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

森林是一個重要的陸地生態(tài)系統(tǒng)，在應對世界氣候變化中發(fā)揮著重要作用。森林碳匯指森林等吸收并儲存CO2的多少,或者吸收并儲存CO2的能力。森林碳匯對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。對森林碳匯的計量研究起步于20世紀60年代中后期,但目前對碳匯計量的方法還不統(tǒng)一,具體的計量項目也未達成共識。森林碳匯的實物量計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;對價值量計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所公認。在我國,首先在國家層次上對森林碳匯進行計量的是康惠寧等人,其研究結(jié)果表明,我國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森林生態(tài)系統(tǒng)中植物固定大氣碳的潛力的研究,并對森林生態(tài)系統(tǒng)現(xiàn)存的植物碳儲量進行了估算,計算結(jié)果表明我國森林生態(tài)系統(tǒng)現(xiàn)存的植物碳儲量為3.255~3.724Pg(1Pg=1015g)。同年,方精云采用生物量法對森林總碳量進行估計,結(jié)果表明,我國森林總碳量為4.5×109t,疏林及灌木叢總碳量為0.5×109t。2005年,Piao等對1982—1999年森林植被碳匯量進行估算,結(jié)果表明,1982—1999年森林植被年碳匯量為0.019Pg。2003年,魏殿生對我國森林年均碳匯量進行計算,結(jié)果為每年0.089Pg。2007年,方精云等又根據(jù)生物量法對1981—2000年森林植被年碳匯量進行估算,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,按樹種計算了森林的碳儲量為5.50Gt(1Gt=109t)。2009年,李秀娟等采用NPP增長驅(qū)動下的碳周轉(zhuǎn)模型分別計算了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。從上述計量結(jié)果可以看出,我國森林碳匯的計量結(jié)果差別很大,森林總碳儲量最小的為3.255~3.724Pg(約為3.255~3.724Gt),最大的為5.50Gt,中間的估計結(jié)果分別有4.19、4.45和5.41Gt等(見表1)。其中,計算的標準差為0.698,方差為0.487。同樣,年均碳匯量的估計值的差別也很大,最小的每年為0.019Pg,最大的每年為0.8627Pg,估計的標準差、方差分別為0.029和0.001(見表2)。森林總碳匯估計的方差明顯大于年均碳匯的方差,反映出森林碳匯總量計量差異高于年均碳匯計量差異;也反映出我國碳匯計量差別較大:并缺少科學的計量標準,對森林碳匯的家底還不是十分清楚。另外,在碳匯的計算上,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。對于其他木質(zhì)生物量中的碳,是以立木數(shù)據(jù)為基礎,應用推算因子來估計的。對于在選取蓄積量--生物量轉(zhuǎn)換系數(shù)時,大多數(shù)選取0.45~0.55,更多的采取固定值0.45。對于森林碳匯的經(jīng)濟計量,主要是在實物計算的基礎上采用森林碳匯的價格乘以碳匯實物量值,求得森林碳匯的價值量。目前,國際上碳匯的價格為10~15美元/t。鑒于上述國內(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,并計算森林碳匯核算的最優(yōu)價格,以起到拋磚引玉的作用。1狀態(tài)變量模型根據(jù)森林生長特性和離散時間經(jīng)濟系統(tǒng)控制方程,森林碳匯核算公式可以簡單地抽象為下面的理論模型:式中:C(k)為森林蓄積的碳儲量(t),G(k)為森林生長的碳儲量(t),W(k)為森林枯損的碳儲量(t),L(k)為森林采伐的碳儲量(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,使森林生物碳儲量損失的價值最小。即式中:φ(C(N),N)是森林碳儲量價值的終端約束。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《全國森林資源統(tǒng)計》、《中國森林資源清查》、《中國林業(yè)統(tǒng)計年鑒》、《中國統(tǒng)計摘要(2008)》和有關(guān)研究報告。具體來說,森林蓄積量、森林年生長量的數(shù)據(jù)主要來源于《全國森林資源統(tǒng)計》;森林年消耗,如森林采伐量、森林枯損量的數(shù)據(jù)來源于《中國林業(yè)統(tǒng)計年鑒》。另外,在數(shù)據(jù)收集中,由于我國每5年進行一次森林資源清查,因此,森林蓄積量、森林年生長量和森林采伐量、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)計算的森林碳匯量結(jié)果見表4。3會計模型的估計3.1逐步回歸模型根據(jù)表4的森林碳匯數(shù)據(jù),采用線性回歸進行計算。當模型包括所有變量,采用強行進入法計算的結(jié)果如表5~7。由表5可以看出,Durbin-Watson為0.708,不在2左右,說明殘差不相互獨立,存在自相關(guān)。由表6中的Sig.=0.000看出,模型具有統(tǒng)計學意義。同樣,由表7的容忍度和VIF判斷,模型存在嚴重的共線性,需重新進行計算。采用逐步回歸法計算的模型的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)計學意義,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森林碳儲量測算林木資源碳儲量的消耗和經(jīng)濟發(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年我國森林覆蓋率達到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年的最大目標計算,如果以1990年為初始點,到2020年,我國森林蓄積量為V(31)=200億m3,此時,森林碳儲量為C(31)=2.439(V(31)×1.9×0.5×0.5)=231.71億t,按照目前國際上通用的碳匯價格(10~15美元/t)的下限計算,2020年森林碳儲量總價值為2317.05億美元。此時,根據(jù)狀態(tài)方程,終端約束為10.11C(k)=2317.1。因此,性能指標變?yōu)?式(7)的具體含義為:在方程(6)、(7)的約束下,在時間[1,k-1]內(nèi),求出k個控制變量L(1),L(2),…,L(k-1),使狀態(tài)由初始C(1)轉(zhuǎn)移到終止狀態(tài)C(k),并使式(5)、(6)的性能指標取極小值,也就是在時間[1,k-1]內(nèi),使林木的采伐碳儲量的價值損失極小。4碳的影子價格型根據(jù)有關(guān)研究報告,2020年我國森林每年采伐利用總量可達到10億m3以上,折算成森林生物碳儲量為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年每噸碳的影子價格。如果按照國際上通用的碳匯價格10~15美元/t的上限計算,2020年每噸碳的影子價格為15.17美元。因此,根據(jù)目前國際上通用的碳匯價格,我國森林碳匯的最優(yōu)價格應保持在10.11~15.17美元/t。此時,每年森林采伐利用量應為4.26億m3。因此,上述計算結(jié)果的具體含義為,我國森林碳匯的最優(yōu)價格為10.11~15.17美元/t,略高于目前國際上通用的碳匯價格,反映出我國碳匯的價值變化應與國際碳匯的價值變化大體一致。5森林碳匯評價的方法通過對1990—2007年我國森林全部碳儲量的變化分析,得到:1)我國森林全部碳儲量核算的模型為: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)計學意義。目標函數(shù)也表明在2020年我國森林覆蓋率達到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)濟發(fā)展引起的森林采伐消耗的碳儲量最小。因此,把該模型作為我國森林全部碳儲量核算的模型是成立的。2)在2020年我國森林覆蓋率達到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的目標下,采用最優(yōu)控制的方法求得我國森林碳匯的最優(yōu)價格為10.11~15.17美元/t,略高于目前國際上常采用的10~15美元/t的碳匯價格,反映出我國的森林培育成本略高于國際平均成本。另外,采用這種方法確定森林碳匯核算的價格是考慮了國際、國內(nèi)因素的優(yōu)化價格,也是森林資源資產(chǎn)評價中要求的影子價格,更符合資產(chǎn)評價的經(jīng)濟學含義,也是對資產(chǎn)評價方法的豐富。另外,根據(jù)計算,要保持我國森林由于經(jīng)濟發(fā)展而采伐消耗的碳儲量最小,必須保持4.26億m3/a的采伐量。這對我國森林資源的管理提出了很高的要求。實際上,隨著我國森林覆蓋率的不斷增加,2020年我國的森林蓄積量將超過200億m3,每年的采伐量也達到10億m,折合為森林全部碳儲量為24.39億t,這對我國這一目標的實現(xiàn)提出了嚴重的挑戰(zhàn)。森林碳匯的評價是目前國際碳匯研究的一個熱點問題,也是世界各國應對全球氣候變化關(guān)注的一個焦點。但對森林碳匯的計量、評價更多地關(guān)注某一時點碳匯的大小,而對碳匯長期變化核算的計量還不多,尤其缺少對森林碳匯的最優(yōu)價格、經(jīng)濟發(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)控制的方法計算了我國森林碳匯的最優(yōu)價格,并求出了保證碳匯儲量最大化和經(jīng)濟發(fā)展引起的采伐而消耗的碳匯的最小值,現(xiàn)對計算結(jié)果討論如下:1)森林碳匯核算的計量更應關(guān)注長期趨勢的變化,尤其要關(guān)注社會、經(jīng)濟發(fā)展對碳匯的影響,即人類社會、經(jīng)濟活動對森林碳匯大小的影響。只有這樣,才能區(qū)分自然氣候變化、社會經(jīng)濟發(fā)展變化對碳匯的影響,也才能制定出針對人類社會發(fā)展影響的政策、法規(guī),促進社會經(jīng)濟發(fā)展的持續(xù)發(fā)展。一味地注重某一時點碳匯的計量,且不區(qū)分自然氣候變化、社會經(jīng)濟發(fā)展變化對碳匯的影響,對政策、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、碳匯經(jīng)濟或碳匯市場,離不開碳匯價格的計量。對森林碳匯價格的計量,應符合經(jīng)濟學的理論規(guī)范,即采用影子價格或最優(yōu)價格來計量。一般自由市場競爭條件下形成的價格,比較接近或等于影子價格或最優(yōu)價格。因此,在我國鼓勵發(fā)展低碳經(jīng)濟的今天,對森林碳匯價值進行評估時,應該采用國際上市場競爭形成的常用的碳匯價格,不應該采用局部的成本價,這既不符合經(jīng)濟學規(guī)范,也不是評價要求的影子價格,更不能促進森林碳匯市場的發(fā)展。3)對森林碳匯的評價,應把社會、經(jīng)濟因素等納入其中。生物學、生態(tài)學的評價更多地關(guān)注生物、生態(tài)因子的影響,如森林碳匯的計量,從生物學來說,主要受生長量、枯損量等因子影響;從社會、經(jīng)濟因素來說還受采伐量、經(jīng)營管理水平等影響。因此,評估時應把這些因素考慮進來,這些因素正是政策制定的關(guān)鍵因素。4)根據(jù)不同目的,對林木的碳匯評價和森林全