《Journal of Cleaner Production》：Environmental assessment of anaerobic digestion within net-zero and policy-aligned AFOLU sector futures
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本研究基于爱尔兰农业、林业及其他土地利用（AFOLU）的GOBLIN土地平衡模型，耦合详细的生命周期评估（LCA）模型LCAD 2.0，系统分析了2050年前不同政策情景下大规模和小型厌氧消化（AD）装置的部署可行性及环境影响。研究发现，高目标AFOLU转型需大幅减少牛肉产量并重新配置草场种植青贮作物和生物能源作物，才能有效保障5.7 TWh/年的生物质甲烷供应目标。大型AD装置在气候效益和环境影响方面表现最优，而小型装置的广泛部署可能加剧环境负担。AD对国家气候目标的贡献高度依赖AFOLU转型、土地 sparing策略与AD技术配置的协同作用。
佩德拉姆·沃苏吉（Pedram Vousoughi）| 安德烈斯·马丁内斯·阿尔塞（Andres Martinez Arce）| 乔治·毕晓普（George Bishop）| 丹尼尔·亨（Daniel Henn）| 科尔姆·达菲（Colm Duffy）| 大卫·斯泰尔斯（David Styles）| 肯尼斯·A·伯恩（Kenneth A. Byrne）
利默里克大学生物科学系与伯纳尔研究所，科学与工程学院，利默里克，V94T9PX，爱尔兰
摘要
厌氧消化（AD）技术被推广用于实现农业脱碳，同时提供可再生能源并改善粪便管理。本研究评估了到2050年爱尔兰农业、林业及其他土地利用（AFOLU）领域大规模和小规模厌氧消化技术应用的技术可行性和环境绩效。研究采用了国家GOBLIN土地平衡模型，并结合详细的原料分配和生命周期评估（LCA）模型（LCAD 2.0），模拟了160种AFOLU配置，并详细分析了14种政策相关情景。
首先，只有那些大幅减少肉牛数量并将腾出的草地重新用于青贮饲料和生物能源作物的高目标AFOLU路径，才能可靠地提供足够的原料以满足爱尔兰每年5.7太瓦时的生物甲烷生产目标；渐进式政策路径带来的厌氧消化扩展有限，减排效果也较为温和。其次，大规模厌氧消化设施能够带来最大的全国性气候效益和最低的标准化环境负担，而广泛分布的小规模青贮主导型设施可能会增加环境负担。第三，厌氧消化对国家气候目标的净贡献高度依赖于AFOLU转型方式、土地节约策略以及厌氧消化设施配置的结合。
总体而言，最佳的厌氧消化技术部署取决于雄心勃勃的AFOLU结构调整和有针对性的技术选择。土地利用和厌氧消化策略应协调一致，包括为优先畜牧区的粪便消化提供激励措施，在未用于畜牧业的地区鼓励青贮饲料或生物能源作物的生产，并支持高性能的厌氧消化设施。战略性的政策支持对于确保生物甲烷生产有助于实现气候中和和循环经济目标至关重要。
引言
气候变化、能源安全和循环经济转型的多重挑战增加了人们对可持续能源解决方案的政策和科学兴趣。特别是生物能源系统及厌氧消化技术，因其具有减少温室气体排放、支持废物管理和促进循环经济转型的潜力而受到关注（Creutzig等人，2015a；Kythreotou等人，2014）。厌氧消化作为一种成熟的生物过程（Clarke，2018；Vasco-Correa等人，2018），已被用于将有机残留物和能源作物转化为沼气及富含营养的消化物（Fan等人，2019；Piadeh等人，2024），应用范围从小型家庭消化器到大型工业设施（Clarke，2018；Clift，2013；Evangelisti等人，2014a；Vasco-Correa等人，2018）。在政府激励措施和可持续发展目标的推动下，厌氧消化技术在全球范围内得到推广，尤其是在欧洲（Edwards等人，2015a）、英国（Evangelisti等人，2014b；Styles等人，2016）、美国（Karaiskakis等人，2024）和中国（Akhiar等人，2020）。
生命周期评估（LCA）作为一种评估框架已被广泛用于评估厌氧消化系统的环境影响（Buivydas等人，2024；Ghaemi和Smith，2020；Peng等人，2021），超越了简单的能量平衡分析，量化了供应链中的排放和资源使用情况（Clift，2013；Evangelisti等人，2014b）。近期研究通过将LCA与过程模型（Emebu等人，2022a；Yang等人，2025）、优化方法及数据驱动工具相结合，进一步提升了LCA的应用能力（Buivydas等人，2024；Ghaemi和Smith，2020；Peng等人，2021），例如针对沼气生产链的过程导向LCA（Rehl和Müller，2011；Timonen等人，2019）、基于模拟的厌氧消化设施配置评估（Emebu等人，2022b；Hajabdollahi Ouderji等人，2023；Lodato等人，2021；Pardo等人，2017），以及在不同地缘政治和供应条件下的生物精炼厂和乳酸生产等更广泛的循环经济应用（Hosseingholilou等人，2025；Marami等人，2024）。同时，也有研究在多目标规划框架和人工智能辅助建模中运用LCA来优化作物种植模式、农业环境足迹和社会经济成果（Darzi-Naftchali等人，2023；Mohammadi Kashka等人，2023）。
尽管取得了这些进展，但仍存在关键的知识空白。大多数以厌氧消化为重点的LCA和建模研究：（i）以汇总方式处理生物能源潜力或仅关注单一原料（例如仅考虑粪肥或食物垃圾）（Haase等人，2016；Ignat等人，2024；Meza-Sepúlveda等人，2021；Scarlat等人，2010；Tolessa等人，2022）；（ii）间接或以粗粒度考虑土地利用变化（Mediavilla等人，2025；Popp等人，2014；Weng等人，2019）；（iii）将厌氧消化技术评估与动态的、政策驱动的AFOLU转型过程割裂开来（Bartocci等人，2020；Dalbanjan等人，2025；Feiz等人，2022；Slorach等人，2019）。此外，最近的AFOLU情景和土地平衡模型（如GOBLIN Lite）虽然探讨了实现气候中和和基于自然的解决方案的路径（Duffy等人，2022；Duffy等人，2022a；Griscom等人，2017；Henn，2024；Henn等人，2025；Keith等人，2021），但通常未嵌入详细的厌氧消化技术应用LCA，也未明确追踪在不同未来土地利用配置下多种原料和设施类型的性能。因此，关于国家级厌氧消化部署如何与不同AFOLU转型相互作用，以及哪些土地利用变化、原料来源和设施设计组合能在国家层面带来最佳环境结果的证据仍然有限。
这一空白对于爱尔兰尤为重要，因为该国的AFOLU部门是温室气体排放的主要来源，其中主要是反刍动物产生的甲烷和化肥相关的氧化亚氮；超过70%的土地用于农业，主要是永久性草地（DAFM与爱尔兰环境、气候与通信部合作，2024；éireann，2025）。国家政策承诺到2030年减排51%，到2050年实现气候中和，厌氧消化技术被确定为《气候行动计划》（CAP）和《国家生物甲烷战略》中的重要脱碳选项，目标是到2030年生产5.7太瓦时的生物甲烷（DAFM与爱尔兰环境、气候与通信部合作，2024；Hijazi等人，2016；Tisocco等人，2024）。然而，实现这一目标的可行性和可持续性取决于畜牧系统的演变、用于生物燃料的草地面积，以及土地利用变化是否能够与生物多样性和监管要求（包括《可再生能源指令》（REDD II）下的严格可持续性标准）保持一致（爱尔兰可持续能源局，2023）。
为解决上述问题，并提供关于厌氧消化技术部署环境可持续性的新视角证据，本研究在爱尔兰AFOLU领域开发了一种综合的、基于景观尺度的评估方法，考虑了不同未来配置下的厌氧消化技术应用。国家GOBLIN土地平衡模型与技术明确的LCAD 2.0厌氧消化系统模型相结合，实现了：（i）将160种政策导向的AFOLU情景转化为多种原料流（粪肥、青贮饲料和生物能源作物）；（ii）识别这些未来情景下不同规模厌氧消化设施的最大技术应用规模；（iii）使用一致的框架量化由此产生的气候和多重影响绩效。将国家AFOLU土地平衡模型与详细的厌氧消化LCA模型相结合，填补了当前研究中通常单独考察原料或技术的方法论空白。这一综合框架有助于探索不同的土地利用和畜牧发展路径如何影响未来的生物甲烷潜力及相关环境结果，从而将厌氧消化技术置于更广泛的国家脱碳路径中。
部分摘录
目标和概述
本研究的具体目标是：（i）使用GOBLIN模型模拟到2050年的多样化AFOLU情景，涵盖当前政策路径和雄心勃勃的净零排放配置；（ii）量化关键厌氧消化原料（粪肥、青贮饲料和来自腾出草地的生物能源作物）的可用性，并确定全国范围内不同类型厌氧消化设施的最大技术应用数量；（iii）评估AFOLU-厌氧消化系统的生命周期环境绩效。
情景模拟
在所有160种情景中，高目标路径（Scenarios NZ11至NZ13）实现了最大的减排效果，相对于基线减少了高达44%的温室气体排放，在某些情况下实现了净负的土地利用排放。这些情景结合了主要的二氧化碳汇、较低的土壤和肠道排放，并优化了畜牧业产出。相比之下，渐进式路径（Scenarios P1至P10）仅实现了有限的减排（约10%），同时蛋白质产量变化不大。
讨论
通过将国家AFOLU土地平衡模型与详细的厌氧消化LCA模型相结合，本研究首次系统地评估了不同土地利用和畜牧业转型对爱尔兰生物甲烷部署规模、配置和环境结果的影响。这种综合的、基于情景的框架超越了单一原料或技术孤立的分析方法，明确了哪些AFOLU路径和厌氧消化技术的组合
结论
本研究全面评估了AFOLU领域的厌氧消化技术应用，结合了情景模拟、原料量化及生命周期评估，以评估技术可行性和环境可持续性。通过结合基于情景的原料建模、多样的土地利用情景分析以及稳健的LCA框架，量化了各种厌氧消化系统在现实的国家脱碳路径下的环境权衡和协同效应。一个关键发现是
CRediT作者贡献声明
佩德拉姆·沃苏吉（Pedram Vousoughi）：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、可视化、方法论设计、调查、数据分析、概念化。安德烈斯·马丁内斯·阿尔塞（Andres Martinez Arce）：撰写——审稿与编辑、软件开发、调查、数据分析、概念化。乔治·毕晓普（George Bishop）：撰写——审稿与编辑、调查、数据分析、概念化。丹尼尔·亨（Daniel Henn）：撰写——审稿与编辑、数据分析。科尔姆·达菲（Colm Duffy）：软件开发。大卫·斯泰尔斯（David Styles）：撰写——审稿与编辑
利益冲突声明
作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益和个人关系：大卫·斯泰尔斯表示获得了爱尔兰环境、气候与通信部的财政支持。如果还有其他作者，他们声明没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
作者感谢爱尔兰气候能源与环境部在FORSIGHT服务合同下为这项国家农业和土地利用建模工作提供的资金支持。
