芬兰替代性木材利用情景下气溶胶排放的辐射强迫效应及其气候影响研究

这篇研究通过构建四种芬兰木材利用情景（锯材、纸浆制品、小型/大中型锅炉能源利用），采用位移因子(DF)量化气溶胶（黑碳BC、有机碳OC、二氧化硫SO2）排放变化，结合ECHAM-HAMMOZ模型分析瞬时辐射强迫(IRFARI)和有效辐射强迫(ERF)。研究发现优先生产长寿命木制品能最大化气候效益，为森林生物质利用的综合性气候评估提供了新视角。

　　

1 引言

气候变化背景下，森林生物质利用对气溶胶排放的影响日益受到关注。人为活动释放的短寿命气候强迫因子(SLCF)如黑碳(BC)和有机碳(OC)通过气溶胶-辐射相互作用(ARI)和气溶胶-云相互作用(ACI)显著影响地球能量平衡。芬兰作为典型 boreal 地区，其木材利用方式变化可能通过改变气溶胶排放产生区域性气候效应。研究通过对比基准情景（年采伐量70 Mm³）与四种增加10 Mm³采伐量的替代情景，探讨不同木材利用路径的气候影响机制。

2 材料与方法

2.1 研究框架

采用位移因子(DF)计算锯材、纸浆制品、小型锅炉(SSB)和大中型锅炉(LSB)能源利用对BC、OC和SO₂排放的差异。全球气溶胶-气候模型ECHAM-HAMMOZ模拟瞬时辐射强迫(IRF_ARI)和包含快速调整的有效辐射强迫(ERF)，空间分辨率1.9°×1.9°，时间跨度为2000-2009年。

2.2 情景设计

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  80SW：新增锯材替代钢材/混凝土

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  80PW：新增纸浆生产粘胶纤维（替代聚酯）和纸板（替代HDPE塑料）

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  80EB SSB/LSB：新增能源分别用于小型/大中型锅炉，替代25%天然气、泥炭、石油和煤炭

2.3 关键参数

BC与OC排放比设定为0.8（基于ECLIPSE数据），SO₂排放DF值差异显著：粘胶纤维替代聚酯的SO₂ DF高达2353.7 g·t^-1，而小型锅炉替代煤炭的BC DF为-42.1 kg·TJ^-1。

3 结果

3.1 气溶胶排放特征

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  80PW减排效果最显著：BC/OC/SO₂分别减少118.1/94.5/4487.2 t·yr^-1

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  80EB SSB导致BC/OC激增2395/1916 t·yr^-1，但SO₂减少2683.5 t·yr^-1

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  锯材生产(80SW)轻微增加所有气溶胶组分

3.2 辐射强迫响应

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  IRF_ARI：80EB SSB呈现微弱增温(+0.004 W·m^-2)，而80SW(-0.009 W·m^-2)和80EB LSB(-0.006 W·m^-2)显示冷却效应

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  ERF：80EB SSB产生最强冷却(-0.260 W·m^-2)，源于BC/OC增强云反照率（Twomey效应）；80PW则因SO₂大幅减少导致增温(+0.133 W·m^-2)

4 讨论

4.1 气候权衡

尽管能源利用(80EB SSB)通过ACI产生显著冷却，但其高BC排放会加剧区域空气污染健康风险。相比之下，长寿命木制品(80SW)在降低IRF和ERF的同时，兼具碳封存优势。研究强调需结合温室气体(GHG)与SLCF进行综合评估，尤其关注芬兰逐步淘汰煤炭和泥炭能源的政策影响。

4.2 局限性

模型未考虑生物源二次有机气溶胶(SOA)的潜在冷却贡献，且DF计算未充分反映副产品能源化的减排潜力。ECHAM-HAMMOZ对气溶胶辐射敏感性偏高，可能导致ERF估算偏差。

5 结论

优先生产锯材等长寿命木制品可实现最佳气候效益。未来气候政策应协同评估GHG与气溶胶排放，尤其关注SO₂减排可能削弱云反照率效应的风险。该研究为 boreal 地区森林管理提供了气溶胶视角的科学依据。