研究 Joseph Fargione 等人的“土地开垦与碳生物燃料债务”和 Timothy Searchinger 等人的“美国农田用于生物燃料的利用增加了温室气体，通过土地利用变化产生的排放”，均发表于 2008 年 2 月 7 日的《科学》杂志。
问题 从化石燃料转向生物燃料是否真的能减少温室气体？我们仔细研究了两项重大且有争议的研究，它们探讨了用于生产生物燃料而遭到破坏的生态系统中产生的碳排放。
方法 亚马逊雨林和巴西草原的大片土地正在被转变为种植大豆和甘蔗的农场——所有这些都用于生产生物燃料。印度尼西亚和马来西亚的热带雨林和泥炭地以及美国的草原也被改造成了生物燃料作物。这是令人不安的趋势，正如 Joseph Fargione 所说，他是大自然保护协会的区域科学总监，也是我们在此审视的两项研究的作者之一。Fargione 和他的同事们仔细研究了那些被改造成农田的区域是如何充当二氧化碳储存系统的。Fargione 说，树木、草和其他植物吸收二氧化碳，并将其碳整合到它们的结构中。但是，当土地被转为农业用途时，植物被砍伐、焚烧或加工，储存的碳最终会作为温室气体重新释放到大气中。利用近 50 项先前研究的数据，Fargione 的团队计算了这些景观中储存的碳量，以及每英亩用于生产生物燃料的土地转换的前期碳成本。
在第二项研究中，普林斯顿大学的研究员 Timothy Searchinger 考察了一个未来情景，即美国大幅增加玉米乙醇的产量，此举将减少国内的粮食和饲料作物。然而，这些饲料作物必须在其他地方种植，而为弥补美国损失的作物所需的全球土地转换将释放二氧化碳。为了展示这类变化的影响，Searchinger 和他的同事们模拟了为抵消美国 560 亿升乙醇产量（根据目前的税收抵免和保守的石油价格估计，预计到 2016 年将处理的乙醇量）所需的全球土地利用变化。利用爱荷华州立大学创建的经济模型，研究人员预测了世界各地的农民需要将多少土地用于饲料作物生产，以及他们在哪里进行种植。基于此，研究人员能够估算出土地转换造成的温室气体总排放量。
结果 两项研究均发现，与生物燃料生产相关的土地利用变化将是未来温室气体的重要来源。Fargione 报告说，总的来说，生物燃料在几十年到几百年内会产生更高的总排放量。一些生态系统的排放量出奇地高——美国转换为玉米农场的草原会增加 93 年的二氧化碳排放量。
Searchinger 的前景更为黯淡：他估计，与我们当前基于化石燃料的经济相比，美国玉米乙醇产量增长将在 167 年内增加温室气体排放。
意义 Fargione 说：“任何导致自然生态系统被砍伐的生物燃料都可能加剧全球变暖。”但并非所有生物燃料都一样。例如，巴西生产的甘蔗乙醇在排放方面被两位研究人员视为最有效的来源。然而，只要存在土地转换，生物燃料就无法减少二氧化碳排放。由不需要土地转换的来源生产的生物燃料，如玉米秸秆（玉米收获后留下的玉米植株部分）、动物粪便、受损树木、藻类和食物垃圾，都是有希望的替代品。
研究背后的数据 • 植物和土壤中储存的碳量几乎是大气中的三倍。 • 目前总碳排放量约有 20% 来自土地利用变化。 • 2004 年，美国有 7400 万英亩土地用于玉米种植，用于牲畜饲料和粮食作物。到 2016 年，该面积的约 43% 将用于收获玉米生产乙醇。 • 印度尼西亚新种植的棕榈油中，有 27% 是在曾经是热带雨林的土地上开发的；其中 1.5% 的土地每年都在被砍伐。 • 2006 年，美国生产了 2.5 亿加仑生物柴油。总生产能力已达 14 亿加仑/年，预计随着新工厂的建设和现有工厂的扩建，产能将翻倍。 • 2006 年乙醇产能为 44 亿加仑，预计随着目前的建设和扩建项目，产能将增加 21 亿加仑。 • 美国汽油消费量为每天 3.89 亿加仑，即每年约 1420 亿加仑。
另一种观点 密歇根州立大学的生物燃料研究员 Bruce Dale 表示，基于本质上复杂的经济模型进行预测存在巨大的不确定性。此外，他认为美国不应负责“除自身环境足迹之外的任何事情”，并且考虑世界范围内的土地变化是不合理的。自然资源保护委员会的 Nathanael Greene 回应说，将经济模型纳入生命周期排放分析是适当的。与 Dale 不同，他认为其他国家的土地利用变化不应被排除在生物燃料影响的计算之外，因为这类间接影响通常已纳入环境法规。
潜在替代方案 使用农业废弃物而不是实际的农业来生产生物燃料，可以避免土地转换的需求——很多材料就在那里——而且产生的燃料比玉米多。
以玉米秸秆（玉米收获后留在田间的叶子和茎）为例，每年生产 2.5 亿干吨，除了在收获后立即作为放牧牛的饲料外，很少得到利用。科学家们认为，一些秸秆应该留在田里以防止土壤侵蚀，但仍有大约 40% 到 50% 的秸秆可以用于生产生物燃料。为了降低商业规模处理玉米秸秆的成本，需要一种有效分解纤维素以生产乙醇的方法。去年二月，能源部选定了六家公司，获得资金支持建设乙醇厂——这些工厂将在未来三年内投入运营——它们将利用新技术处理玉米秸秆和其他类型的农业废弃物。
与玉米秸秆相比，木材废料的潜力有限，原因在于收集和运输成本很高（对于伐木后剩余的木材），以及存在竞争性用途（对于锯木厂的残余物，这些残余物目前被用作覆盖物、刨花板以及为其他设施供电）。
许多农场已经开发出将每年生产的数亿吨动物粪便转化为甲烷以获取电能和热能的方法；从三月开始，加利福尼亚州的 1200 户家庭将由牛粪供电。尽管如此，利用动物粪便生产生物燃料目前在全国范围内还不可行，因为运输起来不切实际。在牛数量众多（以及它们不可避免地产生大量粪便）的地区，公司最适合将动物粪便从污染空气（通过甲烷、二氧化碳和氨气）和水源转变为乙醇生产的燃料。一个例子是 Panda Ethanol 公司，该公司正在德克萨斯州赫里福德建造美国最大的生物质工厂，它将利用 350 万头放牧牛的粪便来生产每年约 1.15 亿加仑的乙醇。
在美国，每年有 960 亿磅食物被浪费，其中大部分最终被填埋，并产生温室气体。通过厌氧消化——细菌分解有机物——食物垃圾可以转化为生物燃料。在加利福尼亚，Onsite Power Systems 公司已开始商业化生产一种厌氧消化系统，该系统采用特殊设计，为细菌创造最佳环境，从而更高效、更经济地将食物垃圾转化为生物气体（氢气和甲烷）。这些生物气体可用于汽车或供暖。
藻类可能是最有前途的生物燃料。藻类不仅在生长时会消耗二氧化碳（并可能利用发电厂的二氧化碳来生产生物燃料），而且它可以在任何地方生长，不需要大面积的传播空间。有些物种的体重有高达 50% 是油，可以提取并加工成生物柴油。目前，美国国家可再生能源实验室正与雪佛龙公司合作，开发更具成本效益的规模化种植和收获绿色燃料的工艺。
