中国能源资讯网背景介绍
除其他战略外，航空业的去碳化需要使用低碳液体燃料，因为大型飞机的电气化推进还不可行。然而，这种"可持续航空燃料"的商业化由于其潜力的不确定性而滞后。基于此，美国亚利桑那州立大学地理科学与城市规划学院Aragon教授将土地利用评估、水文气候和生态系统建模以及经济优化整合到一个系统框架中，以更好地描述纤维素原料的生物喷气燃料潜力。在美国2320万公顷的贫瘠农田上种植犀牛草木，可满足该国2040年的喷气燃料需求（300亿加仑/年），平均成本为4.1加仑/年。以中西部地区为中心，这个边缘土地基地是耕地（720万公顷）和非耕地（16万公顷）的混合体，将其转化为芒草可以提供高产的生物质，在不损失土壤水分的情况下实现区域降温，而且系统温室气体排放量最低。在平原地区，通过边际土地转换获得相同数量的马桑树生物质是不可持续的。可持续性考虑产生的土地转换模式与从纯粹的经济角度来看的预期不同。综合方法对于现实地评估生物基替代原料的可持续性是必不可少的。
图文解读
Integrated modelling and scope
作者的综合水文气候-生态系统-经济模型框架是以系统方法为动力，以描述多年生生物能源作物的生物喷气燃料的环境和经济可持续性（图1a）。该框架通过在美国大陆范围内的高分辨率连接模型，捕捉到大气、地表、生态系统和经济系统之间的联系。它引入了两个重要的生物物理模型的改进：考虑与大规模土地转换为生物能源作物相关的大气和土壤湿度影响，以及使用包含这些水文气候影响的模型产量。作者绘制的可持续的生物喷气燃料路径可以提供足够的纤维素生物质，产生气候效益，并支持国家纤维素生物能源产业，在四个可持续性标准（图1a，右框）下提供生物喷气燃料，满足未来美国航空部门的燃料需求（图1a，左框）。作者的研究领域是美国大陆（CONUS），但生物质的种植仅限于参考文献中的雨水灌溉的边缘农田。位于西经104度以东的15个地区（美国东部）。作者考虑了两种边际土地可用性的情况：前25%的合适边际土地（四分位数1），共计31.2Mha，或100%的合适边际土地，共计109.4Mha，以考察大规模多年生生物能源作物部署的最广泛结果。区域3、4和5被用来测试进一步限制可用的边际土地基础的影响（图1b）。它们源于作者的水文气候模型36，该模型揭示了大规模生物能源作物转换的热效益，各地区的土壤水分后果各不相同。在此基础上，作者将生物能源作物转换的水文气候可持续性定义为提供冷却而不对长期（10年）土壤水分产生不利影响，并确定热点（区域4）和应避免的区域（区域3）以确保水资源的可持续利用。
Fig. 1. Modelling framework and study coverage. a, Sustainable biojet fuel pathway considers the sustainability criteria (left) for meeting the desired outcomes (right) using an integrated modelling framework. b, Map showing the study domain; area of biomass cultivation (gridded); and marginal lands suitable for cultivating perennial bioenergy crops (shaded in blue) classified into quartiles based on pixel values of suitability. First quartile (1) contains the highest 25% of pixel values indicating the most suitable areas, while the fourth quartile (4) contains the lowest 25% of pixel values indicating the least suitable areas. Yellow-, red- and magenta-coloured boundaries delineate regions 3, 4 and 5, respectively. basemap in b from US Census Bureau.
Quantity and drivers of biojet fuel supply
美国的纤维素生物喷气燃料产业能够以盈利和可持续的方式生产足够的液体燃料，以满足该国的喷气燃料需求，预计到2040年将达到300亿加仑/年（1136亿升）。在燃料价格高于4.3美元/加仑的情况下，在可持续的土地基础上种植杂草，可以实现达到或超过这一目标的产出水平（图2a）。有三个因素决定了纤维素生物喷气燃料的产量：实现可持续结果的土地使用限制、燃料价格和选择水曲柳与开关草作为原料。比较图2a中的散点图（类似于经济学中的边际成本曲线），突出了土地利用和原料选择的产出影响，而沿着个别曲线的移动说明了较高的燃料价格对生物喷气燃料供应的影响。曲线包含了生物喷气燃料生产在50 tCO2e-1美元碳价下的温室气体净影响。为了量化与土地供应有关的生物喷气燃料产出影响，作者考虑了提供所有被归类为边缘土地（M100）或仅提供前25%最适合的边缘土地（M25）的情景。不受限制的方案作为反面教材，使美国东部的所有农业用地可用于生物能源种植。通过对可用的边际土地进行区域限制，作者可以评估使用较小的边际土地基地的产出影响，即最低（M100-reg4）与最高的水文气候可持续性风险（M100-reg3）。用于生物能源生产的可持续土地利用模式与最具经济吸引力的土地转换不一致。对用于生物能源种植的土地增加可持续性限制，导致所有价格点的生物喷气燃料产量下降。在5.0加仑/1美元的参考价格下，将生物能源种植限制在贫瘠的土地上，使生物喷气燃料的产出减少了2倍（M100与不受限制相比），而将其进一步限制在前25%的贫瘠土地上，相对于不受限制的情况下，产出是六分之一。此外，将可用的边缘土地限制在水文气候可持续性风险最低的地区（M100-reg4），与所有边缘土地相比，在5.0加仑/1美元的情况下，生物喷气燃料的产出降低了56%。燃料价格在促进纤维素生物喷气燃料生产方面起着关键作用。较高的燃料价格吸引了更多的生物喷气燃料产出（反之亦然）。作者的分析表明，任何有利可图的生物喷气燃料生产至少需要4.0加仑的燃料价格，才能在费托合成技术下将杂草转化为生物喷气燃料。使用开关草作为原料，最低燃料价格增加到4.2加仑/1美元（图2a）。在最低价格之外，生物喷气燃料的生产随着价格的增加而迅速扩大，直到达到一个拐点，即5.0加仑左右，生产对价格变得不那么敏感。这种阈值效应表现为生物燃料产量对燃料价格上涨的反应下降（图2b）。随着边际土地的转化和变得越来越少，生物燃料生产的总成本比燃料价格增加得更快。与开关草相比，Miscanthus是经济上的首选原料，在所有的价格点和土地可用性上都能产生更高的生物燃料产量。虽然每公顷种植开关草的年平均成本约为木麻黄的一半，但木麻黄的产量一致较高–尽管平均水文气候反馈较大，但作者记录了开关草的产量–使得将可用土地面积转化为木麻黄比开关草更经济。限制原料选择对生物燃料产出的影响可以通过比较S25和M25来体现，前者的经济模型被迫使用开关草，后者的模型可以从开关草或水曲柳中获取生物质原料。在每加仑5.0美元的情况下，S25的生物燃料产量只接近M25的43%（图2a）。作者将这一差异解释为由于原料选择而导致的产出惩罚。总的来说，通过采用以M25为代表的高生产率和小面积的可持续生物能源种植战略（即在最适合的25%的边缘土地上种植水曲柳），可以满足美国航空业的液体燃料需求。重要的是，以M100-reg4为代表，将生物能源土地转换中的水文气候可持续性风险降到最低，也符合这一目标。在M100-reg4下，最大的可行产量是51570 MGY，每加仑7.0美元（图2a），表明美国边缘土地的可持续纤维素生物喷气燃料生产的上限。
Fig. 2. Cellulosic biojet fuel supply curves by scenario. a, Scatter plots by scenario pair the quantities of biojet fuel deliverable (MGY) (x axis) at given fuel prices (y axis). The fuel price axis is truncated at the bottom at US$3.5 gallon?1. Points along the scatter plots to the right of the vertical biojet target line indicate supply meeting the demand target. b, Describes the scenarios in the order of scatter plots in graphic, from left to right. The available land base and regional restrictions follow area delineations in Fig. 1b. Column (1) provides summary land conversion and biojet fuel output results at US$5.0 gallon?1 reference fuel price and (2) reports comparison metrics of biojet fuel output response to change in fuel prices across three different price ranges.
Land-use impacts
将目标定为30,000兆瓦，可以直接比较各种方案在土地转换的规模和组合及其空间分布方面的情况。作者专注于三种边际土地利用方案。M25、M100和M100-reg4，再次以不受限制的方案作为参考。
三种边际土地情景下，总的土地转换量紧密地分布在23.5Mha的平均值周围（图3a）。这一数量的土地用于种植水曲柳，将超过美国小麦使用的土地，这是仅次于玉米和大豆的第三大作物（2018/2019年种植了20Mha）。此外，12.4Mha（M25）到近19Mha（M100）的非耕地转换将使美国的耕地扩大8%到12%（从2017年的160Mha），标志着自1940年代以来的最大增幅37（图3b）。在各种情景中出现了耕地/非耕地混合使用的模式，非耕地的转化率更高。限制性较强的情景（M25和M100-reg4）比限制性较弱的情景更依赖于耕地的转换（图3b）。这是因为耕地的机会成本较高，而且有足够的生产性非耕地可用。然而，生物质并非完全来自非耕地，因为物流成本有利于生物炼制厂附近的耕地的生物质，而且一些耕地只有少量的利润（因此倾向于转换）。耕地的转换不仅取决于相对的经济性，而且还取决于被归类为边缘的现有耕地的可用性。所有合适的边际土地上的耕地份额几乎与无限制情况下的耕地份额相同（约42%；图3b）。在美国，边际土地上的作物生产之所以出现，是因为尽管土地有物理限制，但技术提高了生产力，并且受到农业和能源政策的进一步推动。从纯粹的经济角度看，土地转换（不受限制）与使用边缘土地的结果相背离，在研究区的东北部象限有大量的转换。当土地供应被限制在边缘土地时，种植向西转移，多达60%的生物质在不同的地方生产，而不是不受限制的情况（图4a，b，c）。现有的草地/牧场在非限制性土地基地中占很大比重，这些土地在参考文献中并不都被归类为边缘土地。因此，如果将边缘土地的定义纳入生物燃料政策，将对结果产生很大影响。在M25中，土地分配集中在不断扩大的玉米/大豆带周围的农田（图4a），与密西西比河上段的M100-reg4重叠，那里有一些最大的土地转化为杂草。在M100-reg4和M100下，边际土地基数比M25大，转换延伸到平原、中西部上游以及东部沿海地区（图4b）或向南转移到墨西哥湾（图4c）。在密苏里州、伊利诺伊州南部、阿肯色州东北部以及肯塔基州和田纳西州的西部地区出现了高产生物量集群，这些地方的生态系统模拟木麻黄产量平均超过25百万公顷（未按损失调整）。在作者的分析中，最高的玉米/大豆耕地位移是M25下的7.4兆公顷（图3），因此可以来自生产常规生物燃料的玉米/大豆净用地（在考虑到副产品后约13.5兆公顷）。
Fig. 3. Land availability and conversion by existing use. a, Total land available and total land converted to meet 30,000 MGY US jet-fuel demand target for 2040, by scenario (Mha) and under US$50 tCO2e?1 carbon price as in Fig. 2. See Fig. 2 for a key to the scenario labels. b, Stacked bars by scenario show the breakdown by existing land use (%) grouped as non-croplands, corn or soy croplands and all other croplands. For each scenario, the first column shows the breakdown of the total land available and the adjacent column the breakdown of the land converted. Percentages may not add up to 100% exactly due to rounding.
Fig. 4. Spatial impacts of constraining the land base to produce 30,000 MGY of cellulosic biojet fuels. Maps overlay land conversions into miscanthus under different marginal land scenarios with conversions under the unrestricted case. a, Top 25% of suitable marginal lands (M25). b, The sustainability hot spot (M100reg4). c, All suitable marginal lands (M100). Blue-shaded areas indicate marginal lands to which miscanthus cultivation shifts from the yellow-shaded areas that are converted when land use is unrestricted. The intersecting land conversions are highlighted in red. The shift in biomass production (%) corresponds to the fraction of biomass produced in areas different from the unrestricted case. Incremental (±) land conversions are calculated with respect to the unrestricted case (23.2 Mha). basemaps from ref. 70, US Census Bureau (https://www.census. gov), clipped to show Eastern ConUS only.
The role of carbon prices
碳定价将提高无碳或低碳能源技术的竞争力，如纤维素生物喷气燃料，使化石燃料和使用化石燃料投入的替代技术（例如，使用天然气制氢的生物炼制厂）更加昂贵，并为温室气体节约途径带来好处。到目前为止的结果反映了US$50 tCO2e?1的碳价格。作者在此评估该价格对温室气体的影响，以及两种敏感情况：一种是没有碳价格的"一切照旧"情况，另一种是US$100 t CO2e?1美元。在零碳价格下，温室气体排放（节约）的成本（收益）不会被行业内部化。尽管如此，系统的温室气体排放从3.0（M25）到23.5 Mt CO2e yr-1（无限制）不等（图5a），大大低于石油基喷气燃料的可比排放（按11.7公斤CO2加仑的喷气燃料计算，约350 Mt CO2e yr-1）。更高的碳价格促进了温室气体排放的全面降低。另外，应对较高碳价格的额外温室气体减排量也受到各情景下土地约束的影响。在边际土地基数最小的M25下（图3a），较高的碳价格产生适度的减排量。相比之下，不受限制的情况下，它可以支配美国东部的全部农业用地，产生较大的绝对减排量（图5a、b）。针对不同的碳价格，降低系统温室气体排放最多而增加耕地转换量最少的情景是M100-reg4（图5b）。因此，将可用于生物能源种植的土地限制在边缘土地上，使潜在的减排量达到上限，但又能遏制社会上对耕地的不良竞争。
Fig. 5. GHG implications and cropland conversion–GHG trade-off. a, System GHG emissions by scenario (MtCO2e yr<span style="color: rgb(34, 34, 34); font-family: system-ui, -apple-system, BlinkMacSystemFont, "Helvetica Neue", "PingFang SC", "Hiragino Sans GB", "Microsoft YaHei UI", "Microsoft YaHei", Arial, sans-serif; font-size: 10px; letter-spacing: 0.544px; text-align: justify; background-color: rgb(255, 255, 255);”>−1) at carbon price of US$50 t CO2e<span style="color: rgb(34, 34, 34); font-family: system-ui, -apple-system, BlinkMacSystemFont, "Helvetica Neue", "PingFang SC", "Hiragino Sans GB", "Microsoft YaHei UI", "Microsoft YaHei", Arial, sans-serif; font-size: 10px; letter-spacing: 0.544px; text-align: justify; background-color: rgb(255, 255, 255);”>−1, US$0 t CO2e<span style="color: rgb(34, 34, 34); font-family: system-ui, -apple-system, BlinkMacSystemFont, "Helvetica Neue", "PingFang SC", "Hiragino Sans GB", "Microsoft YaHei UI", "Microsoft YaHei", Arial, sans-serif; font-size: 10px; letter-spacing: 0.544px; text-align: justify; background-color: rgb(255, 255, 255);”>−1 and US$100 t CO2e<span style="color: rgb(34, 34, 34); font-family: system-ui, -apple-system, BlinkMacSystemFont, "Helvetica Neue", "PingFang SC", "Hiragino Sans GB", "Microsoft YaHei UI", "Microsoft YaHei", Arial, sans-serif; font-size: 10px; letter-spacing: 0.544px; text-align: justify; background-color: rgb(255, 255, 255);”>−1. These scenarios meet the 30,000 MGY US jet-fuel demand target for 2040. Key to the scenario labels is in Fig. 2. The annotated arrows refer readers to the two tables in b. b, Comparison metrics that measure the relative (%) reduction in system GHG emissions in return for relative (%) increase in cropland converted, given a change in carbon price: when carbon price goes from zero to US$50 tCO2e?1 (b1); when going from US$50 tCO2e<span style="color: rgb(34, 34, 34); font-family: system-ui, -apple-system, BlinkMacSystemFont, "Helvetica Neue", "PingFang SC", "Hiragino Sans GB", "Microsoft YaHei UI", "Microsoft YaHei", Arial, sans-serif; font-size: 10px; letter-spacing: 0.544px; text-align: justify; background-color: rgb(255, 255, 255);”>−11 to US$100 tCO2e?1 (b2) (see equations (2) and (3) in Methods.
总结
作者发现，要满足美国未来的喷气燃料需求，需要将美国东部总边际土地基础的五分之一（2320万公顷）转化为芒草：与柳枝稷相比，芒草产量更高，更经济，因此更节省土地。一些边缘农田的迁移是保持土壤湿度和减少水资源压力的必要权衡；这也通过将生物质种植集中在生产力更高的边缘土地上，减缓了生物喷气燃料的土地足迹。与之前的研究结果一致，作者分析中的生物喷气燃料生产比传统喷气燃料的温室气体排放量低得多。然而，进一步的温室气体减排（在碳定价下可实现）将需要转换更多的农田。总体而言，在不同的碳价格下，可持续、高产的生物质土地足迹平衡了温室气体减排和增量农田转化，围绕着中西部玉米/大豆带，尤其不包括平原地区。在努力实现SAF的商业可行性的同时，至关重要的是要反复说明使用基于系统的方法（如作者在本文中所展示的方法）可持续地改造现有土地意味着什么。更广泛地说，作者的综合框架适用于涉及生物基替代原料的广泛可持续性调查，其中纳入适当土地基础的不同定义至关重要。
