生物燃料新時代引發環境擔憂

俄羅斯入侵烏克蘭正在擠壓全球石油供應，通貨膨脹正在推高加油站的價格。儘管近幾個月汽油價格已開始下跌，但這種情況有力地提醒了世界對化石燃料的依賴。

這也意味著生物燃料正迎來發展機遇。玉米乙醇行業自豪地宣稱，將其產品摻入汽油中可以為消費者省錢，並在為其釀酒廠供貨的農業社群創造就業機會。

為長途卡車生產可再生柴油燃料的煉油廠正在儘可能快地擴張。一些煉油廠正在建設旨在加工棕櫚油、大豆油和卡諾拉油的生物煉油廠，而另一些煉油廠則在其石油原料中新增植物油和動物脂肪。石化生產商菲利普斯66公司正在投資8.5億美元改造其位於加利福尼亞州羅迪歐的煉油廠，使其完全加工生物原料。據市場分析師稱，已宣佈的美國煉油廠擴建可能會使生物燃料製造商對大豆油的需求超過該國的總供應量。如果用這些植物來源的液體填充燃料箱可以透過減少對化石燃料的需求來減少碳排放，這將有助於應對威脅人類和生物多樣性的氣候變化。

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原則上，生物燃料的可持續性似乎顯而易見。當生物燃料作物生長，車輛燃燒它們產生的燃料時，碳會在大氣中迴圈進出。但工業界聲稱生物燃料能實現更環保的交通運輸，卻不斷受到大量報告的抨擊。事實上，作為市場領導者的第一代生物燃料似乎在氣候方面並不比化石燃料好多少。2022年的一項評估¹ 發現，美國的《可再生燃料標準》計劃——該計劃要求運輸燃料中含有最低量的可再生燃料，並推動了全球近一半的生物燃料生產——可能增加了溫室氣體排放。這種違反直覺的結果是由於農業作業涉及柴油動力拖拉機和天然氣製成的肥料。肥料會釋放一氧化二氮，這是一種溫室氣體，其效力幾乎是二氧化碳的300倍。即使是農田土壤也會釋放儲存的碳，而這些碳對其恢復力和肥力至關重要。

更糟糕的是，對生物燃料作物的需求增加已將農業擴充套件到邊際土地，破壞了生物多樣性，增加了用水量和汙染，並推高了農產品價格，從而加劇了糧食不安全。2022年評估的作者得出結論，只有實踐和政策上的“深刻進步”才能使美國的計劃具有可持續性。

農藝師、作物遺傳學家和碳排放生命週期科學家對此表示贊同。為了使農業更智慧，農民需要密切關注哪些作物最適合在哪裡種植，以及這些作物是如何種植的。採用再生農業方法，例如減少土壤耕作，可以保留碳和養分。種植一系列新興的冬季油籽也可以做到這一點，這些油籽可以在糧食作物輪作期間季節性種植。這將產生收入，可以支付一種稱為覆蓋作物且很少有農民採用的土壤保護措施的費用。

“我們的土地覆蓋作物種植面積不到2%。如果你達到40-50%，你就能滿足對低碳原料的巨大全球需求，”格倫·約翰斯頓說，他指的是種植作物以保護和改良土壤的過程——在這種情況下，這種作物也可以用來製造生物燃料。約翰斯頓在加利福尼亞州薩克拉門託附近的研究中心領導農業綜合企業努希德的監管和可持續發展專案。

儘管有這樣的前景，但生物燃料的新時代仍然存在環境擔憂。研究人員認為，需要大大改進監管，以確保該行業朝著可持續發展的方向發展。追蹤碳是一個複雜的過程，充滿了陷阱。如果搞錯了，生物煉油廠最終可能會成為又一種以失敗告終的環境靈丹妙藥。

深入挖掘

十年前，向更好的生物燃料過渡似乎迫在眉睫。新一代商業規模的生物煉油廠在美國、巴西和歐洲上線。它們旨在利用纖維素豐富的原料（如農業殘渣、草或速生樹木）生產乙醇，這些原料通常在邊際農田上生長良好，並且比玉米或大豆需要更少的密集耕作。到目前為止，這些由可持續原料製成的纖維素生物燃料本應大量湧入燃料市場，從而減少交通運輸排放——交通運輸是全球增長最快的二氧化碳來源。

唉，纖維素燃料的流量幾乎微不足道。加工裝置被證明難以操作，汽油價格下跌，政府放鬆了旨在迫使價格較高的纖維素燃料進入市場的指令。“最終，所有這些設施都舉步維艱。大多數設施要麼今天以極低的水平生產，要麼根本不生產，”田納西州橡樹嶺國家實驗室研究生物能源系統減緩氣候變化潛力的約翰·菲爾德說。

沒有停止的是推動食品生物燃料的慷慨激勵措施及其缺點。歐洲的可再生能源指令推動了巴西、印度尼西亞和其他地方熱帶雨林的採伐和刀耕火種，為大豆和油棕種植園讓路，取代了土著社群和野生動物，並釋放了熱帶雨林的大量碳儲量。碳不僅來自樹木；甚至更多的碳可以從土壤中釋放出來，因為土壤會升溫和乾燥。事實上，土壤中儲存著地球生物圈中約四分之三的有機碳。

農業和貿易政策研究所位於明尼蘇達州明尼阿波利斯的農村戰略和氣候變化主任本·利利斯頓說，較新的將生物燃料激勵措施與其碳強度掛鉤的計劃，例如加利福尼亞州的低碳燃料標準，仍然未能防止土地利用變化可能帶來的意外後果。對原料的需求會釋放儲存在森林和農田土壤中的碳，監管機構很難將這些碳納入考慮範圍。例如，在過去五年左右的時間裡，美國生物煉油廠購買了美國大豆收成中越來越多的份額。這可能會間接增加碳排放，因為其他地方的大豆生產商會擴大規模以滿足美國的大豆需求。

由此產生的碳債務可能永遠無法償還。根據2020年的一項研究²，一旦將土地利用的影響考慮在內，棕櫚油衍生生物燃料的碳強度是石油燃料的三倍。

為生物煉油廠供應原料的農業也帶來了機會成本，因為在許多情況下，將相同的土地恢復為森林或原生草地將提供更大的淨碳減排量。“對生物燃料的典型分析實際上忽略了這種成本——從氣候角度來看，它將土地視為免費的，”普林斯頓大學能源與環境政策研究中心位於新澤西州的食品專案技術主管蒂姆·瑟欽格說。

充分說明生物燃料碳足跡或減排量所需的土地利用和生命週期研究既複雜又昂貴——並且可能會為生物燃料生產商帶來不便的結果。此外，找到可靠的資料並非易事。例如，土壤碳在短距離內差異很大。隨著時間的推移，變異性意味著可能需要長達十年的時間，取樣才能檢測到土壤碳的重要變化。“正確地做這件事既耗時又昂貴，”英國蘭開斯特生態與水文中心研究土壤碳的麗貝卡·羅說。

環境保衛基金會位於倫敦的可持續國際運輸主任佩德羅·皮里斯-卡貝薩斯表示，這使得評估生物燃料的可持續性“令人望而生畏”。“它很快就會變得瘋狂，”他說。但皮里斯-卡貝薩斯認為，存在一些工具和方法可以可靠地簡化複雜性，這些工具和方法將表明，某些生物燃料確實可以減少碳排放，而不會破壞生態系統和社群。皮里斯-卡貝薩斯撰寫了一本關於跟蹤方法的手冊（請參閱go.nature.com/3s6hco2），該手冊可以確保航空化石燃料的替代品具有“高度完整性”。

然而，皮里斯-卡貝薩斯不太相信，如此嚴格的分析將表明生物燃料可以大規模可持續生產。而且，由於另一種替代燃料——透過可再生電力和氫氣生產的電燃料——帶來的新興挑戰，他對生物燃料的經濟可行性持悲觀態度。皮里斯-卡貝薩斯預測，在未來十年內，透過使用電燃料避免一噸二氧化碳排放的成本將降至約70美元。他說，使用當前生物燃料減少一噸碳的成本為300-400美元，而且這個成本可能會上升。

關於生物燃料的最終困境是有限土地的競爭加劇。《世界資源研究所》（位於華盛頓特區的一個可持續發展智庫）預測，2010年生產的食物熱量與2050年需要的食物熱量之間存在56%的差距（請參閱 go.nature.com/3tknoy3）。與此同時，大多數限制全球變暖以符合《巴黎氣候協定》的減排路徑都需要徹底減少農業用地使用。因此，生物燃料生產的擴張將不可避免地推高食品價格並加劇糧食不安全，世界資源研究所研究環境核算和技術並負責研究的珍妮特·蘭迦納坦說。她懷疑未來的進步是否能確保生物燃料發揮更大的作用：“除非消除種植生物燃料的專用土地的需求，否則改進的前景有限。”

碳覆蓋

儘管面臨強大的逆風，研究人員仍在繼續努力提高生物燃料的可持續性。“除了讓土地恢復完全荒野狀態外，我們將始終在影響與社會需求之間取得平衡，”羅說，她的工作正在幫助英國政府實施計劃，到2050年將生物能源作物的種植面積從幾乎為零擴大到英國土地面積的約3%。

菲爾德的研究表明，生物燃料仍然有可能不僅僅是一種必要的惡。在他和他的同事在2020年發表的一篇論文³ 中，他們透過模擬表明，在某些條件下，纖維素乙醇可以媲美甚至超過生態系統恢復的氣候效益。最佳結果出現在土地利用從糧食作物或牧場轉變為種植柳枝稷（Panicum virgatum）的情況下，柳枝稷是纖維素生物燃料的一種流行原料。在這些情況下，菲爾德和他的合著者估計，碳減排潛力與重新造林相當。研究人員預測，如果能夠提高作物產量和生物加工技術，並且如果生物煉油廠產生的二氧化碳能夠永久封存在地下深處，那麼供應纖維素原料最終可以儲存的碳量是重新造林的四倍。“這是一種理想，但這些是目前研究和開發關注的重點領域，”菲爾德說。

公司已經在北達科他州和伊利諾伊州開發二氧化碳管道，並且它們有資格根據8月份透過的美國《通貨膨脹削減法案》獲得更高的稅收減免。當然，這些公司也面臨著巨大的阻力，包括來自土地可能位於管道路徑上的農民的阻力。

對於英國生物能源作物規模擴大，羅說，芒草（Miscanthus）（一種類似於柳枝稷的作物）和其他多年生原料是首選。英國政府預計，這些作物將有助於在2030年代之前減少生物煉油廠的排放，特別是當與深層封存相結合時。羅說，關鍵是要利用從生物燃料開發中吸取的經驗教訓，找出最可持續的種植地點。這通常意味著避開高碳土壤，如泥炭地、生物多樣性熱點地區和高價值農田。

可持續性的最佳候選者是正在開發的覆蓋作物，這似乎是對反對將土地用於生物燃料的論點的良好回應。休耕地中的土壤往往會板結，並且容易受到風雨侵蝕。覆蓋作物紮根以固定土壤及其養分，並形成通道，幫助水分滲入而不是流失。農民可能會被說服種植油籽覆蓋作物，因為該作物可以透過生產可以供應給生物煉油廠的油來支付自身成本。

努希德的卡里納塔作物——從油菜（Brassica carinata）改良而來，它是油菜（Brassica napus）的一種高大表親——產生富含能量的不可食用油。它具有強大的功能：約翰斯頓說，卡里納塔擅長將碳儲存在土壤中，並且含油量約為大豆的2.5倍，而大豆是可再生柴油的主要作物。最重要的是，他說，卡里納塔不與糧食供應競爭，也不會造成危害氣候的土地利用變化。後一個優勢意味著，儘管僅土地利用影響就使每兆焦耳大豆基燃料提供的能源增加4-26克二氧化碳排放量，但根據菲爾德的說法，卡里納塔使每兆焦耳燃料的排放量減少9-13克。“土地利用變化從一種高度不確定但可能造成巨大負債的情況，轉變為具有微小但積極影響的情況，”菲爾德說，他是與努希德合作開展卡里納塔研發的財團的成員。

菲爾德及其同事在2022年釋出的一份報告⁴ 中顯示，卡里納塔可以支援美國東南部的生物燃料產業發展壯大。他們模擬了在佐治亞州南部、阿拉巴馬州南部和佛羅里達州北部（佔美國耕地面積的百分之幾）每三年施用一次卡里納塔的情況，預計年收成將超過200萬噸。這足以生產約10億升航空燃料。

推動嚴格規則

努希德於2019年在阿根廷開始商業種植，今年正在向法國生物燃料生產商賽普爾公司運送足夠的油籽，供該公司生產數百萬升可再生燃料。努希德計劃在今年年底前擴充套件到美國東南部，並在2024年前擴充套件到巴西。它打算在此後快速擴大規模，並在能源巨頭英國石油公司的十年供應和市場開發協議的幫助下，到2030年實現每年支援數十億升燃料的生產。

約翰斯頓說，為了讓卡里納塔在生物燃料領域發揮更大的作用，需要更智慧的政策。他說，政府的生物燃料計劃缺乏廣度和針對性，無法識別和獎勵該作物的益處。

利利斯頓對此表示贊同，他說，向加利福尼亞州銷售大豆衍生燃料的煉油廠不會因工業耕作方式造成的土壤碳消耗而受到懲罰。加利福尼亞州和其他司法管轄區正在規劃更復雜的碳核算，但對於油籽覆蓋作物開發者來說還不夠快。

相反，正在快速發展的是監管不力的碳抵消市場——這種金融工具可能會使再生農業聲名狼藉。與土壤碳掛鉤的抵消，由經紀人以及一些農業巨頭建立，支付農民採用對碳友好的做法。公司購買大部分抵消，以聲稱在實現“到2050年淨零排放”等減排承諾方面取得進展。

然而，這些抵消市場通常忽略與碳核算相關的陷阱，並且缺乏準確土壤碳測量所需的嚴格性。許多抵消市場規定，土壤取樣只需達到30釐米的深度，但研究表明，可靠的核算需要對作物的整個根系區域進行取樣，根系區域可能會延伸至一米或更深。一些市場還允許合同要求農民維持氣候友好型做法至少五年，之後可能不清楚碳儲存量是上升還是下降，更不用說上升或下降了多少。

一個很大的擔憂是，土壤碳抵消的好處，包括與覆蓋作物生物燃料原料相關的那些好處，最終可能會被證明是虛幻的，從而破壞淨零目標的完整性。當監管機構迎頭趕上時，這些抵消也可能鼓勵遊說以制定較弱的政府規則。“購買具有可疑核算方法的廉價土壤碳抵消的人有既得利益，要確保未來的法規不會降低其抵消的價值，”蘭迦納坦說。

事實上，這些市場也可能有助於延續當今主導農業的掠奪性文化。農民依靠農業綜合企業巨頭和化石燃料供應商提供燃料、肥料和種子等產品，並且他們難以維持生計，因為這些大公司佔據了農業的大部分經濟價值。如果農民還依賴這些公司的抵消計劃來彌補再生作物生產的價值，那麼這種平衡可能會進一步傾斜。

農業社群的倡導者反而呼籲徹底改革農業生態系統，以便向這些社群回饋更多——正如利利斯頓所說，這是一個“迴圈自然資源和經濟資源以建立更可持續和更有彈性的系統”的系統。

但徹底改革農業是一項艱鉅的任務。如果生物燃料的可持續性取決於如此根本性的變化，人們不禁要問，下一次新一代生物燃料的失敗是否不是更有可能的結果。

本文是《自然瞭望：迴圈經濟》的一部分，這是一份在谷歌的財政支援下製作的編輯獨立增刊。有關此內容。

參考文獻

1. Lark, T. J. et al. Proc. Natl Acad. Sci. USA 119, e2101084119 (2022).

2. Xu, H., Lee, U. & Wang, M. Renew. Sust. Energ. Rev. 134, 110144 (2020).

3. Field, J. L. et al. Proc. Natl Acad. Sci. USA 117, 21968–21977 (2020).

4. Field, J. L. et al. Front. Energy Res. 10, 837883 (2022).