• Energy Research

Abstract Rising atmospheric CO2 concentration ([CO2]) enhances photosynthesis and reduces transpiration at the leaf, ecosystem, and global scale via the CO2 fertilization effect. The CO2 fertilization effect is among the most important processes for predicting the terrestrial carbon budget and future climate, yet it has been elusive to quantify. For evaluating the CO2 fertilization effect on land photosynthesis and transpiration, we developed a technique that isolated this effect from other confounding effects, such as changes in climate, using a noisy time series of observed land-atmosphere CO2 and water vapor exchange. Here, we evaluate the magnitude of this effect from 2000 to 2014 globally based on constraint optimization of gross primary productivity (GPP) and evapotranspiration in a canopy photosynthesis model over 104 global eddy-covariance stations. We found a consistent increase of GPP (0.138 ± 0.007% ppm−1; percentile per rising ppm of [CO2]) and a concomitant decrease in transpiration (−0.073% ± 0.006% ppm−1) due to rising [CO2]. Enhanced GPP from CO2 fertilization after the baseline year 2000 is, on average, 1.2% of global GPP, 12.4 g C m−2 yr−1 or 1.8 Pg C yr−1 at the years from 2001 to 2014. Our result demonstrates that the current increase in [CO2] could potentially explain the recent land CO2 sink at the global scale.

L'herbe Napier est une culture énergétique prometteuse en raison de ses avantages par rapport aux autres cultures énergétiques ; cependant, lors de la détermination des sites pour les centrales électriques utilisant l'herbe Napier comme matière première, des données pertinentes sont nécessaires. La distribution spatiale du rendement en matière sèche de l'herbe de Napier (DMY) fait partie de ces données importantes. Contrairement aux résidus agricoles, la distribution spatiale du DMY ne peut être obtenue par le biais d'enquêtes ou de données statistiques. Dans cette étude, une méthodologie pour localiser les centrales au biogaz utilisant l'herbe de Napier comme matière première est proposée. Un système d'information géographique et un processus de hiérarchie analytique sont utilisés pour évaluer l'adéquation des terres aux centrales à biogaz en fonction de critères environnementaux et socio-économiques. La distribution spatiale du DMY est intégrée à la carte d'adéquation des terres pour localiser les sites appropriés pour les centrales au biogaz. L'approche proposée est appliquée au sud de la Thaïlande car la région manque de production d'électricité autonome. Les résultats révèlent que cinq centrales au biogaz utilisant de l'herbe Napier provenant de zones abandonnées peuvent être établies avec une capacité totale contractuelle de 420 MW. Sur la base de cette analyse, l'introduction de centrales au biogaz à base d'herbe Napier pourrait contribuer de manière significative à réduire la dépendance à l'égard de l'électricité importée. Il est recommandé aux parties prenantes de traiter cette étude comme un outil à utiliser avant de mettre en œuvre de nouvelles cultures énergétiques dédiées. El pasto Napier es un cultivo energético prometedor debido a sus ventajas sobre otros cultivos energéticos; sin embargo, al determinar los sitios para las centrales eléctricas que utilizan pasto Napier como materia prima, se requieren datos relevantes. La distribución espacial del rendimiento de materia seca de pasto Napier (DMY) se encuentra entre estos datos importantes. A diferencia de los residuos agrícolas, la distribución espacial del DMY no se puede obtener a través de encuestas o datos estadísticos. En este estudio, se propone una metodología para ubicar las centrales eléctricas de biogás que utilizan pasto Napier como materia prima. Se utiliza un sistema de información geográfica y un proceso de jerarquía analítica para evaluar la idoneidad de la tierra para las centrales de biogás en función de criterios ambientales y socioeconómicos. La distribución espacial del DMY se integra con el mapa de idoneidad del terreno para ubicar sitios adecuados para las centrales de biogás. El enfoque propuesto se aplica al sur de Tailandia porque la región carece de generación de energía autosuficiente. Los resultados revelan que se pueden establecer cinco centrales eléctricas de biogás que utilizan pasto Napier de áreas abandonadas con una capacidad contratada total de 420 MW. Con base en este análisis, la introducción de centrales eléctricas de biogás a base de pasto Napier podría ayudar significativamente a reducir la dependencia de la electricidad importada. Se recomienda a las partes interesadas que traten este estudio como una herramienta que se utilizará antes de implementar nuevos cultivos energéticos dedicados. Napier grass is a promising energy crop owing to its advantages over other energy crops; however, when determining sites for the power plants utilizing Napier grass as a feedstock, relevant data are required. The spatial distribution of the Napier grass dry matter yield (DMY) is among these important data. Unlike agricultural residues, the spatial distribution of the DMY cannot be obtained through surveys or statistical data. In this study, a methodology for locating biogas power plants utilizing Napier grass as a feedstock is proposed. A geographic information system and analytic hierarchy process are used to evaluate land suitability for biogas power plants based on environmental and socioeconomic criteria. The spatial distribution of the DMY is integrated with the land suitability map to locate suitable sites for biogas power plants. The proposed approach is applied to southern Thailand because the region lacks self-sufficient power generation. The results reveal that, five biogas power plants that utilize Napier grass from abandoned areas can be established with a total contracted capacity of 420 MW. Based on this analysis, introducing Napier grass-based biogas power plants could significantly help reduce the dependency on imported electricity. Stakeholders are recommended to treat this study as a tool to be utilized before implementing new dedicated energy crops. عشب نابيير هو محصول طاقة واعد بسبب مزاياه على محاصيل الطاقة الأخرى ؛ ومع ذلك، عند تحديد مواقع محطات الطاقة التي تستخدم عشب نابيير كمواد وسيطة، هناك حاجة إلى البيانات ذات الصلة. يعد التوزيع المكاني لمحصول المادة الجافة لعشب نابيير (DMY) من بين هذه البيانات المهمة. على عكس المخلفات الزراعية، لا يمكن الحصول على التوزيع المكاني لـ DMY من خلال المسوحات أو البيانات الإحصائية. في هذه الدراسة، تم اقتراح منهجية لتحديد محطات توليد الطاقة بالغاز الحيوي باستخدام عشب نابيير كمادة وسيطة. يتم استخدام نظام المعلومات الجغرافية وعملية التسلسل الهرمي التحليلي لتقييم مدى ملاءمة الأراضي لمحطات توليد الطاقة بالغاز الحيوي بناءً على المعايير البيئية والاجتماعية والاقتصادية. تم دمج التوزيع المكاني لـ DMY مع خريطة ملاءمة الأراضي لتحديد المواقع المناسبة لمحطات توليد الطاقة بالغاز الحيوي. يتم تطبيق النهج المقترح على جنوب تايلاند لأن المنطقة تفتقر إلى توليد الطاقة بالاكتفاء الذاتي. وتكشف النتائج أنه يمكن إنشاء خمس محطات لتوليد الطاقة بالغاز الحيوي تستخدم عشب نابيير من المناطق المهجورة بسعة تعاقدية إجمالية تبلغ 420 ميغاواط. بناءً على هذا التحليل، يمكن أن يساعد إدخال محطات توليد الطاقة بالغاز الحيوي القائمة على العشب في نابيير بشكل كبير في تقليل الاعتماد على الكهرباء المستوردة. يوصى أصحاب المصلحة بالتعامل مع هذه الدراسة كأداة لاستخدامها قبل تنفيذ محاصيل طاقة مخصصة جديدة.

Napier grass is an energy crop that is promising for future power generation. Since Napier grass has never been planted extensively, it is important to understand the impacts of Napier grass plantations on local energetic, environmental, and socioeconomic features. In this study, the soil and water assessment tool (SWAT) model was employed to investigate the impacts of Napier grass plantation on runoff, sediment, and nitrate loads in Songkhla Lake Basin (SLB), southern Thailand. Historical data, collected between 2009 and 2018 from the U-tapao gaging station located in SLB were used to calibrate and validate the model in terms of precipitation, streamflow, and sediment. The simulated precipitation, streamflow, and sediment showed agreement with observed data, with the coefficients of determination being 0.791, 0.900, and 0.997, respectively. Subsequently, the SWAT model was applied to evaluate the impact of land use change from the baseline case to Napier grass plantation cases in abandoned areas with four different nitrogen fertilizer application levels. The results revealed that planting Napier grass decreased the average surface runoff and sediment in the watershed. A multidisciplinary assessment supporting future decision making was conducted using the results obtained from the SWAT model; these showed that Napier grass will provide enhanced benefits to hydrology and water quality when nitrogen fertilizers of 0 and 125 kgN ha−1 were applied. On the other hand, the benefits to the energy supply, farmer’s income, and CO2 reduction were highest when a nitrogen fertilization of 500 kgN ha−1 was applied. Nonetheless, planting Napier grass should be supported since it increases the energy supply and creates jobs while also reducing surface runoff, sediment yield, nitrate load, and CO2 emission.