氣候變化背景下華北落葉松人工林最優輪伐期的經濟分析

王小涵,何 瀟,史景寧

(1.河北農業大學 經濟管理學院，河北 保定 071000；2.中國林業科學研究院資源信息研究所 國家林業和草原局森林經營與生長模擬重點實驗室，北京100091)

最新發布的中國溫室氣體公報表明,2021年我國陸地區域年平均大氣CO2濃度達到415.20 ppm(ppm為摩爾比濃度10-6,即百萬分之一)[1]。面對氣候問題帶來的嚴峻挑戰,積極推動以“增匯減排”為核心的“碳中和”政策已經成為社會各界的普遍共識。在各項增匯措施中,林業碳匯不僅具有顯著的成本優勢,還可額外提供多種效益,充分發揮森林在固碳增匯方面的潛力,成為應對全球氣候變化的有效舉措[2-3]。

第九次全國森林資源清查表明,我國人工林面積達7 954萬hm2,以中幼齡林為主,占森林面積的70.42%[4],正處于生長旺盛階段,具有較高的固碳潛力。因此,在“碳中和”背景下探索兼具碳匯生態價值和木材經濟價值的人工林多目標經營模式尤為重要[5-7]。其中,確定最優輪伐期是影響人工林經營效益的重要因素。近年來,國內外學者以弗斯曼模型為基礎,圍繞考慮碳匯價值的最優輪伐期開展了廣泛研究。多數結果表明,在木材收益之外加入碳匯收益可以提高收入并延長最優輪伐期[5,8-10],但也有學者發現碳匯經營并未改變最優輪伐期[11-13]。由于這些研究所采用的樹種、立地條件以及經濟效益核算方法存在差異,學界尚未達成相對一致的結論。

盡管國內外對人工林木材碳匯復合經營效益的研究已經取得了諸多進展,但多側重于碳匯價格、木材價格、利率和造林成本等因素,忽略了氣候變化的影響,而后者已被證實是森林生產力時空變化的關鍵驅動因素[14]。在全球氣候變暖的背景下,區域范圍內的氣候穩定性將會發生改變,在傳統的森林生長收獲模型中加入氣候變量已經成為主流趨勢[15]。然而,以往在對最優輪伐期的研究中所采用的生長收獲模型均假設氣候條件不變,無法預測長期氣候變化對森林經營的影響。隨著“碳中和”計劃的實施,未來全球氣候變化的幅度與方向均存在較大不確定性,在人工林經營中考慮多種可能氣候情景的必要性和迫切性愈發凸顯。

當前,國內對木材碳匯復合經營最優輪伐期的研究大都集中在杉木(Cunninghamialanceolata)、桉樹(Eucalyptusrobusta)等樹種,對落葉松(Larixspp.)的相關研究卻鮮見報道[6]。華北落葉松(Larixprincipis-rupprechtii)是我國華北地區人工林的主要造林樹種,其生長亦對氣候變化較為敏感[16]。因此,本文使用華北地區第六次至第八次森林資源清查的華北落葉松人工林固定樣地調查數據,構建了考慮碳匯和木材價值的最優輪伐期模型,探討了不同未來氣候情景下的最優輪伐期及林地期望值變化規律,以期為華北落葉松人工林多目標經營與決策提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 數據來源

本研究使用的數據來源于河北、山西、北京、內蒙古等4省(區、市)第六次至第八次森林資源連續清查的華北落葉松人工純林固定樣地(34°54′—53°34′N,97°175′—126°75′E),共108塊。研究區為溫帶大陸性季風氣候,夏季炎熱多雨、冬季寒冷干燥,年平均降水量400～800 mm,年平均氣溫8～13 ℃。土壤類型有山地棕壤、黑棕壤、灰色森林土、黃土和褐土。根據立地條件差異,華北落葉松的初植密度2 400～5 000株/hm2。

樣地調查因子包括林分年齡、經緯度、海拔、坡度、坡向等。對樣地內胸徑大于5 cm的活立木進行每木檢尺,林分概況如表1所示。落葉松單木生物量參照林業行業標準《立木生物量模型及碳計量參數—落葉松》[17]計算,對于樣地內少量伴生樹種,根據行業標準中相應樹種的單木生物量模型計算,無行業標準的樹種使用公開發表文獻[18]內的生物量模型參數計算。林分蓄積使用本地一元或二元材積公式計算;若無本地材積公式,則根據《中國立木材積表》[19]中相應地區和樹種的材積公式計算。將樣地內所有單木生物量和蓄積量累加后換算成單位面積的林分生物量和林分蓄積量。

表1 樣地林分因子概況

研究使用的氣候數據獲取自ClimateAP在線平臺[20]。ClimateAP可根據經緯度與海拔提供亞太地區范圍的氣候數據,包括歷史數據(1901—2021年)和未來預測數據(2021—2100年)。采用相關分析法篩選用于建模的氣候變量,從中選擇了年濕熱指數(年平均溫度與年平均降水量之比)引入林分生物量和蓄積模型。

預測林分生物量和蓄積時,將全部樣地1981—2020年間濕熱指數的平均值作為當前氣候情景,2021—2100年間的平均值作為未來氣候情景。后者根據溫室氣體代表性濃度路徑(RCP)分為RCP 4.5和RCP 8.5。RCP描述了人類能源消耗和土地利用規劃影響下的氣候狀況,其中:RCP 4.5是一種較為穩定的氣候情景,假設未來溫室氣體排放在政府減排政策干預下顯著降低;而RCP 8.5是無政府干預下的最高溫室氣體排放情景,由于化石能源的大量消耗導致氣候變暖加劇。本研究選擇這兩種典型濃度路徑作為未來氣候情景,并模擬長期氣候變化對林分生物量和蓄積生長的影響。

1.2 研究方法

1.2.1生物量和蓄積模型

采用何瀟等[18]提出的華北落葉松林分生物量生長預測模型[式(1)]。

(1)

式中:B為林分生物量;IAHM為年濕熱指數;S為地位指數;ISD為Reineke林分密度指數;A為林齡。

由于ISD會隨林分發育而變化,因此使用包含氣候變量的動態預測模型計算不同立地條件和氣候狀況下ISD隨林齡的逐年變化[式(2)][18]。

(2)

式中:ISD1和ISD2分別為期初和期末的林分密度指數;A1和A2分別為期初和期末的林分年齡;IAHM為年濕熱指數;S為地位指數。

何瀟等[18]的文獻僅提出了林分生物量模型,本研究使用相同數據源與建模方法建立包含氣候因子的林分蓄積生長預測模型[式(3)]。

(3)

式中:V為林分蓄積;S為地位指數;IAHM為年濕熱指數;ISD為Reineke林分密度指數;A為林齡。

使用修正后的決定系數(R2)和估計值的標準誤(σSE)通過刀切法對式(3)所示模型進行了檢驗。R2,σSE計算公式如式(4)、式(5)所示。

(4)

(5)

結果表明,林分蓄積模型的R2為0.938 6,σSE為12.88 m3/hm2,模型整體性能良好。

在模擬林分蓄積和生物量生長過程時,模型變量的初始值設置如下:1)地位指數S,參考李文博等[21]設置為10 m,代表中等立地條件;2)林齡A,因造林后前4年需要撫育,不可能實施采伐活動,故將初始林齡設為5 a;3)林分密度ISD,參考《華北落葉松造林技術規程(DB 13/T 883—2020)》,將造林密度設為4 000 株/hm2,當林齡為5 a時對應的ISD為110 株/hm2;4)年濕熱指數IAHM,在當前氣候、RCP 4.5、RCP 8.5等3種情景下,分別設置為20,22,25 ℃/mm。

1.2.2最優輪伐期模型

采用經修正的弗斯曼模型[5],在2種收益情景(情景1:木材收益;情景2:木材收益+碳匯收益)下計算了華北落葉松的林地期望值,以林地期望值最大作為確定最優輪伐期的依據。林地期望值的計算公式如式(6)、式(7)所示。

Lt=It-C

(6)

Ltc=It+IC-C

(7)

式中:Lt和Ltc分別表示收益情景1和2計算得到的林地期望值(元/hm2);It是木材收益(元/hm2);IC是碳匯收益(元/hm2);C是輪伐期內森林經營成本(元/hm2)。

無限輪伐期下的木材收益(It)計算公式如式(8)所示:

(8)

式中:ρ為出材率(%),根據華北落葉松一元出材率表計算[22];Pt為木材價格(元/m3),根據中國木材網(www.chinatimber.org)近1年的落葉松原木報價,直徑24 cm以上(含24 cm)大徑材定價為 1 550元/m3,直徑24 cm以下中小徑材定價為1 350元/m3;Ch為采伐運輸成本,取130元/m3;T是輪伐期;V(T)是模型預測得到的輪伐期時的林分蓄積量(m3/hm2);r為貼現率(%),參考近1年的中國人民銀行貸款市場報價利率確定為4.00%。

營林成本C的計算公式如式(9)所示。

(9)

式中:Cs為造林成本,包括造林階段第1年的苗木成本、造林整地、化肥等投入,以及第2～4年的撫育和補植造林成本(該部分費用需貼現到第1年),通過走訪調研確定為10 473元/hm2;Cm為造林后每年的管護費用,確定為120元/hm2。

計算碳匯收益時,需要將林分生物量通過含碳系數轉化為碳儲量,并在收益中扣除因木材緩慢分解導致碳釋放帶來的損失,公式如式(10)所示。

(10)

式中:θ為含碳系數,取0.489 3[17];PC為碳匯價格(元/t),參考過去1年國內外碳排放交易所掛牌價,定為100元/t;B(t)是生物量模型預測得到的第t 年生物量(t/hm2);B′(t)是B(t)的一階導數,dt是對時間變量t的微分;α是木材收獲后可長期儲存在木制品中的碳比例,代表碳釋放帶來的經濟懲罰,采用黃宰勝等[10]提出的計算公式和參數值[式(11)]。

(11)

式中:v1是長期耐用木制品的腐爛速度,取每年0.79%;v2是短期木制品的腐爛速度,取每年1.03%;β是木制品中長期耐用木制品的比例,取50%。

綜上所述,對公式(6)和公式(7)求關于林齡t的一階導數,令其等于0,即可得到華北落葉松人工林碳匯木材復合經營的最優輪伐期及對應的林地期望值。

1.3 敏感性分析

為分析木材價格、碳匯價格和貼現率變化對華北落葉松人工林最優輪伐期的影響,在“1.2.2”節設置的基準價格或貼現率基礎上,模擬9種木材價格(基準木材價格波動±40%)、7種碳匯價格(0,50,100,150,200,250,300元/t)、6種貼現率(3.50%,4.00%,4.50%,5.00%,5.50%,6.00%)下的最優輪伐期和林地期望值。其中,150～300元/t的碳匯價格與國內市場實際成交價相比雖然較高,但在國際交易市場和政策研究中被廣泛使用[23-24]。

2 結果與分析

2.1 氣候情景分析

根據森林生長收獲模型和參數初始值,模擬3種氣候情景和2種收益計算方法下的華北落葉松最優輪伐期與林地期望值(表2)。由表2可知:1)僅考慮木材收益(情景1)時,當前氣候情景的最優輪伐期為26 a,相應的林地期望值為14 000.36元/hm2;在兩種未來氣候情景下,隨著溫室氣體排放量的增多,反映溫度和降水綜合狀況的濕熱指數也出現增加,表明未來干旱狀況加劇、森林生產力下降,進而導致最優輪伐期的縮短和林地期望值下降。2)當考慮碳匯收益(情景2)時,每種氣候情景的最優輪伐期均延長了1 a,林地期望值也有所增加,但由于碳匯價格較低,延長和增加的幅度均不大。

表2 不同氣候情景下華北落葉松人工林的最優輪伐期和林地期望值

2.2 敏感性分析

2.2.1木材價格變動

根據公式(7),模擬當前木材價格波動40%對最優輪伐期和林地期望值的影響。結果表明:1)在±40%價格范圍內,所有氣候情景下的最優輪伐期均未發生變化[圖1(a)],但木材價格與林地期望值呈正相關[圖1(b)]。2)在當前氣候情景下,當木材價格增加40%時,林地期望值由1.58 萬元/hm2增加到3.00 萬元/hm2,增長近1倍;而在RCP 4.5和RCP 8.5氣候情景下,木材價格下降40%,使得林地期望值出現負數?？傊?木材價格對林地期望值影響較為明顯,但對輪伐期影響不大。

圖1 木材價格波動對華北落葉松最優輪伐期和林地期望值的影響

2.2.2碳匯價格變動

根據公式(7),模擬碳匯價格在0～300元/t區間內的變動對最優輪伐期和林地期望值的影響。結果表明:1)在3種氣候情景下,當碳匯價格從0元/t增長到300元/t,最優輪伐期呈延長趨勢,每噸碳匯價格增長100元,最優輪伐期可延長約1 a[圖2(a)]。此外,隨著碳匯價格上漲,林地期望值也顯著增加[圖2(b)]。2)在當前氣候情景中,當碳匯價格從0元/t上漲至300元/t,林地期望值由1.40萬元/hm2增長到1.95萬元/hm2,增長幅度為39.29%;而在RCP 4.5和RCP 8.5氣候情景下的增幅分別為45.90%和64.65%。表明未來氣候條件越惡劣,林地期望值對碳匯價格變化的敏感性越高。

圖2 碳匯價格變動對華北落葉松最優輪伐期和林地期望值的影響

2.2.3貼現率變動

根據公式(7),模擬貼現率從3.50%增加到6.00%對最優輪伐期和林地期望值的影響。結果表明:1)在所有氣候情景下,隨著貼現率增加,最優輪伐期均提前[圖3(a)];林地期望值大幅下降,當貼現率為6.00%時,RCP 8.5情景下的林地期望值甚至變為負數[圖3(b)]。2)在當前氣候情景下,貼現率從4.00%上漲至6.00%會導致木材收益從3.18萬元/hm2下降至1.90萬元/hm2,而碳匯收益從2 168.00元/hm2下降至1 395.50元/hm2,木材收益的降幅(40.25%)大于碳匯收益的降幅(35.63%),故木材收益對貼現率變化的敏感性要高于碳匯收益;在其他2種未來氣候情景下,木材收益和碳匯收益隨貼現率的變化也表現出相同的規律。

圖3 貼現率變化對華北落葉松最優輪伐期和林地期望值的影響

3 討論

本研究使用弗斯曼模型從不同的收益計算方法和氣候情景的角度分析了華北落葉松人工林最優輪伐期及其影響因素。加入碳匯收益后,所有氣候情景下的林地期望值均顯著增加,但在較低的基準碳匯價格下,最優輪伐期僅延長1 a。董靈波等[23]對長白落葉松的研究中觀察到相同現象,也與其他學者對杉木人工林的結論保持一致[11,25]。通過進一步模擬碳匯價格變動,研究發現每噸碳匯價格上漲100元,最優輪伐期會延長約1 a。因此,將碳匯目標納入森林管理決策時,在一定的價格區間內并不會顯著改變最優輪伐期,但可產生額外的經濟價值?？梢灶A見,隨著我國碳排放交易市場的逐步完善,經濟上的可行性會激勵林地所有者主動調整經營方式,增加碳匯供給,從而發揮林業碳匯在“碳中和”愿景實現過程中的重要作用。

在實際的森林經營過程中,最優輪伐期的影響因素是多元化的,本研究還從木材價格和貼現率兩個角度進行了分析。結果表明,林地期望值對兩者的敏感性較高,但最優輪伐期僅對貼現率敏感,這與其他學者的結論一致[23,26]。貼現率反映了資金的時間價值,是影響林業投資決策和盈利能力的關鍵因素。模擬表明:在較高的貼現率下,華北落葉松的林地期望值大幅下降甚至產生負收益,進而影響經營者的積極性。雖然當前我國的貸款市場報價利率正處在歷史低位水平,但林業生產周期長,未來可能的利率調整將使林地所有者收益面臨較大的不確定性[27]。因此,建議政府及相關部門在金融政策方面進一步提供支持,降低可能存在的市場風險,保障經濟收益的穩定性,為林業碳匯供給提供良好的外部環境,這將有利于“碳中和”愿景的實現。

本研究引入與樹木生長有顯著關系的氣候因子——年濕熱指數。該指數是結合溫度與降水量影響的綜合氣候因子,能反映林地干旱狀況,改進后的模型可以預測氣候變化影響下的林地期望值和最優輪伐期。對未來氣候情景的模擬表明,氣候環境惡化會影響林地所有者的經濟收益,在價格或利率波動時甚至可能產生負收益,也證實了積極采取“碳中和”政策對維持人工林可持續收益的必要性[28]。值得注意的是,近年有研究[29-30]表明氣候變化對森林生長和固碳速率的影響幅度與方向可能會因樹種差異而發生改變,因而有必要在更大地理尺度上對更多樹種的碳匯潛力及最優輪伐期開展深入探究,以減少林業碳匯經營中的風險和不確定性。

4 結論

在“碳中和”背景下,發展兼顧碳匯和木材生產功能的人工林經營模式成為重要趨勢。本研究利用第六次至第八次森林資源連續清查的華北落葉松人工純林固定樣地調查數據,建立了可反映氣候變化影響的最優輪伐期模型,并在3種氣候情景下分析了木材價格、碳匯價格和貼現率變動對華北落葉松最優輪伐期和林地期望值的影響,主要結論如下:

1)在當前氣候情景下,兼顧木材和碳匯收益的華北落葉松人工林最優輪伐期為27 a,林地期望值為15 830.60元/hm2?？紤]碳匯收益的情況下使輪伐期延長了1 a,增加了林地期望值,提高了林地所有者對林業碳匯經營的積極性。

2)最優輪伐期受氣候情景、碳匯價格和貼現率的影響比較明顯,但對木材價格變動不敏感。隨著未來氣候情景中碳排放濃度的增加,華北落葉松的最優輪伐期會縮短;隨著碳匯價格的上漲,最優輪伐期會延長,每噸碳匯價格上漲100元,最優輪伐期可延長約1 a;隨著貼現率增加,最優輪伐期會縮短。

3)林地期望值受到氣候情景、木材價格、碳匯價格和貼現率影響。隨著未來氣候情景中碳排放濃度的增加,華北落葉松的林地期望值明顯降低。林地期望值與碳匯價格和木材價格呈正相關,與貼現率呈負相關。