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                竹林碳匯及竹材制品碳足跡研究現狀

                閱讀次數:     發布時間:2023-10-30 15:21:43

                       01我國竹資源分布及竹產業利用現狀

                       我國竹林資源豐富、竹產業發展迅速,竹林資源總量持續增長,竹林面積及竹產品產量居世界首位。

                       第九次森林資源清查報告結果顯示,全國竹林總面積為641.16萬hm2,占森林面積的2.9%[2] ,相較于第八次森林資源清查增長了 4.2%。其中,毛竹林面積為467.78萬hm2 ,占竹林總面積的72.96%;雜竹林面積為173.38萬hm2 ,占竹林面積的27.04%。圖2為竹林面積在各省市、自治區的分布情況。我國竹林資源廣泛分布于17個?。ㄊ校?,主要分布于福建、江西、湖南及浙江,4省竹林面積總和約占我國竹林總面積的2/3。 根據竹林生長特性可將其分為叢生竹、散生竹和混生竹 3大類,叢生竹代表竹種為慈竹、粉單竹等,散生竹代表竹種為毛竹、剛竹等,混生竹代表竹種為苦竹和茶竿竹。江南混合竹區作為我國中心竹產區,散生竹和叢生竹混合分布,包括四川東南部、湖南、江西、浙江及福建西北部,均以毛竹林為主,該區域竹林分布面積最廣,竹材產量最高。

                       隨著竹林資源總量的增長,我國竹產業發展規模也不斷擴大,潛力巨大。中國竹產業協會調查報告顯 示,2020年,我國竹產業產值達 3198.99億元,預計 2025年有望突破7000億元,竹產品進出口貿易總額達 22.1 億美元。國家對竹產業發展高度重視,2021年國家林業和草原局等10部門提出關于加快推進竹產業創新發展的意見,這為竹產業的高質量發展提供機遇。竹產品包括竹材人造板、竹地板、竹筍、竹漿 紙、竹纖維制品、竹家具、竹炭及竹醋液等。2020年 全國主要竹產品其產量如下:竹材人造板產量667.68萬m3,竹地板產量774.29萬m3,竹家居用品產量 30.02 億件,竹 漿 產 量219 萬t,竹筍加工產量 877.65萬t,竹纖維制品產量54.46 萬件,竹制日用品產量28.9億件,竹炭產量達29.62萬t,竹飲料產量 8606 t。從竹產品產量分布可知,竹資源的加工利用集中于建材、家具、日用等領域,竹漿產量在竹產品產量中占比并不突出,竹材在造紙行業的利用率不高,竹漿造紙規模較小。
                 
                       02 竹材在制漿造紙行業的利用現狀

                       竹材在制漿造紙行業的應用主要為竹漿、竹漿紙 及其紙制品、竹納米纖維素及其功能材料 。2021年,全國紙漿產量8177萬t,其中木漿1809萬t,竹漿 242萬t,稻麥草漿159萬t,蔗渣漿72萬t,竹漿產量 占總紙漿產量的3%,占非木漿產量的43.68%,較2020年竹漿產量增長10.5%。以上結果表明,當前我國造紙原料以木材為主,但木漿多依賴于進口。調整 原料結構,發展國內優勢非木材原料是未來造紙行業 發展重點。我國竹資源總量豐富,竹材產量大,生產周期短,這為我國竹漿造紙行業的快速發展提供優勢。竹材的纖維形態和化學組成賦予它優異的制漿性 能,是僅次于針葉材而優于闊葉材和一般禾本科草類 的造紙原料。竹材長纖維多(長度 2~3 mm),長于常見闊葉材及禾本科草類纖維,略短 于針葉材纖維,纖維長寬比高于其他常見制漿原料, 壁腔比高于木材原料而低于麥草纖維。竹材中綜纖維 素含量高,聚戊糖含量較低,楊仁黨等人對比多種 生物質原料發現,毛竹的纖維素含量為45.5%,僅低于馬尾松。竹材總木質素含量低于常見制漿原料,非木材雜質較多,竹材灰分含量高于木材而低于草類。因此,竹材纖維質量介于針葉木漿和闊葉木漿之間,明顯高于草漿。不同竹材之間的制漿性能存在較大差異,叢生竹相較于散生竹是更優異的造紙原料,其平均纖維長度更長,纖維質量更好。景雄等人 對四川 常見的6種叢生竹的制漿化學性能進行評估,結果表明,慈竹的制漿潛力最大。除此之外,竹齡對竹材制漿性能也存在一定影響,尤其是竹材的化學成分;隨 著竹齡增加,竹材中木質素含量顯著增加,纖維素含量有所下降,但仍高于70%;老竹中長纖維占比高,纖維長寬比呈先增后降的趨勢,因此,2~3年生的竹材最適宜開發利用為制漿用竹 。
                 
                       盡管竹材可作為一種替代木材的優良制漿原料,但由于多方面因素的影響,其利用率仍處于較低水平。目前竹漿造紙企業規模偏小,經濟效益低,多用 于生產生活用紙,產品結構單一。國內紙漿用竹開發 種類較少,與傳統針葉木制漿相比,竹材制漿得率較 低,制漿過程能耗偏高。竹材具有難漂性,漂白后易 返黃,這與竹材本身的化學組成、制漿方法和漂白方 式有關,國內外關于竹材難漂及漂白不穩定性的研 究較少,尤其是針對竹材中的木質素結構和其他非纖 維組分對漂白影響的相關研究。竹材纖維作為一種非木材纖維,多采用硫酸鹽法制漿,制漿過程中會產生大量黑液,從竹材化學組成中可看出,其灰分含量遠高于木材。竹材中的硅含量高,主要以二氧化硅、原子硅和有機硅的形式沉積在內外表皮和竹竿中,在制漿過程中會引起“硅干擾”,硅與氫氧化鈉反應生成硅酸鈉從而影響后續堿回收。除此之外,竹材中含 有大量的淀粉、糖類、蛋白質、蠟質和脂肪等物質,其淀粉含量可達 68.2% ,這導致竹材在利用過程中 易發生蟲蛀和霉變,影響竹漿質量?,F有清潔制漿技術基本圍繞木漿開展,而竹材清潔制漿技術仍停留在初始階段,對竹材特性開展針對性研究是竹材清潔制漿生產過程的一個重要發展方向。
                 

                       03 竹林碳儲量及固碳能力研究

                       造紙行業發展低碳經濟的兩大重要舉措為:①通 過增加可再生資源和節能減排等措施,減少碳源;②通過增加森林面積和采用固碳技術固碳,增加碳 匯。近年來為發展低碳經濟,國家大力推行林漿紙一 體化建設,評價低碳造紙企業的條件是其碳匯率≥1。Diesen等人 通過數學模型計算某林漿紙一體化的造紙企業的碳匯率為2.68,在該生產模式中,森林的固碳作用是企業的主要碳匯來源。森林碳匯使造紙企業 CO2零排放成為可能,但目前我國造紙原料林建設較 為落后,不能完全發揮原料林碳匯優勢 ,因此,對竹林碳匯進行研究,加強原料竹林建設,增加竹林碳匯能力,對緩解氣候變化和發展造紙行業低碳經濟具 有重要意義。目前竹林碳儲量 2.11 億t,占森林總碳儲量的 2.69%。竹林碳儲量可分為地上和地下 2 部分,地上 碳儲量為 1.40億t,地下部分碳儲量 0.71億t 。近年 來,有關竹林碳儲量、竹林碳匯、竹林固碳能力等相 關方向的研究文獻迅速增長,竹林碳匯成為國際研究 點 。Yuen等人 綜合評估了全球竹林生態系統的 碳儲量,結果顯示,全球竹林生態系統地上碳生物量 16~128 tC/ha,地下碳生物量8~64 tC/ha,土壤有機碳 70~200 tC/ha,總碳儲量94~392 tC/ha,證明竹林具有較高的固碳潛力。 竹子固碳能力優異于其他樹種,有研究表明,竹林單位面積碳匯量高于針葉林和闊葉林,略低于混合 。與生長周期為60年的亞熱帶毛竹林和杉木林 相比,毛竹人工林總碳儲量是杉木人工林的1.2倍;熱 帶氣候下,生長周期為10年的麻竹林碳儲量是尾葉桉林的1.1倍 。森林系統年固碳量反映了森林系統在1年內的碳儲存能力。比較不同森林系統的固碳量發 現,毛竹林、苦竹林、慈竹林等竹林生態系統年固碳 量明顯高于歐美楊、杉木、樟樹、楠木等常見森林樹 種,證明竹林生態系統的固碳能力在森林系統中發揮 重要作用。在這些研究中,慈竹林年固碳量最高(11.25 tC/(ha·a)),是其他常見森林樹種的1.52~3.22倍。
                 
                       不同竹種固碳能力存在一定差異性,四川省是我國的重點竹產區,劉應芳 以四川竹林為研究對象,分析四川省主要竹種的碳儲量,其中毛竹和梁山慈竹地上碳儲量最多且相近。還有研究證 明,慈竹是一種固碳能力很強的樹種,其生態系統喬木層年固碳量是毛竹林的2.21倍 ,是苦竹林的1.38 倍。申貴倉等人探究了我國西南地區的蜀南毛竹和苦竹的地上碳儲量,發現蜀南毛竹地上碳儲量 是苦竹的1.38倍。叢生竹在竹類植物中也具有重要地位,Teng 等人對中國主要叢生竹碳儲量展開研究,結果表明,龍竹地上部分總碳儲量相比其他7種典型 叢生竹種,具有較高的地上碳儲量。Liu等人對中國臺灣省不同竹種的地上碳儲量進行評估發現麻竹的地上碳儲量明顯高于毛竹和桂竹。萬娟等人 對比分析簕竹屬的10個竹種的固碳釋氧能力,結果表明即使同一竹屬,不同竹種固碳能力也有明顯差異,單日固碳 量最高的花眉竹是固碳量最低的觀音竹的235倍。同一竹種的不同器官碳儲量不同,竹林立竹部分 碳儲量主要集中于竹竿中。王勇軍等人研究慈竹林 立竹部分的碳儲量分布,各器官總碳儲量為 56.27 tC/ha,竹桿在各器官中的碳儲量最高,占比達62.46%,竹根碳儲量最低。周國模[41] 研究浙江省毛竹林 生態系統各器官碳儲量分布,發現竹竿碳儲量是竹枝和竹葉碳儲量的7.79倍和10.46倍。Teng等人 調查研究了8種叢生竹地上部分器官碳儲量,高低排序均為:竹竿>竹枝>竹葉,8種叢生竹的竹竿碳儲量可占立竹地上碳儲量的61.50%~93.16%,其中龍竹的竹竿碳儲量最高,占比高達93.16%。王路軍等人對不同竹齡(1~ 3年)的麻竹生物量和硬頭黃竹生物量進行估算研究,結果表明,不同器官生物量分布為竹竿遠大于竹枝和竹 葉,竹枝略高于竹葉,生物量和碳儲量之間存在密切的 聯系,具有強正相關性,可由生物量分布推測碳儲量的分布。其他研究結果也顯示吊絲單竹和苦竹的器官碳儲量符合:竹竿>竹枝>竹葉的分布規律 。
                 
                       竹林固碳能力也會隨竹齡的改變而發生變化。陳婷對新造毛竹林成林初期的碳儲量進行了研究,變化結果如表 7所示。新造毛竹林 地上總碳儲量隨造林年限的增加而增長,1年和3年 的毛竹林快速儲碳,造林3年后毛竹林年碳儲量呈下 降趨勢。張蕊等人通過生物量法估算 1~7年的四川 長寧毛竹林碳匯能力,結果發現,3年生毛竹立竹碳儲量最高,2 年生毛竹因立竹度減小而碳儲量較低,其余竹齡碳儲量差異并不明顯。周國模也對不同竹齡毛竹林碳年積累量進行比較,結果表明,3年和5年竹林碳年積累量只有1年竹林的 5.69% 和 6.95%,這說明碳積累主要在1年竹林時期,3年和5年的竹林 在碳積累過程中的作用微弱。

                       除上述影響因素外,竹林固碳能力還受經營方式、施肥措施等因素的影響。張詩云 以浙江臨安和 余姚等地不同管理模式下的毛竹林為對象,調研發現集約經營的毛竹林碳匯約為35~38 tC/ha,而粗放經營的毛竹林碳匯效果并不理想,僅7~8 tC/ha,遠低 于集約經營模式下的毛竹林碳匯。還有研究調查了施肥措施對竹林碳儲量的影響,結果表明,施肥可顯著提升毛竹林的碳儲量和年固碳量;不同的肥料和施肥方式對竹林固碳能力的影響也不同,采用穴施用竹林專用礦渣肥1號的毛竹林年固碳量為6.71 tC/ha,高于施用其他肥料的竹腔施肥方式。
                 

                       04 竹材產品碳足跡研究

                       除生態固碳外,在碳固定和碳轉移的過程中,還 有一個不可忽視的重要碳庫——產品碳庫。研究表明,我國竹林生態系統總碳儲量為7.802億t,其中每年約有 1340萬tC 會轉移到竹材產品碳庫中 。同時,竹材生命周期長,竹材產品如竹地板、竹家具等,生命周期大約都在10年以上,如果對竹材進行適當加工處理,其使用壽命甚至可長達30年,碳可長期固定于竹產品之中。竹材制品全生命周期的碳足跡貫穿原料運輸、生產、竹產品加工及應用等過程,它顯示了竹材制品各個生產環節CO2轉移、儲存及排放的情況。因此,作為竹林生態系統碳循環中的重要階段,對竹材產品的碳儲量進行估算,研究其生產過程中的碳足跡,對增加竹材產品碳匯,減少企業碳排放具有重要意義,促進相關企業低碳發展。竹制人造板材是我國竹材加工利用最主要的竹產品,竹家具等建材竹材制品主要采用毛竹竹材,周國模等人對常見毛竹竹材產品的碳儲量與碳足跡進行研究,主要研究對象為竹集成板材、竹重組板材、竹刨切板材、竹展開板材及竹集成拉絲材5種中 間產品和竹地板、竹家具及竹席等后續產品。竹集成板、竹重組板、竹刨切板和竹展開板是由毛竹的竹板材段加工而成,而竹拉絲材是由毛竹拉絲段加工而成,竹產品碳庫的碳儲量主要集中于竹板材和竹拉絲材中。研究發現竹材產品碳庫的碳儲量主要集中于竹板材和竹拉絲材中,不同生產技術下的原竹段平均碳轉移率在32.51%~73.49%,平均碳轉移率的不同也影響了最終竹產品的碳儲量。這些竹材產品碳儲量大,尤其是竹重組板。竹材產品生產過程中的碳源主要來自運輸過程、加工過程和附加物隱含碳排放,其中加工過程的碳排放量最 大。凈碳足跡是由碳排放減去碳儲量所得,評估其全 生命周期碳足跡發現不同竹材制品的碳足跡差異較大,其中帶青竹展開地板生產過程的碳足跡甚至為負值,碳足跡最小。
                 
                       05 竹漿產品碳足跡研究

                       竹漿是竹材在造紙行業應用最廣泛的產品,生產竹漿的竹材原料主要以叢生竹為主。費世民認為竹漿紙和木漿紙生產過程碳足跡基本相等?;谕跤萝娧芯康玫降拇戎窳痔純α繑祿湍緷{紙生產過程的碳足跡,估算紙漿常用竹——慈竹造紙的全生命周期碳足跡約為−0.8843kg,碳足跡為負,說明1 kg慈竹漿的部 分碳儲量可完全抵消竹漿紙生產過程中的碳排放 。但 這種估算仍嚴重缺乏理論依據,竹漿紙和木漿紙生產過程肯定存在差異,直接參照木漿紙的碳足跡并不科 學。制漿造紙過程的碳匯及碳排放包括植物固碳、紙張碳儲存、化石能源消耗、生物質能源(黑液等) 回收等,對造紙行業進行全生命周期的碳足跡評價,是造紙行業實現綠色低碳轉型的關鍵。對我國2015年不同造紙路線的溫室氣體排放量進行計算,發現不同植物碳匯中,單位質量的竹林溫室氣體吸收量遠高于其 他造紙植物原料,在計入植物碳匯后,竹漿造紙全生命周期的排放量顯著下降,尤其是以未漂白化學竹漿 為原料生產的包裝紙,生產過程排放量下降了42.9%,從側面證明了竹材作為制漿原料對于造紙工業具有綠 色低碳的優勢。要想推動竹漿造紙行業低碳發展,實現竹漿紙一體化,必須深入研究竹漿造紙碳足跡,但這些有關竹漿造紙碳足跡碳排放的研究內容在原文獻 中只是簡單提及卻并未詳細闡述,專門針對竹漿造紙的碳足跡評估的相關文獻幾乎沒有,而目前國內外對木漿及草漿等的造紙碳足跡研究較為成熟,相關研究進展可 為竹漿造紙碳足跡的未來研究提供理論參考。 制漿造紙過程的碳足跡評價復雜,現有這些研究中碳足跡內容的系統邊界,碳排放因子均存在差異,不同紙漿和紙張碳足跡區別較大,這對最終碳足跡評價的準確性產生了一定影響。參考現有研究存在的不足之處,竹漿造紙行業碳足跡評價未來發展亟需解決的問題如下。第一,在計算過程中有些研究內容數據來源不具有代表性,應盡可能采用工廠實際生產數據,但不同工廠的生產過程也具有差異,還有些數據僅能通過模擬計算得到;第二,在整個造紙過程中,各個環節的碳流無法完全確定,并沒有科學合理的碳足跡內容系統邊界;第三,在解決上述2個問題的基礎上,可開發碳足跡評估計算系統模型,為竹漿造紙行業發展提供便利。 
                 
                       06 結語與展望

                       “竹漿紙一體化”是我國造紙行業發展低碳經濟的重要組成內容,目前我國竹林資源穩定增長,竹產業規模迅速擴大。竹漿作為常見的竹材制品,在竹產業產量中占比較低,仍有較大發展空間,研究竹材清潔制漿技術是提高竹材制漿利用率的關鍵。竹林作為一種重要森林碳匯,碳匯潛力巨大,竹種、竹齡及經營方式等因素均會影響竹林碳匯能力,其中慈竹、毛 竹等竹種固碳能力優異,1年生竹林生態系統的碳積累最快。竹材制品碳庫碳儲量巨大,目前對竹林碳足跡的研究重心可放在竹林生態系統的碳匯上,或竹材制品的碳儲量上,并沒有完整地從全生命周期評估竹產業的碳足跡,相關研究較少。竹材作為優良的造紙原料,為了實現“竹漿紙一體化”,加快造紙行業綠色轉型,需提高竹資源利用率,選擇高固碳紙漿竹種, 合理培育竹漿原料林,增加竹林碳匯,加強對竹漿造紙生產過程全生命周期碳足跡的系統研究,為竹漿造紙產業低碳發展提供理論基礎。(文章來源:《中國造紙》)


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