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      生物質能源林碳匯計量研究進展

      媒體:林業實用技術  作者:詹鵬 陳介南 張林 2014/7/2 16:37:17

           以CO2為代表的大氣中溫室氣體濃度逐漸上升,引起全球范圍的溫室效應、氣候異常變化已成為當前全球最重要的環境問題之一,如何解決這一世界性難題已成為 各國研究的重點。目前,主要通過減少向大氣排放CO2,增加CO2的捕集與封存量,建立CO2的貯存庫(碳庫)來解決這一難題。其中,森林植物在其生長過 程中通過光合作用吸收大氣中的CO2,以生物量的形式將其固定在植物體內和土壤中。全球森林有機碳貯量約為402-787Gt(1Gt=109t),約 占全球陸地碳庫儲量的25%~50%,森林植物已成為陸地生態系統最大的天然碳庫。
          20世紀以來,使用煤、石油、天然氣等化石性能源的負面影響日益突出(資源枯竭、不可再生、價格飆升、污染環境),改革世界能源構成體系,尋求化石能源的 替代品,降低對化石能源的依賴成為亟待解決的問題。其中,生物質能源具有可再生性,原料來源廣泛、價格低廉等優點,是一種可持續性的可再生能源。以生產固 體、液體、氣體燃料等生物能源為主要目的的生物質能源林(包括油料能源林、木質能源林和淀粉能源林),不僅能通過光合作用吸收大氣中的CO2,植物根系生 長固定土壤中的碳,增加森林碳匯,降低大氣中的CO2濃度,緩解溫室效應,而且可以通過轉化獲得生物質能源來替代化石能源(煤、石油),減少因化石能源的 消耗而排放的CO2。目前我國發展的生物質能源林有楊樹、刺槐、文冠果、光皮樹、麻瘋樹、桉樹、黃木等。進行生物質能源林碳匯研究,評估生物質能源林對 CO2的吸收量和吸收潛力,是林業碳匯評價體系重要組成部分。由于生物質能源林具有直接碳匯功能和間接碳匯功能,其全面、系統的計量生物質能源林碳匯功能 的研究報道并不多?,F有研究對直接碳匯的計量主要采用與生物量緊密相關的反映碳積累量的現存生物量來計量,而其間接碳匯則以生物質能源產品生命周期過程凈 CO2的儲量來計量。本文綜述了生物質能源林碳匯計量的最新研究進展,以期為生物質能源林碳匯研究提供參考。
      1 生物質能源林碳匯功能
          生物質能源林碳匯由直接碳匯和間接碳匯兩大部分構成。其中,直接碳匯是指生物質能源林所帶來的直接碳儲量的增加量,這也是生物質能源林碳匯的內部效益,主 要包括:( 1)能源林樹木生長、繁殖所帶來的碳儲量;( 2) 生物質能源林造林/再造林過程中所增加的土壤碳量。生物質能源林直接碳匯可以根據中國綠色碳基金《造林項目碳匯計量與監測指南》按照普通的森林碳匯進行計 算,屬于內部正效益。間接碳匯主要是指由相應轉化工藝所制取的生物質能源代替化石性能源所帶來的溫室氣體(CO2)減排量,為生物質能源林碳匯的外部效 益,需要從整個生物質能源產品生命周期進行計量。在計算生物質能源林碳匯功能效益(Q)時,應包括以下部分:( 1)生物質能源替代化石性能源的CO2減排量(Ct);( 2)生物質能源林生長過程中CO2吸收量(Cx);( 3)生物質能源林生產過程中使用化石性能源導致的CO2排放量(Csh)。
      2 生物質能源林碳匯的計量方法
          生物質能源林碳匯計量方法是評價生物質能源林碳匯效益大小的基礎,是開展生物質能源林碳匯管理和經濟評價的技術手段。依據生物能源林碳匯的構成,計量方法又可分為直接碳匯計量方法和間接碳匯計量方法。
      2.1 生物質能源林直接碳匯計量方法
          生物質能源林直接碳匯計量方法有生物量法、蓄積量法、生物量清單法等。其中生物 量法根據單位面積生物量、林分面積、生物量在林木器官中的配比、各器官的平均碳含量等參數計算而成,具有直接、明確、技術簡單等優點,是目前應用最為廣泛 的方法。早期的生物量法需要通過實地調查,獲得生物量的實測數據,建立相應的數學模型,來獲得植被的平均碳密度,然后與面積相乘估算出該林木的碳儲量。隨 著電子信息技術、遙感技術、物聯網技術等相關領域技術逐漸應用到林業資源調查領域,越來越多的基于林木生物量調查的森林直接碳匯計量方法相繼出現。陳青青 等利用全國森林資源清查資料數據庫,研究了亞熱帶馬尾松、杉木林、硬闊林和軟闊林喬木層地上生物量碳和碳積累速率的林齡格局,并預測了2010-2050年這4種林型的碳儲量與增匯量。徐少君采用RS/GIS/DEM/NDVI相結合的手段研究了重慶地區植被及其碳儲量動態和格局。韓愛惠利用遙感監測和 CBERS-WFI數據進行了森林生物量和碳儲量定量估測研究,并利用BP神經網絡模型分析研究了碳儲量消漲。由于林木是由低碳組織與高碳組織構成的,因 此在計量生物量與碳含量時必須進行轉換,目前常采用轉換系數為0.45~0.55之間的經驗值或實測值。
          王宏等采用標準樣地生物量法測定了永州市1年生光皮樹能源林根、莖、葉生物量與碳含量的碳密度之比為0.42-0.50。各縣林分碳密度為 14.1~251.25kg/hm2。谷利萍等以紅河流域麻瘋樹人工幼林為研究對象,測定了麻瘋樹不同器官的碳密度之比為0.394~0.567,其中果 實含碳率最大(0.5674),麻瘋樹幼齡林碳密度為5.54t/hm2。調查資料表明,廣東省成熟桉樹林碳密度為50.50t /hm2,高于幼齡林碳密度(12.72t /hm2)。 樹木生長是一個動態的過程,生物量的積累不僅和樹種本身有關,還與林齡、林分密度、輪伐期等多方面因素有關。王蕾等對黃土高原8年生人工側柏、刺槐林碳匯 進行了研究,結果表明,在幼齡期,刺槐林碳匯總量較側柏顯著,但由于側柏林的生長空間較刺槐林優越,其碳匯增量隨著林齡的增加快于刺槐林。郭樂東等研究得 出廣東省西江流域的桉樹生物質能源林不同林齡的碳儲量不同,隨著林齡增加,林下植被總碳儲量降低,而凋落物增加。許宇星和陳少雄通過對桉樹林分密度研究得 出,高密度能源林對于生物量具有隨林分密度的增加,林分生物量逐漸增加的現象,可以推導得出其響應的固碳量亦具有隨林分密度增加而增加的現象。 FredrikandChristian通 過建立模型測算,得出長輪伐期能源林直接碳匯較短輪伐期能源林直接碳匯效益優越,但考慮到間接碳匯后,短輪伐期能源林碳匯功能要優越長輪伐期能源林。土壤 碳庫是森林生態系統中主要的庫,造林/再造林活動直接影響著土壤碳在時間、空間方向的積累。因此,對生物質能源林土壤碳庫的計量應作為生物質能源林直接碳 匯計量的重點。郭樂東等通過研究廣東省西江流域的桉樹生物質能源林,得出桉樹生長在一定程度上增加了表層土壤有機碳密度,其土壤碳庫隨林齡增加而降低。張 景群等以黃土高原26年生人工刺槐林為研究對象,得到刺槐人工造林增加了黃土高原土壤碳密度,且土壤有機碳密度隨著林齡的增長而下降,碳匯正效應顯著。
      2.2 生物質能源林間接碳匯計量方法
          由 于林業生物質能源涉及從原料、運輸、加工、消費等過程,且每一過程中都涉及CO2的吸收或者排放,因此在研究生物質能源林的碳匯功能時必須從林業生物質能 源產品生命周期的角度,追尋生物質能源的碳足跡,最后折算成CO2當量。在生命周期評價(LCA)過程中,碳排放計量 和碳泄露量主要依據《中國綠色碳基金造林項目碳匯計量與監測指南》中的有關規定。
          胡志遠等從大豆、油菜籽、光皮樹、麻瘋樹生物柴油原料種植開始 到生物柴油的燃燒消耗這一產品生命周期入手,建立了這4種生物質能源林制取生物柴油生命周期能 源消耗和排放模型,結果表明,所有生物質能源林制取生物柴油的生命周期化石能源消耗顯著降低,整個生命周期中CO2的排放顯著下降。歐訓民等運用清華大學 的Tsinghua-CA3EM模型對麻瘋樹制取生物柴油和玉米、木薯、甜高粱制取燃料乙醇進行了生命周期模擬測算,結果表明,與傳統石油基燃料相比各路 線所需化石能源減少。同時,種植過程中肥料消耗和燃料生產過程是溫室氣體排放大的主要原因,可通過提高單位產量、降低物耗來增加CO2的減排效果。
          李順龍等以黑龍江省文冠果生物柴油原料林示范項目為研究對象,研究了文冠果生物柴油生命周期中原料林碳匯和生物柴油生產的碳減量,并得到文冠果生物柴油原料 林碳匯效果圖。通過公式計算出文冠果生物柴油對于化石性能源的替代作用所帶來的CO2減排效果十分顯著,從長期來看,文冠果生物柴油原料林的間接碳匯效果 遠遠大于其直接碳匯效果。
      3 小結
          在進行生物質能源林碳匯研究過程中,應依據《中國綠色碳基金造林項目碳匯計量與監測指南》選文冠果生 物柴油原料林碳匯效果A:文冠果果實形成過程的碳儲 量;B:文冠果造林地碳儲存量;C:文冠果樹木生長的樹木生物質的碳儲量;D:文冠果生物柴油代替化石性能源的CO2減量。擇合理的碳庫基線,明確直接碳 匯和間接碳匯部分。其直接碳匯功能部分的計量可參考已有的常規森林碳匯計量方法進行監測和計量。在計量其間接碳匯功能部分時,由于制取生物質能源的種類各 異,生產水平條件不同等因素的干擾,給計量工作帶來了許多不確定性,導致計量結果偏差很大,需要今后進行大量的基礎數據積累。同時,在計量生物質能源林間 接碳匯過程中要把握好計量周期,一般來說,其間接碳匯效益需要在一個較長的時間周期內進行計量??傊?,生物質能源林碳匯的計量是一個復雜的系統的工程,需 要進行綜合的計量。

       

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