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    竹林碳汇及竹材制品碳足迹研究现状 -j9九游会老哥交流必备社区

    阅读次数:     发布时间:2023-10-30 15:21:43

           01我国竹资源分布及竹产业利用现状

           我国竹林资源丰富、竹产业发展迅速,竹林资源总量持续增长,竹林面积及竹产品产量居世界首位。

           第九次森林资源清查报告结果显示,全国竹林总面积为641.16万hm2,占森林面积的2.9%[2] ,相较于第八次森林资源清查增长了 4.2%。其中,毛竹林面积为467.78万hm2 ,占竹林总面积的72.96%;杂竹林面积为173.38万hm2 ,占竹林面积的27.04%。图2为竹林面积在各省市、自治区的分布情况。我国竹林资源广泛分布于17个省(市),主要分布于福建、江西、湖南及浙江,4省竹林面积总和约占我国竹林总面积的2/3。 根据竹林生长特性可将其分为丛生竹、散生竹和混生竹 3大类,丛生竹代表竹种为慈竹、粉单竹等,散生竹代表竹种为毛竹、刚竹等,混生竹代表竹种为苦竹和茶竿竹。江南混合竹区作为我国中心竹产区,散生竹和丛生竹混合分布,包括四川东南部、湖南、江西、浙江及福建西北部,均以毛竹林为主,该区域竹林分布面积最广,竹材产量最高。

           随着竹林资源总量的增长,我国竹产业发展规模也不断扩大,潜力巨大。中国竹产业协会调查报告显 示,2020年,我国竹产业产值达 3198.99亿元,预计 2025年有望突破7000亿元,竹产品进出口贸易总额达 22.1 亿美元。国家对竹产业发展高度重视,2021年国家林业和草原局等10部门提出关于加快推进竹产业创新发展的意见,这为竹产业的高质量发展提供机遇。竹产品包括竹材人造板、竹地板、竹笋、竹浆 纸、竹纤维制品、竹家具、竹炭及竹醋液等。2020年 全国主要竹产品其产量如下:竹材人造板产量667.68万m3,竹地板产量774.29万m3,竹家居用品产量 30.02 亿件,竹 浆 产 量219 万t,竹笋加工产量 877.65万t,竹纤维制品产量54.46 万件,竹制日用品产量28.9亿件,竹炭产量达29.62万t,竹饮料产量 8606 t。从竹产品产量分布可知,竹资源的加工利用集中于建材、家具、日用等领域,竹浆产量在竹产品产量中占比并不突出,竹材在造纸行业的利用率不高,竹浆造纸规模较小。
     
           02 竹材在制浆造纸行业的利用现状

           竹材在制浆造纸行业的应用主要为竹浆、竹浆纸 及其纸制品、竹纳米纤维素及其功能材料 。2021年,全国纸浆产量8177万t,其中木浆1809万t,竹浆 242万t,稻麦草浆159万t,蔗渣浆72万t,竹浆产量 占总纸浆产量的3%,占非木浆产量的43.68%,较2020年竹浆产量增长10.5%。以上结果表明,当前我国造纸原料以木材为主,但木浆多依赖于进口。调整 原料结构,发展国内优势非木材原料是未来造纸行业 发展重点。我国竹资源总量丰富,竹材产量大,生产周期短,这为我国竹浆造纸行业的快速发展提供优势。竹材的纤维形态和化学组成赋予它优异的制浆性 能,是仅次于针叶材而优于阔叶材和一般禾本科草类 的造纸原料。竹材长纤维多(长度 2~3 mm),长于常见阔叶材及禾本科草类纤维,略短 于针叶材纤维,纤维长宽比高于其他常见制浆原料, 壁腔比高于木材原料而低于麦草纤维。竹材中综纤维 素含量高,聚戊糖含量较低,杨仁党等人对比多种 生物质原料发现,毛竹的纤维素含量为45.5%,仅低于马尾松。竹材总木质素含量低于常见制浆原料,非木材杂质较多,竹材灰分含量高于木材而低于草类。因此,竹材纤维质量介于针叶木浆和阔叶木浆之间,明显高于草浆。不同竹材之间的制浆性能存在较大差异,丛生竹相较于散生竹是更优异的造纸原料,其平均纤维长度更长,纤维质量更好。景雄等人 对四川 常见的6种丛生竹的制浆化学性能进行评估,结果表明,慈竹的制浆潜力最大。除此之外,竹龄对竹材制浆性能也存在一定影响,尤其是竹材的化学成分;随 着竹龄增加,竹材中木质素含量显著增加,纤维素含量有所下降,但仍高于70%;老竹中长纤维占比高,纤维长宽比呈先增后降的趋势,因此,2~3年生的竹材最适宜开发利用为制浆用竹 。
     
           尽管竹材可作为一种替代木材的优良制浆原料,但由于多方面因素的影响,其利用率仍处于较低水平。目前竹浆造纸企业规模偏小,经济效益低,多用 于生产生活用纸,产品结构单一。国内纸浆用竹开发 种类较少,与传统针叶木制浆相比,竹材制浆得率较 低,制浆过程能耗偏高。竹材具有难漂性,漂白后易 返黄,这与竹材本身的化学组成、制浆方法和漂白方 式有关,国内外关于竹材难漂及漂白不稳定性的研 究较少,尤其是针对竹材中的木质素结构和其他非纤 维组分对漂白影响的相关研究。竹材纤维作为一种非木材纤维,多采用硫酸盐法制浆,制浆过程中会产生大量黑液,从竹材化学组成中可看出,其灰分含量远高于木材。竹材中的硅含量高,主要以二氧化硅、原子硅和有机硅的形式沉积在内外表皮和竹竿中,在制浆过程中会引起“硅干扰”,硅与氢氧化钠反应生成硅酸钠从而影响后续碱回收。除此之外,竹材中含 有大量的淀粉、糖类、蛋白质、蜡质和脂肪等物质,其淀粉含量可达 68.2% ,这导致竹材在利用过程中 易发生虫蛀和霉变,影响竹浆质量。现有清洁制浆技术基本围绕木浆开展,而竹材清洁制浆技术仍停留在初始阶段,对竹材特性开展针对性研究是竹材清洁制浆生产过程的一个重要发展方向。
     

           03 竹林碳储量及固碳能力研究

           造纸行业发展低碳经济的两大重要举措为:①通 过增加可再生资源和节能减排等措施,减少碳源;②通过增加森林面积和采用固碳技术固碳,增加碳 汇。近年来为发展低碳经济,国家大力推行林浆纸一 体化建设,评价低碳造纸企业的条件是其碳汇率≥1。diesen等人 通过数学模型计算某林浆纸一体化的造纸企业的碳汇率为2.68,在该生产模式中,森林的固碳作用是企业的主要碳汇来源。森林碳汇使造纸企业 co2零排放成为可能,但目前我国造纸原料林建设较 为落后,不能完全发挥原料林碳汇优势 ,因此,对竹林碳汇进行研究,加强原料竹林建设,增加竹林碳汇能力,对缓解气候变化和发展造纸行业低碳经济具 有重要意义。目前竹林碳储量 2.11 亿t,占森林总碳储量的 2.69%。竹林碳储量可分为地上和地下 2 部分,地上 碳储量为 1.40亿t,地下部分碳储量 0.71亿t 。近年 来,有关竹林碳储量、竹林碳汇、竹林固碳能力等相 关方向的研究文献迅速增长,竹林碳汇成为国际研究 点 。yuen等人 综合评估了全球竹林生态系统的 碳储量,结果显示,全球竹林生态系统地上碳生物量 16~128 tc/ha,地下碳生物量8~64 tc/ha,土壤有机碳 70~200 tc/ha,总碳储量94~392 tc/ha,证明竹林具有较高的固碳潜力。 竹子固碳能力优异于其他树种,有研究表明,竹林单位面积碳汇量高于针叶林和阔叶林,略低于混合 。与生长周期为60年的亚热带毛竹林和杉木林 相比,毛竹人工林总碳储量是杉木人工林的1.2倍;热 带气候下,生长周期为10年的麻竹林碳储量是尾叶桉林的1.1倍 。森林系统年固碳量反映了森林系统在1年内的碳储存能力。比较不同森林系统的固碳量发 现,毛竹林、苦竹林、慈竹林等竹林生态系统年固碳 量明显高于欧美杨、杉木、樟树、楠木等常见森林树 种,证明竹林生态系统的固碳能力在森林系统中发挥 重要作用。在这些研究中,慈竹林年固碳量最高(11.25 tc/(ha·a)),是其他常见森林树种的1.52~3.22倍。
     
           不同竹种固碳能力存在一定差异性,四川省是我国的重点竹产区,刘应芳 以四川竹林为研究对象,分析四川省主要竹种的碳储量,其中毛竹和梁山慈竹地上碳储量最多且相近。还有研究证 明,慈竹是一种固碳能力很强的树种,其生态系统乔木层年固碳量是毛竹林的2.21倍 ,是苦竹林的1.38 倍。申贵仓等人探究了我国西南地区的蜀南毛竹和苦竹的地上碳储量,发现蜀南毛竹地上碳储量 是苦竹的1.38倍。丛生竹在竹类植物中也具有重要地位,teng 等人对中国主要丛生竹碳储量展开研究,结果表明,龙竹地上部分总碳储量相比其他7种典型 丛生竹种,具有较高的地上碳储量。liu等人对中国台湾省不同竹种的地上碳储量进行评估发现麻竹的地上碳储量明显高于毛竹和桂竹。万娟等人 对比分析簕竹属的10个竹种的固碳释氧能力,结果表明即使同一竹属,不同竹种固碳能力也有明显差异,单日固碳 量最高的花眉竹是固碳量最低的观音竹的235倍。同一竹种的不同器官碳储量不同,竹林立竹部分 碳储量主要集中于竹竿中。王勇军等人研究慈竹林 立竹部分的碳储量分布,各器官总碳储量为 56.27 tc/ha,竹杆在各器官中的碳储量最高,占比达62.46%,竹根碳储量最低。周国模[41] 研究浙江省毛竹林 生态系统各器官碳储量分布,发现竹竿碳储量是竹枝和竹叶碳储量的7.79倍和10.46倍。teng等人 调查研究了8种丛生竹地上部分器官碳储量,高低排序均为:竹竿>竹枝>竹叶,8种丛生竹的竹竿碳储量可占立竹地上碳储量的61.50%~93.16%,其中龙竹的竹竿碳储量最高,占比高达93.16%。王路军等人对不同竹龄(1~ 3年)的麻竹生物量和硬头黄竹生物量进行估算研究,结果表明,不同器官生物量分布为竹竿远大于竹枝和竹 叶,竹枝略高于竹叶,生物量和碳储量之间存在密切的 联系,具有强正相关性,可由生物量分布推测碳储量的分布。其他研究结果也显示吊丝单竹和苦竹的器官碳储量符合:竹竿>竹枝>竹叶的分布规律 。
     
           竹林固碳能力也会随竹龄的改变而发生变化。陈婷对新造毛竹林成林初期的碳储量进行了研究,变化结果如表 7所示。新造毛竹林 地上总碳储量随造林年限的增加而增长,1年和3年 的毛竹林快速储碳,造林3年后毛竹林年碳储量呈下 降趋势。张蕊等人通过生物量法估算 1~7年的四川 长宁毛竹林碳汇能力,结果发现,3年生毛竹立竹碳储量最高,2 年生毛竹因立竹度减小而碳储量较低,其余竹龄碳储量差异并不明显。周国模也对不同竹龄毛竹林碳年积累量进行比较,结果表明,3年和5年竹林碳年积累量只有1年竹林的 5.69% 和 6.95%,这说明碳积累主要在1年竹林时期,3年和5年的竹林 在碳积累过程中的作用微弱。

           除上述影响因素外,竹林固碳能力还受经营方式、施肥措施等因素的影响。张诗云 以浙江临安和 余姚等地不同管理模式下的毛竹林为对象,调研发现集约经营的毛竹林碳汇约为35~38 tc/ha,而粗放经营的毛竹林碳汇效果并不理想,仅7~8 tc/ha,远低 于集约经营模式下的毛竹林碳汇。还有研究调查了施肥措施对竹林碳储量的影响,结果表明,施肥可显著提升毛竹林的碳储量和年固碳量;不同的肥料和施肥方式对竹林固碳能力的影响也不同,采用穴施用竹林专用矿渣肥1号的毛竹林年固碳量为6.71 tc/ha,高于施用其他肥料的竹腔施肥方式。
     

           04 竹材产品碳足迹研究

           除生态固碳外,在碳固定和碳转移的过程中,还 有一个不可忽视的重要碳库——产品碳库。研究表明,我国竹林生态系统总碳储量为7.802亿t,其中每年约有 1340万tc 会转移到竹材产品碳库中 。同时,竹材生命周期长,竹材产品如竹地板、竹家具等,生命周期大约都在10年以上,如果对竹材进行适当加工处理,其使用寿命甚至可长达30年,碳可长期固定于竹产品之中。竹材制品全生命周期的碳足迹贯穿原料运输、生产、竹产品加工及应用等过程,它显示了竹材制品各个生产环节co2转移、储存及排放的情况。因此,作为竹林生态系统碳循环中的重要阶段,对竹材产品的碳储量进行估算,研究其生产过程中的碳足迹,对增加竹材产品碳汇,减少企业碳排放具有重要意义,促进相关企业低碳发展。竹制人造板材是我国竹材加工利用最主要的竹产品,竹家具等建材竹材制品主要采用毛竹竹材,周国模等人对常见毛竹竹材产品的碳储量与碳足迹进行研究,主要研究对象为竹集成板材、竹重组板材、竹刨切板材、竹展开板材及竹集成拉丝材5种中 间产品和竹地板、竹家具及竹席等后续产品。竹集成板、竹重组板、竹刨切板和竹展开板是由毛竹的竹板材段加工而成,而竹拉丝材是由毛竹拉丝段加工而成,竹产品碳库的碳储量主要集中于竹板材和竹拉丝材中。研究发现竹材产品碳库的碳储量主要集中于竹板材和竹拉丝材中,不同生产技术下的原竹段平均碳转移率在32.51%~73.49%,平均碳转移率的不同也影响了最终竹产品的碳储量。这些竹材产品碳储量大,尤其是竹重组板。竹材产品生产过程中的碳源主要来自运输过程、加工过程和附加物隐含碳排放,其中加工过程的碳排放量最 大。净碳足迹是由碳排放减去碳储量所得,评估其全 生命周期碳足迹发现不同竹材制品的碳足迹差异较大,其中带青竹展开地板生产过程的碳足迹甚至为负值,碳足迹最小。
     
           05 竹浆产品碳足迹研究

           竹浆是竹材在造纸行业应用最广泛的产品,生产竹浆的竹材原料主要以丛生竹为主。费世民认为竹浆纸和木浆纸生产过程碳足迹基本相等。基于王勇军研究得到的慈竹林碳储量数据和木浆纸生产过程的碳足迹,估算纸浆常用竹——慈竹造纸的全生命周期碳足迹约为−0.8843kg,碳足迹为负,说明1 kg慈竹浆的部 分碳储量可完全抵消竹浆纸生产过程中的碳排放 。但 这种估算仍严重缺乏理论依据,竹浆纸和木浆纸生产过程肯定存在差异,直接参照木浆纸的碳足迹并不科 学。制浆造纸过程的碳汇及碳排放包括植物固碳、纸张碳储存、化石能源消耗、生物质能源(黑液等) 回收等,对造纸行业进行全生命周期的碳足迹评价,是造纸行业实现绿色低碳转型的关键。对我国2015年不同造纸路线的温室气体排放量进行计算,发现不同植物碳汇中,单位质量的竹林温室气体吸收量远高于其 他造纸植物原料,在计入植物碳汇后,竹浆造纸全生命周期的排放量显著下降,尤其是以未漂白化学竹浆 为原料生产的包装纸,生产过程排放量下降了42.9%,从侧面证明了竹材作为制浆原料对于造纸工业具有绿 色低碳的优势。要想推动竹浆造纸行业低碳发展,实现竹浆纸一体化,必须深入研究竹浆造纸碳足迹,但这些有关竹浆造纸碳足迹碳排放的研究内容在原文献 中只是简单提及却并未详细阐述,专门针对竹浆造纸的碳足迹评估的相关文献几乎没有,而目前国内外对木浆及草浆等的造纸碳足迹研究较为成熟,相关研究进展可 为竹浆造纸碳足迹的未来研究提供理论参考。 制浆造纸过程的碳足迹评价复杂,现有这些研究中碳足迹内容的系统边界,碳排放因子均存在差异,不同纸浆和纸张碳足迹区别较大,这对最终碳足迹评价的准确性产生了一定影响。参考现有研究存在的不足之处,竹浆造纸行业碳足迹评价未来发展亟需解决的问题如下。第一,在计算过程中有些研究内容数据来源不具有代表性,应尽可能采用工厂实际生产数据,但不同工厂的生产过程也具有差异,还有些数据仅能通过模拟计算得到;第二,在整个造纸过程中,各个环节的碳流无法完全确定,并没有科学合理的碳足迹内容系统边界;第三,在解决上述2个问题的基础上,可开发碳足迹评估计算系统模型,为竹浆造纸行业发展提供便利。 
     
           06 结语与展望

           “竹浆纸一体化”是我国造纸行业发展低碳经济的重要组成内容,目前我国竹林资源稳定增长,竹产业规模迅速扩大。竹浆作为常见的竹材制品,在竹产业产量中占比较低,仍有较大发展空间,研究竹材清洁制浆技术是提高竹材制浆利用率的关键。竹林作为一种重要森林碳汇,碳汇潜力巨大,竹种、竹龄及经营方式等因素均会影响竹林碳汇能力,其中慈竹、毛 竹等竹种固碳能力优异,1年生竹林生态系统的碳积累最快。竹材制品碳库碳储量巨大,目前对竹林碳足迹的研究重心可放在竹林生态系统的碳汇上,或竹材制品的碳储量上,并没有完整地从全生命周期评估竹产业的碳足迹,相关研究较少。竹材作为优良的造纸原料,为了实现“竹浆纸一体化”,加快造纸行业绿色转型,需提高竹资源利用率,选择高固碳纸浆竹种, 合理培育竹浆原料林,增加竹林碳汇,加强对竹浆造纸生产过程全生命周期碳足迹的系统研究,为竹浆造纸产业低碳发展提供理论基础。(文章来源:《中国造纸》)


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