前沿热点 | 木材碳学的研究现状和发展趋势
木材碳学的研究遵循尊重自然、顺应自然和保护自然的理念，揭示木质资源固碳差异化与其内在和外在系统的根本联系，探究生物质能量转化过程的质量互变规律，秉承“知其然，知其所以然”的思想，构建“取之于自然，还之于自然”的碳循环体系。
森林是保护地球生态系统的重要自然资源，树木在生态效益中发挥着固定二氧化碳、供给氧气、水土保持等多种重要功能。树木的主体是木材（木质部），木材是树木全部生物量中碳素最大的储存库，其固碳机理主要是通过光合作用，将大气中的二氧化碳转化为糖类、氧气和有机物，再通过物质能量转换生成纤维素、半纤维素和木质素等高分子化合物，从而为人类提供可再生的生物质和生物质能。植物的光合作用方程式为
可见，构成木材的主要元素有C、O、H 三种，其中C占比50%、O占比42.6%、H占比6.4%，碳素含量相当可观，这既是木材被认为是陆地生态系统最大碳库的原因，也决定了木材碳学在全球碳汇研究中的重要地位。
木材碳学是研究木材与碳汇、碳源之关系，是与森林经理学、森林生态学和木材保护学等多学科交叉及融合的一门学科。本团队2012年编著的《木材碳学》系国内外林业工程领域第一部专著，此次修订旨在延伸、创新和丰富2012年版中“木材碳学”的研究内涵，着重阐述森林、木材与木制品的碳素储存与计量方法、主要人工林树种固碳增汇与优质木材培育技术，木材、人造板等功能性复合材料的绿色低碳加工技术及木材产品碳足迹的探寻，以在理论体系和工程技术应用上助力“双碳”目标的实现，助力培育木材加工新兴产业，加快形成木业新质生产力。
李 坚
中国工程院院士
2024年3月29日
木材碳学涵盖了碳计量方法、林木培育固碳、木材碳储能、木质能源、木材低碳加工、木质基碳功能材料、延长碳循环周期的一体化研究，具有科学研究和实际应用的双重价值，对减缓温室效应和发展低碳经济具有积极作用。
第九次全国森林资源清查数据显示，我国森林面积2.2亿hm²，蓄积量175.6亿m³，人工林面积8003.10万hm²。反映出我国森林资源保护和发展依然面临森林资源不足、森林资源质量不高、碳素储备总量不足等突出问题。人工林是解决天然林和天然次生林日益减少的有效方法，同时扮演着固碳林和原材料林的双重角色，依托人工林研究木材碳学是备受全球瞩目的新的研究方向。
▋关于人工林木材碳储量计量方法的研究
国内外采用的碳储量计量方法主要有生物量法、蓄积量法、生物量清单法、涡度相关法、弛豫涡旋积累法、箱式法、干烧法、湿烧法、树木解析法、树芯法、IPCC 缺省法、碳储量变化法、大气流动测定法和生产计量法，估测对象为人工林、木材和木制品。人工林碳储量计量方法相对成熟，但还存在急需解决的问题：一是森林生态系统的复杂性，实测数据不够全面和完善，各种方法中使用的参数不一致，导致对估算结果不能做出正确的评价；二是受资料和数据限制，大多数采用静态平衡分析法，以及对某一点的静态估计，缺乏动态预测和评价。木材和木制品的碳储量计量方法存在的问题较多，如对某一工业区或木制品加工厂碳排放量的估算，启动节能减排措施后缺省值的选取，不同节能减排措施的碳汇效应对比，加工设备更新换代造成的碳排放量估算，兴建、维护厂房等产生的碳排放量估算等等（Rathgeber et al.，2000；白彦锋等，2009；郭明辉等，2010）。
▋关于人工林碳储量影响因素的研究
人工林碳储量的影响因素有3种：人类活动、自然条件和林分状况。人类活动包括人口密度、土地利用变化和植被变化、人工林经营和管理（林分组成、人工林结构、抚育间伐、整地、施肥、修枝等）；自然条件包括气象因素（光照、温度、湿度等）、气候因素（地理纬度、环流等）和地形因素（海拔、坡度等）；林分状况包括森林类型、土壤类型和深度、林分密度和林龄、林下植被和枯枝落叶等（Koo et al.，2011）。国内外学者的研究结果表明，人工林经营管理能有效提高人工林质量，增加碳素储存量（Fredrik and Christian，2009）；自然条件中气候因素起着主导作用，决定了树种的组成、林木的生长发育、木材的蓄积量等；不同类型的人工林生态系统中，乔木层、土壤层，包括林下植被和枯枝落叶的碳储量均存在着一定差异。人工林是一个动态的复杂体系，人类活动、自然条件和林分状况之间交互作用，人工林碳储量与之存在动态的时空关系，现阶段研究方法中存在大量的假设，对科学问题缺乏全面考虑。
▋关于人工林木材和木材衍生品碳储量的研究
树木从采伐时起终止对大气中二氧化碳的固定，并成为碳排放源，碳排放不单指树木自身分解释放的碳，还包括因其而发生的碳排放（化石燃料燃烧）。树木在采伐过程中产生的木屑、落叶、枝丫等在细菌、真菌等微生物的作用下腐烂分解，一部分碳沉降到土壤中，一部分碳以二氧化碳的形式排放到大气中，此部分碳排放量相对较少，通常在研究中忽略不计（李坚和栾树杰，1993；杨玉盛等，2004）。依据木材材质的差别，采伐得到的木材进入不同的物质循环过程，主要有木质基碳功能材料、建筑材料、家具材料、家装材料、饰面材料、工程材料、纸质材料等，在产品加工、使用、消耗过程中产生的碳排放均计为树木的碳排放量，这主要有运输、机器制造、机器运转、木废料燃烧、产品损毁、产品废弃、产品消耗等。为了便于估算和横向对比，通常采用IPCC 缺省法进行估算。树木转化为木材衍生品时进入碳封存期，认为零碳排放，此阶段时间越长越好，但任何木材衍生品都存在使用寿命，寿命终止便进入碳排放阶段。目前对木材衍生品的使用寿命还没有一个统一的标准，通常认为薪碳材为1年，纸和纸板类为20年，实体木材为40年，但这只是一个平均值，以纸张为例，清洁纸卷的使用寿命为14～15d，牛皮纸的使用寿命不超过两年，而无酸纸的使用寿命通常在200年左右。木材衍生品的使用寿命与碳封存期密切相关，较长的使用寿命也是对固碳减排的一种贡献。使用寿命对固碳减排的贡献在木材学界再次掀起木材保护研究热潮，主要研究内容有木材防腐、木材阻燃、木材防潮等，在技术方面已经形成较成熟的理论体系，但同样存在使用寿命评定标准的问题。
▋关于延展人工林木材及木材衍生品碳储量的研究
提高碳储量的途径主要有以下几个方面：人工林合理经营、人工林合理采伐、木材保护处理、创生生物质复合材料、推进木建筑产业发展、研发新型建筑木构件、生物质转化技术、木制品低碳加工技术和木质资源循环利用。木材的腐朽过程即木材释放碳素的过程，通过木材防腐、木材耐候、木材强化等技术进行处理可有效延长木材的储碳期，目前关于木材保护技术的研究比较成熟，但是关于保护技术与木材储碳期相关性的研究还未涉及。生物质复合材料是扩展木材应用范围的有效手段，木材的使用量与二氧化碳排放量呈负相关关系。木建筑和木构件的固碳减排效果超出其他建筑材料，平均一栋面积为136m² 的住宅，木结构住宅固碳量6t，钢筋混凝土住宅固碳量1.6t，钢筋预制板住宅固碳量1.5t。生物质转化技术可使木材转化为能源材料，替代部分化石能源，从而有效降低二氧化碳的排放量。木材衍生品的需求量逐年增加，为减缓其加工过程排放的二氧化碳量，主要从动力来源、能量损耗、原料损耗、生产效率、加工精度等几方面考虑。木质资源循环利用，除了将其用于加工能源物质、纸张、板材外，还可作为包装材料及装饰材料使用。人工林木材固碳减排的强化措施已部分应用于生产生活中，但其与木材碳储量相关关系的定性和定量研究还未深入开展，木材的无限使用和任意开发并不能保护生态安全，只有平衡资源开发与资源利用间的关系才能合理有效地保护生态和人类的安全。
▋木材碳学已经成为国际前沿热点科学问题之一，人工林木材固碳减排效益日趋显著，但还需要对以下几方面进行深入研究
木材碳储量计量方法研究。从人工林木材构造特征入手，借助计算机视觉分析系统，缩小人工林木材碳储量动态变化研究间隔，同时提高计量效率和准确度。
木材碳储量的基本规律研究。人工林木材宏微观构造特征、物化特征和力学特征与其碳储量的相关回归分析，为木材碳储量变异性的研究奠定基础，进而指导人工林经营管理与木材加工利用。
人工林木材碳储量与生物质能的潜在关系研究。探索不同生物质能转化技术的排碳量和能量转换率，为指导人工林木质资源循环利用提供重要的基础理论依据。
优质高固碳量人工林木材培育技术的研究。考虑综合因素对人工林木材碳储量和材质的影响，根据用材的需要，建立合理的经营培育模式，指导人工林的生产。
人工林木材固碳减排强化措施的有效性研究。定性分析和定量研究人工林合理经营、木材保护处理、创生生物质复合材料、木建筑及建筑木构件、生物质能转化技术和木质资源循环利用等对人工林木材固碳减排的作用，从而实现木材碳学研究的现实意义。
《木材碳学》一书遵循尊重自然、顺应自然和保护自然的理念，旨在揭示木质资源固碳差异化与其内在和外在系统的联系，探究生物质能量转化过程的质量互变规律，构建“取之于自然，还之于自然”的碳循环体系；该书面向科技前沿，详细阐述了森林碳素储存、木材及木制品碳素储存与计量方法、人工林木材固碳增汇与优质木材培育技术等基础理论研究，完善了林木碳汇知识体系；该书面向经济主战场，介绍了木质林产品碳足迹、木材保护与改良，以及木质基碳功能材料、木质人造板加工和木结构建筑等延长木质材料储碳周期，增加产品附加值的低碳加工技术，对木材加工及木制品制造产业的绿色发展具有指导意义。
该书的出版发行，有助于加快木材碳学基础知识和木材低碳加工技术科技成果的传播，为林业工程领域从事教学、科研、生产和企业管理等方面工作的人员提供参考。同时，该书也促进了林业工程与生态学、林学、环境学等学科教育思想的碰撞和教育理念的更新，为探索复杂工程问题提供了解决之道。
吴义强
中国工程院院士
2024年5月27日
本文摘编自《木材碳学》（郭明辉 等编著. 2 版. 北京 : 科学出版社, 2024.12）一书“第1 章 绪论”“序”“作者序”，有删减修改，标题为编者所加。
(普通高等教育农业农村部“十四五”规划教材)
ISBN 978-7-03-079277-8
责任编辑：张会格 薛 丽
本书以生态文明思想为指导，贯彻新发展理念引领林业工程的绿色转型，为绿色能源低碳发展提供科学指导。本书以国内外木材碳学的最新研究进展为主，全面、系统地介绍了木材碳储存的基本特征和木材碳储能的原理，以及木质林产品、木质基碳功能材料、木质人造板和木结构建筑等的碳足迹、低碳加工及应用等。
本书可作为林业工程类专业研究生、本科生教材，也可供工程技术、科学研究、木材贸易、企业生产和管理方面的人员学习参考。
（本文编辑：刘四旦）
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