生物质燃料土地利用变化对环境影响的研究

李学琴　王志伟　刘鹏　雷廷宙　吴幼青　呼和涛力　杨树华

摘要 为了研究生物质燃料土地利用变化对环境的影响，首先，对我国近年来农作物的种植面积、农产品产量、土地利用变化及类型进行分析，其次，以玉米秸秆清洁水解制备乙酰丙酸乙酯为例，探究其生产和使用过程中对环境的影响。结果表明，我国农业作物资源潜力及储量巨大，为生物质燃料的生产提供了丰富的原料保证，是农业固碳的主要途径，具有很好的土壤碳汇作用。同时，以玉米、小麦、水稻为主要农作物的种植结构且种植土地类型为耕地时，1 g玉米秸秆产生0.124 g乙酰丙酸乙酯作为燃料使用时的排碳量和固碳量分别为0.28、1.10 g CO，加上玉米秸秆收集、运输及转化为乙酰丙酸乙酯的过程中温室气体的排放量；生物质的生产和使用在一定程度上有望实现碳平衡，这为生物质燃料的额外需求所引起的土地利用变化对环境影响的评估提供了理论支撑。

关键词生物质；液体燃料；土地利用变化；环境影响

中图分类号X24文献标识码A

文章编号0517-6611（2023）08-0048-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2023.08.012开放科学（资源服务）标识码（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年国家发展和改革委员会发布了《关于完善能源绿色低碳转型体制机制和政策措施的意见》，提出推行先进生物液体燃料，支持生物燃料乙醇等清洁燃料接入油气管网，加快研发纤维素等非粮生物燃料乙醇、生物航空煤油等先进可再生能源燃料关键技术及产业化示范［1］。加拿大2022年《生物燃料报告》也制定了可再生和低碳燃料发展的政策［2］，西班牙能源部認为先进生物燃料和其他非粮生物燃料是目前最广泛地用于重型车辆和航空等领域的可再生能源［3］。由此可见，生物质燃料是未来降低航空排放、实现化石能源替代最直接、最有效的手段。我国从2001年开始先后建立了乙醇生产试点企业并实行补贴政策，2005年开始相继出台了《关于燃料乙醇亏损补贴政策的通知》《中华人民共和国可再生能源法》《可再生能源中长期发展规划》等，2008年以来陆续出台了“十一五”“十二五”“十三五”和“十四五”《可再生能源发展规划》《关于发展生物能源和生物化工财税扶持政策的实施意见》《生物燃料乙醇弹性补贴财政财务管理办法》等政策性文件，明确规定了“不与人争粮、不与粮争地”的原则，促进了生物燃料在可再生能源发展、资源节约和环境保护、应对全球气候变化等方面作出的积极贡献。

生物燃料引起的土地利用变化主要体现在能源作物取代粮食作物［4-5］，或原料的额外需求导致其他地方的土地利用结构发生变化［6］，这在国际上被定义为直接土地利用变化（direct land-use change，DLUC）和间接土地利用变化（indirect land-use change，ILUC）。与DLUC相比，ILUC是在生物能源作物取代其他作物时，触发某个地方的土地（草地或林地等）转换成农田进而对环境排放造成影响［7-11］。在最初的研究中，研究者仅仅考虑了生物燃料的原料面积是否有所增加［6，12-13］；Hill等［14-15］研究表明生物燃料可有效降低温室气体（greenhouse gas，GHG）的排放，如玉米生产乙醇可减少12%的GHG排放。Fargione等［4］研究表明以粮食作物为原料生产生物质燃料及其使用过程排放出了更高的GHG，而利用农林剩余物生产生物质燃料时减少了GHG的排放。另外，一些研究在比较生物质燃料对环境的影响时表明DLUC和ILUC系数的估算是排放量变化的主要来源［16］。尽管大多数的研究结果之间有很大差异，但一些国内外学者研究的重点依然偏重于生物质燃料引起的间接土地利用变化［17-19］。Taheripour等［20-22］采用最新数据及模型评估了美国燃料乙醇扩张对全球的影响，结果表明土地利用的排放量下降了18%。但由于全球经济的挑战及生物质燃料生产对环境影响的差异等因素的影响，导致了生物质燃料应用的可变性和间接土地利用变化的不确定性，使生物质燃料在缓解气候变化潜力方面存在很大争议［23］。截至目前，国际上将土地利用变化的分析纳入生命周期评估中的研究很少［24］；而我国生物质燃料的土地利用变化对环境的影响研究目前仍处于空白。所以，掌握间接土地利用变化对理解生物质燃料的生产和使用相对于化石燃料是否增加了GHG排放至关重要。因此，该研究以国内外文献为理论基础，借助历史数据，通过统计分析法对我国近年来农作物的种植面积、农产品产量、土地利用变化及类型进行分析，计算了我国农林作物资源潜力及储量，进一步分析土壤碳汇与农业碳汇的关系；以玉米秸秆清洁水解制备乙酰丙酸乙酯为实例，分析了生物质燃料间接土地利用变化对环境的影响，以期为我国生物质燃料土地利用变化的评估提供基础数据和理论参考。

1估算方法及数据来源

1.1估算方法生物质燃料土地利用变化的评估方法主要包括统计数据分析法、模型分析法、生命周期评估法。统计数据分析法是为了确定生物质燃料生产率与土地利用变化之间可能的关系，从统计学的角度收集和分析不同来源的历史数据进行分析［5，20］。生命周期评估（life cycle assessment，LCA）是通过对能源和物质消耗、环境排放进行量化，进而评估能量、物质利用对环境的影响，最终寻求改善产品或工艺的途径［25-27］。模型分析法是测量DLUC和ILUC最常用方法［25］，主要分为经济模型和确定性模型［3，28-30］；由于不同模型的复杂性和可变性，土地利用变化很少被纳入LCA的研究中［31］。国外大多数研究者认为经济模型的分析更加准确贴切［31-32］，但由于我国在生物质燃料与土地利用变化的研究处于空白且目前还没有找到适合我国国情的经济模型。因此，该研究采用统计数据分析法，以干物质光合作用平衡式（6CO+12HO→CHO +6HO+6O）以及农业碳汇的计算方法为依托［33-34］，按单位面积农作物收获的干物重（以 CHO 計）估算单位面积农用地年吸碳量与制氧量，利用刘晓永等［35-38］研究中农作物秸秆资源的草谷比和折算系数［37，39-42］估算生物质资源储量，进而初步探究生物质燃料间接土地利用变化对环境的影响。

1.2数据来源数据主要来源于《国家统计年鉴》《中国环境统计年鉴》《中国可再生能源发展报告》《中国能源大数据报告》《中国能源发展报告》《中国能源统计年鉴》《中国生态环境公报》等关于生物资源、农产品产量、生物质燃料、土地结构、环境污染程度等方面的统计数据。玉米秸秆在收集及预处理过程中的温室气体排放如表1所示，其转化为乙酰丙酸乙酯的年消耗的玉米秸秆量和收集半径见文献［25］；以3 000 t 玉米秸秆清洁水解制备372 t乙酰丙酸乙酯的系统为例，水解过程产生蒸汽锅炉的热量由锅炉燃烧装置提供，该装置燃烧效率为90%，该生产过程中涉及的排放因子见文献［25］。

2结果与分析

2.1生物质资源量及燃料密度根据农产品产量及农作物草谷比估算我国近11年秸秆类生物质资源量（图1），由图1可知，近年来我国生物质资源量逐年增加，截至2020年生物质资源量达到10.98×10 t，生物质资源潜力巨大。以我国农作物大省之一河南省为例，从图2可看出，近年来农作物秸秆产量的分布呈现由西北向东南逐渐增加的趋势，在其他省份秸秆产量的分布均有不同程度的分布差异，这主要与农业种植结构、地域面积、土地状况和区域气候条件等多重因素相关［36］。从不同生物质原料及其燃料的能量密度（图3）可以看出，玉米秸秆热解制备生物油（O4）的能量密度最高，是原料玉米秸秆能量密度的3倍左右；与之相近的是秸秆残渣和木材废弃物热解制备生物油（O5和O6）。由此可见，巨大的生物质资源量为生产高密度、高能效的生物质燃料提供了保证。

2.2我国农林业固碳情况分析以干物质光合作用平衡式（6CO+12HO→ CHO +6HO+6O）估算了近年来我国农业固碳情况。经计算，2015年我国主要农作物吸收CO大约117 812.8万t，释放O大约为85 682.0万t。由于生物质燃料的使用及对环境气候的关注，我国农作物固碳、制氧量逐年增加；从2020年我国不同农作物固碳制氧情况（表2）可以看出，2020年我国不同农作物固碳量达到262 794.1万t，释放O达到191 122.9万t，表明2020年我国167 487万hm农用土地面积种植农林作物共固CO为262 794.1万t；同时，玉米在固碳制氧方面具有明显的效果，其中固碳量为103 223.3万t，释放O为75 071.5万t，单位土地面积的固碳量为25.0万t/（hma）；其次为水稻、小麦，表明玉米秸秆、小麦秸秆、水稻秸秆等农作物资源是生产生物质燃料原料的主要来源，在固碳制氧中起主要作用。

由表2可估算出2020年主要农作物吸收CO量分别占全部作物固碳量的比重，如图4所示。玉米秸秆的吸碳量约占全部10种农林作物吸碳总量的1/3，其次为水稻、小麦、麻类、油料等。因此，在不影响其他作物种植面积的情况下，确保种植玉米、水稻、小麦的土地面积且保持这种种植结构，既保证了足够的粮食产量，又为生物质燃料的生产提供了原料保证；不仅避免了能源作物与粮食作物竞争土地，也确保了粮食安全和环境效益；同时，也避免了农林资源的浪费，增加了土地的固碳量。根据《中国产品全生命周期温室气体排放系数集（2022）》可知，我国所有省份的生物质炭、土壤有机质碳排放均为负数［44］，说明土壤固碳数量巨大。结合表2和图4，约80%以上的碳贮存在种植玉米、水稻、小麦等农作物土壤中且种植这3种农作物土壤的单位面积总固碳量为63.6万t/（hm·a），平均值为21.2万t/（hm·a），表明农作物种植的耕地能起到一定的固碳作用。

2.3间接土地利用变化与农林固碳的关系分析从我国主要农作物种植面积变化趋势（图5）来看，1980年以前我国农作物种植面积呈缓慢下降趋势，1980—2000年总体上出现缓慢上升趋势，2000年以后我国农作物面积变化趋势较为明显，其中玉米种植面积出现大幅度的上升且明显高于其他农作物。2005年以前，水稻和小麦的种植面积位居第一、第二；2005年以后玉米种植面积位居第一，水稻、小麦分别位居第二和第三，说明玉米、水稻、小麦始终是我国主要粮食作物和农作物秸秆来源，这也导致了农作物单位面积固碳量的增加，这与图4的分析结果一致。结合2000年以来我国土地利用的变化情况（图6），2000—2008年耕地面积减少了近51%，林地面积增加了3.2%。从2009年开始耕地面积大幅度增加，占总用地的20.9%。截至2019年，耕地与林地面积占总农业用地面积的51.3%，这其中有大部分耕地用于种植玉米、水稻、小麦等粮食作物。由于粮食作物的价格有限，虽然大量种植粮食作物不利于农民收入的增加，但在一定程度上解决了粮食安全问题，为解决化石能源短缺及环境污染的可再生能源提供了原料，对生态环境保护和可持续发展是极有利的。

2.4生物质酯类燃料间接土地利用变化的影响以种植面积最大的农作物玉米秸秆为例，通过清洁水解制备生物质酯类燃料乙酰丙酸乙酯，探究其生产过程对环境的影响。以3 000 t 干玉米秸秆为例，所得的乙酰丙酸乙酯372 t及其他副产物，所得主副产品的产量及转化率如图7所示。根据燃料的热值及密度，柴油热值为35.53 MJ/L，乙酰丙酸乙酯混合燃料热值为35.49 MJ/L，则消耗单位体积混合燃料的排放VOC、CO、NO、PM、SO分别为2.24、25.88、7.96、1.87、0.28 g/L，排放总温室气体量为2 312.48 g/L［25］。由此可估算 1 g 乙酰丙酸乙酯在使用过程中温室气体排放量为2.28 g CO。因此，当1 g玉米秸秆产生0.124 g乙酰丙酸乙酯并用于燃料使用时，温室气体排放量为0.28 g CO。由表2可知，我國2020年玉米秸秆产量为70 379.6万t，共固碳量为103 223.3万t，故而计算出1 g玉米秸秆能固1.10 g CO。结合玉米秸秆在收集、运输及转化过程中温室气体的排放量［25］，玉米秸秆制乙酰丙酸乙酯及其使用起到了很好的固碳作用，相对于化石能源不仅减少了温室气体的排放，而且也实现了资源的高效利用。同时，土地利用变化机制的出现，在一定程度上促进了生物质燃料的生产和使用。因此，生物质清洁水解制备乙酰丙酸乙酯是未来液体燃料领域发展的方向之一。

因此，能源作物实施前的土地利用类型决定了生物质燃料的生产和使用是否减少了碳排放［6，13-14］。所以，在当前种植模式下，保证以玉米、小麦、水稻为主要农作物的种植结构且种植土地类型为耕地，生物质燃料的生产和使用有望实现碳平衡。但该研究中由于缺乏DLUC和ILUC的系数、环境影响的差异以及考虑土地利用变化效应时遇到多因素限制，很难准确地对生物质燃料引起的间接土地利用变化进行直接研究［17-19］。

3结论与讨论

该研究通过统计分析法对我国近年来农作物的种植面积、农产品产量、土地利用变化及类型进行分析，结果表明我国农作物资源潜力及储量巨大，为生产高密度、高能量的生物质酯类燃料提供了足够的原料。在我国主要农作物种植结构中，玉米、水稻、小麦的种植面积、产量较大，是我国农林业固碳的主要途径，与土壤碳汇量密切相关。玉米秸秆清洁水解制备乙酰丙酸乙酯的工艺实例表明，乙酰丙酸乙酯的生产及其使用在一定程度上实现了碳平衡，避免了能源作物种植带来的间接土地利用变化的影响。结合我国土地利用特征，鉴于玉米、水稻、小麦的固碳作用，建议采取严格的耕地保护制度，维持主要农作物的耕地面积，提高农作物资源的能源化利用率，对实现生物质资源的高效利用及生物质燃料的发展有重要的现实意义，为评估我国生物质燃料土地利用变化提供参考。

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