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    農業論文

    林業生物柴油可持續發展研究進展

    時間:2020年03月17日 所屬分類:農業論文 點擊次數:

    摘要:林業生物柴油作為可替代柴油的生物質能源之一,已在印度、中國、馬來西亞等國家得到快速發展,其發展是否可持續值得重點關注。在概述主要國家林業生物柴油發展現狀的基礎上,基于自2010年來的國內外相關研究,分別從經濟、環境、社會3個方面分析了當前

      摘要:林業生物柴油作為可替代柴油的生物質能源之一,已在印度、中國、馬來西亞等國家得到快速發展,其發展是否可持續值得重點關注。在概述主要國家林業生物柴油發展現狀的基礎上,基于自2010年來的國內外相關研究,分別從經濟、環境、社會3個方面分析了當前林業生物柴油發展的可持續性,探討了影響其可持續發展的關鍵因素。結果表明:當前林業生物柴油發展的可持續性較弱,絕大多數生產項目經濟不可行;GHG減排效益明顯,與石化柴油相比可減少49%~85%,但其SO2、NOx等污染物的排放明顯高于石化柴油,環境綜合影響仍然較大;社會效益尚不明顯;原料供應系統決定了當前林業生物柴油發展的經濟和環境可持續性。因此,突破良種選育、高效栽培關鍵技術體系、高值化副產品開發等關鍵技術問題,建立多聯產產業發展模式是保障林業生物柴油可持續發展的重要途徑;此外,提高LCA清單數據質量和建立綜合評價指標體系可提高可持續性評價結果的準確性。

      關鍵詞:林業生物柴油,油棕(ElaeisgunieensisJacqin.),麻瘋樹(JatrophacurcasL.),可持續性,全生命周期評價

    林業科技

      隨著世界經濟的快速發展,化石燃料消費不斷增加導致能源短缺與環境污染日趨嚴重。大氣中85%的硫、35%的懸浮顆粒物、75%的CO2來自化石燃料的燃燒。據預測,隨著能源需求的增加,到2030年,全球CO2排放量可能高達52%[1]。生物質能源(bio-energyresource)作為僅次于煤炭、石油、天然氣的第四大能源,一直是人類賴以生存的重要能源之一,占世界總能耗的14%,在發展中國家占60%以上,具有資源分布廣泛,可再生,受自然因素制約小,環境污染較輕,轉化利用技術相對簡單等特點[1]。

      大力發展生物質能源對緩解能源緊張,實現全球能源結構多元化,緩解氣候變化等方面具有重大意義。作為替代柴油的生物質能源,生物柴油(biodiesel)又稱脂肪酸甲酯,其原料包括大豆、油菜籽和花生等油料作物,麻瘋樹、烏桕、油棕、黃連木、無患子、文冠果等油料林木果實,動物油脂、廢餐飲油,以及工程微藻等油料水生植物。目前,歐盟(德國、法國、意大利、西班牙等)主要利用油菜籽生產生物柴油,美國主要以大豆油為原料,日本主要以地溝油為原料,印度主要以麻瘋樹油為原料,印度尼西亞、馬來西亞等東南亞國家主要以棕櫚油為原料發展生物柴油。以木本油料植物果實種子、植物導管乳汁及汁液等為原料,通過化學方法轉化所含油脂獲得的生物柴油稱為林業生物柴油(forest-basedbiodiesel)[1]。

      與以油料作物等其它原料生產生物柴油相比,其全生命周期環境綜合影響較小,緩解溫室效應能力更強[2]。此外,因不與人爭糧、不與糧爭地,原料可再生,栽種一次收獲多年,利于農村產業結構調整等優點,林業生物柴油被中國、印度、馬來西亞等發展中國家所青睞。在《全國林業生物質能源發展規劃(2011—2020年)》的基礎上,國家林業和草原局于2017年發布了《林業生物質能源主要樹種目錄(第1批)》,其中包括油棕、麻瘋樹、文冠果、無患子等在內的47種生物柴油原料樹種[3]。隨著林業生物柴油產業發展規模在發展中國家的迅速擴大,其原料林種植及生物柴油生產的經濟效益,對區域環境及社會的影響備受關注。筆者在前人研究的基礎上,對世界林業生物柴油發展現狀及國內外對其可持續性的評價研究進行了綜述,以期為其產業健康持續發展提供參考。

      1林業生物柴油發展現狀

      林業生物柴油的研究始于20世紀70年代后期,當時美國加州大學諾貝爾獎獲得者M.Calvin博士的研究團隊在世界各地尋找類似于石油成分的樹種,篩選了續隨子(EuphorbialathylrisL.)和綠玉樹(EuphorbiatirucalliL.)等開發價值高的樹種進行栽培試驗,并在加州南部種植了大面積的油脂植物,由此拉開了林業生物柴油研究的序幕。但林業生物柴油仍處于研發階段,尚未實現真正意義上的規;a應用。目前世界上主要發展的林業生物柴油樹種為油棕和麻瘋樹。

      1.1油棕

      油棕果實含油量高達50%,有“世界油王”之稱。根據USDA(UnitedStatesDepartmentofAgriculture)的統計[4],棕櫚油生產量前五的國家分別為印度尼西亞、馬來西亞、泰國、尼日利亞和哥倫比亞。印尼是世界第一大棕櫚油生產國,并憑借其豐富的棕櫚油資源大力生產生物柴油。棕櫚油是目前印尼最常用的生物柴油原料,產量預計可達3.2×107t,且隨著未來新種植園的逐漸成熟,舊種植園被高產品種取代,原料產量將會繼續增長。同時,印尼生物柴油生產能力在不斷提高,2015-2016年間至少有兩家煉油廠建成并投產,總生產能力達8.77×108L。

      馬來西亞是世界上最大的棕櫚油出口國和第二大棕櫚油生產國,早在1982年就開始從事棕櫚油生物柴油開發與利用技術的研究。2005年,馬來西亞政府制定了“國家生物燃料政策”,在該政策的刺激下,2006年全國生物柴油產量為1.58×105t,約有1%的棕櫚油料用于生物柴油的生產,2007年生物柴油產量增加到1.3×106t,用于生物柴油生產的棕櫚油達7.9%[5]。截至到2012年,馬來西亞約有362家棕櫚油加工廠,年處理鮮果達7.13×107t,生產棕櫚生物柴油的能力為1.02×107ta-1。然而,在原料價格、生物柴油生產成本、原油價格和稅收等的影響下,大規模商業化的棕櫚生物柴油生產尚未實現[6-7]。

      1.2麻瘋樹

      麻瘋樹又名小桐子,含油率43%~61%,被IPCC認為是目前最具開發潛力,也是被研究最多的生物柴油原料樹種[1,8]。自20世紀70年代以來,國內外對麻風樹油用作柴油機燃料進行了一系列的研究,發現以麻瘋樹種子為原料生產的生物柴油可適用于各種柴油發動機,其性能明顯由于普通石化柴油和其它植物柴油[1,9]。此外,較強的抗旱性和耐瘠薄能力使得麻瘋樹在熱帶亞熱帶地區發展中國家大受歡迎。截至到2008年,全球共有55個國家,242個麻瘋樹種植項目,主要集中在亞洲(印度、印度尼西亞、中國)、非洲(馬里、坦桑尼亞、津巴布韋)和拉丁美洲(墨西哥和巴西)。

      亞洲的麻瘋樹種植面積占全球的85%、非洲占13%、拉丁美洲占2%。盡管諸多項目在之后的10年里已終止,這些國家和地區仍然是麻瘋樹栽培的主要區域[9]。在我國,麻瘋樹生物柴油作為新興產業,早期吸引了多家大型企業投資,包括中石化、中石油、中海油,及一些國外和當地的私營企業。從“十五”到“十一五”,我國麻瘋樹生物柴油原料林面積增加到15.0×104hm2[8]。云南神宇新能源有限公司作為我國麻瘋樹生物質能源示范企業,已建成年產3000t麻瘋樹油、3000t麻瘋樹生物柴油和3000t脫毒飼料蛋白的生產線,共建立100hm2科研及良種苗繁育基地,收集國內外小桐子種源600多份,選育優良種質資源300余份,建設優質種源采穗圃26.7hm2;獲得發明專利14項,云南省林業廳認定的小桐子優良品種8個,新品種1個;建設3.33余萬hm2麻瘋樹基地。麻瘋樹是印度最受歡迎的生物柴油原料之一。

      2003年,印度政府制定了“國際生物燃料發展計劃”(NationalMissiononbiofuel),重點發展麻瘋樹生物柴油。2005年,印度石油與天然氣部宣布自次年起由石油銷售公司在12個省的20個收購中心以25盧比/升的價格收購生物柴油(含稅和運輸成本);在2006—2007年間建立了4×105hm2的麻瘋樹示范基地,對麻瘋樹生物柴油全產業鏈的各個階段提供資助,并計劃向種植戶提供為期4年的優惠貸款,由國家或企業與種植者簽訂合同,以不低于5盧比/kg的價格回收種籽;2011—2012年間麻瘋樹種植面積達1.12×107hm2,以生物柴油替代20%的石化柴油[5,10]。此外,東南亞和非洲也是發展麻瘋樹生物柴油的主要地區。

      2林業生物柴油發展的可持續性

      可持續性決定了產業發展的可行性及發展前景,林業生物柴油的可持續發展是其能夠部分替代石化柴油、有助于節能減排的基礎。若將林業生物柴油的生命周期劃分為原料種植,收獲與運輸,生物柴油生產、配送、消費等5個階段,各階段均會對環境造成一定的影響[11]。例如:大規模原料種植引起的直接或間接土地利用變化、生物多樣性和森林碳儲量變化,化肥、除草劑、殺蟲劑等的使用造成的土壤質量和森林水質的污染,原料采儲運、柴油生產及運輸造成的能源消耗和廢棄物排放,生物柴油燃燒引起的污染物排放等[12]。

      與此同時,林業生物柴油的大規模發展對區域經濟和社會環境的影響也不容忽視,如社會福祉(就業機會、家庭收入、生活滿意度)、經濟結構及增長方式、基礎設施建設和社會文化等[13]。林業生物柴油可持續,即森林可持續經營及生物柴油可持續生產使用的統一。森林的可持續經營保證了生物柴油原料的可持續供應,原料的可持續供應是生物柴油產業發展的基礎,生物柴油生產和使用的可持續是產業得以恒久發展的核心。目前,關于林業生物柴油可持續性的研究多集中在全生命周期環境排放、經濟可行性、能量平衡等方面,與其它生物質能源可持續性研究類似[2,14-15],然而,基于樹木生長周期長的特點,針對原料培育階段可持續性的深入研究甚少,尤其是不同時期產量、經營措施等對原料林可持續性的影響等。

      3結論與建議

      3.1結論

      1)林業生物柴油發展集中在亞洲、非洲和拉丁美洲等發展中國家,如馬來西亞、印度、泰國、中國、墨西哥、坦桑尼亞等地,原料主要來自棕櫚油和麻瘋樹油;林業生物柴油發展的可持續性研究分為經濟、環境和社會3方面,其中,環境可持續性研究主要集中在測算全生命周期GHG排放量、評估GWP和能量平衡、分析副產品的效益等方面,不同的原料培育系統及由種植原料林導致的LUC引起的碳排放逐漸成為熱點。

      2)對于LCA而言,原料培育階段的清單數據有50%以上來源于數據庫和文獻等二次數據,實地測量或調研的較少。原料產量,施肥量、PFIs施用量、灌溉量等都是選取某一年的數據或平均值作為評價數據,副產品利用率、LUC等其它數據多停留在預估和假設水平,通常偏高,影響評價結果的準確性,也造成了不同研究間難以比較的現象。

      3)總體上,當前林業生物柴油發展的可持續性較弱,絕大多數生產項目經濟不可行;與石化柴油相比,在GHG減排和減少非再生能源消耗方面優勢明顯,但在其它污染物如SO2、NOx等的排放方面未顯示出優良的環境友好性,環境綜合影響較高;產業社會效益尚不明顯。

      4)原料供應系統決定了當前林業生物柴油發展的經濟和環境可持續性。原料產量和原料價格是決定其經濟可行性的關鍵因子;提高原料產量、減少化肥及PFIs施用可大幅減少GHG及其它氣體污染物的排放量,同時提升凈能量增益;LUC導致的碳收支對全生命周期GHG平衡影響巨大,熱帶雨林、灌木林等高碳儲量土地轉變為原料林將導致巨大的碳債務,償還期至少在30a以上,而荒山荒地、退化草原等低碳儲量土地轉變為原料林,則可增加碳儲量,從而促進全生命周期GHG減排。此外,加強林業生物柴油生產系統中的剩余物處理(空果實串、果殼、種殼、生產廢水等),提高副產品利用率,如生產生物肥料、生物甘油,熱-氣-電聯產等,可有效提升凈能量增益、減少GHG及其他污的排放量,減小環境綜合影響。

      3.2建議

      林業生物柴油產業具有極廣闊的發展前景,但目前國內外尚無成功案例,如全球各地的麻瘋樹生物柴油項目在建立后不到十年的時間里幾乎均以失敗告終。本文在分析了近十年的研究的基礎上,發現原料供應不足,培育成本居高不下是導致林業生物柴油項目失敗的核心因素,其根本原因是缺乏良種資源及高效栽培關鍵技術體系等。因此,保障林業生物柴油可持續發展,亟需突破以下產業關鍵技術問題:

      1)良種選育。加強油料樹種種質資源收集力度,在長期、深入研究其遺傳及生態特性的基礎上,篩選區域優良種質和特異性種質,采用嫁接育種、雜交育種和分子輔助育種等技術選育高產、穩產、優質、抗病性強的品種,保證原料產量[55]。

      2)高效栽培關鍵技術體系。因地制宜,建立包括造林整地、矮化密植、水肥管理、整形修剪、花果調控、病蟲害防治和高效采收在內的區域種植園高效栽培關鍵技術體系,以提高產量,同時減少化肥、PFIs及勞力等的使用,縮短投資回報期,降低培育成本;在我國,應充分利用采伐跡地、自然災害毀壞的林地等營造原料林,減少因LUC造成的碳排放;除種植園培育模式外,也可采用農林復合經營、四旁植樹等發展原料林。

      3)高值化副產品開發。積極開發生物柴油的高值化副產品,實現原料無損耗利用,可在全生命周期內最大程度地降低能耗和生產成本;尤其在我國,生物柴油市場尚未成熟,但大規模的原料林已建立,且其面積持續在增長,若能在此階段形成一種或幾種高價值的副產品,如生物皂苷、生物甘油生產,熱-氣-電聯產等,形成多聯產產業鏈模式,不僅能扭轉企業虧損的局面,保障林業生物柴油項目的持續運營,也能在很大程度上減小其對環境的影響。與此同時,政府應盡快完善相應扶持政策,出臺相應地方性法規條例。

      當前各國林業生物柴油發展處在起步階段,亟需政府大力支持。政府應明確提出林業生物柴油產業的潛力與發展的必要性,完善相應扶持政策,如財稅優惠政策、農業機械化扶持政策、碳稅政策等,給予合理的財政補貼。地方政府應結合本地實際資源特征,出臺相應的地方性法規條例。在林業生物柴油發展的可持續性評價方面,應關注以下兩個方面:1)提升LCA清單數據的質量,深入分析原料培育階段的經濟可行性及環境影響。在樹木生長的不同階段,原料林物質、能量的投入不同,原料產量不同,不同時期的經濟收益和環境影響也各不相同。因此,可參考果園LCA的研究方法[56,57],完善數據收集機制,詳細記錄并測算自造林年起每一年或每個階段原料林的投入、產出及環境排放,同時利用二次數據作為補充,提高數據質量。2)完善可持續性評價體系,全面評估林業生物柴油發展的可持續性。目前,LCA主要用于環境影響評價,重點測度每個階段的輸入和輸出,未涉及因LUC及森林經營引起的生物多樣性保護、土壤質量、水質等生態系統質量的評價,在經濟和社會影響評價等方面涉及較少。因此,在LCA的基礎上,可通過建立綜合評價指標體系的方法研究原料林可持續經營與生物柴油生產全生命周期的經濟、環境和社會可持續性。

      參考文獻

      [1]錢能志,費世民,韓志群.中國林業生物柴油[M].中國林業出版社,2007.QIANNZ,FEISM,HANZQ.ChinaForest-basedBiodiesel[M].ChinaForestryPress,2007.

      [2]LIANGS,XUM,ZHANGTZ.LifecycleassessmentofbiodieselproductioninChina[J].BioresourTechnol,2013,129:72-77.DOI:10.1016/j.biortech.2012.11.037.

      [3]國家林業和草原局.林業生物質能源樹種目錄(第一批).2017.

      [4]USDA.Indonesiabiofuelsannual2016[R/OL].2016[2019−10−11].

      林業論文投稿刊物:《西部林業科學》刊發核心論文 系由云南省林業科學院、云南省林學會聯合主辦的公開發行的學術類刊物。為RCCSE中國核心學術期刊、中國科技核心期刊、中國林業核心期刊,全國優秀科技期刊,云南省優秀科技期、《CAJ-CD規范》執行優秀期刊。

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