原创 杨红强等 南京林业大学学报

论文推荐

全球木质林产品碳科学研究动态及未来的重点问题

杨红强1,2，余智涵1

1.南京林业大学经济管理学院，国家林业和草原局林产品经济贸易研究中心，2.南京大学长江三角洲经济社会发展研究中心。

21世纪以来,大气中温室气体浓度增加所引起的气候变化问题引起了国际社会的广泛关注,被列为全球十大环境问题之首。在全球气候变“暖造成的威胁日益严重的背景下，1992年的《联合国气候变化框架公约》(United Nations FrameworkConvention on Climate Change, UNFCCC)获得通过,旨在将大气温室气体浓度维持在一个稳定的水平。UNFCCC规定,各缔约方应采用可比较的方法编制定期更新公布并向缔约方会议递交温室气体源排放和汇清除的国家温室气体清单。根据2014年联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)第五次评估报告,1880–2012年,全球地表平均温度大约升高了0.85°C:作为导致气候变化的主要因素,大气二氧化碳(CO2)含量比工业时代前增加了约41%。2018年,IPCC特别报告《全球升温1.5°C》指出,现如今的平均气温水平已经比工业革命前升高了约1°C。为了避免一系列的生态环境问题,人类应为把升温控制在1.5°C之内而努力。

森林在全球碳循环中发挥着重要作用,据估等计,1990-2007 年,全球每年的森林碳汇总量约为林2.4x109t。作为森林资源利用的延伸,伐后木质用林产品(简称木质林产品,harvested wood products,HWP)是指从森林中采伐的,用于生产诸如家具、产胶合板和纸类等日用品或用作能源的木质材料,能料,够有效地转移森林通过光合作用储存的碳,并长期究保存。根据Winjum等的研究,世界范围的木质林产品中保留的碳量很可能日趋增加。在全球层面上,Pan等测定全球范围内每年木质林产品碳储量的增量约占森林碳库增量的4.7%;在国家层面上,诸多研究也肯定了本国木质林产品在应对气候变化方面的积极贡献,如爱尔兰门、加拿大、捷克共和国、美国、欧共体15国、葡萄牙、日本、西班牙、中国等。IPCC建议将木质林产品的碳储量在国家温室气体清单中进行报告，并制定了一系列报告其碳储量的清单指南。

本期论文推荐的作者研究主要目的在于厘清木质林产品的主要生命周期阶段,归纳总结与之关联的木质林产品碳科学研究热点及未来可能的研究方向。对于加工运输、回收利用等不同阶段间的中间环节则不做深入探讨。首先,从生命周期的角度介绍了木质林产 品在缓解全球气候变化方面的作用过程;其次,将木质林产品的生命周期细分为“森林—在用—填埋”３个阶段,分析不同阶段的研究进展及尚未解决的难题;最后,基于木质林产品碳科学的研究现状,预测未来碳科学领域可能的研究方向,以期全面阐释木质林产品在缓解全球气候变化方面发挥的重要作用,归纳与之相关联的木质林产品碳科学的热点问题,为今后精确评价木质林产品的气候功能提供坚实基础。

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作者简介

作者1

杨红强，男，南京林业大学经济管理学院教授，博士生导师；国家林业和草原局林产品经济贸易研究中心常务副主任；南京大学长江三角洲经济社会发展研究中心研究员。研究方向：气候变化与林业碳科学。

作者2

余智涵，男，南京林业大学经济管理学院硕博连读生；国家林业和草原局林产品经济贸易研究中心研究助理，研究方向：林产品碳循环。

关键词：木质林产品；生命周期；碳核算；替代减排；碳中和

基金项目：国家自然科学基金项目(72073064);江苏省“333高层次人才工程”项目( BRA2018070);国家社会科学基金重点项目(14AJY014)

引文格式：杨红强,余智涵.全球木质林产品碳科学研究动态及未来的重点问题[J].南京林业大学学报(自然科学版),2021,45(4);219- 228.YANG HQ, YU z H. Research trends and future key issues of global harvested wood produets carbon scince[J].Journal of Nanjing Forestry University(Natural Sciences Edition),2021,45(4):219-228.DOI:10.12302/j.issn.100-2006.202006029.

1目的

森林在全球碳循环中发挥着重要作用。作为森林资源利用的延伸,木质林产品是缓解气候变化的重要碳库。厘清木质林产品的主要生命周期阶段,归纳总结与之关联的木质林产品碳科学研究热点及未来可能 的研究方向,以合理评价木质林产品的气候功能。

2方法

以木质林产品的生命周期过程为基础,分“森林—在用—填埋”3个阶段归纳总结了木质林产品碳科学的研究动态及未来可能面临的科学难题。

2.1 试验材料

木质林产品是森林提供的以木材为形式的产品,完整的生命周期可以分为森林、在用和填埋3个阶段。在森林阶段,森林通过光合作用吸收大气中的CO2并将其固定在植物中;同时,森林碳汇量不停地在生物、土壤、枯木等之间转移；当森林遭遇 人为扰动(如森林砍伐等)或自然扰动(如植物的 自然死亡、森林火灾、病虫害等)时,原本储存在森林中的碳会释放回大气。在用阶段,当一棵树木被砍伐,木材被用来加工成木质林产品,碳会从森林转移到木质林产品中被长期保存,保存的时间通常与木质林产品的使用寿命有关;在这一阶段,除了木材的运输和加工过程,并没有产生额外的碳排放和碳吸收,碳只是从森林碳库转移到了木质林产品碳库。填埋阶段,大部分被废弃的木质林产品将被置入固体废弃物处理厂进行填埋,被填埋的木质林产品会因为气候、温度等环境因素的不同而发生不同速率的有氧分解或无氧分解,使得储存在木质林产品中的碳以CO2或甲烷(CH4)的形式释放回大气中;随后,碳重新以CO2等形式被森林生态系统吸收,开始新的循环。从生命周期的角度展示木质林产品缓解全球气候变化 的作用过程,如图1所示。

▲图 1 木质林产品的生命周期过程及其在缓解气候变化方面的作用

3结果

①森林阶段中,现有研究多采用以经验模型为主、过程模型为辅的方式核算和预测森林碳库碳储量,情景模拟和物质流分析 可以利用运输和生产过程将森林阶段与在用阶段相结合,寻求最佳的森林管理策略。②在用阶段中,碳核算方法学的选择是国际争议的重点所在,木质林产品的替代效应也由于其可累积性和永久性成为碳核算过程中不可忽视的重要问题。③填埋阶段中,木质林产品分解缓慢或不分解,可以使碳储存的时间更久,一阶衰减法是估算固体废弃物填埋场中碳储量变化的常用模型，与甲烷排放相关联的可降解有机碳比例、甲烷产出比例等关键参数也是目前的研究重点。

3.1 森林阶段

现有主流研究均表明通过可持续的森林经营活动,如设置合理的轮伐期,适当将森林转化为木质林产品用作建筑材料或能源原料等可以提高森林生态系统的碳储量。当树木被砍伐作为木质林产品的原料运出森林时,碳从森林碳库转移到了木质林产品碳库,本质上立即减少了森林碳库的碳储量,这些碳损失需要几十年甚至上百年的时间才能得到补偿。如果在研究木质林产品的碳减排潜力时忽略森林碳库的碳储量变化,则会导致一国碳储量被高估。

现有的森林碳汇计量模型已经能够在不同森林管理模式下考虑自然扰动和人为扰动等不确定因素,但仍有部分需要改进的地方:首先,对于火 灾、病虫害等自然扰动的预测准确度有待进一步提高,这可能需要大量的历史数据;其次,考虑到各国的森林情况和森林清查类型均存在一定差异,同一模型在不同地区的适用性也不同,就中国而言,大多采用改进的欧美地区模型,这会在一定程度上影响本国碳汇核算的准确性。

3.2 在用阶段

木质林产品碳库中的大部分碳储量都来自在用阶段的木质林产品。尽管木质林产品本身并不能吸收CO2,但当树木被砍伐加工为木质林产品时,原本被森林生态系统所固定的碳转移到了木质林产品中。已有研究表明,木质林产品在缓解全球气候变化方面起着重要作用:首先,木质林产品可以将碳保存较长的时间,如将木质林产品制作成家具使用等,并有可能长期储存;其次,木质林产品的材料替代效应(如因使用木质林产品作为建 筑材料或装修材料等而减少了水泥、塑料等材料生产过程中的排放CO2)和能源替代效应(如使用木 质林产品作为能源燃料而减少了化石燃料使用过程中的CO2排放)也减少了环境CO2的排放。

3.2.1 碳核算方法学

为了尽可能准确地估算保留在木质林产品中的碳,满足国家温室气体清单报告的需要,IPCC制定了一系列清单指南,其中包括了木质林产品的碳核算方法学。《1996 年IPCC国家温室气体清单指南修订本》提出了IPCC缺省法,即假设“采伐的所 有生物量碳均在清除(采伐)年被氧化”;《2006年IPCC国家温室气体清单指南》提供了3种保留在木质林产品中碳的主流估算方法,分别为储量变化法(stock-change approach, SCA),生产法( production approach, PA)和大气流动法(atmospheric approach, AFA);《2013年京都议定书中经修订的补充方法和良好做法指南》和《2006年IPCC国家温室气体清单指南2019修订版》又对2006年IPCC指南中提出的3种主流方法进行了改进。估算结果会因为方法和数据选择的不同而存在差异。不同核算方法学的主要特点见表1。

▼表 1 木质林产品核算方法学的特点及比较

碳储量核算方法学针对的是参与贸易的木质 林产品碳储量归属和碳排放分配的问题,即如何报告参与贸易木质林产品的碳储量以及碳排放,并且这些碳储量和碳排放是何时何地发生了变化。采用的核算方法不同将会导致碳排放和碳储量在缔约方之间分配和归属的差异,那么缔约方承担的减 排责任就会不同,甚至有可能使缔约方木质林产品从净碳源转化成净碳汇,这也是缔约方在有关木质林产品碳储量核算方法学上争论的焦点。由于各国国情差异,至今仍未确定被国际社会普遍认可的碳核算方法学。2006年以来3种碳核算方法 学在不同国家/地区的应用情况见表2。

▼表 2 不同国家或地区碳储量核算的方法学选择及碳核算结果

3.2.2 材料代替效应

使用木质林产品替代化石能源密集型材料 （如水泥、塑料、钢铁、混凝土等）能够永久地减少 大气中的温室气体浓度。首先，生产木质林产品所消耗的能源普遍低于生产化石能源密集型材料；其 次，使用木质林产品也避免了化石能源密集型材料 运输、加工过程中大量的温室气体排放。从短期和 中期来看，木质林产品碳库的碳储量主要通过大量 生产、使用木材产品而实现，材料替代效应所带来 的气候效益并不明显；从长期来看，随着旧木材的 废弃和新木材的使用，木质林产品碳库的碳储量将 会稳定在一个较高的水平上，此时，木质林产品的 材料替代效应可能比本身储存在木材中的碳重要 得多，也能更加有效地体现木质林产品在缓解气候 变化方面的作用。

3.2.3 能源代替效应

与材料替代效应类似,木质林产品能源替代效应的替代因子被定义为:在获得同等能量的情况下,使用含1个单位碳的木材燃料而避免的化石燃料碳排放量。通常情况下,木材燃料的燃烧效率低于化石燃料且能量含量也较少。因此,能源替代效应的替代因子Df,通常小于1,即为了获取同等能 量,燃烧含1 t C的木材燃料,只能减少小于1 t C的化石燃料碳排放。例如,2003年Cannell考虑了用于发电的木材燃料,测算出替代各类化石燃料的Df值分别为煤1.0、石油0.88、天然气0.56;在假设木材燃料和化石燃料具有相同燃烧效率的情况下,2008年Hashimoto计算出煤、石油、天然气的D值分别为0.92、0.69和0.56。

尽管木质林产品的能源替代效应所产生的碳减排也是永久并可以长期累积的,但在直接使用活立木作为能源原料的情景下,实现“碳中和”的时间通常长达上百年。而在现有研究中很少有学者对其时间价值进行量化,这可能导致对能源替代效应中实际气候效益的错误估计,特别是在短期和中期,能源政策的制定应当兼顾经济效益和气候效益。

3.3 填埋阶段

木质林产品根据其用途拥有不同的使用寿命,在达到使用寿命后,部分木质林产品会被直接焚烧,部分会被回收再利用或用作燃料,剩下的将会被置入固体废弃物处理厂进行填埋。对于直接焚烧的废弃木质林产品,原本储存的碳将直接释放回大气中,被视为木质林产品碳库的直接碳损失。对于回收利用的木质林产品,依据其用途不同将再次产生材料替代效应或能源替代效应;而垃圾填埋场中的木质林产品由于长期处于缺氧环境,其中木质 素的分解将极为缓慢或不分解,这意味着木质林产品中的碳能够储存更久,从而提高木质林产品碳库的碳储量。

大多数研究均使用基于指数分布的一阶衰减法(first-order decay,FOD)来计算填埋部分木质林产品碳库的年度变化量。由图2可知,使用指数分布暗含了一个基本假设:木质林产品在填埋的最初几年将以最快的速度分解,而在随后每年的分解量都会减少。半衰期( halfife,分解一半所需的时间)是使用一阶衰减法唯一需要的参数,该方法也因为其简便性而被广泛使用。

▲图 2 指数分布下不同半衰期木质林产品的分解速率和剩余比例

综上所述,木质林产品填埋阶段的减排潜力估算涉及大量的参数,这些参数对估算CH4的产生和排放有很大的影响。虽然IPCC针对部分国家或地区给出了各个参数的缺省值,但准确的计算仍需要完整的生命周期数据或监测数据,这通常依赖于各国木质林产品生命周期数据库的构建及实验室精确测量的结果。

4结论

①对森林碳汇计量模型加以改进,解决其区域适应性问题能够降低森林阶段 碳核算的不确定性;②合理估算木质林产品的替代因子及实现“碳中和”的时间有利于能源政策和森林管理政策的制定;③考虑固体废弃物填埋场中甲烷的回收再利用能够提高木质林产品全生命周期碳核算的准确性;④改进森林资源清查方法、完善林产品生命周期数据库能够更准确地评估木质林产品的温室气体减排潜力;⑤在全球尺度上统一碳核算方法学,同时公平地认定碳储量的归属、合理地在各贸易国间分配碳排放,将有助于加速木质林产品相关议题的国际谈判进程。

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