EST:畜禽废弃物生物炭:可持续农业与气候变化缓解的新路径
研究概述
全球粮食系统贡献了约三分之一的人为温室气体排放，其中畜禽粪便管理是重要排放源。本研究通过开发GCAM-pyrolysis集成评估模型，首次在全球尺度上系统评估了畜禽粪便热解生物炭对农业生产和气候变化的综合影响。研究发现，广泛采用畜禽粪便热解生物炭可使作物产量中位数增加10%（3-27% CE），在2050年额外生产5.1 Pcal食物（中位数3.2-6.7 Pcal CE），同时实现显著的碳 dioxide 去除和温室气体减排。然而，热解的广泛采用可能需要食品公平和土地保护法规来缓解其不良影响，如某些地区主食价格上涨。研究方法与模型构建
本研究通过将热解模块整合到全球变化分析模型（GCAM）中，创建了GCAM-pyrolysis模型。该模型包含经济、能源、农业和水系统在32个地理区域的表示，并新增了六种产品：牛肉、奶业、绵羊和山羊、猪肉、家禽粪便以及生物炭。模型假设慢速热解在350-800°C低氧环境下进行，以最大化生物炭产量和碳封存。生物炭施用率计算基于其营养含量，限制施用率以满足作物磷和钾需求。模型采用SSP1基线情景（2100年约6.0 W/m²强迫），主要评估2050年的影响。敏感性分析包括24种情景，涵盖生物炭成本、产量、作物产量响应等关键参数的不确定性。食物需求与价格变化
GCAM-pyrolysis评估了热解引入对全球食物供应和价格的影响。模型预测，与参考情景相比，2050年大多数区域的食物生产几乎没有相关变化。净全球卡路里增加主要来自小麦、糖作物、其他谷物和玉米，而以水稻为代价。在价格方面，全球水平上，GCAM-pyrolysis预测主食价格将上涨2.96%（中位数2.37-3.37% CE），非主食价格下降0.26%（中位数0.18-0.33% CE）。然而，这些价格变化并非均匀分布，某些地区的主食价格涨幅超过10%，引发食品可负担性和空间公平关切。经济影响估计
热解系统的经济可行性是广泛采用的关键。GCAM-pyrolysis估计生物炭供应量因情景而异，基线情景下略低于100万吨/年。对农民而言，生物炭市场价格在采用初期保持高位，到世纪中叶区域中位数价格收敛于151-213美元/吨生物炭。饲料价格相对较低，家禽和牛肉粪便最便宜，使其对热解厂运营商具有吸引力。然而，使用生物炭作为土壤改良剂的农民盈利能力因作物和区域而异。许多作物的利润率显著低于采用"高"管理策略的相同土地，许多利润为负值。全球土地利用变化
评估热解引入引起的土地利用变化至关重要。GCAM-pyrolysis估计，2050年全球共有583,400 km²耕地（中位数511,600-640,700 km² CE）将施用生物炭，占耕地总面积的3.5%。这些土地主要用于种植玉米、豆类、小麦、植物油和其他作物。与参考情景相比，用于粮食生产的土地面积增加415,000 km²（中位数376,000-473,000 km² CE），同时大多数情景下用于生物能源作物生产的土地供应减少，森林和牧场土地也减少。区域层面显示，印度、巴基斯坦和东南亚等地区因土地利用变化和栖息地丧失而具有较高的生物多样性或生态系统影响风险。牲畜生产输入输出变化
热解对牲畜生产的影响通过评估畜群规模和饲料需求来量化。全球尺度上，GCAM-pyrolysis预测，与参考情景相比，生物炭生产系统的采用不会引起牲畜产品供应的相关变化（中位数增加0.23%）。饲料需求方面，2050年全球尺度几乎无变化（中位数增加0.05%）。虽然模型预测区域差异，但对大多数区域而言，这些差异几乎中性。某些饲料来源的变化，如非欧盟欧洲国家和印度的清道夫饲养大幅增加，非洲和美洲的清道夫饲养大幅减少，但其他饲料来源的变化与参考情景无显著差异。碳 dioxide 去除与温室气体减排
生物炭通过两种主要途径缓解气候变化：碳封存和避免排放。2050年，GCAM-pyrolysis模型预测生物炭贡献378 Mt CO₂当量/年（中位数325-435 Mt CO₂当量/年）的温室气体减排和211 Mt CO₂/年（中位数184-235 Mt CO₂/年）的碳 dioxide 去除。这可以抵消粮食系统年温室气体排放量的3.1%（中位数2.7-3.6% CE）。包括间接土地利用变化的影响，额外温室气体减排量为609 Mt CO₂当量/年（中位数-40至2,367 Mt CO₂当量/年）。加总后，中位数净脱碳影响约为14.8吨CO₂当量/吨生物炭（中位数6.4-31.1吨CO₂当量/吨生物炭）。模型敏感性分析
由于关键模型参数的高度不确定性，进行了敏感性分析。与GCAM 7.1版相比，关键参数变化很小，特别是在相对变化方面。所有情景均导致2050年全球温度高于参考情景。这种微小但持久的差异表明两种潜在原因：生物能源在能源部门可能贡献更多碳 dioxide 去除和温室气体减排；或者生物炭的碳 dioxide 去除和温室气体减排可能间接 enable 经济其他部门的温室气体排放。土地利用变化排放的置信区间 alone 压倒了生物炭温室气体减排和碳 dioxide 去除的更可靠估计，可能高估了总结果。政策建议与讨论
热解的引入会扰乱某些地区的粮食系统。由于GCAM-pyrolysis估计耕地大幅扩张而热量生产没有相应增加，可持续发展目标2（零饥饿）和15（陆地生物）之间存在固有权衡。需要在粮食生产侧实施政策干预，如建立耦合稻麦种植系统或制定促进饮食多样化的食品援助计划。生物炭含有比传统肥料更多的必要营养素，但需要实验验证或荟萃分析来了解生物炭在各种地理、经济和社会背景下提供作物营养素的程度。当地倡议可以使畜禽养殖户修改养分管理计划，纳入营养丰富的生物炭，带来额外的环境效益。需要保护自然土地免受生物炭改良的侵占耕地。评估生物炭对特定作物的采用情况仍然重要，以确保缓解气候影响和稳定的粮食供应。政策制定者可能希望在地方层面实施额外政策，同时保护现有自然土地和鼓励退化土地修复，同时允许粮食耕地扩张。研究结论
本研究通过GCAM-pyrolysis模型首次在全球尺度上评估了畜禽粪便热解生物炭的综合影响。研究证明，生物炭作为一种土地管理策略可以小幅降低大多数地区的粮食价格，同时通过碳封存和避免排放显著贡献于气候变化缓解。然而，热解的广泛采用需要周到的政策干预以确保公平性，并保护自然生态系统。该研究为制定可持续农业和气候变化缓解策略提供了重要科学依据。https://doi.org/10.1021/acs.est.5c11216
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