《Cleaner Environmental Systems》：Dynamic Life Cycle Assessment of Fibrous Agricultural Residues for Long-Lived Carbon Storage in Building Materials
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本研究通过结合全球质量流分析与动态生命周期评估，量化了将农业废弃物从燃烧等短寿命利用途径转向长寿命建筑产品所带来的气候效益。研究结果表明，在可再生能源替代的背景下，完全转向长寿命应用可产生持续的冷却效应，中位辐射强迫可达-0.6 W.m-2，百年温降达-0.35°C。然而，受建筑市场需求限制，实际可实现的降温幅度远低于理论潜力，凸显了开发除保温材料外其他长寿命应用的必要性。
每年，全球农业活动会产生约140亿吨生物质，其中约44亿吨是来自小麦、水稻、玉米等作物的纤维状废弃物。这些废弃物蕴含着巨大的生物碳，但它们的命运却往往与气候目标背道而驰。目前，全球每年约有17.5亿吨干物质的农业废弃物被露天焚烧，瞬间将碳释放回大气；另有部分被用于热电联产或生产生物燃料，虽然实现了能源利用，但碳的周转周期依然很短。这些短寿命的利用方式，使得农业废弃物这一巨大的潜在碳汇，反而成为了气候变化的“帮凶”。
为了扭转这一局面，将农业废弃物转化为长寿命的建筑材料（如保温材料、复合材料等）被视为一种极具潜力的负排放技术。通过这种方式，生物碳可以被“锁定”在建筑中长达数十年甚至上百年，从而延缓其返回大气的时间，为应对气候变化争取宝贵的时间窗口。然而，这种策略的净气候效益究竟有多大？它是否真的能带来显著的降温效果？为了回答这些问题，来自东伦敦大学可持续性研究所的Bamdad Ayati、Armor Gutierrez和Alan Chandler团队开展了一项开创性的研究，将全球质量流分析与动态生命周期评估相结合，系统性地量化了将农业纤维废弃物转向长寿命建筑材料的全球气候效益。该研究于2026年发表在《Cleaner Environmental Systems》期刊上。
为了开展这项研究，研究人员首先进行了全球质量流分析，以确定农业废弃物的“家底”和去向。他们利用联合国粮农组织2019-2023年的数据，结合作物与副产物比例，估算出全球每年可收集的农业废弃物干物质总量约为44亿吨。随后，他们根据文献数据，将这些废弃物分配到了不同的利用途径中，包括露天焚烧、热电联产、生物燃料、动物饲料、还田以及长寿命产品等。
在此基础上，研究团队构建了一个动态生命周期评估模型。与传统的静态评估方法不同，动态生命周期评估能够精确地追踪碳排放和清除的时间动态。他们采用了伯尔尼碳循环脉冲响应模型，将每年的排放和清除量转化为大气中二氧化碳浓度的变化，进而计算辐射强迫和全球平均地表温度响应。通过这种方式，模型能够捕捉到避免露天焚烧带来的即时减排效益、生物碳在建筑中储存数十年带来的延迟释放效益，以及不同能源替代方案（如化石能源电网或可再生能源）的长期影响。
研究团队设定了多种情景来探索不同的政策和技术路径。这些情景包括：仅将露天焚烧的废弃物转向建筑应用；将所有用于燃烧的废弃物（包括热电联产和生物燃料）全部转向建筑应用，并考虑不同的能源替代方案；在现有废弃物基础上，额外利用5000万公顷边际土地种植高产作物以增加生物质供应；以及受建筑市场需求限制的情景，即生物基材料在建筑保温市场中的份额从1%逐步提升至25%、50%或100%。
全球质量流分析揭示废弃物利用现状
研究结果显示，全球每年可收集的约44亿吨农业废弃物中，绝大部分都流向了短寿命的利用途径。其中，露天焚烧是最大的去向，每年消耗约17.5亿吨干物质，相当于瞬间释放约32亿吨二氧化碳当量。其次是动物饲料（8.8亿吨）和还田（6.6亿吨），这些途径虽然不直接燃烧，但碳也会在较短时间内通过动物呼吸或土壤分解返回大气。相比之下，目前进入长寿命产品（如建筑材料和纸张）的废弃物量微乎其微，每年仅约0.02亿吨，封存的碳量不足0.05亿吨二氧化碳当量。这一分析清晰地表明，农业废弃物作为碳汇的巨大潜力远未被发掘。
动态生命周期评估量化气候效益
动态生命周期评估的结果显示，将农业废弃物从短寿命利用转向长寿命建筑应用，能够产生显著的净冷却效应。其中，仅消除露天焚烧这一项，就能在100年内产生-0.51 W.m-2的辐射强迫降低，相当于-0.28°C的降温效果。如果将用于所有燃烧途径的废弃物（约24.5亿吨）都转向建筑应用，并采用可再生能源来替代被挤占的能源供应，那么降温效果将进一步增强，100年内辐射强迫降低可达-0.72 W.m-2，温度降低-0.41°C。
如果在此基础上，再额外利用5000万公顷边际土地种植高产作物，虽然会因土地利用变化产生早期的碳排放，但长期来看，由于生物质供应量的大幅增加，降温效果最为显著，100年内辐射强迫降低可达-1.09 W.m-2，温度降低-0.61°C。
然而，上述理想情景的实现，都依赖于一个关键假设：建筑行业能够吸收如此巨量的生物质。为了更贴近现实，研究团队设定了受市场需求限制的情景。结果显示，即使生物基保温材料在25年内占据了全球100%的市场份额，每年能够吸收的废弃物量也仅为0.03-0.04亿吨，远低于理论潜力。在这种情况下，100年内产生的降温效果微乎其微，辐射强迫降低仅为-0.0164 W.m-2，温度降低仅为-0.0125°C。这一结果揭示了建筑行业需求与生物质供应潜力之间的巨大鸿沟。
敏感性分析识别关键不确定性
为了评估研究结果的稳健性，研究团队进行了敏感性分析。结果显示，在废弃物大规模转向建筑应用的情景下，最大的不确定性来源是建筑产品的使用寿命和废弃后的处理方式。例如，产品是使用60年后被完全焚烧，还是部分被填埋并缓慢分解，对最终的降温效果有显著影响。相比之下，生产过程排放、运输排放等因素的不确定性对结果的影响相对较小。在受市场需求限制的情景下，所有参数的不确定性对结果的影响都非常有限，这进一步印证了“市场需求是主要限制因素”的结论。
研究结论与意义
这项研究通过严谨的全球质量流分析和动态生命周期评估，首次系统性地量化了将农业纤维废弃物转向长寿命建筑材料的全球气候效益。研究得出的核心结论是：从理论上讲，这一策略具有巨大的降温潜力，尤其是在消除露天焚烧并采用可再生能源替代的情况下。然而，建筑行业对生物基材料的需求有限，是制约这一潜力发挥的“瓶颈”。目前，全球建筑保温市场每年仅能吸收约0.03-0.04亿吨生物质，这还不到全球农业废弃物总量的1%。
因此，该研究的意义不仅在于揭示了农业废弃物作为碳汇的巨大潜力，更在于指出了实现这一潜力的关键路径。仅仅依靠开发保温材料是远远不够的。为了真正解锁农业废弃物的气候减缓价值，必须开发更多样化的长寿命应用，例如非结构性的建筑板材、墙体材料等，以扩大生物质在建筑领域的应用范围。同时，也需要探索建筑领域之外的其他长寿命碳封存途径。这项研究为政策制定者和产业界指明了方向：在推动生物基材料发展的同时，必须同步解决“需求侧”的瓶颈问题，才能真正将农业废弃物从气候负担转变为气候资产。
