复旦王玉涛教授团队在《自然》发表首篇关于造纸行业净零排放的研究论文
2023年12月18日，复旦大学环境科学与工程系、复旦丁铎尔中心王玉涛教授团队领衔与合作者在《自然》杂志（Nature）在线发表题为“Country-specific net-zero strategies of the pulp and paper industry”（《制浆造纸行业的国家差异化净零排放策略》）的研究论文（Article），首次从系统视角揭示了全球主要造纸生产与消费国家造纸行业温室气体排放特征，提出了2050年不同国家实现该行业净零排放目标的差异化策略。
联合国应对气候变化公约第28届缔约方大会（COP28）指出了当前实现《巴黎协定》的1.5摄氏度目标的行动窗口正在迅速变小，强调了各国尽快采取深度减排措施的紧迫性。工业是全球温室气体排放的主要来源之一，工业部门的脱碳对实现净零排放目标至关重要。与其他领域相比，工业部门的脱碳更具复杂性与挑战性。工业脱碳不仅需要面对工业过程复杂性，还需要对整个供应链、产品设计、生产流程、产品消费、循环再生等环节进行系统性变革，很难单纯依靠可再生能源实现脱碳目标。实现不同地区工业部门脱碳需要研究差异化的策略，充分考虑不同工业部门技术特征、原料获取方式、能效提升、能源转型、废物处理、循环再生等因素，还需要技术创新、政策引导以及各方的紧密合作。
造纸行业是全球人为温室气体排放的主要贡献者之一，由于该行业温室气体排放呈现显著的复杂性特征，推动其逐步脱碳并实现净零排放面临系统性挑战。首先，造纸行业产业链长，涉及林业、化工、能源、回收等多个行业，这些行业在原料采集、产品生产、废弃物管理等阶段与造纸行业相互作用，共同影响着造纸行业温室气体排放。因此，当前多数相关措施或研究仅关注生产阶段等单一阶段或过程的碳减排，可能会忽略其他环节的减缓机会。其次，从系统视角来看，造纸行业具有碳源与碳汇的双重属性，这进一步增加了该行业温室气体排放特征的复杂性。尽管部分研究通过生命周期分析等方法考虑了造纸行业多个阶段的温室气体排放，但往往忽略了上游可能存在的森林碳排放和下游形成的碳存量。此外，在多个阶段多个过程影响造纸行业温室气体排放的因素，如资源禀赋、能源特征、生产结构、技术水平等，具有显著的区域异质性，加剧了造纸行业脱碳的难度。
针对以上问题，该论文建立了首个涵盖全球30个主要造纸生产与消费国家长时序（1961—2019）、多阶段、多过程、高解析度的造纸行业温室气体排放数据集，揭示了该行业温室气体排放特征，从时间、阶段、过程、空间等多个维度识别了排放热点，并通过情景分析研究提出了考虑各国本地化特征的2050年净零排放策略。研究结果表明，1961—2019年，全球造纸行业温室气体累积排放435亿吨CO2-eq，其中，使用与废弃物管理阶段形成的碳存量抵消了超过100亿吨CO2-eq（图1）。原料采集阶段和使用及废弃物管理阶段的温室气体排放几乎占据了总排放的一半，凸显了生产阶段以外减排工作的重要性。其中，由不可持续浆木采伐带来的毁林和森林退化导致的温室气体排放（森林碳排放）占原料采集总排放的64%（即69亿吨CO2-eq）。近期COP28会议强调了保护森林和防止毁林的重要性，该研究结论表明实现森林的可持续管理对造纸行业实现净零排放目标尤为重要。
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图1. 1961-2019年造纸相关全球温室气体排放量
1961—2019年，各国造纸行业温室气体净排放呈现先上升后下降或稳定的趋势，发达国家达峰普遍早于发展中国家（图2）。造纸行业的温室气体净排放热点从发达国家转移到了发展中国家，指明了全球造纸行业未来减排的重点区域。在东南亚、拉美和澳洲等地区，森林碳排放一度占主导地位，而其他国家造纸行业温室气体排放主要集中在生产和使用及废弃物管理阶段。发展中国家的负排放主要来自垃圾填埋存量，而发达国家的负排放主要来自非能量回收形成的碳存量，且近年来此类碳存量占比有所上升。结果表明，各国造纸行业温室气体排放特征存在显著差异，应针对每个国家造纸行业本地化特征制定脱碳措施。
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图2. 1961-2019年30个国家造纸相关部门的温室气体排放
情景分析结果显示，能源结构和能源效率的改进是最为有效的减排措施，能够在30个国家中分别实现64%和41%的平均减排量（图3）。然而，其他措施在不同国家之间的效果差异很大。例如，对于林业资源丰富的热带发展中国家来说，改进木材采伐实践更为有效，而对于埃及、法国、新西兰等国家，改善废弃物处理结构和提升甲烷捕获率的效果更好。值得注意的是，回收率能够通过影响造纸行业各环节的物质流动，从而对各国造纸行业温室气体排放产生不同影响。因此，有关回收政策调整需要根据国家本地化特征谨慎选择。此外，印度尼西亚、印度、中国、美国和巴西等5个国家2050年对全球造纸行业温室气体排放影响显著（0.51~8.26亿吨CO2-eq），同时其碳存量潜力最大（0.23~1.02亿吨CO2-eq），可能会在全球造纸行业脱碳过程中起到主导作用，需要被重点关注。
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图3. 单一措施对30个国家2050年温室气体排放的影响和所有情景下温室气体排放量
到2050年，30个国家造纸行业都有望实现净零排放，但实现的可能性和难度显著不同（图3和图4）。多数发展中国家造纸行业2050年实现净零排放的目标面临着显著挑战，而意大利、法国、挪威等欧洲国家的造纸行业实现净零排放的难度相对较低。多数发达国家可以通过单一措施实现净零排放，但需基于特定环节实施极具挑战性的改进措施；大多数发展中国家净零排放目标的实现则需要依赖多个阶段措施的紧密配合。除了能效提升和能源转型等措施外，森林资源丰富的热带发展中国家应优先考虑加强可持续森林管理，而其他发展中国家应更加重视废纸管理相关措施。
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图4. 2050年各国造纸行业净零排放策略分析
综上所述，该研究首次针对全球主要纸产品生产与消费国的造纸行业构建了包括原料采集、制浆、造纸与印刷、使用与废弃物管理等多阶段多过程的1961—2019年温室气体排放数据清单，强调了从系统视角研究造纸行业温室气体排放特征的必要性，提出了考虑区域异质性的不同国家造纸行业实现净零排放的差异化策略。该论文是《自然》主刊首篇关于造纸行业净零排放的研究文章，为推动工业行业逐步脱碳并实现净零排放目标提供了重要的科学参考。
复旦大学环境科学与工程系博士研究生代敏为论文唯一第一作者，复旦大学环境科学与工程系王玉涛教授为论文唯一通讯作者，联合了来自中国科学院地理科学与资源研究所、南昌大学、美国田纳西大学、华南理工大学、巴西保利斯塔大学、山东大学、菲律宾德拉萨大学、清华大学、英国伦敦大学学院等国内外合作单位学者共同完成。
王玉涛教授研究团队长期从事生态环境系统工程研究，近年来在清洁生产与产业生态、碳中和与生物基经济、绿色“一带一路”研究等方面取得多项进展，结合本研究取得的成果在马来西亚造纸企业成功开展了海外清洁生产示范工程。该项研究工作得到了国家科技部重点研发计划项目、国家自然科学基金等项目的资助。
【论文链接】
https://www.nature.com/articles/s41586-023-06962-0
来 源
环境科学与工程系
制 图
曹丹青 等
责 编
李斯嘉
编 辑
穆梓
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