王小涵,何 瀟,史景寧

(1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，河北 保定 071000；2.中國林業(yè)科學(xué)研究院資源信息研究所 國家林業(yè)和草原局森林經(jīng)營與生長模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100091)

最新發(fā)布的中國溫室氣體公報(bào)表明,2021年我國陸地區(qū)域年平均大氣CO2濃度達(dá)到415.20 ppm(ppm為摩爾比濃度10-6,即百萬分之一)[1]。面對氣候問題帶來的嚴(yán)峻挑戰(zhàn),積極推動(dòng)以“增匯減排”為核心的“碳中和”政策已經(jīng)成為社會(huì)各界的普遍共識(shí)。在各項(xiàng)增匯措施中,林業(yè)碳匯不僅具有顯著的成本優(yōu)勢,還可額外提供多種效益,充分發(fā)揮森林在固碳增匯方面的潛力,成為應(yīng)對全球氣候變化的有效舉措[2-3]。

第九次全國森林資源清查表明,我國人工林面積達(dá)7 954萬hm2,以中幼齡林為主,占森林面積的70.42%[4],正處于生長旺盛階段,具有較高的固碳潛力。因此,在“碳中和”背景下探索兼具碳匯生態(tài)價(jià)值和木材經(jīng)濟(jì)價(jià)值的人工林多目標(biāo)經(jīng)營模式尤為重要[5-7]。其中,確定最優(yōu)輪伐期是影響人工林經(jīng)營效益的重要因素。近年來,國內(nèi)外學(xué)者以弗斯曼模型為基礎(chǔ),圍繞考慮碳匯價(jià)值的最優(yōu)輪伐期開展了廣泛研究。多數(shù)結(jié)果表明,在木材收益之外加入碳匯收益可以提高收入并延長最優(yōu)輪伐期[5,8-10],但也有學(xué)者發(fā)現(xiàn)碳匯經(jīng)營并未改變最優(yōu)輪伐期[11-13]。由于這些研究所采用的樹種、立地條件以及經(jīng)濟(jì)效益核算方法存在差異,學(xué)界尚未達(dá)成相對一致的結(jié)論。

盡管國內(nèi)外對人工林木材碳匯復(fù)合經(jīng)營效益的研究已經(jīng)取得了諸多進(jìn)展,但多側(cè)重于碳匯價(jià)格、木材價(jià)格、利率和造林成本等因素,忽略了氣候變化的影響,而后者已被證實(shí)是森林生產(chǎn)力時(shí)空變化的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素[14]。在全球氣候變暖的背景下,區(qū)域范圍內(nèi)的氣候穩(wěn)定性將會(huì)發(fā)生改變,在傳統(tǒng)的森林生長收獲模型中加入氣候變量已經(jīng)成為主流趨勢[15]。然而,以往在對最優(yōu)輪伐期的研究中所采用的生長收獲模型均假設(shè)氣候條件不變,無法預(yù)測長期氣候變化對森林經(jīng)營的影響。隨著“碳中和”計(jì)劃的實(shí)施,未來全球氣候變化的幅度與方向均存在較大不確定性,在人工林經(jīng)營中考慮多種可能氣候情景的必要性和迫切性愈發(fā)凸顯。

當(dāng)前,國內(nèi)對木材碳匯復(fù)合經(jīng)營最優(yōu)輪伐期的研究大都集中在杉木(Cunninghamialanceolata)、桉樹(Eucalyptusrobusta)等樹種,對落葉松(Larixspp.)的相關(guān)研究卻鮮見報(bào)道[6]。華北落葉松(Larixprincipis-rupprechtii)是我國華北地區(qū)人工林的主要造林樹種,其生長亦對氣候變化較為敏感[16]。因此,本文使用華北地區(qū)第六次至第八次森林資源清查的華北落葉松人工林固定樣地調(diào)查數(shù)據(jù),構(gòu)建了考慮碳匯和木材價(jià)值的最優(yōu)輪伐期模型,探討了不同未來氣候情景下的最優(yōu)輪伐期及林地期望值變化規(guī)律,以期為華北落葉松人工林多目標(biāo)經(jīng)營與決策提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本研究使用的數(shù)據(jù)來源于河北、山西、北京、內(nèi)蒙古等4省(區(qū)、市)第六次至第八次森林資源連續(xù)清查的華北落葉松人工純林固定樣地(34°54′—53°34′N,97°175′—126°75′E),共108塊。研究區(qū)為溫帶大陸性季風(fēng)氣候,夏季炎熱多雨、冬季寒冷干燥,年平均降水量400～800 mm,年平均氣溫8～13 ℃。土壤類型有山地棕壤、黑棕壤、灰色森林土、黃土和褐土。根據(jù)立地條件差異,華北落葉松的初植密度2 400～5 000株/hm2。

樣地調(diào)查因子包括林分年齡、經(jīng)緯度、海拔、坡度、坡向等。對樣地內(nèi)胸徑大于5 cm的活立木進(jìn)行每木檢尺,林分概況如表1所示。落葉松單木生物量參照林業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《立木生物量模型及碳計(jì)量參數(shù)—落葉松》[17]計(jì)算,對于樣地內(nèi)少量伴生樹種,根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中相應(yīng)樹種的單木生物量模型計(jì)算,無行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的樹種使用公開發(fā)表文獻(xiàn)[18]內(nèi)的生物量模型參數(shù)計(jì)算。林分蓄積使用本地一元或二元材積公式計(jì)算;若無本地材積公式,則根據(jù)《中國立木材積表》[19]中相應(yīng)地區(qū)和樹種的材積公式計(jì)算。將樣地內(nèi)所有單木生物量和蓄積量累加后換算成單位面積的林分生物量和林分蓄積量。

表1 樣地林分因子概況

研究使用的氣候數(shù)據(jù)獲取自ClimateAP在線平臺(tái)[20]。ClimateAP可根據(jù)經(jīng)緯度與海拔提供亞太地區(qū)范圍的氣候數(shù)據(jù),包括歷史數(shù)據(jù)(1901—2021年)和未來預(yù)測數(shù)據(jù)(2021—2100年)。采用相關(guān)分析法篩選用于建模的氣候變量,從中選擇了年濕熱指數(shù)(年平均溫度與年平均降水量之比)引入林分生物量和蓄積模型。

預(yù)測林分生物量和蓄積時(shí),將全部樣地1981—2020年間濕熱指數(shù)的平均值作為當(dāng)前氣候情景,2021—2100年間的平均值作為未來氣候情景。后者根據(jù)溫室氣體代表性濃度路徑(RCP)分為RCP 4.5和RCP 8.5。RCP描述了人類能源消耗和土地利用規(guī)劃影響下的氣候狀況,其中:RCP 4.5是一種較為穩(wěn)定的氣候情景,假設(shè)未來溫室氣體排放在政府減排政策干預(yù)下顯著降低;而RCP 8.5是無政府干預(yù)下的最高溫室氣體排放情景,由于化石能源的大量消耗導(dǎo)致氣候變暖加劇。本研究選擇這兩種典型濃度路徑作為未來氣候情景,并模擬長期氣候變化對林分生物量和蓄積生長的影響。

1.2 研究方法

1.2.1生物量和蓄積模型

采用何瀟等[18]提出的華北落葉松林分生物量生長預(yù)測模型[式(1)]。

(1)

式中:B為林分生物量;IAHM為年濕熱指數(shù);S為地位指數(shù);ISD為Reineke林分密度指數(shù);A為林齡。

由于ISD會(huì)隨林分發(fā)育而變化,因此使用包含氣候變量的動(dòng)態(tài)預(yù)測模型計(jì)算不同立地條件和氣候狀況下ISD隨林齡的逐年變化[式(2)][18]。

(2)

式中:ISD1和ISD2分別為期初和期末的林分密度指數(shù);A1和A2分別為期初和期末的林分年齡;IAHM為年濕熱指數(shù);S為地位指數(shù)。

何瀟等[18]的文獻(xiàn)僅提出了林分生物量模型,本研究使用相同數(shù)據(jù)源與建模方法建立包含氣候因子的林分蓄積生長預(yù)測模型[式(3)]。

(3)

式中:V為林分蓄積;S為地位指數(shù);IAHM為年濕熱指數(shù);ISD為Reineke林分密度指數(shù);A為林齡。

使用修正后的決定系數(shù)(R2)和估計(jì)值的標(biāo)準(zhǔn)誤(σSE)通過刀切法對式(3)所示模型進(jìn)行了檢驗(yàn)。R2,σSE計(jì)算公式如式(4)、式(5)所示。

(4)

(5)

結(jié)果表明,林分蓄積模型的R2為0.938 6,σSE為12.88 m3/hm2,模型整體性能良好。

在模擬林分蓄積和生物量生長過程時(shí),模型變量的初始值設(shè)置如下:1)地位指數(shù)S,參考李文博等[21]設(shè)置為10 m,代表中等立地條件;2)林齡A,因造林后前4年需要撫育,不可能實(shí)施采伐活動(dòng),故將初始林齡設(shè)為5 a;3)林分密度ISD,參考《華北落葉松造林技術(shù)規(guī)程(DB 13/T 883—2020)》,將造林密度設(shè)為4 000 株/hm2,當(dāng)林齡為5 a時(shí)對應(yīng)的ISD為110 株/hm2;4)年濕熱指數(shù)IAHM,在當(dāng)前氣候、RCP 4.5、RCP 8.5等3種情景下,分別設(shè)置為20,22,25 ℃/mm。

1.2.2最優(yōu)輪伐期模型

采用經(jīng)修正的弗斯曼模型[5],在2種收益情景(情景1:木材收益;情景2:木材收益+碳匯收益)下計(jì)算了華北落葉松的林地期望值,以林地期望值最大作為確定最優(yōu)輪伐期的依據(jù)。林地期望值的計(jì)算公式如式(6)、式(7)所示。

Lt=It-C

(6)

Ltc=It+IC-C

(7)

式中:Lt和Ltc分別表示收益情景1和2計(jì)算得到的林地期望值(元/hm2);It是木材收益(元/hm2);IC是碳匯收益(元/hm2);C是輪伐期內(nèi)森林經(jīng)營成本(元/hm2)。

無限輪伐期下的木材收益(It)計(jì)算公式如式(8)所示:

(8)

式中:ρ為出材率(%),根據(jù)華北落葉松一元出材率表計(jì)算[22];Pt為木材價(jià)格(元/m3),根據(jù)中國木材網(wǎng)(www.chinatimber.org)近1年的落葉松原木報(bào)價(jià),直徑24 cm以上(含24 cm)大徑材定價(jià)為 1 550元/m3,直徑24 cm以下中小徑材定價(jià)為1 350元/m3;Ch為采伐運(yùn)輸成本,取130元/m3;T是輪伐期;V(T)是模型預(yù)測得到的輪伐期時(shí)的林分蓄積量(m3/hm2);r為貼現(xiàn)率(%),參考近1年的中國人民銀行貸款市場報(bào)價(jià)利率確定為4.00%。

營林成本C的計(jì)算公式如式(9)所示。

(9)

式中:Cs為造林成本,包括造林階段第1年的苗木成本、造林整地、化肥等投入,以及第2～4年的撫育和補(bǔ)植造林成本(該部分費(fèi)用需貼現(xiàn)到第1年),通過走訪調(diào)研確定為10 473元/hm2;Cm為造林后每年的管護(hù)費(fèi)用,確定為120元/hm2。

計(jì)算碳匯收益時(shí),需要將林分生物量通過含碳系數(shù)轉(zhuǎn)化為碳儲(chǔ)量,并在收益中扣除因木材緩慢分解導(dǎo)致碳釋放帶來的損失,公式如式(10)所示。

(10)

式中:θ為含碳系數(shù),取0.489 3[17];PC為碳匯價(jià)格(元/t),參考過去1年國內(nèi)外碳排放交易所掛牌價(jià),定為100元/t;B(t)是生物量模型預(yù)測得到的第t 年生物量(t/hm2);B′(t)是B(t)的一階導(dǎo)數(shù),dt是對時(shí)間變量t的微分;α是木材收獲后可長期儲(chǔ)存在木制品中的碳比例,代表碳釋放帶來的經(jīng)濟(jì)懲罰,采用黃宰勝等[10]提出的計(jì)算公式和參數(shù)值[式(11)]。

(11)

式中:v1是長期耐用木制品的腐爛速度,取每年0.79%;v2是短期木制品的腐爛速度,取每年1.03%;β是木制品中長期耐用木制品的比例,取50%。

綜上所述,對公式(6)和公式(7)求關(guān)于林齡t的一階導(dǎo)數(shù),令其等于0,即可得到華北落葉松人工林碳匯木材復(fù)合經(jīng)營的最優(yōu)輪伐期及對應(yīng)的林地期望值。

1.3 敏感性分析

為分析木材價(jià)格、碳匯價(jià)格和貼現(xiàn)率變化對華北落葉松人工林最優(yōu)輪伐期的影響,在“1.2.2”節(jié)設(shè)置的基準(zhǔn)價(jià)格或貼現(xiàn)率基礎(chǔ)上,模擬9種木材價(jià)格(基準(zhǔn)木材價(jià)格波動(dòng)±40%)、7種碳匯價(jià)格(0,50,100,150,200,250,300元/t)、6種貼現(xiàn)率(3.50%,4.00%,4.50%,5.00%,5.50%,6.00%)下的最優(yōu)輪伐期和林地期望值。其中,150～300元/t的碳匯價(jià)格與國內(nèi)市場實(shí)際成交價(jià)相比雖然較高,但在國際交易市場和政策研究中被廣泛使用[23-24]。

2 結(jié)果與分析

2.1 氣候情景分析

根據(jù)森林生長收獲模型和參數(shù)初始值,模擬3種氣候情景和2種收益計(jì)算方法下的華北落葉松最優(yōu)輪伐期與林地期望值(表2)。由表2可知:1)僅考慮木材收益(情景1)時(shí),當(dāng)前氣候情景的最優(yōu)輪伐期為26 a,相應(yīng)的林地期望值為14 000.36元/hm2;在兩種未來氣候情景下,隨著溫室氣體排放量的增多,反映溫度和降水綜合狀況的濕熱指數(shù)也出現(xiàn)增加,表明未來干旱狀況加劇、森林生產(chǎn)力下降,進(jìn)而導(dǎo)致最優(yōu)輪伐期的縮短和林地期望值下降。2)當(dāng)考慮碳匯收益(情景2)時(shí),每種氣候情景的最優(yōu)輪伐期均延長了1 a,林地期望值也有所增加,但由于碳匯價(jià)格較低,延長和增加的幅度均不大。

表2 不同氣候情景下華北落葉松人工林的最優(yōu)輪伐期和林地期望值

2.2 敏感性分析

2.2.1木材價(jià)格變動(dòng)

根據(jù)公式(7),模擬當(dāng)前木材價(jià)格波動(dòng)40%對最優(yōu)輪伐期和林地期望值的影響。結(jié)果表明:1)在±40%價(jià)格范圍內(nèi),所有氣候情景下的最優(yōu)輪伐期均未發(fā)生變化[圖1(a)],但木材價(jià)格與林地期望值呈正相關(guān)[圖1(b)]。2)在當(dāng)前氣候情景下,當(dāng)木材價(jià)格增加40%時(shí),林地期望值由1.58 萬元/hm2增加到3.00 萬元/hm2,增長近1倍;而在RCP 4.5和RCP 8.5氣候情景下,木材價(jià)格下降40%,使得林地期望值出現(xiàn)負(fù)數(shù)?？傊?木材價(jià)格對林地期望值影響較為明顯,但對輪伐期影響不大。

圖1 木材價(jià)格波動(dòng)對華北落葉松最優(yōu)輪伐期和林地期望值的影響

2.2.2碳匯價(jià)格變動(dòng)

根據(jù)公式(7),模擬碳匯價(jià)格在0～300元/t區(qū)間內(nèi)的變動(dòng)對最優(yōu)輪伐期和林地期望值的影響。結(jié)果表明:1)在3種氣候情景下,當(dāng)碳匯價(jià)格從0元/t增長到300元/t,最優(yōu)輪伐期呈延長趨勢,每噸碳匯價(jià)格增長100元,最優(yōu)輪伐期可延長約1 a[圖2(a)]。此外,隨著碳匯價(jià)格上漲,林地期望值也顯著增加[圖2(b)]。2)在當(dāng)前氣候情景中,當(dāng)碳匯價(jià)格從0元/t上漲至300元/t,林地期望值由1.40萬元/hm2增長到1.95萬元/hm2,增長幅度為39.29%;而在RCP 4.5和RCP 8.5氣候情景下的增幅分別為45.90%和64.65%。表明未來氣候條件越惡劣,林地期望值對碳匯價(jià)格變化的敏感性越高。

圖2 碳匯價(jià)格變動(dòng)對華北落葉松最優(yōu)輪伐期和林地期望值的影響

2.2.3貼現(xiàn)率變動(dòng)

根據(jù)公式(7),模擬貼現(xiàn)率從3.50%增加到6.00%對最優(yōu)輪伐期和林地期望值的影響。結(jié)果表明:1)在所有氣候情景下,隨著貼現(xiàn)率增加,最優(yōu)輪伐期均提前[圖3(a)];林地期望值大幅下降,當(dāng)貼現(xiàn)率為6.00%時(shí),RCP 8.5情景下的林地期望值甚至變?yōu)樨?fù)數(shù)[圖3(b)]。2)在當(dāng)前氣候情景下,貼現(xiàn)率從4.00%上漲至6.00%會(huì)導(dǎo)致木材收益從3.18萬元/hm2下降至1.90萬元/hm2,而碳匯收益從2 168.00元/hm2下降至1 395.50元/hm2,木材收益的降幅(40.25%)大于碳匯收益的降幅(35.63%),故木材收益對貼現(xiàn)率變化的敏感性要高于碳匯收益;在其他2種未來氣候情景下,木材收益和碳匯收益隨貼現(xiàn)率的變化也表現(xiàn)出相同的規(guī)律。

圖3 貼現(xiàn)率變化對華北落葉松最優(yōu)輪伐期和林地期望值的影響

3 討論

本研究使用弗斯曼模型從不同的收益計(jì)算方法和氣候情景的角度分析了華北落葉松人工林最優(yōu)輪伐期及其影響因素。加入碳匯收益后,所有氣候情景下的林地期望值均顯著增加,但在較低的基準(zhǔn)碳匯價(jià)格下,最優(yōu)輪伐期僅延長1 a。董靈波等[23]對長白落葉松的研究中觀察到相同現(xiàn)象,也與其他學(xué)者對杉木人工林的結(jié)論保持一致[11,25]。通過進(jìn)一步模擬碳匯價(jià)格變動(dòng),研究發(fā)現(xiàn)每噸碳匯價(jià)格上漲100元,最優(yōu)輪伐期會(huì)延長約1 a。因此,將碳匯目標(biāo)納入森林管理決策時(shí),在一定的價(jià)格區(qū)間內(nèi)并不會(huì)顯著改變最優(yōu)輪伐期,但可產(chǎn)生額外的經(jīng)濟(jì)價(jià)值?？梢灶A(yù)見,隨著我國碳排放交易市場的逐步完善,經(jīng)濟(jì)上的可行性會(huì)激勵(lì)林地所有者主動(dòng)調(diào)整經(jīng)營方式,增加碳匯供給,從而發(fā)揮林業(yè)碳匯在“碳中和”愿景實(shí)現(xiàn)過程中的重要作用。

在實(shí)際的森林經(jīng)營過程中,最優(yōu)輪伐期的影響因素是多元化的,本研究還從木材價(jià)格和貼現(xiàn)率兩個(gè)角度進(jìn)行了分析。結(jié)果表明,林地期望值對兩者的敏感性較高,但最優(yōu)輪伐期僅對貼現(xiàn)率敏感,這與其他學(xué)者的結(jié)論一致[23,26]。貼現(xiàn)率反映了資金的時(shí)間價(jià)值,是影響林業(yè)投資決策和盈利能力的關(guān)鍵因素。模擬表明:在較高的貼現(xiàn)率下,華北落葉松的林地期望值大幅下降甚至產(chǎn)生負(fù)收益,進(jìn)而影響經(jīng)營者的積極性。雖然當(dāng)前我國的貸款市場報(bào)價(jià)利率正處在歷史低位水平,但林業(yè)生產(chǎn)周期長,未來可能的利率調(diào)整將使林地所有者收益面臨較大的不確定性[27]。因此,建議政府及相關(guān)部門在金融政策方面進(jìn)一步提供支持,降低可能存在的市場風(fēng)險(xiǎn),保障經(jīng)濟(jì)收益的穩(wěn)定性,為林業(yè)碳匯供給提供良好的外部環(huán)境,這將有利于“碳中和”愿景的實(shí)現(xiàn)。

本研究引入與樹木生長有顯著關(guān)系的氣候因子——年濕熱指數(shù)。該指數(shù)是結(jié)合溫度與降水量影響的綜合氣候因子,能反映林地干旱狀況,改進(jìn)后的模型可以預(yù)測氣候變化影響下的林地期望值和最優(yōu)輪伐期。對未來氣候情景的模擬表明,氣候環(huán)境惡化會(huì)影響林地所有者的經(jīng)濟(jì)收益,在價(jià)格或利率波動(dòng)時(shí)甚至可能產(chǎn)生負(fù)收益,也證實(shí)了積極采取“碳中和”政策對維持人工林可持續(xù)收益的必要性[28]。值得注意的是,近年有研究[29-30]表明氣候變化對森林生長和固碳速率的影響幅度與方向可能會(huì)因樹種差異而發(fā)生改變,因而有必要在更大地理尺度上對更多樹種的碳匯潛力及最優(yōu)輪伐期開展深入探究,以減少林業(yè)碳匯經(jīng)營中的風(fēng)險(xiǎn)和不確定性。

4 結(jié)論

在“碳中和”背景下,發(fā)展兼顧碳匯和木材生產(chǎn)功能的人工林經(jīng)營模式成為重要趨勢。本研究利用第六次至第八次森林資源連續(xù)清查的華北落葉松人工純林固定樣地調(diào)查數(shù)據(jù),建立了可反映氣候變化影響的最優(yōu)輪伐期模型,并在3種氣候情景下分析了木材價(jià)格、碳匯價(jià)格和貼現(xiàn)率變動(dòng)對華北落葉松最優(yōu)輪伐期和林地期望值的影響,主要結(jié)論如下:

1)在當(dāng)前氣候情景下,兼顧木材和碳匯收益的華北落葉松人工林最優(yōu)輪伐期為27 a,林地期望值為15 830.60元/hm2?？紤]碳匯收益的情況下使輪伐期延長了1 a,增加了林地期望值,提高了林地所有者對林業(yè)碳匯經(jīng)營的積極性。

2)最優(yōu)輪伐期受氣候情景、碳匯價(jià)格和貼現(xiàn)率的影響比較明顯,但對木材價(jià)格變動(dòng)不敏感。隨著未來氣候情景中碳排放濃度的增加,華北落葉松的最優(yōu)輪伐期會(huì)縮短;隨著碳匯價(jià)格的上漲,最優(yōu)輪伐期會(huì)延長,每噸碳匯價(jià)格上漲100元,最優(yōu)輪伐期可延長約1 a;隨著貼現(xiàn)率增加,最優(yōu)輪伐期會(huì)縮短。

3)林地期望值受到氣候情景、木材價(jià)格、碳匯價(jià)格和貼現(xiàn)率影響。隨著未來氣候情景中碳排放濃度的增加,華北落葉松的林地期望值明顯降低。林地期望值與碳匯價(jià)格和木材價(jià)格呈正相關(guān),與貼現(xiàn)率呈負(fù)相關(guān)。