林业生物柴油可持续发展研究进展

　　摘要：林业生物柴油作为可替代柴油的生物质能源之一，已在印度、中国、马来西亚等国家得到快速发展，其发展是否可持续值得重点关注。在概述主要国家林业生物柴油发展现状的基础上，基于自2010年来的国内外相关研究，分别从经济、环境、社会3个方面分析了当前林业生物柴油发展的可持续性，探讨了影响其可持续发展的关键因素。结果表明：当前林业生物柴油发展的可持续性较弱，绝大多数生产项目经济不可行;GHG减排效益明显，与石化柴油相比可减少49%~85%，但其SO2、NOx等污染物的排放明显高于石化柴油，环境综合影响仍然较大;社会效益尚不明显;原料供应系统决定了当前林业生物柴油发展的经济和环境可持续性。因此，突破良种选育、高效栽培关键技术体系、高值化副产品开发等关键技术问题，建立多联产产业发展模式是保障林业生物柴油可持续发展的重要途径;此外，提高LCA清单数据质量和建立综合评价指标体系可提高可持续性评价结果的准确性。

　　关键词：林业生物柴油，油棕(ElaeisgunieensisJacqin.)，麻疯树(JatrophacurcasL.)，可持续性，全生命周期评价

　　随着世界经济的快速发展，化石燃料消费不断增加导致能源短缺与环境污染日趋严重。大气中85%的硫、35%的悬浮颗粒物、75%的CO2来自化石燃料的燃烧。据预测，随着能源需求的增加，到2030年，全球CO2排放量可能高达52%[1]。生物质能源(bio-energyresource)作为仅次于煤炭、石油、天然气的第四大能源，一直是人类赖以生存的重要能源之一，占世界总能耗的14%，在发展中国家占60%以上，具有资源分布广泛，可再生，受自然因素制约小，环境污染较轻，转化利用技术相对简单等特点[1]。

　　大力发展生物质能源对缓解能源紧张，实现全球能源结构多元化，缓解气候变化等方面具有重大意义。作为替代柴油的生物质能源，生物柴油(biodiesel)又称脂肪酸甲酯，其原料包括大豆、油菜籽和花生等油料作物，麻疯树、乌桕、油棕、黄连木、无患子、文冠果等油料林木果实，动物油脂、废餐饮油，以及工程微藻等油料水生植物。目前，欧盟(德国、法国、意大利、西班牙等)主要利用油菜籽生产生物柴油，美国主要以大豆油为原料，日本主要以地沟油为原料，印度主要以麻疯树油为原料，印度尼西亚、马来西亚等东南亚国家主要以棕榈油为原料发展生物柴油。以木本油料植物果实种子、植物导管乳汁及汁液等为原料，通过化学方法转化所含油脂获得的生物柴油称为林业生物柴油(forest-basedbiodiesel)[1]。

　　与以油料作物等其它原料生产生物柴油相比，其全生命周期环境综合影响较小，缓解温室效应能力更强[2]。此外，因不与人争粮、不与粮争地，原料可再生，栽种一次收获多年，利于农村产业结构调整等优点，林业生物柴油被中国、印度、马来西亚等发展中国家所青睐。在《全国林业生物质能源发展规划(2011—2020年)》的基础上，国家林业和草原局于2017年发布了《林业生物质能源主要树种目录(第1批)》，其中包括油棕、麻疯树、文冠果、无患子等在内的47种生物柴油原料树种[3]。随着林业生物柴油产业发展规模在发展中国家的迅速扩大，其原料林种植及生物柴油生产的经济效益，对区域环境及社会的影响备受关注。笔者在前人研究的基础上，对世界林业生物柴油发展现状及国内外对其可持续性的评价研究进行了综述，以期为其产业健康持续发展提供参考。

　　1林业生物柴油发展现状

　　林业生物柴油的研究始于20世纪70年代后期，当时美国加州大学诺贝尔奖获得者M.Calvin博士的研究团队在世界各地寻找类似于石油成分的树种，筛选了续随子(EuphorbialathylrisL.)和绿玉树(EuphorbiatirucalliL.)等开发价值高的树种进行栽培试验，并在加州南部种植了大面积的油脂植物，由此拉开了林业生物柴油研究的序幕。但林业生物柴油仍处于研发阶段，尚未实现真正意义上的规模化生产应用。目前世界上主要发展的林业生物柴油树种为油棕和麻疯树。

　　1.1油棕

　　油棕果实含油量高达50%，有“世界油王”之称。根据USDA(UnitedStatesDepartmentofAgriculture)的统计[4]，棕榈油生产量前五的国家分别为印度尼西亚、马来西亚、泰国、尼日利亚和哥伦比亚。印尼是世界第一大棕榈油生产国，并凭借其丰富的棕榈油资源大力生产生物柴油。棕榈油是目前印尼最常用的生物柴油原料，产量预计可达3.2×107t，且随着未来新种植园的逐渐成熟，旧种植园被高产品种取代，原料产量将会继续增长。同时，印尼生物柴油生产能力在不断提高，2015-2016年间至少有两家炼油厂建成并投产，总生产能力达8.77×108L。

　　马来西亚是世界上最大的棕榈油出口国和第二大棕榈油生产国，早在1982年就开始从事棕榈油生物柴油开发与利用技术的研究。2005年，马来西亚政府制定了“国家生物燃料政策”，在该政策的刺激下，2006年全国生物柴油产量为1.58×105t，约有1%的棕榈油料用于生物柴油的生产，2007年生物柴油产量增加到1.3×106t，用于生物柴油生产的棕榈油达7.9%[5]。截至到2012年，马来西亚约有362家棕榈油加工厂，年处理鲜果达7.13×107t，生产棕榈生物柴油的能力为1.02×107ta-1。然而，在原料价格、生物柴油生产成本、原油价格和税收等的影响下，大规模商业化的棕榈生物柴油生产尚未实现[6-7]。

　　1.2麻疯树

　　麻疯树又名小桐子，含油率43%~61%，被IPCC认为是目前最具开发潜力，也是被研究最多的生物柴油原料树种[1,8]。自20世纪70年代以来，国内外对麻风树油用作柴油机燃料进行了一系列的研究，发现以麻疯树种子为原料生产的生物柴油可适用于各种柴油发动机，其性能明显由于普通石化柴油和其它植物柴油[1,9]。此外，较强的抗旱性和耐瘠薄能力使得麻疯树在热带亚热带地区发展中国家大受欢迎。截至到2008年，全球共有55个国家，242个麻疯树种植项目，主要集中在亚洲(印度、印度尼西亚、中国)、非洲(马里、坦桑尼亚、津巴布韦)和拉丁美洲(墨西哥和巴西)。

　　亚洲的麻疯树种植面积占全球的85%、非洲占13%、拉丁美洲占2%。尽管诸多项目在之后的10年里已终止，这些国家和地区仍然是麻疯树栽培的主要区域[9]。在我国，麻疯树生物柴油作为新兴产业，早期吸引了多家大型企业投资，包括中石化、中石油、中海油，及一些国外和当地的私营企业。从“十五”到“十一五”，我国麻疯树生物柴油原料林面积增加到15.0×104hm2[8]。云南神宇新能源有限公司作为我国麻疯树生物质能源示范企业，已建成年产3000t麻疯树油、3000t麻疯树生物柴油和3000t脱毒饲料蛋白的生产线，共建立100hm2科研及良种苗繁育基地，收集国内外小桐子种源600多份，选育优良种质资源300余份，建设优质种源采穗圃26.7hm2;获得发明专利14项，云南省林业厅认定的小桐子优良品种8个，新品种1个;建设3.33余万hm2麻疯树基地。麻疯树是印度最受欢迎的生物柴油原料之一。

　　2003年，印度政府制定了“国际生物燃料发展计划”(NationalMissiononbiofuel)，重点发展麻疯树生物柴油。2005年，印度石油与天然气部宣布自次年起由石油销售公司在12个省的20个收购中心以25卢比/升的价格收购生物柴油(含税和运输成本);在2006—2007年间建立了4×105hm2的麻疯树示范基地，对麻疯树生物柴油全产业链的各个阶段提供资助，并计划向种植户提供为期4年的优惠贷款，由国家或企业与种植者签订合同，以不低于5卢比/kg的价格回收种籽;2011—2012年间麻疯树种植面积达1.12×107hm2，以生物柴油替代20%的石化柴油[5,10]。此外，东南亚和非洲也是发展麻疯树生物柴油的主要地区。

　　2林业生物柴油发展的可持续性

　　可持续性决定了产业发展的可行性及发展前景，林业生物柴油的可持续发展是其能够部分替代石化柴油、有助于节能减排的基础。若将林业生物柴油的生命周期划分为原料种植，收获与运输，生物柴油生产、配送、消费等5个阶段，各阶段均会对环境造成一定的影响[11]。例如：大规模原料种植引起的直接或间接土地利用变化、生物多样性和森林碳储量变化，化肥、除草剂、杀虫剂等的使用造成的土壤质量和森林水质的污染，原料采储运、柴油生产及运输造成的能源消耗和废弃物排放，生物柴油燃烧引起的污染物排放等[12]。

　　与此同时，林业生物柴油的大规模发展对区域经济和社会环境的影响也不容忽视，如社会福祉(就业机会、家庭收入、生活满意度)、经济结构及增长方式、基础设施建设和社会文化等[13]。林业生物柴油可持续，即森林可持续经营及生物柴油可持续生产使用的统一。森林的可持续经营保证了生物柴油原料的可持续供应，原料的可持续供应是生物柴油产业发展的基础，生物柴油生产和使用的可持续是产业得以恒久发展的核心。目前，关于林业生物柴油可持续性的研究多集中在全生命周期环境排放、经济可行性、能量平衡等方面，与其它生物质能源可持续性研究类似[2,14-15]，然而，基于树木生长周期长的特点，针对原料培育阶段可持续性的深入研究甚少，尤其是不同时期产量、经营措施等对原料林可持续性的影响等。

　　3结论与建议

　　3.1结论

　　1)林业生物柴油发展集中在亚洲、非洲和拉丁美洲等发展中国家，如马来西亚、印度、泰国、中国、墨西哥、坦桑尼亚等地，原料主要来自棕榈油和麻疯树油;林业生物柴油发展的可持续性研究分为经济、环境和社会3方面，其中，环境可持续性研究主要集中在测算全生命周期GHG排放量、评估GWP和能量平衡、分析副产品的效益等方面，不同的原料培育系统及由种植原料林导致的LUC引起的碳排放逐渐成为热点。

　　2)对于LCA而言，原料培育阶段的清单数据有50%以上来源于数据库和文献等二次数据，实地测量或调研的较少。原料产量，施肥量、PFIs施用量、灌溉量等都是选取某一年的数据或平均值作为评价数据，副产品利用率、LUC等其它数据多停留在预估和假设水平，通常偏高，影响评价结果的准确性，也造成了不同研究间难以比较的现象。

　　3)总体上，当前林业生物柴油发展的可持续性较弱，绝大多数生产项目经济不可行;与石化柴油相比，在GHG减排和减少非再生能源消耗方面优势明显，但在其它污染物如SO2、NOx等的排放方面未显示出优良的环境友好性，环境综合影响较高;产业社会效益尚不明显。

　　4)原料供应系统决定了当前林业生物柴油发展的经济和环境可持续性。原料产量和原料价格是决定其经济可行性的关键因子;提高原料产量、减少化肥及PFIs施用可大幅减少GHG及其它气体污染物的排放量，同时提升净能量增益;LUC导致的碳收支对全生命周期GHG平衡影响巨大，热带雨林、灌木林等高碳储量土地转变为原料林将导致巨大的碳债务，偿还期至少在30a以上，而荒山荒地、退化草原等低碳储量土地转变为原料林，则可增加碳储量，从而促进全生命周期GHG减排。此外，加强林业生物柴油生产系统中的剩余物处理(空果实串、果壳、种壳、生产废水等)，提高副产品利用率，如生产生物肥料、生物甘油，热-气-电联产等，可有效提升净能量增益、减少GHG及其他污的排放量，减小环境综合影响。

　　3.2建议

　　林业生物柴油产业具有极广阔的发展前景，但目前国内外尚无成功案例，如全球各地的麻疯树生物柴油项目在建立后不到十年的时间里几乎均以失败告终。本文在分析了近十年的研究的基础上，发现原料供应不足，培育成本居高不下是导致林业生物柴油项目失败的核心因素，其根本原因是缺乏良种资源及高效栽培关键技术体系等。因此，保障林业生物柴油可持续发展，亟需突破以下产业关键技术问题：

　　1)良种选育。加强油料树种种质资源收集力度，在长期、深入研究其遗传及生态特性的基础上，筛选区域优良种质和特异性种质，采用嫁接育种、杂交育种和分子辅助育种等技术选育高产、稳产、优质、抗病性强的品种，保证原料产量[55]。

　　2)高效栽培关键技术体系。因地制宜，建立包括造林整地、矮化密植、水肥管理、整形修剪、花果调控、病虫害防治和高效采收在内的区域种植园高效栽培关键技术体系，以提高产量，同时减少化肥、PFIs及劳力等的使用，缩短投资回报期，降低培育成本;在我国，应充分利用采伐迹地、自然灾害毁坏的林地等营造原料林，减少因LUC造成的碳排放;除种植园培育模式外，也可采用农林复合经营、四旁植树等发展原料林。

　　3)高值化副产品开发。积极开发生物柴油的高值化副产品，实现原料无损耗利用，可在全生命周期内最大程度地降低能耗和生产成本;尤其在我国，生物柴油市场尚未成熟，但大规模的原料林已建立，且其面积持续在增长，若能在此阶段形成一种或几种高价值的副产品，如生物皂苷、生物甘油生产，热-气-电联产等，形成多联产产业链模式，不仅能扭转企业亏损的局面，保障林业生物柴油项目的持续运营，也能在很大程度上减小其对环境的影响。与此同时，政府应尽快完善相应扶持政策，出台相应地方性法规条例。

　　当前各国林业生物柴油发展处在起步阶段，亟需政府大力支持。政府应明确提出林业生物柴油产业的潜力与发展的必要性，完善相应扶持政策，如财税优惠政策、农业机械化扶持政策、碳税政策等，给予合理的财政补贴。地方政府应结合本地实际资源特征，出台相应的地方性法规条例。在林业生物柴油发展的可持续性评价方面，应关注以下两个方面：1)提升LCA清单数据的质量，深入分析原料培育阶段的经济可行性及环境影响。在树木生长的不同阶段，原料林物质、能量的投入不同，原料产量不同，不同时期的经济收益和环境影响也各不相同。因此，可参考果园LCA的研究方法[56,57]，完善数据收集机制，详细记录并测算自造林年起每一年或每个阶段原料林的投入、产出及环境排放，同时利用二次数据作为补充，提高数据质量。2)完善可持续性评价体系，全面评估林业生物柴油发展的可持续性。目前，LCA主要用于环境影响评价，重点测度每个阶段的输入和输出，未涉及因LUC及森林经营引起的生物多样性保护、土壤质量、水质等生态系统质量的评价，在经济和社会影响评价等方面涉及较少。因此，在LCA的基础上，可通过建立综合评价指标体系的方法研究原料林可持续经营与生物柴油生产全生命周期的经济、环境和社会可持续性。

　　参考文献

　　[1]钱能志,费世民,韩志群.中国林业生物柴油[M].中国林业出版社,2007.QIANNZ，FEISM，HANZQ.ChinaForest-basedBiodiesel[M].ChinaForestryPress,2007.

　　[2]LIANGS，XUM，ZHANGTZ.LifecycleassessmentofbiodieselproductioninChina[J].BioresourTechnol，2013，129：72-77.DOI:10.1016/j.biortech.2012.11.037.

　　[3]国家林业和草原局.林业生物质能源树种目录(第一批).2017.

　　[4]USDA.Indonesiabiofuelsannual2016[R/OL].2016[2019−10−11].

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