森林伐后碳减排路径研究动态与前瞻*

张小标 逯 非 杨红强 欧阳志云

(1.城市与区域生态国家重点实验室 中国科学院生态学环境研究中心 北京 100085； 2.南京林业大学经济管理学院 南京 210037)

发挥林业独有的固碳功能是当前最主要的低成本直接降低大气二氧化碳浓度的手段，对我国实现“碳达峰”和“碳中和”有重要价值。在宜林地面积缩减、造林成本攀升、新增森林面积萎缩、大量速生丰产的人工林在未来二三十年趋于成熟等种种不利条件下(周蕾等, 2016; 国家林业和草原局, 2019; Tongetal., 2020; Yuetal., 2021)，我国当前依赖造林增汇的空间将在未来面临压缩。森林在伐后阶段仍然能在增汇和减缓化石燃料碳排放方面提供可观的碳减排价值，可以作为重要的新辟减排路径。伐后阶段提供了相当于伐前碳汇18%的碳储增长(Panetal., 2011)，使用木质林产品(harvested wood products，亦称伐后林产品)替代水泥、钢材等高碳排放强度产品，可获得林产品自身含碳量一倍以上的减排效应(Sathreetal., 2010; Leskinenetal., 2018)。同时，作为森林管理的一大诱因，伐后的林产品使用能倒逼更优的森林管理策略(Cabiyoetal., 2021; Chenetal., 2018; Luyssaertetal., 2018)，从而进一步提升整个林业碳汇潜力，这尤其对我国人工林提升长期减排能力具有重要现实意义(Yuetal., 2021)。

我国自2010年起成为全球最大的木质林产品生产国、贸易国和消费国，进口了国际市场40%的木质原材料(Satoetal., 2019)、贡献了世界27%的木质林产品产量(Johnstonetal., 2019)以及22%的消费量(Zhangetal., 2020)，具有巨大的森林伐后碳减排潜力。我国学者在森林伐后碳减排领域已进行了大量前期研究(阮宇等, 2006; 白彦锋等, 2009; Lunetal., 2012; 杨红强等, 2014; 张小标等, 2015; Zhangetal., 2018; 耿爱欣等, 2020)，对森林伐后碳减排亦进行了总体评述(白彦锋等, 2013; Gengetal., 2017a; 陈家新等, 2018; 杨红强等, 2021)。国外学术界在30余年的研究中逐步量化论证了伐后减排路径，系统建模了实现碳减排的基本过程，即完整生命周期架构及其物质流过程、完整的替代减排类型等核心内容(Brunet-Navarroetal., 2016; Myllyviitaetal., 2021)。在上述研究领域，我国与国外同行尚存在理论和应用方面的差距。

本文系统回顾了国内外学术界关于森林伐后碳减排的主要路径及其宏观研究脉络，深入归纳总结国内外关于生命周期物质流、替代减排类型等实现碳减排基本过程方面的主要研究进展，并针对当前研究暴露出的问题进行讨论和展望，以期为我国森林伐后碳减排模型构建和资源利用做理论准备。

1 森林伐后碳减排主要路径及宏观研究动态

如图1所示，森林伐后碳减排主要路径包括： 1)木质林产品在生命周期环节内的碳储留存和增长； 2)木质林产品替代高碳密度产品获得的温室气体减排，即替代减排效应； 3)综合考虑伐前伐后碳减排的森林管理策略优化，形成林业整体碳减排能力的提升。关于上述3方面的减排路径，学术界在近30余年研究中形成了层层递进和互包互容的研究脉络。

图1 森林伐后碳减排机制与路径

1.1 木质林产品碳储路径及其研究脉络

木质林产品碳储本质上是森林生态系统沉淀的一部分碳储的“外溢”，并在后续的生命周期中得以留存(图1)，当这部分留存的木质林产品碳储逐渐增大时则表现为一个碳汇。根据Pan等(2011)的研究，全球1990—2007年森林伐后碳储量年均增长7.34亿吨CO2当量，相当于同期森林净碳汇量的18%。由于木质林产品的碳氮比极高、水分极低，其在使用过程中的氧化分解可忽略不计(Skogetal., 2004; IPCC, 2006a; Pingoudetal., 2006)，其碳排放(损失)主要来自于废弃木料和废弃产品的焚烧和分解(IPCC, 2006b; Gengetal., 2017a)。因此，森林伐后阶段的碳储增长主要依赖于木质林产品消费量的增加以及尽可能减少废弃和废弃物处理产生的碳排放。例如，2015年左右全球在用木质林产品碳储增长量为1.6～4.47亿吨CO2当量(Johnstonetal., 2019; Zhangetal., 2020; Harrisetal., 2021)，但如将木质林产品大量用作建材这类寿命较长(废弃速率较慢)的使用场景，则可在未来30年内获得多达9.37亿吨CO2当量的年均碳储量增长(Churkinaetal., 2020)。

20世纪80年代及以前，采伐的木材往往被假定为一次性碳排放，这种假定在1996年政府间气候变化委员会(IPCC)温室气体清单指南中仍作为约束性规则(IPCC, 1996)。然而这一假定明显不符合实际，为计算这部分碳储， 20世纪90年代前后许多学者对伐后碳储量计算进行了初步探索(Thompsonetal., 1989; Harmonetal., 1990; Dewar, 1991)。为更好地推广至国家和全球尺度， 在2000年前后，学术界建立了4种方法框架，包括立足于木材采伐国的生产法和简单分解法以及立足于终端消费国的储量变化法和大气流动法(Winjumetal., 1998; Limetal., 1999; Ford-Robertson, 2003)，并结合后续一阶衰减法的开发(Skogetal., 2004; Pingoudetal., 2006)，形成了成熟的伐后碳储核算体系并被纳入IPCC国家温室清单体系(IPCC, 2006a)。此后学术界和历次IPCC温室气体清单指南虽然对方法框架(IPCC, 2014; IPCC, 2019)和一阶衰减法(Marlandetal., 2010; Vcha, 2011; Cherubinietal., 2012; Bateetal., 2017)做出了部分修正，但整体上并没脱离2000年代初期的伐后碳储核算方法体系。在方法确立的情况下，除对方法框架的争论外，各国学者均不断精细量化森林伐后生命周期各环节的碳循环和碳储变动(Brunet-Navarroetal., 2016; Satoetal., 2019)。

1.2 替代减排路径及其研究趋势

替代减排效应贯穿于整个木质林产品生命周期，其替代效应平均为产品本身含碳量的1倍以上，其中用于建筑类时甚至能高达2～10倍(Sathreetal., 2010; Churkinaetal., 2020)。替代减排效应可与木质林产品的碳储增量叠加(Höglmeieretal., 2015; Brunet-Navarroetal., 2018; Chenetal., 2018)，极大地补偿森林因采伐导致的碳储下降，并能让可持续管理的森林净气候减排能力在更短时间内超过无管理的森林(Ter-Mikaelianetal., 2015; Nabuursetal., 2017; Chenetal., 2018)。在100年及以上的时间尺度，替代减排效应贡献了森林生态系统碳减排的主体部分(Sathreetal., 2010; Chenetal., 2018)。

木质林产品替代减排研究在整体上晚于碳储研究(Sathreetal., 2010; Brunet-Navarroetal., 2016; Gengetal., 2017a; Myllyviitaetal., 2021)，在近十余年尤其是2015年后才呈现激增趋势(Myllyviitaetal., 2021)。由于研究时间较短，学术界对替代减排效应的核算方法较为统一，不同之处主要在于所涵盖的产品类型、生命周期环节涵盖多寡等方面(Sathreetal., 2010; Myllyviitaetal., 2021)。同时，由于各研究所设定的替代产品碳排放强度以及替代情景区别较大，各研究对同一木质林产品的替代减排能力存在较大差距(Sathreetal., 2010; Leskinenetal.， 2018; Gengetal., 2017a; Myllyviitaetal., 2021)。最新研究对替代减排核算方法的基本假设提出了质疑，认为在其主观的情景假设下，替代数量及替代品和木质林产品的匹配等方面欠缺对社会经济现实的考量(Howardetal., 2021)。

1.3 综合考虑伐前伐后的森林管理策略优化及其研究演进

木材和木质林产品需求是森林管理最主要的决定因素(Profftetal., 2009; Mathieuetal., 2012; Chenetal., 2018)，进而影响森林碳储水平的变动(图1)。全球由于不当森林管理造成的毁林和森林退化导致了10%的碳排放(Friedlingsteinetal., 2020)，其中很大一部分原因是发展中国家为了获取木材(Dieter, 2009; Zhangetal., 2016)。历次IPCC温室气体清单指南也明确指出，以毁林和森林退化为代价的木质林产品碳储不应纳入计量，而是应视作碳排放(IPCC, 2003; IPCC, 2006a; IPCC, 2014; IPCC, 2019)。在可持续森林经营情况下，短期内森林碳储量会出现下降，但相对无管理的森林在过熟期出现碳储饱和、碳汇能力趋于0甚至负值，可持续经营的森林能获得源源不断的木质林产品产出，从而提高整个林业的碳储量、保持碳汇能力(Heathetal., 2011; Alvarezetal., 2016; Pillietal., 2017; Pukkala, 2017; Chenetal., 2018)。

在2006年木质林产品碳储方法成熟后，学术界出现了大量基于生产法的伐前伐后碳循环的综合评估，分析引入伐后碳储后何种森林管理策略能形成最优林业碳储增长(Profftetal., 2009; Chenetal., 2010; Heathetal., 2011; Mathieuetal., 2012)。近十年随着木质林产品替代减排研究的兴起，替代效应也被纳入林业碳减排目标函数进行森林管理策略研究(Chenetal., 2014; Ter-Mikaelianetal., 2014; Nabuursetal., 2017)。但其大部分研究往往局限于能源替代或部分产品类型的替代，能纳入全生命周期内多种能源和产品替代且同时考虑伐后碳储的森林管理研究则较少(Duganetal., 2018; Myllyviitaetal., 2021)。

2 森林伐后碳减排实现的核心物质流过程

森林伐后碳减排主要围绕木质林产品生命周期的物质流产生(图2)，包括木质原材料供给、中间木质林产品生产、终端木质林产品消费、废弃木质林产品处理4个环节，不仅是国内外伐后碳减排评估模型的核心，也决定了木质林产品碳储和替代减排的形成(Brunet-Navarroetal., 2016)，更是优化森林管理达成碳减排的研究基础(Profftetal.， 2009; Cabiyoetal.， 2021)。完整的生命周期中往往伴随着贸易存在国家间的产品流动和转移，如图2所举例的A、B两国，两国之间的木质原材料和木质林产品贸易是各国森林伐后碳减排核算范畴内绕不开的问题(Tonnetal., 2007; Tonosaki, 2009)。根据FAOSTAT数据库统计，全球约7%的木质原材料和27%的中间木质林产品被用于出口，如果将终端木质林产品贸易也纳入考虑，则全球大约40%的木产品产量用于出口(Dieter, 2009)，深刻影响生命周期物质流构建。

图2 木质林产品生命周期物质流与森林伐后碳循环核算范畴

2.1 木质原材料供给环节

木质原材料主要表现为森林伐后碳储的投入。IPCC界定的木质原材料主要是原生木纤维类原材料，即新采伐的原木以及采伐剩余物(IPCC, 2003; IPCC, 2006a; IPCC, 2014; IPCC, 2019)。然而，实践中，回收木纤维，即回收利用的废纸和木质林产品往往也会作为重要的原材料投入生产环节(Skog, 2008; Chenetal., 2014; Kayoetal., 2014; Brunet-Navarroetal., 2018; Zhangetal., 2018)，但此类原材料所含的碳由于是既有木质林产品碳库的一部分，为防止重复计算，不能认为是对生命周期系统的碳流入(IPCC, 2006a; IPCC, 2014; IPCC, 2019)。

2.2 中间木质林产品生产环节

中间木质林产品制造过程会形成碳损失，同时加工所消耗的能源也很大程度上决定木质林产品替代减排能力。中间木质林产品生产在实践中涉及较长的加工链，例如，制造胶合板往往需要先将原木加工为单板； 造纸往往首先需要将原木加工为木片进而制成纸浆。然而由于很多中间品往往只是短暂存在的，大部分研究往往对生产过程进行简化(Brunet-Navarroetal., 2016)。对于硬木类产品，往往假定生产过程只会产生废弃木料和锯材、人造板等“产成品”(Skog, 2008; Kayoetal., 2014; Zhangetal., 2018)； 亦有研究将燃料木粒也认为是这一过程的产成品(Chenetal., 2014; Brunet-Navarroetal., 2018)。对于纸类产品制造，由于木纤维损失主要存在于制造纸浆过程中、纸浆制纸过程的木纤维损失较少，学术界认为纸浆或者纸和纸板均可假定为“产成品”(Skog, 2008; Kayoetal., 2014; Chenetal., 2018; Zhangetal., 2018)。加工环节产生的废弃木料主要通过焚烧、露天堆放、工业填埋等方式进行，其所含的碳在处理过程中被释放回大气(IPCC, 2006b; Brunet-Navarroetal., 2016)。为简化论述需要，其碳排放机理在下文介绍废弃木质林产品处理环节中一并论述。

2.3 终端木质林产品使用环节

终端木质林产品使用贡献了伐后碳储和替代减排的主体部分。大部分研究将中间木质林产品进一步按照终端使用形式进行区分，进而计算在用木质林产品碳储量(Gengetal., 2017a)。由于流入各终端使用形式的木质林产品数量需要大量的基础数据支撑，IPCC默认方法(即Tier-2 method，第二层级方法)不区分木质林产品的终端使用形式，并假定锯材、人造板、纸和纸板使用半衰期(即半数产品退出使用所需要的时间)分别为35、25和2年(IPCC, 2006a; IPCC, 2014; IPCC, 2019)。在区分终端使用形式的研究中，硬木类产品终端使用形式包括建筑用材、木家具、包装材、装饰用材、家具等，其中以建筑用材、家具和其他产品的分类方式最为常见(Skog, 2008; Diasetal., 2009; Pingoudetal., 2010; Dolanetal., 2012; Paradisetal., 2019; Zhangetal., 2020)； 纸类产品终端使用形式包括卫生和日用纸、包装用纸、报纸和书本等，但整体上大部分研究不对纸类产品做细分(Diasetal., 2012; Kayoetal., 2014; Chenetal., 2014; Brunet-Navarroetal., 2016; Pukkala, 2017)。

2.4 废弃木质林产品处理环节

废弃木质林产品处理既可以形成一部分碳储，也会产生碳排放，一部分能源化利用的废弃木质林产品亦能产生替代减排效应。与加工环节产生的废弃木料类似，废弃木质林产品主要采用焚烧、露天堆放、填埋等方式处理(表1)，此外，回收利用也是比较常用的废弃木质林产品处理方式(Skog, 2008; Kayoetal., 2014; Chenetal., 2014; Brunet-Navarroetal., 2018; Zhangetal., 2018)。废弃木质林产品所含的碳通过焚烧后会以CO2形式即时排放到大气中。露天堆放的木质林产品会随着有氧分解，逐步释放CO2到大气中(Skog, 2008)。尽管堆积较厚的木质林产品存在一定比例的无氧分解，产生少量CH4(IPCC, 2006b; Diasetal., 2009; Ximenesetal.， 2012; Chenetal., 2014)，但为简化碳排放核算，IPCC仍然推荐假定露天堆放的木质林产品处于完全有氧分解的条件下(IPCC, 2019)。

与废弃木料不同的是，废弃木质林产品填埋处理主要在生活垃圾填埋场进行，而非工业填埋场(IPCC, 2006b; Caietal., 2018; IPCC, 2019)。管理良好的填埋场能够隔绝氧气，给废弃物创造完全无氧的环境(IPCC, 2006b; Skog, 2008; Ximenesetal.， 2012; Caietal., 2018; IPCC, 2019)。IPCC认为，完全无氧的环境下，半数的纸和九成的硬木类产品几乎不分解、形成一种接近永久性的碳封存，剩余废弃物分解释放的碳有一半形成CH4、另一半形成CO2(IPCC, 2006b; IPCC, 2019)。但全球范围内仍然有研究显示，填埋木质林产品的可分解比例远低于IPCC推荐的数值，而且分解过程也更加缓慢(Chenetal., 2014; Skog, 2008; Ximenesetal.， 2012; Caietal., 2018)。无管理或填埋较浅的填埋场给废弃物创造了部分有氧分解的条件，其有氧分解模式参照露天堆放，其余部分则为无氧分解(IPCC, 2006b; Caietal., 2018; IPCC, 2019)。例如，工业填埋场往往被假定20%的填埋物进行有氧分解、80%的填埋物进行无氧分解(IPCC, 2006b; Chenetal., 2014; IPCC, 2019)。填埋场产生的甲烷温室效应是二氧化碳的28倍，其高于二氧化碳的温室效应需要在评估废弃木质林产品碳储量时进行扣除(IPCC, 2019)。

3 各国森林伐后物质流涵盖范畴与替代减排产品类型

本文回顾了全球53个森林伐后碳储研究(涉及24个国家和地区)和32个替代减排研究(涉及15个国家和地区)，用以归纳各国森林伐后碳减排模型核算范畴特征，主要包括汇总当前各国森林伐后碳减排模型中对伐后物质流和替代减排产品类型的涵盖情况，以及主要替代减排类型的替代系数。

3.1 各国森林伐后物质流研究进展

如表2所示，本文发现发达国家在全生命周期物质流建模方面已取得了良好积累，但发展中国家在该方面存在较大不足。在表2所报告的24个国家和地区(含全球尺度)的53个研究中，发展中国家仅有中国、巴西、土耳其、墨西哥和加蓬这5个国家的10个森林伐后碳循环建模研究。在上述5国中，仅有墨西哥和加蓬2个国家的研究能对终端木质林产品使用和碳储进行详细建模(IPCC第三层级方法的核心特征)，而中国、巴西等全球主要发展中国家至今仅停留在假定中间木质林产品为终端使用的IPCC第二层级方法，其中巴西甚至仅仅完成了在用木质林产品碳储量的核算、未能完成全生命周期的建模。作为对比，18个发达国家和地区中仅有斯洛伐克、立陶宛、瑞士等3个国家停留在IPCC第二层级方法，其余15个国家均采用IPCC第三层级方法建模。同时，18个发达国家中也仅有捷克、斯洛伐克、立陶宛和新西兰等4个国家尚未完成完整的森林伐后生命周期构建，其余14个国家均完成了所有生命周期环节的覆盖。考虑到全球大部分森林蓄积量和原木产量均在发展中国家(Buongiorno, 2015)，其森林伐后碳循环的研究不足严重制约了全球林产品和林业碳减排准确评估。

在贸易流方面，表2中所列的绝大部分国家的森林伐后碳减排研究均关注于一国内部。当前尽管有4成的国家在评估森林伐后物质流时涉及了木质林产品贸易，但仅有加拿大和新西兰等2个国家能涉及终端木质林产品贸易，其他国家对贸易的分析则仅限于木质原材料和中间木质林产品层面。即便有4成国家涉及木质林产品贸易，上述国家在木质林产品贸易流的追踪方面的研究也极为不完善： 既有涉及木质原材料和中间木质林产品贸易研究往往以储量变化法为主，仅考虑了贸易总量而非具体的贸易流向(Werneretal., 2010; Diasetal., 2012; Canalsetal., 2014; Kayoetal., 2014; Zhangetal., 2018)； 而少数涉及终端木质林产品贸易流的研究往往仅能局限于少数主要贸易伙伴(Chenetal., 2018; Manleyetal., 2018)。

3.2 各国木质林产品替代类型

如表3所示，当前替代减排研究主要出现在以欧美为代表的发达国家(共15个国家和地区的32个研究)，发展中国家仅有中国和墨西哥2个国家共3个研究有所涉及。在具体替代类型方面，既有文献资料主要集中于建筑类产品、能源和材料替代。在各国涵盖的替代范畴方面，欧洲国家拥有最丰富的木质林产品替代类型，在能源替代、建筑替代、家具替代、其他产品替代、材料替代等方面均有所涉及； 北美洲国家则更关注于建筑类产品替代； 东亚和大洋洲国家涵盖的替代类型则相对分散。

表2 主要国家代表性森林伐后碳减排研究(n=53)的物质流核算范畴①

表3 主要国家的研究(n=32)中木质林产品替代类型①

图3 主要国家各类替代减排类型的替代系数 ①

梳理表3所列的文献时发现，既有文献大部分替代系数(t·t-1，即每含碳1吨的木质林产品替代非木质林产品产生的碳减排量吨数)是基于本国实测数据评估而来，少部分研究则采用了前人Meta分析总结的平均数(Keithetal., 2015; Macintoshetal., 2015; Taeroeetal., 2017)。然而，由于各研究中设定的情景和匹配的替代物不同，既有研究得出的替代系数存在较大差异(图3)。例如，我国建筑用途的木质林产品替代系数、芬兰的木家具替代系数离差较大； 日本、韩国、欧洲、法国等国家和地区的替代系数显著低于其他国家。本文对上述研究中的替代系数取均值发现，最高的是建筑用途的木质林产品(1.32 t·t-1，n=50)，最低的是能源用途(0.70 t·t-1，n=40)，家具(1.03 t·t-1，n=21)和其他产品的(1.13 t·t-1，n=8)略低于建筑用途； 材料替代的平均替代系数(1.13，n=37)与“其他产品替代”一致。因此，在未来替代减排的路径方面，应着重引导更多木质林产品用于建筑用途、减少能源用途。

4 研究展望

既有研究关于森林伐后阶段的3种减排路径较为统一，即木质林产品生命周内的碳储、替代高碳排放强度材料的替代减排效应、综合考虑伐前和伐后碳减排的森林管理优化。但形成生命周期碳储和替代减排效应的基本过程，即针对生命周期物质流和替代减排类型方面的研究仍有亟待改进之处，也进一步制约了森林管理策略优化这一路径的实现。具体来说包括以下几方面：

首先，我国等发展中国家在伐后物质流和替代减排类型方面存在较大薄弱，严重限制了森林伐后碳减排研究和资源利用，应作为未来研究重点。包括我国在内的广大发展中国家不仅严重欠缺基于IPCC第三层级方法的完整森林伐后物质流建模，甚至大部分国家的伐后碳减排研究都是空白。发展中国家占据了全球大部分森林资源，其伐后碳减排研究薄弱严重制约了全球林业部门温室气体清单准确完整编制，不利于提升全球伐后碳减排潜力。既有文献表明，相似经济水平国家的森林伐后碳减排参数存在可借鉴性(Skog, 2008; Dolanetal., 2012; Chenetal., 2018)，我国作为最大的发展中国家、研究基础相对较优，应主动推进森林伐后碳减排研究，成为发展中国家可借鉴的高质量样本。

其次，应推进贸易流研究，形成生命周期上下游国家的整合，以推动全球林业碳减排的实现。贸易约占全球木纤维供给的40%(Dieter, 2009)，由于贸易的存在，生命周期上下游的森林采伐国(木质原材料供给国)、中间木质林产品生产国、终端木质林产品消费国和废弃木质林产品处理国成为一个有机整体，是全球森林伐后碳减排评估中不可回避的问题。然而既有研究大多关注于一国内部，对进出口贸易流追踪极为贫弱，无法有效形成上下游国家的整合，遑论基于此的有效减排策略。我国在全球木质林产品贸易中处于举足轻重的位置，更应发挥自身实践优势，在木质林产品贸易流领域取得先机。

最后，新兴的木质林产品替代减排研究仍具备较大研究潜力。1) 木质林产品替代减排研究由于起步较晚、在参与研究的国家广度和替代类型完备性方面仍大幅落后于伐后碳储研究，完整结合碳储和替代减排的森林管理策略研究仍处于起步阶段，研究空间较大。2) 替代减排研究在情景设定、替代品匹配方面假设较为主观，导致替代系数差异较大且欠缺社会经济考量，已受到部分学者批评(Howardetal., 2021)，增强其客观性方面仍存在亟待研究之处。3) 建筑类用途的替代系数较高、能源类用途的替代系数较低，未来关于替代减排的路径选择上应着重增加建筑类用途、减少能源类用途。