全生命周期木/竹產(chǎn)品碳足跡研究進展

朱安明 洪奕豐 張旭峰 于海霞 王洪濤 王雅梅 于文吉

（1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與藝術(shù)設(shè)計學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018；2.國家林業(yè)和草原局華東調(diào)查規(guī)劃院，浙江 杭州 310019；3.北京工業(yè)大學(xué)經(jīng)濟與管理學(xué)院，北京 100124；4.浙江省林業(yè)科學(xué)研究院，浙江 杭州 310023；5.四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院，四川 成都 610065；6.中國林業(yè)科學(xué)研究院木材工業(yè)研究所，北京 100091）

在“雙碳”背景下，木材資源的高效利用在維護自然生態(tài)平衡方面發(fā)揮著重要作用。木/竹材是高效廉價的碳封存體，相比鋼材、水泥、陶瓷、塑料、玻璃等材料，木/竹材制品的加工過程排放量最低，對環(huán)境的負面影響最小[1]。在“雙碳”戰(zhàn)略指引下，木材工業(yè)迎來重要發(fā)展機遇期，加強木竹建材等低碳建材產(chǎn)品研發(fā)應(yīng)用，有利于加快推動木材工業(yè)領(lǐng)域碳達峰行動[2-3]。通過開展基于全生命周期的木/竹碳儲量與碳足跡研究，對更加全面了解森林碳匯在區(qū)域碳中和中的貢獻，評估產(chǎn)品的替代減排效應(yīng)、助力木材加工領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)碳中和具有重要意義，同時可為企業(yè)進行清潔生產(chǎn)、工藝改進和綠色設(shè)計提供規(guī)范化指導(dǎo)，為產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和低碳綠色管理提供數(shù)據(jù)支撐和決策依據(jù)。

1 森林經(jīng)營碳匯與木/竹產(chǎn)品碳足跡研究

當(dāng)林木被采伐作為生產(chǎn)木質(zhì)林產(chǎn)品的原料，經(jīng)運輸、生產(chǎn)加工過程，碳從森林碳庫轉(zhuǎn)移到林產(chǎn)品碳庫，林木砍伐和林產(chǎn)品使用影響了森林生態(tài)系統(tǒng)和大氣之間的碳平衡，本質(zhì)上減少了森林碳庫的碳儲量，所造成的碳損失需要較長時間才能得到補償。森林碳庫碳核算方法多以經(jīng)驗?zāi)Ｐ蜑橹鳌⑦^程模型為輔，借助森林資源連續(xù)清查數(shù)據(jù)計算活力木、枯木、林下植被、凋落物和土壤碳庫的儲碳量，進而整合得到森林碳庫總量[4-6]。有關(guān)木質(zhì)林產(chǎn)品碳儲量變化方法的研究并不多見，白彥鋒等[7-10]對比分析了聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC)缺省法、儲量變化法、生產(chǎn)法和大氣流動法，估算中國木質(zhì)林產(chǎn)品碳轉(zhuǎn)移并分析其在建筑領(lǐng)域的減排潛力，在國際氣候變化談判中，木質(zhì)林產(chǎn)品已被納入碳核算體系中，不同核算方法將導(dǎo)致碳權(quán)在締約方之間的分配和歸屬差異，國際社會尚未形成被普遍認可的碳核算方法學(xué)[11]。張小標(biāo)等[12]對2010--2030年中國木質(zhì)林產(chǎn)品碳儲效能和結(jié)構(gòu)演化進行模擬，認為我國林產(chǎn)品碳庫整體碳儲效能在2030年前呈現(xiàn)不斷上升趨勢。在國際貿(mào)易中，我國屬林產(chǎn)品國際貿(mào)易凈進口國，儲量變化法在核算時考慮到進出口的碳計量，使用該方法進行核算對中國而言更具有優(yōu)勢[13-15]。我國陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳匯功能抵消了部分工業(yè)碳排放，但20世紀(jì)80年代以來陸地碳匯抵消同期化石燃料碳排放的比例由30%降至7%～15%[16]。有學(xué)者研究表明，隨林齡的增加，2000—2040年間我國森林植被碳儲量將增加6.69 PgC[17]，但隨著整體林齡增加，森林碳匯能力將逐步降低，到2060和2100年，森林碳匯預(yù)計將分別降至0.08PgC a-和0.06 PgC a-，下降率達到56%和67%。通過采取合適的森林管理措施，同時設(shè)法延長木材的使用壽命可使幼齡林生長帶來的碳匯超過木材分解導(dǎo)致的碳排放增加，產(chǎn)生額外的凈碳匯[18]。以上研究多側(cè)重從國家或區(qū)域等較大尺度對木材產(chǎn)品碳儲量和碳排放進行評估，也有學(xué)者從材料利用率角度進行研究[19-20]，顧蕾等[21-22]從微觀層面對竹材產(chǎn)品碳轉(zhuǎn)移特征和碳儲量進行分析，跟蹤計測了產(chǎn)品每道生產(chǎn)工序前后的碳轉(zhuǎn)移率，構(gòu)建了不同生產(chǎn)技術(shù)下基于胸徑的毛竹產(chǎn)品碳轉(zhuǎn)移率和碳儲量模型。

2 生命周期評價體系在木竹加工領(lǐng)域的應(yīng)用

生命周期評價在國外被應(yīng)用在木材工業(yè)領(lǐng)域起步于20世紀(jì)90年代，加拿大、歐洲、美國、日本等將LCA應(yīng)用于木材生產(chǎn)、運輸、木結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域，所研究的產(chǎn)品包括膠合板、定向刨花板（OSB）、中密度纖維板（MDF）、膠合木和單板層積材等[23]。C?té[24]提出了林產(chǎn)品碳平衡的分析方法，研究森林經(jīng)營、生產(chǎn)加工和產(chǎn)品使用、廢棄填埋等全過程的碳足跡。Nebel[25]對德國木質(zhì)地板進行LCA研究，認為生產(chǎn)和使用木質(zhì)地板主要通過儲碳和提供清潔能源對環(huán)境產(chǎn)生影響。我國木材加工領(lǐng)域LCA研究開始較晚，孫啟祥[26]從全生命周期視角探討了木材的環(huán)境友好性，認為木材從來源、生產(chǎn)、銷售使用、回收再利用到廢棄填埋都有良好的環(huán)境協(xié)調(diào)性，是一種環(huán)境功能性材料。王愛華[27]對竹地板、實木地板進行了全面深入的生命周期評價研究，建立了完整的木/竹質(zhì)產(chǎn)品生命周期評價指標(biāo)體系。余翔[28]對竹集成材地板和竹重組材地板進行LCA對比研究，分析兩種竹地板在生命周期全過程的物料、能源消耗和環(huán)境排放，量化其“綠色程度”。張方文[29]對我國定向刨花板產(chǎn)品進行LCA評價，并與歐美典型定向刨花板產(chǎn)品的LCA結(jié)論進行對比，初步建立了基于LCA的中國定向刨花板環(huán)境影響評價體系。

3 木竹產(chǎn)品LCA指標(biāo)體系研究

隨著LCA研究的不斷深入和產(chǎn)品環(huán)境基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的日益豐富，產(chǎn)品環(huán)境影響類型的評價內(nèi)容也更加準(zhǔn)確、全面。歐盟產(chǎn)品環(huán)境足跡（Product Environmental Footprint,PEF）體系制訂了產(chǎn)品環(huán)境足跡評價標(biāo)準(zhǔn)，評價內(nèi)容包括自然資源、溫室氣體、酸化、顆粒物、光化學(xué)煙霧、富營養(yǎng)化、生態(tài)毒理、人體健康影響、電離輻射等10余種評價指標(biāo)[30]。結(jié)合木竹產(chǎn)品環(huán)境影響的特點，在生產(chǎn)階段主要考慮表1[31-32]所列的五種環(huán)境影響類型，生命周期清單因子歸入各影響類型，采用表2中相應(yīng)的特征化因子定量計算各影響類型指標(biāo)值。

表1 木竹質(zhì)重組材料環(huán)境影響評價指標(biāo)選擇Tab.1 Selection of environmental impact assessment indexes for wood bamboo recombinant materials

表2 木竹質(zhì)重組材料生命周期影響評價的特征化因子Tab.2 Characterizing factors of life cycle impact assessment of wood bamboo recombinant materials

4 木竹產(chǎn)品替代減排研究

作為一種新型替代材料，木竹質(zhì)重組材料兼具高強度、高耐候性、高尺寸穩(wěn)定性、阻燃性和高環(huán)保性等特點，其力學(xué)性能實現(xiàn)跨級增強，拉伸強度與耐候結(jié)構(gòu)鋼相當(dāng)，已廣泛應(yīng)用于戶外地板、交通護欄、風(fēng)電葉片、建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)品、園林產(chǎn)品、家具及家居裝飾產(chǎn)品[33]?；谏a(chǎn)過程中能耗與CO2當(dāng)量排放，木竹質(zhì)重組材料作為生物質(zhì)復(fù)合材料，具有低消耗、低能耗、低排放等特征。其中，在能耗方面，木竹制品僅為水泥的21.64%，鋼鐵的3.40%，玻璃的6.97%和陶瓷的6.71%；在碳排放方面，木竹制品僅為水泥的36.74%，鋼鐵的13.90%，玻璃的31.07%和陶瓷的32.62%。同時，從生產(chǎn)、運輸、安裝、維護，到最后處理的全生命周期角度分析，在上述各種材料中，僅有木（竹）質(zhì)材料的碳存儲大于碳釋放，凈碳排放為-14.89 kg/m3，具有明顯固碳功能，是典型固碳儲碳材料[34-36]。

產(chǎn)品和技術(shù)的資源環(huán)境問題需要對全過程及其技術(shù)進行系統(tǒng)全面、客觀量化的分析，LCA結(jié)果和結(jié)論并非一成不變，會隨著產(chǎn)品和技術(shù)不斷發(fā)展產(chǎn)生變化。木質(zhì)林產(chǎn)品替代減排作用表現(xiàn)在兩方面：1）生產(chǎn)木質(zhì)林產(chǎn)品所帶來的資源環(huán)境影響普遍明顯低于鋼筋、水泥、塑料、混凝土等能源密集型材料；2）木質(zhì)林產(chǎn)品的使用避免了以上各類能源密集型材料生產(chǎn)、運輸和使用過程中的資源環(huán)境影響。短期來看，木質(zhì)材料替代減排作用主要通過大量加工、使用來實現(xiàn)，木質(zhì)能量和不同木質(zhì)林產(chǎn)品可能在短時間內(nèi)保持碳負債[5]，替代效應(yīng)所帶來的氣候效益并不明顯。但在較長時間尺度上，隨著木質(zhì)材料的使用，加之通過工藝改進等措施延長產(chǎn)品使用壽命，木質(zhì)林產(chǎn)品替代效應(yīng)反而比本身所儲存的碳影響更大，其替代高耗能的非木質(zhì)材料能夠?qū)档突茉聪暮蜏厥覛怏w排放做出貢獻。

5 森林及其產(chǎn)品凈減排效應(yīng)的集成評估

Chen等[37]從林分尺度對森林碳匯和林產(chǎn)品碳儲集成核算方法的原理進行分析，描述了“不砍伐條件下的森林碳儲”“次生林碳儲+木質(zhì)林產(chǎn)品全生命周期分析結(jié)果”“次生林碳儲+木質(zhì)林產(chǎn)品全生命周期分析結(jié)果+木質(zhì)林產(chǎn)品替代減排效應(yīng)”等三種情景下的碳儲或碳排放。王珊珊等[38]在林產(chǎn)品生命周期碳足跡評價中，將時間因素和生物碳通量考慮在內(nèi)，進行動態(tài)生命周期分析，認為林產(chǎn)品使用及對化石能源的替代有利于實現(xiàn)長期的氣候減排，在100 a內(nèi)可彌補因森林采伐造成的碳損失，從而實現(xiàn)碳中和。周國模等[39-40]研究了集成、重組、展開等三種技術(shù)條件下生產(chǎn)的竹板材和拉絲材，分析不同胸徑毛竹產(chǎn)品碳轉(zhuǎn)移率和碳儲量模型，結(jié)合毛竹胸徑的Weibull分布概率模型估算區(qū)域尺度伐后毛竹板材的碳儲量。

6 結(jié)語

當(dāng)前對于木竹產(chǎn)品的研究多集中在工藝和技術(shù)改進，旨在不斷提升材料各項物理力學(xué)性能，對于材料和產(chǎn)品全生命周期碳足跡和低碳綠色評價相關(guān)研究還較少，對于其固碳減排潛力相關(guān)研究則更為缺乏。已有關(guān)于木竹材產(chǎn)品碳儲量相關(guān)研究多為全球和國家尺度，且多利用宏觀統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行估測，結(jié)果有較大不確定性?；趯嵉卣{(diào)查的林分尺度、企業(yè)微觀層面的研究較為缺乏，更加微觀的如不同質(zhì)地、不同生產(chǎn)工藝的木竹質(zhì)重組材料全生命周期碳足跡研究不足?，F(xiàn)有研究較少提到量化木質(zhì)林產(chǎn)品替代效應(yīng)的時間價值，缺乏對其氣候效益的數(shù)量化分析，在國家“雙碳”目標(biāo)戰(zhàn)略背景下，缺乏替代效應(yīng)“碳中和”時間的估計。此外，對木質(zhì)林產(chǎn)品替代能源密集型材料的替代因子應(yīng)分行業(yè)進行研究，預(yù)測其碳減排潛力。森林從光合作用、生長發(fā)育、采伐收獲、運輸、生產(chǎn)加工、使用廢棄到分解釋放的完整生命周期，即碳足跡，當(dāng)前對于森林碳匯的研究呈現(xiàn)割裂狀態(tài)，僅側(cè)重于森林培育或產(chǎn)品加工的某一方面，而解讀碳在森林中的足跡需要基于樹木從生長到消亡全生命周期[41-42]。只有將森林碳匯動態(tài)變化、木質(zhì)林產(chǎn)品的生命周期影響評價和替代減排效應(yīng)作為整體進行集成動態(tài)分析，才可相對準(zhǔn)確核算森林經(jīng)營和木質(zhì)林產(chǎn)品凈減排效應(yīng)及實現(xiàn)碳中和所需要的時間，從而對產(chǎn)業(yè)進行管理和動態(tài)評估。

在方法層面，LCA體系在具體操作層面存在一些困難和質(zhì)疑，主要表現(xiàn)在：1）LCA數(shù)據(jù)收集困難，尤其是難以找到合適的、尤其是本土化的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，導(dǎo)致很多LCA工作草草收場，甚至半途而廢；2）經(jīng)過復(fù)雜的數(shù)據(jù)收集、采用無法透明追溯的數(shù)據(jù)庫得到的LCA結(jié)果往往難以相信，并且包括ISO系列標(biāo)準(zhǔn)在內(nèi)的多個LCA體系一直未能建立系統(tǒng)的數(shù)據(jù)質(zhì)量評估方法，甚至缺乏嚴(yán)格的數(shù)據(jù)質(zhì)量定義，易被質(zhì)疑；3）盡管理論上，LCA可以分析產(chǎn)品和技術(shù)的資源環(huán)境問題、提出改進建議，但實踐中技術(shù)可行性、經(jīng)濟可行性才是常見的瓶頸問題，因此LCA方法還要準(zhǔn)確定位自身作用。當(dāng)前，在木材工業(yè)領(lǐng)域尚無國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、團體標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等碳計量標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布，相關(guān)基礎(chǔ)研究也較為滯后，亟待結(jié)合行業(yè)特點開展全生命周期碳排放核查。

在國家“雙碳”戰(zhàn)略政策背景下，木材工業(yè)領(lǐng)域LCA受到普遍關(guān)注。國外木材加工領(lǐng)域LCA應(yīng)用包括木材產(chǎn)品碳平衡方法，地板、住宅[43]木制品LCA研究，研究范圍從傳統(tǒng)木材工業(yè)產(chǎn)品如木竹制品、木質(zhì)與非木質(zhì)復(fù)合材料，拓展到生物質(zhì)能源等新興領(lǐng)域。國內(nèi)木材工業(yè)領(lǐng)域LCA研究則側(cè)重于傳統(tǒng)木材加工業(yè)地板、家具等領(lǐng)域，但尚存在理論和方法上的不足，以及結(jié)果不明確、數(shù)據(jù)質(zhì)量不高等諸多問題。

木材加工不同領(lǐng)域的應(yīng)用工藝和生產(chǎn)線不盡相同，每個階段資源損耗和環(huán)境影響也不同，針對各木材加工細分領(lǐng)域應(yīng)進行深入研究，以揭示不同加工模式的主要影響因子及作用，可為建立本土化生命周期評價模型提供依據(jù)。針對包括木竹質(zhì)重組材料在內(nèi)的木材加工業(yè)LCA研究大多參照其他產(chǎn)品的生命周期評價模型，其評價軟件多使用歐美國家開發(fā)的如Gabi、Simapra等，且多借鑒歐美國家的LCA基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，但考慮我國木材加工業(yè)實際情況，其消耗等量資源環(huán)境負荷不同。開展木竹質(zhì)重組材料碳科學(xué)研究工作，對包括不同質(zhì)地、不同生產(chǎn)工藝在內(nèi)的重組材產(chǎn)品進行資源環(huán)境、技術(shù)性、減排潛力和替代效應(yīng)進行集成動態(tài)評估，可推動木竹質(zhì)重組材料產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展進程，為探索木材工業(yè)領(lǐng)域碳中和路徑提供理論依據(jù)。