研究人员挑战自然保护区计划的现状以减少化石燃料

高级生物能源和生物产品创新中心 (CABBI) 的研究人员发现，将参加自然保护区计划 (CRP) 的土地转变为生物能源农业对美国土地所有者、政府和环境都是有利的。

加入 CRP 的土地目前不能用于生物能源作物生产，其中高产植物(如芒草和柳枝稷)被收获以转化为可销售的生物产品，取代化石燃料和煤炭能源。CRP 由美国农业部于 1985 年成立，旨在激励土地所有者让环境退化的农田退耕，以农业生产力换取原生栖息地，并接受政府每年支付的报酬。

随着世界变暖和人口爆炸式增长，全球对粮食生产的需求与受极端气候条件威胁的农业生产力下降相矛盾。因此，为高产能源生物质分配 CRP 土地可能会消除生物能源作物和粮食作物争夺空间的需要。

由 CABBI 可持续发展主题负责人 Madhu Khanna 和博士领导的团队。学生 Luoye Chen 开发了一种综合建模方法来评估将美国东部的 CRP 土地转变为多年生生物能源作物的可行性。他们的论文于 2021 年 1 月发表在《环境科学与技术》上，证实只要满足某些关键条件，土地利用转型确实是可行的。

“作为更安全、更可持续的生物经济的支持者，我们必须优先考虑取代化石燃料，”同时也是伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校可持续发展、能源和环境研究所 (iSEE) 代理主任的 Khanna 说。“作为科学家，我们有责任采取深思熟虑、创新的方法来减少温室气体排放，以证明从长远来看是有益的。

“交通和电力部门正在寻求扩大生物能源生产，农业部门也必须这样做。这需要一个生物能源农田和粮食农田共存而不是竞争的计划。”

CABBI 团队采用综合方法来权衡将 CRP 现状(未开垦面积)换成生物能源的成本和收益，将生物燃料和环境政策分析模型 (BEPAM) 与生物地球化学模型 DayCent(Daily Time Step Version of世纪模型)。

BEPAM 评估净盈利能力，回答关键问题：什么样的经济条件会激励 CRP 土地所有者转向生物能源农田?作为 BEPAM 的环境对比，DayCent 模拟了过渡对给定县的完整生态系统影响，提供了对未来的“先睹为快”，并揭示了这种土地利用变化可能如何影响作物产量、养分交换和土壤固碳。

本研究的一个关键组成部分是汇总来自两个模型的数据，以制定温室气体 (GHG) 生命周期评估，该评估计算整个过程(从种植的物理行为到引入清洁能源)减少的温室气体总量进入生物经济。

“完整的生命周期评估确实是理解我们研究的大局结果的关键，”陈说。“我们考虑了一切——实际种植和收获原料的过程、土壤中的碳封存，以及最终我们将用生物燃料取代化石燃料，用生物电取代煤基电力这一事实。

“牢记这一最终结果将其他一切都锚定在对环境产生积极影响的最终目标上。”

该团队得出结论，从 2016 年到 2030 年，将 340 万公顷的 CRP 土地转化为生物能源在经济和环境上都是可行的——在某些条件下。

从经济上讲，如果生物质的市场价格很高并且政府继续分配适当的 CRP 土地租金，那么所有系统都会“运行”。这些因素在理想情况下可以起到平衡作用：如果生物质价格下降，大量的土地租金可以减轻农民的财务压力并鼓励他们继续致力于生物能源;或者，飞涨的生物质价格将使政府宽松的支持合理化，从而节省纳税人的钱。该团队确定了两个理想的配对：1)土地所有者获得 100% 的原始政府付款，并以 75 美元/公吨的价格出售生物质;或 2) 土地所有者收到 75% 的原始付款并以 100 美元/公吨的价格出售生物质。理想情况下，双方都会受益。

将 CRP 土地转化为生物能源也可以节省大量温室气体。先前的研究表明，在投资初期，芒草和柳枝稷的种植年限内，可能会产生大量的“土壤碳债”。然而，考虑到上述完整的生命周期评估，研究小组确定，用生物产品取代化石燃料和煤炭能源的长期影响足以弥补这一暂时损失。

考虑到来自生物质销售的土地所有者收入、为维持现有 CRP 注册而节省的政府支出以及通过替代化石燃料缓解温室气体的货币化收益(使用“碳的社会成本”量化)，将 CRP 土地转化为生物能源的总净值在 2016-2030 年期间，可能高达 280 亿至 1250 亿美元。