杨红强,余智涵
(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,江苏 南京 210037;2.南京大学长江三角洲经济社会发展研究中心,江苏 南京 210093)
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[1-3]。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 Framework Convention 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 ℃;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%[1-2]。2018年,IPCC特别报告《全球升温1.5 ℃》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 ℃,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 ℃之内而努力[3]。
森林在全球碳循环中发挥着重要作用,据估计,1990—2007年,全球每年的森林碳汇总量约为2.4×109t[4]。作为森林资源利用的延伸,伐后木质林产品(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、胶合板和纸类等日用品或用作能源的木质材料,能够有效地转移森林通过光合作用储存的碳,并长期保存[5]。根据Winjum等[6]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[4]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[7]、加拿大[8]、捷克共和国[9]、美国[10]、欧共体15国[11]、葡萄牙[12]、日本[13]、西班牙[14]、中国[15]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[16-19]。
近20年来,世界范围内对于木质林产品在减少温室气体排放方面的潜在贡献已有广泛研究,但在研究的系统边界、木质林产品的生命周期等方面存在一定差异。杨红强等[20]、Ji等[21]和Jasinevic ius等[19]仅研究了在用部分的木质林产品碳储量;Green等[7]、Skog[10]和Dias等[22]除了在用部分,还考虑了固体废弃物处理厂中由于腐烂分解而导致的木质林产品碳储量变化;而Heath等[23]、Lun等[15]和Chen等[8]则进一步考虑了由于制造木质林产品而砍伐森林所引起的碳储量变化。对于在用部分的木质林产品,除了其本身的储碳功能,还能通过替代生产过程中需要排放大量温室气体的产品(如水泥、塑料等)、或作为能源替代化石燃料,从而进一步减少温室气体的排放[24]。部分研究在核算木质林产品碳储量的同时,也将其替代效应作为温室气体减排潜力考虑在内[8, 13]。
本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。
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[4, 25]。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[24]。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[8, 26-27]。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
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[8,24,28-31]。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[32-34]。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。
目前核算森林碳库的主要方法可以分为过程模型和经验模型两种,过程模型主要通过模拟森林的生理过程,如叶片通过光合作用吸收CO2、植物通过呼吸作用释放CO2、凋落物和枯木的腐烂、火灾和病虫害等自然扰动对森林碳汇的影响,进而核算森林碳汇总量;经验模型主要通过森林清查数据计算森林各个碳库的碳量(森林碳库包括活立木、枯木、林下植被、凋落物、土壤5种类型[4, 15, 23, 30]),再进行汇总整合以核算森林碳汇总量[25]。不论是哪种模型,都依赖于一国完整的森林清查数据,特别是人为扰动和自然扰动信息,将在很大程度上影响核算结果的准确性[35]。
由于可持续的森林管理政策必须在长期生产实践中才能体现出效果,在现有的将森林阶段纳入木质林产品生命周期的碳科学研究中,多采用以经验模型为主、过程模型为辅的方式。如Heath等[23]研究可持续管理的森林在美国国家温室气体清单中的碳减排贡献时,对于森林阶段,首先核算并汇总了5个森林碳库的碳储量,同时考虑了每年由于森林火灾而导致的温室气体排放;Smyth等[36]在研究加拿大森林部门的温室气体减排贡献时,使用加拿大碳收支模型(Carbon Budget Model for the Canadian Forest Sector,CBM-CFS3)模拟了生态系统过程及大气与森林各个碳库之间的由于人为扰动和自然扰动而导致的碳转移。这种模式既可以充分利用已有的静态数据计算森林碳储量,也能动态地模拟和预测未来几十年至上百年森林的碳动态,进而评估森林的碳减排潜力。
除了森林碳储量的变化,部分研究在预测未来一段时间森林碳动态的同时,还设置了多个森林的管理与采伐情景,以寻找最优的森林管理策略:首先需要设置一个基准情景,通常以现有的年度森林采伐量为准;接着综合考虑国家未来的经济发展水平、能源利用政策、进出口限制等,在基准情景的基础上增加或减少采伐量,模拟未来几十年至上百年不同森林管理策略下的碳动态[30, 37]。此外,木质林产品的生产和运输环节也是碳核算中不可忽视的一部分,物质流分析(material flow analysis,MFA)可以在假设被砍伐树木用途(如原木、造纸、能源等)的基础上,计算不同树种、不同用途的产品在生产和运输环节中所产生的碳排放,并将木质林产品生命周期的森林阶段与在用阶段联系起来,使得生命周期分析更为完整[30, 37-39]。
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。
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[24]。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CO2排放)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[24, 25, 40-44]。
2.2.1 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”[16];《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 flow approach,AFA)[17];《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[18-19]。估算结果会因为方法和数据选择的不同而存在差异[28, 45-47]。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[48]。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[49]。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
2.2.2 材料替代效应
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。
作为衡量替代效率的重要指标,替代因子(displacement factor,Df)被定义为每使用一单位木质林产品(t,以C计,下同)替代化石能源密集型材料所减少的CO2排放量(t)。Sathre等[24]分析了21个国家和地区的替代因子,范围为0.8~4.6,并推荐使用平均值2.1作为衡量木质林产品替代效率的合理估算值。Df值的大小通常与研究的系统边界、替代材料的类型等有关。一般来说,研究所包含的生命周期越完整,生产某种能源密集型材料所需要的能源越多,替代因子Df值越大。例如,Sedjo[53]基于产品生产过程的能源使用和碳排放,测算出在美国使用钢铁替代木质电线杆将会产生27.3 Tg的净碳排放,考虑到木质电线杆本身的含碳量为17.2 Tg,由此可得木质电线杆的替代因子Df=1.6;Chen等[8]除了产品的在用阶段,还考虑了废弃后木质林产品的回收、填埋等情形,测算出用于住宅建设的木质林产品的替代因子Df=2.4。
结合替代因子的测算,部分研究者在国家层面上估算了木质林产品的材料替代效应。Werner等[54]量化了瑞士12种木质林产品的材料替代效应,发现使用木质天花板能够获得最高的气候效益,并肯定了建筑领域使用木质材料在减少温室气体排放、缓解气候变化方面的作用。Chen等[8]对加拿大森林进行了碳平衡分析,认为如果加拿大不在住宅建筑中使用木质林产品替代能源密集型材料,20世纪加拿大将产生790 Tg 的额外碳排放。Kayo等[13]研究了日本木质林产品的碳减排潜力,预测如果在日本建筑中使用木质林产品替代非木质材料,将使日本2030年的碳排放量减少0.6~1.4 Tg,2050年减少1.3~2.9 Tg。Kalt[55]量化了奥地利木材建筑的潜在气候效益,认为当木材建筑占比保持在22%时,2050年的木质林产品材料替代效应将达到0.55~1.15 Tg的C,并预测如果木材建筑占比提高至80%,到2100年这种替代效应所带来的气候效益将会翻倍。
这些研究均肯定了木质林产品的材料替代效应在缓解气候变化中有重要作用,但由于各研究中木质林产品和能源密集型材料的种类各不相同,对于使用何种木质林产品进行替代以取得最佳的气候效益,尚无一致结论。
2.2.3 能源替代效应
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[29,33]。例如,2003年Cannell[56]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[33]计算出煤、石油、天然气的Df值分别为0.92、0.69和0.56。
在某些研究中,木材燃料被认为是“碳中性”的,即燃烧木材燃料所释放的碳会被其他植物再吸收,因此使用木材燃料替代化石燃料不会对大气中的温室气体浓度产生影响[57]。在“碳中性”假设下,使用木材燃料替代化石燃料被认为能够立即减少温室气体的净排放,Kayo等[13]由此计算得到2050年日本木材燃料的能源替代效应能够达到4.3 Tg;Sedjo[53]也假设使用采伐剩余物作为生产木质电线杆的能源不会产生碳排放。Holtsmark[57]在2015年指出,“碳中性”假设可能是错误的,Geng等[29]、Chen等[31]和陈家新等[25]均肯定了这一观点,认为在森林采伐阶段,森林采伐剩余物(如树桩等)腐烂会造成碳排放,再加上木材燃料等能源效率较低,使用木材燃料替代化石能源在初始阶段会产生净碳排放,尽管这部分碳排放会被森林再生长过程中的光合作用、木材燃料的能源替代效应逐渐抵消,但这个过程可能需要几十年甚至上百年。因此,为了有效评价木质林产品的能源替代效应,有必要准确地估算实现“碳中和”的时间,即由于森林采伐而导致的碳排放与木材燃料替代化石燃料产生的能源替代效应和森林再生长吸收的碳量达到均衡所需的时间。
大部分研究均设置了“采伐剩余物情景”(使用采伐剩余物作为能源原料)和“增加采伐情景”(扩大森林采伐量,直接将采伐的活立木作为能源原料),并通过与“基准情景”比较来估算实现“碳中和”的时间。Ter-Mikaelian等[34]在分析加拿大安大略省的发电厂使用木球替代煤发电的温室气体排放中发现,如果使用森林采伐剩余物进行能源替代,那么实现“碳中和”的时间将小于1 a;但如果增加森林采伐量,并将采伐的树木直接用于能源替代,实现“碳中和”将需要91 a的时间。Laganière等[58]也得到了相似的结论,发现在加拿大分别使用森林采伐剩余物、回收的树木、活立木替代3种化石能源(煤、石油、天然气)时,森林采伐剩余物实现“碳中和”所需的时间最短,活立木的最长,并指出造林和提高能源效率有助于缩短实现“碳中和”的时间。
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。
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[26]。
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[17,59]。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(half-life,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
一阶衰减法的具体模型为:
(1)
ΔC(i)=C(i+1)-C(i)。
(2)
式中:i为时间,a;C(i)和C(i+1)分别为第i年和第i+1年初填埋部分木质林产品的碳储量;k为一阶衰减法下的衰减常数,k=ln2/tHL,其中tHL为木质林产品的半衰期;CInflow(i)为第i年流入固体废弃物填埋场的碳量;ΔC(i)为第i年填埋部分木质林产品碳储量的增量。同样的,一阶衰减法也可以用来估算在用部分木质林产品碳库的碳储量变化。
在固体废弃物填埋场中,只有部分可降解有机碳(DOC)能够被分解,这个比例通常为0.5[17,27]。当DOC经历有氧分解时,DOC将全部转化为CO2;当DOC经历无氧分解时,DOC将转化为CO2和CH4[17,59]。对于DOC的取值,Krause[27]汇总了81篇文献,发现木材DOC的取值集中在0.3~0.4 g/g,略低于IPCC给定的缺省值0.43 g/g。另外,CH4的全球变暖潜力值(GWP)高达CO2的28倍(100 a),固体废弃物填埋场中的碳损失将低于这些碳所引起的温室效应,因此还必须确定填埋过程中的CH4产出量,再将其转换为CO2当量[25]。部分研究直接假设固体废弃物填埋场中CO2和CH4的产出比例,如Pingoud等[59]和Chen等[30]均假设CO2和CH4各占填埋场排放气体体积的一半,这个比例对于废弃木质林产品来说是普遍适用的;也有一些研究通过假设废弃木质林产品的无氧分解比例来估算CH4排放量[12,60-61],Dias等[62]还考虑了CH4的回收利用。一般来说,CH4回收率会因为各个国家而不同,例如在发展中国家大多为0,而某些发达国家的CH4回收率可能达到75%以上[27]。
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。
木质林产品在缓解全球气候变化方面具有重要作用,木质林产品碳科学已经成为世界范围内的研究热点,各国依据木质林产品“森林—在用—填埋”生命周期不同阶段已开展了大量研究,但仍然存在一些值得重视并亟待解决的科学问题,具体涉及5个方面的研究重点。
森林生长是一个极其缓慢的过程,现有的各类森林碳汇计量模型均依赖于几十年甚至上百年的森林时空动态变化数据,而多数国家或地区的数据搜集工作才刚刚开始,这将严重影响森林碳汇计量的准确性[25]。此外,不同地区由于森林类型的差异而适用不同的森林碳汇计量模型,现有的模型大多基于欧美等发达国家森林的实际情况所开发,就中国而言,多数研究也是通过改进国外模型的方法进行森林碳汇研究[35]。对森林碳汇计量模型加以改进,解决模型的区域适应性问题,并努力消除计量过程中的不确定性是未来木质林产品碳科学在森林阶段的研究重点。
考虑到木质林产品替代效应的可累积性和永久性,替代效应所产生的气候效益已经成为木质林产品碳科学中不可忽视的问题。就材料替代效应而言,分国家、分建筑类型确定木质林产品对不同能源密集型材料的替代因子Df是未来研究的重点[24, 29]。对于能源替代效应,除了替代因子,还应估算实现“碳中和”的时间,在此基础上,可以进一步从时间价值的视角对比实现“碳中和”的时间成本和在此期间所产生的气候效益,从而合理制定能源政策和森林的可持续经营策略,这可能会成为未来的一个研究方向[63]。
由于数据收集的困难性,很少有研究考虑木质林产品退出在用阶段后的情景。事实上,木质林产品的回收与再利用可以使替代效应再次发挥作用,提高木质林产品的碳减排量。在固体废弃物填埋场中,CH4因为其巨大的全球变暖潜力值而成为温室气体的主要来源之一;但在管理良好的固体废弃物填埋场中,部分CH4可以被收集,这些CH4在燃烧转化为CO2的同时也产生了能源替代效应[27]。从碳汇计量和技术改进的角度来看,对废弃木质林产品与CH4的回收再利用进行准确的碳评估可能是未来研究的一个重要方向[15]。
木质林产品的温室气体减排潜力评估依赖于完整、准确的生命周期数据。部分数据缺失或直接使用IPCC提供的缺省值都将对核算结果产生一定的不确定性[7,22,40]。对于能源替代效应、填埋阶段的分解这种带有“时滞”的碳核算,不确定性还会随着时间累积,从而使最终结果产生严重误差。在森林资源清查方面,以5 a为周期的国家森林资源连续清查制度面临的信息实效性不强、缺乏与生态环境和社会经济相关的指标等问题亟待改进[64]。另外,明确木质林产品生命周期数据库的系统边界也为数据收集提供了指导方针,有利于数据库系统的构建与完善。
现有研究大多从国家或地区层面上核算木质林产品碳库碳储量,且各个国家会因为自身利益的考虑而选择不同的碳核算方法学[48]。简单地汇总各个国家的温室气体清单,必然会因为方法学的选择差异而出现“重复计算”或“计算缺失”的情况,难以准确核算全球范围内木质林产品的温室气体减排潜力[49]。在全球尺度上统一碳核算方法学,能够减少各个国家或地区之间的核算差异,但也可能削减部分国家的碳储量,损害其与碳核算方法学相关联的利益。在准确核算全球碳储量的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,这是当前亟待解决的一大难题。
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