法国能源覆盖作物生产沼气：潜在产能与农业环境影响评估

《European Journal of Agronomy》：Producing biogas from energy cover crops in France: Potential production and agro-environmental impacts

　　

研究人员评估了法国能源覆盖作物的生产潜力及其环境影响。研究设想的多种情景涉及1390万公顷中的1100万至1360万公顷农田，相当于每年400万至680万公顷的种植面积。研究结果表明，能源覆盖作物可满足法国当前天然气消费量的近30%。由于土壤碳储存和化石天然气替代效应，能源覆盖作物改善了温室气体（GHG）平衡。但需注意其对春季作物粮食生产竞争以及水资源消耗的影响应予以限制。

法国能源覆盖作物生产沼气：潜在产能与农业环境影响评估——论文解读

一、研究背景与问题提出

在欧洲，厌氧消化技术正被广泛推广，用以生产沼气等可再生能源，替代化石天然气。这一技术也为食品工业和城市处理农业工业废弃物及生物废弃物提供了契机。然而，为确保农业沼气生产的可持续发展并兼顾粮食安全，必须避免与粮食生产形成竞争。因此，利用覆盖作物（cover crops）作为能源原料具有独特优势——覆盖作物生长于两种主作物之间，原本并非为收获而种植，不与粮食生产争地。覆盖作物能够提供多种生态系统服务，如减少地下水硝酸盐污染、保护土壤免受侵蚀、为下茬作物供氮，并通过土壤碳储存降低温室气体（GHG）排放。然而，由于覆盖作物没有市场价值，欧洲农民对其采纳意愿不高。欧盟硝酸盐污染指令（91/676/EC）自1991年起要求多数流域使用覆盖作物以限制硝酸盐污染，2023年新的共同农业政策交叉合规规则更将这一要求扩展至全部农田。此外，针对土壤碳储存环境实践的碳支付政策日益增加，也可能激励农民采纳多功能覆盖作物。当覆盖作物的预期服务之一为能源生产时，即称为能源覆盖作物（energy cover crops），其管理以最大化生物质产量为目标，收获后用于沼气厂进料。

法国环境与能源控制署（ADEME）此前的两项研究基于简单假设和粗略计算，估算能源覆盖作物生物质产量为1800万至2280万吨，可满足法国2050年天然气需求的11%至30%。然而，这些估算过于粗略，亟需考虑土壤、气候和种植制度多样性的高分辨率精细化方法加以验证。能源覆盖作物的大规模推广可能引发对水资源和氮素等资源竞争的担忧，导致主作物产量下降和耗水量增加。此外，能源覆盖作物的施肥可能增加矿物肥料消耗和硝酸盐淋溶风险。就土壤有机碳（SOC）而言，覆盖作物通常增加其储量，但通过厌氧消化利用生物质并将大部分地上生物质输出，SOC储量的平衡效应更难预测。已有研究表明，只要能源覆盖作物生物质产量达到非输出覆盖作物的两倍，即使大部分地上生物质被输出用于沼气生产，其SOC储量仍可能高于非输出覆盖作物，但该结论需结合氮素、水分和GHG平衡的综合分析加以验证。

二、研究目标与意义

本研究的目标有二：其一，在考虑法国气候、土壤和种植制度多样性的基础上，以高分辨率估算能源覆盖作物的生物质生产潜力；其二，评估能源覆盖作物相较于多功能覆盖作物对粮食作物生产和环境（即GHG平衡、SOC储量、水资源消耗、矿物肥料消耗和氮素损失）的影响。该研究对于指导法国乃至欧洲农业沼气产业的可持续发展、协调能源生产与粮食安全及环境保护之间的关系具有重要的政策参考价值。

三、关键技术方法

研究人员构建了一条包含四个模型的模拟链：土壤-作物模型STICS（v10）用于模拟作物生产及水分、氮素和碳平衡；SYS-Metha模型用于模拟覆盖作物生物质在厌氧消化过程中的沼气产量和消化液特性；ALFAM2模型用于估算有机肥料（含消化液）施用后的氨挥发；COMIFER氮平衡施肥模型用于动态调整矿物氮肥施用量。模拟单元由1个土壤气候单元×1种土壤类型×1种轮作制度及其管理×30年气候（1987–2019）组合而成，共覆盖12060个土壤气候单元，占法国耕地面积的84%（1500万公顷中的1840万公顷）。研究设定了三个情景：多功能覆盖作物情景、能源覆盖作物插入情景和能源覆盖作物扩展情景。

四、研究结果

4.1 能源覆盖作物的生物质生产潜力

在能源覆盖作物插入情景下，研究人员模拟了夏季覆盖作物（高粱）和冬季覆盖作物（冬大麦）的种植。能源覆盖作物仅在可收获生物量超过5吨干物质/公顷（t DM.ha^?1）的盈利阈值时才被收获用于沼气生产。研究结果显示，能源覆盖作物可提供相当于法国当前天然气消费量近30%的沼气产能，覆盖面积达1100万至1360万公顷，年均种植面积400万至680万公顷。

4.2 温室气体平衡改善

研究人员通过计算GHG平衡（GHG_B）发现，能源覆盖作物情景下，由于土壤碳储存和化石天然气替代的双重效应，GHG平衡得到显著改善。具体而言，GHG平衡计算考虑了田间N₂O排放（直接和间接）、SOC储量变化、肥料生产排放、厌氧消化过程排放以及化石天然气替代的减排效应。

4.3 粮食生产竞争与水资源消耗

研究同时发现，能源覆盖作物的推广可能对春季作物（如春季豌豆、甜菜等早播作物）的粮食生产形成竞争，且能源覆盖作物的灌溉需求可能增加水资源消耗。因此，研究强调需对粮食竞争和水资源消耗影响加以限制。

五、讨论与结论

研究讨论部分指出，能源覆盖作物相较于多功能覆盖作物在GHG平衡方面具有优势，主要得益于化石天然气替代的显著减排效应。然而，能源覆盖作物的施肥和灌溉管理需谨慎设计，以避免增加硝酸盐淋溶和水分消耗。研究结论认为，能源覆盖作物在法国具有可观的沼气生产潜力，能够在不与粮食生产形成大规模竞争的前提下，满足近30%的天然气需求，同时通过碳储存和化石燃料替代改善GHG平衡。但需注意控制其对春季作物生产的竞争和水资源消耗的影响，以实现农业能源生产的可持续发展。