文摘

能源短缺越来越严重的世界各地,和全世界的政府试图推动生物燃料的发展,以减轻气候的影响巨大的化石燃料的消耗。由于土地是主要的生物能源生产的输入因素,生物燃料的发展将不可避免地导致土地利用结构的变化和分配,从而影响气候系统。中欧作为研究区域,本研究探讨了影响土地利用/土地覆盖变化(LUCC)对气候的影响下,生物能源生产对土地资源的需求。首先,从2010年到2050年土地利用结构与农业和土地利用模型模拟小型照相机。结果表明,主要的转换将主要来自草地和森林,农田,从农田到草原。土地制度的动力学模型是用于空间模拟LUCC在未来。LUCC的影响对气候与天气进行了分析的基础上,模拟研究和预测(WRF)模型。气候变化将以潜热通量的增加,温度和降水的减少。

1。介绍

能源短缺越来越严重的世界各地;同时,可再生能源发展迅速,但还没有成为一个重要的能源(1]。自1990年代以来,美国、欧洲高能耗国家,农产品贸易巴西等国已经开始开发可再生生物能源(2]。作为主要类型的可再生能源,全球政府也促进其发展,以减轻气候的影响巨大的化石燃料的消耗。同时,它是近几十年来成为科学研究的热点。以前一些研究生物能源的有效性估计的潜在影响的发展可再生能源根据温室气体(GHG)排放的变化由于土地利用/土地覆盖变化(LUCC)和通过生命周期分析(LCA) [3]。LUCC对温室气体有很大影响,它还修改了表面能和水平衡4,5通过影响近地表温度和降水)。除此之外,它是一个额外的推动力的气候变化在全球6- - - - - -9)和地区(10- - - - - -12鳞片。本研究主要集中在生物能源开发在LUCC的影响,影响地表的biogeophysical过程,随后影响气候变化。

生物能源已经显示高潜力在应对全球能源危机和日益严重的环境问题,因为它为是著名的可再生,可降解,无毒,环境友好13]。大多数研究者研究了生物能源的增长和生产的影响与GBEP常见的温室气体生命周期方法论的框架分析生物能源(14]。额外的15%的温室排放土地利用变化的结果,特别是改变与森林砍伐造成的农业用地的扩张。农田高反照率比森林,还有低吸收的太阳辐射被砍伐的区域(15]。由于生物能源生产需要耕地或土地16,17),它改变了土地利用结构(18),同时影响碳汇影响气候变化,包括改变温度,降水,蒸发。更重要的是,全球生物能源伙伴关系(19)报道,具体重要的方法论的不确定性和方法论的选择可以显著影响指标的值间接相关土地利用变化和测量LUCC基准年。

然而,大多数研究显示可能会有一些(潜在)过剩的农业用地在欧盟在不久的将来,而农田在中欧自1970年以来表现出下降的趋势(20.]。然而,这个顺差的大小取决于很多因素。总的结论是,未来的土地用于生物能源生产将很大程度上取决于农业政策和市场发展。另一个普遍的结论是,上述研究集中在聚合量,只提供有限的洞察在区域范围内发展。许多研究提供重要的信息在生物能源生产的环境影响情节。然而,这些研究未能捕捉生物能源生产在景观尺度的影响(21]。

LUCC的气候影响通过影响陆地biogeophysical过程吸引了越来越多的关注在当前科学领域(22- - - - - -24]。LUCC可以改变对流降水和其他地区天气模式如水分的表面通量和明智的和潜热通量25]。很难总结土地覆盖变化对气候的影响,因为不同的气候影响biogeophysical影响可能相互抵消(26]。此外,相比,土地覆盖变化的影响在全球或年度尺度,在区域范围内土地覆盖变化的影响还没有很好地代表在年度或全球平均统计数据,因为它常常会显示相反的迹象。(27]。事实上,全球环流模型的粗分辨率捕获(GCMs)严重限制了他们的能力发挥关键作用的中尺度特征区域动力学(12]。相比之下,区域环流模型(rcm)更适合研究区域范围内。

目前,越来越多的研究人员研究了LUCC对区域气候的影响与动态降尺度(20.,28,29日),不同的原始数据,转换技术,和应用程序。在中纬度地区农业用地的扩张导致的减少每日平均温度在许多领域的范围(30.]。许多学者研究了LUCC对区域气候的影响与rcm反转,而参数化的过程并非完全针对生物能源研究。本研究的主要目的在于阐明生物能源的生产如何影响LUCC及其对气候变化的影响。本研究首先回顾了中欧生物能源的发展如何影响土地利用转换等草地和林地耕地。然后LUCC的影响在温度、降水、和热平衡进行了检测和分析的基础上,模拟研究天气和预测(WRF)模型。

2。方法

本研究探讨了LUCC的影响下,生物能源生产对土地资源的需求与多尺度和multimodel方法和模拟其对气候变化的影响。首先,从2010年到2050年土地利用结构与农业和土地利用模型模拟在GCAM (AgLU)。AgLU模型是一个自上而下的经济模式有足够的结构来模拟全球土地利用变化和随之产生的碳排放在一世纪(31日]。这些模拟实现,没有碳政策代表着积极的碳价格。碳价格的变化创造激励商业生产的生物质,影响其他土地的分布类型和随后从土地利用变化对碳排放的影响。商业生产的生物质提供了农业和能源系统之间的联系。在这项研究中,分析了土地利用变化的主要驱动力,包括经济增长、收入增长、粮食需求增长、人口增长、气候变化,特别是对生物能源生产的需求。LUCC的核心在于分配机制之间的农田,草地、林地、未利用土地和区域经济利润的最大化。

需求方程(1)的作物,加工作物和动物产品表达总热量的单位每年要求如下: 在哪里对热量的需求(总热量要求每年在一个区域吗),可以作物、加工作物或动物产品,是一个地区的指数,计算的时间点,是一个比例系数(无单位)校准基准年的价格和收入反馈条款,商品的市场价格(美元/每人每天摄入),价格弹性,人均收入指数吗GDP(国内生产总值(GDP) /数量/美元/基准年人口),的收入弹性的热量要求意味着它可能不同于交通需求的收入弹性方程,行业或建筑(),是地区的总人口(不同于人口指数、区域人口的比例除以区域人口基准年,方程对能源服务需求的交通和建筑领域),和是每人每天摄入(乘以365年度消费)。

方程(2)是计算对两种类型的森林产品的需求,工业木和燃料木: 在哪里是工业木材和燃料木材立方米要求。

选择土地利用在每个位置是基于经济回报最大化。每公顷利润等于收入(每公顷产量乘以价格收到)-生产成本(每公顷产量乘以nonland每单位产出成本)。这种关系所示(3),是土地利用类型索引,l是该地区指数,是在一个地区的地理位置索引: 在哪里土地的经济回报是利润率(美元/ ha-yr),产品的市场价格是由土地使用吗(单位/美元收益单位:卡路里或者m³),是nonland每单位产出成本在土地利用(单位是美元/产量单位:卡路里还是米³)。是森林产品的远期价格的种植和收获之间的时间间隔。

考虑 在哪里利率($ / $,无单位)。

与特定假设收益率分布的函数形式,土地分配的比例使用由份额分对数方程给出: 在哪里是一个积极的参数,决定了土地股份变化的速度响应利润率的变化。

土地使用特定的目的是在此基础上计算logit-based占总土地:

土地制度(DLS)的动力学模型是用于空间模拟LUCC通过识别农田和其他土地覆盖类型之间的转换期间2010 - 2050。DLS,一个好的模型来分配土地利用模式根据特定的需求,是项目的集合,通过模拟土地利用的变化模式进行情景分析研究区域的土地利用变化(32,33]。首先,地球物理条件的影响和社会经济环境对耕地面积的空间格局进行了探讨,并主要驱动因素对农田的空间模式识别。其次,主要影响因素的变化趋势农田的空间模式是通过考虑预测的历史特征和区域范围内的现状。第三,适当的场景被选中来预测土地资源的供给和需求之间的平衡。农田面积的净变化,限制了土地的供给和需求在各种land-consuming领域,被分配到每个像素根据土地利用结构。最后,耕地面积在30公里的空间分配30公里网格规模和空间格局终于产生。

最后,与天气气候变化模拟研究和预测(WRF)模型,以评估LUCC对区域气候的影响。WRF模式,区域气候模型更高的区域投影,是新一代中尺度数值天气预报系统设计为两个大气研究和业务预测的需要。这是两个动力核心、数据同化系统和软件架构,允许并行计算和系统的可扩展性。模型提供一个广泛的跨尺度气象应用程序从米到数千公里。的模型3.5版本开发的国家大气研究中心(NCAR)包括三个地表方案表1:简单的土壤热扩散(STD)计划,诺亚计划,快速更新周期(RUC)计划(34]。横向边界迫使NCEP / FN数据来自数据集,每6小时更新一次。的物理过程参数化方案的模型,积云参数化方案采用Grell-Devenyi整体方案,边界层YSU工艺方案,和短波辐射方案是凸轮计划,而陆地表面过程计划诺亚地表模型。边界缓冲区设置为4层的网格点,和边界条件采用放松计划。模型集成的时间间隔设置为5分钟,过程和积云对流和辐射是半个小时,5分钟,分别。有27层在垂直方向,顶层是50 hPa的大气压力。

WRF模式被用来模拟气候变化从2040 - 2050年第一年作为自旋向上。有一组测试用来验证方法模拟2010年的气候。10年模拟确保我们会看到表面气候变化对土地覆盖变化,当我们发现一年自旋向上足以初始化土壤水分。模拟区域集中在50°N和10°E和在兰伯特正形投影网格覆盖几乎整个德国;电网覆盖面积32和21分纵向和纬度方向,分别。模型的空间分辨率是30公里×30公里;捕获的主要地貌模拟区域的高分辨率。

3所示。数据处理

3.1。生物燃料在欧洲

经济合作与发展组织(OECD)给出了统计的贡献可再生能源能源供应(图1),它显示了1990 - 2010年期间明显增加的趋势。

有大幅增长,生物能源在欧盟在过去的几十年中,尤其是现代能源载体的生物能源的电力和运输部门。生产可再生能源的比例在欧盟2005年如下:66.1%来自生物量、22.2%来自水力发电、5.5%来自风力发电,5.5%来自地热能源,0.7%来自太阳能。一般来说,生物能源中扮演着重要的角色在欧洲的野心增加可再生能源和国内能源的份额。在1990 - 2010年期间,每年火电增长了大约2%,每年生物电增长了大约9%,而生物能源生产增长了八倍(每年增长率超过20%)。

生物能源的贡献在1990年欧盟能源供应有点小于2000 PJ,占总数的三分之二可再生能源生产或在欧盟能源供应总量的4%。将会有一个显著增加生物能源在能源供应的市场份额在欧盟,平均达到1%的目标(它在两年内翻了一番)。此外,在生物能源的市场份额有显著差异在欧盟在能源供应中不同的国家;例如,德国(3.8%)和瑞典(2.2%)取得的参考价值。

的雄心勃勃的目标以达到20%的能源来自可再生能源在整个能源消耗量,欧盟计划努力在电力、供热和制冷行业,生物燃料。在交通运输行业,几乎完全依赖石油,欧盟委员会希望生物燃料的比例在整个燃料消耗将会在2020年达到10%。所以认为生物燃料可能到2050年实现20%的份额根据这一趋势在这个研究。

3.2。LUCC和气候变化的历史

生物能源的快速发展,土地利用模式在欧洲也逐渐发生了变化。生物能源的发展引起的土地利用变化主要是由转换从草原和森林,农田。据经合组织统计,约27.5%的土地在欧洲是耕地和永久的农田,和永久性草地只占16.2%,而森林占32.4%。我们还发现在今天的历史(2001年),欧洲中部的农田增加从1900年的41.9尼古拉斯56.9尼古拉斯1960年,尼古拉斯,自那以来跌至46.7在2005年0.41%的增长率每年从1900年到1950年,−0.03%在1950年和2000年之间。

每年的平均温度已经10°C,和年降水量从700毫米到1000毫米不等在中欧在1900年到2010年期间。根据气温和降水量的统计数据在过去(35),温度显示一个明显的增加趋势的增加(图1.3°C2(一个)),还有一个变异系数增加,虽然没有明显的变化趋势(图15毫米的降水几乎没有减少2 (b))。研究区域的气候特点是温度和降水的高峰和低谷出现在同一时期。温度和降水的最小值出现在1月,达到2°C和80毫米,分别在他们的最大值一般出现在7月,分别达到18°C和100毫米。

4所示。结果

4.1。土地利用变化

在中欧,主要土地利用类型为耕地。在21世纪的开端,耕地约占总土地面积的67%,森林占17%,而草原仅占10%。耕地主要分布在研究区北部,而森林通常位于南部,那里是山区。土地利用现状和占主导地位的转换类型图所示3。基于GCAM模型、土地利用变化的趋势在未来40年模拟。结果表明,主要特点是转换从农田到其他土地利用类型在西北部,虽然从森林转换成农田占据南部。近30%的森林草原和2.7%的土地将被转换成农田在未来研究领域。然而,在生物质能的发展的过程中,不仅其他土地利用类型将被转换成农田,还有些农田转化为草地,虽然总的来说,欧洲中部的农田面积将增加在某种程度上。草原的一部分,森林,和其他一些土地将被转换成农田,这将导致土地利用的变化,最终影响欧洲的气候变化(表2)。

土地利用变化的趋势在未来40年内获得了与DLS根据仿真结果,提出了红色和黄色的盒子为主要从农田转换,转换成农田,分别(图3)。结果表明,将会有一些明显的研究区域的土地利用变化。中国西北地区,大量的农田将被转化为其他土地利用类型,而在南部,一些森林和草原将会转换成农田。预计2050年土地使用将会呈现在图4显然,农田和森林减少增加。

4.2。2010 - 2050年的气候变化

验证仿真结果的精度与WRF模式,2010年的仿真数据与观察。比较结果表明,温度(图的投影的准确性5(一个))高于降水(图5 (b))。在春天和冬天从1月到4月和11月至12月,模拟温度有点远离观察到的一个,和冬天的温差是高于其他季节,和仿真值更接近观测在夏季和秋季。仿真结果表明,模拟温度从1月到4月,从11月到12月有点远离观察到的一个。此外,模拟之间的差异和观察到冬天温度大于其他季节,而模拟和观测的夏季和秋季更一致。总的来说,模拟和观测温度的趋势是一致的,都表现出增加的趋势从1月和2月,8月达到峰值,然后显示一个下降的趋势。模拟和观测降水之间的比较表明,模拟和观测值之间存在显著差异。根据观测数据,3月份降水是最低的,而峰值发生在6月,达到约1600毫米。然后在11月下降到不足500毫米。相比之下,模拟降水波动的一年,发生在夏季和秋季较高的值。

如表所示3,2050年最低温度出现在12月达到2.56°C,而最高温度出现在7月,达到21.73°C。的平均温度是12.38°C,而总统在2010年是11.19°C。最小和最大的降水发生在11月和7月分别达到80毫米和463毫米。的累积沉淀,有2010年2050年3346毫米和5749毫米。相比之下,一年四季热流稳定得多所以潜热。在2040 - 2050年期间,温度显示了一个增加的趋势,增加的0.2°C,而每个月降水将减少65毫米。潜热的显示了一个增加的趋势(图6),每年0.4%的增长率,而热通量就保持在一个稳定的状态。

5。结论和讨论

5.1。结论

这项研究的结果表明,生产生物能源在中欧的增加将导致更多的需求,在研究区南部的农田。生物能源对土地资源的需求增加将导致LUCC随后会改变地表和影响未来的气候。未来LUCC与DLS模拟,以及LUCC对气候的影响的基础上,分析了投影WRF模式。仿真结果表明,该地区土地利用变化主要表现为森林和草原的转换到2050年农田,使潜热通量和温度显示出增加的趋势,而降水量将显示一个下降的趋势。

5.2。讨论

本研究探讨了LUCC对气候变化的影响在景观尺度的影响下生物能源生产对土地资源的需求。结果表明,耕地的扩张主要是由于人类对生物能源的需求,这是符合当前的能源战略和政策36,37]。一旦实现了共同农业政策(CAP),可能会有一些改革和农业合理化由于当前土地利用的变化,农业土地的生产力,和预期的主要过渡的农业部门在中欧38,39),替代作物可能会提供一些机会。此外,生物能源的生产也会增加土地使用强度通过改进技术和教育40]。为代表的生物能源生产的空间格局与生态农田质量指标(41]至关重要的气候影响的评估生物能源的发展。转换从森林到农田或草地减少了空气动力学粗糙度的景观和减少捕获树冠上的降水和土壤水分的根提取;这些变化会降低蒸发,因此减少水分和潜热通量从表面到大气中,以起到增加表面附近的温度。此外,土地利用变化不仅与人类活动自然过程,而没有考虑到在这个研究。更重要的是,地球是一个复杂的系统,涉及各种因素直接影响LUCC和随后影响气候变化以及各种因素直接影响气候变化。因此,仍有一些不确定性在本研究的结果,有必要进行进一步研究的敏感性和不确定性LUCC对气候变化的影响。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项研究得到了国家重点项目在中国发展基础科学(没有。2010 cb950900),关键项目由中国科学院(没有。KZZD-EW-08)和中国科学院的外部合作项目(没有。GJHZ1312)。