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生物质能源林碳汇计量研究进展

媒体:林业实用技术  作者:詹鹏 陈介南 张林 2014/7/2 16:37:17

     以CO2为代表的大气中温室气体浓度逐渐上升,引起全球范围的温室效应、气候异常变化已成为当前全球最重要的环境问题之一,如何解决这一世界性难题已成为 各国研究的重点。目前,主要通过减少向大气排放CO2,增加CO2的捕集与封存量,建立CO2的贮存库(碳库)来解决这一难题。其中,森林植物在其生长过 程中通过光合作用吸收大气中的CO2,以生物量的形式将其固定在植物体内和土壤中。全球森林有机碳贮量约为402-787Gt(1Gt=109t),约 占全球陆地碳库储量的25%~50%,森林植物已成为陆地生态系统最大的天然碳库。
    20世纪以来,使用煤、石油、天然气等化石性能源的负面影响日益突出(资源枯竭、不可再生、价格飙升、污染环境),改革世界能源构成体系,寻求化石能源的 替代品,降低对化石能源的依赖成为亟待解决的问题。其中,生物质能源具有可再生性,原料来源广泛、价格低廉等优点,是一种可持续性的可再生能源。以生产固 体、液体、气体燃料等生物能源为主要目的的生物质能源林(包括油料能源林、木质能源林和淀粉能源林),不仅能通过光合作用吸收大气中的CO2,植物根系生 长固定土壤中的碳,增加森林碳汇,降低大气中的CO2浓度,缓解温室效应,而且可以通过转化获得生物质能源来替代化石能源(煤、石油),减少因化石能源的 消耗而排放的CO2。目前我国发展的生物质能源林有杨树、刺槐、文冠果、光皮树、麻疯树、桉树、黄木等。进行生物质能源林碳汇研究,评估生物质能源林对 CO2的吸收量和吸收潜力,是林业碳汇评价体系重要组成部分。由于生物质能源林具有直接碳汇功能和间接碳汇功能,其全面、系统的计量生物质能源林碳汇功能 的研究报道并不多。现有研究对直接碳汇的计量主要采用与生物量紧密相关的反映碳积累量的现存生物量来计量,而其间接碳汇则以生物质能源产品生命周期过程净 CO2的储量来计量。本文综述了生物质能源林碳汇计量的最新研究进展,以期为生物质能源林碳汇研究提供参考。
1 生物质能源林碳汇功能
    生物质能源林碳汇由直接碳汇和间接碳汇两大部分构成。其中,直接碳汇是指生物质能源林所带来的直接碳储量的增加量,这也是生物质能源林碳汇的内部效益,主 要包括:( 1)能源林树木生长、繁殖所带来的碳储量;( 2) 生物质能源林造林/再造林过程中所增加的土壤碳量。生物质能源林直接碳汇可以根据中国绿色碳基金《造林项目碳汇计量与监测指南》按照普通的森林碳汇进行计 算,属于内部正效益。间接碳汇主要是指由相应转化工艺所制取的生物质能源代替化石性能源所带来的温室气体(CO2)减排量,为生物质能源林碳汇的外部效 益,需要从整个生物质能源产品生命周期进行计量。在计算生物质能源林碳汇功能效益(Q)时,应包括以下部分:( 1)生物质能源替代化石性能源的CO2减排量(Ct);( 2)生物质能源林生长过程中CO2吸收量(Cx);( 3)生物质能源林生产过程中使用化石性能源导致的CO2排放量(Csh)。
2 生物质能源林碳汇的计量方法
    生物质能源林碳汇计量方法是评价生物质能源林碳汇效益大小的基础,是开展生物质能源林碳汇管理和经济评价的技术手段。依据生物能源林碳汇的构成,计量方法又可分为直接碳汇计量方法和间接碳汇计量方法。
2.1 生物质能源林直接碳汇计量方法
    生物质能源林直接碳汇计量方法有生物量法、蓄积量法、生物量清单法等。其中生物 量法根据单位面积生物量、林分面积、生物量在林木器官中的配比、各器官的平均碳含量等参数计算而成,具有直接、明确、技术简单等优点,是目前应用最为广泛 的方法。早期的生物量法需要通过实地调查,获得生物量的实测数据,建立相应的数学模型,来获得植被的平均碳密度,然后与面积相乘估算出该林木的碳储量。随 着电子信息技术、遥感技术、物联网技术等相关领域技术逐渐应用到林业资源调查领域,越来越多的基于林木生物量调查的森林直接碳汇计量方法相继出现。陈青青 等利用全国森林资源清查资料数据库,研究了亚热带马尾松、杉木林、硬阔林和软阔林乔木层地上生物量碳和碳积累速率的林龄格局,并预测了2010-2050年这4种林型的碳储量与增汇量。徐少君采用RS/GIS/DEM/NDVI相结合的手段研究了重庆地区植被及其碳储量动态和格局。韩爱惠利用遥感监测和 CBERS-WFI数据进行了森林生物量和碳储量定量估测研究,并利用BP神经网络模型分析研究了碳储量消涨。由于林木是由低碳组织与高碳组织构成的,因 此在计量生物量与碳含量时必须进行转换,目前常采用转换系数为0.45~0.55之间的经验值或实测值。
    王宏等采用标准样地生物量法测定了永州市1年生光皮树能源林根、茎、叶生物量与碳含量的碳密度之比为0.42-0.50。各县林分碳密度为 14.1~251.25kg/hm2。谷利萍等以红河流域麻疯树人工幼林为研究对象,测定了麻疯树不同器官的碳密度之比为0.394~0.567,其中果 实含碳率最大(0.5674),麻疯树幼龄林碳密度为5.54t/hm2。调查资料表明,广东省成熟桉树林碳密度为50.50t /hm2,高于幼龄林碳密度(12.72t /hm2)。 树木生长是一个动态的过程,生物量的积累不仅和树种本身有关,还与林龄、林分密度、轮伐期等多方面因素有关。王蕾等对黄土高原8年生人工侧柏、刺槐林碳汇 进行了研究,结果表明,在幼龄期,刺槐林碳汇总量较侧柏显著,但由于侧柏林的生长空间较刺槐林优越,其碳汇增量随着林龄的增加快于刺槐林。郭乐东等研究得 出广东省西江流域的桉树生物质能源林不同林龄的碳储量不同,随着林龄增加,林下植被总碳储量降低,而凋落物增加。许宇星和陈少雄通过对桉树林分密度研究得 出,高密度能源林对于生物量具有随林分密度的增加,林分生物量逐渐增加的现象,可以推导得出其响应的固碳量亦具有随林分密度增加而增加的现象。 FredrikandChristian通 过建立模型测算,得出长轮伐期能源林直接碳汇较短轮伐期能源林直接碳汇效益优越,但考虑到间接碳汇后,短轮伐期能源林碳汇功能要优越长轮伐期能源林。土壤 碳库是森林生态系统中主要的库,造林/再造林活动直接影响着土壤碳在时间、空间方向的积累。因此,对生物质能源林土壤碳库的计量应作为生物质能源林直接碳 汇计量的重点。郭乐东等通过研究广东省西江流域的桉树生物质能源林,得出桉树生长在一定程度上增加了表层土壤有机碳密度,其土壤碳库随林龄增加而降低。张 景群等以黄土高原26年生人工刺槐林为研究对象,得到刺槐人工造林增加了黄土高原土壤碳密度,且土壤有机碳密度随着林龄的增长而下降,碳汇正效应显著。
2.2 生物质能源林间接碳汇计量方法
    由 于林业生物质能源涉及从原料、运输、加工、消费等过程,且每一过程中都涉及CO2的吸收或者排放,因此在研究生物质能源林的碳汇功能时必须从林业生物质能 源产品生命周期的角度,追寻生物质能源的碳足迹,最后折算成CO2当量。在生命周期评价(LCA)过程中,碳排放计量 和碳泄露量主要依据《中国绿色碳基金造林项目碳汇计量与监测指南》中的有关规定。
    胡志远等从大豆、油菜籽、光皮树、麻疯树生物柴油原料种植开始 到生物柴油的燃烧消耗这一产品生命周期入手,建立了这4种生物质能源林制取生物柴油生命周期能 源消耗和排放模型,结果表明,所有生物质能源林制取生物柴油的生命周期化石能源消耗显著降低,整个生命周期中CO2的排放显著下降。欧训民等运用清华大学 的Tsinghua-CA3EM模型对麻疯树制取生物柴油和玉米、木薯、甜高粱制取燃料乙醇进行了生命周期模拟测算,结果表明,与传统石油基燃料相比各路 线所需化石能源减少。同时,种植过程中肥料消耗和燃料生产过程是温室气体排放大的主要原因,可通过提高单位产量、降低物耗来增加CO2的减排效果。
    李顺龙等以黑龙江省文冠果生物柴油原料林示范项目为研究对象,研究了文冠果生物柴油生命周期中原料林碳汇和生物柴油生产的碳减量,并得到文冠果生物柴油原料 林碳汇效果图。通过公式计算出文冠果生物柴油对于化石性能源的替代作用所带来的CO2减排效果十分显著,从长期来看,文冠果生物柴油原料林的间接碳汇效果 远远大于其直接碳汇效果。
3 小结
    在进行生物质能源林碳汇研究过程中,应依据《中国绿色碳基金造林项目碳汇计量与监测指南》选文冠果生 物柴油原料林碳汇效果A:文冠果果实形成过程的碳储 量;B:文冠果造林地碳储存量;C:文冠果树木生长的树木生物质的碳储量;D:文冠果生物柴油代替化石性能源的CO2减量。择合理的碳库基线,明确直接碳 汇和间接碳汇部分。其直接碳汇功能部分的计量可参考已有的常规森林碳汇计量方法进行监测和计量。在计量其间接碳汇功能部分时,由于制取生物质能源的种类各 异,生产水平条件不同等因素的干扰,给计量工作带来了许多不确定性,导致计量结果偏差很大,需要今后进行大量的基础数据积累。同时,在计量生物质能源林间 接碳汇过程中要把握好计量周期,一般来说,其间接碳汇效益需要在一个较长的时间周期内进行计量。总之,生物质能源林碳汇的计量是一个复杂的系统的工程,需 要进行综合的计量。

 

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