优化物流策略使生物炭的气候变化减缓效益最大化：基于不列颠哥伦比亚省林业残余物的空间显式建模与运输优化研究

本文通过空间显式事前建模与运输路径优化，系统评估了林业残余物生物炭在碳移除（CDR）实践中的气候减缓潜力。研究显示，优化应用区域选择与运输路线可使生物炭的净CO2e减排效益提升126%，强调了对依赖原料的CDR技术进行全生命周期评估（LCA）和物流优化的重要性，为大规模CDR项目的科学规划提供了新范式。

　　

ABSTRACT

碳 dioxide removal（CDR）实践对缓解气候变化至关重要，其效果取决于原料可获得性及实施过程中温室气体（GHG）排放的权衡。本研究以加拿大不列颠哥伦比亚省（BC）林业采伐残余物制备的生物炭为对象，通过空间显式建模与运输路径优化，证明优化应用区域与运输路线可使全省生物炭气候减缓潜力较随机选择方案提升一倍。强调了对CDR项目进行事前建模与物流优化的必要性。

1 Introduction

随着GHG排放持续上升，亟需通过化石燃料减排、土地利用优化及CDR技术实施应对气候变化。生物炭作为当前最大规模的工程化CDR手段，其减缓潜力受环境与物流参数显著影响，尤其运输相关排放可能抵消大部分减排效益。本研究基于BC省背景，整合生命周期评估（LCA）与运输优化算法，量化生物炭从生产、运输到应用的全链条排放，为最大化CDR潜力提供新方法。

2 Methods

2.1 Assumptions

研究假设2021年BC省157,314公顷森林采伐区产生25干吨/公顷残余物（总重3.9 Mt），含水率40%。生物炭产率设为22%（重量比），基于先进pyrolysis工艺，全省可产865,228干吨生物炭。农田应用率上限为10吨/公顷，以避免算法过度集中输送。设8个生物炭生产中心，依托人口密集区布局。

2.2 Scenarios

设计四种情景：

• •

  Optimal：同步优化农田选择（优先高减排潜力区）与运输路径；

• •

  Even：均匀施用生物炭，但优化运输；

• •

  Random：随机选择生产中心与农田；

• •

  Worst-Case：故意选择低减排潜力区与长运输路径。

  通过对比凸显优化策略的影响。

2.3 Life Cycle Assessment

采用“从摇篮到坟墓”的归因式LCA，功能单位为“每干吨生物炭的生产与农田应用”。系统边界涵盖残余物露天燃烧（基线）、破碎、运输、pyrolysis（600°C）、造粒及农田撒施。使用EcoInvent 3.9.1数据库，IPCC 2021影响类别（GWP20），蒙特卡洛分析（10,000次迭代）量化不确定性。

2.4 Transport Optimization Algorithm

以图模型建模森林、生产中心、农田节点，边权重包含运输距离与排放因子（含空返行程）。使用网络单纯形算法求解最小成本流问题，整合田间减排潜力（负成本）与运输成本。路径长度通过OpenStreetMap API计算实际路网最短距离。

2.5 Software

OpenLCA处理LCA计算，R语言（ggplot2）绘图与蒙特卡洛分析，Python（NetworkX）实现运输优化，OSRM包获取路网数据。

3 Results

3.1 Life Cycle Assessment

露天燃烧4.55吨残余物（产1吨生物炭）排放2257±465 kg CO₂e（仅甲烷与氧化亚氮）。Pyrolysis工厂排放634±151 kg CO₂e/吨生物炭（不含运输）。贡献分析显示工厂建设运营、造粒与破碎过程敏感度最高。

3.2 Optimization Effect

Optimal情景下，首段运输（森林至工厂）距离最小化（因需运输7.6吨湿原料/吨生物炭），生物炭集中施用于西南部高减排潜力农田（高温、多雨、高氮需求作物）。Even与Random情景均匀施用（1.16吨/公顷），但后者运输无优化。Worst-Case情景故意选择东北部低潜力区。

3.3 Climate Change Mitigation Potential

Optimal情景年均减排2662±153 kg CO₂e/吨生物炭，全省20年累计2.29±0.134 Mt CO₂e，相当于2021年全省排放的3.9%或农业排放的100%。Even与Random情景分别占比3.3%与1.7%。计入避免露天燃烧的排放后，Optimal情景净减排4919±489 kg CO₂e/吨生物炭。

4 Discussion

4.1 An Improved Assessment of CDR Potential of Biochar

本研究Net减排结果与文献一致，但采用GWP20更强调短寿命温室气体。省级尺度评估揭示运输距离远超既往系统级研究（如文献中仅32–190 km），凸显大规模CDR需广域地理建模与物流优化。

4.2 Opportunities for Improvement

4.2.1 Including Biogenic Emissions

Pyrolysis过程产生生物源CO₂（7599±1615 kg CO₂/吨生物炭），若计入则Optimal情景净排放4944±1622 kg CO₂e/吨生物炭，但较基线露天燃烧（8506±1186 kg CO₂e）仍具减排效益（907±2003 kg CO₂e）。呼吁LCA社区统一纳入生物源CO₂。

4.2.2 Consider On-Site Biochar Production

现场生产避免运输但移动式pyrolysis效率低、排放高，且缺乏经济激励与碳认证。虽对森林生态有益（改善土壤持水性、减少露天燃烧），但适用性受限于BC潮湿气候与物流挑战。未来可探索林区落地应用。

4.3 Optimization Impact

Optimal较Even情景减排潜力高17%，较Random情景翻倍。优化效益随运输距离缩短而减弱（如距离缩放10倍后优势显著降低）。运输技术电动化虽降低排放，但优化仍具经济与环境优势（Optimal情景运输距离为Random的1/3，单位生物炭减排潜力翻倍）。Worst-Case情景为净排放源，警示CDR潜力非必然，需事前评估。

5 Conclusion

生物炭系统的气候减缓效益高度依赖空间规划与物流优化。在BC省背景下，优化使减排潜力提升126%。建议所有依赖原料的CDR项目采用事前建模与优化比较，确保潜力最大化。

Author Contributions

David Lefebvre：概念化、数据整理、方法论、软件、文稿撰写；Matthieu Heitz：数据分析、软件、可视化；Jack Edgar：项目管理、文稿修订；Xiaotao Bi：概念化、监督；Jeroen Meersmans：数据整理、软件；Jean-Thomas Cornelis：概念化、项目管理、监督。

Acknowledgments

本研究由Mitacs Elevate计划支持。

Conflicts of Interest

作者声明无利益冲突。