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竹产品全生命周期碳足迹研究进展及其测定框架

发布时间:2021-12-18 15:57所属平台:学报论文发表咨询网浏览:

摘 要 本文概述了竹林碳汇、竹产品碳足迹等相关研究进展;从全生命周期角度,分析了竹产品全生命周期碳循环过程,提出了竹产品全生命周期碳足迹测定框架,并借鉴相关研究成果,对部分竹产品全生命周期碳足迹进行了估算;探讨了竹产品全生命周期碳足迹需要深化研究的内容

  摘 要 本文概述了竹林碳汇、竹产品碳足迹等相关研究进展;从全生命周期角度,分析了竹产品全生命周期碳循环过程,提出了竹产品全生命周期碳足迹测定框架,并借鉴相关研究成果,对部分竹产品全生命周期碳足迹进行了估算;探讨了竹产品全生命周期碳足迹需要深化研究的内容、碳增汇减排效应提升路径,以期为促进竹产业高质量发展、提升碳增汇减排能力提供科学引领支撑。

  关键词 竹林碳汇; 竹产品碳足迹; 全生命周期; 碳循环; 碳增汇减排

竹产品

  植物是陆地上唯一能够从大气中固碳的自然生态系统,在全球碳循环中发挥着重要作用,通过碳吸收、固定、储存和封存,在减缓碳排放、应对气候变化的作用远未被认识和充分发挥。目前的森林碳汇相关研究只涉及森林植物生长阶段,忽略产品生产使用阶段、废弃分解阶段,以及相互之间的联系。

  据张颖等(2021)研究[1],我国林木碳储量由1976年的51.96亿t增加到2018年的87.9亿t,年均增汇0.855 7亿t,森林资源总碳储量(包括林木、林地和林下植被)由125.06亿t增加到214.39亿t;其中,人工林碳储量增速明显,年均增加5.05%。但作为森林资源利用的延伸,伐后木质林产品如家具、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。

  Winjum等(1998)研究[2]提出全球木质林产品碳储量每年增长约139 TgC,抵消森林采伐碳排放的14%。在全球层面上,Pan等(2001)[3]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、加拿大、捷克共和国、美国、欧共体15国、日本和中国等。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[4]。

  据李玉敏(2017)研究[5]提出,森林是陆地生态系统中最大的碳库,汇集了全球植被碳库的86%和土壤碳库的73%,在调节全球碳平衡以及应对气候变化中具有十分重要的独特作用;在《联合国气候变化框架公约》《京都议定书》《哥本哈根协议》《波恩政治协议》和《马拉喀什协定》等国际公约中都承认森林的固碳作用,并对森林碳汇机制做了较为详细的制度设计。然而迄今为止,主要的国际政策工具如《京都协议书》和《马拉喀什协议》等都没有将竹林作为森林的一部分。竹子的管理和碳评估技术与树木不同,但往往与其他类型的森林混在一起:在联合国粮农组织的“2015年全球森林资源评估”中,并没有单独的章节来报告各国的竹林覆盖率。这种缺乏分类的情况使林业工作者在评估碳汇时很难衡量竹子的潜力,而碳汇评估又将影响各国依照《巴黎协定》作出的国家自主贡献。

  竹子是世界上生长最快的植物之一,一次种植可永续利用,具有生长更新速度快、年生长量大、固碳能力强、成林后可隔年连续采伐等特点,是理想的林业碳汇植物,在适应和减缓气候变化中扮演着极为重要的角色;竹子从生长发育、采伐收获、加工制造、产品利用直至废弃处置的全生命周期过程,是碳循环的全过程,包括竹林碳汇、竹产品生产使用和废弃后分解的碳足迹。但目前的相关研究呈现割裂状态,要么侧重于竹林培育阶段,要么侧重于竹材加工阶段[6]。

  因此,从竹生长发育、竹林培育、经营利用、竹产品增值增效、减缓碳排放、可再生材料循环利用、可再生材料国家安全等方面,开展竹产品全生命周期碳科学研究,系统认识碳循环规律,完善竹林碳汇的内涵,探明竹产品碳足迹,是当前“碳达峰”“碳中和”大背景下促进竹林增汇、增加产品碳封存、调控全生命周期各个环节减排、应对市场贸易“绿色”壁垒、推进竹业全产业链发展的必由之路。从全产业链与环境容量相结合系统性考虑竹产业发展,是一种全新理念、创新模式,体现竹子全生命周期碳循环“来得快、去得慢”特征,通过竹林碳汇交易、竹产品碳足迹和碳标签(产品碳标签是指把产品在生产过程中所排放的温室气体排放量、碳足迹在产品标签上用量化的指数标示出来,以标签的形式告知消费者产品的碳信息)等深入研究,提振现代竹产业高质量发展,并为气候变化谈判、实现“碳中和”目标贡献“绿色发展”智慧。

  1 竹林碳汇研究进展

  为了减缓气候变化、维持人类社会的可持续发展,1992年,联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC) 通过《联合国气候变化框架公约》(UNFCCC),1994年起正式生效。1997年UNFCCC《公约》开始关注木质林产品在应对气候变化中的减排贡献[7]。林业碳汇被认为是应对气候变化最为经济与有效的途径,我国政府已于2009年明确提出了森林增汇目标,2012年提出建立碳排放市场,允许森林碳汇作为抵消机制来参与交易。

  2015年巴黎气候大会把森林作为单独条款被纳入全球气候治理的新制度《巴黎协定》,这充分表明了林业在应对气候变化中的重要性。我国政府高度重视林业在应对气候变化中的特殊地位和重大作用,2017年开始建立全国统一碳汇交易市场,推进国内碳市场的逐步建立与发展,林业碳汇项目呈现较快发展的态势。据统计,截至2017年3月,国家发展和改革委员会公示的中国核证减排量(CCER)林业碳汇项目达到97个。

  此外,2018年印发的《生态扶贫工作方案》提出结合全国碳排放权交易市场建设,积极推动清洁发展机制和温室气体自愿减排交易机制改革。为积极应对全球气候变化带来的挑战,2020年9月,中国首次向全球宣布,力争于2030年前实现碳达峰、在2060年前实现碳中和。由此可见,我国政府对于林业碳汇项目的期望较高,未来我国林业碳汇项目的市场前景将非常广阔。目前的林业碳汇项目根据其所采用的方法学不同,主要有碳汇造林项目、森林经营碳汇项目、竹子造林碳汇项目和竹林经营碳汇项目。

  竹林碳汇研究已逐渐成为碳汇研究领域的重要分支之一。据张红燕等(2020)研究[8]对近30年国际竹林碳汇相关研究分析,关于竹林碳汇研究文献最早出现于1996年,印度巴纳拉斯大学研究人员(Tripathi,S.K.和Singh,K.P.)对印度热带地区竹种(Dendrocalamusstrictus)的近熟林和成熟林进行了碳储量估算及分布和竹林年净碳汇量研究。此后在近20年时间内,竹林碳汇研究一直处于停滞状态。

  近10年以来,尤其是2014年后,国际对竹林碳汇研究的热度不断提升,受到越来越多学者的关注,相关文献数量呈井喷式增长。1996—2019年,中国、美国、日本竹林碳汇文献发表量居世界前3位,共发表论文744篇,占文献总量83.5%。中国竹林碳汇的发文量多达551篇,占文献总量61.8%,是第2位美国发文量的5.3倍。

  目前,已有不少学者基于生物学方法,对单位面积竹林固碳能力和区域水平林地立竹碳储量进行了研究,提出了竹林总生物量、地上生物量、地下生物量、秆材积和秆高的异速生长等模型,开发了33个竹种的地上部分碳生物量计算模型,研究评估了竹林生态系统固碳能力[5-9]。

  但是,这些研究方法及其模型,没有对凋落物、土壤碳储量进行深入研究,也忽视了竹林培育、产品加工等全过程的要素投入、产品价格、碳汇政策等经济和政策因素对竹林种植面积与结构及其相应碳汇能力的影响效应。现在研究在竹林碳汇测定、碳通量监测、时空分布以及竹林碳增汇的影响机制、竹产品生产减排技术等方面取得一些重要进展,主要探讨了竹林生态系统碳储量、竹林经营提升固碳能力、竹产品碳转移和封存量、竹林碳汇交易及其增收效应等方面,对提升竹林碳汇能力和增加农户收益发挥了积极作用。

  但对不同类型、不同立地、不同竹种的竹林生态系统碳储量、固碳能力、碳汇交易等方面还缺乏系统研究,竹林碳通量监测还处在起步阶段,竹林碳汇效应、碳增汇减排作用还没有得到充分发挥。竹林是陆地生态系统中一个重要植被类型,作为我国十分重要的森林资源,大力发展竹林碳汇对于实现我国“森林增汇”“碳中和”目标具有特别重要的意义。

  据陈先刚等(2008)研究[10],对20世纪80年代以来有关中国的竹林面积、生物量、碳密度、土壤有机碳等要素的研究成果进行统计分析,并依据过去6次全国森林资源连续清查的相关数据资料,结果表明,我国竹林碳储量在过去50年呈增加趋势,其中1950—1962期间为322.65 TgC;1977—1981期间为431.15 TgC;1984—1988期间为469.30TgC;1989—1993期间为499.25 TgC;1994—1998期间为555.57 TgC;1999—2003期间为639.32TgC,后期的增加速度明显越快,预期随着中国森林面积的增加,竹林碳储量仍将继续增加。

  据刘应芳(2012)研究[11],1998—2009年的11年间,四川竹林起着一个碳“汇”的作用,基于面积的四川竹林碳储量从1998年的23.22 TgC增加到2009年的49.01 TgC,增加了25.79 TgC;四川毛竹林平均碳密度为98.5140 t·hm−2,平均生物量为49.1393 t·hm−2,毛竹林单位静态碳储量为2.005 kg·kg−1;表明竹林碳汇潜力巨大,将成为一种效果惊人的碳汇和缓解全球变暖的重要自然手段。Kuehl et. al.(2013)研究[12]估计,1 hm2竹子及其制品可以在60年内储存306 t碳,而同等条件下杉木的碳储量为178 t。

  近些年,国内不少学者从不同的视角就清洁发展机制(CDM)林业碳汇项目开发进行了研究。关于竹林碳汇造林项目也逐步得到中国自愿性碳补偿项目的认可。早在2009年,互联网零售巨头阿里巴巴就在浙江省临安县购买了约50 hm2竹子作为碳补偿。此后,浙江农林大学和国际竹藤组织(INBAR)的研究人员开发了一种方法,使农民和企业更容易获得种植竹子的碳信用额度。这种方法已被国家发改委认定为“重点节能低碳技术”,并得到广泛应用。目前基于碳汇交易的竹林碳汇项目不多,仅浙江省新栽植约2.7万hm2竹林,产生了540万个认证碳信用额度。湖北和福建也相继启动碳汇竹子造林项目。

  据程毅明等(2021)研究[13],已有7处竹林碳汇项目,主要在浙江、湖北地区,包括湖北省通山县竹子造林碳汇项目1处,竹林经营碳汇项目湖北省1处、浙江省5处。其中,2015年湖北省通山县竹子造林碳汇项目是全国首个可进入国内碳市场交易的CCER竹子造林碳汇项目,在湖北省通山县燕厦乡的宜林荒山分三年实施毛竹碳汇造林,造林规模为700 hm2。预计20年的计入期内将产生13.11万t减排量,年均减排量约0.66万t。从7个项目看,竹林碳汇作用,单位面积年均减排量5.10~9.30 t·hm−2。

  2 竹产品碳足迹研究进展

  产品碳足迹(Product carbon footprint),是指沿着产品的整个生命周期,包括从原材料的开采、制造、运输、分销、使用到最终废弃阶段所产生的温室气体排放量,是衡量产品或服务在生命周期(B2B或B2C) 中排放的CO2和其他温室气体的总量,是核算企业生产活动对外界的净碳排放量的大小,也是企业碳排放报告的主要内容和自愿减排的基础[14]。

  产品碳足迹评估在很多发达国家已经开始付诸实施,如欧洲的丹麦、瑞典、意大利等都已经在本国范围内征收碳税,对出口到当地的产品也均有报告产品碳足迹信息的要求,形成新的贸易壁垒[15]。为积极应对全球气候变化,减少温室气体的排放,英国、美国、日本等已开始对企业和部分产品进行碳足迹的评价,并以碳标签的形式告知消费者产品的碳足迹,使消费者能够直观获取产品的碳足迹信息。中国主要的产品出口国和国际买家已经相继推出碳标签认证,这很可能成为一种新的技术贸易壁垒。中国是世界上竹资源最丰富的国家,竹产业已经成为中国林业重点发展的十大主导产业之一和山区农民家庭经济收入的主要来源,已有超过80%的竹产品销往欧美等地,如竹地板、竹家具、竹砧板、竹日用制品等,将会受到碳足迹核算的要求。

  据统计,2019年我国竹产业产值已接近3000亿元,位居世界第一,中国竹产业协会规划提出,到2030年,竹业产值要达到1万亿元。可以预见我国竹产业将会继续呈现持续快速发展的态势。但目前国内外竹产品碳足迹的研究较少,如竹制品。根据研究,毛竹在不同的利用方式如展开、集成、重组方式下最终的碳转移存储率不同,因此,对竹制品最终碳足迹的影响也将不同[16,17]。据谷艾婷等[18](2014)采用投入产出生命周期模型计算中国木质林产品的碳足迹,并对不同种类木质林产品产业链上的碳足迹分布进行分析。

  研究结果表明,产品碳足迹总量最大的木质林产品是木家具(占总量的36%),而单位产品碳足迹强度最大的木质林产品是纸制品(占整体的16%);针对林产品行业内部的产业链角度,碳足迹的主要流量发生在从用材林的种植和养护业到最终产品的制造;林产品产业行业外部,碳足迹的贡献则主要来自金属冶炼及压延加工业、化石燃料开采业等行业,这2个行业碳足迹贡献分别占21%和18%。

  据计算,木家具产品、木制品碳足迹(碳排放)总量−477.69 gCO2eq·kg−1,木质纸制品足迹(碳排放)总量−1729.57 gCO2eq·kg−1,从原木生产(林木培育、木材采运)、产品加工的碳足迹,但不包括木材碳储存、转移及产品碳封存。据周鹏飞等[19](2014)研究,将以毛竹展开方式下竹砧板为研究对象,采用《商品和服务在生命周期内的温室气体排放评价规范》(英国标准协会PAS 2050:2008)为评估标准。选择从商业—商业(B2B) 的评价方式,全面评估包括原材料运输、产品加工到包装入库等所有生产过程的CO2排放量和碳储量。

  PAS 2050规定,碳足迹计测应从原材料的运输开始计算,收集竹砧板从原材料、生产到分配 (B2B)各环节碳排放和碳转移的初级水平数据,精确计测碳足迹的大小。 研究计测得到生产1块(规格为360 mm×240 mm×17 mm)竹展开砧板(干质量为1.0430 kg,)运输过程的碳排放为0.0417 kg CO2当量,加工过程电力的碳排放为0.1805 kg CO2当量,附加物隐含碳排放0.0633 kg CO2当量;1块竹展开砧板的碳储量为0.1172 kg(竹展开砧板理论使用年限为8年)。最后得出生产1块竹展开砧板的碳足迹为−0.1683 kgCO2放当量 (即净碳排放量),进而计算出1 kg竹展开砧板的碳足迹为−0.1614 kg CO2当量,尽管包括了砧板竹材碳转移量,但不包括毛竹林碳汇(碳储存量)。

  3 竹产品全生命周期碳循环过程

  竹产品从竹子生长发育(光合作用)、培育经营、采伐收获、原料仓储、产品加工利用直至废弃分解(分解作用)的全过程,完成全生命周期。竹产品全生命周期碳循环包括竹林培育(栽植、管理、经营)、原料生产(竹材或竹笋采集运输、仓储)、产品加工利用(加工过程中各工序)、销售使用和废弃处置(分解作用)等5个主要环节,涉及碳固定、积累、储存、封存和各个环节的直接或间接碳排放。

  竹林培育主要是一个碳积累、储存环节,涉及栽植、管理、经营等活动中直接或间接碳排放;原料生产是连接营林企业和竹产品加工企业的碳转移环节,也涉及竹材或竹笋采收、初加工、运输、仓储过程中直接或间接碳排放;产品加工利用是碳封存环节,把碳长期固定封存在产品中,还涉及各单元加工、产品加工和副产品利用等整个过程中各工序的直接或间接碳排放;产品进入消费者使用环节后,碳彻底固定于竹产品中,如家具、建筑、日用制品、纸品等,随着使用年限的增加,将会延长碳封存的时间,直至废弃处置为止,分解释放CO2,重新回到大气中。

  碳循环过程的碳足迹贯穿竹林培育、原料生产、竹产品加工及应用等多个环节、多级供应、多行业协同的过程,它显示了碳足迹贯穿竹产品各阶段行业内部的吸收、转移、储存、封存与释放情况和行业外部在营林、原料生产、竹产品加工、销售使用和废弃过程中相关行业水、肥料、机械、电力、能源等消耗的碳排放情况。通过竹产品全生命周期碳循环过程的测定分析,科学计测立竹、伐竹、竹加工等竹业各环节中CO2的吸收排放过程的碳足迹,为全面提升竹林碳汇功能、正确评估竹加工企业环保要求、有效破解竹产品贸易壁垒以及加快推进竹产业高质量发展提供科学依据,对促进竹林碳汇交易、实行竹产品或企业碳标签制度具有重要的科学指导意义。

  4 竹产品全生命周期碳足迹测定框架与估算

  对竹产品全生命周期各环节的基础数据进行收集、测定是全生命周期分析的基础。基础数据包括各环节的土地占用、水耗、不同品位能源(煤炭、燃油、电力等)消耗、各种原材料的消耗及由此引起的物质流和能量流数据。通过数据收集、测定,开展竹产品全生命周期碳循环过程碳足迹计测。

  5 研究展望

  5.1 强化竹产品全生命周期碳足迹研究

  通过前述调研分析,国际上竹林碳汇时空分布特征、竹林碳汇的精准监测、竹林碳汇的影响机制、竹林碳增汇减排技术等方面取得了一些重大进展。但竹林碳汇研究仅在毛竹等重要竹种上做得较为深入,还有很多不同竹种碳汇研究尚处于初步研究阶段或空白,国际竹林碳汇交易的方法学还有待于进一步探讨;竹产品加工过程中各环节各种要素投入的碳排放测定方法、标准还需要多学科多部门协同进行科学确定,推进竹材产品碳足迹和碳标签的深入研究;从竹林培育、经营到竹材产品加工、销售使用等全生命周期碳循环过程研究还有待深入;竹产品碳减排作用机制及其减排技术还需要系统深入研究探讨等。

  因此,从光合作用、生长发育、及时采伐、原料仓储、加工利用、产品使用以及分解释放的全过程,系统研究竹产品全生命周期碳足迹,从现代竹产业链、供应链和价值链角度,探明竹林培育、竹材(笋)仓储、竹产品加工及应用等多个环节的碳足迹管理机制,创新研发高效培育经营、及时采伐仓储、高质加工利用的碳增汇减排关键技术,调控全生命周期各个环节碳增汇减排效应,支撑引领现代竹产业高质量发展。

  5.2 探讨竹产品碳增汇减排效应提升路径

  竹类植物一次种植,永续利用,生长迅速,碳积累持续,可以每年采伐,是一种快速再生资源,能够比天然林和人工林提供更多的生物量;一旦长成,每年都可以选择性收获,并用于制造各种耐用产品,并在产品使用寿命期间进行碳封存。因此,竹产品碳增汇减排效应提升路径主要在三个方面:

  一是竹林可以持续积累储存碳,是巨大的碳汇;竹林经过科学培育、经营和采伐,及时采伐、及时储存、及时使用,促进竹林健康生长,持续获得更多竹原料,保证竹林碳储量的持续增长,发挥碳增汇作用,并通过碳汇交易,满足企业、地区绿色发展的碳“减排”目标需求。

  二是竹产品及其使用可以长期封存碳,具有碳排放滞后效应,延缓碳排放;通过扩大产量、提升质量,提高产品碳封存体量,延长产品寿命,增加产品碳封存时间;还可以替代木材、混凝土和钢材等高排放材料或替代煤、石油等能源、化工材料,发挥替代碳减排效应,发展“以竹代木”“以竹代钢”“以竹代塑”等新兴产业,替代钢筋、混凝土等能源密集型产品或替代煤、石油等化石能源,可直接减少工业及能源部门的碳排放,达到碳减排目标要求。

  参考文献:

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  [3]Pan Y. D., Birdsey A., Fang J. Y., et al. A large and persistent carbon sink in the worlds forests[J].Science, 2011, 333(6045): 988−993.

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  [5]李玉敏. 全球竹林生态系统碳储量评估及其政策含义[J]. 世界竹藤通讯.,2017,15(3):61−62.

  [6]费本华,马欣欣,石雷,等. 竹材碳足迹内涵及其对产业发展的调控作用[J]. 世界竹藤通讯,2020,18(2):12−17.

  [7]白彦锋,张守攻,姜春前,等. 木质林产品碳储量研究进展[J]. 世界林业研究,2013,26(3):6−10.

  [8]张红燕,周宇峰,张媛,等. 基于文献计量分析的近30 a国际竹林碳汇研究进展[J]. 竹子学报.,2020,39(1):13−23.

  [9]周国模, 姜培坤, 徐秋芳, 著. 竹林生态系统中碳的固定与转化[M]. 科学出版社. 2010

  作者:费世民

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