Стремясь снизить выбросы парниковых газов от транспорта за счет сокращения использования нефтяного топлива, Стандарт Агентства по охране окружающей среды США на возобновляемые источники топлива призывает к увеличению производства передового биотоплива. К счастью, большинство биоэнергетических культур можно выращивать на различных сельскохозяйственных и маргинальных землях по всей стране, используя земли, которые могут оказаться непригодными для выращивания традиционных культур. Поскольку почва Земли хранит примерно в три раза больше углерода, чем атмосфера, эти глубоко укоренившиеся растения, возвращающиеся сезон за сезоном, также могут помочь сократить выбросы парниковых газов еще до того, как их собирают для топлива, за счет увеличения количества углерода, хранящегося в почве.
В аргоннском исследовании, опубликованном в журнале Global Change Biology-Bioenergy, исследователи объединили данные об урожайности и погоде на уровне округа, а также данные о почве на глубинах, относящихся к биоэнергетическим культурам. Команда использовала модель углерода почвы для расчета скорости связывания или скорости, с которой углерод переносится в почву или из нее.
Эта работа была проведена в сотрудничестве со Штеффеном Мюллером из Чикагского университета, Мишель Вандер из Иллинойского университета в Урбана-Шампейн и Хо-Янг Квоном из Международного исследовательского института продовольственной политики.Исследователи смоделировали скорость связывания углерода в почве для пяти культур: кукурузы и четырех энергоемких культур, включая просо, тополь, иву и мискантус, высокую засухоустойчивую траву.
Производство каждого вида было смоделировано на четырех типах земель, включая пахотные земли, пахотные пастбища (которые колеблются между производством сельскохозяйственных культур и служащими пастбищами), давние нетронутые пастбища и леса — всего 20 сценариев землепользования, отражающих различные начальные и конечные виды землепользования. или обложки. Исследователи также рассмотрели изменения в запасах углерода в почве, когда 30 процентов кукурузной соломы, остающейся после уборки кукурузы, будет собрано, что, вероятно, будет способствовать будущему производству биотоплива, а также может повлиять на запасы углерода.Путем моделирования углерода почвы на глубине 100 сантиметров, а не стандартных 30, результаты исследования представляют более глубокие корневые системы таких культур, как просо и тополь, которые переносят углерод ниже верхнего слоя почвы, в отличие от пропашных культур с более мелкими корнями, таких как кукуруза. Группа также собрала подробные данные о местных погодных условиях, почвенных условиях, историческом использовании земель и урожайности местных культур для каждого округа, а также данные полевых испытаний биоэнергетических культур, проведенных другими агентствами и национальными лабораториями.
В частности, для биоэнергетических культур важно моделирование типов земель и местного климата с высоким пространственным разрешением, поскольку урожайность сельскохозяйственных культур и ее влияние на запасы углерода в почве могут значительно различаться по стране.«Выполняя этот тип анализа, мы можем найти области, где биоэнергетические культуры могут иметь положительное воздействие на окружающую среду, но также и горячие точки, где выращивание биоэнергетических культур может вызвать снижение содержания углерода в почве», — сказал Аргоннский исследователь, получивший докторскую степень, Чжанцай Цинь, изучающий воздействие на окружающую среду. производства биотоплива.На основе местных данных результаты моделирования по округам подтвердили, что пастбища и леса, как правило, имеют более богатую почву с большими запасами углерода и будут способствовать выбросам парниковых газов в случае перехода на выращивание биоэнергетических культур. С другой стороны, преобразование некоторых пахотных земель или пастбищ под биоэнергетические культуры, такие как просо прутьевидное и мискантус, может помочь сократить выбросы парниковых газов.
Результаты также выявили тенденцию для древесных пород тополя и ивы. Просоцвет и мискантус продемонстрировали более высокий уровень связывания углерода, чем древесные породы по всей стране, главным образом потому, что древесные породы растут медленнее, чем целлюлозные травы, и накапливают меньше углерода в почве. Примечательно, что результаты показывают, что почвенный углерод на пахотных землях может выиграть от биоэнергетических культур на больших территориях страны, в частности, за счет посадки мискантуса на Среднем Западе и побережье Тихого океана и проса на юго-востоке.Чтобы лучше понять чистое углеродное воздействие биотоплива на ферме на выбросы топлива, исследователи включили результаты моделирования углерода почвы в модель Аргоннских парниковых газов, регулируемых выбросов и использования энергии на транспорте (GREET ™), которая оценивает полный жизненный цикл энергии. потребление и выбросы различных видов топлива для транспорта, включая биотопливо.
Например, когда в модель GREET были включены изменения органического углерода в почве, этанол, полученный из глубоко укоренившегося мискантуса, продемонстрировал способность связывать углерод на основе жизненного цикла.«Интегрируя моделирование органического углерода в почве с высоким разрешением с моделью анализа жизненного цикла, мы можем целостно оценить выбросы парниковых газов в течение жизненного цикла биотоплива, включая влияние стадий жизненного цикла при выращивании исходного сырья, преобразовании в топливо. и сжигание топлива », — сказала Дженнифер Данн, руководитель группы анализа жизненного цикла аргоннского биотоплива. «Эти результаты могут помочь лицам, принимающим решения на всех уровнях, определить районы, которые плохо или хорошо подходят для выращивания биотопливных культур».
Результаты вошли в третий отчет Министерства энергетики США о миллиардных тоннах. Отчет о миллиардных тоннах, обновляемый каждые пять лет, дает количественную оценку потенциала биоэнергетического сырья в США.
В этом году впервые в исследование будет включен второй том с анализом потенциального воздействия на окружающую среду отдельных сценариев производства биомассы. Том 2, который ожидается в конце этого года, будет включать работу команды Аргонн.