技術雙刃劍:生物質能開發與生物多樣性保護

2020年06月30日
      地球生態系統的運行需要能源,其中植物作為初級生產者通過光合作用吸收太陽能,以化學能形式貯存在生物體中,是能源進入生態系統最重要的形式。這種能量是以生物質為載體儲存的能量,統稱為生物質能(biomass energy)。生物質能的原始能量來源于太陽,所以從廣義上講,生物質能是太陽能的一種表現形式。長期以來,人類已經習慣于使用用固態、液態和氣態燃料,并為這些燃料的使用開發了許多設備。在現代科技水平條件下,可再生的植物材料也可轉化為固態、液態和氣態的燃料形式,可保證在不打破常規使用方式的情況下利用生物質能。例如,生物燃料(biofuel)就是利用植物體中儲存的能量加工成液體燃料使用。特別是利用農作物、樹木和其他植物及其殘體,畜禽糞便,有機廢棄物等可再生的有機物質為原料生產的生物燃料,更認為是變廢為寶的利用方式。生物燃料中一個代表性的能源載體是乙醇,因為它可取代許多新型汽車中的汽油。正因為這個原因,在滿足運輸領域能源需求方面,生物燃料特別有用。因此,發展生物質能和生物燃料,既能控制環境污染,減輕對石油資源的依賴,又能推動農業產業鏈的發展,被譽為是解決全球能源危機的最理想途徑之一,有巨大的開發前景。
 

然而,生物質能的開發,也面臨著許多技術瓶頸,許多他國的技術示范難于直接借鑒。到目前為止,巴西擁有全世界最先進的生物燃料計劃,約40%的汽油使用量已被從甘蔗和其他生物質來源所得到的乙醇所替代。在巴西的計劃中,乙醇固然可以從甘蔗廢料中得到,但在大多數其他國家,乙醇生產用地會與糧食生產用地發生強烈競爭,甚至存在是先喂飽人的肚皮還是汽車肚皮的倫理學問題。因此,生物燃料在巴西擁有的40%的運輸燃料滲透率,可能到21世紀中葉對大多數其他國家來說仍然是一個上限。


中國發展生物燃料計劃,顯然難于照搬巴西的做法。但是中國是最大的海藻生產國,是否可以利用海藻來生產生物燃料呢?海藻作為潛在生物質能的開發有很多優勢,其中最重要的是,它與傳統的生物燃料開發(例如從玉米或糖制成的乙醇)不同,不會與糧食作物爭奪農業用地。另外,海藻和海草對CO2的吸收速率可以跟熱帶雨林相媲美。同時,海藻產量巨大,每年通過野生捕撈或種植收獲的量可達到730萬噸;海藻比陸地植物能多吸收五倍的碳,海洋光合作用占全球總光合作用的50%。

那么,使用海藻來作為清潔能源的生物介質是否可行呢?顯然,這還有許多工藝問題亟需解決。首先,樹木之所以是一個有效的碳儲庫是因為它們能存活多年。與之相比,海藻從生長到收獲總共就幾個月,這種碳儲存方式難以度量和控制,因為這些碳雖然被海藻吸收了,但是可能在還沒有被收獲前就在其它地方重新釋放出來了。其次,海藻產量的增加對航海和漁業是有影響的,還存在許多不確定性,是否還存在其他的負面環境效應而顧此失彼呢?第三,從整個生產過程來看,將這些海藻脫水變成燃料的時候所需要輸入的能量是否大于海藻轉化成的燃料能釋放的能量,總體上是否更明智?其實,從藻類生產生物燃料的努力已經持續30多年了,在最近幾年獲得了相當大的關注。2012年10月24日,美國國家科學院下屬國家研究理事會(NRC)發布的一份題為《用藻類生產燃料還不靠譜》的報告認為,用現有技術通過藻類大規模生產生物燃料是不現實的,因為這需要使用太多的水、能源和肥料。栽種藻類有許多不同的方法,而在工業上也還無法采用單一方法栽種,但不管采用何種方法,用當前的技術每年生產390億升的生物燃料(約占美國運輸燃料需求的5%)仍是一個不可持續的投入。

從生態學研究的角度來看,替代能源的快速發展可能對生物多樣性所帶來不可預期的影響,這就是本文所說的技術雙刃劍。下面用幾則故事來說明。
 
在生物質能的開發中,政府的導向和行業的管理有著舉足輕重的作用。甘蔗是夏威夷州的一種主要農作物。在制糖過程中,將甘蔗中的糖汁壓榨出來后會留下大量的甘蔗廢料(甘蔗渣)。甘蔗渣所含有的生物質能可作為燃料發電。在州政府的補貼下,當地建立了一批燃燒甘蔗渣的發電廠。1980年代中期,糖價下跌,甘蔗種植量開始縮減,使得發電的原料也相應減少。但是制糖廠為發電站提供甘蔗渣的合同依然存在,為了履行合同,制糖廠必須找到一個可替代的生物質原料。為此,一些廠家認為成本最低的方式便是直接購買大型商用伐木機來砍伐當地的森林,以代替甘蔗渣。隨之而來,是環保方的抗議活動促使砍伐被迫中斷。巴西則經歷了因發展生物燃料項目而對生物多樣性帶來的更大的負面影響。同樣是在1980年代,因1970年代末期的高油價,巴西發起了一個用甘蔗生產乙醇的項目。當時政府補貼這種生產,但是1980年代末期糖價上漲,生產成本提高很多,直到1990年代末期這個項目又重新啟動,并且迅速獲得了市場滲透。大量的土地被用來種植甘蔗以應對快速增長的需求,這也導致亞馬遜(濕潤森林)和塞拉多(干旱森林)的一些熱帶森林被大量砍伐。為生產生物燃料而大量砍伐森林,是巴西生物燃料大量擴張的主要特點。無獨有偶,為了生物燃料,印度尼西亞和馬來西亞在熱帶森林清林而種植油棕櫚,這是該地區毀林的主要源頭。大規模轉向生物燃料會加速這些負面效應,并可能傳播到其他地區,例如中非。在夏威夷和巴西的實踐經驗表明,先進的能源政策導致替代能源供應有了預期增長,但市場壓力卻對自然系統帶來了意想不到的破壞作用,而且預期生物燃料等可再生能源在形成規模后會對生物多樣性造成更加嚴重的影響。

替代能源及其空間分布的平衡是決定對生物多樣性影響的關鍵因素,因此了解每種能源的這種影響及其空間適宜性至關重要。與便利開采自然過程儲存在地下的石油和天然氣不同,任何可再生能源都需要利用土地來轉化能量。本質上講,石油和天然氣是化石態的生物燃料,其需求土地的生產過程發生在過去。通常我們所考慮的石油和天然氣生產對環境和土地利用的影響僅指其開采和運輸方面的影響。因此,替代能源在土地利用和生物多樣性方面有著更大的潛在影響。

生物燃料實際上是土地需求量最大的可替代能源,它對土地的需求會直接爭奪糧食生產用地。在當前世界人口不斷增長的情況下,如此與糧食生產進行的土地競爭是無法接受的。墨西哥的生物燃料生產已經抬高了玉米價格并引起社會抗議。另外,在這個問題上,善良的人們也可能好心辦壞事。由于社會輿論的關注,生物燃料的生產被驅趕出主要農業用地,進入了未受干擾的生物棲息地,大規模的生物燃料生產在這些邊緣土地(marginal lands)上進行,這些地方生物生產力低,單位產量需要更大的用地面積,而其中很多是珍稀野生動物的棲息地。

另外,從全球格局來說,生物多樣性與生物燃料的生產發生空間沖突的可能性極大。適合于生物燃料原料生產的條件與熱帶森林高度重疊。亞馬遜的大量地區已為甘蔗生物燃料生產而被清林,而在亞洲,為油棕櫚生物燃料的生產而清林是導致森林喪失的一個主要因素。幾乎可以肯定,生物燃料的大規模生產對熱帶生物多樣性會產生巨大的負面影響。生物燃料生產而給生物多樣性帶來的負面影響已經超出了陸地范圍。例如,墨西哥灣缺氧死亡區的不斷擴張被認為是美國中部生物燃料的生產而導致的過多化肥隨密西西比河流入的結果。另外,海洋中生物燃料原料的生長以及海草類生物燃料的收獲也可對生物多樣性帶來許多負面影響。很顯然,盡管它們看上去很簡單并且和現有的技術兼容,但是生物燃料到目前為止給生物多樣性帶來的負面影響是最大的,這是由于巨大的土地利用需求,以及同高生物多樣性地區有著較多的空間重疊所致的。
來源:黑龍江創能新能源科技開發有限公司
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