法国大规模发展沼气生产：与生物质填埋相比，长期来看具有更显著的气候效益

《Science of The Total Environment》：Large-scale development of biogas production in France: Improved climate benefits over the long term compared to biomass burial

中国式现代化中的能源安全与碳中和路径研究。

　　生物能源在当今全球范围内被广泛认为是减少温室气体（GHG）排放和推动可持续发展的关键手段之一。其中，厌氧消化（Anaerobic Digestion, AD）作为一种将农业废弃物转化为生物沼气的技术，因其在能源生产和温室气体减排方面的潜力而受到高度关注。然而，尽管AD在许多国家得到了大规模推广，其对温室气体减排的实际贡献仍存在较大的不确定性。这主要是因为不同类型的生物质在厌氧消化过程中的碳氮转化效率差异较大，而直接埋入土壤的碳储存效果则受到多种因素的影响，包括土壤类型、气候条件以及生物质的化学组成等。因此，需要更深入地研究AD与直接埋入土壤这两种农业生物质利用方式对温室气体排放的长期影响，以期为政策制定和可持续发展提供科学依据。

本研究通过空间显式的建模方法，结合厌氧消化模型和土壤碳模型，对法国全国范围内的农业生物质AD与直接埋入土壤两种方式的温室气体净排放进行了系统比较。研究结果表明，AD在减少温室气体排放方面比直接埋入土壤更为高效，其优势主要体现在化石燃料替代和降低粪便储存过程中的甲烷（CH?）排放。尽管AD在初期可能会导致土壤碳储存能力下降，但从长期来看，两种方式的碳储存效果趋于一致。研究还发现，通过将生物沼气注入天然气管网，法国每年可减少约10.8百万吨二氧化碳当量（CO? eq）的温室气体排放，如果在农业中广泛推广覆盖作物，则这一数值可能进一步提升至17.1百万吨CO? eq/年，分别占法国全国温室气体排放的2.6%和4.1%。这些结果表明，AD在减少温室气体排放方面具有重要的潜力，特别是在促进生物能源替代化石燃料和优化农业废弃物管理方面。

在农业生物质利用的背景下，AD不仅能够产生可再生能源，还能通过减少粪便储存过程中的温室气体排放，提高农业系统的环境效益。例如，通过厌氧消化，农业废弃物中的有机物质可以被转化为生物沼气，从而减少对化石燃料的依赖，并在过程中回收甲烷。此外，消化后的副产品——消化液（digestate）——可以作为有机肥料使用，替代化学合成肥料，从而降低氮肥的使用量并提高土壤碳储存能力。然而，研究也指出，AD过程本身可能会产生一定的温室气体排放，尤其是甲烷排放，这需要在模型中加以考虑。

为了全面评估AD与直接埋入土壤两种方式的环境影响，本研究采用了高分辨率的空间建模方法，对法国3705个NUTS4地区（即法国的最细分行政区域）进行了分析。研究中考虑了多种农业生物质，包括家畜粪便、作物残余物、覆盖作物以及污水污泥。通过模拟不同地区的生物质资源和农业实践，研究团队能够更准确地评估AD在不同区域的减排潜力。例如，在“监管覆盖作物”（Regulatory CC）选项下，AD的减排效果主要来源于对化石燃料的替代，而“广泛覆盖作物”（Generalized CC）选项则通过增加生物质的可利用量，进一步提升了AD的减排潜力。

在具体建模过程中，研究团队利用了SYS-Metha生物物理模型来模拟生物沼气的生产过程，以及AMG模型来评估土壤碳储存的变化。这些模型能够考虑不同生物质的碳氮转化特性，并结合土壤类型和气候条件，预测土壤有机碳储量的动态变化。此外，研究还考虑了氮素在土壤中的循环过程，包括氮素的固定、释放以及与土壤有机质的相互作用。通过这种方式，研究团队能够更全面地评估AD对农业生态系统的影响，特别是在碳和氮循环方面的表现。

研究结果显示，AD在减少温室气体排放方面具有显著优势，尤其是在减少甲烷排放和替代化石燃料方面。然而，由于AD过程中部分碳被转化为生物沼气，导致土壤碳储存量低于直接埋入土壤的情况，这种差异在长期中会逐渐缩小。这意味着，尽管AD在短期内可能对土壤碳储存产生一定的负面影响，但从长期来看，其对温室气体的总体减排效果仍优于直接埋入土壤。这一结论对于推动农业生物能源的发展具有重要意义，特别是在考虑气候变化和可持续发展目标的背景下。

此外，研究还指出，AD的减排效果受到多种因素的影响，包括生物质的种类、储存时间、以及能源的最终用途。例如，当生物沼气被直接注入天然气管网时，其减排效果显著高于用于联合发电（Cogeneration）的情况，因为联合发电过程中部分能量被用于加热，这可能会增加温室气体排放。因此，在制定AD政策时，应优先考虑将生物沼气注入天然气管网，以最大化其对温室气体减排的贡献。同时，研究也强调了推广覆盖作物的重要性，因为这不仅能够增加生物质的可利用量，还能提高AD的减排效率。

研究的局限性主要体现在以下几个方面。首先，农业实践和生物质管理的假设可能会影响模型的准确性。例如，某些作物残余物的收集和处理受到天气条件和农业周期的影响，这可能会限制其在AD中的应用。其次，模型中未考虑氮素利用效率（NUE）的差异，这可能导致对氮素排放的估算不够精确。此外，研究未涉及土壤碳饱和度的问题，即当土壤中的矿物质达到饱和状态时，有机碳的储存能力可能受到影响。最后，尽管假设生物沼气能够完全替代化石燃料，但实际数据表明，可再生能源的使用往往只是部分替代化石燃料，而非完全取代，这可能会影响AD的减排效果。

总体而言，本研究为理解AD在温室气体减排方面的潜力提供了重要的科学依据。通过空间显式的建模方法，研究团队能够更准确地评估不同农业区域的减排效果，并为政策制定者提供决策支持。然而，为了进一步提高模型的准确性，未来的研究需要更加细致地考虑农业实践、氮素利用效率以及土壤碳饱和度等因素。此外，随着生物能源技术的不断发展，探索更多生物沼气的利用途径，如用于农业温室、化学工业或甲烷合成等，可能有助于进一步提升AD的环境效益。这些研究结果不仅对法国的农业政策具有指导意义，也为其他农业大国在推动生物能源发展和减少温室气体排放方面提供了有益的参考。