劉婷婷¹，馬忠玉²，謝海燕³

　　(1.北京工業大學循環經濟研究院，北京 100124；2.國家信息中心，北京 100045；3.國家發展與改革委員會經濟體制與管理研究所，北京 100035)

　　摘要：糧食作物用于生產生物質能源的需求不斷增加將導致“與糧爭地”的矛盾日趨激烈，利用邊際土地種植非糧能源作物已成為緩解“糧油矛盾”的一個重要方向。基于此，從邊際土地生產潛力，利用邊際土地的經濟性、環境影響、政策驅動等方面對利用邊際土地開發生物質能源的相關研究進行了系統梳理。綜述結果顯示，目前有關利用邊際土地開發生物質能源的研究才剛剛起步，研究大多集中于對邊際土地生產潛力的分析，僅有部分研究對如何利用邊際土地進行了寬泛的論述。由于實證數據的欠缺和模型方法的不完善，定量分析相對較少。已有研究表明合理利用邊際土地開發生物質能源具有較大的能源供給潛力，但在邊際土地上大范圍種植能源作物的經濟可行性、對生態環境的影響以及利用邊際土地導致的區域土地直接與間接變化幣口政策作用效果等內容都應在未來的研究中進行更充分的分析和討論。

　　0引言

　　隨著世界能源需求的增加以及全球對氣候變化問題的關注，生物質能源的發展已成為各國保證能源安全和應對氣候變化的重要發展戰略之一。

　　生物質能源能夠為國家可再生能源的供給作出貢獻，與煤、石油等化石燃料相比，還具有減少溫室氣體排放的“碳中性”潛質。生產生物質能源的原料有玉米、小麥等糧食作物，含有纖維素類的能源作物和廢棄生物質等。目前，大多數國家生產生物質能源還是以玉米乙醇等第一代生物燃料為主。然而，糧食作物用于生產生物質能源需求的不斷增大將導致“與糧爭地”的矛盾突顯以及國際糧價嚴重波動。利用邊際土地來種植能源作物發展第二代生物燃料已成為緩解糧油矛盾的一個重要方向。邊際土地一般是指那些尚未被利用，質地較差的土地。

　　這種土地較難用于糧食作物生產，但有的卻能用于種植抗逆性較高的能源作物，具有一定的開發潛力和價值。利用邊際土地開發生物質能源的具體表現形式，即為在邊際土地上種植能源作物，之后利用能源作物作為原料來生產生物質能源。能源作物是重要的生物質資源，有關能源作物的定義較多，目前還沒有一個統一通用的定義。在已有的研究中，能源作物一般是指專門用于生產生物質能源的一年生和多年生植物。

　　我國在2006年1月1日實施的《中華人民共和國可再生能源法》中對能源作物的定義是“經專門種植，用以提供能源原料的草本和木本植物”。我國的基本國情是人口眾多、耕地資源較少，因此發展生物質產業的原則應是在保證糧食安全的前提下再發展生物質能源。如何既保證生物質產業的發展以減少對石油的過度依賴，同時又保障糧食安全，利用邊際土地種植能源作物為緩解“燃料與糧食”之間的矛盾提供了一個潛在的、有前景的解決方案，同時也為生物質產業的發展提供了新的方向。

　　雖然利用邊際土地種植能源作物可以緩解由糧食作物作為原料生產生物質能源所帶來的糧食安全問題，但是考慮到利用邊際土地大范圍地種植能源作物的經濟可行性以及相關的環境和社會效應時，對邊際土地的使用也不容樂觀。目前已有的研究中，幾乎沒有綜合考慮利用邊際土地種植能源作物所產生的經濟、環境與社會效益的內容。一份來自“歐洲燃料技術論壇”的報告中提到，最近很多研究中已經開展了在低肥力邊際土地上的作物種植模擬實驗。大多數研究結果表明該類土地具有較大的開發潛力。然而，利用邊際土地必須要同時滿足經濟和可持續性指標使其具有競爭力。基于此，本文將從邊際土地的可得性、邊際土地的生物質產量，利用邊際土地開發生物質能源的經濟程度以及環境影響，邊際土地納入生物質生產的有關模型分析、政策驅動等方面進行梳理和評述。最后，對該研究領域已有研究進行總結，展望未來研究潛在空間，以期對未來更好地利用邊際土地發展生物質能源，探索制定相關政策的作用提供一些參考。

　　1利用邊際土地開發生物質能源的生產潛力研究

　　1.1邊際土地的可得性

　　據估算，全球廢棄農業土地面積約為3.85億～4.72億hm²，其中很大一部分是無法被傳統農業所利用的土地。Cai等的最新研究表明，全球廢棄和退化的土地面積為3.2億～7.02億hm²，如果加上草地和灌木，總面積將達到11.07億～14.11億hm²。Milbrandt等估算了亞太經貿合作組織成員國可利用邊際土地的面積大約為4億hm²，占成員國國土總面積的6.5％。其中，邊際土地面積最大的國家為澳大利亞、加拿大、中國、俄羅斯和美國。加拿大的邊際土地面積約為3 760萬hm²，占土地總面積的3.8％；中國的邊際土地面積為5119萬hm²，占土地總面積的5.4％ 。美國肯塔基州大學的農學研究者發現，該州有20％的土地未完全使用，其中190萬hm²的土地未用于糧食生產，30萬hm²的土地為礦山廢棄地。如果將這些邊際土地用于種植本地草本植物(如柳枝稷)，生產出的生物質能源能夠滿足該地區17.2％的能源需求。

　　我國已經開展了有關邊際土地的可得性以及將其用于生物質生產的潛力研究。2008年農業部進行了全國范圍的邊際土地調查，結果表明我國適宜用于能源作物種植的邊際土地面積為2680萬hm²(不包括冬季閑田)，這些邊際土地主要分布于我國長江以南的貴州、云南、湖北、湖南、江西、四川、廣東等地區；同時，調查將可利用邊際土地劃分為4個等級，其中一級邊際土地面積為433.33萬hm²，占總面積的16.2％；二級邊際土地面積為873.33萬hm²，占32.6％；三級邊際土地面積為1 373.33萬hm²，占51.2％。按照60％的平均墾殖指數計算，我國現有的邊際土地中可用于生產生物質的土地為1 608萬hm²。

　　在我國可以轉換為能源用途的植物有200多種。如果將這些可墾邊際土地全部用于種植能源作物，每年可以生產出約4542萬t生物質燃料。嚴良政等也對我國的邊際土地進行了研究，結果表明我國邊際土地面積為8230萬hm²，其中2400萬hm²是可耕地。考慮到運輸方面的經濟可行性，其中有700萬hm²可用于能源作物種植。嚴良政等的研究結果與農業部的調查結果略有不同，結果的差異主要是數據的獲取方式以及對邊際土地定義的不同所致。Zhuang等采用多要素分析方法對中國適宜生產生物質能源的邊際土地進行了識別。結果表明，中國可以大范圍種植能源作物的邊際土地面積約為4380萬hm²。

　　如果將其中10％的邊際土地用來種植能源作物，那么可以生產出1340萬t的生物燃料。王小蘭等研究認為四川省油桐適宜和較適宜種植的邊際土地面積分別為46.14萬和64.12萬hm²。

　　1.2邊際土地上的生物質產量

　　除了土地的可得性，另一個決定邊際土地生物質生產潛力的重要因素是生物質產量，它是進行經濟分析的基礎。由于邊際土地的種植條件較差，一般來說，生物質在邊際土地上的預期產量低于其在其他類型農業生產土地上的產量。Tilman等、Campbell等、Bauen等研究認為邊際土地的年均生物質產量分別為4.5t／hm²，4.3t／hm²和2～5t／hm²。 Hoogwijk等估算了在退化土地及相似土地上木質和草質生物質的年均產量為1～10t／hm²。 雖然邊際土地上生物質的產量很大程度上取決于土地類型和退化程度，但是只有Nijsen等研究了不同退化程度的邊際土地上生物質產量的差異。Nijsen等的研究結果表明，隨著土地退化程度的加劇，年均生物質產量由10.1t／hm²減少到2.7t／hm²。

　　但是還有一些研究表明退化土地上的生物質產量并不像想象中的那么低。例如，McElory等發現在愛爾蘭的邊際土地上生長的短周期灌木柳樹的年均生物質產量為12～15t／hm²。Metzger等指出木質能源作物大葉合歡和印度實竹在印度干旱熱帶礦山破壞區的年產量分別為20t／hm²和32t／hm²。美國密歇根大學正在進行一項實驗研究，將休耕農田用于種植能源作物，采取不同的種植技術與管理方式，以期獲取在不同技術和管理水平下的種植產量，但是到目前為止，還沒有公布研究結果。北京農林科學院在北京市郊邊際土地開展木質纖維素草本植物規模化示范種植實踐，研究表明荻在京郊挖沙廢棄地上的生產潛力為2.31t／hm²，具有一定的生產潛力。

　　有關邊際土地上生物質產量的研究還有待進一步系統化，尤其是對不同退化程度的邊際土地上種植不同能源作物所能獲得產量的研究還需要進一步加強和完善。這些研究結果將為邊際土地種植能源作物的生產潛力研究和經濟有效性分析提供更可靠的依據。

　　2利用邊際土地開發生物質能源的經濟、環境與政策分析

　　2.1利用邊際土地開發生物質能源的經濟分析

　　是否將邊際土地用于生物質生產取決于很多要素，其中經濟要素是進行任何行為和決策都要考慮的因素。目前，有關能源作物生產的經濟分析較多，但是對于在邊際土地上種植能源作物的經濟分析相對較少，且大多泛泛而談，缺少相應的理論和經驗分析。

　　生產成本是決定在邊際土地上開發生物質能源經濟可行性的一個主要參數。很多邊際土地處于正常生產力土地的邊緣區域，因此邊際土地的形狀大多不規則。不規則的土地形狀會導致生產的重復投入，如燃料消費、工作時間的增加以及種子、殺蟲劑和肥料等的重復投入，由此會增加生產投入成本。但是種植多年生草本或木質生物質能源作物可以較大程度地減少重復投人，具有比較優勢。

　　由于邊際土地一般處于偏遠地區，較高的運輸成本也會增加總的生產成本。然而，邊際土地一般沒有地租或者地租很低，因此又可減少生產成本。綜上所述，總的生產成本主要是由邊際土地的退化程度、種植的作物種類和當地的政策等要素綜合決定的。

　　目前，評估邊際土地生產生物質的成本和經濟潛力的研究較少，但這對政府和農戶利用邊際土地決策又非常重要。Singh等評估了印度農林復合系統含鈉的土壤，發現利用處于農林復合系統的含鈉土壤生產生物質是一種經濟可行的土地選擇。比起薪材和木炭的市場價格，生產生物質的成本更具有比較優勢。但是，該研究只是關注含鈉的邊際土地，沒有關注其他類型和不同退化程度的邊際土地的可利用情況。Wicke在研究中發現，相對于市場價格，在邊際土地上生產生物質的成本是具有競爭力的。同時，他根據凈現值評估了南亞農林系統不同鹽堿程度土壤的經濟績效。雖然在研究的3個案例中，凈現值均為正值，但分析結果表明生產生物質的經濟績效很大程度上取決于土壤的鹽堿度、樹木輪伐周期、木材產品市場、碳交易的可能性以及折現率。

　　2.2利用邊際土地開發生物質能源的環境影響

　　在邊際土地上種植能源作物具有修復退化土地、增加碳捕獲等積極的環境影響，但是如果邊際土地原本是被牧草所覆蓋，為了生產生物質能源清除牧草，將其轉換成能源作物種植土地，則會影響土壤碳庫存。而且，在分散的邊際土地上生產能源作物，由于運輸距離較長，會增加燃料消費量，從而削弱能源作物在溫室氣體減排方面所產生的積極作用。潛在碳排放的增加可能成為發展能源作物的一個障礙。因此，在發展能源作物時有必要進行生命周期分析來評估其在溫室氣體減排方面的潛力。

　　Gutierrez等認為如果將已經用于生物質生產的邊際土地停止生產，會導致土地的進一步退化，同時還會導致在該土地上很難再建立動植物群系。威斯康星大學麥迪遜分校的研究者通過計算分析了在邊際土地上生產生物質對鳥類多樣性的影響，結果表明生物質生產會對美國中西部的鳥類多樣性產生有益的影響。Wicke分析了在邊際土地上生產生物質的環境影響。結果顯示在邊際土地上生產生物質既會產生積極的環境效應(例如增加碳捕獲，改善土壤肥力，減少土壤侵蝕)，也會導致一些負面的環境效應(例如加劇水資源匱乏地區的水資源短缺)。因此需要更多的研究來確定在什么樣的條件下可以避免或最大程度地減少利用邊際土地生產生物質所產生的負面環境影響。

　　2.3將邊際土地納入生物質生產的模型分析

　　目前，一些研究已經開始嘗試利用模型來分析將邊際土地用于生物質生產的影響和變化，然而這些研究都還處于起步階段。Gopalakrishnan等評估了利用邊際土地和受污染水源種植能源作物的可持續性，同時討論了在邊際土地上種植纖維燃料作物如楊樹和柳枝稷的生產潛力，并將其納入到最優化系統分析中。Zhang等開發出一個利用EPIC(environmental policy integrated climate)模型的空間方法，用該方法模擬了將“農地保留計劃”的土地和邊際土地轉化為作物生產用地后的影響。同時，由研究結果探尋區域糧食、燃料、環境質量和溫室氣體的潛在變化情況。Birur等提供了一個用來分析在邊際土地上生產生物燃料的全新框架。分析結果顯示，盡管邊際土地較差的可利用性阻礙了耕作類型的大尺度轉變，但是間接土地利用變化會受到顯著的影響。間接土地利用變化主要是指為補償利用牧場種植能源作物而導致的森林砍伐的增加。

　　2.4利用邊際土地開發生物質能源的政策驅動

　　隨著糧食安全問題的逐漸顯現，邊際土地的利用受到了世界各國的廣泛關注。目前已有部分國家出臺了相關政策，鼓勵邊際土地的使用。印度已經設定了能源目標，到2017年印度全國柴油和汽油中生物柴油和生物乙醇的混合比例最少要達到20％，其中規定生物柴油必須來自種植于邊際土地上的非食用油料籽。我國自2005年頒布《中華人民共和國可再生能源法》以來，政府相關部門也陸續出臺了一些促進利用邊際土地種植能源植物的相關政策，鼓勵適宜的地區利用邊際土地資源發展能源作物種植。如2007年國家發展與改革委員會在可再生能源發展“十一五”規劃中提出：合理開發利用邊際土地資源，能源作物和能源植物的種植做到不與民爭糧，不與糧爭地，不破壞環境，不顧此失彼，處理好生物質能利用與生物質其他用途的關系。云南和貴州省政府已經計劃開始利用荒地種植麻風樹來開發生物質能源。

　　3研究評述與展望

　　基于以上的文獻綜述，在利用邊際土地開發生物質能源方面，還需要進行更多的研究。已有的研究大多關注于生物理化方面，如識別邊際土地，評估邊際土地的生產潛力。這些研究為進一步的研究提供了基礎數據和信息。但是在將邊際土地用于生物質生產的經濟可行性和環境效應等方面還需要更多系統化的經濟與環境分析。“什么樣的證據可以證明利用閑置或邊際土地生產生物質能是在不引發間接土地利用變化的基礎上，以既可持續又經濟的方式來實現生物能源目標”這個問題目前還沒有得到解答，已有研究的不足和未來研究的空問主要可以歸納為以下幾個方面：

　　1)邊際土地定義不清以及缺少綜合的邊際土地識別系統。

　　很多評論者表達了對概念模糊這一問題的關注，但并沒有做出相應的實際研究。“閑置”、“廢棄”和“退化”等詞往往被隨意用來描述邊際土地。實質上，這些詞語在不同的情形下有不同的意義和內涵。隨意使用這些術語很可能導致混淆和誤解。為了促進能源作物在未用于農業使用的土地上生產，在描述土地的術語方面應該有一個全球性共識。

　　雖然很多學者在他們的研究中定義了邊際土地 ，但是都是從生物理化的角度進行定義的，沒有將其與社會經濟相聯系。相反，在如何將經濟概念與土地分類和識別邊際土地的方法相關聯這方面，已進行了很多的討論。然而，鮮有研究從綜合的角度定義或定量化這種假設性的土地資源，由經濟學家們研究出的土地分類方法也沒有用于研究生產生物質的邊際土地的識別。

　　2)各種類型土地生產力評估的有效數據不足。

　　評估和劃分農業土地已經有很長的歷史，不同的組織和國家都有自己的土地分類系統和方法，如聯合國糧食與農業組織、加拿大農業部。

　　土地生產力是評估劃分土地并建立土地適宜性等級最常用的參考依據。土地生產力可以用產出量或產出效益來衡量。生產力是土地經濟評估的必要條件。然而，在評估邊際土地生產力時遇到的一個主要問題就是邊際土地并沒有用于集約型農業生產，因此很難獲得邊際土地上作物產量的實際數據。雖然有一些生物物理模型可以用來模擬能源作物的產量 卜，但是這些模型幾乎沒有用于模擬作物在邊際土地上的產量，而且即使利用模型模擬，也很難證明數據的有效性。地租是衡量土地生產力的一個替代性指標。Birur等利用地租的概念識別邊際土地的生產力，但是只分析了草地和閑置土地，沒有包括可以用于生物質生產的所有邊際土地類型，因此準確識別各種類型邊際土地的生產力有待更多的研究。

　　3)缺少綜合的經濟與環境影響評價。

　　很多研究者已經對邊際土地的生物質生產潛力進行了評估，但是他們中大都沒有綜合評估其經濟性、環境影響以及社會福利，只是從理論角度評估了生產潛力。

　　在經濟分析中，需要重點考慮邊際土地的生物質生產成本，它在很大程度上決定了生物質在邊際土地上的生產可行性。同時，還有必要進行在不同種類和退化程度邊際土地上的生物質生產成本和經濟潛力的研究。

　　在環境影響評價中，溫室氣體減排是推進生物質能源開發的主要驅動力之一。利用邊際土地開發生物質能源過程中，溫室氣體排放的環境影響分析應作為評價的重點。同時，還要重視對邊際土地生產生物質的環境影響進行案例分析，這有助于理解和評估環境影響。英國環境、食品和農村事務部目前正在開展一項研究，用以計算英格蘭和威爾士具有潛在種植能源作物的閑置土地和目前處于邊際經濟產值的土地的面積。利用這些土地，可以不影響已有的糧食作物生產，不引起對預期溫室氣體儲存產生負面影響的土地利用變化，同時沒有顯著的環境損害。雖然這個項目識別出了適宜種植和收獲生物質作物的土地，但并沒有評估利用土地的可能性。因此，計算出的面積是最大可能面積，但由于實際可利用面積取決于政策、經濟環境、社會趨勢、生態要素以及物流限制等因素，因此會比預期的面積小。

　　4)有關模型和政策有待進一步開發和研究。

　　雖然有很多模型可以用來分析生物質生產對土地利用變化和溫室氣體排放的影響，例如農林部門優化模型、全球貿易分析模型、生物燃料與環境政策分析模型、全球生物圈管理模型，但是幾乎沒有研究考慮將邊際土地作為可利用的土地納入到模型中。Birur等在一般均衡模型中考慮了將邊際土地用于生物質生產，但沒有評價相關的環境影響。不同國家和地區將邊際土地納入生產后對經濟、環境和社會的影響分析這一方面還有待更多的研究。

　　除此之外，很多模型也已經可以模擬相關生物質能源、環境和氣候政策對生物質能源生產、土地利用變化和環境的影響，例如農林部門優化模型(溫室氣體)、全球貿易分析模型和加拿大區域農業模型，但是大多數模型同樣沒有將邊際土地納入其中。印度和中國都制定了鼓勵利用邊際土地的相關政策，但均沒有評估這些政策對經濟與環境產生的影響。Birur等檢驗了將邊際土地用于開發生物質能源的政策情景，但是該研究只考慮了命令控制型干預政策，沒有考慮經濟激勵型政策的作用效果。

　　有關邊際土地利用的研究正在積極地展開。美國阿貢國家實驗室正在評估內布拉斯加州和伊利諾伊州的邊際土地和受污染水源種植能源作物的可持續性。印度和巴西正在定義農業生態區域以期更好地劃分土地使用類別。印度的邊際土地已經被特定用于生物燃料作物生產。一些緊急救援組織、歐盟以及聯合國糧食與農業組織也在開展有關邊際土地利用現狀的調查。在邊際土地上大范圍種植能源作物將是一項充滿著挑戰的嘗試。為了獲得雙贏的結果，它的生態和環境影響以及經濟和社會效益應該在未來的研究中進行充分的分析和討論。利用邊際土地對國家或區域產生的影響及其未來發展潛力需要從更多的角度進行分析和研究。目前，我國還沒有在邊際土地上發展生物質能源方面的系統的研究。已有研究多限于對邊際土地生產潛力的分析，或是進行寬泛的論述，缺少經濟、環境與政策方面的定量分析。因此，我國還需要在利用邊際土地開發生物質能領域開展更多經濟、環境與政策方面的研究。