基于碳汇木材复合经营目标的综合效益及影响因素分析

薛蓓蓓，田国双

(东北林业大学经济与管理学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

大气中CO2的增加是造成气候变化的主要原因，气候变化将会对环境和经济发展造成巨大的影响。森林在生长过程中吸收大气中的CO2，将大气中的一部分碳储存在林分和土壤中，从而降低了大气中CO2浓度，减缓气候变化带来的损失。森林是陆地生态系统的主体，承担生态建设和林产品供给的重要任务，随着社会经济发展，碳汇效益已经成为森林综合效益的重要组成部分。

基于碳汇效益的综合效益研究起步较晚[1]，如有关不同碳补贴方式对最优轮伐期和碳汇供给影响的研究[2-7]，运用改进的Hartman模型分析碳交易对湿地松经营强度影响的研究[8]，木制品碳排放对最优轮伐期和林地净现值影响的研究[9]，有关碳汇经营目标下不同经营主体碳汇供给潜力，以及碳汇效益对森林经营决策影响的研究[10-15]。现有文献研究的大多数是轮伐期较长的树种，对短轮伐期速生树种的案例研究及其对比分析鲜见报道。杉木、桉树是中国南方重要速生用材林树种，具有良好的经济、生态和社会效益[12,16]。福建省自然条件优越，适宜杉木和桉树人工林推广种植，人工林蓄积量占全国10%[17]。杉木和桉树拥有巨大的碳汇潜力，在森林碳汇中占有重要的地位，已成为森林碳汇的主要来源树种[16,18]。

杉木(Chinese fir)和桉树(eucalyptus)是我国南方人工林重要树种，木材产出和生态效益显著，在国民经济中发挥重要作用。然而，现有造林成本剧增，木材市场低迷，林农造林意愿减弱，一定程度上影响了现有人工林可持续发展。全球气候变化的主要原因是由大气中CO2浓度升高引起的温室效应。森林可以吸收大气中CO2并储存在林木和土壤中，降低了大气中CO2浓度，减缓了温室效应，凸显了森林生态功能。碳交易通过碳补贴实现森林的生态效益，使森林生态功能货币化。基于碳汇效益的综合效益已成为碳汇木材复合经营的主体，分析经济因素变动对综合效益、木材效益和碳汇效益影响，对实现多效益经营最优森林管理具有重要的现实意义。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

福建省位于中国东南沿海(115°50′～ 120°40′E,23°33′～ 28°20′N)，地处亚热带，气候条件优越，雨量充沛，光照充足，年平均气温17～21 ℃，年平均降雨量1 400～2 000 mm，林地面积约926.67万hm2，占土地总面积76.28%，森林覆盖率为66.80%，森林蓄积量7.29亿m3。顺昌国有林场(以下简称林场)位于福建省中部偏北的顺昌县(117°29′～118°14′E，26°38′～27°12′N)，闽江上游金溪、富屯溪交汇处，武夷山脉东南麓，系杉岭东伸支脉，是国家南方重点林区和林业重点县，全县有林地面积约15.3万hm2，林木总蓄积量达1 400万m3，森林覆盖率达82.8%。

1.2 多效益经营最优轮伐期模型

森林单一木材产出的最优轮伐期研究始于Faustmann[19]，但当考虑保持水土、涵养水源、调节气候、生物多样性保护、森林的游憩价值等生态环境效益以及油料、药材等非木质产品效益时，Faustmann模型很难准确预测[20]。在此基础上，Hartman将森林生态系统服务纳入Faustmann的模型中，分析了多效益经营的最优轮伐期决策问题，提出了Faustmann-Hartman模型[20-21]。由于考虑采伐后木制品的碳排放成本，本研究依据修正的Faustmann-Hartman模型，得出多效益经营最优轮伐期模型[22]：

(1)

式中：Vmax为林地综合效益净现值，其可表征为无限轮伐期下的木材效益(Vw)和碳汇效益净现值(Vc)之和；Pt为木材价格，根据实地调查和木材市场价格数据，杉木和桉树木材价格分别为1 200和550元/m3；Pc为碳价格，参考2019年我国8个试点碳交易市场碳价格(6.91～83.27元/t)，本研究选取50元/t；r为连续时间利率，采用中国林业行业基准贴现率 5%[23]；Q(t)为林龄为t时的单位面积蓄积量，它是关于林龄t的函数；Q′(t)是Q(t)的导数，表示蓄积量在每一年的增加值；C为营林成本，包括初始造林、抚育和管护成本；Ch为采伐运输成本。对公式(1)求关于林龄t的一阶导数，令其为零，即可得出多效益经营最优轮伐期。

对公式(1)进行分解，得出木材效益净现值模型：

(2)

式中：δ为木材的出材率，杉木和桉树的木材出材率取值分别为0.70和0.75[14,24]。

在考虑碳汇效益时，需要将蓄积量转换成碳含量，本研究采用生物量扩展因子法先计算单位面积的生物量，然后乘以含碳率得出碳含量。碳汇效益净现值模型为：

(3)

θ=BEF·(1+R)·WD·CF。

(4)

式中：θ为碳转换系数，BEF为生物量扩展因子,WD为树种的木材密度,CF为树种的含碳率,R为地下生物量与地上生物量之比。根据《中华人民共和国气候变化第二次国家信息通报》土地利用变化和林业温室气体清单的数据(www.carbontree.com.cn)，两个树种的具体参数如表1所示。

表1 碳转换系数参数Table 1 Parameters on carbon conversion coefficients

若最优轮伐期末采伐的林木一部分变成耐用木制品(如家具、建材和房屋等)，另一部分被燃烧或者被制作成短期制品(如包装材料)，储存在木制品中的碳比例(α)计算公式为[25]：

(5)

式中：v1为长期耐用木制品腐烂速度，取0.79%；v2为短期木制品的腐烂速度，取1.03%；β为木制品中长期耐用品的比例，取值为50%[26]。

1.3 木材生长收获模型

不同的立地条件、区域和营林措施，导致不同的生长收获量。根据实地调查和已有数据，杉木生长模型公式为[27]：

Q(t)=b1Isb2[1-e-kt]c。

(6)

桉树生长模型公式为[28]：

Q(t)=229.833 646 44(1-e-0.151 258 02t)1.315 602 18。

(7)

式中：Q(t)表示林龄为t时的林分蓄积量，t为林龄,Is为立地指数。b1=4.535 47,b2=1.609 31,c=3.720 004,k=0.096 004,Is=14。

1.4 数据来源

根据2017—2019年实地调研，杉木每公顷种植3 000株，桉树每公顷种植2 250株，杉木和桉树营林措施主要包括种苗培育、挖地、炼山、施底肥、除草、割灌、幼龄林抚育和中龄林抚育等。杉木和桉树单位面积经营成本投入见表2。

表2 单位面积经营成本投入Table 2 Silvicultural costs input per hectare

成本投入主要发生在前4 a，在造林初始阶段主要有整地用工、挖穴用工、种植用工、种苗成本和化肥投入等，幼龄林抚育阶段投入主要有补植用工、除草用工、抚育管护用工以及种苗成本等，中龄林抚育阶段投入主要有除草用工、抚育性间伐用工等。此外，选择160户造林户和150名林场从业人员进行访谈和问卷调查，得到杉木和桉树单位面积的经营成本投入。

2 结果与分析

2.1 综合效益和最优轮伐期分析

根据上述的研究方法和收集整理的数据，利用公式(1)—(7)模拟计算杉木和桉树的碳储量、木材效益、碳汇效益和综合效益，发现随着林龄的增加，杉木和桉树的碳储量逐渐增加，但增幅逐渐下降；木材效益、碳汇效益和综合效益均先上升后下降；杉木木材效益及综合效益均在第20年时达到最大值，分别为21 423.52和22 702.11元/hm2；桉树的木材效益和综合效益分别在第8、7年时达到最大值，分别为25 845.13和32 111.27元/hm2。表明在当前营林成本和经营强度不变的情况下，多效益经营提升了综合效益，碳汇经营具有一定的投资效益(表3)。

表3 单位面积杉木、桉树人工林的经济效益Table 3 Economic values of Chinese fir and eucalypt plantations per hectare

2.2 综合效益和最优轮伐期影响因素分析

2.2.1 营林成本对综合效益和最优轮伐期的影响

营林成本是指进行整地造林、抚育、间伐等经营活动所需的投入费用。在单一木材生产目标下，营林成本与木材效益呈负相关，即在其他因素保持不变的情况下，随着营林成本的增加，木材效益则下降。为了分析营林成本变动对综合效益和最优轮伐期的影响，在目前营林成本基础上波动40%，分别对杉木、桉树综合效益和最优轮伐期进行对比分析(图1)。结果表明：随着营林成本的增加，杉木、桉树综合效益、木材效益和碳汇效益均呈下降趋势，最优轮伐期随营林成本增加而延长。杉木综合效益从40 402.33元/hm2下降到5 599.02元/hm2，下降了86.14%，其中，木材效益由39 103.97元/hm2下降到4 345.68元/hm2,下降了88.89%，碳汇效益由1 298.36元/hm2下降到1 253.34元/hm2,下降了3.47%，杉木轮伐期变动范围为19～21 a；相比较，桉树综合效益由51 521.61元/hm2下降到15 530.34元/hm2,下降了69.86%，其中，木材效益从44 631.98元/hm2下降到9 466.06元/hm2,下降了78.79%，碳汇效益由6 889.64元/hm2下降到6 064.29元/hm2，下降了11.98%，桉树轮伐期变动范围为6～8 a。杉木的综合效益和木材效益对营林成本变动敏感性大于桉树，碳汇效益敏感性小于桉树，最优轮伐期敏感性与桉树相同。

AM.桉树木材效益eucalyptus timber benefits;AC.桉树碳汇效益 eucalyptus carbon sequestration benefits;AZ.桉树综合效益eucalyptus comprehensive benefits;SM.杉木木材效益Chinese fir timber benefits；SC.杉木碳汇效益Chinese fir carbon sequestration benefits;SZ.杉木综合效益Chinese fir comprehensive benefits。下同。The same below.图1 营林成本对杉木和桉树经济效益及最优轮伐期的影响Fig.1 Effects of silviculture costs on economic value and optimal rotation of Chinese fir and eucalyptus

2.2.2 碳价格对综合效益和最优轮伐期的影响

为了模拟分析碳价格对综合效益和最优轮伐期的影响，将碳价格变动区间设为0～500元/t(表4)。模拟结果表明：碳价格变动与碳汇效益和综合效益呈正相关，对杉木最优轮伐期未见影响，与桉树最优轮伐期呈负相关。随着碳价格上升，杉木综合效益由21 423.52元/hm2上升到34 209.48元/hm2，增长了59.68%；碳汇效益由0上升到12 785.96元/hm2；木材效益和轮伐期维持不变。相比较，桉树综合效益从25 845.13元/hm2上升到92 644.11元/hm2，上涨了258%；碳汇效益则由0上升到68 846.36元/hm2；木材效益由25 845.13元/hm2下降到23 797.75元/hm2，下降了7.92%；最优轮伐期由8 a缩短为6 a。其中，当碳价格由0上升到50元/t时，最优轮伐期由8 a缩短为7 a；当碳价格上升到300元/t时，最优轮伐期又缩短了1 a(表4)。杉木的综合效益、碳汇效益、木材效益和最优轮伐期对碳价格的敏感性均小于桉树。

表4 碳价格对杉木、桉树经济效益和最优轮伐期的影响Table 4 Effects of carbon prices on economic value and optimal rotation age of Chinese fir and eucalyptus

2.2.3 木材价格对综合效益和最优轮伐期的影响

当前碳价格较低且面临着很大的不确定性[29-34]，木材效益仍是综合效益主要来源。为了分析木材价格变动对综合效益和最优轮伐期的影响，在当前木材价格基础上波动20%，分别对杉木和桉树综合效益和最优轮伐期进行对比分析(表5)。模拟结果表明：木材价格与综合效益、木材效益及碳汇效益呈正相关,与最优轮伐期呈负相关。随着木材价格的上涨，杉木综合效益由4 545.44 元/hm2上升到41 117.14元/hm2,增加了8.05倍。其中，木材效益由3 292.09元/hm2上升到39 838.54元/hm2,增加了11.10倍；碳汇效益由1 253.34元/hm2上升到1 278.60元/hm2，上升了2.02%，最优轮伐期由21 a缩短为20 a。相比较，桉树综合效益由9 575.92元/hm2上升到56 470.14元/hm2,增加了4.90倍。其中，木材效益由3 914.64元/hm2上升到49 580.50元/hm2,增加了11.67倍；碳汇效益由5 661.29元/hm2上升到6 889.64元/hm2，上升了21.67%；最优轮伐期由9 a缩短为6 a。杉木的综合效益对木材价格的敏感性大于桉树，而碳汇效益、木材效益和最优轮伐期对木材价格的敏感性小于桉树。

表5 木材价格对杉木、桉树经济效益和最优轮伐期的影响Table 5 Effects of timber prices on economic values and optimal rotation of Chinese fir and eucalypt

2.2.4 利率对综合效益和最优轮伐期的影响

林业生产周期长、风险大，利率水平反映投资的机会成本，对经济效益产生较大的影响，模拟分析结果表明(图2)：利率水平的变动对经济效益和最优轮伐期具有显著的负向影响，这表明，在其他因素不变的情况下，随着利率水平的提高，经济效益将下降。当利率从1%上升到7%时，杉木综合效益由383 745.32元/hm2下降到890.14元/hm2，下降了99.77%;木材效益由373 951.57元/hm2下降到149.83元/hm2,下降了99.96%;碳汇效益由9 793.75元/hm2下降到740.31元/hm2,下降了92.44%;最优轮伐期由25 a缩短为19 a。相对比，当利率从1%上升到7%时，桉树综合效益由254 648.72元/hm2下降到16 728.99元/hm2,下降了93.43%;木材效益由218 838.05元/hm2下降到12 435.87元/hm2，下降了94.32%;碳汇效益由35 810.67元/hm2下降到4 293.12元/hm2,下降了88.01%;最优轮伐期由8 a缩短为7 a。杉木、桉树综合效益之差在利率上升到4%时由正转为负，此后随着利率的上升，杉木、桉树综合效益之差逐渐加大(图2a)。杉木的综合效益、木材效益、碳汇效益和最优轮伐期对利率变动的敏感性均大于桉树；就杉木而言，利率每增加1%，轮伐期基本提前1 a(图2b)。

图2 利率对杉木和桉树经济效益和最优轮伐期的影响Fig.2 Effects of interest ratio on economic value and optimal rotation of Chinese fir and eucalyptus

3 结 论

1)在当前营林成本和经营强度不变的情况下，多效益经营提升了综合效益，轮伐期较长树种综合效益低于轮伐期较短树种。杉木综合效益比桉树综合效益低了41.45%，为22 702.11元/hm2。

2)不同树种的综合效益对经济因素敏感性程度不同。杉木的综合效益对木材价格敏感性最大，其次是营林成本、利率和碳价格；桉树的综合效益对木材价格敏感性最大，其次是营林成本、碳价格和利率。

3)从增加碳储量即实现人工林增汇应对气候变化的角度考虑，应选择轮伐期较长、生长速度缓慢的杉木。然而，与快速生长的桉树相比，杉木固碳速率较低，营林成本高，从投资效益来看，短轮伐期速生桉树比杉木更具有投资效益。但事实上，短轮伐期速生树种轮伐频繁，过度经营会造成一定的生态破坏问题，不利于发挥桉树的生态系统服务功能。因此，为了实现森林的可持续经营[35]和社会效用最大化的综合效益,充分发挥森林的多功能效应，一方面，需因地制宜地确定造林树种和营林措施；另一方面，可通过提高生态补偿以激励森林经营主体营林的积极性。