湖南省林木生物質(zhì)能資源現(xiàn)狀及利用潛力研究

何介南, 羅 航, 陳紅斌, 何勇強, 王 東

(中南林業(yè)科技大學(xué)，湖南 長沙 410004)

能源短缺和環(huán)境污染一直是阻礙我國經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的重要因素[1-2]，傳統(tǒng)化石能源的粗獷使用會帶來酸雨、氣候變暖等一系列環(huán)境問題[3]，我國能源消耗方式所引發(fā)的環(huán)境污染問題已經(jīng)造成的經(jīng)濟損失占當期GDP總量的2%～3%，且能源消費速度要明顯高于GDP增長速度[4]；此外，受國際環(huán)境的影響，我國能源安全受到了嚴重威脅[5-6]。因此，尋求新型能源替代部分化石能源是實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的必由之路。生物質(zhì)能(Biomass energy)是將太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能后固定和貯藏在生物體內(nèi)的能量，具有來源廣泛、成本低廉、可再生性等特點，是目前尋求新型能源的重要方向之一[7-8]。森林是生物質(zhì)能的重要組成部分，目前我國林木生物質(zhì)能源的研究和利用尚處于初級階段，未來具有廣泛的開發(fā)利用前景。湖南是森林資源大省，截止2019年，全省擁有林地面積1 299.57×104hm2，森林覆蓋率達59.90%，森林資源儲備量較高，其林木生物質(zhì)能源發(fā)展?jié)摿ξ涣腥珖孜籟9]。因此，研究湖南省林木生物質(zhì)能源潛力為本省林木生物質(zhì)能源合理、有效開發(fā)和利用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，有利于促進湖南省林木生物質(zhì)能源研發(fā)、加工、運輸、存儲等相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，也有利于解決農(nóng)村閑散勞動力安置問題。

1 研究區(qū)概況

1.1 自然地理概況

湖南省位于我國中部、長江中游，在108°47′—114°15′ E，24°38′—30°08′ N之間，國土面積21.18萬km2，下轄14個地市(州)，沿順時針方向依次與湖北、江西、廣東、廣西、貴州、重慶6省(直轄市、自治區(qū))接壤。湖南為亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候，具有“氣候濕潤、四季分明，熱量充足、雨量集中，春溫多變、夏秋多旱，嚴寒期短、暑熱期長”的特點[10]，年平均氣溫17.0 ～ 18.6 ℃，年平均降雨量1 031.0～1 726.3 mm，年均日照時數(shù)1 214～1 637 h(數(shù)據(jù)來源：湖南省統(tǒng)計年鑒2020)；湖南省地貌總體輪廓是東、南、西三面環(huán)山，北部盆湖平原，中部丘陵起伏，形成朝東北開口的不對稱馬蹄形；境內(nèi)地貌以流水、熔巖地貌為主，分別占湖南省總面積的64.76%、25.97%；轄區(qū)內(nèi)水資源豐富，坐擁全國第二大淡水湖——洞庭湖，以及湘、資、沅、澧四大水系，水域面積占全省面積的6.4%。

1.2 森林資源概況

湖南省森林資源豐富，2019年森林覆蓋率達到59.90%，林地面積為1 299.57×104hm2，其中：懷化市森林覆蓋率最高為71.00%，林地面積為203.27×104hm2；張家界市次之為70.99%，林地面積為70.53×104hm2；岳陽市最低為45.31%，林地面積為61.98×104hm2，詳細情況如表1所示，數(shù)據(jù)來源《湖南省二〇一九年度森林資源統(tǒng)計年報》。

表1 湖南省各市(州)森林資源概況Tab.1 Overviewofforestryresourcesincities(states)ofHunanProvince資源市(州)長沙市株洲市湘潭市衡陽市邵陽市岳陽市常德市張家界市益陽市郴州市永州市懷化市婁底市湘西自治州林地面積/×104hm260.3972.9022.1677.72132.1861.9883.0870.5364.27138.60155.20203.2741.20116.10森林覆蓋率/%55.0062.1146.5847.3260.9545.3148.0070.9953.8567.9465.5071.0050.8470.24

2 研究方法

根據(jù)國內(nèi)現(xiàn)有研究成果并結(jié)合湖南省實際情況，將林木生物質(zhì)能資源潛力分為三個層次，分別是總儲量、可收集量和可利用量，并以市(州)為單位進行研究，分析湖南省不同市(州)林木生物質(zhì)能資源的潛力狀況。

2.1 數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)來源于《湖南省二〇一九年度森林資源統(tǒng)計年報》、《湖南省統(tǒng)計年鑒2020》、《湖南省農(nóng)村統(tǒng)計年鑒2020》，林木生物量與蓄積量之間的函數(shù)關(guān)系、各類型生物質(zhì)能資源可收集系數(shù)和可利用系數(shù)均來源于文獻資料[11-15]。

2.2 林木生物質(zhì)能資源總儲量估算

結(jié)合文獻資料和湖南省實際情況，將林木生物質(zhì)能資源總儲量分為四個部分，分別是主要林分生物質(zhì)能資源儲量、木本油料生物質(zhì)能資源儲量、竹林生物質(zhì)能資源儲量和灌木生物質(zhì)能資源儲量。

主要林分生物質(zhì)能資源儲量：

根據(jù)各類林木生物量與蓄積量之間的函數(shù)關(guān)系，估算主要林分生物質(zhì)能資源生物量(儲量)，關(guān)系式如下，相關(guān)系數(shù)如表2所示[11]。

(1)

(2)

表2 主要林分生物量參數(shù)Tab.2 Biomassparametersofmainstands系數(shù)林分杉木馬尾松闊葉林柏木國外松楊樹桉樹三杉a0.39990.52000.62550.61290.51680.47540.78930.4158b22.5410091.001326.145133.237830.60346.930641.3318

木本油料生物質(zhì)能資源儲量：

湖南省木本油料主要有油茶、油桐、山核桃、杜仲、黃梔子等，由于數(shù)據(jù)可獲得性，選擇《湖南省統(tǒng)計年鑒2020》中油茶和油桐產(chǎn)量作為其生物質(zhì)能資源儲量。

A油料=A油茶+A油桐；

(3)

竹林生物質(zhì)能資源儲量：

A竹林=株數(shù)×單株產(chǎn)量。

(4)

式中：單株產(chǎn)量(22.5 kg·株-1)依據(jù)徐劍琦等[12]研究成果。

灌木生物質(zhì)能資源儲量：

(5)

2.3 林木生物質(zhì)能資源可收集量估算

根據(jù)已有的研究成果結(jié)合湖南省實際情況，將林木生物質(zhì)資源可收集量分為五個部分，分別是薪炭林、林業(yè)產(chǎn)業(yè)和更新剩余物(包括：采伐剩余物、木材加工剩余物、撫育間伐剩余物)、木本油料、竹材加工剩余物和灌木林，各個組成部分的計算方法如下：

(6)

A采伐=V采伐蓄積量×r1×40%；

(7)

A加工=V原木蓄積量×r2×34.4%；

(8)

A間伐=V間伐蓄積量×r3；

(9)

(10)

A木本油料=A木本油料儲量×100%；

(11)

(12)

2.4 林木生物質(zhì)能資源可利用量估算

林木生物質(zhì)能資源可利用量的估算在可收集量的基礎(chǔ)上進行，根據(jù)相關(guān)文獻總結(jié)了可利用系數(shù)[11、13-15](表3)。

A可利用=∑(Ai×k)。

(13)

表3 5種林木生物質(zhì)能資源可利用系數(shù)Tab.3 Thefivekindsofforestrybiomassenergyresourcesutilizationcoefficient系數(shù)組分薪炭林林業(yè)產(chǎn)業(yè)和更新剩余物采伐剩余物木材加工剩余物撫育間伐量木本油料竹林采伐剩余物灌木林可利用系數(shù)k/%100303030254740

2.5 數(shù)據(jù)處理

使用Excel 2019對原始數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計匯總，使用Origin 2019進行圖像繪制。

3 結(jié)果與分析

3.1 湖南省林木生物質(zhì)能資源總儲量

依據(jù)《湖南省二〇一九年度森林資源統(tǒng)計年報》和《湖南省統(tǒng)計年鑒2020》獲取湖南省各市(州)林木資源狀況(表4)，使用公式(1)～(5)計算主要林分生物質(zhì)能資源儲量、木本油料生物質(zhì)能資源儲量、竹林生物質(zhì)能資源儲量、灌木生物質(zhì)能資源儲量以及總儲量(表5)。

通過計算分析，2019年湖南省林木生物質(zhì)能資源總儲量為76 253.70×104t，其中，主要林分生物質(zhì)能資源儲量為66 541.56×104t(87.26%)，木本油料生物質(zhì)能資源儲量為112.70×104t(0.15%)，竹林生物質(zhì)能資源儲量為7 503.88×104t(9.84%)，灌木生物質(zhì)資源儲量為2 095.55×104t(2.75%)。按區(qū)域分，林木生物質(zhì)能資源總儲量依次為懷化市(12 629.88×104t)>永州市(8 641.79×104t)>郴州市(8 444.33×104t)>邵陽市(8 260.48×104t)>湘西自治州(5 899.69×104t)>常德市(5 445.17×104t)>張家界市(4 767.66×104t)>益陽市(4 405.06×104t)>株洲市(4 130.56×104t)>長沙市(3 779.63×104t)>岳陽市(3 316.94×104t)>衡陽市(3 209.24×104t)>婁底市(1 966.18×104t)>湘潭市(1 357.09×104t)；在主要林分生物質(zhì)能資源儲量上，懷化市儲量最高為11 756.65×104t，湘潭市儲量最低為1 173.15×104t；在木本油料生物質(zhì)能資源儲量上，衡陽市儲量最高為23.06×104t，張家界市最低為0.87×104t；在竹林生物質(zhì)能資源儲量上，邵陽市最高為1 227.60×104t，湘西自治州儲量最低為36.03×104t；在灌木生物質(zhì)能資源儲量上，湘西自治州儲量最高為353.25×104t，湘潭市儲量最低為23.95×104t。

表4 湖南省各市(州)林木資源概況(1)Tab.4 City(state)forestryresourcesinHunanProvince(1)林木資源市(州)長沙市株洲市湘潭市衡陽市邵陽市岳陽市常德市杉木蓄積量/m3911548413740886196316865270873220465369209338410652面積/hm214792319866233554104171347348154377111967馬尾松蓄積量/m385686323330814405170852496982666669862271238213005面積/hm2126174580785780981842273346104844119800國外松蓄積量/m31756959792387949192299178525920262431120520690面積/hm22799925821165596817954509481546489柏木蓄積量/m32395884155936162217540725438251面積/hm2518344293132173123238闊葉樹蓄積量/m3897710781000782797383364697914033153557536416740463面積/hm216714818015158105100391219825115043273429楊樹蓄積量/m33750770481560306636681411416032749750面積/hm23691792931511381369736023桉樹蓄積量/m339401328313258661010179210362393面積/hm26053523169913214861三杉蓄積量/m3806123090682150036245442552面積/hm216341015126440442木本油料油茶/t63710146814119162279451359052809046588油桐/t211561026053719620250竹林/萬株1469923925705726853545602328219568灌木林/hm2147526531112123136559720012944675585

表5 湖南省各市(州)4種類型林木生物質(zhì)能資源儲量Tab.5 Biomassenergyresourcesreservesoffourtypesoftreesincities(states)ofhunanProvince×104t市(州)主要林分木本油料竹林灌木合計長沙市3413.376.37330.7429.153779.63株洲市3448.3914.80538.32129.054130.56湘潭市1173.151.19158.7923.951357.09衡陽市2312.1323.06604.21269.843209.24邵陽市6876.9813.631227.60142.278260.48岳陽市2731.153.77523.8358.183316.94常德市4850.854.68440.28149.365445.17張家界市4547.590.8752.65166.554767.66益陽市3276.562.411081.1744.924405.06郴州市7490.6514.06785.56154.068444.33永州市7609.7216.18674.23341.678641.79懷化市11756.656.71700.89165.6312629.88婁底市1546.512.42349.5867.661966.18湘西自治州5507.852.5636.03353.255899.69合計66541.56112.707503.882095.5576253.70

3.2 湖南省林木生物質(zhì)能資源可收集量

依據(jù)《湖南省二〇一九年度森林資源統(tǒng)計年報》和《湖南省統(tǒng)計年鑒2020》獲取湖南省各市(州)林木資源狀況(表6)，依據(jù)公式(6)～(12)，計算薪炭林生物質(zhì)資源可收集量、林業(yè)產(chǎn)業(yè)和更新剩余物可收集量、竹林采伐剩余物可收集量以及木本油料和灌木可收集量(表7)。

表6 湖南省各市(州)林木資源概況(2)Tab.6 Forestryresourcessituationofcity(state)inHunanProvince(2)資源市(州)長沙市株洲市湘潭市衡陽市邵陽市岳陽市常德市薪炭林/hm2合計:184000采伐蓄積量/m3462606.0071149222159.00112171.00591306.00505492.00524728.00原木產(chǎn)量/×104m317.0214.182.969.6938.1048.7040.51間伐蓄積量/m33528.0058532.001936.0013178.008694.0016170.0013514.00木本油料/t63712.00147970.0011926.00230550.00136276.0037710.0046838.00采伐竹材/萬根2657.801601.20810.021350.181870.861173.551061.91灌木/hm214752.1065311.0012122.90136558.6072000.6029445.8075585.30資源市(州)張家界市益陽市郴州市永州市懷化市婁底市湘西自治州采伐蓄積量/m3141107.00406099.00476790.00436985.00669137.0041582.00276513.00原木產(chǎn)量/×104m34.3544.8029.4433.1242.473.013.07間伐蓄積量/m321819.006411.0052120.0070293.0023713.002418.002665.00木本油料/t8723.0024087.00140566.00161789.0067098.0024230.0025561.00采伐竹材/萬根156.303177.421424.481072.4071288.4671420.3553.60灌木/hm284284.9022730.4077967.50172909.2083820.8034243.40178770.20

表7 湖南省各市(州)不同類型林木生物質(zhì)能資源可收集量Tab.7 Collectableamountofbiomassenergyresourcesofdifferenttypesoftreesincities(states)ofHunanProvince×104t市(州)采伐剩余物加工剩余物間伐剩余物竹材木本油料灌木合計長沙市21.655.270.324.576.3729.1567.33株洲市33.304.395.272.7514.80129.05189.56湘潭市1.040.920.171.391.1923.9528.67衡陽市5.253.001.192.3223.06269.84304.65邵陽市27.6711.800.783.2213.63142.27199.37岳陽市23.6615.081.462.023.7758.18104.16常德市24.5612.541.221.834.68149.36194.18張家界市6.601.351.960.270.87166.55177.60益陽市19.0113.870.585.472.4144.9286.24郴州市22.319.114.692.4514.06154.06206.69永州市20.4510.256.331.8416.18341.67396.72懷化市31.3213.152.132.226.71165.63221.15婁底市1.950.930.222.442.4267.6675.63湘西自治州12.940.950.240.092.56353.25370.03合計251.70102.6126.5532.88112.702095.662622.00注:表中不含薪炭林可收集量,全省薪炭林可收集量為414.00×104t。下同。

通過計算分析，2019年湖南省林木生物質(zhì)能資源可收集量為3 036.00×104t，其中，薪炭林生物質(zhì)能資源可收集量為414.00×104t(13.64%)，采伐剩余物生物質(zhì)能資源可收集量為251.70×104t(8.29%)，林木加工剩余物生物質(zhì)能資源可收集量為102.61×104t(3.38%)，撫育間伐剩余物生物質(zhì)能資源可收集量為26.55×104t(0.87%)，竹材加工剩余物生物質(zhì)能資源可收集量為32.88×104t(1.08%)，木本油料生物質(zhì)能資源可收集量為112.70×104t(3.71%)，灌木生物質(zhì)能資源可收集量為2 095.55×104t(69.02%)。按區(qū)域分，林木生物質(zhì)能資源可收集量(不含薪炭林)依次為永州市(396.72×104t)>湘西自治州(370.03×104t)>衡陽市(304.65×104t)>懷化市(221.15×104t)>郴州市(206.69×104t)>邵陽市(199.37×104t)>常德市(194.18×104t)>株洲市(189.56×104t)>張家界市(117.60×104t)>岳陽市(104.16×104t)>益陽市(86.24×104t)>婁底市(75.63×104t)>長沙市(67.33×104t)>湘潭市(28.67×104t)；在采伐剩余物可收集量上，株洲市最高為33.30×104t，在加工剩余物可收集量上，岳陽市最高為15.08×104t，在撫育間伐可收集量上，永州市最高為6.33×104t，在竹材加工剩余物可收集量上，益陽市最高為5.47×104t，在木本油料可收集量上，衡陽市最高為23.06×104t，在灌木生物質(zhì)能資源可收集量上，湘西最高為353.25×104t。

3.3 湖南省林木生物質(zhì)能資源可利用量

湖南省林木生物質(zhì)能資源可利用量是在其可收集量的基礎(chǔ)上計算得到(表8)。2019年湖南省林木生物質(zhì)能資源可利用總量為1 410.11×104t，其中薪炭林生物質(zhì)能可利用量為414.00×104t(29.36%)，采伐剩余物可利用量為75.51×104t(5.35%)，加工剩余物可利用量為30.78×104t(2.18%)，撫育間伐可利用量為7.97×104t(0.56%)，竹材采伐剩余物可利用量為15.45×104t(1.10%)，木本油料可利用量為28.18×104t(2.00%)，灌木可利用量為838.22×104t(59.44%)。按區(qū)域分，林木生物質(zhì)能資源可利用量(不含薪炭林)依次為永州市(152.69×104t)>湘西自治州(146.22×104t)>衡陽市(117.62×104t)>懷化市(82.95×104t)>郴州市(77.13×104t)>邵陽市(73.90×104t)>常德市(73.27×104t)>張家界市(69.94×104t)>株洲市(69.50×104t)>岳陽市(37.22×104t)>益陽市(31.17×104t)>婁底市(29.75×104t)>長沙市(23.57×104t)>湘潭市(11.17×104t)；在采伐剩余物、加工剩余物、竹材、木本油料、灌木可收集量上，最高值依次為株洲市(9.99×104t)、岳陽市(4.52×104t)、永州市(1.90×104t)、益陽市(2.57×104t)、衡陽市(5.76×104t)和湘西自治州(141.30×104t)。

表8 湖南省各市(州)不同類型林木生物質(zhì)能資源可利用量Tab.8 Availabilityofbiomassenergyresourcesofdifferenttypesoftreesincities(states)ofHunanProvince×104t市(州)采伐剩余物加工剩余物間伐剩余物竹材木本油料灌木合計長沙市6.491.580.102.151.5911.6623.57株洲市9.991.321.581.293.7051.6269.50湘潭市0.310.270.050.650.309.5811.17衡陽市1.570.900.361.095.76107.94117.62邵陽市8.303.540.231.513.4156.9173.90岳陽市7.104.520.440.950.9423.2737.22常德市7.373.760.360.861.1759.7473.27張家界市1.980.400.590.130.2266.6269.94益陽市5.704.160.172.570.6017.9731.17郴州市6.692.731.411.153.5161.6377.13永州市6.143.081.900.874.04136.67152.69懷化市9.393.940.641.041.6866.2582.95婁底市0.580.280.071.150.6127.0729.75湘西自治州3.880.290.070.040.64141.30146.22合計75.7130.787.9615.4528.18838.22996.11

4 結(jié)論與討論

本研究將林木生物質(zhì)能資源潛力劃分為三個層次，一是林木生物質(zhì)能資源儲量，二是林木生物質(zhì)能資源可收集量，三是林木生物質(zhì)能資源可利用量，根據(jù)相關(guān)文獻和湖南省情設(shè)計了估算體系和方法，結(jié)論如下。

(1)2019年湖南省林木生物質(zhì)能資源總儲量為76 253.70×104t，其中主要林分生物質(zhì)能資源儲量占比最高，達到87.26%；林木生物質(zhì)能資源總儲量在區(qū)域之間存在較大的差異，其中懷化市、永州市、郴州市和邵陽市四個地區(qū)林木生物質(zhì)能資源儲量較高，均超過8 000×104t，而湘潭市、婁底市的林木生物質(zhì)能資源儲量則較低。

(2)2019年湖南省林木生物質(zhì)能資源可收集量為3 036.00×104t，其中灌木生物質(zhì)能資源可收集量占比最高為69.02%，其次為薪炭林可收集量(13.64%)；林木生物質(zhì)能資源可收集量在區(qū)域之間存在較大的差異，其中永州市、湘西自治州和衡陽市其林木資源可收集量較高，超過300×104t，而湘潭市、長沙市、婁底市和益陽市四個地區(qū)其林木資源可收集量較低，不足100×104t。

(3)2019年湖南省林木生物質(zhì)能資源可利用量為1 410.11×104t，其中灌木生物質(zhì)能資源可利用量占比最高為59.44%，其次為薪炭林可利用量(29.36%)；林木生物質(zhì)能資源可利用量在區(qū)域之間同樣存在較大的差異，其中永州市、湘西自治州和衡陽市三個地區(qū)其林木資源可利用量較高，超過100×104t，而湘潭市、長沙市和婁底市其林木資源可利用量較低，不足30×104t。

在林木生物質(zhì)能資源可收集和可利用量上，估算方法和折算系數(shù)的不同可能導(dǎo)致計算結(jié)果存在較大的差異。本研究中，薪炭林、灌木林的可收集量和可利用量在估算時以對應(yīng)的林地面積為基礎(chǔ)，所以計算結(jié)果為理論最大值，而采伐、加工、撫育間伐剩余物以及木本油料、竹材的可收集量和可利用量在估算時均以實際的消耗量為基礎(chǔ)，其計算結(jié)果比較貼近實際情況。