生态和社会 生态和社会
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以下是引用这篇文章的既定格式:
帕里什,E. S, A. J.赫茨伯格,C. C.菲弗和V. H.戴尔2018年。跨大西洋木屑颗粒贸易显示出多重利益。生态和社会23(1): 28。
https://doi.org/10.5751/ES-09878-230128
合成,一部分的特别功能远程耦合:全球可持续发展的新前沿

跨大西洋木屑颗粒贸易显示出多重利益

1橡树岭国家实验室,2田纳西大学布莱德森中心,3.密歇根州立大学渔业与野生动物系,系统集成与可持续发展中心,4美国密歇根理工大学森林资源与环境科学学院,5田纳西大学

摘要

自2009年以来,欧洲对可再生能源资源的需求导致美国东南部(SE US)木屑颗粒跨大西洋出口迅速增加。在以木代煤减少全球温室气体的问题上出现了分歧,大西洋两岸的团体都担心,增加生物质出口可能会对美国东南部的森林及其提供的生态系统服务产生负面影响。我们使用远耦合框架来测试木屑颗粒贸易对欧洲的预期好处可能被对美国东南部的负面影响所抵消的论断。通过对现有文献和可用数据集的回顾,我们描述了发送和接收区域的环境、社会和经济组成部分的观察到的和潜在的变化,以评估这一可再生能源系统的整体可持续性。我们得出的结论是,观察到的跨大西洋木屑颗粒贸易是一个互利的远程耦合系统的例子,尽管对煤炭行业有一些负面影响,但它有可能为美国东南部和欧洲提供环境和社会经济效益。我们建议继续监测这一远程耦合系统,以量化随时间推移在发送、接收和溢出系统中的环境、社会和经济相互作用及其影响,以便就这一可再生能源途径的可持续性做出基于证据的政策决策。
关键词:生物能源;生物动力;beplay竞技气候变化;生态系统服务;欧洲;森林管理;可再生能源;美国东南部;可持续性;木球

介绍

将多学科的具体知识整合到一个整体的视角中,对于推动社会实现可持续能源生产的最终目标至关重要,这意味着能源生产既能造福于当前的人类,又不会对未来的人类社区或他们的环境产生不利影响。尽管许多人已经调查了与为欧洲生物发电设施提供燃料的跨大西洋木屑颗粒贸易相关的潜在碳节约,但很少有研究考虑到这种可再生能源贸易在大西洋两岸的综合环境和社会经济成本和效益。这种全面的视角对于支持与这一有争议的可再生能源途径相关的循证决策、监测计划和政策是必要的(NRDC 2015, Olesen等人2016,Cornwall 2017)。

遥相关指的是发生在远距离的环境现象之间的因果联系或相关性,而全球化已被用于研究远距离的社会经济影响。基于这两个概念,Liu等人(2013)提出的遥耦合框架有助于识别和表征连接相距遥远的耦合人类和自然系统及其相关的环境和社会经济影响的驱动因素。因此,遥耦合框架为审查跨大西洋木屑颗粒贸易所涉及的系统之间的联系和可持续性提供了一个理想的视角。此前对木屑颗粒贸易的研究主要关注燃烧这种可再生燃料资源取代化石燃料的碳核算方面,由于化石燃料被用于木屑颗粒供应链的各个阶段,这一问题变得更加复杂(Dwivedi等人,2011年,2014年,krkov等人,2016年)。然而,我们还没有发现以全面和系统的方式处理跨大西洋木屑颗粒贸易的环境、社会和经济影响的研究。

在这里,我们探讨了对欧洲的木屑颗粒贸易将对美国东南部(SE US)的运输系统产生意想不到的负面环境和社会经济后果的论断(NRDC 2015年,Olesen等人2016年,康沃尔2017年)。此外,我们使用遥耦合框架来考虑可能发生在发送或接收系统的地理边界之外的负面后果(即,在“溢出系统”内)。通过这个案例研究,我们试图提高对跨大西洋木屑颗粒贸易的相互作用和后果的理解,并为未来的可再生能源途径的量化建模奠定基础,以使这一途径更加可持续。

遥耦合框架的应用案例研究

社会越来越多地将可再生能源生产作为减缓全球气候变化的一种方式,同时改善当地的环境和社会经济条件。beplay竞技为了扩大其可再生能源组合,欧盟(EU)的27个成员国制定了到2020年可再生能源消费量达到20%、到2030年达到27%的目标(欧洲议会2009年;欧盟委员会2030年能源战略:https://ec.europa.eu/energy/en/topics/energy-strategy-and-energy-union/2030-energy-strategy).最初的欧盟可再生能源目标在2009年开始具有约束力,立法和国家激励措施的结合促使一些欧洲工业发电厂开始燃烧木屑颗粒来取代煤炭。

多种相互作用的因素汇集在一起,导致森林茂密的美国东南部向几个欧洲国家的木屑颗粒跨大西洋出口迅速增加。这些因素包括可再生能源需求的增加、欧洲森林资源的有限以及有争议的温室气体(GHG)核算做法,该做法将欧盟成员国的生物质能编制为碳中性,有效地允许能源生产商忽略木材燃烧时的温室气体排放(EASAC 2017)。随着跨大西洋木屑颗粒贸易的增加,人们越来越担心对美国东南部森林及其提供的生态系统服务的潜在影响(Olesen等人,2016年)。对森林退化和低地硬木林损失的担忧,以及对受威胁和濒危物种的危害的担忧(NRDC 2015年)。大西洋两岸的利益攸关方都质疑,通过这一国际贸易安排,是否在全球范围内实现了预期的温室气体减排目标(Cornwall 2017)。

在本案例研究中,我们首先使用遥耦合框架(Liu et al. 2013, 2015)来确定这个遥耦合贸易系统中的关键参与者(代理人)、模式、流程和过程,以确定它们是促进了或阻碍了跨距离可持续发展的进展。在描述了发送和接收系统(包括它们的代理、原因和结果)和它们之间的流动之后,我们讨论了一个地理上不同的溢出系统,该系统可能受到木屑颗粒贸易的影响。我们还描述了在分析过程中证明有用的对遥耦合框架的两个潜在扩展。

跨大西洋木屑颗粒贸易系统的概念模型

遥耦合框架包括五个主要的相关组件:系统、原因、结果、流程和代理(Liu et al. 2013)。系统是指在特定的、不重叠的地理区域内相互关联的自然和建筑环境。发送系统是捐赠者或出口商,接收系统接受或进口交易项目(可以是原材料、知识产权、旅游等)。溢出系统是一个地理上不同的系统,它受到发送系统和接收系统的影响,并有潜在影响。这三个系统在多个尺度上相互作用,因为各种各样的社会、政治、技术和环境因素可以影响系统的组成部分,甚至在很远的距离上也会受到这些因素的影响。连接这些不同系统的是流,它可以是产品、物种、货币或系统内部或系统之间转移的信息(例如,木屑颗粒)。代理人是这个遥耦合框架的最后组成部分,作为影响连接系统内部和之间的流动的利益相关者(例如,欧盟成员国、美国东南部森林所有者)。

我们首先建立了跨大西洋木屑颗粒贸易系统的概念模型(图1),使用美国东南部作为发送系统,欧盟作为接收系统,煤炭行业作为地理上不同的潜在溢出系统(以及跨大西洋颗粒运输过程中对空气和水的排放)。我们将研究重点放在发送和接收系统上,因为对于遥耦合框架的这些部分,数据的可用性更大,而且确定的溢出系统受到超出本文范围的其他系统的影响。最后,我们讨论了通过我们的数据分析和文献综述确定的流程、系统、原因、代理和效果。遥耦合框架的应用提供了一种方法来检查与使用木屑颗粒有关的可持续性的多个方面,即社会和生态可持续性方面,而不是通过生命周期分析跟踪的碳排放。

发送系统,接收系统,以及它们之间的流

通过对美国国际贸易委员会(USITC)近期数据的分析,我们评估了这一快速增长的远程耦合系统所涉及的木屑颗粒和资金的跨大西洋流动,并使用结果来完善对发送和接收系统的地理边界的理解(表1和表2)。及其成员国最初打算通过结合木材和农业残留物来实现2020年生物能源生产目标(Dwivedi et al. 2011, Goh et al. 2013, Beckman 2015)。然而,到2014年,美国东南部提供了欧洲900万吨工业木屑颗粒的40% (Stewart 2015年),并成为欧盟最大的外部颗粒供应商(Olesen等人,2016年)。到2015年,美国的颗粒出口量是加拿大的3倍,是俄罗斯联邦的5倍(粮农组织2017年)。

2015年期间,美国东南部向34个国家发送了460万吨木屑颗粒(图2)。其中大部分(84%)运往英国,13%运往比利时,1%运往荷兰和法国,剩下的1%出口到全球其他30个国家(USITC 2017)。尽管美国木屑颗粒的最大进口国在有记录的每一年都有波动,但英国自2011年以来一直是主要进口国,目前是世界上最大的木屑颗粒进口国,而荷兰和比利时自2008年以来一直是重要进口国(粮农组织2017年)。USITC(2017)数据还显示:(1)2007年欧盟承诺增加可再生能源的使用后,这三个国家开始大量进口这种美国材料;(2) 2011年以后美国木屑颗粒出口的大幅增长主要是由于英国、荷兰和比利时的需求。尽管英国已经投票脱离欧盟,但它继续根据几家大型电力生产商建立的长期合同进口颗粒,并在2016年从美国实现了创纪录的4.2公吨颗粒进口(USITC 2017)。荷兰最近停止进口美国颗粒,同时决定新的可持续发展要求(图2),但预计一旦认证项目实施,将恢复发货(Kotrba 2017)。因此,我们指定这三个欧洲国家(英国、荷兰和比利时)作为主要接收系统。

几乎所有美国出口到欧洲的木屑颗粒都是从美国东南部的六个港口装运的(图3)。从这六个美国东南部港口出口的木屑颗粒总量从2012年的190万吨增加到2015年的470万吨,翻了一倍多(USITC 2017年)。这些工业级的小球由从林地和锯木厂获得的木材材料组成,由附近专门的出口颗粒磨加工而成。天林地是美国林地的一个子集,它“正在生产或有能力生产工业木材作物,并且[]未被法律或行政法规退出木材利用”(O 'Connell et al. 2014)。因此,我们将美国东南部的运输系统定义为向欧洲提供木屑颗粒的九个大西洋沿岸州的林地、锯木厂、出口颗粒厂和运输系统:阿拉巴马州、佛罗里达州、乔治亚州、路易斯安那州、密西西比州、北卡罗来纳州、南卡罗来纳州、弗吉尼亚州和德克萨斯州东部(图3)。运输系统中的运输基础设施包括公路网、铁路、驳船和航运港口。

美国东南部的前两家出口木屑颗粒厂于2008年开始运营,2016年有16家正在运营的出口木屑颗粒厂,另有3家正在建设中(Stewart 2015)。通常,这些工厂从锯木厂残留物和高价值木材产品的其他剩余物中获取生物质用于木屑颗粒(Morrison和Golden 2018年)。然而,用于木屑颗粒生产的生物质也可以直接从森林中获得,途径包括:砍伐森林顶部、剔除树木和灌木丛、倒下的木质碎片和从纸浆厂关闭后从市场上滞留的森林中获得的圆木(原木)(Dale等人,2017年)b,Parish等人。2017b).通过对美国东南部颗粒行业代表的采访,Morrison和Golden(2018)发现,美国东南部颗粒的生产场景范围从100%锯木厂残留物到100%圆木不等,随可用的供需而波动。

据报道,2012年美国东南部木屑颗粒的出口总额为2.58亿美元,2013年为3.71亿美元,2014年为5.19亿美元,2015年为6.83亿美元(美元;粮农组织2017)。工业颗粒主要是根据长期双边固定合同与欧洲国家进行贸易(Goh等人,2013年)。短期内,颗粒价格可能受到一般木材市场供需趋势、货币汇率和破坏性事件的影响,如2009年和2013年的冬季暴雨阻碍了美国东南部的树木计划收割(Stewart 2015年)。出口木屑颗粒的需求还没有对美国其他木制品造成任何重大的价格变化,但生物能源生产已经在当地对纸浆木材造成了一些竞争(Stewart 2015年)。然而,随着美国房地产市场从2008年的崩溃中持续复苏,更多高价值锯材将被采伐和加工,从而导致更大的低价值纸浆木和残渣的可用性(Parish等,2017年b).

木屑颗粒贸易最近增长的原因

跨大西洋木屑颗粒贸易由于多种原因而加速(表3)。欧盟政府通过其可再生能源指令和激励计划是该贸易的主要驱动力(Dwivedi et al. 2014)。欧洲国家一直在寻求通过减少现有燃煤电厂的温室气体排放来缓解气候变化(政府间气候变化专门委员会2beplay竞技014年)。欧洲的天然气基础设施和管道不像美国那么发达,这使得在该地区选择燃气发电过于昂贵(Xian et al. 2015)。欧盟委员会已将木屑颗粒确定为将生物质材料转化为燃料的最经济方式,以帮助实现欧盟的可再生能源目标(Beckman 2015),而且木屑颗粒比典型的生物质来源具有更高的热能含量,因为它们是通过压缩生产的(美国商务部国际贸易管理局2016年)。作为对欧盟2020年气候和可再生能源目标的回应,国家立法和法规为生物质发电厂的所有者提供了金钱激励(Dwivedi et al. 2011, Goh et al. 2013, EASAC 2017)。改造现有燃煤电厂以使用生物质(单独或通过共烧)所需的工程相对简单,而且电厂转换的低成本有助于使生物质成为欧洲电力供应商的重要桥梁燃料(Morrison和Golden 2018)。

工业木屑颗粒贸易流动受到欧洲发电厂尺寸和质量规格(例如,低灰分含量)的影响,这影响到木材投入和加工技术(Anderson和Mitchell 2016年)。尽管欧盟成员国有越来越多的机会从附近国家购买木屑颗粒,但美国木屑颗粒的高质量加上其相对较低的水上运输成本(相对于陆地)使美国木屑颗粒成为一种有吸引力的进口商品(Beckman 2015)。

尽管美国木屑颗粒出口的增长主要是由欧洲需求的增加推动的,但美国东南部体系内的地理、经济和其他因素也促进了贸易的增长。美国东南部的温带气候支持了大量的森林,它们能迅速再生。美国东南部地区被称为美国的“木篮子”,占全美2.11亿公顷林地的40%,自1996年以来提供了美国约63%的木材收成(Oswalt and Smith 2014, Langholtz et al. 2016)。这一大片林地靠近大西洋(图3),可以通过完善的海上航线将木质生物质低成本运输到欧洲(Rodrique 2016年,Hamilton和Quinlan 2017年)。虫害爆发、风暴、冰暴和其他极端事件对森林造成的干扰产生了低级生物质的直接来源,这些生物质可能在没有市场出口的情况下被焚烧或腐烂(Wear等人,2013年,Greenberg和Collins, 2016年)。

21世纪之交数字时代的兴起导致了世界范围内纸浆和纸张市场的普遍衰退。随着2007年12月美国房地产市场的崩溃,近1000家美国木材加工厂被关闭(Oswalt and Smith 2014)。到2009年,整个美国东南部的锯木厂仅以60%的产能运行(Stewart 2015),美国东南部锯木厂的损失导致整个东南部地区的工作岗位大量减少(Brandeis和Guo 2016)。因此,替代木材产品途径对于保持美国东南部的森林土地至关重要(Dale等,2017年一个).

目前,美国还没有具体的政策来禁止或鼓励使用木屑颗粒(Langholtz et al. 2016)。尽管木质生物质理论上可以用于当地的生物发电生产,但最近美国天然气价格的下跌,加上美国煤炭行业的游说力量,阻碍了美国东南部木屑颗粒市场的发展(Xian等人,2015年,Mei和Wetzstein 2017年)。自20世纪30年代以来,袋装木屑颗粒已被用于美国东北部的家庭供暖(Spelter和Toth 2009),但美国环境保护机构的清洁能源计划提案遭到反对,且缺乏激励措施,阻碍了以木材为基础的生物能源在工业规模上的发展(Xian et al. 2015)。因此,在过去几年里,美国木屑颗粒的出口远远超过了国内的使用量。

动因:主要的、促进的和约束的

在发送和接收系统中都涉及到各种复杂的决策者。因此,我们根据代理对发送系统、接收系统和溢出系统内部和之间的流动的影响方式,将代理分为三个子类型(表4)。我们将主要代理定义为每个系统中的中央决策者,根据从便利代理和约束代理接收到的行动和信息驱动流动。促进代理是系统内增加或加速系统内物质流动的实体。约束剂减慢或减少物质的流动。由于与未来国际木屑颗粒贸易的增长和扩大有关的许多不确定性,我们认为将这些分层代理集成到概念模型中是重要的。

用于生物能源的工业级木屑颗粒是美国原有森林部门的一种新商品,其驱动因素是当地对价值最高的木材产品的需求,这些产品通常是锯材,但也可能是纸浆,受工厂位置和类型的影响(Parish等,2017年)b).美国东南部发送系统的主要代理人包括森林所有者和土地管理者,他们对林地管理和收成做出关键决策。这些决定包括在采伐和轮作长度、残渣去除率和所有权转让方面的选择,这些可能会在几十年的时间和空间上影响森林的面积、质量和组成。

最近工业土地所有权向私人所有权的剥离(例如,国际纸业公司在2006年出售了美国东南部190万公顷林地)导致了更多的林分级管理和更大的灵活性,以应对市场条件(Stewart 2015年)。美国东南部的大部分(即87%)森林现在由家庭私人拥有(Weir和Greis 2013年),其中许多人根据个人价值观和财务考虑以及教育或健康需求等生活事件来选择何时和如何采收(Butler等,2017年)。家庭所有者通常有种植更大、更高价值的树木的目标,他们经常推迟收获,直到锯材价格看起来有利(Stewart 2015)或直到生活事件引发了对现金的需求(Butler et al. 2017)。狩猎和娱乐租赁还能补充收入(Malmsheimer和Fernholz 2015年),并可能影响选择或避免的收获类型(例如,砍伐、有控制的焚烧)。

伐木者和磨坊主也是东南美国发送系统的主要代理。经过认证的球团厂、纸浆厂和锯木厂要求供应商提供伐木者培训和认证的特殊文件,以确保可持续实践。磨坊经营者和森林管理者都帮助决定何时向木制品市场的不同部分提供生物质,包括颗粒生产设施经营者。

发达的铁路、公路网和驳船等基础设施为从美国东南部森林采集地向供应链其他环节转移木材提供了便利。工业颗粒协会、纸浆和纸浆工厂以及通过美国东南部的可用劳动力是鼓励木屑颗粒生产的额外促进因素,通过使供应链部件易于获取和具有成本效益。

派遣系统内的其他促进机构包括来自美国农业部林务局的人员和来自土地授予大学的林业推广机构。这些实体负责教育森林所有者有关森林最佳管理做法(BMPs)和潜在的(通常是可变的)木材出口。林业协会,如美国林务协会和全国空气和河流改善委员会,有主要责任帮助执行将促进可持续木材工业几十年的决定,目前也支持颗粒工业。如果这些实体获得关于木屑颗粒工业对森林造成负面影响的新信息,它们将相应地改变对森林管理者的建议。

多种联邦、州、县和市法规适用于美国东南部的森林管理(Olesen等人,2016年),可能直接或间接影响颗粒行业可用的生物质供应。美国能源独立与安全法案该法规为美国制定了可再生燃料规范,如果木质生物质开始用于国内能源生产,则可能开始影响颗粒生产(Langholtz et al. 2016)。美国环境保护署和美国鱼类和野生动物局是负责执行该法案的主要联邦监管机构清洁水法、濒危物种法、候鸟条约法、海岸带管理法、而且雷斯法案》(USIPA 2013)。美国环境保护署和美国鱼类和野生动物局经常将监督授权给各个州政府,这些州政府也支持与水质管理、土壤质量和侵蚀、湿地保护、分区问题和园林绿化条例有关的各种林业bmp (Cristan等,2016年)。所有这些法规和bmp都有可能限制颗粒生产(例如,通过残渣去除率要求)。土地信托和公民联盟是额外的约束因素,因为它们可以通过建立保护地役权将林地转变为受保护林地(Davis 1996年)。一些联盟施加政治和社会压力,要求不使用木材作为能源。

目前还不清楚通过可持续生物产品圆桌会议或可持续生物质伙伴关系等项目认证所有颗粒原料的潜在新要求是否会增加或减少美国东南地区的颗粒出口量。荷兰最近的一项研究(Kotrba 2017)发现,目前美国只有5%的小森林所有者获得了美国四个主要森林认证项目之一的认证,即森林管理委员会、美国林场系统、可持续林业倡议和森林认证认可项目。尽管认证项目可以帮助美国东南部的颗粒厂满足欧盟接受国的法律要求,但对许多管理着美国东南部80%林地的小家庭森林所有者来说,在一个或多个项目下获得正式认证往往成本太高或耗时太长(Malmsheimer和Fernholz 2015, Poudyal等人2015,Olesen等人2016)。最近对乔治亚州居民的一项调查发现,他们更支持环境管理激励措施而不是要求(Poudyal et al. 2015)。

欧洲接收系统内的主要代理包括各国政府,它们支持增加使用生物质作为煤的替代品,以响应欧盟委员会制定的可再生能源目标(表4)。主要代理还包括使用生物质的发电企业和电力消费者,他们共同决定需要发电的电量和使用的燃料类型。

促进机构包括有权制定和修订能源立法和激励措施的欧盟委员会,以及在原有的颗粒供应链中经营的个人,该供应链最初是为从欧洲内部接收颗粒而设立的。限制因素包括大西洋两岸的环保非政府组织(ngo),它们反对木屑颗粒贸易,因为它们担心对美国东南部森林生物多样性和生态系统服务造成潜在危害(例如,NRDC 2015)。

在欧洲的接收系统内,也有一些代理人,根据事态的发展,可能会促进或限制。例如,2013年与欧洲公用事业公司联合成立的可持续生物质伙伴关系计划,旨在通过标准化的可持续协议促进木屑颗粒贸易,但将该计划作为与美国东南部工厂做生意的要求可能会成为障碍,原因已经讨论过。这个例子演示了遥耦合系统中的代理可以跨系统边界和长距离产生影响。如果政府取消对可再生能源的补贴,私人投资者可能会促进或阻碍木屑颗粒贸易的新市场开发

效应:观察到的vs潜在的

在现有的木材市场体系中,木屑颗粒生产的时间较短且规模相对较小,因此很难确定这种新贸易商品对美国东南部森林管理和相关生态系统服务的实际影响(Parish等,2017年b).尽管近年来美国木屑颗粒出口增长迅速(图2),但它们在美国东南部林地砍伐总量中仍占相对较小的比例(见Parish等人2017年的图5)一个).非政府组织对日益增长的木屑颗粒工业可能产生的潜在环境问题特别直言不讳(因此它们在表4中被指定为限制因素),但很难找到实际观察到的影响的证据,特别是在该工业发展的早期阶段。因此,我们区分了观察到的木屑颗粒工业影响(表5)和推测的影响(即潜在影响;我们讨论了这两种类型的效应。

欧洲委员会对跨大西洋木片颗粒贸易的潜在环境影响提出了关切,包括:(1)美国东南部的森林砍伐和森林退化,(2)美国东南部森林的生物多样性和生态系统服务的损失,以及(3)欧盟未能通过用木片颗粒替代煤炭实现预期的温室气体净减排。首先,没有证据表明最近的颗粒生产是导致美国东南部森林砍伐或森林退化的原因(Dale等,2017年b).相反,美国东南部保留在森林中的土地数量的变化,以及森林的质量和组成,继续在很大程度上受到发展、城市侵蚀、自然干扰和气候变化的驱动(Wear and Greis 2013)。beplay竞技尽管一些非政府组织认为,由于能源需求的增加,物种丰富的混合硬木林正在被松树种植园所取代(NRDC 2015年,Olesen等人2016年),但最近对2000-2014年美国东南部锯材和纸浆材总库存的分析显示,大西洋地区硬木的年增长率为0.1%,海湾地区硬木的年增长率为1.3% (Stewart 2015年)。

其次,评估跨大西洋木屑颗粒贸易对美国东南部生物多样性的影响是困难的,因为在更大的美国木制品系统中,木屑颗粒生产的作用很小(Parish等,2017b),因为对生物多样性的影响与环境高度相关,并取决于特定的物种和栖息地、森林管理做法(例如,轮作间隔、残留物清除率)和采伐前的森林条件(Constanza等,2016年)。同样的一系列条件可能会导致一些物种减少,而另一些物种受益(例如,一些物种在年轻的森林中茁壮成长,而另一些则依赖成熟的树木)。重要的是要认识到,美国东南部地区是由不同森林(在年龄、林分结构和物种组成方面)组成的马赛克景观,这些森林根据重叠的州和联邦指导方针进行管理,以实现多个目标。生物能源对生物多样性的负面影响可以通过保护优先区域来避免或减少(Joly等,2015年),美国东南部两家最大的颗粒生产商最近建立了保护基金,以帮助保护和恢复敏感的低地森林(Drax生物质,2016年)一个;环保森林保育基金:http://envivaforestfund.org/).

生态系统服务与木材和纸浆资源一样是必不可少的森林“产品”(Anderson和Mitchell 2016),而不断增长的生物质出口有可能通过改变森林管理实践来影响生态系统服务(Janowiak和Webster 2010, Achat等人2015,Tarvainen等人2015)。美国东南部的生态系统服务可能受到颗粒生产(消极或积极)的影响,包括洪水控制、土壤质量和水净化(NRDC 2015年),以及远足者、划船者和猎人的娱乐机会(Malmsheimer和Fernholz 2015年)。森林采伐会影响土壤碳,但影响程度高度依赖于场地,相互作用复杂(Achat et al. 2015, Coulston et al. 2015)。为收获生物量而间伐森林还可以通过提高林分生长率来改善成熟树木的碳固存(Jandl et al. 2007)。整个美国东南部的大多数国家管理的森林管理标准,以及许多伐木场要求获得认证的伐木者进行采伐,应确保水质和土壤质量得到保持,因为这些系统参与者也关注这些潜在影响(Cristan等人,2016年,Olesen等人,2016年)。木屑颗粒出口的利润为美国东南部的土地所有者提供了额外的收入,他们需要保持森林中的土地并适当地管理它(Malmsheimer和Fernholz, 2015年,Dale等人,2017年一个).鉴于美国木材生产总量的下降,木制品的这一新的收入来源尤其重要,这对美国东南部的农村社区产生了严重影响(Brandeis和Guo, 2016, Parish等人,2017一个).管理良好的森林已被证明可以改善水质、碳封存、生物多样性以及整体生产力(Anderson和Mitchell, 2016, Dale等,2017一个).

第三,发起跨大西洋木屑颗粒贸易是为了帮助欧洲国家减少发电产生的温室气体排放,而不是传统化石燃料燃烧产生的。几项研究,包括一项在930种不同情景下模拟温室气体排放的研究(Dwivedi et al. 2014)发现,通过使用木屑颗粒,总体温室气体排放可能会大幅减少。然而,由于估算净温室气体排放量的假设和方法不同,“碳核算”仍然是跨大西洋木屑颗粒贸易中最棘手的争论领域之一(Berndes等人,2016年,EASAC 2017年)。从遥远的美国和加拿大进口木屑颗粒的欧盟成员国目前可以报告发电量的温室气体排放量减少高达78%(见Giuntoli等人2017年的表97),部分原因是有争议的会计做法假设碳是在树木收割时立即释放到大气中,而不是在燃烧时(EASAC 2017)。总的来说,关于“碳债”的争论涉及到这样一个事实:树木重新生长和储存碳所需的时间(即几十年)要比发电厂燃烧木材释放碳所需的时间长得多(Goh et al. 2013)。碳债通常认为,除非有颗粒需求,否则树木不会被收割,而不适用于美国东南部经常用于颗粒生产的木材废料和残留物。在缺乏生物能源市场的情况下,来自非商业稀释物、收割残留物和一些磨坊残留物的木质碎片更有可能被成堆地留在现场分解或焚烧,从而排放出温室气体,而无法回收能源(Evans等人,2013年,Dale等人,2017年)一个).通过选择性间伐进行森林管理有可能增加土壤和树木中储存的碳(Dale等,2017年一个),同时向位于合理距离内的颗粒厂提供低品质圆木原料。与参考“反事实情景”下的预期相比,仔细考虑颗粒生产的影响对于解决碳核算的争论至关重要(Ricardo能源与环境,2016,Parish等,2017。b).

部分出于欧洲和美国非政府组织对可持续性的担忧,一项专门针对能源用木材的认证计划于2013年启动。该可持续生物质伙伴关系由工业主导,并得到欧洲公用事业公司的支持(Olesen等,2016年)。英国和比利时已经实施了整个生物质供应链的可持续性法规(Goh et al. 2013),荷兰一直在研究这个问题(Kotrba 2017)。

颗粒贸易对接收系统的负面社会经济影响包括木屑颗粒相对于煤炭的更高成本(2015年6月木屑颗粒的价差为165美元/公吨,煤炭为58美元/公吨)和与锅炉转换相关的成本(绿色2015)。对欧洲的好处包括改善当地空气质量,因为燃烧木材时释放到大气中的毒素比燃烧煤炭少(Dwivedi et al. 2014),保护欧盟林地及其相关的生态系统服务(Solberg et al. 2014),创造就业机会,因为为发电厂提供颗粒燃料比燃煤需要更多的人(Strauss 2014)。

溢出系统:煤炭的衰落

2017年4月21日,英国庆祝了自1881年以来第一个完全无煤电日(BBC News 2017)。自2010年以来,英国的生物质发电能力增加了16倍,而燃煤发电能力下降了88% (Voegele 2016)。美国对英国和比利时的煤炭出货量有所下降,对荷兰的煤炭出货量趋于平稳,与此同时,用于生物发电的木屑颗粒对欧盟的出货量有所增加(图4)。美国的煤炭产量和能源使用量略有下降,从2008年的近11亿公吨降至2015年的约8.16亿吨,而美国的煤炭出口则从欧洲转向中国、韩国、和其他国家(美国能源信息管理局2016年)。

尽管我们已经将美国煤炭行业确定为这个相互耦合框架中的一个溢出系统(图1),但欧洲从美国进口煤炭的下降与木屑颗粒以外的其他因素有关。最近的一篇新闻文章称,在过去五年中,欧洲从美国阿巴拉契亚地区进口的煤炭减少了50%,部分原因是可再生能源市场的增长(Breen and Koehler 2017)。我们对欧盟统计局(EUROSTAT)提供的欧盟成员国能源平衡数据(图5)的分析表明,自2000年以来,英国、比利时和荷兰的一次能源生产总和一直在下降,来自可再生资源(如风能和太阳能)的一次能源生产比例的增长快于来自固体生物燃料的一次能源生产比例的增长。这些欧盟成员国继续利用除煤炭以外的各种不可再生资源生产能源,包括天然气、石油和核能(欧洲委员会2017年)。需要进一步的研究来分离和量化欧洲木屑颗粒使用的增加对美国煤炭工业的影响。

木屑颗粒贸易的其他溢出效应包括向欧洲运输木屑颗粒时对全球大气和大西洋的污染物排放(图1)。Dwivedi等人(2011)计算得出,跨洋运输是供应链中温室气体排放的最大来源,从佛罗里达到荷兰的每一次运输产生相当于71,750公吨二氧化碳当量的排放。或者发电厂燃烧树木产生的相当于二氧化碳排放量的44%。然而,目前尚不清楚跨大西洋运输的增加是由于木屑颗粒贸易,还是油轮只是在运输木屑颗粒来代替其他东西(如煤炭)。

知识差距和未来的不确定性

跨大西洋木屑颗粒贸易的未来轨迹目前尚不清楚。美国和欧洲最近的几项政治决定有可能对整个木屑颗粒贸易系统产生重大影响。欧盟委员会最近提议到2030年将其可再生能源的目标提高到27%,这使得欧盟可能需要从美国进口更多木屑颗粒(Olesen et al. 2016)。然而,欧盟及其成员国最近的紧缩措施限制了对所有可再生能源的补贴,使得新的出口颗粒厂更难获得与欧洲客户的长期合同(Stewart 2015)。英国脱离欧盟的所谓“脱欧”决定,让许多人怀疑,作为美国东南部颗粒的最大进口国,英国是否会很快减少对木质能源的需求。美国总统特朗普最近决定将美国从《巴黎协定》中移除,这使得美国颗粒出口的情况复杂化,因为欧盟不打算接受来自非该国际气候协定成员国的颗粒(Murray 2017)。然而,事实上,许多欧洲发电厂已经完成了从煤炭到生物质的必要转换,并与美国东南部的木材供应商建立了长期合同,这表明欧盟可能会找到一种方式继续这种贸易安排,以便可再生能源消费者最终不会面临“不相称的负担和成本”(欧盟理事会2017)。2018年,欧盟成员国将讨论拟议的可再生能源指令(RED II),以及如果供应商选择满足一系列可持续性要求,该指令是否允许美国继续向欧盟出口木屑颗粒(Ginther 2017)。

生物质供应商在贸易行业期刊上报告称,尽管英国脱欧,但他们预计与英国的木屑颗粒贸易在短期内将继续增长(2016年国际木材资源)。现有的美国东南部出口颗粒厂的总生产能力为每年7.4公吨(Stewart 2015),因此在2015年出口颗粒4.6公吨的基础上还有增长空间。如果美国东南部木屑颗粒的欧盟市场确实下降,那么还有其他潜在的市场,包括本地和国外(Arnold 2016)。

木屑颗粒出口行业的快速增长引发了森林管理方面的担忧,这与1985-2000年期间大量芯片工厂开始在美国东南部大量涌现时引发的问题类似(Stewart 2015)。尽管非政府组织表达了担忧,但砍伐并没有普及,在芯片加工厂繁荣时期,收割的轮作长度也没有缩短(Schaberg等人,2005年,Stewart 2015年)。对北卡罗来纳州木片生产的综合评估发现,木片加工厂应该被视为“一种加工技术,而不是木材采伐的独立原因”(Schaberg et al. 2005:17)。考虑到跨大西洋木屑颗粒出口市场在整个美国东南部木材市场中所占的份额很小,以及为确保区域和地方层面的可持续森林管理而制定的大量法规和以州为基础的管理标准,我们预计该市场也会出现类似的结果。

结论

基于我们使用遥耦合框架的分析,我们得出结论,对美国东南部森林的负面生态影响的断言目前还没有得到证实(如表5中所列的观察效果所示)。我们还发现,跨大西洋木粒贸易是一个互利遥耦合系统的例子,具有为美国东南部和欧洲提供环境和社会经济效益的潜力。然而,考虑到木屑颗粒的生物量仅占美国东南部林地移除物的约3%,因此很难将木屑颗粒生产的影响与美国东南部整个木材行业的影响区分开来(Parish等人,2017年a、b).在当前(美国)天然气储量丰富、(全球)可再生能源使用不断增加的背景下,很难将木屑颗粒对美国煤炭行业当前下行轨迹的影响孤立开来。

围绕这一可再生能源途径的一些争议是由于跨大西洋木屑颗粒贸易涉及大量代理商,其中许多人对没有颗粒贸易的森林管理的替代(或参考)情况有不同的定义(Parish等人,2017年)b).在本案例研究中,我们通过细分代理扩展了遥耦框架。我们划分了在这个连接的系统中操作的决策(主要)代理和那些促进发送和接收系统之间的流量大小(但不是必不可少的)的代理。我们还发现,强调那些可以抑制或减缓发送或接收系统中遥耦合关系的约束因子是有用的。这种对代理的精细化理解有助于识别影响在这个复杂系统中发现的遥耦合关系的涉众。代理的角色可以跨越系统边界,并且是特定于时间或特定于案例的,随着系统对反馈的反应而变化。

以往对跨大西洋木粒贸易的研究通常侧重于温室气体排放的生命周期分析,但使用远程耦合框架帮助我们整合来自多个学科的信息,全面解决跨大西洋木粒贸易问题,揭示环境、社会、以及发送和接收系统的经济效益(表5)。需要进一步的研究来量化通过该分析确定的所有相互作用和影响,以便开发一个关于这一生物能源途径的可持续性的循证决策模型。对美国东南部森林的持续监测对于确定木屑颗粒贸易未来是否会产生潜在的环境和社会经济影响(表6)至关重要。

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致谢

2016年4月,在美国北卡罗来纳州阿什维尔举行的国际景观生态协会美国区域协会(US-IALE)年会上,Jack Liu博士主持了一场远程耦合研讨会,本文由作者ES、AH和CP合作完成。作者ES和VD得到了美国能源部(DOE)生物能源技术办公室的支持。橡树岭国家实验室(ORNL)由UT-Battelle为能源部管理,合同为DE-AC05-00OR22725。作者CP获得了美国国家科学基金会(NSF) PIRE拨款1243444的支持。我们感谢ORNL的Keith Kline和三位匿名审稿人的建设性意见。我们还要感谢Keith Kline在塑造本文中讨论的许多数据分析和想法方面所起的作用。

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