在伊利诺伊州迪凯特市郊外的平坦农田中，一辆装满玉米穗轴的自卸卡车驶入由商品巨头阿彻丹尼尔斯米德兰公司运营的乙醇工厂一端的仓库。玉米被送入大型发酵罐，转化为乙醇，然后用卡车运往炼油厂，与汽油混合后在全国销售。发酵过程释放出二氧化碳，这些二氧化碳被捕获在一个大型烟道中，然后通过管道输送到井口。泵将气体输送到地下深处，在那里它将被困在砂岩岩层中。
这个试点项目即将完成为期三年的试验，作为一种从大气中去除二氧化碳的新方法，同时提供一种可行的商业产品来支付费用。二氧化碳在玉米植株生长时被吸收；将气体注入砂岩中可永久储存二氧化碳。
但是，玉米用于燃料的做法在美国2000年代加速发展，备受争议。玉米可以养活人和牲畜；种植生物燃料植物占用了原本可以用来种植作物的土地。在汽车中燃烧乙醇会产生新的二氧化碳排放，收割和运输玉米也会产生二氧化碳排放。发酵、管道运输和注入都需要能源，至少在中西部地区，这些能源可能来自化石燃料。玉米基乙醇是否能够实现大气二氧化碳的净减少，即使是很小的减少，目前尚不清楚。
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迪凯特工厂是生物能源与碳捕获和储存（BECCS）工艺套件的一个例子。尽管该设施使用谷物，但大多数技术的目标是木本植物，包括树木、灌木和草类，这些植物被转化为液体燃料或燃烧以产生电力。这些活动产生的排放物可以被封存在地下，或者被收集起来作为原材料出售——主要用于化工厂或注入顽固的油藏以迫使更多的石油流出。
生物质能在10年前基本上被忽视，但现在在减少气候变化的蓝图中被赋予了重要的角色。应用清单很长而且还在增长；除了生物燃料外，还包括生物质燃烧发电和供热、产生商业甲烷的生物消化池、改良土壤的生物炭，以及绝缘材料、建筑材料和生物塑料。《政府间气候变化专门委员会（IPCC）关于全球升温1.5℃的特别报告》（2018年）及其特别报告《气候变化与土地》（2019年）、美国国家气候评估（2018年11月发布）以及“减缓气候变化项目”在其2020年《减缓气候变化项目评估》中的情景等严重依赖生物质能的路线图都包括了生物质能。电力、燃料和塑料等强大的行业正在大力押注生物质能作为原料，将预计需求推向了天文数字。
路线图背后的科学共识是，为了维持适合文明的气候，全球变暖应限制在前工业化水平以上1.5摄氏度以内。IPCC《1.5℃报告》指出，相对于2010年的水平，这需要在2030年之前减排45%，并在2050年之前实现净零排放。人类剩余的碳预算——在超过1.5℃之前可以容忍的未来排放量——为4200亿至5800亿公吨。要保持在这个限度内，既需要大幅削减排放，也需要从大气中去除二氧化碳。IPCC估计，BECCS每年可以封存0.4亿至113亿吨二氧化碳。“减缓气候变化项目”不包括BECCS，但计算出每年从其他生物质应用中平均去除11亿至25亿吨二氧化碳。
问题在于，大多数计划都假设他们可以拥有他们想要的尽可能多的生物质能。事实是，生产所有这些生物质能所需的土地构成了一个严重的制约因素。IPCC报告称，仅大规模实施BECCS就需要3亿至7亿公顷（Mha）的土地——面积大致相当于印度（3.28亿公顷）或澳大利亚大陆（7.69亿公顷）。而大多数适合BECCS的土地今天都用于农业。
以如此大的规模种植用于BECCS的生物质能，更不用说其他应用，将与生产粮食作物所需的农田和牲畜所需的牧场发生严重的冲突。森林也将变得脆弱，因为这些计划要求砍伐森林以获取生物质能，并将其替换为高产桉树或松树的单一物种人工林——大型单一栽培破坏了生物多样性。
适度消耗生物质能进行碳封存可能是可持续的。一些方法甚至可以提高作物产量以及木本植物的产量。但是，预计的需求非常高。BECCS是房间里的大象。IPCC和其他组织几乎把所有的生物质能鸡蛋都放在这一个篮子里，尽管据全球碳捕获和储存研究所称，全球只有大约五个小型BECCS示范项目。这是一个有风险的减缓气候变化策略。
对生物质能需求的急剧增加将进一步加剧已经成为未来土地如何利用的重大斗争。关于是否应该将更多的土地用于种植大豆以饲养牛，以满足不断增长的肉类需求，是否应该将农田用于生产生物燃料以替代化石燃料，以及如何保护森林而不是砍伐森林，紧张局势正在加剧。在一个具有内在限制的星球上，无限的选择是不可能的。一场全球性的生物质能争夺战已经开始，除非对期望做出一些重大改变，否则政府和行业最终将发生冲突。
在厄瓜多尔安第斯山脉种植的咖啡灌木在树荫下茁壮成长，树木可以提供有益的阴凉和落叶，以改善土壤。图片来源：Morley Read Alamy
即将到来的争夺战
我们的物种一直依靠生物质能来满足基本需求，几乎没有考虑我们正在使用多少。长期以来，木本植物对于制造工具、房屋、建筑物、船舶、垫子、地毯、纸张和纸板至关重要。竹子有1500多种已记录的用途。自我们最早的日子以来，生物质能实际上为我们的火提供了燃料。每天仍有超过30亿人在木柴火上做饭。
在19世纪中期，社会开始从木材转向化石燃料，以获取能源、材料和化学品。这种依赖是当前文明繁荣的基础，但也使我们濒临气候灾难的边缘。
今天收获的大部分生物质能——更恰当地称为木质纤维素生物质——来自树木、竹子、草本植物和作物残茬，如玉米秸秆。生物质能已成为一种有吸引力的气候解决方案，因为它在某种程度上是可再生的——它可以一次又一次地生长。
BECCS是所有计划中确定的主要生物质能来源。它仍然主要是一个理论过程，使用与从化石燃料发电厂中去除气体相同的技术来捕获二氧化碳排放。最大的问题是所需的生物质能的量。IPCC在其《1.5℃报告》中指出，将全球变暖限制在1.5℃或2.0℃的所有途径都需要在本世纪去除1000亿至1万亿吨二氧化碳。去除包括重新造林，农业实践可以帮助将碳封存在土壤和多年生植物中，但在IPCC的计划中，BECCS被认为是保持在全球碳预算内的主要工具。将3亿至7亿公顷的农田转变为生物质能生产，与不断增长的粮食需求根本不相容。
如果粮食生产是不可谈判的，那么就很难找到大量的土地。一些先前废弃的农田可以重新投入生产可以在贫瘠土壤上生长的生物质能作物，但牧场主和畜牧者已经在这片区域放牧了相当一部分牲畜，其中大部分是牧场。与此同时，对我们来说，为了创建生物质能人工林而砍伐森林——大型气候计划认为这是不可取的，但如果全球排放量不迅速减少，这将是不可避免的——是不可接受的。森林是重要的碳汇；毁林已经是人为排放的9%的来源。为了减少二氧化碳和保护生物多样性，必须保护和扩大森林，而不是将其夷为平地。“减缓气候变化项目”的预测在某种程度上是独特的，因为它只考虑不损害粮食安全或加强森林保护和恢复的新供应来源。
不涉及BECCS的1.5℃路径仍然需要不切实际的生物质能数量。世界对液体生物燃料的无限需求也是不可持续的；根本没有足够的农田来种植原料以替代我们使用的大量燃料。如果美国种植的所有玉米都发酵成乙醇，那也只能满足该国汽油和柴油需求的25%——而且不会留下玉米供人和动物食用。
为了了解BECCS的部署水平可能会将世界的生物质能和粮食供应推向不可持续的境地，我们分析了2015年全球用于所有目的的生物质能总量，然后预测了到2050年的需求，包括主要报告中要求的低水平和高水平的BECCS。在两种情景中，仅增加供应就无法在不破坏森林的情况下满足需求。仅减少需求也无法将生产控制在地球的生物质能能力范围内。只有通过积极减少某些需求，同时积极增加某些形式的供应，才有可能提供所需的生物质能——对于适度依赖BECCS的情况[见下图]。满足高BECCS情景最终需要4.5亿公顷的土地，超过欧盟的面积。
即使是低BECCS情况也引发了巨大的社会担忧。所需的大部分土地现在由小农户耕种，由牧民放牧，或是一些土著人民管理的森林的所在地——这些土地可能会在违背他们意愿的情况下被夺走。近年来，全球约有1200万人已经沦为这种土地掠夺的受害者。东南亚和巴西的土地已被征用以扩大油棕榈生产，非洲部分地区的土地已被征用以生产可可等种植园作物。
图片来源：Jen Christiansen
减少需求
在追求一些可持续供应策略的同时，减少生物质能需求可以减少二氧化碳，而不会影响粮食生产或砍伐森林。第一步是减少消费。在全球范围内，纸张回收已经每年减少了4.84亿公吨（MMT）来自森林和人工林的纸浆木材需求。“减缓气候变化项目”预测，到2050年，回收量将增加到每年约11亿公吨。该项目还估计，用清洁炉灶（有很多类型）取代传统的木柴炉灶，到2050年可以减少17亿公吨的木材消耗。炉灶还可以通过减少家庭烟雾来改善健康，这是一项重要的益处。
一些现在被丢弃为垃圾的生物质能废弃物可以成为产生能源的原材料，包括木材加工和住宅景观绿化产生的废弃物。作物残茬——食物作物收获后剩下的残余物，如玉米秸秆和玉米芯——也可以在不改变土地利用的情况下提供一些生物质能。然而，其中一些已经被计算在内：目前约有四分之一的材料用于喂养牲畜或增加农业实践。另有50%最好留在田地里分解和重建土壤。这样一来，只有四分之一的年度残茬可以作为新的原材料。
这些方法加起来可以大大减少生物质能需求。但它们并没有释放出足够多的生物质能来控制气候变化。
提高产量
提供可持续生物质能供应的第二步是在相同的全球足迹上生产更多的生物质能。也许最广泛推广的方法是大规模扩建商业木材人工林——大片的桉树林、松树林和其他树种。这些人工林每公顷产生的木材比天然森林多得多。但是，用单一树种覆盖大片土地可能会破坏生物多样性、水质和洪水缓解。据全球粮食和农业组织称，全球今天约有2.94亿公顷土地用于木材人工林。增加这一面积将是困难的，因为同样，可用的土地是有限的。
天然森林在木材和土壤中储存了大量的碳，因此加强森林保护非常重要。然而，它们也很容易受到野火的影响，而且并非所有从大气中去除的碳都被永久封存；死亡、腐烂的树木会将一部分碳循环回空气中。
一些较新的生物质能生产技术正在扩大规模。其中一种技术为纤维素乙醇提供原材料，在这种技术中，某些草类和粮食作物的秸秆被转化为液体燃料。科学家们在寻找分解这种纤维材料的有效方法方面取得了进展。农民们正在种植大片的多年生草类，如芒草和柳枝稷，用于生物质燃烧，并希望看到燃料市场发展起来。另一种称为短轮伐期的策略涉及以极其密集的行种植速生树木，如柳树和杨树。这些树木每两到三年由重型设备收割一次，这些设备在田间直接将生物质能切成碎片。据“减缓气候变化项目”称，这些系统的总种植面积约为20万公顷，仍然很小，但预计该行业将大大扩张。
竹林为许多用途提供了现成的生物质能供应；这里看到的是日本京都的岚山竹林，被宣传为旅游景点。图片来源：Getty Images
缓解
有很多方法可以在不占用农业用地进行粮食生产的情况下大大增加碳封存，其中一些方法实际上可以提高作物产量。最广泛采用的技术是农林业，它将灌木和树木整合到作物和牲畜田中。在法国，木材树木和冬季谷物在同一片土地上生长，而不会相互竞争，因为树木在夏季长出叶子，而小麦在冬季长出叶子。那里的农民可以在100公顷土地上种植相当于木材和谷物分开种植时需要130至140公顷土地才能生产的作物。
木本植物也可以在牧场中种植。一种特别有前途的方法称为林牧系统，正在拉丁美洲迅速蔓延。灌木丛被密集地种植，牲畜浏览灌木丛以获取可食用的叶子，而速生树木（如桉树）成行地广泛种植，以留下充足的放牧空间。集约化林牧系统可以将牲畜生产力提高一倍或更多，同时封存大量的碳。
另一种称为常绿能源的方法是允许热带地区的小农户在同一片土地上生产粮食和用于能源的木材。农民在农田中种植豆科灌木，如灰绿枝木Gliricidia sepium。来自灌木的绿叶树叶可以为土壤施肥，并为牲畜提供饲料。灌木木材在旱季结束时收获，用于家庭燃料或出售给当地生产商，他们燃烧木材发电。这种方法可以显著提高粮食产量和生物质能产量，并且每年可以在土壤和根系中储存碳。它还可以提高农场收入和农村人口的就业机会。常绿能源已经在斯里兰卡广泛普及，正在非洲开发，并且可能在亚洲和拉丁美洲运行良好。如果BECCS技术变得可用，这将是生产BECCS生物质能的理想方式，而不会牺牲粮食生产。
扩大农林业具有巨大的潜力。据全球常绿联盟预测，仅肥料树木和灌木丛到2050年就将生产12亿公吨的生物质能。农林业已经很普及；全球43%的农业用地树木覆盖率超过10%，其中大部分位于热带地区。2000年至2010年间，农场中的树木在全球范围内增加了2%。热带地区的数百万农户家庭采用了农林业技术，并且有更多的人正在加入。全球常绿联盟发起了一项运动，目标是在本世纪中叶每年减少200亿吨二氧化碳。然而，要实现这一潜力，将需要农业推广部门为农民提供更多持续的支持。
尽管一些敬业的科学家和农民做出了努力，但美国的农林业仍然落后于世界其他地区。这种缺乏应用没有生物物理原因：农林业在其他温带地区和美国试验中都取得了成功。不情愿更多的是农业思维方式的问题。机械化耕作也不是限制因素；欧盟约有9%的农田用于农林业。或许生物质能生产可以从田地边界开始，然后慢慢向内推进。（沿着田地种植树木以打破引起侵蚀的风有助于使美国中部摆脱20世纪30年代的沙尘暴。）法国和中国都开发了将树木整合到大型机械化农场中的系统。印度也在取得显著进展。
美国玉米带等地区的机械化农场可以整合多年生草类，特别是柳枝稷和芒草。这些高大的草类可以被种植、收割和运输到生产燃料或电力的生物精炼厂。精准农业技术正在帮助农民确定他们田地中粮食作物产量不佳的区域，这些区域可能更适合开发多年生草类。
加工某些草类以获取能源还可以提供一种称为叶蛋白浓缩物的产品。它含有约50%的蛋白质，并富含维生素和矿物质。虽然人类可以食用，但它可能最适合作为牲畜的大豆替代品。草类每公顷产生的这种蛋白质产量高于大豆或任何其他粮食作物，而且由于草类是多年生植物，它们可以将碳封存在土壤中。
前进之路
为了满足BECCS和其他气候解决方案的需求，在澳大利亚大小的面积上种植生物质能既不可能也不可取。更明智的生物质能生产和消费可以在不破坏粮食供应或森林的情况下减少二氧化碳，但它无法治愈我们的气候疾病。IPCC明智地指出，在最有可能将升温限制在1.5℃的情景中，需要协调一致的政策来加强粮食安全和限制土地利用变化。仍然需要其他快速而深刻的转型来实现温室气体零排放，包括富裕国家和个人的减少消费、向清洁能源的转变以及交通运输和工业的电气化。
或许我们可以从当地人民那里找到灵感，他们已经在努力过上智能生物质能的未来。墨西哥韦拉克鲁斯州的拉斯卡尼亚达斯农民合作社的成员提供了一个有趣的例子。伐木已将该地区70%至90%的原始云雾林转变为牧场。在这个多山的景观中，太阳能和风能不是有希望的选择。这20个左右的家庭正在使用来自世界各地的最佳生物质能实践来满足他们的需求。他们已将木本植物整合到他们的玉米地和牧场中，种植了竹子和速生、萌芽的薪柴树，种植了50,000棵原生树木用于再造林，并采用了节约木材的清洁炉灶。他们正在试验一种燃烧木材发电的气化炉。成员里卡多·罗梅罗估计，一个家庭可以从大约26米乘26米的土地上满足其每年的烹饪燃料需求。或许我们其他人可以从合作社的愿景中学习。