利用意大利边际土地生产生物乙醇与生物甲烷的环境评估：以巨芦与芒草为例

《Biomass and Bioenergy》：Environmental assessment of giant reed and Miscanthus for bioethanol and biomethane production on Italian marginal lands

随着欧盟修订指令(EU/2023/2413)设定到2030年至少42.5%的能源消耗来自可再生能源的宏伟目标，寻找不与粮食生产竞争的可持续生物能源原料成为关键。本研究针对性地评估了在意大利北部（博洛尼亚）、中部（比萨）和南部（卡塔尼亚）边际土地上，种植两种非粮多年生能源草——巨芦(Arundo donax L.)与芒草(Miscanthus x giganteus)，并将其分别转化为生物乙醇和生物甲烷的从摇篮到工厂大门的全生命周期环境足迹。研究发现，农业阶段的环境热点主要为土地利用变化和人类致癌毒性，与每年的收割操作密切相关；而以能量单位(GJ)衡量，生物甲烷的环境表现优于生物乙醇，中部地区比萨的综合性能最佳。这项研究为利用边际土地发展可持续生物能源的长期环境绩效和政策制定提供了科学依据。

　　

在全球温室气体排放因不可持续的人类活动（尤其是对化石能源的需求及土地利用变化）而持续上升的背景下，减少对化石能源的依赖已成为各国政策的核心目标。可再生能源中，生物能源（源自有机材料，通常称为生物质）占据着重要地位，提供了全球超过6%的能源供应，并占可再生能源领域的55%。然而，生物能源的可持续性表现高度依赖于原料类型和来源。使用食用性（粮食作物）原料会加剧与粮食生产的“竞争”，而使用非食用性（木质纤维素）原料则成为一条更具前景的路径。但这种需求也可能加剧对土地和水资源的争夺，引发间接土地利用变化(iLUC)甚至森林砍伐，并推高粮食价格。

于是，“边际土地”进入了研究者的视野。这些由于土壤浅薄、侵蚀风险、盐碱化、肥力低下或缺乏灌溉和机械化等限制因素，而不适合传统农业的土地，成为了种植非粮能源作物的理想候选地。它们既能为生物能源生产提供空间，又能有效避免与粮食“争地”。在意大利，研究人员已开发出一个结合了结构性和经济性标准（如土地盈利能力、灌溉可用性、机械化可行性）的验证数据集来定义和识别边际土地。在这些土地上，多年生能源物种，如巨芦和芒草，因其在贫瘠、干旱或退化土壤上仍能保持较高生产力、且所需投入（如肥料）较少，而被视为最优的非食用原料。

尽管巨芦和芒草通过厌氧消化产甲烷和生物化学转化产乙醇的技术路线已经确立，但现有研究往往聚焦于单一转化途径或小规模试点，缺乏在不同环境、技术和作物之间可比的、全面的环境绩效评估。特别是将基于空间明确的作物模拟数据与全生命周期评估(LCA)相结合，以评估在真实边际土地约束下多年生能源草长期表现的研究，仍然罕见。

为此，来自意大利博洛尼亚大学农业与食品科技系的研究团队Cirone Francesco、Amadori Simone、Cappelli Giovanni、Ceotto Enrico、Monti Andrea和Matteo Vittuari在《Biomass and Bioenergy》期刊上发表了一项集成研究。他们巧妙地构建了一个方法框架：在顶部，是专门为巨芦和芒草校准的ARUNGRO作物过程模型，该模型以每日为步长，模拟了三种意大利省份边际土地上20年（从2024年至2044年）的作物生长、生物量积累及水分平衡；在底部，研究人员利用这些模拟输出的产量和农事操作数据，作为“从摇篮到工厂大门”LCA的前台清单，采用欧盟推荐的“环境足迹(EF) 3.1”方法评估了16个影响类别中的11个关键类别，并对比了生产每兆焦耳(GJ)能量的生物甲烷和生物乙醇的环境表现。

为了回答研究问题，研究人员主要运用了以下几个关键技术方法：

1. 1.
   空间明确的作物生长模拟：使用ARUNGRO过程模型，结合意大利全国500米分辨率网格的气候、土壤、边际土地分布及管理实践数据，模拟巨芦与芒草在博洛尼亚、比萨和卡塔尼亚三省边际土地上未来20年的雨养生物量产量。
2. 2.
   生命周期评估(LCA)建模：研究设定了两个功能单位——每兆克(Mg)干重生物量（评估土地效率）和每吉焦耳(GJ)能量（评估能源转化效率）。系统边界涵盖从根茎生产、田间种植、收割到生物质运输、转化为生物乙醇或生物甲烷的完整链条。
3. 3.
   环境足迹(EF)影响评估：采用EF 3.1方法，重点评估了包括气候变化(CC)、土地利用(LU)、人类致癌毒性(HT-c)、淡水生态毒性(EC)、酸化(AC)、各类富营养化(EU-f, EU-m, EU-t)以及不可再生能源消耗(ER)在内的11个环境影响类别。
4. 4.
   敏感性分析：针对结果中占比最大的土地利用(LU)影响类别，进行了一对一(OAT)敏感性分析，探讨了将土地转换终点从“不确定”改为“一年生作物”或“多年生作物”对结果的影响范围。

研究结果

3.1. 农业阶段的环境影响

以每兆克干重生物量为功能单位进行比较时，巨芦在博洛尼亚省的总体环境影响最高，这主要是由于该地区作物生产力相对较低。芒草则在博洛尼亚和卡塔尼亚省表现出较高的影响。总体而言，无论种植哪种作物，比萨省的边际土地环境表现最佳，因其拥有生产力最高的土地。

贡献分析显示，两种作物对环境的主要损害类别高度相似，这与它们相似的农艺技术和清单建模选择一致。最主要的总体环境影响贡献者是土地利用(LU)类别，这与土地被巨芦和芒草种植系统占用和转化有关。其次是人类致癌毒性(HT-c)类别，其主要源自田间操作（特别是每年使用收割机进行收割）的柴油消耗。对于巨芦，由于茎秆更大更硬，其在该类别的影响比芒草高出约20%。总体而言，由于芒草根茎数量更多、运输距离更远（从荷兰进口），其整体环境影响略高于巨芦。

3.2. 能源转化路线的环境绩效

在20年间，三省边际土地每公顷可累计生产约1.33×10⁵至1.70×10⁵千克生物乙醇，或2.11×10⁵至2.15×10⁵立方米生物甲烷。

当以每吉焦耳(GJ)能量为功能单位进行评价时，生物甲烷的环境表现全面优于生物乙醇。这主要是因为生物甲烷具有更高的能量转化效率，并且其生产过程（厌氧消化）不需要乙醇生产所必需的、能耗较高的蒸馏步骤。对于乙醇生产，主要热点影响类别包括不可再生能源消耗(ER)、人类致癌毒性(HT-c)、颗粒物形成(PM)和光化学臭氧形成(PO)。对于生物甲烷，主要热点是ER、HT-c和PO。

区域对比表明，比萨省是生产两种生物燃料的最佳区域，这归因于其较高的原料生产力。博洛尼亚省在利用巨芦生产时环境损害最大，因为其生物量和能源产量最低。卡塔尼亚省则在芒草生产上表现出更高的环境影响。

3.3. 土地利用类别的敏感性分析

由于在建模中使用了通用的“转变为未指定土地，意大利”过程，导致土地利用(LU)类别的结果存在较大不确定性。敏感性分析表明，如果将这一过程替换为“转变为一年生作物，意大利”或“转变为多年生作物，意大利”，LU相关影响最大可减少约65%。这表明，明确种植周期结束后的土地去向，对于准确评估该类别的环境绩效至关重要。

结论与讨论

本研究通过整合ARUNGRO作物模型与全生命周期评估(LCA)，系统评估了在意大利代表性边际土地上种植巨芦与芒草并转化为生物能源的环境可持续性。核心结论是：在农业阶段，土地利用变化和人类致癌毒性是主要环境热点，且与年复一年的机械化收割操作强相关。当比较最终能源产品时，生物甲烷在能量转化效率和单位能量环境绩效上明显优于生物乙醇。从地理上看，意大利中部（比萨）的边际土地因土壤和气候条件更优，展现了最佳的综合环境表现。

这项研究的意义在于：首先，它提供了一个将空间明确的动态作物模拟与标准化环境评估相结合的方法框架，提高了生物能源系统评价的内部一致性和可信度，尤其适用于受多种约束的边际土地情景。其次，研究结果直接回应了欧盟和意大利国家生物经济战略对生物能源可持续性的要求，为政策制定者提供了基于科学证据的决策支持，特别是在土地规划、作物选择和能源转化技术路线比选方面。例如，研究表明在边际土地上优先发展多年生能源草生产生物甲烷，可能是一种更高效、环境影响更低的生物能源策略。

研究也指出了当前模型的局限性，例如未考虑未来大气CO₂浓度升高对C_{3作物（巨芦）生长的潜在正面影响，以及未量化对生物多样性的影响（由于缺乏标准化评估方法）。未来研究可以扩展该框架，纳入更多作物种类、更长期的气候变化情景以及经济成本分析，从而为实现环境与经济双重可持续的生物能源系统提供更全面的路线图。总体而言，这项工作强调了利用边际土地生产非粮多年生能源草，作为平衡能源需求、粮食安全和环境保护的“最优解”之一的重要潜力。}