《Biomass and Bioenergy》：Bio jet fuel potentials in Europe from perennial grasses from abandoned cropland
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本文聚焦航空业深度脱碳难题，研究人员评估了在欧洲弃耕地上种植柳枝稷和芒草两种多年生草本植物，并通过费托合成（Fischer–Tropsch， FT）和醇制航煤（Alcohol-to-Jet， ATJ）两种技术路径生产可持续航空燃料（Sustainable Aviation Fuels， SAF）的潜力。研究发现，结合碳捕集与封存（CCS）的FT路径可实现最低的气候影响甚至负排放，但灌溉会显著增加国家水足迹。研究强调了在水资源可得性、生物多样性影响和区域环境约束的审慎考量下，利用边际土地生产SAF是减少航空排放的可行途径。
航空业是公认的“脱碳困难户”，它严重依赖高能量密度的液体燃料，而目前尚无成熟的商业化替代方案。更为棘手的是，航空业不仅排放二氧化碳（CO2），其排放的氮氧化物、烟尘和水蒸气等还会形成航迹云，这些非CO2辐射强迫的暖化效应同样显著。据统计，2019年全球航空业贡献了约3%的CO2排放和高达1700 Mt CO2e的非CO2影响。国际民航组织预测，若不采取有力措施，到205年国际航空排放可能达到2015年水平的三倍。为此，欧盟通过“飞行绿色协议”倡议设定了到2050年实现航空净零CO2排放的雄心目标。
可持续航空燃料（SAF）被视为实现这一目标的关键路径之一。然而，传统的生物能源作物可能与粮食生产竞争，加剧水和土地的稀缺性。因此，将目光转向边际土地，利用多年生草本植物（如柳枝稷和芒草）生产SAF，成为一种颇具前景且可持续的解决方案。这些植物具有高产、低投入需求、多年生根系等优点，适合在弃耕地上种植，能减少与粮食作物的竞争并减轻灌溉负担。
那么，在欧洲利用弃耕地种植这些植物生产SAF，其潜力究竟如何？不同的转化技术路径（FT与ATJ）结合碳捕集与封存（CCS）后，对温室气体排放、水资源和生物多样性的影响又有多大差异？为了回答这些问题，来自挪威SINTEF海洋研究所气候与环境系的Cristina Maria Iordan和Marjorie Morales在《Biomass and Bioenergy》期刊上发表了一项综合性研究。他们采用生命周期评价（Life Cycle Assessment, LCA）框架，系统评估了在欧洲弃耕地上种植柳枝稷和芒草，并通过FT和ATJ路径（各有/无CCS两种情景）生产SAF的潜力与环境表现。
为开展研究，作者主要运用了以下关键技术方法：1) 基于欧洲弃耕地可用性的空间明确数据（源自文献N?ss et al.）和特定区域的芒草与柳枝稷产量及环境评估清单（源自文献Iordan et al.），来估算SAF的潜在供应量。2) 使用生命周期评价（LCA）方法，以1兆焦（MJ）航煤的生产和燃烧为功能单位，量化从种植、转化到燃烧的全过程环境影响，系统边界涵盖地面和高层大气排放。3) 评估了多种环境影响指标，包括使用全球变暖潜势（GWP20, GWP100）和全球温变潜势（GTP100）等指标量化气候影响；使用AWARE方法评估水资源稀缺足迹；并采用推荐的特征化因子（CFs）量化由温室气体排放、土地利用和水消耗导致的生物多样性损失。4) 通过建模分析不同情景（雨养与灌溉、有无CCS），对比FT和ATJ两种转化路径的环境表现。
欧洲可持续航空燃料潜力
研究首先评估了欧洲弃耕地生产SAF的潜力。结果显示，在雨养条件下，欧洲弃耕地种植柳枝稷和芒草的年生物质潜力分别为1.74亿吨和0.6亿吨干物质；若采用灌溉，潜力分别增至3.69亿吨和2.05亿吨。将这些生物质转化为航煤，柳枝稷的ATJ路径在雨养和灌溉条件下可分别提供1.02 EJ和1.92 EJ的燃料，分别覆盖了欧盟2019年航煤消耗量的约50%和95%。芒草的潜力相对较低，FT路径在雨养和灌溉条件下可分别提供0.3 EJ和1.02 EJ燃料。这表明，尤其是在灌溉情景下，柳枝稷具有满足欧盟未来大部分SAF需求的巨大潜力。
欧洲和全球气候影响
研究全面评估了不同路径的气候影响。结果表明，转化路径、原料和水管理策略的选择强烈影响净温室气体排放。
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短期影响（GWP20）：航迹云（CC）是短期气候变暖的主要贡献者。在芒草的灌溉情景中，使用全球指标计算的GWP20结果范围在71 g CO2e/MJ（FT_CCS最小值）到829 g CO2e/MJ（ATJ最大值）之间；使用欧洲区域指标时，范围降至50-524 g CO2e/MJ。
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中长期影响（GWP100与GTP100）：随着时间尺度延长，化石CO2排放的主导作用增强。结合CCS的FT路径实现了最低的气候影响，在雨养条件下甚至可以达到负排放。例如，柳枝稷雨养+FT_CCS路径的GTP100结果可低至-5 g CO2e/MJ。
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路径对比：总体而言，FT路径（尤其结合CCS时）的气候表现优于ATJ路径。这主要得益于FT过程能更高效地转化碳，且其高浓度CO2气流更易于捕集。
生物多样性损失影响
研究量化了由温室气体排放、土地利用和水消耗三条途径导致的生物多样性损失潜力。
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温室气体途径：结果显示，海洋物种受到的潜在影响最大，这主要是因为所采用的表征因子显示海洋类群对气候变暖高度敏感。FT路径因其温室气体排放较低，对生物多样性的影响普遍小于ATJ路径。柳枝稷路径的影响也普遍低于芒草路径。在RCP8.5高变暖情景下，生物多样性损失的影响显著高于RCP2.6情景。
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土地利用途径：雨养情景下的生物多样性损失影响高于灌溉情景，这是因为雨养条件下作物产量较低，生产单位能量燃料需要占用更多土地，从而增加了土地转化压力。不同国家间的影响差异巨大，可达数个数量级，这反映了各国土地转化对物种影响的特征化因子存在显著差异。
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水消耗途径：灌溉会显著加剧生物多样性损失，特别是在水资源本就脆弱的地区。研究计算的国家水足迹显示，在已有水资源压力的地区进行灌溉，其影响尤为突出。不同国家间的影响范围同样很广，这取决于当地的流域水文环境和物种对流量减少的敏感性。
结论与讨论
本研究综合评估表明，在欧洲弃耕地上利用多年生草本植物生产SAF具有巨大的供应潜力，特别是柳枝稷的ATJ路径，在灌溉条件下可满足欧盟2019年高达95%的航煤需求。然而，实现环境效益最大化需要审慎的路径选择和区域规划。
核心结论：1. 技术路径选择至关重要：费托合成（FT）路径，尤其是与碳捕集与封存（CCS）技术结合时，能够实现最低的气候影响，甚至在长期尺度上达到负排放，是深度脱碳的最优选择。醇制航煤（ATJ）路径虽然燃料产量潜力更高，但其气候效益相对较低。2. 非CO2效应不可忽视：航迹云（CC）等非CO2强迫物在短期气候影响中占主导地位，这提示航空减排政策需要采用多指标方法，同时关注短期和长期气候效应。3. 水管理是环境可持续性的关键：灌溉能大幅提高生物质产量和SAF潜力，但会显著增加国家水足迹，特别是在水资源稀缺地区。雨养栽培可以缓解水资源压力，但其产量较低，会导致更大的土地利用变化影响。因此，水资源的可利用性是决定SAF项目选址和可行性的关键限制因素。4. 生物多样性影响需纳入综合评估：SAF生产通过温室气体排放、土地利用和水消耗三条途径影响生物多样性。评估显示，影响存在显著的国别差异和路径差异，强调了基于区域的精细化环境管理必要性。
研究意义：这项工作超越了仅关注温室气体减排的传统生命周期评价，将水资源稀缺、生物多样性损失等多重环境维度纳入统一框架，为决策者提供了更全面的SAF环境效益与代价评估。它明确指出，没有“一刀切”的最优解决方案。在欧洲推动SAF规模化发展，必须根据具体国家的土地可用性、水资源状况、电网碳强度以及基础设施条件，因地制宜地选择原料和转化技术。研究结果支持这样的策略：在水资源丰富的地区，可优先考虑高产的灌溉+ATJ路径以快速提升SAF产量；而在追求最大气候效益和水资源敏感地区，则应重点发展雨养+FT_CCS路径。最终，通过精心设计的、多目标优化的SAF部署方案，方能在不损害其他关键环境指标的前提下，有效推进航空业的深度脱碳。
