中西部生物能源系统土壤二氧化碳当量排放与理论乙醇产量：解锁生物能源作物的潜力

《BioEnergy Research》：Soil Carbon Dioxide Equivalent Emissions and Theoretical Ethanol Yield from Midwestern Bioenergy Systems

为解决生物能源作物类型对温室气体（GHG）减排潜力和理论乙醇产量影响不明确的问题，研究人员开展了对中西部地区一年生和多年生生物能源作物的研究。结果表明一年生作物二氧化碳当量（CO2?eq）较低、理论乙醇产量（TTEY）较高，多年生作物中芒草（MS）优势明显。该研究为生物能源领域提供重要参考。

　　在全球能源需求不断增长，对能源安全和环境可持续性愈发重视的当下，石油资源逐渐走向枯竭，国际能源格局面临重大调整。生物能源作为一种可再生能源，其开发和利用备受关注。生物燃料的使用不仅有助于减少对化石燃料的依赖，还能降低温室气体（GHG）排放，这对于实现《巴黎协定》中限制全球平均气温上升的目标至关重要。

然而，生物能源领域并非一片坦途。在生物能源作物的选择上，一年生作物和多年生作物各有优劣，它们在能源生产和温室气体排放方面的表现差异显著，却又缺乏直接且系统的比较研究。例如，一年生作物玉米和高粱的生物质产量较高，但因大量使用氮肥，其二氧化碳（CO2?）和氧化亚氮（N2?O）排放也相对较高；多年生作物柳枝稷和芒草虽能减少温室气体排放，可在生物质转化为乙醇的效率方面却不尽人意。这种不确定性使得在生物能源作物的推广和应用上，难以做出科学合理的决策，阻碍了生物能源产业的高效发展。

为了突破这一困境，美国农业部农业研究服务局、普渡大学等机构的研究人员展开了一项意义重大的研究。研究成果发表在《BioEnergy Research》上，为生物能源领域带来了新的曙光。

在这项研究中，研究人员采用了多种关键技术方法。实验选址在普渡大学水质野外试验站，采用随机完全区组设计，设置五个处理组，每个处理组有四个重复。通过非稳态通风室法测量土壤CO2?和N2?O通量，利用气相色谱仪分析气体成分。计算CO2?eq时，综合考虑CO2?和N2?O排放，并根据N2?O的全球变暖潜力进行换算。估算理论乙醇产量（TTEY）时，结合生物质产量、糖类回收率、发酵效率等多方面数据进行复杂计算。

研究结果主要体现在以下几个方面：

1. 总生物质产量：芒草在研究期间平均每年产生约21Mgha?1的生物质，产量最高。在整个研究期间，一年生作物系统的总干物质生物质产量显著高于多年生作物。不过，多年生作物中的芒草产量较高，只是受气候影响较大。
2. CO2?eq：研究发现处理和年份之间对CO2?eq存在显著的交互作用。恢复草原的CO2?eq排放通常较高，这与草原根系生物量大有关。芒草在多数年份的CO2?eq测量值最低，说明其在减少温室气体排放方面有一定优势。多年生作物在研究后期的CO2?eq高于一年生作物，平均来看，多年生和一年生处理的CO2?eq分别为6.5和5.7MgCO2??Cha?1year?1。
3. TTEY：处理和年份对 TTEY 的交互作用也十分显著。芒草的 TTEY 最高，平均每年可达189.4GJEtOHha?1 ，恢复草原的 TTEY 最低。总体而言，一年生作物的 TTEY 显著高于多年生作物，约为多年生作物的 1.3 倍。
4. CO2?eq与 TTEY 的关系：通过计算CO2?eq/TTEY比值（CTR）来探究两者关系，发现处理和年份对 CTR 的交互作用显著，但植物类型和年份的交互作用不显著。恢复草原的 CTR 较高，主要是因为其CO2?eq高且 TTEY 低；芒草的 CTR 最低，表明其在能源生产和温室气体排放的平衡上表现最佳。平均来看，一年生和多年生作物的 CTR 分别为51.5和362kgCO2?eqGJ?1EtOH，差异明显。

综合研究结果和讨论部分，该研究意义非凡。一方面，研究结果明确了一年生作物在产生更多 TTEY 的同时，具有较低的CO2?eq，为生物能源作物的选择提供了重要依据。另一方面，多年生作物中芒草在 TTEY、减少排放和潜在碳固存方面优势突出，这对于挖掘多年生作物的潜力，推动生物能源产业的可持续发展具有重要指导意义。此外，该研究成果有助于完善相关模型，提高对不同气候情景下农业部门全球变暖足迹的预测能力，以及更准确地估算乙醇产量和能源产量，为生物能源领域的发展提供了坚实的理论支持和数据参考，为实现能源转型和应对气候变化目标注入了新的动力。