(2023年11月30日)
科学问题
随着城市人口的增加，城市中的设施建设不断增多。到本世纪中叶，新建的基础设施(包括新的城市住房)可能会超过自工业化以来建造的基础设施。传统建筑材料的生产会造成大量二氧化碳的排放，而使用工程木材建造建筑物有助于减少相关排放。已有研究讨论了在建筑中使用木材对于气候变化的减缓作用，但目前尚不清楚未来应在何处以及以何种方式满足对木制建筑材料的额外需求。
解决方法
本文从满足额外工程木材需求带来的土地利用变化以及木质建筑材料中长期碳储存两方面探究了建设木材城市对土地利用和碳排放的影响。具体方法包括以下7个部分。
1.应用土地利用模型。本研究利用全球多区域陆地系统模拟框架MAgPIE用于预测在向木材城市过渡前提下的全球土地利用变化。该模型为每个模拟单元选择最优的土地利用模式、产量以及农业和木材生产的总成本。模型的空间分辨率为0.5°。在其所应用的数据中，生物物理数据来源于LPJmL模型、对农产品(食品、饲料等)的需求根据SSP2情景对人口和收入的预测进行计算、对木材的需求根据SSP2情景对城市人口的预测进行计算。
2.预测森林的动态变化。在MAgPIE模型中，本研究关注的森林通过两个独立的部分进行建模，分别是林地和自然植被。其中模型中的林地部分为高度管理的人工林，在默认情况下被建模为自然植被的再生，其生长遵循S形生长曲线。这部分的面积根据Forest Resource Assessment国家级人工林数据进行初始化。而自然植被部分包括原始林、次生林和非森林自然植被。自然植被基于Land-Use Harmonization数据集进行初始化。假设自1995年，原生林以最高的年龄级存在，次生林在第一个模拟周期内遵循年龄级结构。
3.计算未来木材需求。本研究共计算三种木材产品——工业圆木、木材燃料和工程木材的需求。其中，工业圆材和木材燃料的需求是根据这些产品的当前需求以及未来人口和收入变化预测来计算的。工程木材的需求是根据SSP2情景下预测的城市人口峰值计算得到的。
4.模拟全球贸易。MAgPIE模拟世界各地区之间的“农业和木材贸易”，确保各地区对食品、饲料和木材的需求始终可以通过国内生产以及从其他地区进口来满足。在MAgPIE中，一个地区的农产品和木材产品需求可以通过两种方式来满足:(1)基于历史观测区域特定贸易模式的自给自足池;(2)基于最优成本效益生产的比较优势池。由于向木材城市的过渡可以被视为世界走向可持续的标志，本研究在MAgPIE中使用全球化贸易规范。
5.计算土地利用变化相关的碳排放。本研究考虑了(1)土地利用变化总排放、(2)自然森林退化造成的排放(作为土地利用变化总排放的一部分)、(3)森林和其他土地的再生、(4)木材产品中的长期碳储存以及(5)工业圆木和工程木材由于腐烂而向大气中缓慢释放二氧化碳。
6.计算建筑原材料生产过程的排放。新建城市建筑原材料生产的排放基于住宅建筑的人均建筑面积、建筑主要结构的材料强度以及与建筑材料生产相关的排放因子进行计算。
7.在MAgPIE中，根据IPCC第1级指南计算了采伐木产品的长期碳储量，同时也计算了现有木材产品因腐烂而缓慢释放到大气中的二氧化碳。为了避免重复计算树木的固碳量以及采伐木产品的长期碳储存量，本研究假设无论何时生产圆木(工业圆木或木材燃料)，圆木中储存的所有碳都会流失到大气中。
MAgPIE预测2020年全球森林种植面积为137Mha，与FAOSTAT数据有较好的一致性。在整个世纪中，在BAU（一切如常）情景下，全球种植面积预计将达到276Mha，在10%情景（10%的城市新增人口将居住在木制建筑中）下为291Mha，在50%情景下为360Mha，在90%情景下为425Mha，如图2所示。
针对SSP1和SSP3情景进行的敏感性分析显示，土地利用的累积排放(图1a.3)和总体累积排放(图1c)对SSP1情景的社会经济发展比SSP3更敏感。与SSP2或SSP3场景相比，SSP1中快速城市化的世界对新建城市住房的建筑材料需求更高。在新型木结构建筑中，与工程木材使用相关的累积排放(图4)对SSP1情景的社会经济发展也比SSP3更敏感。与SSP2和SSP3相比，SSP1的长期碳储存潜力更高，这与SSP1情景下城市化程度更高的世界对新建城市住房建筑材料的需求更高有关。即使这样高城市化水平的世界在生产工程木材过程中会产生大量的二氧化碳，从长远来看，碳储存的潜力足以弥补这些排放。
个人评价
通过合理采伐以及在建筑中使用工程木材可以减少碳排放，为减排提供了新的选择。本研究基于MAgPIE模型评估了工程木材需求增加对土地利用和相关二氧化碳排放的影响，量化了未来木材城市建设将带来的人工林面积增加及其对于减排的效益。但是本研究对于树木生长的自然环境条件限制考虑较少、对于未来工程木材需求的计算结果具有较大的不确定性、没有考虑气候变化对树木生长等的影响等，可能会造成结果较大的不准确。
Land use change and carbon emissions of a transformation to timber cities
Abstract：
Using engineered wood for construction has been discussed for climate change mitigation. It remains unclear where and in which way the additional demand for wooden construction material shall be fulfilled. Here we assess the global and regional impacts of increased demand for engineered wood on land use and associated CO2 emissions until 2100 using an open-source land system model. We show that if 90% of the new urban population would be housed in newly built urban mid-rise buildings with wooden constructions, 106 Gt of additional CO2 could be saved by 2100. Forest plantations would need to expand by up to 149 Mha by 2100 and harvests from unprotected natural forests would increase. Our results indicate that expansion of timber plantations for wooden buildings is possible without major repercussions on agricultural production. Strong governance and careful planning are required to ensure a sustainable transition to timber cities even if frontier forests and biodiversity hotspots are protected.
Citation：
Mishra, Abhijeet & Humpenöder, Florian & Churkina, Galina & Reyer, Christopher & Beier, Felicitas & Bodirsky, Benjamin & Schellnhuber, Hans & Lotze-Campen, Hermann & Popp, Alexander. (2022). Land use change and carbon emissions of a transformation to timber cities. Nature Communications. 13. 10.1038/s41467-022-32244-w.
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