馮 雪，吳國春，曹玉昆，張濱，郭思源

(東北林業(yè)大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院,哈爾濱 150040)

0 引言

生物質(zhì)能源是一種蘊藏在生物質(zhì)中的能量，以農(nóng)林廢棄物、禽畜糞便和生活垃圾等為原料，具有污染少、可再生等特點，是一種綠色低碳的清潔型能源[1]。黑龍江省重點國有林區(qū)一直以木材采伐和加工為主體產(chǎn)業(yè)，但隨著“天保工程”一期、二期的實施，木材產(chǎn)量逐步減少，傳統(tǒng)木材產(chǎn)業(yè)發(fā)展受限。2014年初，國家林業(yè)局下發(fā)了《關(guān)于切實做好全面停止商業(yè)性采伐試點工作的通知》，同年4月1號起，黑龍江省重點國有林區(qū)全面禁止天然林商業(yè)性采伐開始實施[2]。這一系列政策的相繼出臺，推動了黑龍江省重點國有林區(qū)發(fā)展重點的變化，由木材增產(chǎn)轉(zhuǎn)為加強(qiáng)森林資源培育。而以材木采伐和加工為主的傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，已不適應(yīng)新時期林區(qū)的發(fā)展需求，經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型迫在眉睫，林區(qū)急需尋找新的發(fā)展方向。黑龍江省重點國有林區(qū)林業(yè)剩余物資源豐富，各林種撫育、修枝和平茬產(chǎn)生大量的剩余物資源，但開發(fā)利用的資源量較少。黑龍江省是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大省，農(nóng)作物秸稈作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的廢棄物，綜合利用率較低。2015年，黑龍江省農(nóng)作物秸稈焚燒量達(dá)2 200萬t，約占農(nóng)作物秸稈總量的30%，造成了環(huán)境污染，加重了霧霾天氣[3，4]。全面停伐后，黑龍江省重點國有林區(qū)職工家庭可支配收入較低，收入增長緩慢，遠(yuǎn)低于全國及黑龍江省的平均水平，人均可支配收入相當(dāng)于黑龍江省城鎮(zhèn)居民可支配收入的62%[2]。黑龍江省重點國有林區(qū)農(nóng)林剩余物資源豐富，為林區(qū)發(fā)展生物質(zhì)能源產(chǎn)業(yè)提供了資源保障。在經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型過程中，發(fā)展綠色、可持續(xù)的生物質(zhì)能源產(chǎn)業(yè)，能夠助力林區(qū)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型，促進(jìn)林區(qū)生態(tài)—經(jīng)濟(jì)—社會的協(xié)調(diào)發(fā)展，而明確生物質(zhì)能源的可利用潛力是產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)。

國內(nèi)外學(xué)者對生物質(zhì)能源潛力進(jìn)行了初步探討。國外學(xué)者研究集中在兩方面：一是全球生物質(zhì)能源資源量的估算[5，6]； 二是生物質(zhì)能源的資源潛力[7-9]及經(jīng)濟(jì)潛力[10]。國內(nèi)研究集中在兩方面：一是全國及地區(qū)生物質(zhì)能源資源量的估算[11，12]； 二是生物質(zhì)能源資源的地理分布[13]及區(qū)域發(fā)展?jié)摿14，15]。已有文獻(xiàn)多數(shù)是從國家層面或省級層面對生物質(zhì)能源潛力進(jìn)行分析，少有從國有林區(qū)層面對生物質(zhì)能源可利用潛力的研究。鑒于此，文章利用自下而上估算法，對2005—2015年黑龍江省重點國有林區(qū)生物質(zhì)能源的資源量進(jìn)行計算，分析生物質(zhì)能源的可利用潛力及變化趨勢，以期為未來生物質(zhì)能源發(fā)展的定位和政策制定提供參考依據(jù)，促進(jìn)國有林區(qū)實現(xiàn)轉(zhuǎn)型發(fā)展。

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

黑龍江省重點國有林區(qū)(也稱黑龍江省森林工業(yè)總局、龍江森工集團(tuán))分布在小興安嶺、完達(dá)山、老爺嶺和張廣才嶺等區(qū)域，是東北亞陸地生態(tài)系統(tǒng)和東北“大糧倉”的天然生態(tài)屏障，是黑龍江、烏蘇里江、松花江、嫩江、牡丹江和綏芬河等六大水系的主要發(fā)源地和涵養(yǎng)地，具有重要的生態(tài)、經(jīng)濟(jì)和社會地位。黑龍江省重點國有林區(qū)經(jīng)營總面積1 009.8萬hm2，占全國國有林區(qū)面積的26.61%，占黑龍江省國土面積的22%[16，17]。其中，有林地面積約858萬hm2，森林總蓄積量8.6億m3，森林覆蓋率達(dá)85.1%。黑龍江省重點國有林區(qū)下轄牡丹江、合江、伊春、松花江4個林管局和總局直屬的帶嶺實驗局，共40個林業(yè)局，627個林場(所)及140個處級以上企事業(yè)單位。40個林業(yè)局分布在黑龍江省10個地市、37個縣(市)，其中有19個局跨2個及以上縣(市)(圖1)。

圖1 黑龍江省重點國有林區(qū)分布

1.2 研究對象

研究對象為黑龍江省重點國有林區(qū)的生物質(zhì)資源，包括林木生物質(zhì)資源和農(nóng)作物秸稈資源。根據(jù)國有林區(qū)的特點，結(jié)合文獻(xiàn)研究[11，12，18]及實地調(diào)查情況，文將黑龍江省重點國有林區(qū)的林木生物資源分為兩類：第一類是林地生長剩余物，即未被列入工業(yè)用材采伐的低保護(hù)級別或非林地生長的林木，包括灌木林平茬剩余物、經(jīng)濟(jì)林撫育修枝剩余物和四旁植樹撫育修枝剩余物； 第二類是林地生產(chǎn)剩余物，即林區(qū)在生產(chǎn)、經(jīng)營過程中產(chǎn)生的林木剩余物，包括森林撫育剩余物、商品林采伐剩余物、林產(chǎn)品加工剩余物及苗木定桿、截桿剩余物。農(nóng)作物秸稈是農(nóng)作物成熟、收割后，剩余的莖葉(穗)部分，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)主要的副產(chǎn)品，黑龍江省重點國有林區(qū)農(nóng)作物秸稈主要包括九大類[19](圖2)。

圖2 黑龍江省重點國有林區(qū)生物質(zhì)能源資源類型

1.3 數(shù)據(jù)來源

林木生物質(zhì)資源的原始數(shù)據(jù)來自《中國林業(yè)統(tǒng)計年鑒》和黑龍江省森林工業(yè)總局統(tǒng)計資料，農(nóng)作物秸稈資源的原始數(shù)據(jù)來自《黑龍江省森林工業(yè)綜合統(tǒng)計資料匯編》。數(shù)據(jù)基年為2005，截止2015年，研究年限為11年。

2 研究方法

由于研究范圍和對象不同，生物質(zhì)能源潛力的研究方法較多，如自下而上估算法(Bottom Up Approach)[11，20，21]、GIS[22]和林業(yè)生長與收獲模型(Average Stand Growth and Yield Models)[23]等。自下而上估算法是對分解后的項目進(jìn)行估算，而后逐級累加的一種項目成本估算方法。該文采用自下而上估算法，以黑龍江省重點國有林區(qū)林木生物質(zhì)的資源量和農(nóng)作物秸稈的產(chǎn)量為原始數(shù)據(jù)，乘以相應(yīng)的折算系數(shù)，得到生物質(zhì)資源的可能源化利用資源量，從而分析黑龍江省重點國有林區(qū)生物質(zhì)能源的可利用潛力及其變化趨勢。

2.1 林木生物質(zhì)資源量

2.1.1 林木生物質(zhì)剩余物資源量

林木生物質(zhì)剩余物資源量是各林種撫育修枝或生產(chǎn)經(jīng)營過程中產(chǎn)生的林木剩余物資源總量，計算公式為：

(1)

式(1)中，F(xiàn)Rr為林木生物質(zhì)剩余物資源量，F(xiàn)Ri為第i種林木資源量(FRi為商品林采伐剩余物和林產(chǎn)品加工剩余物時，F(xiàn)Ri分別為商品林采伐量和林產(chǎn)工業(yè)產(chǎn)品總量)，ri為第i類資源的剩余物折算系數(shù)。

2.1.2 林木生物質(zhì)可能源化利用資源量

林木生物質(zhì)可能源化利用資源量是可轉(zhuǎn)化為能源的林木資源量，計算公式為：

(2)

式(2)中，F(xiàn)Re為林木生物質(zhì)可能源化利用資源量，ei為第i類資源的可能源化利用系數(shù)。

2.2 農(nóng)作物秸稈資源量

2.2.1 農(nóng)作物秸稈理論資源量

農(nóng)作物秸稈理論資源量是指農(nóng)作物收獲后剩余的植株總量，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要副產(chǎn)品[24]。黑龍江省重點國有林區(qū)的農(nóng)作物主要包括九大類，具體見圖2。計算公式為：

(3)

式(3)中，CRt為農(nóng)作物秸稈理論資源量，CYi為第i類農(nóng)作物的產(chǎn)量，pi為第i類農(nóng)作物的草谷比系數(shù)。

2.2.2 農(nóng)作物秸稈可收集資源量

農(nóng)作物秸稈的可收集量是指在實際耕作管理條件下，可從田間收集利用的秸稈資源最大數(shù)量，包括可收集但實際未收集的秸稈資源，如田間焚燒、地頭堆棄、及保護(hù)性耕作覆蓋還田等[25]。計算公式為：

(4)

式(4)中，CRc為秸稈資源可收集資源量，ci為第i類農(nóng)作物的可收集系數(shù)。

2.2.3 農(nóng)作物秸稈可能源化利用資源量

農(nóng)作物秸稈利用方式多樣，可用于農(nóng)村生活能源、直接還田、工業(yè)原料、飼料原料及食用菌基料等，其可能源化利用資源量是指扣除以上用途，可作轉(zhuǎn)化為能源的秸稈資源量[24]。計算公式為：

(5)

式(5)中，CRe為農(nóng)作物秸稈可能源化利用資源量，ei為第i類農(nóng)作物可能源化利用系數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 林木生物質(zhì)資源

3.1.1 林木生物質(zhì)資源相關(guān)系數(shù)確定

不同類型的林木生物質(zhì)資源可作為能源利用的部位和比例不同，確定相關(guān)系數(shù)是估算林木生物質(zhì)資源量的關(guān)鍵。剩余物折算系數(shù)及可能源化利用系數(shù)的差異，直接影響林木生物質(zhì)資源量的計算結(jié)果。因此，合理確定剩余物這算系數(shù)尤為重要。為了準(zhǔn)確估算林木生物質(zhì)資源量，表1和表2列出了相關(guān)研究的代表性文獻(xiàn)，不同文獻(xiàn)林木生物質(zhì)資源剩余物折算系數(shù)和可能源化利用系數(shù)差別都不大，該文取其研究結(jié)果的平均值。

表1 林木生物質(zhì)資源剩余物折算系數(shù)

表2 林木生物質(zhì)資源可能源化利用系數(shù) %

3.1.2 林木生物質(zhì)資源的可利用潛力

2005—2015年，黑龍江省重點國有林區(qū)林木生物質(zhì)資源總體上小幅下降，發(fā)展過程大致可分為兩個階段：2005—2011年為上升期，林木生物質(zhì)資源量由2005年的109.80萬t增加至2011年123.43萬t，達(dá)到最高點； 2011—2015年為下降期，從2011年的峰值降至2015年的89.37萬t，2015年再度小幅上升。林木生物質(zhì)資源包括林地生長剩余物和林地生產(chǎn)剩余物兩大類，共7小類。2005—2015年，經(jīng)濟(jì)林撫育修枝剩余物、灌木林平茬剩余物和四旁植樹撫育修枝剩余物等林地生長剩余物，占林木生物質(zhì)資源的總量較小，且保持穩(wěn)定。林地生產(chǎn)剩余物是主要的林木生物質(zhì)資源，變化幅度較大。2005年，商品林采伐剩余物占林木生物質(zhì)資源總量比重最大，約為52%，但從2011年開始大幅下降，2015年占比降至1%。而森林撫育剩余物大幅增加，從2005年占林木生物質(zhì)資源總量的22%，增加到2015年的88%，取代了商品林采伐剩余物成為最主要的林木生物質(zhì)資源。林產(chǎn)品加工剩余物和苗木修枝、定桿和截桿剩余物小幅下降，但對林木生物質(zhì)資源總量影響較小(圖3)。

圖3 2005—2015年黑龍江省重點國有林區(qū)林木生物質(zhì)資源可利用潛力

表3 農(nóng)作物秸稈草谷比系數(shù)

2005—2015年，黑龍江省重點國有林區(qū)林木生物質(zhì)資源可利用潛力小幅下降，年均降幅約為2%，其中商品林采伐剩余物可利用潛力和森林撫育剩余物可利用潛力有較大變化。商品林采伐剩余物的可利用潛力大幅下降，資源量由2005年的57.41萬t降至2015年的0.57萬t，年均降幅約為37%。這是受林業(yè)政策變化的影響，“天保工程”一期的不斷開展及二期政策的出臺，導(dǎo)致商品林采伐剩余物可利用潛力2011年驟降。2014年，重點國有林區(qū)全面禁止天然林商業(yè)性采伐政策開始試點，商品林采伐剩余物可利用潛力繼續(xù)降低。其次，森林撫育剩余物可利用潛力大幅增加，資源量從2005年的23.62萬t增加至2015年的78.99萬t，年均增幅約為13%?！疤毂９こ獭币黄谏仲Y源的恢復(fù)效果明顯，2011年森林撫育剩余物可利用潛力比2005年增加了3倍。全面停伐政策的實施后，森林資源保有量繼續(xù)上升，2015年的森林撫育剩余物可利用潛力比2014年的增加了2%。

3.2 農(nóng)作物秸稈資源

3.2.1 農(nóng)作物秸稈相關(guān)系數(shù)確定

不同文獻(xiàn)中草谷比系數(shù)差異較大，其原因可能為以下幾點：一是農(nóng)作物處于不同的生長階段，草谷比系數(shù)會有差異； 二是農(nóng)作物成熟過程中是否有足夠的技術(shù)投入會影響草谷比系數(shù)； 三是同一種農(nóng)作物不同的品種會導(dǎo)致草谷比系數(shù)有細(xì)微的差別[28]。文獻(xiàn)側(cè)重點不同，草谷比系數(shù)也有較大差異，基于上述原因，該文草谷比系數(shù)取這些文獻(xiàn)的平均值(表3)。王亞靜等[25]及畢于運[29]充分考慮了農(nóng)田微地貌、耕作制度、收獲習(xí)慣及方式等影響因素，確定了農(nóng)作物可收集系數(shù)，該文農(nóng)作物秸稈可收集系數(shù)取兩者的平均值(表4)。蔡亞慶計算了除去其他用途，全國各省份農(nóng)作物秸可能源化利用系數(shù)，其中黑龍江省農(nóng)作物秸稈可能源化利用系數(shù)為40%[24]

表4 農(nóng)作物秸稈的可收集系數(shù)

圖4 2005—2015年黑龍江省重點國有林區(qū)農(nóng)作物秸稈資源可利用潛力

3.2.2 農(nóng)作物秸稈資源的可利用潛力

2005—2015年，黑龍江省重點國有林區(qū)農(nóng)作物秸稈資源呈穩(wěn)步上升的趨勢，年均增長率約為7.5%，2015年達(dá)到峰值66.57萬t。研究期間，糧食作物秸稈是農(nóng)作物秸稈的主要來源，占農(nóng)作物秸稈總量的比例逐年增加，從2005年的57%增加到2015年的94%。飼料作物秸稈、麻類作物秸稈和蔬菜瓜果剩余物出現(xiàn)一定幅度的下降，油料作物秸稈、糖料作物秸稈、藥材殘余物和其他作物秸稈基本保持穩(wěn)定。農(nóng)作物秸稈資源總量受糧食作物秸稈資源影響較大，兩者變化趨勢高度吻合。除糧食作物外，其他幾大類秸稈資源量占農(nóng)作物秸稈總量的比重較小，其變化對農(nóng)作物秸稈總量影響不大(圖4)。

2005—2015年，黑龍江省重點國有林區(qū)糧食作物秸稈潛力迅速上升，因而農(nóng)作物秸稈可利用潛力逐年增加。其原因為以下兩點：一是黑龍江省重點國有林區(qū)傳統(tǒng)木材產(chǎn)業(yè)受天保工程及全面停伐政策的影響不斷萎縮，農(nóng)業(yè)作為可替代產(chǎn)業(yè)應(yīng)運而生，農(nóng)作物產(chǎn)量增加，從而農(nóng)作物秸稈資源總量增加。二是2004年，國家開始實施糧食補(bǔ)貼政策，促進(jìn)了糧食的增產(chǎn)增收，糧食作物秸稈資源量大幅增加，促使農(nóng)作物秸稈資源的可利用潛力穩(wěn)步上升。

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

明確黑龍江省重點國有林區(qū)生物質(zhì)能源可利用潛力，能夠為未來產(chǎn)業(yè)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。文中利用自下而上估算法，分析了黑龍江省重點國有林區(qū)生物質(zhì)能源可的利用潛力，研究結(jié)果如下。

(1)黑龍江省重點國有林區(qū)林木生物質(zhì)資源可利用潛力總體上小幅下降，年均降幅為2%，發(fā)展過程經(jīng)歷兩個階段：上升期(2005—2011年)和下降期(2011—2015年)； 農(nóng)作物秸稈資源可利用潛力逐年穩(wěn)步上升，年增幅為7.5%。

(2)黑龍江省重點國有林區(qū)林木生物質(zhì)資源中，商品林采伐剩余物可利用潛力從2011年開始持續(xù)降低，降幅度較大； 森林撫育剩余物可利用潛力2011年劇增，整體呈上升趨勢。農(nóng)作物秸稈資源中，糧食作物秸稈可利用潛力持續(xù)上升，農(nóng)作物秸稈可利用潛力的變化趨勢與其高度一致。

(3)黑龍江省重點國有林區(qū)生物質(zhì)資源可利用潛力受政策的影響較大?！疤毂９こ獭焙椭攸c國有林區(qū)全面禁止天然林商業(yè)性采伐政策，都以減少(禁止)木材采伐，加強(qiáng)森林撫育、恢復(fù)森林資源為主旨，這就使得商品林采伐剩余物可利用潛力驟降，森林撫育剩余物可利用潛力劇增。但森林撫育剩余物的增加量少于商品林采伐剩余物的減少量，總體上林木生物質(zhì)資源可利用潛力小幅下降。同時，兩項政策迫使國有林區(qū)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型，傳統(tǒng)木材工業(yè)發(fā)展受限，農(nóng)業(yè)成為一種替代產(chǎn)業(yè)，農(nóng)作物秸稈可利用潛力平穩(wěn)上升。

4.2 討論

(1)生物質(zhì)能源的研究類型。文中生物質(zhì)能源及林木生物質(zhì)能源分類與以往的研究略有不同[11，30，31]，黑龍江省重點國有林區(qū)生物質(zhì)能源只包括林木生物質(zhì)能源和農(nóng)作物秸稈資源，尚未包括禽畜糞便和生活垃圾等。林木生物質(zhì)能源不包括城市綠化更新及修剪剩余物、廢舊木材和能源林采伐剩余物等。這是由于黑龍江省重點國有林區(qū)的林業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)是以涉林產(chǎn)業(yè)為主，也包括一部分農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，林木生物質(zhì)能源和農(nóng)作物秸稈資源是林區(qū)生物質(zhì)資源的主要構(gòu)成部分。

(2)生物質(zhì)能源折算系數(shù)的取值。自下而上估算法中折算系數(shù)的取值對分析結(jié)果影響巨大，過去的研究中折算系數(shù)多是在國家或省級層面上[13，29]，少有從國有林區(qū)層面確定生物質(zhì)能源的折算系數(shù)。相關(guān)文獻(xiàn)中林木生物質(zhì)資源的剩余物折算系數(shù)和可能源化系數(shù)基本相同，但農(nóng)作物秸稈資源的草谷比系數(shù)和可收集系數(shù)差異較大。為確保研究的準(zhǔn)確性和全面性，該文使用的黑龍江省重點國有林區(qū)生物質(zhì)能源的折算系數(shù)均取代表性文獻(xiàn)研究結(jié)果的平均值。

(3)生物質(zhì)能源的原料供給。充分合理地利用農(nóng)林剩余物，是生物質(zhì)能源開發(fā)利用的前提和基礎(chǔ)。黑龍江省重點國有林區(qū)生物質(zhì)能源可利用潛力巨大，能夠為產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供充足的原料。但現(xiàn)狀是林區(qū)農(nóng)林剩余物的利用率不高，剩余物隨意堆棄、直接燃燒。這不僅造成資源浪費，也產(chǎn)生了環(huán)境污染。生物質(zhì)能源的原料大規(guī)模收集難度高、成本高，是當(dāng)前生物質(zhì)能源發(fā)展面臨的難題[32]，也是黑龍江省重點國有林區(qū)急需解決的問題。結(jié)合林區(qū)各林業(yè)局自身的實際情況，探討生物質(zhì)能源原料供給的最優(yōu)范圍和供給能力，是今后研究的一個重要的方向。