生物燃料对于气候保护来说，可能是个错误

本文的作者约翰·德奇科（John DeCicco）系美国密歇根大学教授，他对于生物燃料是否碳中性的问题做了一系列的研究，这项研究得到了密歇根大学能源所的支持。

大豆和玉米是两种在美国种植最广泛的农作物，也是用来制造生物燃料的主要原料。图片来源：www.shutterstock.com

自1973年石油输出国组织（OPEC）搞出的石油禁运以来，美国的能源政策一直在寻找石油燃料的替代品。一种较好的选择是使用生物燃料，如用乙醇代替汽油和生物柴油代替普通柴油。

交通运输所产生的气体排放占美国温室气体排放量的四分之一，因此解决这部分的影响对保护气候至关重要。

许多科学家认为生物燃料是天生的碳中性能源：他们假设，植物在生长完全时所吸收的二氧化碳将能与将该植物作为生物燃料燃烧所产生的二氧化碳完全抵消，或者“中和掉”。多年来的电脑建模都是基于这种假设，包括美国能源部开展的工作，而得出的结论是使用生物燃料替代汽油可以显著减少交通运输的二氧化碳排放量。

我们的研究用一种新的视角审视这个问题。我们检查了农作物的数据用来评估，农场中吸收的二氧化碳是否能与生物燃料燃烧所产生的二氧化碳取得平衡。事实证明，如果考虑到使用不断生长的原材料作物以及生物燃料的生产过程，生物燃料事实上会增加二氧化碳的排放。

生物燃料的热潮，气候保护的失误

自20世纪70年代以来美国联邦政府及各州的政策都对玉米乙醇进行补贴，但生物燃料获得支持是在2001年9月11日恐怖袭击后为了促进能源独立以及减少石油进口。2005年，美国国会颁布了可再生燃料标准（RFS），它要求燃料炼油厂在2012年将75亿加仑乙醇混入汽油（作为比较，在当年美国人所用汽油为1330亿加仑）。

2007年，在一些主要的环境组织支持下，国会大幅加强了可再生燃料标准计划。而新的标准是美国年度可再生燃料消耗量的三倍以上，从2005年的41亿加仑到2015年的154亿加仑。

美国的生物质能消耗量从2002年到2013年增长了超过百分之六十，绝大部分是由于增加生物燃料的产量。图片来源：能源情报署

研究调查了2005-2013年可再生燃料用量飞速增长期间的数据。我们并没有假设生产及使用生物燃料是碳中性的，只是精确地比较二氧化碳在农田中的吸收量以及在生产及使用生物燃料时的释放量。

作物生长确实会从大气中吸收大量的二氧化碳。需要证明的问题是，在玉米发酵成为乙醇以及生物燃料燃烧时产生的二氧化碳，是否能被作物及时抵消。

大部分被制成生物燃料的作物在该时期已经被培育了很久；主要的变化是，农民更多地将他们的收成卖给生物燃料制造者，少量成为食物以及动物饲料。一些农民扩大玉米以及大豆的生产，或者将其他收益较少的作物换为这些产品。

但只要生长条件保持不变，玉米植物将以同样的速度从大气中吸收二氧化碳，而不管这些玉米怎样被使用。因此，为了正确评估生物燃料，我们必须对所有农田二氧化碳的吸收进行评估。毕竟，玉米的生长是从大气中吸收二氧化碳的“海绵”。

当我们进行这样的评估时，我们发现，从2005年到2013年，美国农田累计的碳吸收量增加了4900万吨。而大部分其他农田作物的种植面积在此期间有所下降，因此二氧化碳吸收量的增加可以在很大程度上归因于种植生物燃料作物。

不过与此同时，生物燃料的发酵以及燃烧所释放的二氧化碳增加了1.32亿吨。因此，从2005年到2013年作物生长的碳吸收量只抵消了生物燃料37%的碳排放量。换句话说，生物燃料根本就不是碳中性的。

碳流动和“大气浴缸”

这个结果与使用生物燃料的初衷相矛盾。为了更容易地理解其原理，可以将大气想象成充满二氧化碳的浴缸。

地球上的很多活动会增加大气中的二氧化碳，就像水从水龙头流入浴缸一样。其中最大的来源是呼吸：碳是生命的燃料，所有的生物通过“燃烧碳水化合物”来推动新陈代谢。燃烧乙醇、汽油或者其他碳基的燃料会开大二氧化碳的“水龙头”，并比自然代谢过程更快地增加大气中的碳。

另外一些活动可以去除大气中的二氧化碳，就像水从浴缸中流走。在工业时代之前，植物生长所吸收的二氧化碳足够多，可以抵消植物和动物呼吸排入大气中的二氧化碳。

不过如今，大部分由于化石燃料的使用，我们将二氧化碳排入大气的速度比自然消化的速度要快得多。结果就是，二氧化碳的“水位”在大气浴缸中快速升高。

大气中二氧化碳的浓度，由夏威夷的莫纳罗亚天文台记录。该曲线呈锯齿状，因为二氧化碳水平每年会随植物生长周期轻微上升和回落。图片来源：斯克里普斯海洋研究所

当生物燃料燃烧时，同样能量单位所释放的二氧化碳量与石油燃料相当。因此，使用生物燃料取代化石燃料并不能改变二氧化碳流入大气浴缸的速度。为了限制大气中二氧化碳水平的增长，生物燃料生产必须打开二氧化碳的排水口——也就是，必须要加快大气中排除碳的净速率。

通过取代其他农作物，种植更多的玉米和大豆可以将二氧化碳的“排水口”开得更大。特别是玉米，它可以更多地从大气中吸收碳，大约是每英亩两吨，比其他大部分农作物都快。

尽管如此，用于生产生物燃料而扩大生产的玉米和大豆仅能抵消37%燃烧生物燃料所产生的二氧化碳。此外，在生产生物燃料过程中，例如发酵、农场经营以及燃料炼制还会产生其他的温室气体，这远远不能被抵消。再有，当农民将草原、湿地以及其他储存大量碳的生态环境改造成农田时，也会释放大量的二氧化碳。

错误的模型

我们的最新研究引发了争议，因为它与许多先前的分析相矛盾。这些研究使用的方法称为生命周期分析（LCA），其中包括生产及使用某一产品所产生的所有温室气体。其结果俗称为产品的“碳足迹”。

LCA被用来证明和管理可再生燃料政策，它仅仅评估二氧化碳的排放量，而不能评估生物燃料的生产是否可以加速农田对大气中二氧化碳的消除速率。相反，LCA只是简单的假设，由于像玉米以及大豆这种作物每年会重新生长，它们自然能消除与生物燃料燃烧时所产生同样多的碳。这个关键的假设被硬编码到LCA的计算机模型中。

内华达州、爱荷华州的林肯路能源乙醇厂。图片来源：photolibrarian/Flickr

不幸的是，LCA是可再生燃料标准以及加利福尼亚州低碳燃料标准的基础（该州雄心勃勃的气候行动计划中的一个关键要素）。它也被用于其他的机构、研究所以及对交通运输燃料感兴趣的企业中。

我曾一度接受了生物燃料是天生碳中性的这一观点。二十年前，第一篇论文为了燃料政策建议使用LCA，而我是这篇论文的主作者。经过许多研究，引用了多个文献，这篇汇总型的分析被发表在2006年的《科学》杂志上，它表示使用玉米乙醇比起石油汽油可以显著降低温室气体排放。

然而，其他学者担心，大范围种植能源作物可能会改变土地用途。在2008年初，《科学》杂志刊登了两篇著名的文章。一篇描述了生物能源作物如何直接取代了富碳的自然环境，比如草原。另外一篇表明了种植用于生物燃料的作物所产生的间接破坏性影响，比如由于农民争夺肥沃土地所导致的森林砍伐。

LCA的后续开发者将他们的模型做得越来越复杂用以确认燃料生产的影响。但由此产生的不确定性却如此之大，以至于它已经不可能确定生物燃料是否可以帮助改善气候。2011年，国家研究理事会在可再生燃料标准的报告中得出的结论是，基于农作物的生物燃料，如玉米乙醇，“还没有被最终证明可以减少温室气体排放，并实际上可能会使其增加。”

这些不确定性促使我开始对LCA进行解构。2013年，我在《气候变化》杂志上发表的论文表示，生物燃料生产所抵消的二氧化碳比假设的要少得多。在随后的综述论文中，我详列了使用LCA对生物燃料进行评估所产生的错误。这些研究为我们在美国的新发现提供了基础，到目前为止，可再生燃料实际上比汽油对气候更有害。

现在仍十分迫切需要减少石油的二氧化碳排放，这是美国最大的人为二氧化碳排放源，以及继煤炭之后的全球第二大排放源。但是我们的分析可以确定，作为气候变化的治愈方法，生物燃料“比疾病本身更糟糕”。

减少以及消除

科学指出，保护气候的方法是，使用比生物燃料更有效且更经济的机制。这里有两大策略用以减少交通运输燃料的二氧化碳排放。首先，我们可以通过提高车辆效率，限制行驶的里程或使用真正无碳的燃料如电动或氢气来减少排放。

其次，我们可以加快现在生态系统除碳的速度。采取措施“再造富碳生物圈”，包括绿化、再造林、重建含碳土壤以及恢复富含碳的生态系统，如湿地和草原。

保护储碳的生态系统可以从大气中去除更多的碳。图片来源：美国地质调查局

这些方法将有助于保护生物多样性——另一个全球可持续发展的挑战——而不是像生物燃料生产那样对其产生威胁。我们的分析还提供了另一种见解：从空气中固碳，然后再用作燃料的做法，恐怕对于控制碳排放是毫无益处的。

编辑：马韬

参考：

https://theconversation.com/biofuels-turn-out-to-be-a-climate-mistake-heres-why-64463

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