《RSC Advances》：From technical feasibility to systemic viability: valorising semi-natural grassland biomass in a conservation-driven bioeconomy
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半天然草地（SNGs）是生物多样性丰富的文化景观，通过保护驱动的割草和放牧得以维持，并产生持续的不均质木质纤维素生物质流。尽管这种生物质在循环生物经济中代表潜在资源，但其晚收时间、高灰分和矿物质含量、高植物学变异性以及分散的空间分布，使其与木质生物质和集约管理
半天然草地（SNGs）是生物多样性丰富的文化景观，通过保护驱动的割草和放牧得以维持，并产生持续的不均质木质纤维素生物质流。尽管这种生物质在循环生物经济中代表潜在资源，但其晚收时间、高灰分和矿物质含量、高植物学变异性以及分散的空间分布，使其与木质生物质和集约管理的能源作物根本不同。在此，研究人员对欧洲SNG生物质利用的生态限制、技术增值路径和技术经济证据进行了批判性综合。通过将技术就绪水平（TRL）分析与技术经济评估（TEA）相结合，研究人员表明，技术成熟度本身并非实际适用性的充分指标。通用的TRL分类常高估适用性，因为它们未考虑保护性生物质固有的原料特定限制。在所综述的文献中，经济可行性始终仅出现在集成的、低复杂性能源路径中，最显著的是在现有厌氧消化系统中的共消化和基于分级的IFBB概念，其中基础设施整合、矿物质减少和多产品回收减轻了原料异质性。相比之下，独立的生物能源设施和先进生物精炼路线在经济上仍处于边缘或评估不足。研究人员认为，考虑原料的系统分析、区域聚集以及生物多样性保护与生物经济战略之间的连贯政策协调，对于将SNG生物质从管理副产物转变为多功能生物经济中结构可行的组成部分至关重要。
论文主体部分总结如下：
2. 欧洲的半天然草地
半天然草地（SNGs）是欧洲生物多样性最丰富、文化价值最高的生态系统之一，通过传统低强度土地利用实践（如放牧和割草）形成和维持，支持大量适应特定生态条件的动植物物种。然而，由于农业集约化、土地废弃和土地利用转变，SNGs的丧失和退化在近几十年来加速。SNGs被定义为通过传统土地利用实践（如粗放放牧或割草）维持的草本栖息地，不使用无机肥料或化学农药。欧洲SNGs根据环境梯度（如土壤肥力、水分状况、盐度和气候条件）分为干性和半干性草地、中湿草地、湿草地和洪泛平原草地、沿海草地和盐渍草地、高山和亚高山草地等生态群。这些栖息地共同支撑了复杂的动植物群落。SNGs提供授粉、碳封存、害虫控制、水循环调节和土壤稳定等重要生态系统服务。尽管生态重要性显著，欧洲超过95%的SNGs因土地利用集约化、转变和废弃而丧失或退化。欧盟的共同农业政策（CAP）通过良好农业和环境条件（GAEC）限制永久草地的转变，GAEC 1将年转化率限制在4-5%，GAEC 9禁止在环境敏感草地（特别是Natura 2000站点内）翻耕或转化。此外，生态计划和农业环境气候措施（AECMs）为可持续管理提供财政激励。SNGs的生态完整性依赖于持续的、低强度的管理，如粗放放牧和适时割草，以防止自然演替。经济可持续性对长期保护至关重要，农民可通过CAP获得农业环境付款，范围通常在每年每公顷100-450欧元，但回报往往低于集约农业，需要多样化收入来源。
3. 半天然草地生物质的特征与限制
3.1 草地生物质的生化组成
草地生物质的生化组成主要由细胞壁聚合物（纤维素、半纤维素和木质素）以及非结构性碳水化合物、蛋白质、脂类和矿物质决定。SNGs具有高植物多样性，其生物质中纤维素占干物质（DM）20-54%，半纤维素5-50%，木质素3-30%，灰分5-20%。与专门能源作物相比，SNG生物质表现出更宽的组成范围，高灰分含量和可变木质素结构。纤维素与木质素比是生物化学转化的重要指标；草本生物质通常需要较少的脱木质素预处理，但需更谨慎的工艺管理以避免灰分相关结垢和抑制。SNG生物质的中等纤维素浓度和较高灰分含量反映了土壤衍生矿物质和高物种多样性。
3.2 草地生物质的产量
草地生物质产量受环境条件、植物群落组成和管理实践的综合影响。SNGs的产量受保护要求固有约束，需要在生物质供应与生物多样性维持之间取得平衡。干性和半干性SNG产量为每公顷每年0.4-3.2吨干物质（t DM），中湿草地1.6-7.6，湿草地2.0-5.7，沿海草地0.2-3.1，高山草地1.6-4.1。管理强度（如施肥和刈割频率）是产量主要驱动因素，但施肥常以牺牲植物组成为代价。植物多样性可正向影响产量，挑战了生产力与生物多样性之间的权衡假设。环境条件（气候、土壤和水资源）也强烈调节产量。
3.3 半天然草地生物质收获的限制
收获时间对生物质数量、质量及生态系统完整性有深远影响。延迟收获导致饲料质量下降，粗蛋白和消化率降低，结构性碳水化合物和木质素增加。过早或过于频繁的收获会负面影响植物持久性和生态系统稳定性。收获时间也强烈调节生物多样性结果，尤其对传粉者和昆虫食草动物。此外，收获时间影响草地生态系统的碳平衡。在SNGs中，收获制度受生物多样性导向管理要求额外限制，例如保护繁殖鸟类、开花物候和无脊椎动物群落，通常需要延迟割草或减少放牧强度。许多SNG地块小、空间分散且位于不适合集约机械化地形上，限制了收获效率并增加了运营成本。
4. 半天然草地生物质的技术增值路径
4.1 成熟路径（TRL ≥ 7）
4.1.1 厌氧消化（AD）
厌氧消化是草本生物质最成熟的转化路径之一，在欧洲农业沼气厂广泛应用。核心AD工艺（湿式中温或高温消化）TRL为9。然而，对于SNG来源生物质，晚收阶段导致可降解碳水化合物低、木质素高，抑制水解速率和甲烷产量。共消化（10-40%包含率）是一种有效策略，可改善过程稳定性。整体上，AD是可行的，但受原料异质性和经济因素限制。
4.1.2 固体燃料与沼气集成生成（IFBB）
IFBB概念专门设计用于升级低质量草地生物质。工艺包括将碎或青贮生物质与热水混合、机械脱水，压榨液用于AD，压榨纤维干燥后制成低灰分固体燃料。该方法已在中试和示范工厂运行，TRL 7-8，特别适合保护性草地管理。
4.1.3 固体生物燃料燃烧
直接燃烧草地生物质（如草捆、颗粒）的核心技术成熟（TRL 8-9），但高灰分和碱金属/氯含量导致结渣、腐蚀等问题。预处理（如淋洗、分级或燃料混合）可缓解问题。多个欧洲区域案例表明，当燃料质量受控且与区域供热需求整合时，燃烧在经济上可行。
4.1.4 绿色生物精炼与蛋白质提取
绿色生物精炼旨在将新鲜或青贮草类分馏为蛋白质浓缩物和纤维部分，实现多产品流。对于集约管理的饲草作物，TRL已达7-8（丹麦全规模设施）。但对于SNG生物质，蛋白质含量低且可变，经济合理性较弱。纤维部分可用于能源，但蛋白质导向路径应用前景有限。
4.1.5 其他成熟用途
包括动物垫料、园艺覆盖物以及绝缘板、建筑面板等材料生产。这些路径技术成熟（TRL 9），可接受异质性生物质，但经济回报低，难以覆盖管理成本，通常作为补充而非主要路径。
4.2 新兴路径（TRL < 7）
4.2.1 热化学转化路径
包括烘焙、热解、水热碳化和气化。对于木质原料TRL高，但对SNG生物质，高灰分和碱金属导致反应器不稳定、产物污染，大多数路径TRL 3-6，需矿物质还原预处理。
4.2.2 纤维素和半纤维素的生化转化
离子液体（IL）、深共熔溶剂（DES）预处理的糖化研究取得高产率，但可扩展性受溶剂成本和催化剂寿命限制。SNG生物质的高灰分增加催化剂污染。
4.2.3 木质纤维素乙醇生产
实验室和中试研究表明预处理可提高酶解效率，但晚收SNG生物质的高木质素和灰分降低乙醇产率，TRL 4-6，需成本有效的预处理或上游分馏。
4.2.4 木质素优先生物精炼与高价值木质素路径
催化还原分馏（CRF）等技术在均质原料上表现良好，但高灰分和矿物质杂质损害催化剂，TRL 3-6。对于SNG，可行性较弱。
4.2.5 生物聚合物与生物材料生产路径
利用草类半纤维素生产糠醛、纳米纤维素等，但工业可行性受限于高预处理和纯化成本，TRL 4-6。
4.2.6 压榨液和发酵残留物的生物升级
利用压榨液生产生物表面活性剂、PHB等，但需底物一致性，SNG生物质变异性高，TRL 3-5。
4.3 技术就绪度综合与部署启示
高TRL路径（AD、IFBB、燃烧、低复杂性材料用途）对异质性生物质耐受性较高，实际可行性主要取决于系统级因素。低TRL路径理论价值高，但对SNG生物质兼容性有限，需上游分馏或矿物质还原。不能直接从通用TRL推断对SNG的适用性，需针对性实验评估。
5. 半天然草地生物质增值路径的技术经济表现
5.1 技术经济评估的理由
TRL无法反映盈利能力和可扩展性。技术经济评估（TEA）量化资本和运营支出、收入及盈利指标，生命周期评估（LCA）评价环境影响。对于SNGs，TEA至关重要，因生物质是保护管理的副产品。现有TEA多针对木本原料，对SNG生物质的专门分析有限。
5.2 成熟路径
5.2.1 厌氧消化与草制气概念
TEA研究表明，AD的经济可行性主要取决于产量、运输距离、能量利用方式（CHP或升级天然气）和政策支持。对于SNG生物质，共消化在现有沼气厂中作为补充底物更经济，独立设施通常利润微薄。
5.2.2 IFBB与其他能量回收系统
IFBB的TEA显示，作为现有AD的附加系统（IFBB-AO）可获得较高经济回报，独立设施风险较高。IFBB能有效处理低质量SNG生物质，产生低灰分固体燃料和沼气。
5.2.3 草基燃烧
燃烧经济性高度依赖燃料预处理、热利用效率和政策支持。与IFBB耦合可改善性能，但小型燃烧厂经济性边缘。
5.2.4 绿色生物精炼与蛋白质提取
现有TEA基于集约管理草类，不适用于SNG生物质。对于SNGs，蛋白质提取仅在高品质时可能，整体经济性未经验证。
5.2.5 其他成熟用途（垫料、覆盖物、纤维材料）
收入低，通常不足以覆盖保护管理成本，需农业环境付款补充。
5.3 新兴路径
5.3.1 直接燃烧以外的热化学转化
缺乏针对SNG生物质的TEA。灰分问题导致运营成本高，经济性不如木质原料。
5.3.2 生化转化与木质纤维素乙醇
现有TEA基于能源作物，SNG生物质的低糖产量和高木质素导致成本结构不利，未经验证。
5.3.3 木质素优先生物精炼与高价值木质素路径
无专门TEA，木质原料的评估可能乐观，SNG的高灰分损害催化剂。
5.3.4 生物聚合物、生化产品和压榨液升级
技术可行但经济性未验证，下游加工成本高，规模敏感性大。
5.4 技术经济证据讨论
高TRL路径（AD、IFBB）在集成和政策支持下可行。低TRL路径经济性未经验证。物流、原料质量、能量需求和副产品价值是主导成本驱动因素。保护性约束（晚收、异质性、空间分散）放大挑战。现有TEA对SNG生物质的覆盖不足。
6. 未来趋势与政策建议
6.1 生物多样性和生物经济目标的综合激励框架
当前支持计划将生物质视为管理成本而非资源。建议引入补充激励层，将保护付款与下游利用挂钩。需整合CAP、可再生能源指令等政策，认可保护性生物质。
6.2 投资优先与系统集成
优先投资于聚集、预处理和现有能源基础设施整合。短期支持成熟集成路径，长期支持针对性研发。
6.3 知识转移、协调与证据空白
需协调多方利益相关者，加强知识转移。研究空白包括针对SNG生物质的TEA-LCA，尤其是先进路径。
7. 结论
TRL单独不足以评估适用性。经济可行性仅在集成、低复杂性能源路径中出现（如共消化AD和IFBB）。物流、原料异质性和副产品价值比转化效率更重要。政策错位限制了投资。需跨部门政策设计和早期系统分析，将SNG生物质从管理副产物转变为多功能生物经济中战略管理的组成部分。
