转换柳杉与扁柏人工林为桉树生物质燃料的温室气体平衡：一项时间动态碳核算评估

《Biomass and Bioenergy》：Greenhouse gas balance of Eucalyptus biomass fuel production from converted Japanese cedar and cypress forests: A temporal carbon balance assessment

为解决木本生物质能源的“碳债务”争议及评估森林类型转换的气候减缓潜力，日本研究者开展了一项时间动态温室气体(GHG)平衡研究。他们将56年生的柳杉/扁柏人工林转换为速生桉树林，评估了56年内的两种木材利用情景。研究发现，尽管森林转换初期会产生显著的GHG排放，但结合木材材料替代与桉树燃料替代化石能源，可在评估期内实现净GHG减排，且桉树引入比传统再造林能更早达成减排目标，为相关气候政策提供了重要依据。

　　

在全球积极寻求有效减缓气候变化的背景下，可再生能源的利用备受关注。木本生物质作为一种重要的可再生能源，其使用量预计将持续增长。传统上，基于“碳中性”假设的生命周期评价(LCA)方法认为，生物质燃烧释放的二氧化碳(CO₂)会被后续生长的植物重新吸收，因此净排放为零。然而，这种观点正面临挑战，因为它忽略了碳排放与再吸收之间的“时间差”。这个时间差会导致所谓的“碳债务”——即在树木重新生长吸收碳之前，已排放的CO₂会滞留在大气中，对气候产生即时影响。这种对时间动态的忽视，使得在“碳中性”假设下推广木本生物质燃料，可能在本世纪内削弱全球变暖减缓的努力。

这一问题在日本的人工林管理中显得尤为具体和紧迫。日本现存大量已达采伐年龄的柳杉和扁柏人工林，同时正在考虑引入速生桉树物种来生产生物质燃料。那么，将现有的柳杉/扁柏林转换为桉树林，从温室气体(GHG)平衡的角度看，究竟是有益还是有害？这种转换是制造了新的“碳债务”，还是带来了更早的气候减缓效益？为了厘清森林类型转换对气候的净影响，需要一套能够同时核算“碳债务”（来自采伐现有林）和“临时碳固存效益”（来自新造林）的评估框架。这正是东京农业大学等机构的研究团队在《Biomass and Bioenergy》期刊上发表的研究所要回答的核心问题。

为了系统评估桉树生物质生产的气候减缓潜力，研究团队整合了传统的生命周期评价(LCA)与时间依赖的生物源碳动态分析。他们以日本栃木县的一个实际案例（一片56年生的柳杉/扁柏人工林在2022年采伐后，于2023年改种桉树）为研究对象，设定了56年的评价期。研究建立了两个主要的木材利用情景：情景1将柳杉/扁柏原木加工成交错层压木材(CLT)用作建筑材料；情景2则将其全部用作生物质燃料。两种情景下，桉树均作为燃料使用。研究采用了Costa和Wilson提出的“t年法”，将桉树林的临时碳固存量转化为等效的永久减排量，从而在评估框架中同时将柳杉/扁柏生物质分解和燃烧产生的CO₂计为排放，将桉树的临时碳固存计为减排。研究还量化了木材替代混凝土、钢材、煤电或天然气发电所带来的“避免排放”效益，最终计算净GHG排放。

主要研究结果如下：

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  生命周期的温室气体排放随时间变化：研究发现，在评价起点（第0年），来自柳杉和扁柏生物质的CO₂排放是生命周期GHG排放的最主要部分。在情景1和情景2中，其贡献分别高达180.36和271.44 t-CO₂/ha。桉树的临时碳固存所带来的GHG减排，在56年的评价期内累计为-131.09 t-CO₂eq/ha，超过了桉树利用过程自身的排放(81.00 t-CO₂eq/ha)，但不足以抵消来自原有森林的碳排放。
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  考虑替代效应的净温室气体排放：研究表明，仅依靠柳杉和扁柏的利用（无论是作为材料还是燃料），其替代效应无法在任何情况下抵消森林转换产生的“碳债务”，因此在评价期的前几十年，净GHG平衡仍为正值（即净排放）。实现净GHG减排的关键在于桉树燃料对化石能源的替代。减排实现的时间点因桉树燃料替代的目标（煤或天然气）而异。在情景1（CLT利用）中，替代燃煤发电可在第16年实现净减排，而替代天然气发电则需要32到40年。在情景2（直接燃料利用）中，替代燃煤发电在第24年实现净减排，而替代天然气发电直到第56年才勉强实现。
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  桉树产量变异性的影响：敏感性分析显示，当桉树生物质用于替代燃煤发电时，不同产量情景下实现净减排所需的采伐周期数是一致的（情景1需2个周期，情景2需3个周期），时间差异较小（最多16年）。然而，当用于替代天然气发电时，产量变异性会显著影响实现减排所需的周期数和时间，在低产情景下，甚至可能在56年内无法实现净减排。
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  与常规再造林和禁伐的比较：研究将桉树引入与传统的柳杉/扁柏再造林以及禁止采伐（森林保护）方案进行了对比。在所有替代案例中，引入桉树都比常规再造林能更早地实现净GHG减排，并且在评价期结束时（第56年），在替代天然气发电的情况下，两者的最终GHG平衡值相近。尽管禁伐方案在初期因避免了“碳债务”而具有GHG优势，但其长期（56年后）的净减排量远小于引入桉树的方案。这揭示了一个权衡：是选择避免即时排放，还是追求更大的长期减排量。

研究结论与意义

该研究得出结论，在不假设“碳中性”的前提下，评估柳杉/扁柏人工林向桉树林转换的GHG平衡时，采伐现有林本身构成一个排放源。仅依靠木材的利用无法实现净减排，最终达成净GHG减排主要依赖于桉树燃料的替代效应。尽管将原有木材作为建筑材料（CLT）比直接作为燃料更有助于提早实现减排，但桉树燃料替代何种化石能源（煤或天然气），是决定整体实现净减排时间点的决定性因素。

与常规的柳杉/扁柏再造林相比，引入桉树能更早地实现GHG减排。这表明，在承认森林碳固存具有临时性的前提下进行时间动态GHG核算时，引入桉树可以成为一种比传统再造林更有效的减缓措施。尽管引入桉树相比禁伐会产生短期的排放增加，但它通过木材替代和生物质能源替代，带来了更大的长期减排效益。考虑到森林在未来即使采取保护策略也可能面临损失的风险，引入桉树成为一种兼具实践可行性和气候减缓潜力的管理选项。

这项研究的重要意义在于，它开发并应用了一个可转移的评估框架，该框架整合了LCA和t年法，能够同时核算来自现有林采伐的“碳债务”和新造林产生的临时碳固存。这为科学评估涉及人工林转换的生物质能源项目的气候影响提供了方法论工具。研究结果明确提示，在推广此类项目时，必须明确其替代的化石能源类型，并充分考虑树木生长的变异性，这些因素将直接影响减排目标能否在预期的时间框架内实现。当然，全面的森林管理决策还需考虑水消耗、土壤碳动态和生物多样性等本研究系统边界外的生态因素，这需要未来结合多站点长期监测数据进一步深化认识。