基于蓄積量轉(zhuǎn)換法的森林碳匯核算研究

基于蓄積量轉(zhuǎn)換法的森林碳匯核算研究

森林是一個(gè)重要的陸地生態(tài)系統(tǒng)，在應(yīng)對(duì)世界氣候變化中發(fā)揮著重要作用。森林碳匯指森林等吸收并儲(chǔ)存CO2的多少,或者吸收并儲(chǔ)存CO2的能力。森林碳匯對(duì)降低大氣中溫室氣體濃度、減緩全球氣候變暖具有十分重要的作用。對(duì)森林碳匯的計(jì)量研究起步于20世紀(jì)60年代中后期,但目前對(duì)碳匯計(jì)量的方法還不統(tǒng)一,具體的計(jì)量項(xiàng)目也未達(dá)成共識(shí)。森林碳匯的實(shí)物量計(jì)量方法主要有生物量法、蓄積量法、生物量清單法、渦旋相關(guān)法、渦度協(xié)方差法;對(duì)價(jià)值量計(jì)量的方法主要有成本效益分析法、造林成本法、碳稅率法、碳稅法和造林成本均值法等,但目前還沒有一種方法為世界各國(guó)所公認(rèn)。在我國(guó),首先在國(guó)家層次上對(duì)森林碳匯進(jìn)行計(jì)量的是康惠寧等人,其研究結(jié)果表明,我國(guó)森林每年平均凈碳匯量為0.8627×108t,未來20年內(nèi)增加的森林凈碳匯能力約為773×108t。2000年,王效科等開展了中國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)中植物固定大氣碳的潛力的研究,并對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)現(xiàn)存的植物碳儲(chǔ)量進(jìn)行了估算,計(jì)算結(jié)果表明我國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)現(xiàn)存的植物碳儲(chǔ)量為3.255~3.724Pg(1Pg=1015g)。同年,方精云采用生物量法對(duì)森林總碳量進(jìn)行估計(jì),結(jié)果表明,我國(guó)森林總碳量為4.5×109t,疏林及灌木叢總碳量為0.5×109t。2005年,Piao等對(duì)1982—1999年森林植被碳匯量進(jìn)行估算,結(jié)果表明,1982—1999年森林植被年碳匯量為0.019Pg。2003年,魏殿生對(duì)我國(guó)森林年均碳匯量進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果為每年0.089Pg。2007年,方精云等又根據(jù)生物量法對(duì)1981—2000年森林植被年碳匯量進(jìn)行估算,結(jié)果表明森林植被年碳匯量為0.075Pg。2008年,顧凱平等采用植物分子式的方法,根據(jù)第6次森林資源清查資料,按樹種計(jì)算了森林的碳儲(chǔ)量為5.50Gt(1Gt=109t)。2009年,李秀娟等采用NPP增長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)下的碳周轉(zhuǎn)模型分別計(jì)算了1982—1999年森林生態(tài)系統(tǒng)累積碳匯量為0.862Pg,年均碳匯量為0.051Pg,其中,年均固定在森林植被中的碳匯量為0.034Pg,固定在凋落物中的碳匯量為0.013Pg,固定在森林土壤中的碳匯量為0.004Pg。從上述計(jì)量結(jié)果可以看出,我國(guó)森林碳匯的計(jì)量結(jié)果差別很大,森林總碳儲(chǔ)量最小的為3.255~3.724Pg(約為3.255~3.724Gt),最大的為5.50Gt,中間的估計(jì)結(jié)果分別有4.19、4.45和5.41Gt等(見表1)。其中,計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)差為0.698,方差為0.487。同樣,年均碳匯量的估計(jì)值的差別也很大,最小的每年為0.019Pg,最大的每年為0.8627Pg,估計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)差、方差分別為0.029和0.001(見表2)。森林總碳匯估計(jì)的方差明顯大于年均碳匯的方差,反映出森林碳匯總量計(jì)量差異高于年均碳匯計(jì)量差異;也反映出我國(guó)碳匯計(jì)量差別較大:并缺少科學(xué)的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn),對(duì)森林碳匯的家底還不是十分清楚。另外,在碳匯的計(jì)算上,通常采用不同樹種的立木蓄積乘以它們的換算因子,得出碳匯的大小。對(duì)于其他木質(zhì)生物量中的碳,是以立木數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),應(yīng)用推算因子來估計(jì)的。對(duì)于在選取蓄積量--生物量轉(zhuǎn)換系數(shù)時(shí),大多數(shù)選取0.45~0.55,更多的采取固定值0.45。對(duì)于森林碳匯的經(jīng)濟(jì)計(jì)量,主要是在實(shí)物計(jì)算的基礎(chǔ)上采用森林碳匯的價(jià)格乘以碳匯實(shí)物量值,求得森林碳匯的價(jià)值量。目前,國(guó)際上碳匯的價(jià)格為10~15美元/t。鑒于上述國(guó)內(nèi)外森林碳匯的研究現(xiàn)狀,本文主要根據(jù)1990—2007年全國(guó)森林資源清查數(shù)據(jù),采用蓄積量轉(zhuǎn)換法,利用差分方程,研究森林碳匯的變化規(guī)律和未來變化趨勢(shì),并計(jì)算森林碳匯核算的最優(yōu)價(jià)格,以起到拋磚引玉的作用。1狀態(tài)變量模型根據(jù)森林生長(zhǎng)特性和離散時(shí)間經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)控制方程,森林碳匯核算公式可以簡(jiǎn)單地抽象為下面的理論模型:式中:C(k)為森林蓄積的碳儲(chǔ)量(t),G(k)為森林生長(zhǎng)的碳儲(chǔ)量(t),W(k)為森林枯損的碳儲(chǔ)量(t),L(k)為森林采伐的碳儲(chǔ)量(t),k為年份。在上述模型中,L(k)為控制變量,其他變量為狀態(tài)變量。森林碳匯核算就是要在方程(1)的約束下,使森林生物碳儲(chǔ)量損失的價(jià)值最小。即式中:φ(C(N),N)是森林碳儲(chǔ)量?jī)r(jià)值的終端約束。2森林碳交換的公式和數(shù)據(jù)收集2.1森林蓄積量及林地固碳量核算根據(jù)李順龍的研究,按照蓄積量轉(zhuǎn)換法,森林碳匯的核算公式為:森林碳匯量=林木碳匯量+林下植被碳匯量+林地碳匯量=森林蓄積量×擴(kuò)大系數(shù)×容積系數(shù)×含碳率+林下植物固碳量換算系數(shù)×森林蓄積量+林地固碳量換算系數(shù)×森林蓄積量(3)用字母表示為:式中:CF為森林碳匯量;VF為森林蓄積量;δ為森林蓄積量換算成生物量蓄積的系數(shù),也稱生物量擴(kuò)大系數(shù),一般取1.90;ρ為將森林生物量蓄積轉(zhuǎn)換成生物干重的系數(shù),即容積密度,一般取0.45~0.50,本文取0.5;γ為將生物干重轉(zhuǎn)換成固碳量的系數(shù),即含碳率,一般取0.5;α為林下植物固碳量換算系數(shù),即根據(jù)林木生物量計(jì)算林下植物(含凋落物)固碳量,一般取0.195;β為林地固碳量換算系數(shù),即根據(jù)森林生物量計(jì)算林地固碳量,一般取1.244。2.2森林碳匯核算基本數(shù)據(jù)森林碳匯核算的主要數(shù)據(jù)來源于《全國(guó)森林資源統(tǒng)計(jì)》、《中國(guó)森林資源清查》、《中國(guó)林業(yè)統(tǒng)計(jì)年鑒》、《中國(guó)統(tǒng)計(jì)摘要(2008)》和有關(guān)研究報(bào)告。具體來說,森林蓄積量、森林年生長(zhǎng)量的數(shù)據(jù)主要來源于《全國(guó)森林資源統(tǒng)計(jì)》;森林年消耗,如森林采伐量、森林枯損量的數(shù)據(jù)來源于《中國(guó)林業(yè)統(tǒng)計(jì)年鑒》。另外,在數(shù)據(jù)收集中,由于我國(guó)每5年進(jìn)行一次森林資源清查,因此,森林蓄積量、森林年生長(zhǎng)量和森林采伐量、森林枯損量基本上5年內(nèi)保持相同。收集的森林碳匯核算的基本數(shù)據(jù)見表3。根據(jù)公式(3)、(4)計(jì)算的森林碳匯量結(jié)果見表4。3會(huì)計(jì)模型的估計(jì)3.1逐步回歸模型根據(jù)表4的森林碳匯數(shù)據(jù),采用線性回歸進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)模型包括所有變量,采用強(qiáng)行進(jìn)入法計(jì)算的結(jié)果如表5~7。由表5可以看出,Durbin-Watson為0.708,不在2左右,說明殘差不相互獨(dú)立,存在自相關(guān)。由表6中的Sig.=0.000看出,模型具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。同樣,由表7的容忍度和VIF判斷,模型存在嚴(yán)重的共線性,需重新進(jìn)行計(jì)算。采用逐步回歸法計(jì)算的模型的R2=0.998,調(diào)整后R2=0.997。模型的F值為6581.48,Sig.值為0.00,表示模型成立并具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,即逐步回歸后的C(k)可顯著解釋C(k+1),逐步回歸模型的系數(shù)見表8。因此,森林碳匯的核算模型為:在核算模型中,不包括G(k)、W(k)和L(k)。3.2森林碳儲(chǔ)量測(cè)算林木資源碳儲(chǔ)量的消耗和經(jīng)濟(jì)發(fā)展之間存在一定的關(guān)系,尤其是森林采伐損失的碳儲(chǔ)量和GDP之間存在二次曲線關(guān)系。根據(jù)表4中的數(shù)據(jù),采用SPSS軟件計(jì)算二者之間的具體關(guān)系式為:方程的回歸系數(shù)及相關(guān)檢驗(yàn)見表9。方程的R值為0.818,R2值為0.670,F值為15.213,Sig.值為0.000。根據(jù)有關(guān)研究,到2020年我國(guó)森林覆蓋率達(dá)到23%以上,如果森林單位面積蓄積量提高到世界平均水平100m3/hm2,森林總蓄積量可超過200億m。因此,按照2020年的最大目標(biāo)計(jì)算,如果以1990年為初始點(diǎn),到2020年,我國(guó)森林蓄積量為V(31)=200億m3,此時(shí),森林碳儲(chǔ)量為C(31)=2.439(V(31)×1.9×0.5×0.5)=231.71億t,按照目前國(guó)際上通用的碳匯價(jià)格(10~15美元/t)的下限計(jì)算,2020年森林碳儲(chǔ)量總價(jià)值為2317.05億美元。此時(shí),根據(jù)狀態(tài)方程,終端約束為10.11C(k)=2317.1。因此,性能指標(biāo)變?yōu)?式(7)的具體含義為:在方程(6)、(7)的約束下,在時(shí)間[1,k-1]內(nèi),求出k個(gè)控制變量L(1),L(2),…,L(k-1),使?fàn)顟B(tài)由初始C(1)轉(zhuǎn)移到終止?fàn)顟B(tài)C(k),并使式(5)、(6)的性能指標(biāo)取極小值,也就是在時(shí)間[1,k-1]內(nèi),使林木的采伐碳儲(chǔ)量的價(jià)值損失極小。4碳的影子價(jià)格型根據(jù)有關(guān)研究報(bào)告,2020年我國(guó)森林每年采伐利用總量可達(dá)到10億m3以上,折算成森林生物碳儲(chǔ)量為11.59億t。因此,森林碳匯的狀態(tài)方程為:令哈密頓函數(shù)H(k)為:由伴隨方程得進(jìn)一步求得這里,求得的λ*(N)=10.11美元/t,是2020年每噸碳的影子價(jià)格。如果按照國(guó)際上通用的碳匯價(jià)格10~15美元/t的上限計(jì)算,2020年每噸碳的影子價(jià)格為15.17美元。因此,根據(jù)目前國(guó)際上通用的碳匯價(jià)格,我國(guó)森林碳匯的最優(yōu)價(jià)格應(yīng)保持在10.11~15.17美元/t。此時(shí),每年森林采伐利用量應(yīng)為4.26億m3。因此,上述計(jì)算結(jié)果的具體含義為,我國(guó)森林碳匯的最優(yōu)價(jià)格為10.11~15.17美元/t,略高于目前國(guó)際上通用的碳匯價(jià)格,反映出我國(guó)碳匯的價(jià)值變化應(yīng)與國(guó)際碳匯的價(jià)值變化大體一致。5森林碳匯評(píng)價(jià)的方法通過對(duì)1990—2007年我國(guó)森林全部碳儲(chǔ)量的變化分析,得到:1)我國(guó)森林全部碳儲(chǔ)量核算的模型為:其中,碳匯量C(k)與C(k+1)的回歸方程的擬合優(yōu)度R2=0.998,調(diào)整后R2=0.997。模型的F值為6581.48,Sig.值為0.00,表明模型成立并具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。目標(biāo)函數(shù)也表明在2020年我國(guó)森林覆蓋率達(dá)到23%的條件下和目前GDP發(fā)展速度的情況下,通過一定的控制措施,能夠?qū)崿F(xiàn)由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展引起的森林采伐消耗的碳儲(chǔ)量最小。因此,把該模型作為我國(guó)森林全部碳儲(chǔ)量核算的模型是成立的。2)在2020年我國(guó)森林覆蓋率達(dá)到23%以上,森林單位面積蓄積量提高到世界平均水平100m3/hm2和森林總蓄積量超過200億m3的目標(biāo)下,采用最優(yōu)控制的方法求得我國(guó)森林碳匯的最優(yōu)價(jià)格為10.11~15.17美元/t,略高于目前國(guó)際上常采用的10~15美元/t的碳匯價(jià)格,反映出我國(guó)的森林培育成本略高于國(guó)際平均成本。另外,采用這種方法確定森林碳匯核算的價(jià)格是考慮了國(guó)際、國(guó)內(nèi)因素的優(yōu)化價(jià)格,也是森林資源資產(chǎn)評(píng)價(jià)中要求的影子價(jià)格,更符合資產(chǎn)評(píng)價(jià)的經(jīng)濟(jì)學(xué)含義,也是對(duì)資產(chǎn)評(píng)價(jià)方法的豐富。另外,根據(jù)計(jì)算,要保持我國(guó)森林由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展而采伐消耗的碳儲(chǔ)量最小,必須保持4.26億m3/a的采伐量。這對(duì)我國(guó)森林資源的管理提出了很高的要求。實(shí)際上,隨著我國(guó)森林覆蓋率的不斷增加,2020年我國(guó)的森林蓄積量將超過200億m3,每年的采伐量也達(dá)到10億m,折合為森林全部碳儲(chǔ)量為24.39億t,這對(duì)我國(guó)這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提出了嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。森林碳匯的評(píng)價(jià)是目前國(guó)際碳匯研究的一個(gè)熱點(diǎn)問題,也是世界各國(guó)應(yīng)對(duì)全球氣候變化關(guān)注的一個(gè)焦點(diǎn)。但對(duì)森林碳匯的計(jì)量、評(píng)價(jià)更多地關(guān)注某一時(shí)點(diǎn)碳匯的大小,而對(duì)碳匯長(zhǎng)期變化核算的計(jì)量還不多,尤其缺少對(duì)森林碳匯的最優(yōu)價(jià)格、經(jīng)濟(jì)發(fā)展引起的森林采伐而消耗的碳匯最小化等的研究。本文采用狀態(tài)方程和最優(yōu)控制的方法計(jì)算了我國(guó)森林碳匯的最優(yōu)價(jià)格,并求出了保證碳匯儲(chǔ)量最大化和經(jīng)濟(jì)發(fā)展引起的采伐而消耗的碳匯的最小值,現(xiàn)對(duì)計(jì)算結(jié)果討論如下:1)森林碳匯核算的計(jì)量更應(yīng)關(guān)注長(zhǎng)期趨勢(shì)的變化,尤其要關(guān)注社會(huì)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)碳匯的影響,即人類社會(huì)、經(jīng)濟(jì)活動(dòng)對(duì)森林碳匯大小的影響。只有這樣,才能區(qū)分自然氣候變化、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展變化對(duì)碳匯的影響,也才能制定出針對(duì)人類社會(huì)發(fā)展影響的政策、法規(guī),促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的持續(xù)發(fā)展。一味地注重某一時(shí)點(diǎn)碳匯的計(jì)量,且不區(qū)分自然氣候變化、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展變化對(duì)碳匯的影響,對(duì)政策、法規(guī)制定意義不大,且無助于森林資源的管理。2)發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)、碳匯經(jīng)濟(jì)或碳匯市場(chǎng),離不開碳匯價(jià)格的計(jì)量。對(duì)森林碳匯價(jià)格的計(jì)量,應(yīng)符合經(jīng)濟(jì)學(xué)的理論規(guī)范,即采用影子價(jià)格或最優(yōu)價(jià)格來計(jì)量。一般自由市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)條件下形成的價(jià)格,比較接近或等于影子價(jià)格或最優(yōu)價(jià)格。因此,在我國(guó)鼓勵(lì)發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)的今天,對(duì)森林碳匯價(jià)值進(jìn)行評(píng)估時(shí),應(yīng)該采用國(guó)際上市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)形成的常用的碳匯價(jià)格,不應(yīng)該采用局部的成本價(jià),這既不符合經(jīng)濟(jì)學(xué)規(guī)范,也不是評(píng)價(jià)要求的影子價(jià)格,更不能促進(jìn)森林碳匯市場(chǎng)的發(fā)展。3)對(duì)森林碳匯的評(píng)價(jià),應(yīng)把社會(huì)、經(jīng)濟(jì)因素等納入其中。生物學(xué)、生態(tài)學(xué)的評(píng)價(jià)更多地關(guān)注生物、生態(tài)因子的影響,如森林碳匯的計(jì)量,從生物學(xué)來說,主要受生長(zhǎng)量、枯損量等因子影響;從社會(huì)、經(jīng)濟(jì)因素來說還受采伐量、經(jīng)營(yíng)管理水平等影響。因此,評(píng)估時(shí)應(yīng)把這些因素考慮進(jìn)來,這些因素正是政策制定的關(guān)鍵因素。4)根據(jù)不同目的,對(duì)林木的碳匯評(píng)價(jià)和森林全