生物燃料到底有多环保？以美国的现实情况为例科学家争议很大

　　美国威斯康星大学麦迪逊分校的地理学家泰勒·拉克（Tyler Lark）从小在农场长大，在邻居家的奶牛场工作，他从小就隐约地意识到开垦土地种植粮食和保护自然之间的矛盾。作为一名在海地从事水利项目的工程专业学生，他看到了这场冲突的一个极端版本：森林被砍伐用作柴火或种植作物，导致土壤侵蚀、环境破坏和贫困加剧。泰勒·拉克表示：“我想正是这段经历告诉我，‘土地利用很重要！’”

　　泰勒·拉克开始研究农民是如何通过集体决定犁田、砍伐树木或排干湿地来改变地貌景观的 —— 这些决定是地球上一些最大的环境挑战的核心，也引发了争议。最近，泰勒·拉克还卷入了其中一场最激烈的争论：关于种植用于制造汽车和卡车燃料的农作物的争论。

　　大约15年前，政府的激励措施帮助美国掀起了生物燃料的热潮。现在，乙醇工厂每年消耗约1.3亿吨玉米。这大约是全美国玉米总产量的三分之一，种植这些玉米需要超过10万平方公里的土地。此外，每年有400多万吨大豆油被转化为柴油，而且这个数字还在快速增长。

　　科学家们早就警告说，这种规模的生物燃料生产是有成本的：它占用了原本可以种植食物的土地，或者占用了可以捕获空气中的碳，并为鸟类和其他野生动物提供家园的草和树。但政府机构根据经济模型的结果得出结论，这些成本将是适度的，用乙醇或生物柴油取代汽油将有助于实现减少温室气体的目标。

　　地理学家泰勒·拉克和他的一群同事最近重新激起了这场争论。在2022年2月的一项研究中，他们得出的结论是，引发乙醇热潮的法律，说服农民在数百万英亩的土地上种植玉米，否则这些土地将仍然是草原。长期以来，环保人士一直担心生物燃料生产可能导致国外森林砍伐，而这篇论文展示了在美国发生的类似现象。

　　科学家们得出的结论是，这种土地转换会向空气中释放大量二氧化碳和其他温室气体，使乙醇燃料对气候的危害丝毫不亚于它打算取代的汽油。

　　农民和生物燃料贸易组织猛烈抨击了这些发现，也抨击了泰勒·拉克本人。一个生物燃料行业协会要求将他和他的一位合作者排除在政府可再生燃料专家审查小组之外。

　　这场争端发生之时，正值世界大事暴露出生物燃料的利弊之时。拉克的论文发表不到两周，俄乌冲突就爆发了，并引发了食品和燃料价格的飙升 —— 由于疫情，食品和燃料本来就稀缺而昂贵。生物燃料的支持者呼吁出台激励措施，将更多乙醇混合到汽油中，以降低汽油价格。反饥饿倡导者要求减少生物燃料生产，以便腾出土地种植更多粮食。而自然生态系统则继续消失。

　　上图：较小的草原鸡需要大面积的草地才能茁壮成长。政府旨在保护和扩大这些草原的项目帮助了这些物种的生存。

　　随着争议的继续，科学家和经济学家之间一场更技术性的辩论正在公众视野之外酝酿：用于评估生物燃料的经济模型到底有多可靠？它们的用户为它们辩护，而其他人不同意。国际清洁交通委员会（ICCT）专门研究生物燃料可持续性的生态学家斯蒂芬妮·塞尔（Stephanie Searle）说：“这些模型得出的结果，更多地是由假设而非实际信息驱动的。” 她和其他人说，特别有影响的一个模型采用了粉饰燃料环境风险的假设。

　　美国的生物燃料热潮始于2005年，当时国会通过了一项法律，制定了可再生燃料标准（RFS），要求在接下来的十年里大幅增加生物燃料的使用。美国会在2007年提高了生物燃料的目标。燃料公司可以在汽油中加入更多乙醇，或者在标准柴油中添加一种由植物油或动物脂肪制成的柴油，以满足法律要求。

　　这项法律是建立在混合目标的基础上的。农民希望他们的农作物有新的市场。另一些人则希望生物燃料能够成为本国生产的、更清洁的外国石油替代品。生物燃料被认为可以减少温室气体的排放，因为生物燃料中所含的碳可以循环利用：以前，碳是通过种植玉米或大豆从空气中捕获的。尽管将玉米转化为乙醇的工厂需要大量能源，而且通常燃烧化石燃料，但人们认为这仍然会对气候产生净效益。

　　斯德哥尔摩环境研究所的环境科学家西万·卡萨（Sivan Kartha）说，在那个时候，“你很容易就能想象出一种令人难以置信的乐观看法”。生物能源的支持者承诺，从植物中提取的燃料类似于当地生态系统中的燃料，例如，在提供草原环境效益的同时，还可以取代传统化石燃料。

　　然而，西万·卡萨也可以想象一个更黑暗的未来，利润驱动的生物燃料作物种植园将取代原生森林。他在2007年发表在《环境与资源年度评论》上的一篇文章中敦促人们谨慎行事。“生物能源有潜力为可持续发展做出贡献。但这种潜力的实现不能被假定。”

　　上图：为了达到《可再生燃料标准》（RFS）设定的目标，美国的乙醇产量从2005年到2012年急剧上升。大多数乙醇都混合在汽油中，因此，当消费者在新冠肺炎流行的早期突然减少驾驶时，乙醇的使用也减少了。

　　随着美国乙醇产量接近 RFS 规定的每年约150亿加仑的目标，科学家们越来越担心，对生物燃料的需求，加上不断增长的粮食需求，可能会消耗大量的土地。明尼苏达大学的环境科学家杰森·希尔（Jason Hill）说：“这让我们思考对气候可能产生的后果。”2010年，希尔及其合著者在《生态学、进化和系统学年度评论》中写道：“生物燃料生产对生态的最大影响很可能来自 …… 改变土地用途。”

　　自那以后，科学家们一直试图测量这种影响，但这操作起来异常困难。新的乙醇工厂并不直接清理土地。他们只是买玉米。然而，这些收购可能会推高玉米价格，并说服农民为了追求利润而扩大种植。

　　乙醇生产的影响很容易被其他影响玉米价格的因素所掩盖，包括天气灾害和养牛场和奶农的需求。泰勒·拉克表示：“而你却不能指着这块土地说，‘由于这项政策，这块土地100%被改造了。’”

　　因此，在寻找生物燃料的指纹时，研究人员转向了全球经济的计算机模拟，比如由普渡大学（Purdue University）的全球贸易分析项目（Global Trade Analysis Project）创建的一个模拟。它被称为“GTAP-BIO”，专门用于研究生物燃料及其对土地的影响。一些政府机构（尤其是加州空气资源委员会）依靠它来计算生物燃料的“碳强度”或对气候的影响。

　　GTAP-BIO 就像一个巨大的世界经济电子表格。它包含了全球商品和服务的生产和消费数据，以及它们之间的数学关系的假设。例如，用于种植玉米的土地面积和如何使用它们之间的数学关系。

　　在这个模拟世界中，研究人员只需改变一个元素，比如来自新乙醇工厂的玉米需求，就可以观察模型计算出一连串的后果。他们可以创造不同版本的历史，比如乙醇热潮没有发生的历史，并观察农民是否还在扩大他们的玉米田。他们还可以用它来预测，如果未来生物燃料生产扩大会发生什么。

　　在过去十年中，GTAP-BIO 模型的改进带来了越来越令人安心的结论。他们发现，生物燃料生产只导致了少量的土地清理。当乙醇工厂扩张时，他们确实会抬高玉米的价格，但然后世界就会调整。其他玉米买家，如养牛场，则减少了购买量。农民找到了提高作物产量的方法，可能是投资更好的种子或更有效的杂草控制。这一切都减少了对额外土地的需求。

　　此外，即使美国农民确实扩大了他们的玉米田，GTAP-BIO 也显示，他们往往要求获得被称为“农田-牧场”的边际土地，之所以这样命名，是因为农民可以根据环境或经济条件将其用于任何目的。在模型中，这片土地缺乏原生草原的富碳土壤，这些土壤是由许多代深根牧草积累而成的。当你把它挖出来种玉米时，几乎没有二氧化碳释放到空气中。

　　然而，其中几个假设遭到了严厉的批评。曾为环保组织和欧盟委员会担任生物燃料顾问的英国数学家克里斯·马林斯（Chris Malins）表示，GTAP-BIO 团队的工作显示出支持生物燃料的倾向。他说，他们很容易采用对生物燃料温室气体排放量估计较低的假设，而对那些会使他们的计算向相反方向发展的证据提出质疑。因此，克里斯·马林斯说，GTAP-BIO 在过去的十年里让乙醇看起来越来越好。

　　克里斯·马林斯说，一个主要的例子是 GTAP-BIO 的结论，即农田牧场转化为玉米田时释放的碳相对较少。事实上，该模型的一个版本计算出，转换土地实际上倾向于从大气中捕获二氧化碳，而不是释放更多的二氧化碳。在2020年发表的一项研究中，马林斯和两名合著者写道，这一结果基于一个“奇怪的”假设，即在转向玉米生产乙醇之前，这片土地已经被用来种植作物几十年了。实际上，马林斯和其他科学家说，这片土地的大部分，以前已经被草覆盖了多年，土壤碳含量相对丰富。

　　GTAP-BIO 的批评者也怀疑，农民是否真的会提高玉米产量以应对价格上涨。研究人员说，产量确实稳步增长，但并不是因为价格上涨。无论是在低价还是高价时期，它们都在增长。

　　已从加州大学伯克利分校退休的生物燃料专家理查德·普莱文（Richard Plevin）认为，GTAP-BIO 还忽视了巴西等国家的土地掠夺和森林砍伐的现实。该模型将天然森林归类为“不可开垦的” —— 并假设根据定义，这片土地不能被转化为农田。这一假设还导致了对森林砍伐和碳排放的低估计。

　　普渡大学的农业经济学家、GTAP-BIO 团队的关键成员法扎德·塔赫里普尔（Farzad Taheripour）立即驳斥了这些批评。他说，模型中的假设，是建立在该团队所能找到的最佳证据基础上的，没有人试图让生物燃料看起来比实际上更有利于气候变化。“所有的变化，”他说，“都是基于事实的。”

　　法扎德·塔赫里普尔补充说，历史证明了这种模式：由于农作物产量的稳步增长，农民已经能够在不破坏自然生态系统的情况下满足对粮食和燃料的需求，至少在美国是这样。“这是过去15年的教训，”他说。“我们生产了更多的食物，生产了更多的生物柴油和乙醇。我们吃更多的肉。这些是从哪里来的？是来自产量的提高。在美国，唯一有意义的土地转换是将未使用的耕地转变为耕地。那么，我为什么还要担心呢？”

　　毫无争议的是，在美国，乙醇的繁荣主要影响了过去某段时间耕种的土地，高产的作物帮助满足了对燃料日益增长的需求。但这并不是争论的终点。还有另一个问题，也是地理学家泰勒·拉克和他的同事们探讨过的问题：如果乙醇工厂没有宣布扩大玉米产量，那么这块土地还能带来什么其他好处？

　　上图：这张地图显示了在美国乙醇繁荣期间，草原被转换为农田（红色）或相反（蓝色）的地方。草原改造在北达科他州和南达科他省、爱荷华州南部和肯塔基州西部最为普遍。

　　在威斯康辛大学麦迪逊分校可持续发展与全球环境中心的办公室里，地理学家泰勒·拉克在电脑屏幕上调出了农业用地的图像，并放大了一条蜿蜒穿过南达科他州几平方公里草原的小河。

　　1932年，当美国农业的足迹达到顶峰时，这片土地本可以是一片麦田，种植农作物的面积达到3.75亿英亩。但在某一时刻，它的主人让牧草重新生长，可能是为了放牧。

　　这种例子并不鲜见。在经历了沙尘暴和大萧条等灾难性事件后，美国的耕地面积减少了22%。1981年，耕地面积几乎回到了历史最高点，然后在25年的时间里，断断续续地再次下降了13%，直到2007年，国会批准了可再生燃料标准的最终版本。在这一点上，耕地面积稳定了下来。

　　泰勒·拉克正在检查的这张照片是大约十年前拍摄的。在谷歌 Earth 的帮助下，他做了一点时间旅行，通过多年后拍摄的图像向前滚动。随着他的滚动，许多草原消失了，取而代之的是玉米或大豆田。“在这里，2012年，它看起来还是草地；2014年，很明显被周围的农田吞噬了，”他说。

　　在那些年里，南达科他州是土地转换的热点，但人们注意到中西部其他地区也出现了类似的趋势，他们想知道为什么。泰勒·拉克说：“我们总是被问到，‘这其中有多大一部分是生物燃料造成的？’”这真的是一个很难回答的问题。我们从来没有真正得到过一个好的答案。国家野生动物联合会给了他一笔资金，让他找到了答案。

　　泰勒·拉克和他的经济学家和土壤专家团队用复杂的假设避开了全球经济模型。他们从拉克以前的工作中了解到的（乙醇生产扩张期间土地使用的实际变化）开始着手。然后，他们用一个主要作物供需的简单模型，来描述如果《可再生燃料标准》从未成为法律会发生什么。

　　他们的部分回答并不令人意外。如果没有乙醇的繁荣，2007年前的土地使用趋势将会继续。在2008年至2016年期间，更多的土地（500万英亩）将保留在草地状态，而不是转化为种植作物。

　　其中，引人注目的部分是他们对实际采取路线的温室气体排放变化的估计。与 GTAP-BIO 形成对比的是，他们发现许多新扩大的玉米地含有富含碳的土壤，因为这些玉米地在十多年前一直是草地。耕种和施肥增加的土地释放了大量二氧化碳和一氧化二氮 —— 事实上，如此多的二氧化碳和一氧化二氮使得从玉米中生产的乙醇，对气候的危害和汽油一样，甚至可能比汽油还要严重20%以上。

　　当这篇论文发表在《美国国家科学院院刊》上时，长达十年之久的生物燃料之争再次爆发。法扎德·塔赫里普尔和其他科学家一起在网上发表了对这篇论文的批评，抨击它的方法，认为它系统地高估了土地转换的碳排放。行业组织在自己的攻击中也引用了这些批评。可再生燃料协会称泰勒·拉克的研究是对该行业的“打击”，并要求美国环境保护署（Environmental Protection Agency）将泰勒·拉克排除在该机构正在组织的生物燃料审查小组之外，因为他的工作“存在已知的缺陷和不准确之处”。

　　当泰勒·拉克和他的合著者回应，为他们的方法和结论辩护时，法扎德·塔赫里普尔的团队用一篇更严厉的35页的评论进行了反驳。

　　上图：卡车司机将玉米运送到伊利诺斯州迪凯特市阿彻丹尼尔·米德兰（ADM）乙醇和玉米糖浆生产厂等待的谷物升降机中。

　　大部分争议都涉及计算土地转换碳排放的技术问题。但泰勒·拉克和法扎德·塔赫里普尔也有更深层次的分歧，根植于对国家土地的不同优先考虑。

　　法扎德·塔赫里普尔警告说，生物燃料繁荣之前的那些年，美国农民受到粮食过剩的困扰，压低了价格。“玉米没有市场，”他说。“我们开始生产生物燃料，从而避免了把我们的作物扔进海洋。”他说，如果没有乙醇生产工厂来购买玉米，农民将不得不闲置他们的一些土地，而闲置的土地，没有任何价值。”

　　但泰勒·拉克论文中的反事实情景（没有采取的路径）含蓄地提出了不同的观点。如果土地不再需要供应乙醇工厂，它可以带来至关重要的环境效益。草原可以从大气中捕获碳并将其储存在土壤中，这是一种自然气候解决方案，也可以清理水道，为鸟类、传粉者和其他野生动物提供栖息地。这些解决方案是实现净零排放目标的许多方案的关键部分。

　　困难的部分 —— 泰勒·拉克和法扎德·塔赫里普尔都同意这一点 —— 是找到衡量这些环境效益的方法，并为此向土地所有者支付报酬，就像他们种植玉米一样。在某种程度上，美国农业部已经这样做了，通过一些项目向农民支付报酬，以保护草原或森林区域。这类举措将会扩大。美国国会在8月份通过的《通货膨胀削减法案》为他们提供了180亿美元的额外资金。

　　有一种生物燃料是泰勒·拉克和法扎德·塔赫里普尔都欢迎的：来自多年生植物的能源，比如原生草原草。这些草可以收获，让根部不受干扰地生长，在土壤中积累富含碳的有机物，避免了将土地变成玉米田所造成的大部分环境破坏。收获的纤维素生物质可以发酵生产乙醇，或者直接在发电厂燃烧。泰勒·拉克说：“减少径流、改善水质、提供野生动物栖息地等所有这些环境效益都将得到改善，而且仍然能够收获这些资源并将其用作生物能源。”

　　生物燃料爱好者几十年来一直梦想着这种燃料，对它们的研究仍在继续，包括五大湖生物能源研究中心，就在泰勒·拉克办公室的街对面。不过，到目前为止，它们还没有取得商业上的成功。与含富淀粉的玉米粒不同，在产生乙醇的微生物能够以草秆为食之前，草秆必须经过额外的加工，这是昂贵的。

　　相反，人们的热情转向了另一种生物燃料，即可再生柴油。它是在炼油厂中生产的，这些炼油厂被配置为处理豆油或玉米油，或来自牛肉屠宰场的动物脂肪。

　　但不幸的是，可再生柴油并没有结束对土地的竞争。如果有什么区别的话，那就是它加剧了这种冲突，因为可再生柴油越来越多地直接从植物油中生产出来，而植物油本来可以滋养人们的身体。目前，它的使用比乙醇增长得更快。

　　上图：包括传统炼油厂在内的许多公司已宣布计划扩大可再生柴油的生产。这可能使产量增加六倍，但专家预计一些计划将被取消。

　　可再生柴油的产量仍然相对较小，但由于现在加州低碳燃料标准（Low Carbon Fuel Standard）的财政激励，可再生柴油的产量正在快速增长。该标准是该州减少交通运输温室气体排放的核心措施。

　　加州依靠普渡大学的 GTAP-BIO 模型，来计算单个工厂生产的每种生物燃料的温室气体排放分数。该模型通常会给可再生柴油打高分，这意味着公司通过生产可再生柴油可以获得大量利润丰厚的碳信用。

　　ICCT 的斯蒂芬妮·塞尔（Stephanie Searle）表示，这些分数太有利了。她说，可再生柴油对环境的影响，远至印度尼西亚的森林都能感受到。她说，可再生柴油炼油厂正在抬高豆油的价格，这促使豆油的传统用户转而购买棕榈油。

　　这种对棕榈油需求的增加，反过来可能会威胁到印尼的热带森林 —— 包括在耕种时释放大量二氧化碳的富含碳的泥炭土壤。

　　去年，可再生柴油的产能翻了一番。加上其他类似的可再生生物燃料，它每年已超过20亿加仑。它和一种早期的名为生物柴油（生物质柴油），现在占据了加州所有柴油销售的近三分之一。加拿大和俄勒冈州正在实施类似的法律，这也将刺激需求。

　　批评者说，更令人担忧的是，与可再生燃料标准不同的是，该标准仅仅规定了生物燃料的最低使用量，加州的激励措施可能会推动生物燃料生产不受抑制的螺旋式上升。斯蒂芬妮·塞尔说：“这无意中支持了可再生柴油中植物油的大规模使用。”

　　斯德哥尔摩环境研究所的环境科学家西万·卡萨担心的正是这种可能性 —— 盲目寻找化石燃料的替代品，可能会推动生物燃料需求的爆炸性增长。“正如我们所知，我们对能源的胃口是难以满足的，”他说。转向电动汽车将减少对乙醇的需求，但在飞机、船舶和长途卡车等电池难以完成工作的地方，有一种新的推动，即部署生物燃料。

　　根据西万·卡萨的说法，世界上拥有广阔生态系统的农田，人均占地不到半英亩。同时，生产足够一辆普通乘用车使用的生物燃料，需要超过1.2英亩的土地。（光伏太阳能电池阵列每英亩土地产生的可用能量是生物燃料的数倍，而且，还可以安装在无法种植粮食的干旱荒芜地区。）

　　西万·卡萨说，很明显，依赖农作物为全球汽车提供燃料将大大增加对肥沃土地的需求，这对那些依赖这些土地生存的人来说，可能是灾难性的后果。

　　对于一直在争论生物燃料的科学家来说，他们也越来越清楚，他们永远无法解决在生物燃料生产对温室气体排放的确切影响上的分歧。“这是一个非常两极化的问题，”伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的农业经济学家马杜·卡纳（Madhu Khanna）说，他是泰勒·拉克论文批评的合著者之一。他说，对一些人来说，“无论证据是什么”，担忧仍将存在。

　　ICCT 的斯蒂芬妮·塞尔说，试图微调经济模型并计算生物燃料的影响是“徒劳的行为”，她认为政府应该停止，如此严重地依赖模型来计算生物燃料的经济激励。相反，他们应该将产量限制在一个不会引发更多破坏性土地清理的水平。斯蒂芬妮·塞尔和她的同事呼吁加州对可以合法加工成燃料的植物性油的数量设定上限。她说：“也许它可以像目前的使用量一样，随着时间的推移略有增加。只要找到一些方法来限制爆炸性增长就行了。”