基于碳匯木材復(fù)合經(jīng)營(yíng)目標(biāo)的綜合效益及影響因素分析

薛蓓蓓，田國(guó)雙

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

大氣中CO2的增加是造成氣候變化的主要原因，氣候變化將會(huì)對(duì)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)發(fā)展造成巨大的影響。森林在生長(zhǎng)過(guò)程中吸收大氣中的CO2，將大氣中的一部分碳儲(chǔ)存在林分和土壤中，從而降低了大氣中CO2濃度，減緩氣候變化帶來(lái)的損失。森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，承擔(dān)生態(tài)建設(shè)和林產(chǎn)品供給的重要任務(wù)，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，碳匯效益已經(jīng)成為森林綜合效益的重要組成部分。

基于碳匯效益的綜合效益研究起步較晚[1]，如有關(guān)不同碳補(bǔ)貼方式對(duì)最優(yōu)輪伐期和碳匯供給影響的研究[2-7]，運(yùn)用改進(jìn)的Hartman模型分析碳交易對(duì)濕地松經(jīng)營(yíng)強(qiáng)度影響的研究[8]，木制品碳排放對(duì)最優(yōu)輪伐期和林地凈現(xiàn)值影響的研究[9]，有關(guān)碳匯經(jīng)營(yíng)目標(biāo)下不同經(jīng)營(yíng)主體碳匯供給潛力，以及碳匯效益對(duì)森林經(jīng)營(yíng)決策影響的研究[10-15]?，F(xiàn)有文獻(xiàn)研究的大多數(shù)是輪伐期較長(zhǎng)的樹(shù)種，對(duì)短輪伐期速生樹(shù)種的案例研究及其對(duì)比分析鮮見(jiàn)報(bào)道。杉木、桉樹(shù)是中國(guó)南方重要速生用材林樹(shù)種，具有良好的經(jīng)濟(jì)、生態(tài)和社會(huì)效益[12,16]。福建省自然條件優(yōu)越，適宜杉木和桉樹(shù)人工林推廣種植，人工林蓄積量占全國(guó)10%[17]。杉木和桉樹(shù)擁有巨大的碳匯潛力，在森林碳匯中占有重要的地位，已成為森林碳匯的主要來(lái)源樹(shù)種[16,18]。

杉木(Chinese fir)和桉樹(shù)(eucalyptus)是我國(guó)南方人工林重要樹(shù)種，木材產(chǎn)出和生態(tài)效益顯著，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中發(fā)揮重要作用。然而，現(xiàn)有造林成本劇增，木材市場(chǎng)低迷，林農(nóng)造林意愿減弱，一定程度上影響了現(xiàn)有人工林可持續(xù)發(fā)展。全球氣候變化的主要原因是由大氣中CO2濃度升高引起的溫室效應(yīng)。森林可以吸收大氣中CO2并儲(chǔ)存在林木和土壤中，降低了大氣中CO2濃度，減緩了溫室效應(yīng)，凸顯了森林生態(tài)功能。碳交易通過(guò)碳補(bǔ)貼實(shí)現(xiàn)森林的生態(tài)效益，使森林生態(tài)功能貨幣化?；谔紖R效益的綜合效益已成為碳匯木材復(fù)合經(jīng)營(yíng)的主體，分析經(jīng)濟(jì)因素變動(dòng)對(duì)綜合效益、木材效益和碳匯效益影響，對(duì)實(shí)現(xiàn)多效益經(jīng)營(yíng)最優(yōu)森林管理具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

福建省位于中國(guó)東南沿海(115°50′～ 120°40′E,23°33′～ 28°20′N)，地處亞熱帶，氣候條件優(yōu)越，雨量充沛，光照充足，年平均氣溫17～21 ℃，年平均降雨量1 400～2 000 mm，林地面積約926.67萬(wàn)hm2，占土地總面積76.28%，森林覆蓋率為66.80%，森林蓄積量7.29億m3。順昌國(guó)有林場(chǎng)(以下簡(jiǎn)稱林場(chǎng))位于福建省中部偏北的順昌縣(117°29′～118°14′E，26°38′～27°12′N)，閩江上游金溪、富屯溪交匯處，武夷山脈東南麓，系杉嶺東伸支脈，是國(guó)家南方重點(diǎn)林區(qū)和林業(yè)重點(diǎn)縣，全縣有林地面積約15.3萬(wàn)hm2，林木總蓄積量達(dá)1 400萬(wàn)m3，森林覆蓋率達(dá)82.8%。

1.2 多效益經(jīng)營(yíng)最優(yōu)輪伐期模型

森林單一木材產(chǎn)出的最優(yōu)輪伐期研究始于Faustmann[19]，但當(dāng)考慮保持水土、涵養(yǎng)水源、調(diào)節(jié)氣候、生物多樣性保護(hù)、森林的游憩價(jià)值等生態(tài)環(huán)境效益以及油料、藥材等非木質(zhì)產(chǎn)品效益時(shí)，F(xiàn)austmann模型很難準(zhǔn)確預(yù)測(cè)[20]。在此基礎(chǔ)上，Hartman將森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)納入Faustmann的模型中，分析了多效益經(jīng)營(yíng)的最優(yōu)輪伐期決策問(wèn)題，提出了Faustmann-Hartman模型[20-21]。由于考慮采伐后木制品的碳排放成本，本研究依據(jù)修正的Faustmann-Hartman模型，得出多效益經(jīng)營(yíng)最優(yōu)輪伐期模型[22]：

(1)

式中：Vmax為林地綜合效益凈現(xiàn)值，其可表征為無(wú)限輪伐期下的木材效益(Vw)和碳匯效益凈現(xiàn)值(Vc)之和；Pt為木材價(jià)格，根據(jù)實(shí)地調(diào)查和木材市場(chǎng)價(jià)格數(shù)據(jù)，杉木和桉樹(shù)木材價(jià)格分別為1 200和550元/m3；Pc為碳價(jià)格，參考2019年我國(guó)8個(gè)試點(diǎn)碳交易市場(chǎng)碳價(jià)格(6.91～83.27元/t)，本研究選取50元/t；r為連續(xù)時(shí)間利率，采用中國(guó)林業(yè)行業(yè)基準(zhǔn)貼現(xiàn)率 5%[23]；Q(t)為林齡為t時(shí)的單位面積蓄積量，它是關(guān)于林齡t的函數(shù)；Q′(t)是Q(t)的導(dǎo)數(shù)，表示蓄積量在每一年的增加值；C為營(yíng)林成本，包括初始造林、撫育和管護(hù)成本；Ch為采伐運(yùn)輸成本。對(duì)公式(1)求關(guān)于林齡t的一階導(dǎo)數(shù)，令其為零，即可得出多效益經(jīng)營(yíng)最優(yōu)輪伐期。

對(duì)公式(1)進(jìn)行分解，得出木材效益凈現(xiàn)值模型：

(2)

式中：δ為木材的出材率，杉木和桉樹(shù)的木材出材率取值分別為0.70和0.75[14,24]。

在考慮碳匯效益時(shí)，需要將蓄積量轉(zhuǎn)換成碳含量，本研究采用生物量擴(kuò)展因子法先計(jì)算單位面積的生物量，然后乘以含碳率得出碳含量。碳匯效益凈現(xiàn)值模型為：

(3)

θ=BEF·(1+R)·WD·CF。

(4)

式中：θ為碳轉(zhuǎn)換系數(shù)，BEF為生物量擴(kuò)展因子,WD為樹(shù)種的木材密度,CF為樹(shù)種的含碳率,R為地下生物量與地上生物量之比。根據(jù)《中華人民共和國(guó)氣候變化第二次國(guó)家信息通報(bào)》土地利用變化和林業(yè)溫室氣體清單的數(shù)據(jù)(www.carbontree.com.cn)，兩個(gè)樹(shù)種的具體參數(shù)如表1所示。

表1 碳轉(zhuǎn)換系數(shù)參數(shù)Table 1 Parameters on carbon conversion coefficients

若最優(yōu)輪伐期末采伐的林木一部分變成耐用木制品(如家具、建材和房屋等)，另一部分被燃燒或者被制作成短期制品(如包裝材料)，儲(chǔ)存在木制品中的碳比例(α)計(jì)算公式為[25]：

(5)

式中：v1為長(zhǎng)期耐用木制品腐爛速度，取0.79%；v2為短期木制品的腐爛速度，取1.03%；β為木制品中長(zhǎng)期耐用品的比例，取值為50%[26]。

1.3 木材生長(zhǎng)收獲模型

不同的立地條件、區(qū)域和營(yíng)林措施，導(dǎo)致不同的生長(zhǎng)收獲量。根據(jù)實(shí)地調(diào)查和已有數(shù)據(jù)，杉木生長(zhǎng)模型公式為[27]：

Q(t)=b1Isb2[1-e-kt]c。

(6)

桉樹(shù)生長(zhǎng)模型公式為[28]：

Q(t)=229.833 646 44(1-e-0.151 258 02t)1.315 602 18。

(7)

式中：Q(t)表示林齡為t時(shí)的林分蓄積量，t為林齡,Is為立地指數(shù)。b1=4.535 47,b2=1.609 31,c=3.720 004,k=0.096 004,Is=14。

1.4 數(shù)據(jù)來(lái)源

根據(jù)2017—2019年實(shí)地調(diào)研，杉木每公頃種植3 000株，桉樹(shù)每公頃種植2 250株，杉木和桉樹(shù)營(yíng)林措施主要包括種苗培育、挖地、煉山、施底肥、除草、割灌、幼齡林撫育和中齡林撫育等。杉木和桉樹(shù)單位面積經(jīng)營(yíng)成本投入見(jiàn)表2。

表2 單位面積經(jīng)營(yíng)成本投入Table 2 Silvicultural costs input per hectare

成本投入主要發(fā)生在前4 a，在造林初始階段主要有整地用工、挖穴用工、種植用工、種苗成本和化肥投入等，幼齡林撫育階段投入主要有補(bǔ)植用工、除草用工、撫育管護(hù)用工以及種苗成本等，中齡林撫育階段投入主要有除草用工、撫育性間伐用工等。此外，選擇160戶造林戶和150名林場(chǎng)從業(yè)人員進(jìn)行訪談和問(wèn)卷調(diào)查，得到杉木和桉樹(shù)單位面積的經(jīng)營(yíng)成本投入。

2 結(jié)果與分析

2.1 綜合效益和最優(yōu)輪伐期分析

根據(jù)上述的研究方法和收集整理的數(shù)據(jù)，利用公式(1)—(7)模擬計(jì)算杉木和桉樹(shù)的碳儲(chǔ)量、木材效益、碳匯效益和綜合效益，發(fā)現(xiàn)隨著林齡的增加，杉木和桉樹(shù)的碳儲(chǔ)量逐漸增加，但增幅逐漸下降；木材效益、碳匯效益和綜合效益均先上升后下降；杉木木材效益及綜合效益均在第20年時(shí)達(dá)到最大值，分別為21 423.52和22 702.11元/hm2；桉樹(shù)的木材效益和綜合效益分別在第8、7年時(shí)達(dá)到最大值，分別為25 845.13和32 111.27元/hm2。表明在當(dāng)前營(yíng)林成本和經(jīng)營(yíng)強(qiáng)度不變的情況下，多效益經(jīng)營(yíng)提升了綜合效益，碳匯經(jīng)營(yíng)具有一定的投資效益(表3)。

表3 單位面積杉木、桉樹(shù)人工林的經(jīng)濟(jì)效益Table 3 Economic values of Chinese fir and eucalypt plantations per hectare

2.2 綜合效益和最優(yōu)輪伐期影響因素分析

2.2.1 營(yíng)林成本對(duì)綜合效益和最優(yōu)輪伐期的影響

營(yíng)林成本是指進(jìn)行整地造林、撫育、間伐等經(jīng)營(yíng)活動(dòng)所需的投入費(fèi)用。在單一木材生產(chǎn)目標(biāo)下，營(yíng)林成本與木材效益呈負(fù)相關(guān)，即在其他因素保持不變的情況下，隨著營(yíng)林成本的增加，木材效益則下降。為了分析營(yíng)林成本變動(dòng)對(duì)綜合效益和最優(yōu)輪伐期的影響，在目前營(yíng)林成本基礎(chǔ)上波動(dòng)40%，分別對(duì)杉木、桉樹(shù)綜合效益和最優(yōu)輪伐期進(jìn)行對(duì)比分析(圖1)。結(jié)果表明：隨著營(yíng)林成本的增加，杉木、桉樹(shù)綜合效益、木材效益和碳匯效益均呈下降趨勢(shì)，最優(yōu)輪伐期隨營(yíng)林成本增加而延長(zhǎng)。杉木綜合效益從40 402.33元/hm2下降到5 599.02元/hm2，下降了86.14%，其中，木材效益由39 103.97元/hm2下降到4 345.68元/hm2,下降了88.89%，碳匯效益由1 298.36元/hm2下降到1 253.34元/hm2,下降了3.47%，杉木輪伐期變動(dòng)范圍為19～21 a；相比較，桉樹(shù)綜合效益由51 521.61元/hm2下降到15 530.34元/hm2,下降了69.86%，其中，木材效益從44 631.98元/hm2下降到9 466.06元/hm2,下降了78.79%，碳匯效益由6 889.64元/hm2下降到6 064.29元/hm2，下降了11.98%，桉樹(shù)輪伐期變動(dòng)范圍為6～8 a。杉木的綜合效益和木材效益對(duì)營(yíng)林成本變動(dòng)敏感性大于桉樹(shù)，碳匯效益敏感性小于桉樹(shù)，最優(yōu)輪伐期敏感性與桉樹(shù)相同。

AM.桉樹(shù)木材效益eucalyptus timber benefits;AC.桉樹(shù)碳匯效益 eucalyptus carbon sequestration benefits;AZ.桉樹(shù)綜合效益eucalyptus comprehensive benefits;SM.杉木木材效益Chinese fir timber benefits；SC.杉木碳匯效益Chinese fir carbon sequestration benefits;SZ.杉木綜合效益Chinese fir comprehensive benefits。下同。The same below.圖1 營(yíng)林成本對(duì)杉木和桉樹(shù)經(jīng)濟(jì)效益及最優(yōu)輪伐期的影響Fig.1 Effects of silviculture costs on economic value and optimal rotation of Chinese fir and eucalyptus

2.2.2 碳價(jià)格對(duì)綜合效益和最優(yōu)輪伐期的影響

為了模擬分析碳價(jià)格對(duì)綜合效益和最優(yōu)輪伐期的影響，將碳價(jià)格變動(dòng)區(qū)間設(shè)為0～500元/t(表4)。模擬結(jié)果表明：碳價(jià)格變動(dòng)與碳匯效益和綜合效益呈正相關(guān)，對(duì)杉木最優(yōu)輪伐期未見(jiàn)影響，與桉樹(shù)最優(yōu)輪伐期呈負(fù)相關(guān)。隨著碳價(jià)格上升，杉木綜合效益由21 423.52元/hm2上升到34 209.48元/hm2，增長(zhǎng)了59.68%；碳匯效益由0上升到12 785.96元/hm2；木材效益和輪伐期維持不變。相比較，桉樹(shù)綜合效益從25 845.13元/hm2上升到92 644.11元/hm2，上漲了258%；碳匯效益則由0上升到68 846.36元/hm2；木材效益由25 845.13元/hm2下降到23 797.75元/hm2，下降了7.92%；最優(yōu)輪伐期由8 a縮短為6 a。其中，當(dāng)碳價(jià)格由0上升到50元/t時(shí)，最優(yōu)輪伐期由8 a縮短為7 a；當(dāng)碳價(jià)格上升到300元/t時(shí)，最優(yōu)輪伐期又縮短了1 a(表4)。杉木的綜合效益、碳匯效益、木材效益和最優(yōu)輪伐期對(duì)碳價(jià)格的敏感性均小于桉樹(shù)。

表4 碳價(jià)格對(duì)杉木、桉樹(shù)經(jīng)濟(jì)效益和最優(yōu)輪伐期的影響Table 4 Effects of carbon prices on economic value and optimal rotation age of Chinese fir and eucalyptus

2.2.3 木材價(jià)格對(duì)綜合效益和最優(yōu)輪伐期的影響

當(dāng)前碳價(jià)格較低且面臨著很大的不確定性[29-34]，木材效益仍是綜合效益主要來(lái)源。為了分析木材價(jià)格變動(dòng)對(duì)綜合效益和最優(yōu)輪伐期的影響，在當(dāng)前木材價(jià)格基礎(chǔ)上波動(dòng)20%，分別對(duì)杉木和桉樹(shù)綜合效益和最優(yōu)輪伐期進(jìn)行對(duì)比分析(表5)。模擬結(jié)果表明：木材價(jià)格與綜合效益、木材效益及碳匯效益呈正相關(guān),與最優(yōu)輪伐期呈負(fù)相關(guān)。隨著木材價(jià)格的上漲，杉木綜合效益由4 545.44 元/hm2上升到41 117.14元/hm2,增加了8.05倍。其中，木材效益由3 292.09元/hm2上升到39 838.54元/hm2,增加了11.10倍；碳匯效益由1 253.34元/hm2上升到1 278.60元/hm2，上升了2.02%，最優(yōu)輪伐期由21 a縮短為20 a。相比較，桉樹(shù)綜合效益由9 575.92元/hm2上升到56 470.14元/hm2,增加了4.90倍。其中，木材效益由3 914.64元/hm2上升到49 580.50元/hm2,增加了11.67倍；碳匯效益由5 661.29元/hm2上升到6 889.64元/hm2，上升了21.67%；最優(yōu)輪伐期由9 a縮短為6 a。杉木的綜合效益對(duì)木材價(jià)格的敏感性大于桉樹(shù)，而碳匯效益、木材效益和最優(yōu)輪伐期對(duì)木材價(jià)格的敏感性小于桉樹(shù)。

表5 木材價(jià)格對(duì)杉木、桉樹(shù)經(jīng)濟(jì)效益和最優(yōu)輪伐期的影響Table 5 Effects of timber prices on economic values and optimal rotation of Chinese fir and eucalypt

2.2.4 利率對(duì)綜合效益和最優(yōu)輪伐期的影響

林業(yè)生產(chǎn)周期長(zhǎng)、風(fēng)險(xiǎn)大，利率水平反映投資的機(jī)會(huì)成本，對(duì)經(jīng)濟(jì)效益產(chǎn)生較大的影響，模擬分析結(jié)果表明(圖2)：利率水平的變動(dòng)對(duì)經(jīng)濟(jì)效益和最優(yōu)輪伐期具有顯著的負(fù)向影響，這表明，在其他因素不變的情況下，隨著利率水平的提高，經(jīng)濟(jì)效益將下降。當(dāng)利率從1%上升到7%時(shí)，杉木綜合效益由383 745.32元/hm2下降到890.14元/hm2，下降了99.77%;木材效益由373 951.57元/hm2下降到149.83元/hm2,下降了99.96%;碳匯效益由9 793.75元/hm2下降到740.31元/hm2,下降了92.44%;最優(yōu)輪伐期由25 a縮短為19 a。相對(duì)比，當(dāng)利率從1%上升到7%時(shí)，桉樹(shù)綜合效益由254 648.72元/hm2下降到16 728.99元/hm2,下降了93.43%;木材效益由218 838.05元/hm2下降到12 435.87元/hm2，下降了94.32%;碳匯效益由35 810.67元/hm2下降到4 293.12元/hm2,下降了88.01%;最優(yōu)輪伐期由8 a縮短為7 a。杉木、桉樹(shù)綜合效益之差在利率上升到4%時(shí)由正轉(zhuǎn)為負(fù)，此后隨著利率的上升，杉木、桉樹(shù)綜合效益之差逐漸加大(圖2a)。杉木的綜合效益、木材效益、碳匯效益和最優(yōu)輪伐期對(duì)利率變動(dòng)的敏感性均大于桉樹(shù)；就杉木而言，利率每增加1%，輪伐期基本提前1 a(圖2b)。

圖2 利率對(duì)杉木和桉樹(shù)經(jīng)濟(jì)效益和最優(yōu)輪伐期的影響Fig.2 Effects of interest ratio on economic value and optimal rotation of Chinese fir and eucalyptus

3 結(jié) 論

1)在當(dāng)前營(yíng)林成本和經(jīng)營(yíng)強(qiáng)度不變的情況下，多效益經(jīng)營(yíng)提升了綜合效益，輪伐期較長(zhǎng)樹(shù)種綜合效益低于輪伐期較短樹(shù)種。杉木綜合效益比桉樹(shù)綜合效益低了41.45%，為22 702.11元/hm2。

2)不同樹(shù)種的綜合效益對(duì)經(jīng)濟(jì)因素敏感性程度不同。杉木的綜合效益對(duì)木材價(jià)格敏感性最大，其次是營(yíng)林成本、利率和碳價(jià)格；桉樹(shù)的綜合效益對(duì)木材價(jià)格敏感性最大，其次是營(yíng)林成本、碳價(jià)格和利率。

3)從增加碳儲(chǔ)量即實(shí)現(xiàn)人工林增匯應(yīng)對(duì)氣候變化的角度考慮，應(yīng)選擇輪伐期較長(zhǎng)、生長(zhǎng)速度緩慢的杉木。然而，與快速生長(zhǎng)的桉樹(shù)相比，杉木固碳速率較低，營(yíng)林成本高，從投資效益來(lái)看，短輪伐期速生桉樹(shù)比杉木更具有投資效益。但事實(shí)上，短輪伐期速生樹(shù)種輪伐頻繁，過(guò)度經(jīng)營(yíng)會(huì)造成一定的生態(tài)破壞問(wèn)題，不利于發(fā)揮桉樹(shù)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能。因此，為了實(shí)現(xiàn)森林的可持續(xù)經(jīng)營(yíng)[35]和社會(huì)效用最大化的綜合效益,充分發(fā)揮森林的多功能效應(yīng)，一方面，需因地制宜地確定造林樹(shù)種和營(yíng)林措施；另一方面，可通過(guò)提高生態(tài)補(bǔ)償以激勵(lì)森林經(jīng)營(yíng)主體營(yíng)林的積極性。