在伊利諾伊州迪凱特市郊外的平坦農田中，一輛裝滿玉米穗軸的自卸卡車駛入由商品巨頭阿徹丹尼爾斯米德蘭公司運營的乙醇工廠一端的倉庫。玉米被送入大型發酵罐，轉化為乙醇，然後用卡車運往煉油廠，與汽油混合後在全國銷售。發酵過程釋放出二氧化碳，這些二氧化碳被捕獲在一個大型煙道中，然後透過管道輸送到井口。泵將氣體輸送到地下深處，在那裡它將被困在砂岩岩層中。
這個試點專案即將完成為期三年的試驗，作為一種從大氣中去除二氧化碳的新方法，同時提供一種可行的商業產品來支付費用。二氧化碳在玉米植株生長時被吸收；將氣體注入砂岩中可永久儲存二氧化碳。
但是，玉米用於燃料的做法在美國2000年代加速發展，備受爭議。玉米可以養活人和牲畜；種植生物燃料植物佔用了原本可以用來種植作物的土地。在汽車中燃燒乙醇會產生新的二氧化碳排放，收割和運輸玉米也會產生二氧化碳排放。發酵、管道運輸和注入都需要能源，至少在中西部地區，這些能源可能來自化石燃料。玉米基乙醇是否能夠實現大氣二氧化碳的淨減少，即使是很小的減少，目前尚不清楚。
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迪凱特工廠是生物能源與碳捕獲和儲存（BECCS）工藝套件的一個例子。儘管該設施使用穀物，但大多數技術的目標是木本植物，包括樹木、灌木和草類，這些植物被轉化為液體燃料或燃燒以產生電力。這些活動產生的排放物可以被封存在地下，或者被收集起來作為原材料出售——主要用於化工廠或注入頑固的油藏以迫使更多的石油流出。
生物質能在10年前基本上被忽視，但現在在減少氣候變化的藍圖中被賦予了重要的角色。應用清單很長而且還在增長；除了生物燃料外，還包括生物質燃燒發電和供熱、產生商業甲烷的生物消化池、改良土壤的生物炭，以及絕緣材料、建築材料和生物塑膠。《政府間氣候變化專門委員會（IPCC）關於全球升溫1.5℃的特別報告》（2018年）及其特別報告《氣候變化與土地》（2019年）、美國國家氣候評估（2018年11月釋出）以及“減緩氣候變化專案”在其2020年《減緩氣候變化專案評估》中的情景等嚴重依賴生物質能的路線圖都包括了生物質能。電力、燃料和塑膠等強大的行業正在大力押注生物質能作為原料，將預計需求推向了天文數字。
路線圖背後的科學共識是，為了維持適合文明的氣候，全球變暖應限制在前工業化水平以上1.5攝氏度以內。IPCC《1.5℃報告》指出，相對於2010年的水平，這需要在2030年之前減排45%，並在2050年之前實現淨零排放。人類剩餘的碳預算——在超過1.5℃之前可以容忍的未來排放量——為4200億至5800億公噸。要保持在這個限度內，既需要大幅削減排放，也需要從大氣中去除二氧化碳。IPCC估計，BECCS每年可以封存0.4億至113億噸二氧化碳。“減緩氣候變化專案”不包括BECCS，但計算出每年從其他生物質應用中平均去除11億至25億噸二氧化碳。
問題在於，大多數計劃都假設他們可以擁有他們想要的儘可能多的生物質能。事實是，生產所有這些生物質能所需的土地構成了一個嚴重的制約因素。IPCC報告稱，僅大規模實施BECCS就需要3億至7億公頃（Mha）的土地——面積大致相當於印度（3.28億公頃）或澳大利亞大陸（7.69億公頃）。而大多數適合BECCS的土地今天都用於農業。
以如此大的規模種植用於BECCS的生物質能，更不用說其他應用，將與生產糧食作物所需的農田和牲畜所需的牧場發生嚴重的衝突。森林也將變得脆弱，因為這些計劃要求砍伐森林以獲取生物質能，並將其替換為高產桉樹或松樹的單一物種人工林——大型單一栽培破壞了生物多樣性。
適度消耗生物質能進行碳封存可能是可持續的。一些方法甚至可以提高作物產量以及木本植物的產量。但是，預計的需求非常高。BECCS是房間裡的大象。IPCC和其他組織幾乎把所有的生物質能雞蛋都放在這一個籃子裡，儘管據全球碳捕獲和儲存研究所稱，全球只有大約五個小型BECCS示範專案。這是一個有風險的減緩氣候變化策略。
對生物質能需求的急劇增加將進一步加劇已經成為未來土地如何利用的重大斗爭。關於是否應該將更多的土地用於種植大豆以飼養牛，以滿足不斷增長的肉類需求，是否應該將農田用於生產生物燃料以替代化石燃料，以及如何保護森林而不是砍伐森林，緊張局勢正在加劇。在一個具有內在限制的星球上，無限的選擇是不可能的。一場全球性的生物質能爭奪戰已經開始，除非對期望做出一些重大改變，否則政府和行業最終將發生衝突。
在厄瓜多安第斯山脈種植的咖啡灌木在樹蔭下茁壯成長，樹木可以提供有益的陰涼和落葉，以改善土壤。圖片來源：Morley Read Alamy
即將到來的爭奪戰
我們的物種一直依靠生物質能來滿足基本需求，幾乎沒有考慮我們正在使用多少。長期以來，木本植物對於製造工具、房屋、建築物、船舶、墊子、地毯、紙張和紙板至關重要。竹子有1500多種已記錄的用途。自我們最早的日子以來，生物質能實際上為我們的火提供了燃料。每天仍有超過30億人在木柴火上做飯。
在19世紀中期，社會開始從木材轉向化石燃料，以獲取能源、材料和化學品。這種依賴是當前文明繁榮的基礎，但也使我們瀕臨氣候災難的邊緣。
今天收穫的大部分生物質能——更恰當地稱為木質纖維素生物質——來自樹木、竹子、草本植物和作物殘茬，如玉米秸稈。生物質能已成為一種有吸引力的氣候解決方案，因為它在某種程度上是可再生的——它可以一次又一次地生長。
BECCS是所有計劃中確定的主要生物質能來源。它仍然主要是一個理論過程，使用與從化石燃料發電廠中去除氣體相同的技術來捕獲二氧化碳排放。最大的問題是所需的生物質能的量。IPCC在其《1.5℃報告》中指出，將全球變暖限制在1.5℃或2.0℃的所有途徑都需要在本世紀去除1000億至1萬億噸二氧化碳。去除包括重新造林，農業實踐可以幫助將碳封存在土壤和多年生植物中，但在IPCC的計劃中，BECCS被認為是保持在全球碳預算內的主要工具。將3億至7億公頃的農田轉變為生物質能生產，與不斷增長的糧食需求根本不相容。
如果糧食生產是不可談判的，那麼就很難找到大量的土地。一些先前廢棄的農田可以重新投入生產可以在貧瘠土壤上生長的生物質能作物，但牧場主和畜牧者已經在這片區域放牧了相當一部分牲畜，其中大部分是牧場。與此同時，對我們來說，為了建立生物質能人工林而砍伐森林——大型氣候計劃認為這是不可取的，但如果全球排放量不迅速減少，這將是不可避免的——是不可接受的。森林是重要的碳匯；毀林已經是人為排放的9%的來源。為了減少二氧化碳和保護生物多樣性，必須保護和擴大森林，而不是將其夷為平地。“減緩氣候變化專案”的預測在某種程度上是獨特的，因為它只考慮不損害糧食安全或加強森林保護和恢復的新供應來源。
不涉及BECCS的1.5℃路徑仍然需要不切實際的生物質能數量。世界對液體生物燃料的無限需求也是不可持續的；根本沒有足夠的農田來種植原料以替代我們使用的大量燃料。如果美國種植的所有玉米都發酵成乙醇，那也只能滿足該國汽油和柴油需求的25%——而且不會留下玉米供人和動物食用。
為了瞭解BECCS的部署水平可能會將世界的生物質能和糧食供應推向不可持續的境地，我們分析了2015年全球用於所有目的的生物質能總量，然後預測了到2050年的需求，包括主要報告中要求的低水平和高水平的BECCS。在兩種情景中，僅增加供應就無法在不破壞森林的情況下滿足需求。僅減少需求也無法將生產控制在地球的生物質能能力範圍內。只有透過積極減少某些需求，同時積極增加某些形式的供應，才有可能提供所需的生物質能——對於適度依賴BECCS的情況[見下圖]。滿足高BECCS情景最終需要4.5億公頃的土地，超過歐盟的面積。
即使是低BECCS情況也引發了巨大的社會擔憂。所需的大部分土地現在由小農戶耕種，由牧民放牧，或是一些土著人民管理的森林的所在地——這些土地可能會在違揹他們意願的情況下被奪走。近年來，全球約有1200萬人已經淪為這種土地掠奪的受害者。東南亞和巴西的土地已被徵用以擴大油棕櫚生產，非洲部分地區的土地已被徵用以生產可可等種植園作物。
圖片來源：Jen Christiansen
減少需求
在追求一些可持續供應策略的同時，減少生物質能需求可以減少二氧化碳，而不會影響糧食生產或砍伐森林。第一步是減少消費。在全球範圍內，紙張回收已經每年減少了4.84億公噸（MMT）來自森林和人工林的紙漿木材需求。“減緩氣候變化專案”預測，到2050年，回收量將增加到每年約11億公噸。該專案還估計，用清潔爐灶（有很多型別）取代傳統的木柴爐灶，到2050年可以減少17億公噸的木材消耗。爐灶還可以透過減少家庭煙霧來改善健康，這是一項重要的益處。
一些現在被丟棄為垃圾的生物質能廢棄物可以成為產生能源的原材料，包括木材加工和住宅景觀綠化產生的廢棄物。作物殘茬——食物作物收穫後剩下的殘餘物，如玉米秸稈和玉米芯——也可以在不改變土地利用的情況下提供一些生物質能。然而，其中一些已經被計算在內：目前約有四分之一的材料用於餵養牲畜或增加農業實踐。另有50%最好留在田地裡分解和重建土壤。這樣一來，只有四分之一的年度殘茬可以作為新的原材料。
這些方法加起來可以大大減少生物質能需求。但它們並沒有釋放出足夠多的生物質能來控制氣候變化。
提高產量
提供可持續生物質能供應的第二步是在相同的全球足跡上生產更多的生物質能。也許最廣泛推廣的方法是大規模擴建商業木材人工林——大片的桉樹林、松樹林和其他樹種。這些人工林每公頃產生的木材比天然森林多得多。但是，用單一樹種覆蓋大片土地可能會破壞生物多樣性、水質和洪水緩解。據全球糧食和農業組織稱，全球今天約有2.94億公頃土地用於木材人工林。增加這一面積將是困難的，因為同樣，可用的土地是有限的。
天然森林在木材和土壤中儲存了大量的碳，因此加強森林保護非常重要。然而，它們也很容易受到野火的影響，而且並非所有從大氣中去除的碳都被永久封存；死亡、腐爛的樹木會將一部分碳迴圈回空氣中。
一些較新的生物質能生產技術正在擴大規模。其中一種技術為纖維素乙醇提供原材料，在這種技術中，某些草類和糧食作物的秸稈被轉化為液體燃料。科學家們在尋找分解這種纖維材料的有效方法方面取得了進展。農民們正在種植大片的多年生草類，如芒草和柳枝稷，用於生物質燃燒，並希望看到燃料市場發展起來。另一種稱為短輪伐期的策略涉及以極其密集的行種植速生樹木，如柳樹和楊樹。這些樹木每兩到三年由重型裝置收割一次，這些裝置在田間直接將生物質能切成碎片。據“減緩氣候變化專案”稱，這些系統的總種植面積約為20萬公頃，仍然很小，但預計該行業將大大擴張。
竹林為許多用途提供了現成的生物質能供應；這裡看到的是日本京都的嵐山竹林，被宣傳為旅遊景點。圖片來源：Getty Images
緩解
有很多方法可以在不佔用農業用地進行糧食生產的情況下大大增加碳封存，其中一些方法實際上可以提高作物產量。最廣泛採用的技術是農林業，它將灌木和樹木整合到作物和牲畜田中。在法國，木材樹木和冬季穀物在同一片土地上生長，而不會相互競爭，因為樹木在夏季長出葉子，而小麥在冬季長出葉子。那裡的農民可以在100公頃土地上種植相當於木材和穀物分開種植時需要130至140公頃土地才能生產的作物。
木本植物也可以在牧場中種植。一種特別有前途的方法稱為林牧系統，正在拉丁美洲迅速蔓延。灌木叢被密集地種植，牲畜瀏覽灌木叢以獲取可食用的葉子，而速生樹木（如桉樹）成行地廣泛種植，以留下充足的放牧空間。集約化林牧系統可以將牲畜生產力提高一倍或更多，同時封存大量的碳。
另一種稱為常綠能源的方法是允許熱帶地區的小農戶在同一片土地上生產糧食和用於能源的木材。農民在農田中種植豆科灌木，如灰綠枝木Gliricidia sepium。來自灌木的綠葉樹葉可以為土壤施肥，併為牲畜提供飼料。灌木木材在旱季結束時收穫，用於家庭燃料或出售給當地生產商，他們燃燒木材發電。這種方法可以顯著提高糧食產量和生物質能產量，並且每年可以在土壤和根系中儲存碳。它還可以提高農場收入和農村人口的就業機會。常綠能源已經在斯里蘭卡廣泛普及，正在非洲開發，並且可能在亞洲和拉丁美洲執行良好。如果BECCS技術變得可用，這將是生產BECCS生物質能的理想方式，而不會犧牲糧食生產。
擴大農林業具有巨大的潛力。據全球常綠聯盟預測，僅肥料樹木和灌木叢到2050年就將生產12億公噸的生物質能。農林業已經很普及；全球43%的農業用地樹木覆蓋率超過10%，其中大部分位於熱帶地區。2000年至2010年間，農場中的樹木在全球範圍內增加了2%。熱帶地區的數百萬農戶家庭採用了農林業技術，並且有更多的人正在加入。全球常綠聯盟發起了一項運動，目標是在本世紀中葉每年減少200億噸二氧化碳。然而，要實現這一潛力，將需要農業推广部門為農民提供更多持續的支援。
儘管一些敬業的科學家和農民做出了努力，但美國的農林業仍然落後於世界其他地區。這種缺乏應用沒有生物物理原因：農林業在其他溫帶地區和美國試驗中都取得了成功。不情願更多的是農業思維方式的問題。機械化耕作也不是限制因素；歐盟約有9%的農田用於農林業。或許生物質能生產可以從田地邊界開始，然後慢慢向內推進。（沿著田地種植樹木以打破引起侵蝕的風有助於使美國中部擺脫20世紀30年代的沙塵暴。）法國和中國都開發了將樹木整合到大型機械化農場中的系統。印度也在取得顯著進展。
美國玉米帶等地區的機械化農場可以整合多年生草類，特別是柳枝稷和芒草。這些高大的草類可以被種植、收割和運輸到生產燃料或電力的生物精煉廠。精準農業技術正在幫助農民確定他們田地中糧食作物產量不佳的區域，這些區域可能更適合開發多年生草類。
加工某些草類以獲取能源還可以提供一種稱為葉蛋白濃縮物的產品。它含有約50%的蛋白質，並富含維生素和礦物質。雖然人類可以食用，但它可能最適合作為牲畜的大豆替代品。草類每公頃產生的這種蛋白質產量高於大豆或任何其他糧食作物，而且由於草類是多年生植物，它們可以將碳封存在土壤中。
前進之路
為了滿足BECCS和其他氣候解決方案的需求，在澳大利亞大小的面積上種植生物質能既不可能也不可取。更明智的生物質能生產和消費可以在不破壞糧食供應或森林的情況下減少二氧化碳，但它無法治癒我們的氣候疾病。IPCC明智地指出，在最有可能將升溫限制在1.5℃的情景中，需要協調一致的政策來加強糧食安全和限制土地利用變化。仍然需要其他快速而深刻的轉型來實現溫室氣體零排放，包括富裕國家和個人的減少消費、向清潔能源的轉變以及交通運輸和工業的電氣化。
或許我們可以從當地人民那裡找到靈感，他們已經在努力過上智慧生物質能的未來。墨西哥韋拉克魯斯州的拉斯卡尼亞達斯農民合作社的成員提供了一個有趣的例子。伐木已將該地區70%至90%的原始雲霧林轉變為牧場。在這個多山的景觀中，太陽能和風能不是有希望的選擇。這20個左右的家庭正在使用來自世界各地的最佳生物質能實踐來滿足他們的需求。他們已將木本植物整合到他們的玉米地和牧場中，種植了竹子和速生、萌芽的薪柴樹，種植了50,000棵原生樹木用於再造林，並採用了節約木材的清潔爐灶。他們正在試驗一種燃燒木材發電的氣化爐。成員裡卡多·羅梅羅估計，一個家庭可以從大約26米乘26米的土地上滿足其每年的烹飪燃料需求。或許我們其他人可以從合作社的願景中學習。