林产品生物碳通量的动态生命周期评估

王珊珊 张寒 聂影

摘要将时间因素和生物碳通量纳入林产品生命周期碳足迹评估，通过动态生命周期分析法（DynamicLifeCycleAssessment，DLCA），确定林产品生产、使用和废弃阶段替代化石能源的净温室气体减排和对森林碳损失的净弥补时间。首先，建立温室气体排放和封存的动态生命周期清单，评估刨花板全生命周期的碳动态和碳足迹;其次，根据ISO14040和PAS2050标准提供的静态生命周期分析法分别核算包含与不包含碳储计算的碳足迹，量化时间因素和生物碳通量对于碳足迹结果差异的影响程度;最后，对比自然生长状态的森林碳汇情境，评估刨花板使用和废弃阶段替代化石燃料实现净气候减排所需的时间。研究表明：①时间因素和生物碳通量核算对碳足迹结果影响较大（223.34%），忽视时间因素会低估刨花板的减排贡献（18.98%）。②动态生命周期分析法可准确评估生物碳和温室气体排放的时间问题，但对时间范围非常敏感（75.19%和113.25%）。③生产、使用林产品以及林产品对化石能源的替代是实现长期气候减排的有效方式，在100a的时间范围能够弥补因森林砍伐造成的碳损失，从而实现碳中性。

关键词动态生命周期分析;时间因素;生物碳通量;碳中性;碳足迹;刨花板

产业链的节能减排是实现国家温室气体（GreenhouseGas，GHG）减排目标的重要途径。通过生命周期分析法（LifeCycleAssessment，LCA）评价产品“从摇篮到坟墓”的环境影响[1]，基于生命周期分析的碳足迹（CarbonFootprint，CF）量化产品在生产、使用和废弃处理等不同阶段排放的温室气体，是产业链生产活动环境评估的重要方法[2-3]。然而，传统的生命周期分析法因在“清单分析”和“影响评估”阶段忽略时间因素和生物碳通量而受到质疑，“碳中性”假设简化了林产品生物碳通量的核算[4-5]。尽管时间因素和生物碳议题在生命周期分析方法学的研究已经取得诸多进展，但如何将二者纳入产品碳足迹评估尚无统一的国际标准[6];对于具有重要温室气体减排潜力的林产品，我国在分析碳动态及评估碳足迹的研究方面也相对匮乏。该文旨在探讨生命周期温室气体影响对时间因素和生物碳核算的敏感性，具体解决的问题包括：①包含与不包含时间因素，对产品碳足迹的影响;②包含与不包含生物碳通量，对产品碳足迹的影响;③以刨花板为研究对象，评价动态生命周期分析法（DynamicLifeCycleAssessment，DLCA）对林产品碳核算的适用性。

1产品生命周期碳足迹评估方法学进展

时间因素是碳足迹评估需要考虑的重要问题，具体涉及3个方面：①时间范围（TimeHorizon，TH），即度量气候变化特征值的时间范畴。②评估期，即涵盖所有温室气体排放和封存，在此时间框架内衡量对气候变暖的影响。③生命周期，即产品“从摇篮到坟墓”的时间界限[5]。传统的生命周期分析法在计算碳足迹时，根据温室气体的气候变化特征值，即全球变暖潜势值（GlobalWarmingPotential，GWP），將不同温室气体的气候影响量化统一为二氧化碳当量（C2Equivalent，CO2e）[7]。通过将给定时间范围内单位质量某种温室气体脉冲排放的累积辐射强迫值（RadiativeForcing，RF）除以相同时间内CO2的累积辐射强迫值来计算该气体的GWP，以确定其相对于CO2的温室效应。

公式（1）中，TH表示时间范围，i代表研究的温室气体，a是气体i的辐射效率，C（t）是气体i随时间t的大气衰减。传统的生命周期分析法通常以“100a”为固定的时间范围来评价温室气体的破坏能力，忽略了其具体发生时间，因此在2019年发生的温室气体排放和在2119年发生的排放的GWP值相同。而实际上，温室气体在大气中的浓度逐年降低，其温室效应能力也一并减弱;排放发生的越早，其气候变暖影响越小，尤其是对于短寿命温室气体如甲烷（CH4），其GWP值随时间范围的延长而减少[8]。由于未考虑排放的时间分布，定义这一方法为静态生命周期分析法（StaticLifeCycleAssessment，SLCA）。应用“100a的固定时间范围”，导致了评估期和时间范围的不一致[9]。静态方法对于时间范围的选择受到质疑，原因并不在于选择“100a”的时间跨度，而是对“固定”概念的应用;忽略温室气体通量具体的发生时间，也导致了对真正气候影响的错误估计。

静态生命周期分析法对林产品生物碳通量的简化核算也存在争议，越来越多的研究证明，“碳中性”假设忽视了生物源CO2排放的气候影响，通过碳储可暂时避免生物碳排放造成的辐射强迫[10]。生物碳是指来自树木和土壤等生物源的碳，森林部门的生物碳通量分析是气候变化领域的重要科学问题[11]。静态生命周期分析法在解释森林生物碳议题时认为，生物碳的释放会被后续再生长的森林吸收，从而实现净零排放，等价于“气候中性”[12]。该观点忽视了生物碳的排放和再吸收之间存在的时滞，该时滞内仍有一部分温室气体存留于大气引发气候变暖。森林通过光合作用吸收并封存CO2，森林采伐和加工环节进一步将碳转移到林产品内，产品碳储随着生命周期阶段的不同而部分或完全地释放到大气，参与新的碳循环[13]。静态分析方法完全不考虑生物碳的排放和封存对气候变暖或加剧或缓解的影响，其局限性已被诸多研究质疑[9，14]。为合理评估森林生物碳的气候影响，首先应明确生物碳通量的时间分布。虽然针对生物碳议题的处理尚无统一方法，目前一些产品碳足迹国际核算标准如PAS2050、GHGProtocol以及ISO14067已经要求明确报告生物碳[15]。另外，政府间气候变化专门委员会（IntergovernmentalPanelonClimateChange，IPCC）要求缔约国报告国家温室气体排放清单[16]，而林产品碳储用于抵偿国家温室气体排放的贡献却被忽略。从产品尺度和国家层面，正确评估林产品生物碳的气候影响都是亟待解决的现实问题。

公式（4）中，累积气候变暖影响（GWIcum）支持不同产品的比较。GWIcum是从0～t年计算的所有瞬时结果GWIinst的总和，表示在给定时间，由研究的温室气体引起的辐射强迫增加的总量。

公式（5）中，相对气候变暖影响（GWrel）的计算类似于GWP，都以CO2为参照。根据非CO2温室气体在一定时间范围内的累积气候变暖影响（GWI（cum）TH）除以在第0年排放的1kgCO2在相同时间范围内的累积辐射强迫，在动静态分析方法可比较的基础上实现产品碳足迹的动态评估。

2.3时间范围选择

时间范围是影响气候评估的重要因素之一[23]。一方面，时间范围的选择既关系到对温室气体的影响评估的权重，又体现决策者的时间偏好。过短的时间尺度更注重早期排放的温室气体，但因为排除时间范围之外的辐射强迫，违背了“代际公平”原则。过长的时间尺度则依赖建模对气候影响进行预判，不仅增加评估结果的不确定性，且会导致决策者忽视气候变暖问题的严峻性[6]。另一方面，计算林产品的碳储效益也受时间范围的影响，较短的时间范围不利于发挥林产品的减排贡献[31]。诸多研究也证明了不同的时间范围会导致不同的碳足迹结果[25]。按照惯例，大多数研究支持“100a”的时间范围，但尚无严谨的学术理论支持它的科学性[23]。

DLCA方法中，时间相关的DCF是可变的，不受固定时间范围的限制。动态特征意味着设置了终点年，气候影响评估表示在通量发生的确定年份与固定的终点年之间的温室效应。由于DLCA支持可变的时间范围，为确定合适的时间框架，计算不同时间范围的碳足迹十分必要。该研究中动态生命周期对时间范围的选择基于以下考虑：通过比较50a、100a和150a的碳足迹结果，测试气候影响评价对短期、中期和长期时间尺度的敏感度，以确定在当前动态生命周期评价实践中适用于评价生物碳通量的时间框架。

2.4生物碳通量核算

区分温室气体是生物来源还是化石来源的关键原因在于，与化石源对大气的单向排放不同，生物源温室气体涉及排放和封存两个过程。然而，无论其来源，温室气体对气候变暖的影响一致[10]。在生命周期碳足迹评估的国际标准化实践中，《ISO14040：2006环境管理-生命周期评价-原则和框架》[1]（下文简称ISO14040标准）为静态生命周期分析法提供最基本的指导原则;《PAS2050：2008商品和服务在全生命周期内的温室气体排放评价规范》[7]（下文简称PAS2050标准）是全球首个产品碳足迹核算标准，也是最基础的标准之一。虽然二者都为产品碳足迹核算提供了指导，但对于生物碳的处理方式不同，各自的计算模型见表1。ISO14040和PAS2050标准均不统计生物源CO2的排放，但PAS2050承认生物源CO2的碳储价值。通过加权每年的碳储比例获得生物碳存储效益的加权系数，计算100a内储存的生物碳的加权平均影响。

DLCA方法计算所有温室气体通量的气候影响，避免人为地将碳流动标记为生物源或化石源[26]。在动态清单中考虑生物碳的储存和排放（分别记负值和正值），对生物碳通量的计算也适用DLCA的方法学公式，见公式（2）～公式（5）。2.5系统界限及动态生命周期清单以“1m3”为功能单位，建立刨花板产品“从摇篮到坟墓”的系统界限。图2涵盖了原材料获取、现场生产、最终产品的分配和使用以及废弃产品的处理等5个生命周期阶段。在静态清单获取的基础上，DLCA方法要求报告从系统界限开始每年产生的排放与封存。表2建立了刨花板产品“从摇篮到坟墓”的动态生命周期清单，涉及的碳流动包括全生命周期耗用能源和相关材料产生的温室气体，在用产品的碳储，以及废弃处理阶段的生物碳释放[32]。为了对比静态方法，先以“100a”为时间框架。第一步是明确每个温室气体通量发生的时间。为了简化计算，假设生产阶段在木材砍伐后1a内完成，产品成型后立刻投入使用，在使用阶段不耗用能源，在寿命期结束当年对其进行废弃处理。此外，根据IPCC[33]提供的刨花板含碳系数（0.45）得到在用产品的碳储量为268.80kgC/m3，假设在用产品的使用寿命为25a。燃烧导致产品碳储一次性释放到大气;填埋碳储符合一阶分解模型，半衰期为29a，计算年衰减系数为2.39%。填埋产品中有3.2%的碳以CO2和CH4的形式释放[26]。表2中，动态清单显示在第1年和第25年有较大的波动（第1年：-411.87kgCO2和3.07kgCH4。第25年：-368.44kgCO2）。第25年，30%的碳储完全释放（295.68kgCO2），70%的碳储随填埋产品参与下一轮的循环，其中96.80%的碳永久储存（667.82kgCO2）。由于没有新的产品投入，25～100a的温室气体排放来自填埋的碳分解，但是释放的量较小，第100年时仅释放0.04kgCO2和0.01kgCH4。

3时间因素和生物碳通量对碳足迹的影响

3.1不同时间范围的碳足迹基于已经建立的动态生命周期清单（见表2），根据公式（2）计算每个温室气体的DCF值，结合公式（3）和公式（4）分別计算了刨花板“从摇篮到坟墓”生命周期的瞬时气候变暖影响GWIinst（图3a）和累积气候变暖影响GWIcum图3b）。图3a中，CWIinst值反映了每个时间点的气候影响，其值均为负，表明刨花板产品在每个时刻均可有效实现气候减排。第1年，由于假设生产和使用阶段在同一年发生，在用产品碳储抵消了生产阶段排放的温室气体，CWIinst为-2.65×10-13W/m2·a。第25年，产品废弃，耗用能源产生的排放并未超过生物碳储量，CWIinst值为-5.17×10-13W/m2·a。25～100a，虽然CH4的释放量小于CO2，但其在100a内的DCF值均高于CO2，表明其变暖效应大于同时间的CO2，第100年的CWIinst值为-5.03×10-13W/m2·a。

图3b中，CWIcum反映了刨花板生命周期系统在100a内引起的辐射强迫增加的总量。CWIcum值一直呈下降趋势，这是由于先前每年的瞬时影响的累加，从而导致绝对值增加，表明气候减排贡献随时间范围延长而增加。第100年的CWIcum值为-4.48×10-11W/m2·a，同样意味着在给定的时间框架内，1m3刨花板产品具有实质的温室气体减排贡献。

图3a和图3b整体描述了刨花板产品的碳足迹结果随时间范围延长的变化趋势，并由此计算结果对短期（50a）、中期（100a）和长期（150a）的时间尺度的敏感度。为了更直观反映结果的差异，以下仅对比CWIrel值。“50a”“100a”和“150a”的CWIrel值分别为：-367.09kgCO2e、-488.22kgCO2e和-552.92kgCO2e。从结果来看，时间范围越长，CWIrel的绝对值越大，刨花板的减排贡献也越大。此外，结果之间的差异反映碳足迹结果对时间范围选择的敏感度较高（75.19%和113.25%，以100a的结果为基准）。根据假定的29a半衰期，填埋刨花板的分解至少需要58a，“50a”并不能完全覆盖产品生命周期的不同阶段。而“150a”有效涵盖了填埋部分的碳动态，可以更好地反映长寿命产品的气候影响。

3.2时间因素和生物碳通量的影响结果

基于ISO14040、PAS2050和DLCA分别核算的碳足迹结果为：602.15kgCO2e、-92.66kgCO2e和-488.22kgCO2e。虽然ISO14040和PAS2050都为静态生命周期分析提供基本核算框架，但二者对生物碳通量核算的不同定义导致其存在可比性。首先，ISO14040和PAS2050的比较反映了包含不包含碳储对碳足迹的影响：正负值差异说明了对生物碳储的考虑直接影响刨花板产品是碳源还是碳汇。其次，PAS2050和DLCA的比较反映了包含不包含时间因素对碳足迹的影响：忽视时间因素，刨花板产品的减排贡献仅为DLCA方法核算结果的18.98%。最后，ISO14040和DLCA的比较反映了包含不包含时间因素和生物碳通量对碳足迹的影响：忽视时间因素和生物碳通量，扭曲了对刨花板产品减排能力的判断，甚至误判刨花板为碳源，与DLCA方法的绝对值差异为223.34%。

4相关讨论和研究结论

4.1考虑森林砍伐的碳损失问题砍伐森林通常会造成森林碳汇量的减少，但会将一部分森林生物碳转移到林产品中。准确评估林产品的使用对于气候变化的影响，应将森林和源于这些森林的林产品视为整体，强调森林碳汇的动态变化和林产品生命周期分析的集成评估[11]。图4描述了林产品净温室气体减排效益测度方案的概念模型，方案中加入产品替代。若实现了净减排，则期望量化林产品使用的最大减排效益。

图4中，在t0时砍伐森林并制造林产品，此时通过可持续的森林管理手段来实现森林再生。森林再生长+产品使用+废弃阶段替代化石燃料的曲线描述了再生林的碳汇量、林产品生命周期碳足迹以及替代减排效益的耦合结果。无砍伐的森林自然生长曲线表示若无砍伐，该森林自然生长的碳汇量变化，与前一曲线之间的差异即为林产品的使用对于气候变化的实际影响。此外，以实现碳中性所需要的时间（t1-t0）来衡量产品的减排效益，在碳中性时间点（t1），森林和产品的集成系统对大气中温室气体浓度的影响为零，在此之后则实现了温室气体净减排。方案涉及的具体参数如下：

（1）基准情境（无砍伐的森林自然生长曲线）：无砍伐的森林生长模型。每生产1m3木材的森林碳汇量为1047.79kgCO2，而生产1m3人造板需耗用1.8m3的木材，因此生产1m3人造板的森林碳损失为1886.02kgCO2e[34]。

（2）减排情境（森林再生长+产品使用+废弃阶段替代化石燃料的曲线）：考虑森林砍伐并生产刨花板，同时实现森林再生。鉴于已有研究证明填埋相对燃烧处理更有助于气候减排[32]，假设产品全部填埋并回收CH4以实现能源替代，1kgCH4替代化石能源发电可减少3.4kgCO2e的排放[35]，CH4的捕捉效率为75%，能源回收率为70%[36]。

经计算，在t1=100时达到了碳中性，减排情境的结果为-1889.21kgCO2e，与基准情境对比，净减排贡献为-3.19kgCO2e。研究结果表明，相对于保护森林不受砍伐，刨花板产品的使用从长期来看具有更好的气候缓解作用。但由于不同的林产品使用形式和替代方式，可能会在初期表现为碳源，因此应在减排目标的时限内实施森林资源的可持续经营和林产品利用的优化管理，并结合替代方案来发挥林产品的最大化减排效益。

4.2研究结果的不确定性问题

此外，存在的以下问题可能会对研究结果的不确定性产生影响：

（1）由于数据缺乏和研究重心的限制，该研究仅聚焦产品端。林业碳科学的前瞻研究要求构建国家层面的林业部门集成系统，建立并完善林业部门的动态生命周期清单。这要求追踪从森林管理、到原木开采、到产品生产和使用、再到废弃处理等各个环节的碳流动，并报告国家尺度的林产品替代减排效益。

（2）該研究采用缺省的使用寿命，增加碳足迹评估的不确定性。使用寿命是影响产品碳动态的重要因素之一，在以后的研究中，应对寿命期进行敏感度测试，并通过延长产品的使用来实现长期碳储存效益。

（3）未考虑废弃产品的回收。产品回收是实现木材级联的有效手段，在实现温室气体减排的同时有助于发展循环经济。因此，从气候减排的角度优化产品的废弃处理，应制定合理的废弃处理方案并测试不同方案的气候影响。

4.3研究结论

将时间因素和生物碳通量纳入林产品生命周期碳足迹评估，以刨花板为例，验证了DLCA方法对林产品的气候影响评估具有适用性，并确定了森林资源的可持续管理及优化使用对温室气体的净减排效益和对森林碳损失的净弥补时间。研究结论如下。

（1）时间因素和生物碳通量核算对碳足迹结果影响较大（223.34%），甚至扭曲对林产品是碳源还是碳汇的判断。忽视时间因素会低估刨花板的减排贡献（18.98%），由于不考虑生物源CO2排放，静态生命周期分析法也无法合理评估生命周期的总碳足迹。

（2）DLCA方法可同时解决生物碳和温室气体排放的時间问题，但对时间范围非常敏感（75.19%和113.25%）。时间范围的选择既关系到对温室气体的影响评估的权重，又体现决策者的时间偏好，以“50a”为代表的时间范围不足以评估长寿命产品的整体环境影响。

（3）通过可持续管理和优化使用森林资源可实现-1889.21kgCO2e的温室气体减排。林产品的使用和废弃阶段替代化石能源是实现长期气候减排的有效方式，在100a的时间范围内能够弥补因森林砍伐造成的碳损失，净减排贡献为-3.19kgCO2e。

（编辑：李琪）

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