基于GFPM的中国林产品碳储效能及碳库结构动态预测，本文主要内容关键词为：林产品论文,效能论文,中国论文,结构论文,动态论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
修订日期：2015-04-21 文章编号：1007-7588(2015)07-1403-11 1 引言 中国是目前世界最主要的碳排放国家，从2006年起成为全球第一大碳排放国，2011年中国二氧化碳排放总量达到87.2亿t，约占世界排放总量的28%，这使中国面临众多责难和巨大减排压力[1，2]。从“源”的方面控制碳排放和从“汇”的角度促进碳存储是应对气候变化的主要思路。当前应对气候变化的碳储手段主要有森林碳汇和林产品碳储两种，前者是借助森林的光合作用将空气中的二氧化碳转化为树木中的有机物，后者则通过林产品的使用使得森林固定的碳能够以产品的形式长期保存。研究表明，森林集中了陆地约85%的生物量，是陆地生态系统中最大的碳库[3]，其中木质林产品(Harvested Wood Products，HWP)年碳储量约为森林碳汇吸收能力的30%[4]。作为一个可观的碳库，HWP在缓解气候变化和替代减排方面具有重要意义[5]。 对HWP研究，国外从多层次在储量核算、减排效能和核算模型等研究领域取得了较多成果。HWP储碳核算方面，Pingoud等使用FAO(联合国粮农组织)数据粗略估算出全球仅HWP碳储量增长就达到40Mt/a[6]。Winjum等通过大气流动法和储量变化法发现，1990年全球森林采伐和HWP使用的碳流动量更是达到980Mt/a[7]。在HWP减排效能方面，Hashimoto等的研究表明1990-1999年间美国HWP年均碳储约相当于该国1990年水泥制品和化石燃料碳排放的10%[8]；Karjalainen等研究了芬兰森林和HWP消费在气候变化下碳储量的变化，认为芬兰木材产品抵偿了碳排放总量的15%～20%，木材产品的储碳能力具有极好的气候价值[9]。在HWP碳储核算模型方面，IPCC框架下的生产法、储量变化法和大气流动法[10]易于核算和关联比较，是目前最为主流的核算方法；Mohren等通过各领域碳库的整合，构建了
FIX模型，系统核算森林、土壤和木质林产品三个碳库的碳储量和碳通量[11]；Woodcarb模型基于HWP生命周期理论架构[12]，作为专业的HWP核算模型被美国环境保护署(USEPA)认可和采用。 国内学者对HWP碳储功能也进行了相关探索。HWP碳储核算方面，白彦锋等分别使用储量变化法、生产法和大气流动法估算中国HWP储量变化，认为中国HWP是一个不断增长的碳库，年均增量在(7.90～11.73)Mt/a之间[13]；阮宇等在核算历史数据的基础上进一步根据GDP增速推算出中国2020年HWP碳储量将达到614Mt[14]。杨红强等认为HWP对于气候变化不仅具备碳储价值，而且存在替代减排的功能，研究发现HWP年替代减排能力为1.6%并且具备进一步提高的空间[5]。部分研究梳理评述了HWP碳储核算方法，并且认为HWP碳储精确核算受到计量方法不确定性、参数选择差异和重复计算的影响[15，16]；IPCC框架下的核算方法的深层次原因集中体现在贸易角度，中国应深入加强核算方法的比较研究[16]。还有学者从生命周期和加工过程分析了中国HWP的碳储和碳排放，认为延长产品生命周期和使用清洁能源可以提升中国HWP碳储功能[17]。 目前国内对HWP碳储的研究多集中在关于核算方法的优化和对历史数据的估算，忽略了HWP内部产品特性上存在碳储效能的差异，以及产品结构的变动对于HWP碳库的影响；同时，已有的研究未能有效地模拟预测未来中国HWP碳库的变动，然而把握这一变动尤其是碳库结构的演化规律，对目前中国应对气候变化的HWP碳库建设具有积极意义。考虑到这一问题涉及到气候、资源、市场等多个领域，本研究建立分析系统，将具备动态模拟作用的GFPM模型、体现产品特性的HWP碳储效能分析模块和实现从产品到碳质的储量变化法有机整合，模拟预测和分析2010-2030年中国HWP碳库结构的变动趋势。 2 分析系统与系统解释 2.1 分析系统的构建 FAO分类下HWP碳库包括其他工业原木、锯材、胶合板、纤维板、刨花板以及纸和纸板的碳储量(考虑到本研究侧重于碳储效能问题研究，工业原木作为重要的木质林产品也纳入了本研究范畴，但在实际核算碳库总量时给予了减除)。研究建立如图1所示的中国HWP碳库变动及结构演化分析系统。在该分析系统中，实线箭头部分表示系统的横向层次和纵向流程，横向层次方面表示由系统总体-模型与模块-模型与模块构成-数据输入-数据输出-功能实现所构成的整体脉络，纵向流程描述了系统依次通过内部3个模块所能达到的层进式功能实现；虚线箭头部分表示分析系统内部各个模型与体系模块之间的数据流动和数据利用，其中不同的箭头表示不同方向的数据流动，各箭头旁的文字表示具体的数据类型，从而形成各模块之间的互动。各模块层面上，GFPM模型用于模拟2011-2030年中国HWP的产量和贸易量，为核算中国HWP碳库的长期变动和结构演化提供基本数据支撑，是该系统和本研究的基础性工具；HWP碳储效能分析模块用于描述各产品碳储效能的差异，能够反映在一定森林资源约束下HWP碳库产出效率的优化；在前两个模块的基础上，通过储量变化法核算2010-2030年中国HWP碳库变动，分析其中的结构演化。下面将对分析系统各模块进行具体解释。 2.2 GFPM模型 GFPM(Global Forest Products Model，全球林产品模型)[18]是联合国FAO专项资助下关于林产品问题研究的全球动态均衡模型，是资源经济及林业经济领域涉及全球动态均衡市场的主流方法[19-21]，该模型经过约30年在国际间的论证和检验，得到国际学术界广泛认可，近几年尤其在资源、环境和气候变化问题方面得到了大量应用[22]。GFPM模拟了全球约180个贸易国家和地区、14种林产品的市场均衡状态，能够较为全面客观地反映全球森林资源和林产品市场发展动态；同时该模型基于FAO数据库建立，其对于林产品的分类也与目前HWP碳储主流研究所采用的FAO分类方式基本一致，便于HWP碳储量的核算。GFPM的核心数理逻辑如下：
图1 中国HWP碳库变动及结构演化分析系统 GFPM包括需求、供给、加工和贸易4个板块，这4类经济活动在公式(1)所示约束条件下达到市场均衡：
式中Z为社会福利；i和j为任意两个国家；k为某一种最终产品；P为价格；D为最终产品需求；S为原材料供给；Y为加工产品数量；m为制造成本；T为贸易量；c为包括运输成本、关税和其他税收在内的单位运输成本。该公式表示当林产品市场达到均衡时，所有国家的所有最终产品对于消费者的价值之和减去为了生产这些最终产品所耗费的全部原材料成本、制造成本和运输成本后的余额最大化，该约束条件的经济学意义在于世界市场的均衡是由最大化社会剩余决定的[23]。 同时以上经济活动必须满足资源和技术约束，包括公式(2)所示的物料平衡限制和图2所示的林产品转换流：
式中
为在i国生产每单位n产品所需要投入的k产品数量，该公式的经济学意义是对于任何一个国家的任何一种产品，进口量加供给量等于消费量加出口量，从而达到资源平衡和市场出清。林产品物料流描述了从森林资源到HWP的转换过程，初级产品沿着实线箭头方向经过加工成为最终产品，虚线部分表示在薪材价格上升到一定程度时工业原木可以用来生产薪材。
图2 GFPM模型中的林产品转换流 2.3 HWP碳储效能分析模块 HWP由于经历了从木材到林产品的加工，其物理和化学特性发生了不同的改变，碳储能力存在差异[10]；同时HWP的另一个特征是其商品性，对于利润的追求和贸易活动会改变HWP的结构和数量，进而影响到HWP碳库。据此，本研究以“碳储效能”分析测度各种木制林产品以其自身的自然和经济属性在碳的储纳和贮存方面存在的效率和能力差异，具体由碳储能力、碳储经济性、碳储流失率3个维度，资源利用率、碳因子、产品增加值、生命周期、净出口率5个指标构成。下面将对HWP碳储效能分析模块的原理、取值和权重作具体解释。 碳储能力即单位木质林产品中碳的绝对存储量，表示HWP的自然属性，该维度使用资源利用率和碳因子[10]两个指标进行衡量。资源利用率反映HWP对于森林碳汇的继承水平。由于对于HWP而言，森林资源主要以原木的形式体现[18]，因此本研究使用HWP对原木的利用率近似替代对森林资源的利用率。碳因子是指单位质量HWP的含碳率，表示HWP碳储密度。 碳储经济性是HWP的经济属性，表示木质林产品碳储的经济可行度，该维度使用产品增加值指标[18]进行衡量。为取值统一，本研究采用增加值占价格的比率的方式，意义在于衡量HWP固碳给社会带来的福利和成本，这是因为如果某种木质林产品具有较高的碳储能力，但增加值较低甚至为负，增加这类产品的产量以达到较高的碳储水平将会带来巨大的社会福利损失，是不经济的。 碳储流失率是HWP的自然经济混合属性，表示木质林产品碳储的减量方面，该维度使用产品生命周期和净出口率两个指标进行衡量。生命周期指标(半衰期)[10]描述HWP碳储自然流失速率，由于半衰期的取值范围不在0～1之间，因此采用半衰期的倒数进行衡量。净出口率表示经济活动带来的一国HWP碳库流失程度，这一指标尤其对于HWP碳储核算模型中的储量变化法具有衡量意义。 碳储效能分析模块中各层次的权重和取值是对HWP进行量化评价和分级的关键，基于前人关联研究[24，25]，研究认为对于HWP碳储起决定作用的因素应赋予较高的权重，主流研究认为HWP碳储的意义在于HWP对森林碳汇的继承和碳释放的滞后[5，8，9]。因此在维度层上，本研究对于碳储能力和碳储流失率赋予了较高的权重，合计达到80%。由于HWP对碳的保存意义相对其对森林碳汇的继承意义更加重要[17]，本研究对碳储流失率赋予的权重(45%)略高于碳储能力(35%)。在具体的指标层面，碳因子仅能描述HWP碳密度，并不能直接影响HWP对森林碳汇继承和本身碳释放，事实上很多碳因子较高的HWP反而存在生命周期短暂的问题[10]；另外有研究表明HWP碳储的流失主要表现在生命周期方面[12，17]，贸易活动是国际间的碳转移而非HWP碳储本质上的流失，结合HWP碳储的两方面的意义，研究认为指标层的5个方面应存在“生命周期＞资源利用率≈产品增加值＞碳因子≈净出口率”的优先级，在此基础上各指标的评价权重如表1所示。 2.4 储量变化法 目前主流的HWP核算模型是IPCC2006国家温室气体排放清单指南(以下简称IPCC2006)[10]确定的缺省法、储量变化法、大气流动法和生产法。据报道[5，13，26]，缺省法和生产法存在理论或实践上的缺陷，核算的可行性较小。储量变化法相较大气流动法更适合应用于中国这样的林产品进口大国，因此本研究采用储量变化法对中国HWP碳库进行核算，该模型如公式(3)-公式(6)所示。 ΔC(i)=C(i+1)-C(i) (3)
式中i为年份；ΔC(i)为第i年HWP碳储量变化；C(i)为第i年的HWP碳库总量，C(1900)=0；k=ln2/HL为每年的一阶衰减变量；HL为产品的半衰期；Inflow(i)为第i年进入HWP碳库的碳量；
分别为由于当年生产、进口和出口HWP流入(出)HWP碳库的碳量；
为t年HWP的生产量和贸易量；
为1961年HWP产量和进出口量；U为报告国1900-1961年间在生产和贸易方面工业原木消耗变化率的一个估算值，其中亚洲(研究以中国为对象，故选择中国所属大洲)U=0.0217。 3 数据获取和研究结果 3.1 分析系统的数据获取 基于以上论述，中国HWP碳库变动及结构演化分析系统的数据输入分为GFPM模型、HWP碳储效能分析模块和储量变化法三个部分。由于HWP碳储效能分析模块的数据源于另外两个部分(尤其是GFPM模型模拟结果)，在此仅介绍GFPM模型和储量变化法的数据获取，HWP碳储效能分析模块的数据获取在3.2章节说明。 GFPM模型方面，根据木材供给是否由森林资源内生的判定，GFPM存在两种不同数据输入要求，前人研究发现木材供给内生性尚存在疑问[27，28]。木材供给内生仅在全球层面上存在，对于单个国家，尤其是森林资源保护力度较大的国家未必适用[29]。由于中国和其主要的原木进口来源国在1990-2010年之间森林资源变化相对稳定[30]，本研究认为这些国家木材供给是外生的，对其他国家仍然保持GFPM模型默认的内生化判定和相应的数据，在此判定下，GDP、人均GDP、森林蓄积量和森林面积的变动成为GFPM模型约束性的4个外生变量。 根据FAOSTAT数据库统计[31]俄罗斯、新西兰、美国、巴布亚新几内亚、所罗门群岛和加拿大是中国原木的主要进口来源国，2013年从这6个国家的进口量约占中国原木总进口量的77%；俄罗斯、加拿大、美国和泰国是中国主要的锯材进口来源国，约占中国2013年锯材进口总量的76%；美国、日本、英国、韩国和沙特阿拉伯是中国人造板的主要进口国，占中国2013年人造板出口比重的42%；纸和纸板的出口较为多元，本研究选取前十位进口国，即美国、日本、澳大利亚、马来西亚、英国、印度、韩国、新加坡、越南和伊朗，这10个国家约占中国2013年纸和纸板出口总额的46%。以上国家的GDP、人均GDP、森林蓄积量和森林面积的变动情况的相关数据源于IMF发布的Global Economy Outlook 2014[32]和FAO发布的FRA 2010[30]。 本研究的HWP碳储核算基于IPCC2006的缺省值，包括基本密度、含碳率、碳因子和半衰期[9]，具体数据如表2所示；本研究对于基年(在GFPM2013中，2010年为基年)的HWP碳库核算基于FAOSTAT数据库中1961-2010年的数据(产量和贸易量)[31]，对2011-2030年HWP碳储的核算基于GFPM模型模拟结果。
3.2 中国2011-2030年HWP模拟结果 本研究使用GFPM(Version 2013)对未来中国HWP资源变动进行动态模拟，初始数据按照GFPM模型的数理原理，满足其一致性检验所约束的各项条件(1992-2011年间的模拟值与观测值在消费量、各国市场价格、制造成本和废纸产量等方面的约束)，对HWP未来市场动态模拟具备良好的可靠性；同时按照GFPM运行程序及模拟步骤，未发现程序警示的BPMPD错误，模型总体运行良好。
中国2011-2030年HWP的产量和贸易量如表3所示。产量方面，中国HWP在2011-2030年除锯材之外均呈现上升的趋势，但总体增速相对2000-2010年有所放缓，产品层面纸和纸板以及刨花板的增速最快，硬木类产品产量由约5.45亿
提升到约5.89亿
，纸类产品产量由不足1亿t增加到约1.6亿t；贸易量方面，中国HWP进出口量波动较大，硬木类产品贸易量和净进口量呈现缓慢增长，纸类产品的进口量迅速萎缩，出口量小幅上升，纸类产品将出现贸易顺差并不断扩大，总体上中国HWP贸易仍然表现为净进口。这对中国HWP碳储意味着，产量的上升和贸易逆差为HWP碳库增加提供了可能，但产品结构的变化将影响到中国HWP碳库结构和整体碳储效能。 3.3 中国HWP碳储效能 基于GFPM模型输出的2010年中国HWP生产成本、I-O系数、产量、进出口量和储量变化法核算模型中的碳因子和半衰期等数据，本研究分析中国HWP碳储效能。各木质林产品碳储效能评价相关数据如表4所示。通过加权计算，得到如表5所示的中国HWP碳储效能评价结果。 从评价结果可以发现： (1)碳储能力方面，各类HWP的得分从0.208～0.244不等，硬木类产品的得分略高于纸类产品，总体看HWP的固碳能力差距并不明显。 (2)碳储经济性维度上，各类HWP固碳的同时对社会福利贡献差距较大，工业原木、其他工业原木以及纸和纸板的碳储经济性较好，得分在0.110以上，纤维板和胶合板的碳储经济性较差，得分仅为0.044和0.052。 (3)碳储流失率方面(碳储流失率为减项)，硬木类产品碳流失能力比纸类产品低得多，其中锯材、工业原木和刨花板得分为负，表示对HWP碳库的贡献能力较强，其他硬木类产品的得分略高于0，对HWP碳库的贡献能力相对较低，纸类产品的得分达到0.152，其碳储流失能力较强。 (4)从总体碳储效能来看，硬木类产品的碳储效能普遍高于纸类产品，锯材是碳储效能最高的HWP产品，总得分达到0.403，纸和纸板的碳储效能最低，得分仅为0.166。
(5)根据总得分，将HWP碳储效能分为5个等级，得分在0.4～0.5之间为一级，0.3～0.4为二级，0.2～0.3为三级，0.1～0.2为四级，0～0.1为五级。从各种木质林产品来看，达到一级标准的木质林产品只有锯材一种，工业原木、其他工业原木和刨花板三种产品达到二级标准，胶合板、纤维板为三级效能类产品，纸和纸板的碳储效能为四级，没有五级效能类的产品。 3.4 中国HWP长期碳库结构演化 3.4.1 HWP碳库产品结构 基于FAO的历史数据和GFPM模型模拟结果，本研究使用储量变化法核算中国2010-2030年HWP年碳库变动，具体趋势如图3所示。研究同时给出2000-2009年的变动情况作为参照，本研究对于参照时间区间的碳库总量、年变化量和变动趋势核算结果与杨红强等[5]、Pan等[33]和Yang等[34]基本一致，结论具备前人研究支撑。总体上，2010-2030年间中国HWP碳库将保持增长，总体增速相对2000-2009年迅速放缓，尤其在2011-2016年间，中国HWP碳库增速将出现较大幅度下降，年碳储量将由约45Mt/a下降到约42Mt/a；在其后14年间将缓慢下滑到2030年的约38Mt/a，到2030年底中国HWP碳库总量达到约1 581Mt，20年间增长1倍，其减排能力相当于2011年中国碳排放总量的60%。 产品结构方面，2010-2030年间，硬木类产品仍然是中国HWP碳库的主流，并且地位将进一步强化，其年碳储比重从约82%增加到90%；纸类产品对HWP碳库的贡献将逐渐萎缩，其年碳储比重将下滑8个百分点。从趋势上看，硬木类产品的年碳储量变动曲线形状与HWP碳库基本一致，纸类产品产量尽管在20年间获得了多达60%的增长，但仍然无法显著改变中国HWP碳库水平和增长速度，这也从一个侧面表现出硬木类产品对碳具有良好的保存能力，是提升HWP碳库水平的主要力量，纸类产品的贮碳能力较差，不能决定HWP碳库的发展水平。 3.4.2 HWP碳库碳储效能结构 虽然上节分析从宏观层面论述了不同类型产品对中国HWP碳库的长期贡献能力，但碳库产品结构并不能考量2010-2030年中国HWP碳库碳储效能方面的结构变动，亦无法量化判断中国HWP碳库的整体碳储效能水平，因此本节从碳储效能的角度分析HWP碳库结构变动。中国2010-2030年间HWP碳库碳储效能结构变动情况如表6所示。
图3 中国HWP长期碳储变动及预测
可以发现，2010-2030年间中国HWP碳库中一至四级效能类产品的年碳储量均出现不同程度的下降，其中四级效能类产品缩减幅度最大，年均为0.8%，20年间合计下滑15%；其他效能类产品下滑幅度有限，尤其是二级碳储效能类产品年碳储量下降仅为0.1%，20年间累计下降不到2%。比重方面，一级效能类产品和三级效能类产品是中国HWP碳库的主流，年碳储量占比将从2010年的67.78%上升到2030年的73.13%，其在HWP碳库中的主导地位将进一步强化；碳储效能较差的四级效能类产品将出现大幅下滑，其比重不足2010年的六成；二级效能类产品的比重将有所上升，但基本与2010年持平。HWP碳库碳储效能结构将从2010年的23∶15∶45∶17调整为2030年的25∶17∶48∶10，HWP碳库碳储效能结构将得到优化。在HWP碳库整体碳储效能方面，中国HWP碳储效能由于HWP结构的优化得以提升，将从2010年的0.294上升到2030年的0.306，完成从三级效能向二级效能的升级。 4 结论与讨论 4.1 结论 HWP具有良好的碳储能力和替代减排作用，HWP碳库量的提升对缓解气候变化和应对国际气候谈判具有重要意义。HWP碳库碳储效能水平的增强在碳库建设方面具有重要价值，本研究从HWP的自然和经济属性两方面对中国HWP碳储效能进行了探索，并将其与GFPM和储量变化模型有机整合为一个体系，对中国未来长期HWP碳库变动和结构演化进行了模拟、核算和分析，为应对气候变化的中国HWP碳库建设提供依据。本文主要结论如下： (1)HWP的碳储效能存在产品之间的差异。硬木类产品的碳储效能高于纸类产品，中国HWP碳储效能可分为四个层级，其中锯材的碳储效能最高，属于一级效能类产品；工业原木、其他工业原木和刨花板的碳储效能次之，碳储效能为二级；胶合板和纤维板的碳储效能相对较低，处于三级碳储效能水平；纸和纸板的碳储效能最低，属于四级碳储效能类产品。 (2)产品结构方面，硬木类产品，尤其是锯材、胶合板和纤维板，是中国HWP碳库的主流，其碳储贡献能力将进一步强化，硬木类产品决定着中国HWP碳库的长期发展水平。 (3)中国HWP碳库在2010-2030年间将保持增长，尽管面临年碳储量的下滑，但整体碳储效能和碳库结构将得到优化，其中碳储效能较好的锯材和人造板的比重将进一步提升，碳储效能较差的纸和纸板比重将缓慢下降。 4.2 讨论 后续研究仍可在以下方面进行优化与改进。 (1)作为研究的基础方法，GFPM提供了较好的林产品市场与贸易的动态模拟和预测，但该模型受制于宏观经济描述变量的数量限制以及贸易惯性假设约束[35]，所模拟的预测值难免存在偏差。 (2)储量变化法所使用的各项缺省值以及HWP产量和贸易量数据本身的精度，会带来HWP碳储核算的不确定性问题[10]，这种不确定性可能会因为分析系统设置的差异而有所差别[36]。 (3)从产业链角度看，FAO分类体系下的HWP大多并非最终产品(例如人造板往往作为家具的原材料体现)，这种分类上的缺陷一定程度上限制了HWP碳库核算的准确性[5]。 未来的研究应注重GFPM在中国问题应用的修正，包括相关参数的校调和补充；同时使用蒙特卡洛方法量化研究碳储核算和预测方面的不确定性；HWP碳储核算产品边界方面的研究对中国这样的林产品生产大国也具有重要意义。
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基于GFPM的我国林产品碳储量效率和碳库结构动态预测_中国资源论文
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