面，如果延迟强有力的减缓行动，未来作物产量可能会因气候变暖的不利影响而下降，从而降低BECCS的减缓能力（图1），而这正是当前的综合评估模型（IAMs）没有考虑到的。
已有文献已经对BECCS和食物-气候-能源的关系进行了充分评估，但BECCS能力降低对气候变暖的反馈尚不明确。灌溉、作物品种适应性和保护性农业等进一步措施有助于提高农田的生产力，但同时也受全球干旱的频率和强度增加的影响，从而限制了这些措施增加作物产量的潜力产量。因此，作者认为需要量化作物减产对减缓气候变化的影响，以估算地球系统的生物和技术经济组成部分之间的相互作用，识别社会生态系统的临界点，并评估排放承诺的有效性，以更好地实现《巴黎协定》中的2°C目标。
图1. 示意图
研究方法
情景设置
在被假定的情景中，全球范围的大规模减缓行动在 2030 年至 2100 年的每个十年开始时启动。当雄心勃勃的减缓开始时，我们假设政策将化石能源相关的排放量从基线情景，即SSP5-8.5的情景，减少到SSP2-4.5 的低排放情景时，BECCS在全球范围内使用农业残留物进行部署。从 2030 年开始，情景中也假设存在其他脱碳技术以实现SSP2-4.5 情景中的排放承诺，但同时一直到2100年都没有负排放技术来帮助达成净零排放。SSP5-8.5比BaU情景更糟，但通过迅速淘汰化石燃料和部署BECCS使得模型预测更接近IPCC低升温情景。
在作者的假设中，从森林或边缘土地转变为农田的土地面积，以及施氮肥的强度取决于 2030年的粮食需求。作者使用OSCAR地球系统模型模拟了与土地利用变化(LUC)相关的碳从土壤和植被转移到大气的影响，以及甲烷和N2O的陆地排放对气候变化的影响。作者根据全球作物日历数据估算了各国玉米、水稻和小麦的平均生长季温度，并假设森林和边际土地扩展的农田，一半用于种植新能源作物，另一半用于种植粮食作物，剩余物用于BECCS。由于技术提高了作物产量，考虑了两种情况：(1)全球氮肥利用效率将提高；(2)生长季节提前或推迟一个月以提高各国的作物产量。而BECCS的负排放是根据作为生物质产生的碳量和捕获BECCS植物排放的90%的效率为估算的。气候变化与全球碳循环之间的相互作用已经使用CMIP5和CMIP6中的模型结果进行了校准，并最终使用OSCAR运行蒙特卡罗模拟得出结果。
农作物产量和气候之间的关系
图2. 农作物产量，气候和管理之间的关系
作者使用全球数据估算了作物产量与平均生长季节温度、大气CO2浓度和施氮量之间的关系。首先，作物产量在最佳温度达到峰值，当温度升高超过最佳温度时作物产量下降（图2a，b）。通过二次函数拟合实际数据，当温度超过29°C时，小麦产量将降至其最大值的1%，以代表整个生长季节的热暴露影响。由于缺乏直接证据，作者没有考虑极端高温事件的影响。其次，升高的CO2浓度提高了碳三植物的植物光合作用速率，以及小麦和水稻的产量。当 CO2浓度超过700ppm（图2c）时，这种效应会达到饱和。第三，氮的添加有利于作物的生长，但随着氮的投入过多，效果就会降低。在调整了平均生长季节温度、大气CO2浓度和降水的影响后，我们使用对数函数来拟合1961年至2019年按地区划分的水稻、小麦、玉米和大豆产量（图 2d）。
研究结果
图3. 农业反馈对气候变化和食品供应的影响
模拟结果表明，全球变暖将在2050年达到2.5 °C（90%CI：2.3-2.8°C），2100年达到2.7°C（2.4-3.2°C），如果在 2040 年开始与 BECCS 一起进行大规模减缓措施，2200年达到1.7°C（1.2-2.6°C）（图 3a）。由于气候变化对作物产量的不利影响，且不考虑技术进步所带来的好处的话，全球人均卡路里消耗量将从2030年的每日2.2 Mcal下降到2100年的1.8（1.6–2.0），2200年则会到2.1（1.8–2.2）（图 3b）。
如果由于化石排放维持时间更长，且减缓措施分别推迟到 2050 年和 2060 年，那么全球变暖估计在2100 年将达到3.4°C和4.2°C，到2200年将分别降至2.6和3.7°C，且 BECCS的生物质原料会减少。此外，如果50%的边际土地用于种植专用能源作物而不是其残留物，那么全球变暖的温度将更低，因为能源作物比农作物能产生更多的生物能源，同时可以回收农业残留物。
农业反馈会影响温度目标达成的可能性。如果在2050年开始采取减缓措施，到2200年的达成2°C温度目标的可能性将从47%降低到3%。如果在2040年开始减缓，这个概率只会从93%降低到75%。由于作者没有考虑所有可能会对BECCS技术造成限制的因素，比如土地退化和氮磷失衡等等，因此模拟结果可能偏向乐观。
如果气候变化减缓行动被推迟，那么大规模应用BECCS技术是很有必要的。总的来说，本文的发现揭示了气候变化的负面影响会导致农产品产出会减少，因此BECCS的潜力也会随之减少，这就意味着超过2°C温度目标很有可能会失败，威胁到全球的食物安全。
编辑&排版：周子乔
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