国外生物质燃料土地利用变化的发展现状及经验借鉴*

陈 卓 李学琴 王志伟 雷廷宙 刘 鹏 杨树华

（1. 华北水利水电大学管理与经济学院，河南 郑州 450046; 2. 常州大学城乡矿山研究院，江苏 常州213164；3. 河南工业大学环境工程学院，河南 郑州 450001；4. 河南省科学院，河南 郑州 450008）

在能源短缺和环境污染的双重压力下，作为唯一的可再生碳源，生物质的高效利用是解决能源与环境问题的纽带。生物质燃料以清洁、低碳、可再生性等优势逐渐成为重要的替代能源之一[1-2]。截至2020年8月，美国、欧洲、巴西和印度尼西亚的生物质燃料价格较2019年的平均价格上涨了70%~150%。相比之下，同期原油价格上涨了40%。根据《2021可再生能源分析与预测》，2026年全球对生物质燃料的年需求量将增长28%，2060年生物质燃料的需求将上升到近17 EJ/a。生物质燃料在发电供热、交通运输、脱碳减排方面将发挥至关重要的作用，肩负着实现生命周期温室气体（Greenhouse Gas，GHG）减排的特定目标。然而，生物质燃料引起的土地利用变化不容忽视，土地利用变化主要包括直接土地利用变化（Direct Land-Use Change，DLUC）和间接土地利用变化（Indirect Land-Use Change，ILUC)[3]。DLUC是将某些其他土地利用类别转换为生产生物能源作物的土地，从而降低环境成本和增加效益；可通过每单位生物质能源生产所消耗的资源和每单位土地的原料产量获得。而对生物质原料产生额外的需求时，ILUC就会产生；它高度依赖于不同作物和地点产量之间的相互作用，以及需求和供应之间替代的可能性[4]。所以，生物质燃料的土地利用变化的评估是极有必要的[5-6]。

通过Web of Science、CNKI、万方等数据库以“land use change、土地利用变化”为主题词搜索时发现，美国是该领域最具有学术权威的国家且研究热点与“生物质燃料、气候变化”等学科相关。我国在生物质燃料的土地利用变化、土地利用变化与温室气体排放等方面的研究较少。因此，本文通过概述巴西、美国、欧洲等国家或地区在生物质燃料土地利用变化方面的发展概况以及总结近年来我国能源结构及占比，深入分析我国生物质资源潜力及土地利用情况，并提出评估生物质燃料土地利用变化的建议，为大力促进生物质燃料的发展提供参考。

1 国外生物质燃料土地利用变化发展现状

1.1 巴西

随着畜牧集约化的发展，巴西自然和人工牧场的比例发生了显著变化，变化后的牧场减少了大约60%的CO2排放，并为生产生物质燃料提供了大量的原料来源；同时减少了将自然区域转变为牧场的压力[7-8]。在农业种植结构中，为了缩短夏季大豆收获和玉米种植之间的时间而提高玉米的产量。玉米一茬和二茬种植面积的年增长率分别达到了12.8%和14.9%，第二茬玉米产量的增长完全弥补了第一茬玉米产量的下降。这就表明第二茬玉米对价格、市场和土地利用变化都非常敏感。甘蔗是巴西最适合生产生物乙醇的作物，近年来甘蔗种植面积稳步增长（图1），也产生了积极的溢出效应并提高了以每公顷产量为衡量标准的粮食生产率。甘蔗的产量对再植投资非常敏感，尽管重新种植的投资较大，但第一次收割的甘蔗产量几乎是第五次收割的两倍（图2）。因此，将粮食生产和畜牧业结合起来的综合系统不仅能使农作物产量明显增加，提高农民的收入水平，而且还恢复了牧场的容量、减少了污染物排放，为发展新农业提供了催化剂。

图1 2009—2016 年甘蔗种植面积Fig.1 Sugarcane planted area from 2009—2016

图2 2007—2014 年甘蔗产量Fig.2 Sugarcane production from 2007—2014

1.2 欧洲

Aoun等[9]利用生命周期模型分析了法国生物质燃料土地利用变化的影响并确定了生物质燃料的来源途径和LUC类型，表明GHG平衡对土地利用变化具有高度敏感性，但无法就GHG排放方面的相关影响作出结论，因此无法估计全球土地利用变化系数[10]。Laborde等[11]使用经济模型评估了第一代生物质燃料的消费模式，影响因子以DLUC+ILUC系数表示（图3）。Marelli等[12]对相同的原料、生产区域、生物质燃料的土地利用变化进行了评估，与Laborde的研究内容不同的是，该项研究将某些作物归类为一年生或多年生植物，对某些土壤（如泥炭地）使用最新的排放因子以及对土地进行更精细的分类。Edwards等[13]比较了不同经济模型分析的生物质燃料土地利用变化的结果，其直接和间接LUC系数如图4所示。表1汇总了不同生物质燃料LUC的研究结果。与经济性研究相比，基于LCA的土地利用变化的相关研究较少。

图3 文献的LUC系数Fig.3 LUC coeきcients of reference

图4 文献的LUC系数Fig.4 LUC coeきcients of literature

表1 不同生物燃料土地利用变化系数Tab.1 Land use change coeきcients for diあerent biofuels

1.3 美国

Mosnier等[18]分析了美国生物燃料和全球温室气体排放，主要包括了土地利用变化、作物管理和农作物产量；获得了基于RFS2（Renewable fuels requirement）基线的五种生物燃料政策情景下的净出口量（图5）。其中，玉米产量从2010年1.24亿t增加到2020年1.45亿t，大豆产量从18亿t增加到26亿t。如果不考虑副产品的回报，在2030年这个数字将占全球玉米（12%）和大豆（11%）需求的一大部分。此外，巴西在2030年出口到美国的乙醇占其乙醇总产量的16%，相当于其甘蔗产量的13%。2010—2030年，由于对生物能源及食品和饲料的额外需求，美国玉米产量增加了23%，其新增产量的2/3流向了国内市场，1/3流向了国际市场，美国仍是最大的玉米出口国，这就导致了国际上土地利用之间的竞争。

图5 2020 年美国RFS2 基线的五种生物燃料政策情景下的净出口量Fig.5 U.S. net exports in five biofuel policy scenarios relative to the RFS2 baseline in 2020

美国土地利用变化是由开发土地和短期轮作种植园的扩张推动的。为了实现生物能源的发展目标，在2010—2030年农业用地总量减少了10%，其中玉米面积减少了约13%，小麦面积减少了约16%，大豆面积减少了约14%。由于美国开发的短轮植林所产生的额外碳汇抵消了森林和草地向发达土地转变的排放，美国作物管理的排放量趋于减少，但畜牧业的排放量将在2030年增加24.5%。由此产生的农业温室气体排放量和土地利用变化在2010—2030年保持相对稳定。因此，随着生物燃料替代化石燃料，温室气体净排放量会逐渐减少。

1.4 其他

Garrain[19]从间接角度量化了全球能源作物土地面积和后续ILUC方面的环境影响。Lechon[14]对生产原材料的土地可用性进行了分析并量化了DLUC和相关GHG的系数。Borjesson等[20]从面积和能源效率、温室气体和富营养化等方面分析了北欧农作物的生物燃料，结果表明土地利用的直接变化对所有生物燃料的温室气体平衡和富营养化有重大影响。Gbadebo等[21]提出了改善生物燃料政策对土地利用影响至关重要。Julie等[22]提出应该增加对土地利用依赖较小的生物质原料的种植面积、降低原料的土地利用变化风险、刺激投资进而提高土地生产力和环境保护。

在生命周期评价和建模分析方面，Amber等[23]认为随着监管政策的演变，ILUC的评估应该被纳入生物质燃料的生命周期评价中。Diogo等[24]提出了基于理论的建模方法，Schaldach等[25]模拟了土地利用变化并阐述了人类住区、生物质燃料生产和粮食生产等土地使用活动之间的竞争。Lorenzo等[26]分析了生物燃料政策下的ILUC的方法，结果表明预防性方法在有效性和利益相关者的可接受性方面似乎是最佳的选择。Goldemberg等[27]指出环保政策计划是推动生物燃料生产和使用向可持续性方向发展的关键，Martin等[28]在讨论欧洲能源战略实施和稳定性的潜在影响时特别强调了一些不确定性在评估生物质系统性能中的作用。

2 我国生物燃料土地利用变化现状

2.1 我国能源和生物资源概况

2.1.1 能源概况

随着经济的快速发展，我国能源生产呈现不同的发展趋势。2019 年原煤、原油生产持续下降9.2%和1.6%，天然气生产占比提升1.6%[29]。从图6 可知，2015 年我国总发电量中煤电占比较大，生物质能发电占比1%左右；到2020 年底，我国可再生能源发电装机总规模达到930 GW，占总装机量的42.4%。其中生物质能发电为2 952 万 kW，占比达到2%，连续3 年稳居全球首位。从能源消费结构看，煤炭仍处于主体地位，石油和天然气对外依存度高，清洁能源消费占比在持续提升（24.3%）[30]。据2020 年《BP世界能源统计年鉴》，2019 年我国一次能源消费总量居于世界首位，但仍需提升以生物质能为主的可再生能源的占比。

图6 2015 和2020 年我国能源的发电情况[30-31]Fig.6 Power generation of energies in 2015 and 2020

生物质来源于林业、农业资源、生活污水和工业有机废水、城市固体废弃物和畜禽粪便等五大类[31-32]。可通过热化学法（热解、气化、液化）转化成固体、液体和气体燃料，集中利用在发电、供热和运输等领域[33]。从不同国家近几年不同技术的研究发文量来看（图7），中国在生物质热解、气化、液化技术方面的发文量位居第一；在热解和液化技术方面，中国的贡献率超过50%[34]。乙醇汽油E10 全覆盖目标等使得生物质基车用燃料技术行业需求和市场潜力增大，对增强我国能源安全、减少原油进口具有重要的战略意义[35]。

图7 不同国家生物质技术发文量Fig.7 Biomass technology issued in diあerent countries

2.1.2 生物质资源

中国作为农业大国，农作物秸秆长期以来被当作废弃物随意处置或大面积焚烧，造成严重的环境污染[36]。以中国统计年鉴（2011—2021年）中农产品产量为基础，估算了我国近年来生物质资源潜力[37]，如图8。由图8可知，近年来我国生物质资源量及潜力巨大，2020年生物质资源量为109 847万t。但是各地区农作物秸秆分布不均衡，高产地区主要分布在中部和东部地区[38]，这与农业种植结构、地域面积、土地状况和区域气候条件等因素有关[37]。从全国范围看，生物质资源产量的分布呈现由西北向东南逐渐增加的趋势。

图8 2015—2020 年我国生物质资源量Fig.8 Biomass resources in China from 2015—2020

2.1.3 农作物种植面积

图9显示了我国2020年不同农作物的种植面积。由图9可知，2020年我国农作物总播种面积为167 487 khm2，全年粮食种植面积116 768 khm2，比上年增加70 khm2；玉米是我国种植面积最大的粮食作物。不同地区的农作物播种面积差异较大，但总体上以粮食作物中玉米、水稻、小麦为主。从2019年分地区土地利用情况来看（图10），中国种植业结构发生了显著变化，生物能源占用耕地面积较大，发展趋势迅猛[39]。

图9 2015—2020 年我国农作物播种面积Fig.9 Crop sown area in China from 2015—2020

图10 2019 年我国分地区土地利用情况Fig.10 Land use in China's sub-regions in 2019

2.2 我国生物燃料发展现状

据测算，2019 年，我国油料消费中棕榈油占9%，大豆油占49%，菜籽油占25%，棉籽油占3%，花生油占9%，葵花籽油占l4%，其他占1%[38]；生物柴油产量上升至120 万t[36-37]。2020 年我国现有燃料乙醇产能为322 万t，对汽油的替代规模逐渐加大[40]。随着全球航空运输燃料需求的不断增加及航空碳税任务的加重，大力发展生物质航空燃料等可替代能源，减小对化石能源的依赖程度，走可持续发展之路意义重大。我国作为航空运输大国和化石能源进口大国，生物质燃料的研究和推广应用需求迫切，预计到2030 年生物质液体燃料使用量超过2 500 万t，减排约1.8 亿t；到2060年，生物质供能占比高达30%[41]。生物质燃料是未来降低航空排放水平、实现化石能源替代最直接、最有效的原料来源。

2.3 我国生物燃料的土地利用现状

随着生物质能的快速发展，能源作物占用耕地面积不断增加。付晶莹等[42]以3 种主要原料作物（燃料乙醇原料甜高粱、木薯和生物柴油原料油菜）为研究对象，评估了非粮糖料、淀粉能源作物和油料能源植物发展的边际土地。研究表明，木薯生产燃料乙醇的能量效益、环境影响和经济性都优于甜高粱，且木薯种植的宜能荒地资源更集中，也节约了运输成本。然而，生物燃料的持续扩张将不仅对农产品价格产生较大的压力，还会对环境和温室气体排放产生重大影响，但影响程度与生产方式及其导致的土地利用变化的情况密切相关[43]。孟海波等[44]在综合考虑能量平衡、污染物排放、土地、水资源成本等各种因素的基础上，利用生命周期理论研究了生物液体燃料可持续评价系统。但该研究并没有考虑到生物燃料引起的土地利用变化对农产品价格、温室气体排放等方面的影响。Lei等[45]在评价土地利用对地下生物量积累的影响时发现，原草地上种植的多年生作物具有较高的根系生长力，而在原农业用地上种植玉米的根系生产力最低。不同能源作物生产生物质燃料时产生的副产品及其对土地利用变化的影响如表2 所示。

表2 生物燃料及副产品对土地利用的影响[46]Tab.2 Impacts of biofuels and by-products on land use

3 国外生物质燃料土地利用变化对我国的启示

3.1 加强生物质燃料技术的基础性研究及政策引导

加大对生物质燃料的基础性研究支持力度，推进具有自主知识产权的技术开发，力争在未来航空燃油替代中占领制高点。重点针对生物质能源作物优良品种的繁育、农作物种植用地的选择及种植面积的规划、资源的收-储-运体系、原料供应等；生物质资源高能效低、能耗转化为液体燃料，包括：燃料乙醇和生物柴油、生物质燃料的精炼和提纯等过程。

我国“十三五”期间生物质能的相关政策较多，如《生物质能发展“十三五”规划》《关于促进生物质能供热发展的指导意见》《关于开展秸秆气化清洁能源利用工程建设的指导意见》《关于促进生物天然气产业化发展的指导意见》等，这些文件都明确了支持生物质能产业的发展[30]，但对生物质燃料的具体指导性文件需要精细化，进一步明确生物质燃料生产和消费的需求或目标、技术标准与产业体系、生物质燃料使用的排放标准、生物质燃料性能的参数及定价等。

3.2 提高农业生产力是进一步发展生物燃料的条件

以生物质能为代表的清洁能源是继全球石油危机爆发后受重视程度最大的能源。根据国际可再生能源机构的数据显示，2017 年世界生物燃料产量达到8 412 万 t油当量，同比增长3.5%。其中，全球燃料乙醇产量增长贡献超60%，生物质能产业达到前所未有的高度。《关于积极发展现代农业扎实推进社会主义新农村建设的若干意见》指出：以生物能源、生物基产品和生物质原料为主要内容的生物质产业，是拓展农业功能、促进资源高利用的朝阳产业。加快生物质产业技术研发、示范、储备和推广，组织实施农林生物质科技工程；鼓励有条件的地方利用荒山、荒地等资源[47]。而用于种植生物燃料原料的边际土地的可用性和适用性仍在争论中。

3.3 重视生物质燃料发展对农产品价格及环境的影响

从理论上讲，生物质燃料的发展会为农业资源开辟新的市场，从而改变传统农产品市场的供求关系。从供给方面来看，在耕地资源既定的条件下，由于能源作物原料需求增加和价格上涨，诱使更多的土地种植能源作物，减少其他粮食作物的种植与供给，进一步推动其他粮食价格的上涨；从而产生土地利用的变化[48-51]，正如前文所述，主要体现在用于生产生物燃料的能源作物取代粮食作物导致的DLUC和ILUC。从需求方面看，生物质燃料产业的迅速发展，对玉米、大豆等作物的需求迅速增加，从而推动了全球范围内粮食和其他农产品价格的整体上涨[52]，影响农民在种植结构方面的决策。因此，生物质燃料发展对农产品价格及环境影响应引起高度重视。

3.4 开发适合我国生物质燃料间接土地利用变化评估的模型

生物质燃料是未来降低污染物排放、替代化石能源最有效的手段。但生物质燃料引起的DLUC很难估算。国外研究者多采用模型进行评估，但是不同模型及相同模型的分析结果差异均较大。截至目前，没有更好的方法来确定生物质燃料在农田演变、作物管理和土地利用变化中的影响。因此，须依据我国的国土面积分布，探索适合生物质燃料间接土地利用变化的模型和方法。由于畜牧业集约化是直接影响间接土地利用变化的因子，因此我国在评估生物质燃料引起的土地利用变化时可参考巴西生物质燃料的评估方法。

4 结语

国外在生物质燃料与土地利用变化方面的研究较多且借鉴性较强。本文通过概述国外生物质燃料土地利用变化的发展现状发现，生物质燃料生产和消费导致了农业用地的扩大以及农作物和农业活动内土地的重新分配。我国生物质资源潜力巨大且占用耕地面积较大，尤其是生物质燃料原材料的分布与农业种植结构、地域面积、土地状况和区域气候条件等因素有关。生物质燃料引起的土地利用变化影响较大，但针对目前存在的问题，已有研究仍然不足。

未来，我国应借鉴国外生物燃料间接土地利用变化方面的评估经验，因地制宜，加强生物质燃料技术的基础性研究，重视生物质燃料间接土地利用变化的影响，开发适合我国生物质燃料间接土地利用变化的评估方法并出台相关的支持性政策，加大对多元生物质资源的开发利用技术，提高农业生产力，不断优化能源结构，加强环境保护，促进绿色经济的可持续发展。