玉米乙醇——在像明尼苏达州这样的炼油厂生产——推动了土地使用的变化和作物选择，导致碳排放，抵消了用乙醇替代汽油带来的任何气候效益。鸣谢:Tyler Lark Transportation的温室气体排放量比美国经济的任何其他部门都要大，这使得生物燃料成为缓解人类驱动的气候变化的一种有前途的策略。2007年立法制定的美国可再生燃料标准要求这种燃料部分替代石油燃料。然而，到目前为止，这项任务几乎完全由玉米乙醇完成，这种燃料对气候的影响可能比它所取代的汽油更糟糕。15年后，由威斯康星大学麦迪逊分校领导的研究评估了玉米乙醇的环境影响以及管理它的政策，综合使用了计量经济学分析、土地使用数据和生物物理建模。
发表在本周《美国国家科学院院刊》上的分析表明，使用土地种植玉米产生的碳排放可能会抵消甚至逆转玉米乙醇相对于汽油的任何气候优势。
这些结果证实了许多科学家已经认识到的事实:从气候和环境的角度来看，玉米乙醇不是一个好的生物燃料解决方案。相反，这些发现与生物能源研究开发下一代生物燃料的趋势相一致，例如那些由生长在不太适合传统农业的土地上的多年生非粮食植物制成的生物燃料。
“这基本上重申了许多人的怀疑，即玉米乙醇不是一种气候友好型燃料，我们需要加快向更好的可再生燃料的转变，并在效率和电气化方面取得进展，”该研究的主要作者泰勒·拉克说，他是五大湖生物能源研究中心和UW-麦迪逊纳尔逊环境研究所的科学家。
他说，这个结果特别及时，因为可再生燃料标准规定了到2022年特定的年度生物燃料量；一旦这些要求到期，环境保护局将接管决定每年应该生产多少和哪种生物燃料来满足标准的角色。拉克说，接下来的政策将对气候变化产生巨大影响。“这是决定这项政策以及我们的前景应该如何发展的关键时刻。”
在他们对美国土地使用模式变化的研究中，Lark和他的同事Holly Gibbs(UW-麦迪逊环境研究和地理学教授)注意到了专用于商品作物，特别是玉米的农业用地的扩张。他们怀疑乙醇生产可能起了作用。“我们知道这可能有所贡献，但我们不知道程度如何，”吉布斯说。
他们组建了一个跨学科团队，汇集了来自UW麦迪逊分校、加州大学戴维斯分校、堪萨斯州立大学和肯塔基大学的农业生态学家、环境建模师和经济学家。该团队基于之前的建模研究，对政策、乙醇开发、土地使用和环境结果之间的联系进行了更具经验性的分析。
“这是我们第一次将这些详细、丰富的土地使用数据与潜在的经济驱动因素联系起来，”吉布斯说。“价格数据和经济模型提供了解释力，帮助我们理解我们观察了十年的这些变化背后的因果关系。”
他们的分析显示，可再生燃料标准的颁布推高了农作物价格，玉米价格上涨了30%，小麦和大豆等其他商品作物价格上涨了20%。从2008年到2016年，美国的玉米种植面积扩大了8.7%，增加了690万英亩土地。这种农业增长伴随着更多的化肥使用(每年额外增加3-8%)，更多的水质退化(硝酸盐沥滤和磷径流增加3-5%)和更多的碳排放，这些都归因于土地利用的变化。
这些影响影响了全国人民的日常生活。氮和磷的流失导致了湖泊、河流和墨西哥湾的有害藻华和死亡区。硝酸盐沥滤会污染地下水和饮用水；中西部各州的市政当局不得不建造新的水处理厂来处理来自农业污染的水中的硝酸盐，这并不罕见。玉米乙醇加剧了这些问题。
“这项政策有效地将整个农业行业的污染提高了几个百分点，”Lark说。
总的影响是，为满足可再生燃料标准而生产的玉米乙醇的碳排放至少与等量汽油的碳排放一样高，甚至可能更高——可能高出24%或更多。
根据可再生燃料标准，一种燃料必须实现相对于石油至少20%的温室气体排放减少，才有资格成为可再生燃料。在美国环保署2010年监管影响分析中，玉米乙醇刚刚达到第四个阈值，其排放量估计比汽油低20-21%。
但是乙醇的环保特性并没有达到预期。Lark说，事后看来，他们可以看到一个原因。“在环境保护署的监管分析中，他们估计国内土地使用的变化非常小，”他指出，“也许这是正确的。没有人预料到会有如此大的反应，因为美国的耕地面积在过去30年里一直在下降。
然而，在过去的十年中，Lark和Gibbs的研究记录了耕地面积的扩大和从大豆和小麦轮作到更连续的玉米单作的显著转变。
“环保署最初的估计表明，美国土地使用的变化将会封存碳，并有助于改善乙醇的碳足迹。但在retro spect中，我们现在知道它做的正好相反，”Lark说。“乙醇的碳强度不是比汽油低20%，而是比汽油高得多。”
Lark和Gibbs说，在汽油混合物中引入10%的玉米乙醇是将可再生能源融入主流燃料的有益一步，但这不是一个好的长期战略。纤维素和其他高级生物燃料——如从柳枝稷、其他多年生植物或废料中提取的生物燃料——提供了一个以更可持续的方式发展的机会。
“我们现在使用大量土地种植玉米和乙醇，”Lark说。“你可以设想用下一代生物燃料取代现有的150亿加仑玉米乙醇，因为这种生产即将上线。这将提供一个机会，将数百万英亩的玉米地恢复为常年天然草地和其他景观，这些土地可能被用于生物能源，仍然具有经济生产力，还有助于减少硝酸盐沥滤、侵蚀和径流。”
最终，研究结果强调，近期的政策决定将产生持久的环境遗产，无论是积极的还是消极的。
“这增加了我们的生物能源研究中心正在进行的关键工作的紧迫性，以找到产生负碳生物燃料的方法，”Lark说，“并使用可以改善水质、增强生物多样性和帮助真正实现我们的碳减排目标的常年和本地系统。”
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