概述
从发电到灌溉等农业操作的动力,到氮肥的生产,再到用于农业设备的燃料,农业以多种形式使用能源。许多研究估算了某一时间点作物生产的直接和间接能源消耗[9,23,24,25,26]。
在这份报告中,我们评估了过去40年美国农作物生产的能源使用效率的趋势。这一指标评价每种作物每年使用的能源,并提供相对于作物产量的能源使用效率的衡量标准。能源使用也是评估农场经营生产成本的一个重要指标,最近的趋势表明,农场越来越多地生产和使用可再生能源[27]。
第一节:
结果
十种作物的能源使用指标的结果如下图所示。能源使用以每单位作物生产的英国热量单位(BTU)的能源量来表示。因此,除了对总的能源使用的变化作出反应外,这一指标对作物产量的趋势也很敏感。更多的信息可在报告的特定作物章节中看到。
下面描述的趋势是许多不同环境、社会和政策驱动因素的结果,代表了无数个体生产者关于管理的决策。我们的目的是对这些力量和决策总体上如何影响美国商品农业的长期资源利用效率进行概述。如果在指标计算中使用的数据可以解释随时间的变化,则提供一些解释。然而,我们并没有尝试对这些趋势进行全面的、地理上特定的解释,而这些解释是充分理解其中一些趋势或提供可靠的统计评估所必需的。因此,虽然提供了线性趋势线来说明随着时间的推移是否存在一致的方向变化,但不应认为这是对趋势的统计意义的衡量
作物能源利用指标
第二节:
方法
能源使用指标的开发是为了提供一种一致的方法来评估农场操作中能源使用的效率。这一指标是温室气体排放指标的一组重要投入,也是与资源效率和农场经营的盈利能力有关的有用指标。为能源使用指标确定的界限是:从种植前开始,包括整个生长季节的所有种植作物的农业活动,到第一个销售点或转移到加工设施时结束。主要指标以每单位作物生产的能源使用单位(英国热能单位,或BTU)表示。我们还在附录B中计算并呈现了每英亩能源消耗和作物总能源消耗。
该指标包括农业作物生产的主要能源密集型领域。它包括农业设备运行、抽水灌溉水和作物干燥的直接能源消耗,包括所使用的燃料类型(柴油、电力、汽油、天然气或液化石油气),以及肥料生产和作物保护剂生产的间接能源消耗。我们的分析没有量化与制造农业设备、农场使用的燃料或诸如粮仓、建筑物等结构相关的能源。在有数据的范围内,包括了生产化肥和作物保护剂所需能源的趋势。这些效率变化的一个例子是生产氮肥[45]所需的天然气量显著减少。
田野打印计算器中的能源使用指标与国家水平指标具有相同的计算边界。该指标是具体领域的,依靠用户输入来确定直接能量,并将用户对化学品和化肥应用的输入与下面提到的数据源结合起来计算间接能量成分。
在国家一级计算这一指标的主要数据来源是美国农业部农业资源管理调查(ARMS)[46],它捕获了许多农场实践,包括耕作和作物保护剂和化肥的应用数量。这些数据并不适用于本报告所考虑的所有作物,因此对于某些作物,需要假设和替代数据来源。其他数据来自美国农业部农业化学品使用报告[47]和用于温室气体管制排放和交通能源使用(GREET 1.8d)模型[48]的参数数据集。所有能量需求均转换为BTU以作比较。农药的温室气体排放和嵌入能值取自Audsley等人[49]。这里使用的方法与上一份报告[13]的方法相同,在可获得的情况下采用最近的军备调查的最新数据。
该指标依赖于一系列现有的最佳数据来源,其中一些数据只能以多年递增的方式获得,因此,由于需要在现有数据年份之间进行线性插值,因此对任何给定的指标计算年份都有一些不确定性。计算该指标的算法复杂但透明。因此,虽然数据的不确定性不大,但解释国家层面趋势的能力很高。
灌溉能源
灌溉能源需求是根据标准工程方法计算的,基于ARMs调查、农场和牧场灌溉调查(FRIS)和农业普查中的国家一级数据进行自下而上的估计。这些报告提供了灌溉泵所需的平均操作压力(基于使用洒水/压力和重力系统的灌溉田的份额)和平均升水量(基于使用井水和地表水的灌溉田的份额,以及井的平均深度)以及用水量的数据。这些信息被用来计算每一种作物抽水灌溉所需能源的全国平均估计数。
设备运行的能量
决定设备能耗的一个主要因素是作物的耕作方法;为此,利用保护技术信息中心(CTIC)[50]关于耕作和残留物管理的国家级数据补充了ARMS调查的数据。从西部和马尔兰[25]估算了不同作物和耕作制度(免耕、垄作、地膜覆盖和保护性耕作)的能源和二氧化碳排放水平。对于本研究没有提供具体数据的作物,通常选择类似作物或玉米作为标记耕作能量作物,因为玉米在美国农业部NRCS所有州的能量计算器中是常见的,它也被很好地定义为西部和马尔兰的所有耕作系统[25]。具体作物的假设如下:
采收后处理能源利用
该指标的范围考虑到第一个销售点之前所使用的能源。由于储存和处理方式的不同,不同作物的产量差异很大。谷物干燥能源使用取自美国农业部报告和推广资源[53]。随着时间的推移,从谷物和棉花中除去的水分量被认为是恒定的,干燥设备的效率也是恒定的。
从农场到第一个销售点的距离是估计的,并在下表中提供。这些数据与美国环保署(EPA)关于重型卡车燃油消耗的数据一起使用,以得出运输估算值(每加仑柴油6.5英里)[54]。预估距离如表2所示,是咨询商品群体代表和专家后的专家判断。由于缺乏特定于时间序列的数据,这种运输能量在一段时间内保持不变。
棉花的处理方式与谷物不同;干燥和运输的数值由棉花公司提供。假定棉花平均要从田间运到轧棉机和棉绒仓库10.1英里。据估计,将1000磅皮棉输送到轧棉机需要0.52加仑柴油,而烘干皮棉的能量来自每磅丙烷739 BTU,来自电力239 BTU;这假设所有棉花的“正常”干燥水平(相对于极端干燥或潮湿)。在研究期间,这些因素在每单位生产基础上保持不变。
花生也是一个特例;在这里,我们假设花生必须干燥到含水量10%,并在22.5%[55]时从地里收获。花生通常是在地里尽可能地干燥,这可能会因生产者和地区的不同而有很大差异。
土豆的处理方式也与谷物不同;第一个销售点可能发生在农场内或农场外,这取决于种植者与买方的销售安排。此外,大部分秋季马铃薯作物在收获后储存在农场。这是为了实现全年的新鲜市场供应,并有效利用在加工设施上的资本投资。能源被用来冷却储存设施和提供空气循环,以保持质量。储存时间变化很大,从几周到10个月不等。在这里,我们假设农场储存120天,不需要运输能源。在储存中,通风和冷却需要能源。通风能量范围为3-13千瓦时/ 1000 cwt。这占马铃薯生产总能源消耗的很大一部分(3 - 10%)。 Energy for cooling varies greatly with the ambient temperature. The efficiency of mechanical refrigeration systems also varies greatly with the age of the system. A substantial proportion of the cooling is also driven by evaporation—particularly at the beginning of the storage period.
化学肥料
美国农业部经济研究处(ERS)提供了关于使用化肥的主要作物的面积和面积百分比以及化肥施用量[56]的国家级数据。没有美国农业部数据的年份是通过在速率(磅/英亩)基础上的年份之间的线性插值来估计的。
通过将施肥面积百分比乘以施肥率,我们计算出每种植英亩的施肥量。除以美国农业部的产量数据就得到了单位产量的化肥施用量。氮、磷(P2O5和钾(K2O)乘以GREET 1.8d模型[48]中提供的能量转换因子;这些因素包括肥料的嵌入能量和运输能量。所有作物的数值如下:
对于大豆,一般不需要补充氮肥。然而,磷酸二铵(DAP)是最常见的磷肥形式之一,它含有氮。因此,由于施用DAP,氮肥被包括在大豆计算中。
大麦的肥料数据只能从2011年的ARMS调查中获得。因此,在其他年份,大麦的化肥施用量与小麦的化肥施用量趋势是一致的。
农作物保护剂
关于不同作物类型使用的农药数量的数据可从美国农业部的ARMS调查及其农药使用报告[56]获得。美国农业部的ARMS数据使用了四类杀虫剂:除草剂、杀虫剂、杀菌剂和“所有其他”。所有数据均以有效成分的总磅数报告。农药中内含能量的值取自Audsley[49],它提供了美国农业部指定的三种农药类别(除草剂、杀虫剂和杀菌剂)的能量和温室气体排放因子。熏蒸剂、植物生长调节剂、落叶剂和其他农药的温室气体和能量值在该研究中没有提供;鉴于其化学性质,这些产品被列入除草剂类别。对于每一类,每单位活性成分的平均能量乘以施用量。
所有作物/所有年份的产品平均值如下,由Audsley[49]推导而来:
种子
用于种植的种子所含的能量是按作物收获所需要的为种植提供种子的比例来估计的。种子作物的产量一般低于粮食作物的产量,也需要更多的化肥和化学品投入;因此,在所有作物中,有两个因素保持不变:种子生产产量因子(0.66)和种子生产能量强度因子(1.5)。实际上,这些因素意味着种子产量是一般市场产量的66%,投入使用(化肥、耕作等)是商业生产的150%。这些种子因素没有官方来源;它们是通过与行业专家的讨论得出的。种子因子也被发展为生产种子所使用的可能能量的保守(高)估计。种子通常只占生产作物总能量的不到2%或3%。