免耕技术与生物燃料作物

美国印第安纳州生物乙醇作物正如乔治·沃克·布什总统在其 2006 年国情咨文演讲中所承认的那样——“美国沉溺于石油无法自拔”。这不仅是美国的问题,沉溺的对象也不仅是石油。虽然石油、煤炭和天然气是为地球提供能量的化石燃料资源,但现在人们开始逐渐重视作物生物质定义 可用于能源开发的非化石生物性有机物质。 权威性在线参考资料与资源 http://www1.eere.energy.gov/biomass 美国能源部能源效率和可再生能源办公室与业内企业、学术机构以及美国国家实验室合作推出了一项生物质计划(Biomass Program),旨在研究生物质原料和转换技术。目的是生产具有成本竞争力的高性能生质燃料、生质产品以及生质能源。,这种能提供能源和材料的重要替代源。

免耕定义 它也称作“保护性耕作”或“免耕作”,它是每年种植作物的一种方式,它通过免除拖拉机拉动工具进行的土壤耕耘进而避免对土壤的破坏。 权威性在线参考资料与资源 http://www.no-till.com/ 免耕耕作方式的在线信息门户网站。农业和百草枯在维持粮食生产和保护环境的同时,还在提供充足作物生物质方面发挥着至关重要的作用。

目前,生物燃料产自作物的某些部分,这些部分又可作为食物,粮食。这就带来两个问题:

  1. 生物燃料量不足
  2. 粮食产量可能不足

从种子淀粉和油料中提取的生物柴油定义 是以植物油或动物脂为原料加工提纯的,可用于柴油发动机的长链脂肪酸单烷基脂。它指的是与柴油燃料混合之前的纯燃料。生质柴油混合物以“BXX”来表示,其中“XX ”代表混合物中的生质柴油百分比含量(如:B20 指 20% 生质柴油、80% 石油柴油)。 权威性在线参考资料与资源 http://www.eere.energy.gov/afdc/fuels/biodiesel.html 美国能源部能源效率和可再生能源办公室(Office of Energy Efficiency and Renewable Energy)设有一个代用燃料及先进车辆数据中心(Alternative Fuels and Advanced Vehicles Data Center),该中心拥有所有生物燃料的关键信息。或生物乙醇产量相对较低。同时,受经济和环境利益的驱动,人们将种植更多生物燃料作物,这些作物可能占用本应用来生产粮食的宝贵土地资源。在贫穷的第三世界国家,这一问题尤为突出。在墨西哥,众多贫困人口的主食——墨西哥面饼的价格上涨已成为一个亟待解决的问题。这是由于乙醇需求量的增加带动了美国玉米价格的上涨。

为了解决燃料和粮食问题,使用玉米秸或麦杆等非收获部分生产生物燃料不失为一个更好的办法。但是,如果农耕方式没有改变,这可能带来严重的环境后果,本文将对此进行探讨。

什么是生物燃料?

技术上称为“生物质”的各种植物原料可以通过压榨、加热和发酵等方式加工成生物燃料。大豆、向日葵、油菜籽、棕榈、椰果以及麻风树种之类的异域植物的提炼植物油可用来生产生物柴油。玉米、糖用甜菜、甘蔗、柳枝稷、小麦及其他“纤维”植物原料经过发酵可加工生产乙醇。

乙醇在全球的应用远远超过了生物柴油,因为乙醇拥有更多的成熟市场和基本设施作为支持。在美国,乙醇已和汽油混合使用多年,其主要生产原料是玉米。

目前在生产和市场运输过程中,化石燃料能源的高消耗使美国以玉米提纯乙醇作为全球变暖和能源安全解决方案的前景黯淡。乙醇生产的部分方案实际上就是依赖煤炭和柴油作为乙醇生产运行能源的。另一方面,巴西以甘蔗为原料的乙醇生产坚持 20 世纪 70 年代石油危机以后逐渐推出的高效生产流程,温室气体排放减少了 80%。

总体说来,生物柴油相比乙醇,其燃烧效率更高、排放量更低。研究表明:将所有能量消耗、燃油里程数和植物碳吸存量都考虑在内时,生物柴油的效能平均约为石油提纯柴油的 4 倍。乙醇效能约为石油提纯柴油的 2 倍。

生物柴油的生产和应用不仅能减少二氧化碳的排放,而且与石油柴油不同,它还可避免铅、硫或有毒芳烃(像苯、甲苯和二甲苯)物质的排放。在欧洲,柴油技术更为先进和普及,柴油在商用和民用运输方面的发展比在美国的潜力更大。欧洲的生物柴油产量远超美国。能轻松与传统石油柴油混合使用也许正是生物柴油的最佳卖点。使用传统柴油机的车辆无需进行任何改装就可使用混合燃料行驶。

预计未来十年左右,谷类秸秆和玉米秆将成为生物燃料的主要生产原料。目前,粮食和其它淀粉及糖分原料被用于生产“第一代”生物乙醇。不久,以杆草等纤维植物为原料生产“第二代”生物燃料的流程技术将应用到生物提炼企业中。

生物燃料作物管理

粮食与秸秆同等重要虽然作物秸秆被视为极具潜质的第二代生物燃料生产原料而非废弃物质,但在保持或改善土质方面,作物残留物质仍发挥着重要作用。虽然作物根部增加了土壤的有机物质,但有时被称作“废料”的麦茬和作物秸秆也发挥着不可或缺的作用。必须注意,不要为了生产生物燃料而过度利用这些物质。作物废料管理是保护性农业的重要部分,旨在带来可赢利的作物生产,同时保护土壤和水质并丰富生物多样性定义 以其独特形式、层级和组合而存在的不同生物类型。其中包括生态系统多样性、物种多样性以及基因多样性(IUCN, UNEP 和 WWF, 1991)。 权威性在线参考资料与资源 http://earthtrends.wri.org/ 地球趋势(EarthTrends)是一个由世界资源协会(World Resources Institute)维护的综合在线数据库,主要提供环保、社会及经济趋势的相关数据。通过数据库可了解生物多样性指标的统计信息。。最好切碎麦茬和秸秆并将其均匀撒在农田之上,它们将防止风雨侵蚀、提供野生动物栖息地并最终帮助维持土壤的有机物质水平。

在免耕技术中,作物种植于未经耕作的残梗中,免耕技术是根据保护性农业原则进行作物种植的理想方法。免耕技术主要使用百草枯作为非选择性药效渐弱式除草剂来控制杂草,不再使用犁耕填埋方法。虽然草甘膦已成为非选择性除草剂的替代产品,但需要在寒冷天气里快速发生药效和产生耐雨性时,百草枯则独具优势。由于草甘膦易导致杂草耐药性定义 某种植物/杂草遗传到的,能够耐受一种除草剂标准剂量的遗传能力。 权威性在线参考资料与资源 http://www.weedscience.org/in.asp “除草剂耐药性杂草国际调查”(International Survey of Herbicide Resistant Weeds)旨在对耐药性杂草种类的进化进行检测,并对其影响做出评估。所有已确认新案例均做出列述。,因此使用百草枯也是耐药控制策略的重要组成部分。

最近,美国农业部和能源部(USDA 和 DOE)就使用生物质替代石油、煤炭和天然气的目标做出了可行性评估工作报告(参考 1)。到 2030 年,美国计划用生物质替代其 30% 的石油需求。

为了达到这一目标,估计每年将需要 10 亿多吨生物质原料。这不仅需要与粮食、动物饲料和纤维之需求相一致,而且还要与维持土质和生产相适应。

尽管有关技术进步的不同设想必不可少,但是到 2030 年,超过 3 亿 5 千万吨生物质可能来自森林,将近 10 亿吨来自耕地。

美国生物质需求的潜在来源(参考 1)上述几十亿吨生物质需求的来源细目如对面图表所示,其中 4 亿 3 千万吨是作物残留,主要为玉米秸秆。

技术设想包括:顺应发展方向,提高产量;改善收获技术,增加秸秆和其他谷草的利用量;利用免耕技术对所有农田进行管理。

美国农业部和能源部承认将所有农田转换为免耕模式可能不切实际,但仍指出生物能源定义 来源于生物质的燃料。 权威性在线参考资料与资源 http://www.biofuelstp.eu/ 欧洲生质燃料技术平台(European Biofuels Technology Platform)由欧洲委员会提供支持,其宗旨包括:帮助开发具有成本竞争力的世界一流生质燃料技术;促进欧洲生质燃料产业的建立;以及确认实现以上目标所需的研究。的大量市场需求可能正是大幅增加免耕面积的强劲推动力量,而这对达到目标至关重要。

2007 年农业法案主题文件《农业与能源》针对增加免耕土地面积和政策支持的重要性进行了以下阐述(参考 2):

“这是通过能源保护活动实现直接经济与环境利益的重要机遇...措施包括:倍增免耕土地面积(从 2500 万公顷增至 5000 万公顷),每年节省 8.21 亿升(2.17 亿加仑)柴油和 5 亿美元;…”
免耕技术为何对蓬勃发展的生物燃料行业如此重要,百草枯如何提供帮助?本文接下来将就生物燃料的潜力、相关问题及免耕技术和百草枯提供的解决方案进行探讨。

生物燃料的潜力

如果以目前的使用速度计算,估计已知石油储量可持续大约 40 年,天然气和煤炭可持续更长时间,但能源需求也在不断增长(参考 3):

  • 2007 年,美国石油日消耗量为 2000 多万桶。欧盟为每日 1500 万桶。将这些数据与中国目前仅 600 万桶日消耗量和印度的 200 万桶日消耗量相比较,然后再想想这些幅员辽阔的国家的经济发展速度。
  • 看看化石燃料储量主要分布图,就能了解约三分之二的储量分布于政治动荡地区。
  • 感觉一下日渐增高的气温,大多数气象专家认为这与温室气体排放有关。请注意,大气层中的二氧化碳含量在 50 年内已经增加了 25%,到本世纪末将增加一倍。

难怪燃料价格日益增长,人们对生物乙醇、生物柴油、生物聚合物和其他非食用作物产品的兴趣日趋浓厚,投资日渐增加。短期内,美国计划到 2012 年其生物乙醇年产量达到 284 亿升(75 亿加仑),(参考 2),而欧盟计划到 2010 年其 5.75% 的公路交通使用生物可再生燃料(参考 4)。

生物燃料的想法并非新近才出现的。最初的柴油机设计是以“植物”油为燃料(最早以花生油为燃料),亨利福特称乙醇为“未来的燃料”。但是,直到最近几年,生物乙醇和生物柴油才逐渐为人们所接受。巴西捷足先登,于 1975 年通过“Proalcool 计划”,率先投资以甘蔗生产乙醇。2005 年,美国用其国内玉米总产量的 14% 生产了 150 亿升(40 亿加仑)乙醇(参考 2)。在欧洲,生物乙醇以小麦和甜菜为原料,目前产量比美国和巴西小得多。生物柴油以油籽为原料。美国以大豆为原料,而欧洲主要以油菜籽为原料。

玉米: 太阳能每年 570 亿吨新植物原料通过光合作用吸收太阳能(参考 5)。人类每年使用来自农业的 40 亿吨和来自森林的 75 亿吨植物原料。其余植物原料自然成为维持地球生态系统的基本物质。

最大的生物柴油潜在生产原料是热带含油种子,尤其是马来西亚和印度尼西亚的油棕(Elaeis guineensis)以及印度的麻风树属(Jatropha curcas)。不仅大面积地种植这些热带多年生作物,而且充足的阳光和丰沛的雨水也使作物产量很高。

预计到 2050 年,全球的粮食需求将增加一倍,更多人需要消费肉类产品。例如,牛肉食物能源需要的耕地达到等量素食所需的八倍。所以,增加农业生产并合理利用农业资源的压力是前所未有的。保护土壤是可持续农业定义 它包括自然资源基础的管理与保护和技术与制度发展方向两方面内容,这两方面是以能确保当代和后代的农业生产持续进行的方式展开的。这种可持续农业强调保护土地、水源、以及植物与动物的基因资源,并重视环境保护、技术合理、经济可行和社会认可。可持续发展的基础原则是我们必须在不危及后代满足其自身需求能力的基础上满足我们的自身需求。因此,对自然和人类资源做好管理是重中之重。 权威性在线参考资料与资源 http://www.nal.usda.gov/afsic/pubs/agnic/susag.shtml 美国农业部替代型农业系统信息中心(Alternative Agricultural Systems Information Center)信息生产的根本保证。

生物燃料问题

目前的生物乙醇和生物柴油为“第一代”生物燃料,以储存于植物种子内的淀粉或油、或储存于根部或甘蔗内部的蔗糖为原料提炼而成。现在,研究工作主要集中于改善必要的化学和生物流程,以便利用更为丰富的植物组织结构物质来生产“第二代”生物燃料,玉米秸秆及小麦秆里面的纤维素物质。

第一代生物燃料存在三个主要问题:

  1. 首先,没有足够的土地。据测算,如果美国的所有玉米都用于生物乙醇生产,所有大豆都用于生物柴油生产,这也仅能满足美国现汽油需求量的 12% 和现柴油需求量的 6%(参考 6)。免耕模式下的粮食作物剩余秸秆纤维素将为原料供应提供更多、更持续的支持。
  2. 其次,使用淀粉、纤维素或油料生产生物燃料将消耗大量能源,尤以生产生物乙醇为甚。拖拉机和收割机消耗化石柴油,氮肥生产需要能源,同时乙醇提炼厂不断需要热量和动力。免耕模式通过在作物生产中减少能量消耗,进而使生物质产生更多能量。
  3. 再次,这些消耗能量的活动和生产过程同时也释放二氧化碳。很少有人意识到,运输用燃料的温室气体排放量比农业和森林砍伐排放量(即残留物质的焚烧)都要低(参见下图)(参考 7)。清理森林以种植生产生物柴油的油棕不具有持续性,这成为促使东南亚召开可持续性棕榈油圆桌会议的原因之一。虽然免耕模式通过消耗更少燃料来减少温室气体排放,但重要的是,它通过增加土壤有机物质达到隔断二氧化碳的目的。

温室气体排放的不同来源(参考 7)。

但是,农业可以在提供能源生物质和减少温室气体排放方面发挥至关重要的作用。用于生产第二代生物燃料的秸秆“纤维素生物质”将成为更为丰富的原料。在未来十年内,革新的农业方法结合改进的化学和生物流程技术,将使生物质在净能源贡献方面发挥更为积极的作用,并将进一步持续减少二氧化碳排放。使用百草枯等非选择性除草剂进行杂草控制的免耕农业模式将通过持续供应生物质搭建一个成功平台。

免耕技术的优点

自从 40 多年前百草枯的问世使非犁耕控草成为可能以来,免耕技术一直在不断发展。下表列举了免耕技术的诸多优点。虽然此处就一些相关问题提供了解决方案,但技巧和真正了解土壤需求才是成功免耕的关键。

免耕技术的优点和问题简述

因素 优点 问题
土壤 秸秆和其他非收获植物原料减少了风雨侵蚀。
有机物质提供了土壤组织和养料。
 定义 用于生产生质燃料的作物。目前,像玉米、甜菜籽、油菜和大豆等粮食作物被用来生产生质燃料。在巴西,从甘蔗中直接提取乙醇。印度为了生产生质柴油,大力推广麻风树的种植。油棕是另外一种生质柴油来源。在与碳动力工厂相邻的含盐水池里面可种植能生产生质燃料的藻类植物,以吸收工厂的二氧化碳排放。生质柴油作物更应种植于不利于粮食作物生长的地带(如:边际用地、盐碱地、荒地等),以避免和粮食生产形成不必要竞争。 权威性在线参考资料与资源 http://www.epobio.net/epobio.htm EPOBIO 是欧洲及美国学术和产业合作伙伴联合进行的一个项目,旨在确认植物科学研究的继续投资领域,以期推动作物作为原料在生质燃料及其他生质产品方面的应用。
春季的土壤温度较低。条耕技术(种植过程中在作物行间留出的一条狭窄条形空地)提供了解决方案。
水分 良好的土壤结构使土壤具备更好的保水和排除过量水分的能力。  定义 为减少水土侵蚀,种植后使用作物残留覆盖 30%或更多土壤表面的任何耕作和种植方式。 权威性在线参考资料与资源 http://www2.ctic.purdue.edu/Core4/CT/Definitions.html Core4Conservation 是位于普度大学(Purdue University)的 保护性耕作信息中心(Conservation Tillage Information Centre)的组成部分。
生物多样性 为土壤表面和内部的动植物群和微生物提供了生活环境。 偶尔诱发锈病菌类。
作物 为根部生长和养分供给提供了良好的环境。
更强耐旱性。
不易形成积水。
 
在较边缘区域温度较低的土壤中,春季作物生长缓慢,可能造成减产。运用条耕技术可避免此问题(参见上文)。
能量 减少燃料消耗量。  
气候 减少农业操作环节,减少污染物排放。
有机物质中的碳封存。
 
 
农业经济学 降低燃料和机械支出,提高赢利能力。  

2004 年美国玉米种植使用的耕作方式(参考 9)全球有 9000 多万公顷免耕农田,主要集中在美洲。(参考 8)。

2004 年,美国种植的 3240 万公顷(8000 万英亩)玉米中,20% 的面积使用了免耕技术,另外 18% 的面积使用了垄耕定义 一种在前一年作物耕作基础上形成的田垄上面进行清选种植的耕作形式,残留物保留在田垄之间。 权威性在线参考资料与资源 http://www.attra.ncat.org/attra-pub/consertill.html 美国农业部农村适用技术中心(ATTRA)是美国国家适用技术中心(US National Centre for Appropriate Technology)下属的可持续农业信息中心(Sustainable Agriculture Information Centre)。 或覆盖耕作技术。虽然这些地方不适宜实行免耕模式,但是依然获得了免耕带来的诸多益处(参考 9)。3040 万公顷小麦等小粒谷类作物(750 万英亩)中,大约 15% 的面积实行了免耕农业模式。

在美国,尽管更多的大豆种植使用了免耕技术(7600 万英亩中 38% 的面积,或所有实行保护性耕作技术的土地中 47% 的面积),但大豆的残留物少于玉米。不过,育种计划正在努力寻找可产生更多生物质的大豆品种(参考 1)。

免耕方案:1. 提供可持续生物能源

玉米秸秆:  是否应该采收利用在不影响土壤表面秸秆层带来的利益情况下,可以从玉米田中采收多少生物质?

这一问题的答案取决于多种因素,如作物产量、气候、地形、土壤类型、土壤管理等。土壤状况指数(SCI)是一项工具,用于定性预测耕种方法对土壤有机物水平的影响:在特定环境中,它们是保持稳定、升高还是降低?美国农业部国家保护资源署(NCRS)在《国家农学手册》中给出了实际示例(参考 10)。

事实证明,采用免耕法后,土壤表层残茬的重要程度有所下降(参考 11)。其原因众多,主要因为土壤未受翻动,因此不易受到侵蚀。长期采用免耕法能够提高有机物水平,改善土壤结构和稳定性。

已有人尝试对可能显著下降的作物残留生物质数量进行估算(参考 12)。他们在计算中采用了修订版土壤流失定义 固体物质(土壤、泥浆、岩石及其他颗粒)的移位,其原因通常是向下或顺坡运动造成的流动介质(像风、水或冰)。 权威性在线参考资料与资源 http://soilerosion.net/ 该土壤侵蚀网站(Soil Erosion Site)汇集了有关土壤侵蚀的可靠信息,其来源包括多种学科和资源。它旨在为那些希望更多了解土壤流失和土壤保护的人们提供可靠网络资源。通用方程(RUSLE)及风蚀方程(WEQ),以确保风蚀和雨水侵蚀造成的土壤流失量不超过可以承受的水平。这也导致美国农业部/能源部在关于达成美国生物质利用目标的报告中计算其可持续利用的水平(参考 13)。

使用百草枯除草也会有所帮助。百草枯不会在植物体内转移,因此仅杀灭被喷洒药物的新芽,而该植物根系则在一段时间内完好无损。这使土壤能够产生锚定作用。同时,土壤对百草枯具有极强的吸附作用,百草枯接触土壤后迅速失活,不会产生残留效应。因此,新长出的嫩芽不会受到影响。人为控制下自然再生的草类为土壤提供一个植被,具有类似于田间残留作物的作用。

如果无法持续获取残留作物,还可采用替代方案(参考 13)。例如,在主作物轮作的休耕期间种植覆盖作物定义 覆盖作物,或称肥田作物,是指主要种植目的不是为了收获粮食而是为了土壤侵蚀控制、杂草控制和改善土质的植物。这些植物通常在下季粮食作物种植前被犁耕或耕种,这样这些“覆盖作物”可被用来进行土壤改良,成为“绿色肥料作物”。 权威性在线参考资料与资源 http://attra.ncat.org/attra-pub/covercrop.html 美国农业部农村适用技术中心(ATTRA)是美国国家适用技术中心(US National Centre for Appropriate Technology)下属的可持续农业信息中心(Sustainable Agriculture Information Centre)。,或者种植专用的多年生能源作物,如柳枝稷(Panicum virgatum)或芒草(Miscanthus giganteus)。百草枯已广泛用于覆盖作物的治理和灭除。多年生能源作物通常是木本植物。由于百草枯无法透入茎皮,也不存在土壤残留效应,因此非常适合多年生作物的广谱杂草治理。即使有少量百草枯喷洒到叶片上也无关紧要,因为百草枯不同于草甘膦,它是一种非内吸性除草剂。

免耕方案:2. 提高生物质的净能源贡献

玉米作物投入的相对能源成本(参考 6)能源作物的种植、运输和加工都需要消耗能源。有人对种植玉米(用于获得生物乙醇)和大豆(用于获得生物柴油)所需的能源投入进行了分析,结果发现两项重要投入:柴油燃料和氮肥(参考 6)。

大豆的优势在于:作为一种豆类植物,它几乎不需要氮肥,因此将其用于制造生物柴油比制造生物乙醇更节省能源。

然而,在整个轮作期内,柴油消耗是最大的能源消耗,远远高于其它能源的消耗。
分析者并未考虑具体的耕作方法。显然,田间工作越频繁,消耗的柴油也越多。此外,还有许多其它因素也应考虑,例如土壤类型及状况、耕作深度、拖拉机功率等等。有人对伊利诺斯州各种耕作方法的燃料使用情况进行了统计,结果发现,尽管免耕法在种植和洒药时须消耗更多燃料,因而降低了其整体燃料消耗较低的优势,但免耕法种植玉米时的燃料消耗仍降低了 14%,免耕法种植大豆时的燃料消耗降低了 49%(参考 14)。

伊利诺斯州采用传统方法和免耕法种植玉米和大豆所需燃料的比较(参考 14)

柴油燃料用量(美国加仑/英亩)
  玉米 大豆
  传统方法 免耕法 传统方法 免耕法
翻耕 0.7 0.0 2.4 0.0
种植 0.4 0.5 0.4 0.5
洒药 0.3 0.5 0.3 0.5
施肥 0.8 0.7 0.2 0.2
联合收割机 1.5 1.5 1.0 1.0
合计 3.7 3.2 4.3 2.2

其它研究表明,免耕法还能节约更多燃料。例如,美国能源部在 2007 年农场法案专题文件《能源与农业》中指出:

“过去几十年中,自然资源保护署(NRCS)帮助农户在大约 2500 万公顷农田中采用了免耕法。假设每公顷农田平均节约 33.13 升柴油(3.5 加仑/英亩),则每年可节约 8.21 亿升柴油,相当于每年为农户节省了 5 亿美元。”

虽然免耕法必须采用百草枯等非选择性除草剂来控制杂草,而这种除草剂的生产、运输和喷洒都需要消耗燃油,但与免耕作节省的燃油相比,这些消耗是微不足道的。

免耕方案:3. 减少温室气体排放

到本世纪末,大气中二氧化碳含量将翻倍(参考 7)大气中二氧化碳含量正呈指数级增长。虽然各方估计的数值有所不同,但每年总会增加数十亿吨。据估计,2000 年排放的二氧化碳量高达 320 亿吨——根据其全球变暖效应来计算,占所有温室气体排放量的 77%(参考 7)。

重要的温室气体还有甲烷(14%)、一氧化二氮(8%)和氯代烃(1%)。这些气体的排放量远低于二氧化碳,但对全球变暖的影响却更大(分别是二氧化碳的 20、300 和数千倍)。

约 80% 的温室气体来自石油的使用。剩余的 20% 及大部分甲烷和一氧化二氮则来自农业及森林采伐中废木材的燃烧。

免耕法可通过两种方式减少二氧化碳排放:

  • 减少燃料消耗
  • 保存更多有机物质

降低农业生产中的燃油消耗显然能减少二氧化碳排放,但与免耕法增强土壤中有机物质对二氧化碳的吸附作用相比,这种作用相对较小。

在欧洲(整个欧洲大陆,不包括前苏联),人们已广泛接受一个观点:如果所有农田均采用免耕法,则每年能减少 1.5 亿吨以上的二氧化碳排放(参考 15)。此外,由于柴油消耗量下降,每年还能减少约(参考 12)百万吨二氧化碳排放。与之相比,一辆家用轿车每年约排放 4 吨二氧化碳。

在美国,“降低农业土壤温室气体排放联合会”(参考 16)(CASMGS,读音为“Chasms”)是一个由政府资助的组织,它包括十所大学和研究院,主要目的是提供:

“… 必要的工具和信息,以顺利实施土壤碳吸存计划,降低大气中温室气体的积聚,同时增加农户收入,改善土壤。其优点包括:提高和稳定农业产量,从整体上降低农药和化肥对土壤的侵蚀和污染程度。”

CASMGS 估计,美国农用土壤每年能吸存 2.75 至 7.3 亿吨二氧化碳。如果实施碳交换计划——即排放污染物较多的行业向排放污染物较少的行业支付排污费,则美国农业将从碳吸存市场上获得 50 亿美元的收益。免耕法是这一计划的关键。爱荷华州农业局正在开展一项试验项目——收集爱荷华州农户手中的排碳指标,拿到芝加哥气候交易所去出售(参考 17)。

有一点必须注意,紧密的湿土可能会促使肥料或土壤中的硝酸盐转化为有害的一氧化二氮气体(参考 18)。尽管这与肥料的类型有关,但采用免耕法时必须避免这一不良状况发生。

生物燃料离不开免耕技术和百草枯

丹麦秸秆燃烧装置谷类秸秆和玉米秆预计将成为生物燃料的主要生产原料。目前,粮食和其他原料内的淀粉和糖分被用来生产“第一代”生物乙醇。可能在 10 年内,使用作物秸秆纤维素生产“第二代”生物燃料的流程技术将应用到“提炼企业”中。作物秸秆也越来越多地用于燃烧生成热电能源。

然而,作物秸秆并非无用产品,它们已在作物耕作制度中发挥了重要作用。农田收获后剩下的作物残留有助于防止土壤侵蚀、提供野生动物栖息环境和增加土壤的有机物水平。

它最终增加了有机物质含量,这对于土壤结构、稳定性和生产能力非常重要。因此,在不久的将来,使用作物残留进行土壤管理和将其作为生物燃料的生物质两方面将出现冲突。

这一两难境地的解决方案就是增加应用免耕种植模式的土地面积。在美国,为满足本国未来预计达 10 亿多吨的生物质年需求量,人们提议大幅增加免耕种植面积。在生物燃料生产方面,免耕技术有三大优点:

  1. 免耕土壤更稳定、更不易遭受侵蚀,使得人们可得到更多秸秆。
  2. 免耕技术意味着在作物生产中消耗更少燃料,从而提供更多生物燃料净能源。
  3. 部分是因为燃料消耗量更低,但更重要的是因为土壤有机物水平的提高,免耕土壤吸存了大量的二氧化碳——作为温室气体,二氧化碳在全球变暖过程中起着重要作用。

因为免耕技术不通过耕作进行杂草控制,其成功之处在于使用了百草枯等除草剂。需要快速发生药效和产生耐雨性时,百草枯是最佳选择。百草枯无土壤残效,它只是通过毁坏幼草生长来尽可能降低土壤侵蚀程度。草根依然完整无损,继续发挥其附着作用。另外,为避免杂草产生耐药性,百草枯成为循环除草剂的必要成分。

参考资料

  1. 美国农业部/美国能源部(2005 年)。用作生物能源和生物产品业原料的生物质:十亿吨年供应量的可行性研究。
  2. 美国农业部(2006 年)《能源与农业》。2007 年农业法案主题文件。
  3. 能源情报署:http://eia.doe.gov
  4. 欧洲委员会(2006 年)。欧盟生物燃料策略。
  5. Imoff,M L et al(2004 年)。人类净初级生产消耗全球模式。《自然》,429,870—873。
  6. Hill J et al(2006 年)。生物柴油和乙醇生物燃料的环境、经济与能源代价及益处。《国家科学院学报》,103,11206—11210。
  7. Baumert K A et al(2005 年)。访问如下数据:温室气体数据和国际气候政策。世界资源研究所。
  8. Jones,C A et al(2006 年)。欧洲的保护性农业水土保持组织(SOWAP):英国
  9. 保护性耕作信息中心:http://www.conservationinformation.com
  10. 美国农业部保护性资源服务中心:《国家农学手册》子部分 508C:土壤管理(2002 年)。
  11. Wilson G V et al(2004 年)。耕作和残留物对溢流定义 一种源于上坡,并超出了土壤吸收能力的多余液体(如雨水)的集水现象。这些多余液体然后流经表面,进入附近的地表水(像池塘、湖泊、河流)。 权威性在线参考资料与资源 http://www.sowap.org/index.htm SOWAP土壤与水源保护 (SOWAP土壤与水源保护)是企业、非政府组织、高校和农民共同支持的联合行动,旨在依据保护性耕作理念,检验各种特定领域的土壤管理方法。它对经济和环境方面进行了研究,其中包括土壤侵蚀与径流相关影响。率和侵蚀动力学之影响。《美国农业工程师协会会报》,47,119—128。
  12. Nelson, R. G. 2002,美国东部和中西部玉米与小麦秸秆资源评测和清除分析——降雨和风致土壤侵蚀研究方法。《生物质与生物能源》,22,(5):349–363。
  13. Andrews,S S(2006 年)。用于生物质能源生产的作物残留清除:土壤影响及建议。《美国自然资源保护服务中心白皮书》。
  14. 伊利诺大学(2006 年)。《农学文摘快报》 2006 年 4 月 19 日。http://www.farmdoc.uiuc.edu/manage/newsletters/fefo06_07/fefo06_07.html
  15. Smith P et al(1998 年)。免耕农业模式中欧洲土壤碳缓解可能性初步分析。《全球演变生物学》,4,679—685。
  16. 农业土壤缓解温室气体协会:http://www.casmgs.colostate.edu
  17. 爱荷华农场局:http://www.iowafarmbureau.com/special/carbon/default.aspx
  18. Venterea R T,et al(2005 年)。不同耕作方式和肥料管理下的氧化氮和甲烷排放。《环境质量杂志》,34,1467—1477。