木材碳學

內容概要

《木材碳學》主要闡述了木材碳學的生態(tài)環(huán)境學意義、木材碳儲量的計量方法、木材碳儲量與木材性質的潛在相關性、木材碳儲能的原理及應用，并以人工林碳儲量和優(yōu)質木材培育技術為基礎，系統(tǒng)解析高固碳量優(yōu)質人工林木材培育技術，且從木材保護、木質復合材料、木結構建筑、木材加工等角度探討木材固碳的延伸，旨在補充和拓展木材的生態(tài)環(huán)境學特性，緩解全球氣候變化產生的負面效應。
《木材碳學》可作為木材科學與技術、生物質復合材料、生物質能源、森林培育、建筑環(huán)境設計等領域科研院所研究人員的參考用書，亦可作為生產企業(yè)工程技術人員和管理人員的學習參考用書。

書籍目錄

前言第1章 緒論1.1 木材碳學的研究對象和內容1.1.1 木材碳學的研究對象1.1.2 木材碳學的研究內容1.1.3 木材碳學的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢1.2 木材碳學的研究意義1.2.1 全球氣候問題概況1.2.2 全球氣候變化問題的解決方針1.2.3 森林生態(tài)系統(tǒng)的源匯功能及潛力1.2.4 木材的“多R”特性與環(huán)境響應參考文獻第2章 木材碳素儲存2.1 木材碳素儲量的計量方法2.1.1 燃燒法2.1.2 樹干解析法2.1.3 樹芯法2.1.4 生長輪分析法2.1.5 其他方法2.2 木材碳儲量與木材性質的相關性研究2.2.1 木材碳儲量2.2.2 木材構造特征與碳儲量2.2.3 木材物理特征與碳儲量2.2.4 木材缺陷與碳儲量2.3 木材碳儲量與木材性質相關性研究的意義參考文獻第3章 木材碳儲能與木質能源3.1 木材碳儲能3.1.1 木材能量的形成3.1.2 木材能量的利用3.1.3 木材碳儲量與木材能量3.1.4 木材發(fā)熱量的影響因素3.2 木質能源3.2.1 木質能源的特征3.2.2 木質能源轉化技術參考文獻第4章 人工林固碳增匯與優(yōu)質木材培育技術4.1 中國主要人工林樹種木材固碳量4.1.1 人工林針葉材4.1.2 人工林闊葉材4.1.3 人工林針葉樹材與闊葉樹材固碳量差異分析4.2 氣象因子與木材固碳量的關系4.2.1 日照時數(shù)4.2.2 平均氣溫4.2.3 平均地溫4.2.4 相對濕度4.2.5 降水量4.2.6 氣候因子交互作用4.3 立地條件與木材固碳量的關系4.3.1 地理位置4.3.2 地形因子4.3.3 土壤條件4.3.4 林分類型4.4 培育措施與木材固碳量的關系4.4.1 初植密度4.4.2 撫育間伐4.4.3 修枝4.5 木材材質與木材固碳量的關系4.5.1 木材解剖特征4.5.2 木材物理特征4.5.3 木材力學特征4.6 高固碳量的優(yōu)質木材培育技術參考文獻第5章 木材固碳的延伸5.1 木材保護處理5.1.1 木材著色處理5.1.2 木材防腐處理5.1.3 木材防蟲處理5.1.4 木材阻燃處理5.1.5 木材耐候處理5.1.6 木材尺寸穩(wěn)定化處理5.1.7 木材強化處理5.2 木質復合材料5.2.1 混合復合方式5.2.2 滲透(生成)復合方式5.3 木結構建筑5.3.1 木結構建筑的低碳性5.3.2 木結構建筑的結構體系5.3.3 木結構建筑的拓展應用5.4 木材加工技術5.4.1 制材5.4.2 木材干燥5.4.3 成板5.4.4 表面裝飾5.5 木質資源循環(huán)利用參考文獻

章節(jié)摘錄

第1章  緒  論伴隨世界經濟的高速增長，氣候變暖嚴重影響了生態(tài)安全、人類健康和經濟社會的可持續(xù)發(fā)展。為應對挑戰(zhàn)，國際社會積極建立物理、化學、生物的“高固碳”發(fā)展模式和低能耗、低污染、低排放的“低排碳”發(fā)展模式，提倡發(fā)展低碳經濟，推進節(jié)能減排，構建資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會。森林是陸地系統(tǒng)最大的碳素儲存庫，森林的培育和利用構成木質資源循環(huán)型社會，木質資源包括木材、竹材、藤本、灌木、作物秸稈等，而木材以其巨大的資源量及良好的性能占據(jù)木質資源之首，并在固碳減排戰(zhàn)略中發(fā)揮重要作用。在物質循環(huán)過程中，木材經歷著碳吸存碳排放碳儲存碳排放的過程，有效地增加碳吸存量、減少碳排放量、延長碳儲存時間對保障生態(tài)安全、實現(xiàn)木材低碳加工和發(fā)展低碳經濟具有重大意義［1～3］。木材碳學是研究木材與碳匯關系的一門科學，是森林培育學、森林生態(tài)學、木材科學及木材保護學之間相互融合的交叉科學。其目的一是探明木材構造特征、物化特征和力學特征與木材碳素儲存的規(guī)律，為木材固碳減排研究奠定科學基礎；二是揭示木材的生物潛能，將木質材料轉化為潔凈的高品位燃料，以替代化石燃料用于電力、交通運輸、城鄉(xiāng)生活燃料等方面，不僅可減輕人類對有限化石燃料資源的過分依賴，而且能大幅度降低大氣污染物及溫室氣體的排放，利于能源安全，保護生態(tài)環(huán)境；三是研究氣候因子、立地條件、培育措施和木材材質與木材碳素儲存之間的關系，確立速生、豐產、優(yōu)質、高效的高固碳人工林的培育措施和栽培技術；四是提出延展木材固碳的方式方法，涉及木材加工、木質材料、木建筑、木質資源循環(huán)利用、生物質能等綜合領域，達到木材的高效、合理利用，以生態(tài)安全、人類健康為前提，構建最佳的木質資源循環(huán)型社會。1.1  木材碳學的研究對象和內容森林是與人和諧、保護地球生態(tài)系統(tǒng)的最重要的自然資源，樹木在生態(tài)效益中發(fā)揮著固定二氧化碳、氧氣供給、水土保持等多種重要功能。樹木的主體是木材（木質部），也是樹木全部生物量中碳素儲存最多的寄存體，其固碳機理主要是通過光合作用，將大氣二氧化碳轉化為糖類、氧氣和有機物，再通過物質能量轉換生成纖維素、半纖維素和木質素等高分子化合物，從而為人類提供可再生的生物質和生物質能。樹木的光合作用公式如下：6CO2+6H2O  光能  C6H12O6+6O2可見，構成木材的主要元素有C、O、H三種，其中，C：50%，O：42.6%，H：6.4%，碳素含量相當可觀，這既是木材被認可為陸地生態(tài)系統(tǒng)最大碳庫的原因，也決定了木材碳學在全球碳匯研究中的重要地位。研究對象和研究內容是構建木材碳學的基礎，決定木材碳學的主體構架。因此，闡明研究對象和研究內容對木材碳學的建立和發(fā)展具有積極作用。1.1.1  木材碳學的研究對象木材碳學圍繞木材開展一體化研究，具體研究對象如下：（1）木材碳素儲存量與構造特征、物化特征和力學特征的相關關系；（2）木材碳素儲存量與木材儲能的響應關系；（3）人工林木材固碳增匯與優(yōu)質木材培育技術；（4）木材資源循環(huán)利用的技術方法。木材碳學的研究涵蓋基礎理論研究和應用技術研究，依托基礎理論研發(fā)應用技術，完善碳匯知識體系的同時實現(xiàn)巨大的生態(tài)效益、社會效益和經濟效益。1.1.2  木材碳學的研究內容木材碳學的研究內容主要包括4個方面。第一，木材碳素儲存量。選擇人工林紅松（針葉材）和人工林楊木（闊葉材）為試材，首先研究木材宏/微觀構造特征（邊材和心材、生長輪、早材和晚材、管胞/導管、木射線、樹脂道/樹膠道和軸向薄壁組織）與木材碳素儲存量的相關關系；其次研究木材物化特征（密度、熱學性質、電學性質、聲學性質、光學性質、纖維素、半纖維素、木質素和抽提物）與木材碳素儲存量的相關關系；再次研究木材力學特征（壓縮強度、拉伸強度、抗彎強度、抗剪強度、扭曲強度、沖擊強度、硬度和抗劈力）與木材碳素儲存量的相關關系；最后研究木材缺陷與木材碳素儲存量的相關關系。此研究內容為碳匯樹種的優(yōu)選提供科學依據(jù)，為生物能源開發(fā)技術奠定理論基礎，同時優(yōu)化高固碳量人工林木材培育模式。第二，木材碳素儲存量與木材儲能。木材儲存的化學能可轉化為熱能和機械能。選擇木炭、木質壓縮燃料和木煤氣為對象，研究木材化學能與熱能的轉化率及其對木材碳素儲存量的響應；選擇生物乙醇和生物柴油為對象，研究木材化學能與機械能的轉化率及其對木材碳素儲存量的響應。此研究內容揭示木材作為生物質能源材料的巨大潛力，從而推動生物質能源材料替代化石燃料的進程。第三，人工林木材固碳增匯與優(yōu)質木材培育技術。試材為人工林針葉材（落葉松、紅松和樟子松）和人工林闊葉材（大青楊、桉樹、泡桐和大葉相思），首先研究氣象因子（光照、溫度、濕度和降水量）與木材碳素儲存量的變異規(guī)律；其次研究立地條件（地理位置、地形因子、土壤條件和林分類型）與木材碳素儲存量的變異規(guī)律；再次研究培育措施（初植密度、撫育間伐、修枝、施肥和灌溉）與木材碳素儲存量的變異規(guī)律；最后研究木材材質（解剖特征、生長速率、生長輪寬度、生長輪密度、抗彎強度、抗彎彈性模量、順紋抗壓強度、順紋抗拉強度、順紋抗剪強度、橫紋抗壓強度、抗劈力和沖擊韌性）與木材碳素儲存量的變異規(guī)律。此研究內容得出高固碳量優(yōu)質人工林木材的培育模式。第四，木材固碳的延展。主要從木材保護處理（防變色、防腐、防蟲、阻燃、耐候、尺寸穩(wěn)定性和強化）、木質基材料（實體木材、木質重組材料和木質基復合材料）、木建筑、生物質轉化技術（生物燃料）、低碳加工設備（設備制造、動力來源、能源損耗、原料損耗、生產效率和加工精度）、木制品低碳加工技術（家具、人造板、裝飾材料和紙類）和木材資源循環(huán)利用（能源材料、簡易結構材料、包裝材料、制漿造紙、藝術裝飾和木質基復合材料）幾方面來減少大氣二氧化碳排放量、延長碳素儲存期。此研究內容從應用的角度提出碳素減排策略，將木材碳學的研究從基礎科學引向生產實際，實現(xiàn)木材碳學研究的真正價值。1.1.3  木材碳學的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢木材碳學是涵蓋碳計量方法、林木培育固碳、木材低碳加工、木制品儲碳、延長碳循環(huán)周期的一體化研究，具有科學研究和實際應用的雙重價值，對減緩溫室效應和發(fā)展低碳經濟具有積極作用。第七次全國森林資源清查數(shù)據(jù)顯示，我國森林面積1.95億hm2，蓄積量137.21億m3；人工林面積0.62億hm2，蓄積量19.61億m3，反映出我國森林資源保護和發(fā)展依然面臨森林資源不足、森林資源質量不高、碳素儲備總量不足等突出問題。人工林是解決天然林和天然次生林日益減少的有效戰(zhàn)略，同時扮演著固碳林和原材料林的雙重角色，依托人工林研究木材碳學是備受全球矚目的新的研究方向。關于人工林木材碳儲量計量方法的研究，國內外采用的碳儲量計量方法主要有生物量法、蓄積量法、生物量清單法、渦度相關法、弛豫渦旋積累法、箱式法、干燒法、濕燒法、樹木解析法、樹芯法、IPCC缺省法、儲量變化法、生產法和大氣流動法，估測對象為人工林、木材和木制品。人工林碳儲量計量方法相對成熟，但還存在急需解決的問題：一是森林生態(tài)系統(tǒng)的復雜性，實測數(shù)據(jù)不夠全面和完善，各種方法中使用的參數(shù)不一致，導致對估算結果不能做出正確的評價；二是受資料和數(shù)據(jù)限制，大多數(shù)采用靜態(tài)平衡分析法，以及對某一點的靜態(tài)估計，缺乏動態(tài)預測和評價。木材和木制品的碳儲量計量方法存在的問題較多，如對某一工業(yè)區(qū)或木制品加工廠碳排放量的估算，啟動節(jié)能減排措施后缺省值的選取，不同節(jié)能減排措施的碳匯效應對比，加工設備更新?lián)Q代造成的碳排放量估算，興建、維護廠房等產生的碳排放量估算等［4～6］。關于人工林儲碳量影響因素的研究，人工林儲碳量的影響因素有三種：人類活動、自然條件和林分狀況。人類活動包括人口密度、土地利用變化和植被變化、人工林經營和管理（林分組成、人工林結構、撫育間伐、整地、施肥、修枝等）；自然條件包括氣象因素（光照、溫度、濕度、降水量、冰雹、降雪量等）和地形因素（海拔、坡度、土壤等）；林分狀況包括森林類型、土壤類型和深度、林分密度和林齡、林下植被和枯枝落葉等。國內外學者的研究結果表明，人工林經營管理能有效提高人工林質量，增加碳素儲存量；自然條件中氣候和雨量起著主導作用，決定了樹種的組成、林木的生長發(fā)育、木材的蓄積量等；不同類型的人工林生態(tài)系統(tǒng)中，喬木層、土壤層，包括林下植被和枯枝落葉的碳儲量均存在著一定差異。人工林是一個動態(tài)的復雜體系，人類活動、自然條件和林分狀況之間交互作用，人工林碳儲量與之存在動態(tài)的時空關系，現(xiàn)階段研究方法中存在大量的假設，對科學問題缺乏全面考慮［7～11］。關于人工林木材和木制品碳儲量的研究，樹木從采伐時起終止對大氣二氧化碳的固定，并成為碳排放源，碳排放不單指樹木自身分解釋放的碳，也包括因其而發(fā)生的碳排放（化石燃料燃燒）。樹木在采伐過程中產生的木屑、落葉、枝杈等在細菌、真菌等微生物的作用下腐爛分解，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氣中，此部分碳排放量相對較少，通常在研究中忽略不計。依據(jù)木材材質的差別，采伐得到的木材進入不同的物質循環(huán)過程，主要有薪炭材、建筑材料、家具材料、家裝材料、飾面材料、工程材料、紙質材料等，在產品加工、使用、消耗過程中產生的碳排放均記為樹木的碳排放量，這主要有運輸、機器制造、機器運轉、木廢料燃燒、產品損毀、產品廢棄、產品消耗等。為了便于估算和橫向對比，通常采用IPCC缺省法進行估算。樹木轉化為木制品時進入碳封存期，認為碳零排放，此階段時間越長越好，但任何木制品都存在使用壽命，壽命終止便進入碳排放階段。目前對木制品的使用壽命還沒有一個統(tǒng)一的標準，通常認為薪炭材為1a，紙和紙板類為20a，實體木材為40a，但這只是一個平均值，以紙張為例，清潔紙卷的使用壽命為14～15d，報紙在日光和空氣中只能保存幾個星期，牛皮紙的使用壽命不超過兩年，而無酸紙的使用壽命通常在200a左右［5］。木制品的使用壽命與碳封存期密切相關，較長的使用壽命也是對固碳減排的一種貢獻。使用壽命對固碳減排的貢獻在木材學界再次掀起木材保護研究熱潮，主要研究內容有木材防腐、木材阻燃、木材防潮等，在技術方面已經形成較成熟的理論體系，但同樣存在使用壽命評定標準的問題。關于延展人工林木材及木制品碳儲量的研究，提高碳儲量的途徑主要有以下幾個方面：人工林合理經營、人工林合理采伐、木材保護處理、創(chuàng)生生物質復合材料、木建筑及建筑木構件、生物質轉化技術、木制品低碳加工技術和木質資源循環(huán)利用。木材的腐朽過程即為木材釋放碳素的過程，通過木材防腐、木材耐候、木材強化等技術進行處理可有效延長木材的儲碳期，目前關于木材保護技術的研究比較成熟，但是關于保護技術與木材儲碳期相關性的研究還未涉及。生物質復合材料是擴展木材應用范圍的有效手段，木材的使用量與二氧化碳排放量成負相關關系。木建筑和木構件的固碳減排效果超出其他建筑材料，平均一棟面積為136m2住宅中儲存的碳，木結構住宅固碳量6t，鋼筋混凝土住宅固碳量1.6t，鋼筋預制板住宅固碳量1.5t。生物質轉化技術使木材轉化為能源材料，替代部分化石能源，從而有效降低二氧化碳的排放量。木制品的需求量逐年增加，為減緩其加工過程排放的二氧化碳量，主要從動力來源、能量損耗、原料損耗、生產效率、加工精度等幾方面考慮。木質資源循環(huán)利用，除了將其用于加工能源物質、紙張、板材外，還可作為包裝材料及裝飾材料使用。人工林木材固碳減排的強化措施已部分應用于生產生活中，但其與木材碳儲量相關關系的定性和定量研究還未深入開展，木材的無限使用和任意開發(fā)并不能保護生態(tài)安全，只有平衡資源開發(fā)與資源利用間的關系才能合理有效地保護生態(tài)和人類的安全。木材碳學已經成為國際前沿熱點科學問題之一，人工林木材固碳減排效益日趨顯著，但還需要對以下幾方面進行深入研究。（1）木材碳儲量計量方法研究。從人工林木材構造特征入手，借助計算機視覺分析系統(tǒng)，細化人工林木材碳儲量動態(tài)變化研究間隔，同時提高計量效率和準確度；（2）木材碳儲量的基本規(guī)律研究。人工林木材宏微觀構造特征、物化特征和力學特征與其碳儲量的相關回歸分析，為木材碳儲量變異性的研究奠定基礎，進而指導人工林經營管理與木材加工利用；（3）人工林木材碳儲量與生物質能的潛在關系研究。探索不同生物質能轉化技術的排碳量和能量轉換率，為指導人工林木質資源循環(huán)利用提供重要的基礎理論依據(jù)；（4）優(yōu)質高固碳量人工林木材培育技術的研究。考慮綜合因素對人工林木材儲碳量和材質的影響，根據(jù)用材的需要，建立合理的經營培育模式，指導人工林的生產；（5）人工林木材固碳減排強化措施的有效性研究。定性分析和定量研究人工林合理經營、木材保護處理、創(chuàng)生生物質復合材料、木建筑及建筑木構件、生物質轉化技術和木質資源循環(huán)利用對人工林木材固碳減排的作用，從而實現(xiàn)木材碳學研究的現(xiàn)實意義。1.2  木材碳學的研究意義1.2.1  全球氣候問題概況從喜馬拉雅冰川的悄然融化到南極冰架的轟然崩塌，從中國南方的雨雪冰凍災害到中國北方的嚴重干旱，從澳大利亞森林大火到日本里氏9.0級地震，一場場災難引發(fā)全球對氣候問題的空前關注，氣候問題成為21世紀最熱門的話題之一。南極LawDome冰芯資料顯示CO2等溫室氣體的濃度與全球氣候變化具有同步性，說明溫室氣體是引發(fā)氣候變化的原因。溫室氣體的排放主要是受自然因素和人為因素所致，自工業(yè)革命以來，人類活動（化石燃料燃燒和森林砍伐）向大氣中排放的溫室氣體是擴大溫室效應的主導因素，其中以CO2和CH4的排放為主，此外，1860～2000年間氣候演變模擬數(shù)據(jù)也表明此期間的氣候變化主要由人類活動引起［12唱13］。氣候問題的產生破壞了生態(tài)系統(tǒng)的平衡，增加極端天氣的發(fā)生頻次，威脅經濟社會健康發(fā)展和國際安全，因此引發(fā)國際社會對氣候問題的高度關注。為減緩或消除氣候變化對人類社會健康發(fā)展的制約，1992年6月11日，在巴西里約熱內盧召開的聯(lián)合國環(huán)境與發(fā)展大會上簽署了《聯(lián)合國氣候變化框架公約》（UN唱FCCC），于1994年3月21日正式生效，此后每年召開一次締約方大會。1997年，149個國家和地區(qū)的代表在日本東京召開締約方第三次會議，會議通過了旨在限制發(fā)達國家溫室氣體排放的《京都議定書》，規(guī)定到2010年所有發(fā)達國家排放的6種溫室氣體的數(shù)量要比1990年減少5.2%，其中污染大國美國減少7%，歐盟和日本分別減少8%和6%，發(fā)展中國家沒有減排義務。2001年達成了《波恩政治協(xié)定》和《馬拉喀什協(xié)定》，同意將造林和再造林碳匯項目作為第一承諾期的合格CDM項目類型。2005年《京都議定書》正式生效。2007年中國對外發(fā)布《中國應對氣候變化國家方案》，2008年八國集團峰會就溫室氣體長期減排目標達成一致。由于溫室氣體的減排戰(zhàn)略牽動國家發(fā)展動脈，決定國際競爭的優(yōu)勢地位，因此固碳減排成為各國政治、經濟、科技和外交的綜合較量。

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