生态因素下森林生物质动态潜力研究

蒲刚清，刘 贞，汪毅霖

(1.重庆房地产职业学院 营销系，重庆 401331； 2.重庆理工大学 管理学院，重庆 400054；3.西南政法大学 经济学院，重庆 401120)

生态因素下森林生物质动态潜力研究

蒲刚清1，刘 贞2，汪毅霖3

(1.重庆房地产职业学院 营销系，重庆 401331； 2.重庆理工大学 管理学院，重庆 400054；3.西南政法大学 经济学院，重庆 401120)

2050年生物质能将占人类总能源消耗的50%以上，其开发与利用成为解决能源危机及实现可再生能源总量分配目标的关键。考虑林业结构、采伐剩余物是否保留及地力发展等因素，设计11种情景对其潜力进行探究；分析不同因素的影响效度，提出相关林业建设和产业发展建议。考虑采集、运输及存储等技术水平，探究产业原料实际供给情况。生态结构调整的逆向作用较小，而采伐剩余物保留的较大。地力水平提升可显著提高我国生物质可利用潜力。考虑生态因素，2020、2030和2050年的森林生物质潜力分别为32 806.92万吨～36 880.68万吨、38 730.14万吨～45 922.51万吨和41 793.57万吨～50 862.63万吨，分别是传统理论值的1.04～1.17倍、1.16～1.38倍和1.13～1.37倍。考虑技术水平时，其潜力是传统理论值的72.41%、81.32%和81.03%。

生物质；森林生物质；生物质能；地力水平；林种结构

2013年，我国人均GDP约为6 700美元，我国原油及天然气对外依存度分别为58%及31.6%。未来，我国人均能源消费量将继续快速增加。联合国能源署预计，到2050年生物质能将供给全球能源的50%以上。许多学术专家和研究机构对生物质能发展抱有极高的期望[1-4]，生物质能已然成为许多国家的能源消费支柱[5-7]。各国陆续制定和执行生物质能发展计划，以推进其开发和利用[8-9]。第三代生物质能技术的发展及我国能源结构中生物质能的发展失衡[10-12]，为我国生物质能发展提供了契机；发展生物质能已然成为应对我国能源危机及实现可再生能源总量分配目标的重要途径；而发展生物质能的前提是对其生物质潜力进行测量，为其产业发展提供基础数据。在对森林生物质的潜力进行理论测算时，通常考虑林种类别、不同林种的面积及其相对应的剩余物系数等因素，测算当前或以往的潜力状况[13-18]。在此基础上，亦有学者考虑木材加工对于森林生物质潜力的影响[19-24]。同时，不少学者从生态角度出发，研究采伐剩余物保留与否对地力水平发展的影响，以探究生物质潜力的变化[25-38]。

在森林生物质潜力方面，我国一般从林种面积、对应生物质系数、采伐量、采伐剩余物系数、木材量与木材加工系数等方面入手，探究各历史年限的生物质潜力。国外偏重于研究生态因素对潜力评估的影响，而国内偏重于研究对采伐迹地的物理、化学和生物因素的影响。本文拟在传统的理论研究基础上，以生态要求为出发点，依据我国森林建设规划，考虑林种结构、采伐剩余物管理方法、地力水平发展及技术水平等因素，对森林生物质能潜力进行动态评估；对比单因素影响下的潜力，探究不同的生态因素的影响程度和影响方向；探究不同生态因素组合下的森林生物质潜力，评估其潜力发展态势；对比传统理论值，探究其理论值在森林建设动态发展过程中的有效性；考虑技术水平，为我国森林生物质能源产业的原材料供应能力提供基础数据。

一、能源潜力情景仿真设计

(一)森林生物质能潜力情景设计

依据我国《森林法》，森林种类分为防护林、特种用途林、用材林、薪炭林及经济林5类；其中，防护林和特种用途林为公益林，用材林、薪炭林及经济林为商品林。森林生物质潜力的影响因素包括林种结构、采伐剩余物的保留方法及地力水平的发展状态3类。其中，林种结构包括传统结构和生态结构2类；采伐剩余物的管理方法包括保留和不保留2类；地力水平发展包括国内发展水平、国际平均水平和国际先进水平3类。为探究不同影响因素对于森林生物质潜力的影响方向和影响效度，本文设计了5种基于单因素影响下的森林生物质潜力的仿真情景。情景1为基础情景，研究传统林种结构、采伐剩余物不保留及地力水平处于国内发展水平时的森林生物质潜力；情景2为生态结构情景，研究生态林种结构、采伐剩余物不保留及地力水平处于国内发展水平时的森林生物质潜力；情景3为采伐剩余物保留情景，研究传统林种结构、采伐剩余物保留及地力水平处于国内发展水平时的森林生物质潜力；情景4为地力水平发展情景，研究传统林种结构、采伐剩余物不保留及地力水平处于国际平均发展水平时的森林生物质潜力；情景5亦为地力水平发展情景，不过研究的是传统林种结构、采伐剩余物不保留及地力水平处于国际先进水平时的森林生物质潜力。本文拟对比不同情境下的森林生物质潜力，探究3种影响因素对于我国森林生物质潜力的发展的影响方向和影响效度，从而为我国林业建设和生物质能源产业发展提供参考依据。

为探究森林生物质生态潜力，考虑不同因素组合影响下的森林生物质的生态潜力，另设计了6种仿真情景。情景6为生态结构国内情景，研究生态林种结构、采伐剩余物不保留及森林地力水平处于国内发展水平的森林生物质潜力；情景7为生态结构国际1情景，研究生态林种结构、采伐剩余物不保留及森林地力水平处于国际平均水平的森林生物质潜力；情景8为生态结构国际2情景，研究生态林种结构、采伐剩余物不保留及森林地力水平处于国际先进水平的森林生物质潜力；情景9为生态保留国际1情景，研究生态林种结构、采伐剩余物保留及森林地力水平处于国际平均水平的森林生物质潜力；情景10为生态保留国际2情景，研究生态林种结构、采伐剩余物保留及森林地力水平处于国际先进水平的森林生物质潜力；情景11为生态保留国内情景，研究生态林种结构、采伐剩余物保留及森林地力水平处于国内发展水平的森林生物质潜力。

(二)森林生物质潜力测算模型

1.森林生物质潜力测算模型

构建生态角度下的森林生物质潜力模型：

(1)

2.不同林种面积模型

(2)

3.林种结构比例预测模型

公益林的建设目标以生态建设为主，而商品林以经济建设为主。依据历史数据，从经济方面考虑时偏重商业林的建设，而从生态方面考虑时偏重公益林的建设。采用最大结构与最小结构的配比，能强化两种建设目标下两种林分的结构区别。

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

4.木材采伐总量预测模型

(8)

(9)

二、生物质潜力情景仿真分析与评价

(一)森林生物质潜力基础性测算

1.主要年份不同林种面积及生长性生物质潜力

依据森林建设目标规划及我国森林发展现状[40]，采用直线增长方式进行测算，我国森林面积2020年将达到21 490.92万公顷，2030年将达到23 057.59万公顷，2050年将达到26 190.92万公顷。依据国家统计年鉴(2005—2013)，获取各年份各林种的新增面积，依据公式(3)—(7)对传统林种结构和生态林种结构进行测算，并结合公式(2)测算的林种面积，测算主要年份不同林种结构下的各林种面积。我国森林在种植、生长和抚育过程中产生的生物质，不同学者[13,17,40-43]采用不同的生物质系数进行核算。本文依据相关文献对生物质系数进行加权平均，获得薪炭林、用材林、经济林、防护林及特用林的生物质能系数分别为8.30 t/hm2、1.63 t/hm2、0.62 t/hm2、0.75 t/hm2及0.75 t/hm2。

2.主要年份木材生产量及相关生物质潜力

依据第8次全国森林资源清查信息及国家统计信息，我国2009—2013年单位面积木材生产量为0.383m3/hm2；折合系数0.6t/m3进行计算，依据公式(8)我国2012—2050年的木材生产量为 4 714.25万吨～6 018.67万吨。森林采伐将产生大量的树梢、枝丫及树皮等剩余物，剩余物比例为0.35；采伐的木材进入制材厂，将产生锯末、截头、刨花等剩余物，剩余物比例为0.2[41,44-45]。依传统理论测量，地力水平处于不发展状态，2012、2020、2030及2050年采伐剩余物和加工剩余合计分别为5 725.86万吨、6 036.08万吨、6 479.11万吨和7 356.16万吨。依据公式(1)，对我国森林在种植、生长和抚育过程中产生的生物质，以及在采伐过程中产生的生物质和木材加工产生的生物质进行汇总，不考虑地力水平发展和采伐剩余物保留的森林生物质潜力，获得主要年份森林生物质潜力如表1所示。

表1 传统理论测量下我国森林生物质潜力 104 t

(二)森林生物质潜力情景测算

依据第6次到第8次全国森林资源清查信息及国家统计年鉴信息，这3次清查单位面积木材生产量分别为0.271 m3/hm2、0.332 m3/hm2及0.383 m3/hm2；依据公式(9)，2020、2030及2050年单位木材生产量分别为0.45 m3/hm2、0.49 m3/hm2及0.49 m3/hm2。我国现有蓄积量为89.79 m3/hm2，世界平均水平为118 m3/hm2[47]。同时，世界平均水平下的单位面积木材生产量为0.50 m3/hm2，本文以0.53m3/hm2作为世界先进水平下单位面积木材生产量来进行核算。考虑地力水平发展的时间性及提升的可行性，2020年的木材产量系数无论是国际平均水平还是国际先进水平依旧使用国内平均水平的0.45 m3/hm2进行核定。此外，采伐剩余物留地与不留地相比，其森林成长性生物质产量将提高到1.10倍[34]。采伐过程中产生的生物质留地，要求在生物质潜力中进行扣除；留地的采伐剩余物会提升采伐迹地的抗逆性和营养物质的输入，改善采伐迹地的地力水平，提升生物质的潜力，由此引发的生物质潜力提升将汇入生物质潜力中[47-49]。基于公式(1)的仿真情景系数概况如表2所示。

依据表2数据对森林生物质潜力进行情景测算，测算结果如图1所示。

(三)森林生物质潜力情景仿真分析

1.基于单因素的效度影响分析

森林生物质潜力受到林种结构、地力水平发展状态及采伐剩余物是否保留等因素的影响，因此对比分析包括基础情景在内的单一因素影响下的5种情景结果，有利于探究不同因素对于生物质潜力的影响程度和影响方向。图2为单因素影响下森林生物质潜力情况。

表2 基于构建模型下的仿真情景系数概况

图1 不同仿真情境下的森林生物质潜力(108吨)

图2 单因素影响下森林生物质潜力分析(104吨)

相对于基础情景而言，生态结构的调整与采伐剩余物保留，对我国森林生物质潜力具有逆向影响，2种森林建设政策的执行势必会造成我国森林生物质潜力的下降，进而影响我国生物质能源产业的原材料供给状况。生态结构的调整的逆向作用较小，而采伐剩余物保留政策的逆向作用较大。2020、2030及2050年，生态结构情景相对于基础情景，分别造成40.56万吨、115.57万吨及257.96万吨的生物质潜力下降，分别占比0.11%、0.27%和0.54%。促进新增森林面积的生态化，可积极促进生态环境的发展，同时对于产业发展影响较小，适用于森林的生态建设。而采伐剩余物保留情景，在2020、2030及2050年，造成4 033.2万吨、4 739.34万吨和5 383.37万吨的森林生物质潜力下降，分别占比10.94%、11.10%和11.35%。采伐剩余物保留，有利于采伐迹地的土壤保护和二次林的生长，同时对于生物质能产业发展的原料供给造成较大影响。在产业发展原料供给充足的前提下，执行采伐剩余物留地的政策路径，可保证森林生态建设和生物质能产业的协同发展。在产业全面发展的未来，基于生态约束需继续执行采伐剩余物留地的森林建设政策；同时，由于采伐剩余物留地会造成森林生物质对产业原材料的供给不足，故应提高其他生物质来源的供给，例如农业生物质、城市有机废物及木质家具的回收等方面。

依据情景分析结果，地力水平提升可显著提高我国生物质可利用潜力。2020年的地力水平均考虑的是国内发展水平，不具有代表性。而2030年和2050年，相对于基础情景，地力水平处于国际平均水平，可分别增加1 001.02万吨、1 111.75万吨，均占比2.34%；地力水平处于国际先进水平，可分别增加3 336.74万吨、3 705.85万吨，均占比7.81%。提升地力水平成为提升我国生物质潜力的重要途径，地力水平提升涉及林种选择、抚育手段、病虫害防治和其他森林管理水平提升等多个方面。森林地力水平的提升，促进国内发展水平逐渐和世界平均水平靠近，保证了我国森林生物质潜力提升；而进一步提高地力水平，使其达到世界先进水平，增加林木蓄积量，会额外地带来2 000余万吨的生物质潜力。

2.森林生物质生态潜力分析

森林生物质未来的潜力发展，会同时受到林种结构、采伐剩余物管理方法及地力水平发展的综合影响。通过因素组合的方法，可测算我国森林生物质生态潜力未来的发展态势；对比分析包括基础情景在内的7种仿真情景结果，可探究其理论潜力的发展趋势。

应用传统理论研究，而不考虑林种的生态结构要求、地力水平发展状况及剩余物保留，主要年份的森林生物质潜力分别为31 521.95万吨、33 367.47万吨和37 058.50万吨。不同仿真情境下与传统理论测量结果的差异如图3所示。

图3 不同仿真情境下与传统理论测量结果的差异

受到采集、运输及存储等环节的技术水平的限制，尽管生物质潜力开发可为100%，但生产过程中的供给只能达到65%[50]。2020年，在不同情景下，生物质生态潜力最高为36 880.68万吨，最低为32 806.92万吨，加权平均为35 117.40万吨，实际上能达到22 826.31万吨；2030年，在不同情景下的加权平均为41 745.52万吨，实际上能达到27 134.59万吨；2050年，在不同情景下的加权平均为46 195.35万吨，实际上能达到30 026.978万吨。2020、2030和2050年，森林生物质潜力对于生物质能源产业的实际供给能力分别为传统理论测量方法的72.41%、81.32%和81.03%。因此，提升技术水平，减少生物质从供应点到需求点的过程损耗，就能有效地提高生物质能源产业的原材料供应能力。

三、结论

应用传统测量方法测算，我国生物质潜力会因为森林面积的上升而逐渐上升，将由2012年的30 371.80万吨在主要年份上升到31 521.95万吨、33 367.47万吨和37 058.50万吨。综上所述，得出以下结论：生态结构调整的逆向作用较小，而采伐剩余物保留政策的逆向作用较大。地力水平的提升可显著提高我国生物质可利用潜力，具有正向影响。地力水平提高可作为提升森林生物质潜力的重要手段，而采伐剩余物保留政策的实行需要结合其他提升手段的执行，生态结构政策的执行应在森林建设中受到重视。考虑生态因素的影响，我国2020、2030和2050年的森林生物质潜力，分别是传统理论值的1.04～1.17倍、1.16～1.38倍和1.13～1.37倍。考虑采集、运输及存储等技术水平时，主要年份内森林生物质潜力对于生物质能源产业的实际供给能力是传统理论测量方法的72.41%、81.32%和81.03%。

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ResearchonthePotentialofForestBiomassBasedonEcologicalFactors

PU Gangqing1, LIU Zhen2，WANG Yilin3

(1.Marketing Department, Chongqing Real Estate College, Chongqing 401331, China; 2.School of Management, Chongqing University of Technology, Chongqing 400054, China; 3.School of Economics, Southwest University of Political Science & Law, Chongqing 401120, China)

More than 50% energy consumption will stem from biomass energy in 2050. The exploitation and utilization of biomass is the key to deal with energy crisis and achieve renewable energy target distribution. There are totally 11 simulation scenarios, considering the factors’ influences, including land capacity, surplus’ management method and forest structure, evaluating the potential of forest biomass energy properly. From the scenarios’ results, which are affected by one factor, we can provide some suggestions about forestry construction and development of biomass energy industry. Meanwhile, we can evaluate the actual supply for industry raw material from forest biomass. Ecological structure is a negative factor for biomass potential, but the influence is also negative. The surplus’ management is negative, but the influence is positive. Improving the land capacity level is a positive method for biomass potential. There are 328.069 2 million tons -368.806 8 million tons of forest biomass in 2020, 387. 301 4 million tons -459.225 1 million tons of forest biomass in 2030, and 417.935 7 million tons -508.626 3 million of forest biomass tons in 2050. Compared to the theory method, the ecological scenarios results is 1.04～1.17 times, 1.16～1.38 times and 1.13～1.37 times the potential in theory method. And they are 72.41%, 81.32% and 81.03% of theory potential, considering the technical level.

biomass energy potential; land capacity level; surplus’ management method; forest structure

2017-04-07

国家自然科学基金项目“可再生能源总量目标分配机制及其有效性检验”(71073095)；国家自然科学基金项目“能源安全和生态环境约束下区域农业生物质能经济总量模型与补偿机制研究”(71573026)；重庆理工大学研究生创新项目“基于生态均衡的森林生物质能可利用潜力分析与市场激励机制实验研究”(YCX2015240)

蒲刚清(1991—)，男，四川眉山人，硕士，研究方向：生物质能源经济与政策；刘贞(1973—)，男，河南上蔡人，教授，博士，研究方向：可再生能源经济与政策；汪毅霖(1981—)，男，辽宁大连人，副教授，博士，研究方向：能源经济与公共治理。

蒲刚清，刘贞，汪毅霖.生态因素下森林生物质动态潜力研究[J].重庆理工大学学报(社会科学)，2017(10):51-59.

formatPU Gangqing, LIU Zhen，WANG Yilin.Research on the Potential of Forest Biomass Based on Ecological Factors [J].Journal of Chongqing University of Technology(Social Science)，2017(10):51-59.

10.3969/j.issn.1674-8425(s).2017.10.007

F307.2 ;TK1-8

A

1674-8425(2017)10-0051-09

(责任编辑张佑法)