综述：从森林到建筑：加强低等级木材在气候响应型建筑中的应用

本文综述探讨了将低等级木材整合到建筑中以增强碳储存的潜力。研究通过分析墨西哥、西班牙和智利的案例，量化了将木材从短寿命用途（如生物能源）转向长寿命建筑应用（如工程木产品(EWPs)）可带来的气候效益（碳储存增加2%-35%），并强调了改进森林管理、加工技术和政策支持的重要性。

　　

引言

气候变化由工业活动、交通运输和土地利用变化等多种来源产生的温室气体(GHG)排放所驱动，给社会带来了复杂的挑战。建筑行业对全球温室气体排放的贡献超过21%，已成为通过采用可再生能源、节能建筑和使用生物基材料来加强脱碳过程的气候减缓的重要目标。用木材替代具有高隐含温室气体排放的传统建筑材料（如混凝土、钢铁、铝和砖）提供了在整个生命周期减少建筑气候影响的显著机会。此外，木材生产通过增强连续的树木生长循环和木制品中的碳储存来促进二氧化碳(CO₂)清除，从而支持林业部门在气候减缓中的作用。

锯材价值链概念框架

概念框架将建筑中的锯材价值链视为一个动态系统，其中各阶段之间的相互依赖性塑造了生产成果和材料使用。它确定了五个主要阶段：(1) 森林管理；(2) 木材供应；(3) 通过锯切和干燥进行初级加工；(4) 通过层压进行次级加工；(5) 作为最终应用的建筑。木制品流取决于原木可用性和所需规格，产生一个将上游活动与建筑材料交付联系起来的连续序列。

第一阶段，森林管理，包括从种植到采伐树木的所有活动。管理实践和生长周期针对特定的最终用途量身定制。小直径树木和林业作业的剩余物通常用于生物能源，中等直径树木用于纸浆，较大直径树木用于锯材。森林管理者寻求最小化达到目标直径的时间和成本，这取决于树种、立地特征和预期的木制品。

材料与方法

对增强建筑行业木材使用机会的分析采用了两种互补的方法。首先，是一个更广泛和聚合的视角，检查了各行业和最终用途的圆材物料流。其次，在微观尺度上采用了更聚焦的方法，检查特定的针叶树人工林和采伐木材的替代用途。后一种视角能够更详细地分析与延长建筑中木材使用相关的潜在气候效益。

使用FAOSTAT – 林业数据库估算了智利、墨西哥和西班牙三国国家层面的木材生产和使用的圆材物料流。这些统计数据表明了每个国家制造的木质产品的估计体积和/或数量。这些数据被汇总为五种主要类型的木材工业：锯木厂、板材和板、纸、纸浆和用于能源的生物质（生物能源）。

基于三个模拟案例研究（完全基于二手数据）分析了碳储量动态，量化了通过树木生长的大气CO₂去除以及林业作业和锯木厂加工过程中产生的木制品、副产品和残留物的碳排放。估算树木生物量或木材体积生长和碳储量（以t CO₂/ha表示）的方法根据每个案例研究的数据可用性而有所不同。

结果

木质生物量流

估计数据显示，2017年，智利的国内林业工业动员的圆材量几乎是墨西哥和西班牙总和的两倍，其中超过一半的量流向纸浆工业。相比之下，纸工业在西班牙（37%）和墨西哥（30%）占比最大，而生物能源在墨西哥的消费中占主导地位（52%）。锯木工业在这三个国家的总圆材使用中仅占不大份额（12-19%），尽管其在生产具有长期碳储存潜力的材料方面发挥着核心作用。

圆材使用和锯材质量分布

锯木工业的效率（定义为去皮圆材转化为锯材的比例）约为50%，范围在49%至51.5%之间。锯材的使用由其等级决定。在墨西哥，约7.2%的锯材被归类为优质材，23%为实用级材，69.8%为低等级材。在西班牙，由于欧洲赤松的轮伐期较长（超过70年），预计优质材的比例更高。

建筑木材使用情景中的碳去除和储存

模拟了三种木材使用情景（S1, S2, S3）以估计将采伐木材分配到长效建筑材料中的潜在气候效益。传统情景（S1）假设优质锯材分配给长效木制品（梁和家具），半衰期为70年，而实用级木材用于轻型家具制造，半衰期为30年。工程木材情景（S2）假设实用级木材重新定向用于建筑中的大型木材生产（如胶合木），将其寿命延长至70年。第三种情景（S3）代表一个极端情况，低等级木材也用于创建非结构建筑元素，半衰期为70年。

估计的固存因树种和轮伐期长度而异。在墨西哥，P. patula人工林在30年内每公顷积累约990 t CO₂。智利的辐射松生长更快，在25年内达到约每公顷1,200 t CO₂。欧洲赤松生长更慢，在100年内储存约每公顷1,400 t CO₂，或在50年内约870 t CO₂。

模拟显示，碳保留水平取决于分配策略。正如预期，S1导致随时间推移木材产品中储存的碳水平最低，而S2通过将更大量的木材纳入结构用途产生中等改善。在S3中观察到最高的保留，其中全部锯材用于建筑，特别是在智利，更快的生长速率放大了固存潜力。

增加木材分配到建筑的气候效益

在100年时间范围内，三种木材使用情景的气候效益（以吨年当量CO₂表示）总结表明，从S1过渡到S2使储存增加5.5%，S3使其提高35.5%。西班牙显示出较小的收益，增加1.6%（S2）和5.5%（S3），反映了欧洲赤松较长的轮伐期和较慢的生长。这些结果表明，将优质和实用级木材重新分配到结构建筑只有有限的效益（1.6%–5.5%），而锯材全部分配到建筑——尽管是一个理论上的上限——说明了一个更大的潜力。

讨论

基准木材流：洞察力和数据差距

智利、墨西哥和西班牙各行业圆材的分布强调了检查国家模式如何与更广泛的国际基准相比较的重要性。尽管表格突出了纸浆、纸和生物能源在塑造物料流中的主导作用，但这些估计并未完全捕捉圆材需求的复杂性，因为残留物和副产品通常跨价值链重新分配。这一限制指出了一个更广泛的挑战：缺乏关于转化效率和锯材最终分配的系统数据，这限制了评估替代效应和扩大建筑中长寿命木材使用潜力的能力。

将低等级木材整合到建筑中的障碍和机遇

将木材使用主流化到建筑中面临多重障碍，包括现有技术和社会系统及观念的韧性、市场需求不足、成本高、替代过时技术的激励有限以及普遍缺乏对其应用的知识。这些挑战因人工林木材的质量和尺寸限制而加剧。创新工程木材加工技术可以增强低等级木材的性能，并扩大其对于结构和非结构应用的适用性。

我们的研究强调了通过将低等级木材整合到建筑行业来推进可持续建筑实践的潜力，从而延长木制品中的碳保留。将低等级锯材、林业残留物和工业副产品整合到建筑过程中可以优化资源使用并增强建筑材料中的碳储存。

增加建筑中木材使用的气候效益

碳储存情景（S1、S2和S3）提供了一个评估建筑中木材利用的气候变化减缓效益的框架。该方法将树木生长过程中的碳固存与100年时间范围内木制品的碳衰减相结合，为了解林业实践与建筑应用之间的相互作用提供了宝贵的见解。此外，木材使用情景的分析突出了优化木材应用以增强碳固存和延长木制品生命周期的潜力。

局限性与未来方向

方法学范围与局限性

使用长期时间范围（例如，50年或更长时间）不应被解释为精确预测。相反，它代表了一个探索替代情景下潜在轨迹的前瞻性练习。目的是评估如果将通常 destined 用于焚烧或处置的低等级木材重新定向到长效建筑中可以实现的减缓潜力。这些情景并非旨在提供精确预测，而是为了说明合理的路径并突出木材短寿命和长寿命用途之间的差异。

用于评估木材利用的气候效益的方法存在一些重要的局限性。首先，它依赖于木制品的线性衰减模型，该模型未捕捉实践中观察到的碳释放的非线性模式。这种简化可能会扭曲排放估计，特别是对于长效建筑元素。其次，工程木产品加工过程中的排放未完全计入，尽管它们会影响净气候平衡，特别是在S2和S3情景中，其中更大比例的木材被重新定向到建筑。

推进研究与实践的路径

情境特定的方法至关重要，考虑到不同地区在森林资源、工业能力和建筑实践方面的差异。西班牙的长轮伐期欧洲赤松生产用于结构应用的更高级别木材，而墨西哥和智利通过较短的轮伐期产生更大量的低等级木材。加强人工林木材的回收并使森林管理与建筑需求保持一致对于可持续供应链至关重要。

推进研究和实践需要结合技术创新、供应链优化和利益相关者参与。优先事项包括开发改进的保存方法、高效的连接技术和模块化系统，以扩大低等级木材的使用。优化物流和解决季节性变化将有助于确保稳定的供应，而培训和社会影响评估可以建立能力和公众接受度。

结论

我们的结果表明，将木材重新分配到长寿命建筑用途可以带来显著的气候效益，但幅度在很大程度上取决于树种生长速率、轮伐期长度和分配策略。在墨西哥、智利和西班牙，代表优质和实用级木材部分转向建筑的S2情景仅产生适度的碳储存收益（2-5%）。相比之下，S3情景展示了理论上的上限，在墨西哥潜在增加32%，智利35%，西班牙5%。这些发现强调，有意义的的气候减缓贡献较少依赖于增量转变（S2），而更多依赖于雄心勃勃但具有挑战性的策略，这些策略扩大低等级木材在耐用建筑系统中的应用。

同时，我们的模拟强调了情境的重要性。智利快速生长的辐射松人工林为快速碳固存提供了最大潜力，而西班牙的长轮伐期欧洲赤松由于生长较慢而提供较小的相对收益。墨西哥显示出中间结果。总之，这些差异表明减缓策略不能一概而论；相反，它们需要针对具体国家的方法，使森林管理、工业能力和建筑需求保持一致。虽然需要通过生命周期评估和更广泛的环境指标进行进一步细化，但此处提供的证据证实，将木材流重新定向向长寿命建筑有潜力成为气候响应型森林和建筑政策的核心组成部分。