吉林省森林資源碳匯效益研究

王 玥 齊 麟 葉雨靜 于大炮 周 莉 代力民

(1.中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所森林與土壤生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧沈陽110016;2.沈陽建筑大學(xué)管理學(xué)院，遼寧 沈陽110168;3.中國太平洋財(cái)產(chǎn)保險(xiǎn)股份有限公司北京分公司，北京100052)

全球20%－25%的溫室氣體排放產(chǎn)生于發(fā)展中國家的毀林和森林退化，因此《巴厘路線圖》中將減少發(fā)展中國家毀林和森林退化導(dǎo)致的碳排放，以及通過森林保護(hù)、森林可持續(xù)管理、森林面積變化而增加的碳匯，作為發(fā)展中國家減緩措施納入氣候談判進(jìn)程，要求發(fā)達(dá)國家對(duì)發(fā)展中國家在林業(yè)方面采取的上述減緩行動(dòng)給予政策和資金支持［1－2］。我國作為發(fā)展中國家，在管理森林活動(dòng)中所形成的凈碳匯應(yīng)體現(xiàn)其相應(yīng)價(jià)值，因此，合理估算我國區(qū)域森林資源碳匯潛力將為參與森林碳貿(mào)易提供數(shù)據(jù)支持，對(duì)實(shí)現(xiàn)森林資源的生態(tài)補(bǔ)償價(jià)值具有重要意義。

評(píng)價(jià)森林生態(tài)系統(tǒng)碳匯效益，最重要的是首先估計(jì)其生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力、碳儲(chǔ)量及潛力。迄今，盡管國內(nèi)外學(xué)者對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力、碳儲(chǔ)量及其動(dòng)態(tài)變化和碳匯潛力進(jìn)行了大量廣泛的研究，如，利用森林資源清查數(shù)據(jù)和樣地?cái)?shù)據(jù)，王效科等和劉國華等對(duì)我國森林生態(tài)系統(tǒng)的植物碳量、碳密度及其變化趨勢(shì)進(jìn)行了分析［3－4］;Fang 等［5］對(duì)我國1949－1998年間森林植物碳貯存量的動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行計(jì)算。這些研究闡明了我國森林生態(tài)系統(tǒng)在全球大氣碳平衡中的作用。但是這些方法在數(shù)據(jù)獲取上需要投入大量人力、物力，同時(shí)調(diào)查、實(shí)驗(yàn)方法難以模擬趨勢(shì)變化。隨著模型的開發(fā)應(yīng)用，國內(nèi)學(xué)者模擬和估算了省級(jí)及以下尺度上森林生態(tài)系統(tǒng)碳匯量以及碳匯潛力動(dòng)態(tài)變化［6－8］，其中F－CARBON 1.0和CO2FIX V2.0模型由于可以利用樣地清查數(shù)據(jù)及區(qū)域氣候因素等在該領(lǐng)域得到了一定的應(yīng)用［9－10］。

吉林省是重要的木材生產(chǎn)基地，也是天然林保護(hù)工程實(shí)施區(qū)域。全省林業(yè)用地面積805.57萬hm2，有林地面積為719.48萬 hm2，森林覆蓋率為43.4%，活立木總蓄積8.9億m3，有林地蓄積8.7億m3。1998年天保工程實(shí)施至今，政府每年為林業(yè)建設(shè)調(diào)撥大量資金，而僅靠政府的力量來維護(hù)生態(tài)環(huán)境遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，資金短缺成為目前林業(yè)建設(shè)的最大難題。天保工程大量調(diào)減木材產(chǎn)量，從“九五”、“十五”、“十一五”期間，吉林省年度采伐木材限額分別為714.67、779.81、328.47 萬 m3，林木及林副產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)收入銳減嚴(yán)重影響森工企業(yè)、林場(chǎng)、林區(qū)各環(huán)節(jié)再生產(chǎn)［11］。因此，合理估算吉林省森林資源碳匯效益，積極推進(jìn)森林碳匯貿(mào)易，對(duì)于減弱森林保護(hù)對(duì)區(qū)域經(jīng)濟(jì)的不利影響具有重要意義。

1 研究方法和數(shù)據(jù)來源

研究通過模擬兩種情景:情景一(采伐):假設(shè)原有用材林成熟后當(dāng)年采伐并栽種同一樹種，假定非用材林成熟后其碳循環(huán)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，并模擬森林生態(tài)系統(tǒng)中活立木、土壤、生物質(zhì)能及林產(chǎn)品等四個(gè)部分的碳貯存量動(dòng)態(tài)變化，用該情景模擬吉林省森林生態(tài)系統(tǒng)最大可達(dá)凈固碳量;情景二(非采伐):假設(shè)不進(jìn)行采伐，林分成熟后假定其碳循環(huán)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，并且模擬活立木及土壤固碳量?jī)刹糠謹(jǐn)?shù)據(jù)，用該情景模擬吉林省森林生態(tài)系統(tǒng)最低凈固碳量。情景一與情景二總固碳量之差即為吉林省森林生態(tài)系統(tǒng)凈碳匯。根據(jù)國內(nèi)外關(guān)于固碳效益的森林最優(yōu)輪伐期研究結(jié)果，結(jié)合吉林省森林采伐限額編制技術(shù)規(guī)定，本文模擬時(shí)間確定為200年［12－14］。兩種情景采用 CO2FIX V3.1 模型計(jì)算。

1.1 CO2FIX V3.1 模型

CO2FIX模型由荷蘭瓦格寧根大學(xué)開發(fā)，是基于生態(tài)系統(tǒng)層級(jí)的碳平衡模型。該模型可用于模擬計(jì)算森林生態(tài)系統(tǒng)中活立木、土壤和木質(zhì)產(chǎn)品鏈的碳貯存量和碳通量，模擬時(shí)間以1a為單位，包括生物量模塊、土壤模塊、林產(chǎn)品模塊、生物質(zhì)能源模塊、經(jīng)濟(jì)模塊和碳核算模塊［9］。

森林生態(tài)系統(tǒng)的凈固碳量由下式計(jì)算:

式中，Cbt、Cst、Cpt分別表示在時(shí)間 t貯存于活立木、土壤有機(jī)物以及木質(zhì)產(chǎn)品中的碳量，單位均為MgC/hm2。生物質(zhì)能源模塊的計(jì)算結(jié)果不直接代表碳貯存，但將計(jì)算其替代礦物能源而避免的碳排放計(jì)入系統(tǒng)碳固存，可用下式表示:

其中，A表示森林系統(tǒng)從大氣中吸收的碳量，即森林系統(tǒng)的碳匯量;Cbiot表示生物質(zhì)能源燃燒向大氣中排放的碳量。化石能源的燃燒使固存了上百萬年的碳釋放到大氣中，相比較而言，如果植被不斷進(jìn)行生長(zhǎng)一砍伐的循環(huán)，那么生物質(zhì)能源的燃燒只是使短期固定的碳釋放到大氣中，不會(huì)額外增加大氣中的碳含量，因此Cbiot也可理解為由于生物質(zhì)能源的使用向大氣中減少排放的碳量［10］。

1.2 數(shù)據(jù)及模型參數(shù)

全國森林資源第六次清查統(tǒng)計(jì)，吉林省用材林林分中各優(yōu)勢(shì)樹種幼齡林、中齡林及近熟林合計(jì)面積為9.40×106hm2。該模型輸入枝、葉、根相對(duì)樹干的生長(zhǎng)比例，干的年凈生產(chǎn)力用連年生長(zhǎng)量(CAI)表示［15－16］。為簡(jiǎn)化計(jì)算，不考慮由于種間競(jìng)爭(zhēng)及采伐造成的活立木死亡率等。受現(xiàn)有文獻(xiàn)數(shù)據(jù)的限制，用水曲柳和色木槭代替硬闊數(shù)據(jù)和雜木類，其單位面積蓄積連年生長(zhǎng)量均以1 000株/hm2計(jì)算［9，17］，由于國內(nèi)對(duì)枝、葉、根(整體根系)等的周轉(zhuǎn)率研究資料有限，本研究參考以往CO2FIX模型的應(yīng)用研究及相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行參數(shù)估計(jì)(見表1)。木材密度計(jì)算參考相關(guān)文獻(xiàn)［18］。各樹種的碳含量統(tǒng)一采用IPCC推薦值0.5(MgC/Mg DM)。本文定義輪伐期為樹種從幼苗到進(jìn)入過熟齡階段所需要的時(shí)間［19］。

1.3 森林碳匯經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)參數(shù)

由于森林碳匯是屬于全新貿(mào)易模式的新產(chǎn)品，其價(jià)格確定目前還缺乏相關(guān)的歷史資料和國外經(jīng)驗(yàn)可以借鑒。根據(jù)評(píng)價(jià)目的不同，可以采用影子價(jià)格、工業(yè)技術(shù)進(jìn)行CO2減排成本、國際碳貿(mào)易交易價(jià)格或者根據(jù)CDM項(xiàng)目推算森林碳匯價(jià)格。一般在考慮森林碳匯對(duì)國民經(jīng)濟(jì)和氣候變化的貢獻(xiàn)時(shí)，多采用影子價(jià)格;如果以進(jìn)行經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)或以開展森林碳貿(mào)易為目的，宜采用工業(yè)減排二氧化碳成本、國際碳貿(mào)易價(jià)格或標(biāo)準(zhǔn)林業(yè)CDM碳匯價(jià)格［40］，本研究選擇國際碳貿(mào)易價(jià)格方法確定交易價(jià)格。芝加哥氣候交易所(CCX)價(jià)格(從2003年12月－2010年6月期間，最高 7.4$/t CO2，最低 0.1$/t CO2)，歐洲氣候交易所(ECX)價(jià)格(從2006年1月－2010年6月期間，最高2 9.80/t CO2，最低 0.01/t CO2)。由于近期碳交易價(jià)格偏低且沒有正確反映資源價(jià)格，同時(shí)考慮到歐盟市場(chǎng)價(jià)格變化較大，本文選取芝加哥交易所歷史數(shù)據(jù)的平均值2.22$/t CO2作為碳匯交易價(jià)格。

表1 模型生物量模塊使用參數(shù)

2 結(jié)果分析

2.1 吉林省森林資源碳匯潛力模擬期限內(nèi)動(dòng)態(tài)

在模擬期限200年內(nèi)，情景一和情景二內(nèi)各碳庫變化趨勢(shì)隨模擬時(shí)間推移而變化(見圖1)。情景一條件下，隨著時(shí)間的推移，原有森林近熟林首先達(dá)到輪伐期，采伐會(huì)帶來生物量碳庫數(shù)量的減小，林產(chǎn)品碳庫數(shù)量的增加。由于本文考慮的原有森林輪伐期由優(yōu)勢(shì)樹種決定，所以近熟林達(dá)到采伐的時(shí)間各不一樣，其生物量和林產(chǎn)品碳庫變化曲線隨時(shí)間呈現(xiàn)出不同的變化趨勢(shì)，且隨著時(shí)間的推移，原森林中齡林、幼齡林至其輪伐期后，生物量和林產(chǎn)品碳庫亦表現(xiàn)出因采伐導(dǎo)致的相應(yīng)變化。由于CO2FIX模型考慮了生物質(zhì)能源的使用將會(huì)減少因化石燃料使用而造成的碳排放，因此生物能源的使用對(duì)化石燃料使用的替代效果為該碳庫增加的碳儲(chǔ)量，該碳庫曲線隨著林產(chǎn)品碳庫的部分轉(zhuǎn)入而逐漸增大。模型模擬的總固碳量即為生物量、土壤、林產(chǎn)品、生物量能源碳庫數(shù)量之和的變化。情景二中，由于不進(jìn)行采伐干擾，原有森林中各齡林隨著時(shí)間的推移到達(dá)最大碳儲(chǔ)量后，生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡而將不再固碳(本文沒有考慮死亡等因素)，因此生物量碳庫曲線在150年左右達(dá)到最大值后保持不變，土壤碳庫變化亦不明顯。由于土壤碳庫作用較小，因此情景二下生物量碳庫數(shù)量和總固碳量較為接近。由于沒有考慮采伐，所以情景二內(nèi)沒有林產(chǎn)品和生物量碳庫曲線變化。

在200年模擬期內(nèi)，比較情景一、二總固碳量動(dòng)態(tài)(圖2)。由于情景二不考慮采伐干擾的影響，林木保持生長(zhǎng)，其碳儲(chǔ)量變化曲線呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。隨著到林木生長(zhǎng)達(dá)到成、過熟階段，生長(zhǎng)率減緩直至為零。到近200年保持固碳量不變，碳匯量達(dá)到最大值。而情景一考慮到采伐干擾的影響，在模擬期內(nèi)，總固碳量曲線變化趨勢(shì)隨模擬時(shí)間變化呈現(xiàn)一定的變化。模擬前期(第5－41年)，情景一條件下的總固碳量曲線略高于情景二，主要由于優(yōu)勢(shì)樹種中楊樹的短輪伐期和生長(zhǎng)量較快;模擬時(shí)間第42－184年，情景一條件下的總固碳量曲線低于情景二，且隨著時(shí)間的推移，兩曲線之間的差距逐漸縮小。第186年后，情景一條件下的總固碳量高于情景二，情景一總固碳量曲線保持持續(xù)上升趨勢(shì)，而情景二總固碳量曲線保持不變。

2.2 吉林省森林資源碳匯潛力分析

在200年模擬期限內(nèi)，采伐情景下的總固碳量大于非采伐情景，并通過生物能源的使用減少化石燃料碳排放759.19TgC至大氣中(見表2)。活立木的碳貯存量在兩種情景中均占據(jù)較大比重，由于林木定時(shí)主伐，情景一中活立木碳儲(chǔ)量呈現(xiàn)較為規(guī)律的波動(dòng)，而情景二中則表現(xiàn)為達(dá)到最大碳儲(chǔ)量后保持不變的趨勢(shì)。兩情景活立木碳貯存量分別占系統(tǒng)凈固碳量的32.47%和99.10%。兩種情景中土壤碳貯存量的變化均較穩(wěn)定，200年模擬期內(nèi)，土壤碳貯存量分別占凈固碳量的2.18%和0.90%。情景一中林產(chǎn)品的碳貯存量隨活立木的定期采伐呈現(xiàn)相應(yīng)的增長(zhǎng)，200年模擬期內(nèi)可達(dá)到185.87TgC，占系統(tǒng)凈固碳量的12.85%。在200年模擬期內(nèi)，情景一(采伐)比情景二(非采伐)多累計(jì)碳貯存量142.34TgC。

圖1 模擬200年內(nèi)吉林省原有森林各碳庫動(dòng)態(tài)

圖2 情景一、二下總固碳量模擬期200年內(nèi)動(dòng)態(tài)

根據(jù)芝加哥氣候交易所和歐洲氣候交易所歷史平均價(jià)格數(shù)據(jù)和吉林省森林生態(tài)系統(tǒng)碳匯潛力，可估算在模擬期200年內(nèi)，碳匯貿(mào)易收入為1.16×109$，即吉林省森林生態(tài)系統(tǒng)碳匯潛力收入為5.79×106$/a。

3 結(jié)論與討論

情景一假設(shè)各樹種成熟后當(dāng)年完成主伐并立即栽種同一樹種，而實(shí)際生產(chǎn)中成熟林木的采伐、種植均需要一定時(shí)間，故利用CO2FIX模擬的結(jié)果為森林生態(tài)系統(tǒng)理論碳匯潛力的最大上限;情景二假設(shè)各優(yōu)勢(shì)樹種成熟后不主伐，即森林生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)入碳循環(huán)平衡狀態(tài)。利用CO2FIX模擬的結(jié)果為森林生態(tài)系統(tǒng)理論碳匯潛力的最小碳匯潛力?；诖松鲜鰞煞N假設(shè)情景，估算吉林省森林生態(tài)系統(tǒng)200年內(nèi)凈固定大氣碳量為142.34TgC。

表2 吉林省原有森林碳匯潛力

由于本文中模型所涉及的各樹種各年齡段單位面積蓄積連年生長(zhǎng)量(CAI)，生物量模塊中各優(yōu)勢(shì)樹種枝、葉、根等的參數(shù)(如周轉(zhuǎn)率等)均采用已知文獻(xiàn)數(shù)據(jù)，一定程度上影響計(jì)算結(jié)果。同時(shí)，林木生長(zhǎng)受立地條件因素影響，但在模型中忽略空間異質(zhì)性。雖然模型計(jì)算結(jié)果的精度直接受到上述因素的影響，但是在大尺度上估算區(qū)域碳匯潛力，利用CO2FIX模型仍不失為一種相對(duì)便捷、經(jīng)濟(jì)的方法。

受國際政策影響，2008年以來芝加哥氣候交易所和歐洲氣候交易所溫室氣體減排交易價(jià)格持續(xù)降低。相對(duì)于林業(yè)CDM項(xiàng)目，如內(nèi)蒙古敖漢旗防治沙漠化造林項(xiàng)目，意大利獲得的減排額度價(jià)格8.00$/t CO2［17］，本文選用的$2.22/t CO2明顯偏小。從世界CO2減排的大趨勢(shì)和碳貿(mào)易發(fā)展需求來看，森林碳匯價(jià)格存在較大的上升空間，本研究估算的吉林省森林碳匯貿(mào)易收入5.79×106$/a偏低。

(編輯:劉照勝)

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