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        兼顧碳匯和木材生產(chǎn)的長(zhǎng)白落葉松人工林最優(yōu)輪伐期*

        2022-08-20 06:19:00董靈波藺雪瑩張一帆劉兆剛
        林業(yè)科學(xué) 2022年5期
        關(guān)鍵詞:貼現(xiàn)率碳庫(kù)長(zhǎng)白

        董靈波 藺雪瑩 張一帆 劉兆剛

        (1.東北林業(yè)大學(xué)林學(xué)院 森林生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)經(jīng)營(yíng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 哈爾濱 150040; 2.黑龍江省森林資源高效培育技術(shù)研發(fā)團(tuán)隊(duì) 哈爾濱 150040; 3.中船(浙江)海洋科技有限公司 舟山 316100)

        2015年,全球195個(gè)國(guó)家代表一致達(dá)成了《巴黎氣候協(xié)定》,其中“減少毀林和森林退化排放以及通過(guò)可持續(xù)經(jīng)營(yíng)森林增加碳匯行動(dòng)(條款5.2)”是全球應(yīng)對(duì)氣候變化的重要途徑。根據(jù)全國(guó)森林資源連續(xù)清查成果,我國(guó)人工林面積長(zhǎng)期居于世界首位,但普遍存在質(zhì)量低、結(jié)構(gòu)差、功能弱等問(wèn)題(趙慧君, 2019; 劉國(guó)華等, 2000)。雖然我國(guó)已開(kāi)展林業(yè)碳匯管理工作,但當(dāng)前人工林經(jīng)營(yíng)仍普遍以木材收益為主,忽略了人工林生態(tài)系統(tǒng)所能提供的眾多生態(tài)價(jià)值(如碳匯、涵養(yǎng)水源等)(李琦等, 2019)。伴隨著全球?qū)夂蜃兓瘑?wèn)題的關(guān)注, 森林經(jīng)營(yíng)目標(biāo)將凸顯森林碳匯價(jià)值(季元元, 2012; 簡(jiǎn)蓋元等, 2011),因此,對(duì)于兼顧碳匯功能和木材生產(chǎn)的人工林輪伐期研究十分必要。

        目前,大部分研究以Faustmann-Hartman模型為基礎(chǔ),在木材收益的基礎(chǔ)上引入碳匯效益,有效解決了傳統(tǒng)經(jīng)營(yíng)決策僅考慮木材收益的問(wèn)題(Martin等, 2007)。研究表明,相較于單純考慮木材收益,碳匯效益引入會(huì)使林分最優(yōu)輪伐期顯著延長(zhǎng)(Méndezetal., 2017; Gongetal., 2019),且當(dāng)碳價(jià)格超過(guò)某個(gè)閾值時(shí),則不應(yīng)采伐森林(Kootenetal., 1995; Hoeletal., 2014)。也有部分學(xué)者認(rèn)為,碳匯效益引入并不能有效延長(zhǎng)林分最優(yōu)輪伐期,如朱臻等(2012; 2013)研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)碳價(jià)格增至800 元·t-1時(shí),杉木(Cunninghamialanceolata)人工林最優(yōu)輪伐期僅延長(zhǎng)1年(沈月琴等, 2013; 巢林等, 2016),這可能是因?yàn)槠溲芯恐豢紤]了儲(chǔ)存在立木樹(shù)干中的生物量,如果綜合考慮木材產(chǎn)品碳庫(kù)和 DOM(Dissolved organic matter,可溶性有機(jī)質(zhì)) 碳庫(kù),當(dāng)碳價(jià)格為200 元·t-1時(shí),最優(yōu)輪伐期即開(kāi)始變動(dòng),考慮的碳庫(kù)越多,最優(yōu)輪伐期對(duì)碳價(jià)格的變動(dòng)就越敏感(周偉等, 2015)。但Asante等(2010; 2012)發(fā)現(xiàn),雖然碳匯效益引入可以延長(zhǎng)林分最優(yōu)輪伐期,但當(dāng)考慮DOM初始碳庫(kù)時(shí),初始碳儲(chǔ)量越多,林分最優(yōu)輪伐期越短,每個(gè)輪伐期內(nèi)的凈碳平衡(碳匯量-碳釋放量)是根據(jù)儲(chǔ)存在地上和地下生物量中的碳量來(lái)計(jì)算的,在持有碳儲(chǔ)量時(shí),碳儲(chǔ)存會(huì)帶來(lái)收益,但碳釋放也會(huì)帶來(lái)成本。黃宰勝等(2016)考慮碳釋放帶來(lái)的成本,但發(fā)現(xiàn)當(dāng)碳價(jià)格升至1 000 元·t-1時(shí),桉樹(shù)(Eucalyptusrobusta)最佳輪伐期會(huì)由8年縮短為7年。輪伐期外的碳釋放包括采伐剩余物中儲(chǔ)存碳的分解,以及收獲和加工后可銷(xiāo)售產(chǎn)品分解產(chǎn)生的碳釋放。

        長(zhǎng)白落葉松(Larixolgensis)是我國(guó)東北地區(qū)重要的人工造林樹(shù)種,但如何最大化其碳匯和木材收益鮮見(jiàn)報(bào)道。鑒于此,本研究以東北林業(yè)大學(xué)帽兒山實(shí)驗(yàn)林35塊長(zhǎng)白落葉松人工林樣地為對(duì)象,以Faustmann-Hartman模型為基礎(chǔ),綜合考慮喬木層生物量碳庫(kù)、生物質(zhì)能源碳庫(kù)、采伐剩余物碳庫(kù)和木材產(chǎn)品碳庫(kù),構(gòu)建長(zhǎng)白落葉松人工林碳匯木材復(fù)合經(jīng)營(yíng)的最優(yōu)輪伐期確定模型,并定量模擬不同碳價(jià)格、貼現(xiàn)率枝葉生物質(zhì)能源比例等因素對(duì)其最優(yōu)輪伐期、木材產(chǎn)量、碳匯量以及林地期望值的影響,以期為該地區(qū)長(zhǎng)白落葉松人工林的多目標(biāo)經(jīng)營(yíng)提供理論依據(jù)。

        1 研究區(qū)概況

        研究域位于東北林業(yè)大學(xué)帽兒山實(shí)驗(yàn)林場(chǎng)(45°14′—45°29′N(xiāo),127°29′—127°44′E)。地貌以山區(qū)丘陵為主,坡度較為平緩(5°~25°),海拔200~600 m; 屬中溫帶大陸性季風(fēng)氣候,年均氣溫2.4 ℃,年均降水量700 mm。土壤以暗棕壤為主,總面積23 204 hm-2,此外還有少量的谷地草甸土和沼澤土。地帶性植被是以紅松(Pinuskoraiensis)為主的針闊混交林,但經(jīng)多年無(wú)序采伐,原始植被已退化為典型的闊葉次生林,主要喬木樹(shù)種有長(zhǎng)白落葉松、云杉(Piceaasperata)、樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)、水曲柳(Fraxinusmandshurica)、胡桃楸(Juglansmandshurica)、蒙古櫟(Quercusmongolica)、白樺(Betulaplatyphylla)等。林場(chǎng)內(nèi)長(zhǎng)白落葉松人工林面積2 818 hm-2,林分內(nèi)天然更新樹(shù)種有白樺、蒙古櫟、水曲柳等。

        2 研究方法

        2.1 樣地設(shè)置

        在全面踏查的基礎(chǔ)上,于2018和2019年在帽兒山實(shí)驗(yàn)林場(chǎng)內(nèi)選擇初植密度均為3 333株·hm-2且立地質(zhì)量相似的林分,設(shè)置35塊固定調(diào)查樣地進(jìn)行每木檢尺。采用王鶴智(2012)建立的張廣才嶺西坡落葉松人工林地位級(jí)指數(shù)模型評(píng)價(jià)發(fā)現(xiàn),樣地的地位指數(shù)介于16.60~20.57 m之間,極差為3.97 m,平均值為(18.94±1.04)m。每塊樣地按照等斷面積徑級(jí)標(biāo)準(zhǔn)木法,將林木大小劃分為5個(gè)等級(jí),平均胸徑和樹(shù)高作為參考值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)木選取。對(duì)每株標(biāo)準(zhǔn)木,采用生長(zhǎng)錐在胸高處(1.3 m)分別從東—西和南—北2個(gè)方向鉆取樹(shù)芯,200 dpi分辨率將其掃描成.jpg圖像。將圖像導(dǎo)入WinDENDRO軟件中,識(shí)別并測(cè)定出各年輪的寬度,以2個(gè)方向?qū)?yīng)年齡的年輪寬度平均值作為該年的胸徑生長(zhǎng)量,即Wt=(W(w-e), t+W(s-n), t)/2,其中Wt為年齡t時(shí)的年輪寬度,W(w-e), t為年齡t時(shí)東—西方向上的年輪寬度,W(s-n), t為年齡t時(shí)南—北方向上的年輪寬度。各樣地基本特征如表1所示。

        表1 各樣地基本特征①Tab.1 Basic characteristics of sample plots

        2.2 研究方法

        Faustmann-Hartman模型中最優(yōu)輪伐期的延長(zhǎng)意味著更多的碳匯,故本研究采用Faustmann-Hartman模型探究長(zhǎng)白落葉松人工林最優(yōu)輪伐期。應(yīng)用建立好的模型對(duì)不同樣地進(jìn)行林地期望值計(jì)算比較,值最大的樣地年齡即為最優(yōu)輪伐期。

        2.2.1 林分材積 單木蓄積采用二元材積公式(李暉等, 2016)計(jì)算:

        V=0.071 483D1.814 3H1.002 4。

        (1)

        式中:V為單木蓄積(10-3m3);D為單木胸徑(cm)。

        在單木蓄積基礎(chǔ)上,采用黑龍江省長(zhǎng)白落葉松人工林一元材種出材率表(DB23/T 670—2004)分別計(jì)算各單木大徑材、中徑材、小徑材、薪材和廢材的每公頃出材量。

        (2)

        式中:SCi為不同器官的林分碳儲(chǔ)量(t·hm-2);Cij為不同等級(jí)下不同器官的單木碳儲(chǔ)量(t·hm-2);Nj為不同等級(jí)的林分株數(shù)密度(株·hm-2)。

        2.2.3 Faustmann-Hartman模型 假定森林經(jīng)營(yíng)者以收益最大化為經(jīng)營(yíng)目標(biāo),以Faustmann-Hartman模型為基礎(chǔ)整合林分的木材收益、碳收益、生物質(zhì)能源收益和森林經(jīng)營(yíng)成本,建立長(zhǎng)白落葉松人工林碳匯木材復(fù)合經(jīng)營(yíng)的林地期望值(land expect ed value,LEV)模型(Dongetal., 2020):

        LEV=LEVt+LEVc+ LEVf-LEVco。

        (3)

        式中: LEV為林地期望值(元·hm-2); LEVt為木材收益(元·hm-2); LEVc為碳收益(元·hm-2); LEVf為生物質(zhì)能源收益(元·hm-2); LEVco為森林經(jīng)營(yíng)成本(元·hm-2)。

        木材收益分為大徑材、中徑材和小徑材的經(jīng)濟(jì)收益,其計(jì)算公式為:

        (4)

        式中:Pl為大徑材價(jià)格(元·m-3);Pm為中徑材價(jià)格(元·m-3);Ps為小徑材價(jià)格(元·m-3);Vh為大徑材材積(m3);Vm為中徑材材積(m3);Vs為小徑材材積(m3);T為林分輪伐期;r為貼現(xiàn)率(%)。

        木材價(jià)格參照中國(guó)木材網(wǎng)(http:∥www.wood-china.com/)中落葉松不同材種的實(shí)際交易數(shù)據(jù),分別設(shè)置為大徑材960元·m-3、中徑材810元·m-3、小徑材610元·m-3。

        碳收益包括碳匯收益和碳釋放懲罰2部分,其中碳匯收益指因樹(shù)木生長(zhǎng)而固定的CO2,碳釋放懲罰指因枯落物、采伐剩余物以及木材產(chǎn)品等分解而釋放的CO2:

        LEVc=LEVr-LEVp

        (5)

        式中: LEVc為碳收益(元·hm-2); LEVr為碳匯收益(元·hm-2); LEVp為碳釋放懲罰(元·hm-2)。

        碳匯收益按圖1所示流程確定的年度碳增量并結(jié)合碳價(jià)格進(jìn)行貼現(xiàn):

        (6)

        圖1 林木年度碳匯量估算流程Fig. 1 Annual forest carbon sink estimation process

        碳釋放懲罰分2部分核算,其中一部分為采伐剩余物的碳釋放,另一部分為商品材的碳釋放:

        LEVp=LEVCk+LEVCm。

        (7)

        式中: LEVCk為單位面積采伐剩余物碳釋放懲罰(元·hm-2); LEVCm為單位面積商品材碳釋放懲罰(元·hm-2)。

        采伐剩余物分解隨時(shí)間的變化可采用典型的Olson負(fù)指數(shù)函數(shù)描述,采伐剩余物及其碳釋放懲罰隨時(shí)間的變化可表示為:

        (8)

        Ck=[Cb(t)+Cl(t)]·(1-a)+

        Cr(t)+Vb·ρ·ρc。

        (9)

        式中:k為采伐剩余物的分解速率,取值0.279(呂瑞恒等, 2012);Ck為采伐剩余物的碳儲(chǔ)量;Vb為樹(shù)皮材積;ρ為木材密度,取值0.62 t·m-3;ρc為樹(shù)干碳密度,取值0.49。

        商品材(大、中、小徑材)對(duì)應(yīng)的木材產(chǎn)品每年均會(huì)發(fā)生一定損耗,釋放CO2,同樣是一個(gè)典型的時(shí)變過(guò)程(Asanteetal., 2012),也采用Olson負(fù)指數(shù)函數(shù)描述。商品材對(duì)應(yīng)的碳釋放懲罰為:

        (10)

        Cm=(Vl+Vm+Vs)·ρ·ρc。

        (11)

        式中:m為商品材為分解速率;Cm為商品材的碳儲(chǔ)量。根據(jù)West等(2019)、Asante等(2010)等的研究,假設(shè)m為0.006 9。

        生物質(zhì)能源收益包括薪材和采伐剩余物中收集的部分樹(shù)枝和樹(shù)葉,其計(jì)算公式為:

        (12)

        式中:Pf為薪材價(jià)格(元·t-1);Vf為薪材材積(m3);Pfu為生物質(zhì)能源原料價(jià)格(元·m-3);a為收集的生物質(zhì)能源比例(%);ρb和ρl分別為樹(shù)枝和樹(shù)葉碳密度,取值為0.47和0.48(姜洋, 2010)。

        此外,在森林經(jīng)營(yíng)過(guò)程中,各種經(jīng)營(yíng)活動(dòng)也會(huì)產(chǎn)生成本(表2)(王小玲等, 2012),其計(jì)算公式如下:

        (13)

        式中:Czd為整地用工成本(元·hm-2);Czz為種植用工成本(元·hm-2);Cmm為苗木價(jià)格(元·hm-2);Cbz為補(bǔ)植用工成本(元·hm-2);Cbm為補(bǔ)植苗木價(jià)格(元·hm-2);Cgh為管護(hù)用工成本(元·hm-2);Cdz為地租成本(元·hm-2);Ccy為單位立方米采運(yùn)成本(元·m-3·hm-2);Cjx為機(jī)械成本(元·hm-2)。

        表2 輪伐期內(nèi)林地各種經(jīng)濟(jì)懲罰分類(lèi)①Tab.2 Classification of various economic punishments in rotation age

        2.2.4 敏感性分析 根據(jù)考慮碳庫(kù)的種類(lèi),本研究設(shè)計(jì)4種模擬情景:情景1考慮木材收益、生物質(zhì)能源收益和經(jīng)營(yíng)成本; 情景2額外加入生物量碳庫(kù); 情景3進(jìn)一步考慮采伐剩余物碳庫(kù)的影響; 情景4加入商品材碳釋放懲罰的影響。為定量揭示不同碳價(jià)格、貼現(xiàn)率、枝葉生物質(zhì)能源比例對(duì)長(zhǎng)白落葉松人工林最優(yōu)輪伐期的影響,分別模擬5種碳價(jià)格(100、500、1 000、1 500和2 000 元·t-1)、5種貼現(xiàn)率(1%、3%、5%、7%和9%)和6種枝葉生物質(zhì)能源比例(10%、20%、30%、40%、50%和60%)對(duì)最優(yōu)輪伐期和林地期望值的影響。其中,碳價(jià)格100元·t-1(符合我國(guó)碳交易市場(chǎng)實(shí)際情況)、貼現(xiàn)率5%、枝葉生物質(zhì)能源比例20%,為本研究的基準(zhǔn)情景。500~2 000 元·t-1的碳價(jià)格雖然相對(duì)較高,但在國(guó)內(nèi)外碳匯貿(mào)易和政策研究中也被廣泛使用(World bank group, 2019; Zenginetal., 2019)。

        3 結(jié)果與分析

        3.1 林木碳匯量估算

        以生長(zhǎng)錐獲取的各樣地標(biāo)準(zhǔn)木帶皮胸徑和去皮胸徑數(shù)據(jù)(35個(gè)樣地×5棵/樣地=175個(gè))為基礎(chǔ),采用一元線性模型建立二者的關(guān)系(圖2):

        DOB=1.029 2DIB+0.291 5。

        (14)

        其中DOB為帶皮胸徑(cm); DIB為去皮胸徑(cm)。

        圖2 長(zhǎng)白落葉松帶皮-去皮胸徑散點(diǎn)圖Fig. 2 Scatter point diagram of DBH of Larix olgensis with and without bark

        基于上述研究方法和數(shù)據(jù),得到長(zhǎng)白落葉松人工林單木各器官碳儲(chǔ)量的廣義碳匯模型:

        (15)

        式中:Cs、Cb、Cr、Cl分別為樹(shù)干、樹(shù)枝、樹(shù)根、樹(shù)葉的林木碳儲(chǔ)量(kg);D為輪伐期時(shí)的林分平均胸徑(cm);H為輪伐期時(shí)的林分平均樹(shù)高(m);t為林分年齡。

        表3 碳匯模型評(píng)價(jià)指標(biāo)Tab.3 Goodness-of-fit for carbon growth model

        3.2 林地期望值

        表4 各樣地林地期望值①Tab.4 Land expected value of sample plots

        表5 不同情景下擬合結(jié)果①Tab.5 Fitting results under different scenarios

        3.3 敏感性分析

        3.3.1 碳價(jià)格變動(dòng) 由于情景1未考慮碳匯效益,故最優(yōu)輪伐期和林地期望值隨碳價(jià)格的增加均保持不變,分別為35年和50 288 元·hm-2。但隨碳價(jià)格增加,情景2—4的最優(yōu)輪伐期呈明顯延長(zhǎng)趨勢(shì),且其所對(duì)應(yīng)的林地期望值和碳匯與木材收益比值同樣顯著增加(圖4、圖5)。情景2中,當(dāng)碳價(jià)格升至1 500 元·t-1時(shí),最優(yōu)輪伐期延長(zhǎng)約1年,林地期望值達(dá)100 667 元·hm-2,增加87.7%,碳匯與木材收益比值達(dá)28.72%。情景3和4中,當(dāng)碳價(jià)格增至1 000 元·t-1時(shí),最優(yōu)輪伐期可延長(zhǎng)1年,林地期望值分別為80 171和78 266 元·hm-2,增加約50.5%和47.5%,碳匯與木材收益比值分別為14.63%和12.34%; 當(dāng)碳價(jià)格增至2 000元·t-1時(shí),最優(yōu)輪伐期延長(zhǎng)2年,林地期望值分別為110 324和106 562 元·hm-2,增加約50.5%和47.5%,碳匯與木材收益比值分別為30.38%和25.74%。綜合來(lái)看,無(wú)論考慮哪種模擬情景,能夠使長(zhǎng)白落葉松人工林最優(yōu)輪伐期延長(zhǎng)1年以上的碳價(jià)格均應(yīng)大于1 000 元·t-1。

        圖4 不同碳價(jià)格對(duì)長(zhǎng)白落葉松人工林最優(yōu)輪伐期和林地期望值的影響Fig. 4 Effects of different carbon prices on the optimal rotation ages and land expected values of Larix olgensis plantation

        圖5 不同碳價(jià)格對(duì)長(zhǎng)白落葉松人工林碳匯與木材收益比值的影響Fig. 5 Effects of different carbon prices on the ratio of carbon revenue and timber yield of Larix olgensis plantation

        3.3.2 枝葉生物質(zhì)能源比例 當(dāng)枝葉生物質(zhì)能源比例從0%增至60%時(shí),最優(yōu)輪伐期無(wú)明顯變化, 情景1、2的林地期望值增加116 元·hm-2, 情景3、4的林地期望值增加126 元·hm-2。枝葉生物質(zhì)能源比例改變對(duì)最優(yōu)輪伐期的縮短和林地期望值的增加均可忽略不計(jì)(圖6)。

        圖6 枝葉生物質(zhì)能源比例對(duì)長(zhǎng)白落葉松人工林最優(yōu)輪伐期和林地期望值的影響Fig. 6 Effects of branch-leaf biomass energy ratio on the optimal rotation age and land expected values of Larix olgensis plantation

        3.3.3 貼現(xiàn)率變動(dòng) 由表6可知,隨貼現(xiàn)率增加,最優(yōu)輪伐期和林地期望值均呈顯著減小趨勢(shì),當(dāng)貼現(xiàn)率從1%增至9%,最優(yōu)輪伐期提前了8年,林地期望值減少約720 000 元·hm-2。對(duì)同一貼現(xiàn)率而言,不同模擬情景下最優(yōu)輪伐期和林地期望值的差異均不顯著。貼現(xiàn)率改變后,碳匯與木材收益的擬合模型精度偏小,因此未考慮貼現(xiàn)率改變對(duì)其產(chǎn)生的影響。

        表6 不同貼現(xiàn)率變動(dòng)對(duì)對(duì)長(zhǎng)白落葉松人工林最優(yōu)輪伐期和林地期望值的影響Tab.6 Effects of different discount rates on the optimal rotation age and land expected value of Larix olgensis plantation

        4 討論

        隨著碳庫(kù)種類(lèi)增加,長(zhǎng)白落葉松人工林最優(yōu)輪伐期變化不明顯,而碳收益加入則使林地期望值顯著增加,即在當(dāng)前碳價(jià)格下碳收益加入并不能改變經(jīng)營(yíng)決策,與沈月琴等(2013)、朱臻等(2012)和周偉等(2015)對(duì)我國(guó)南方杉木的研究結(jié)果基本一致。本研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn),對(duì)長(zhǎng)白落葉松人工林而言,只有當(dāng)碳價(jià)格達(dá)1 000元·t-1時(shí),其最優(yōu)輪伐期才會(huì)延長(zhǎng)1年,且考慮的碳庫(kù)種類(lèi)越多,最優(yōu)輪伐期延長(zhǎng)1年所需的碳價(jià)格越低。盡管采伐剩余物和商品材碳釋放懲罰相對(duì)于林地期望值來(lái)說(shuō)占比很小,但其加入也能有效減小最優(yōu)輪伐期延長(zhǎng)1年所需的碳價(jià)格。

        本研究碳庫(kù)包含生物量碳庫(kù)、生物質(zhì)能源碳庫(kù)、采伐剩余物碳庫(kù)和木材產(chǎn)品碳庫(kù),但對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)中碳庫(kù)的考慮仍不全面,未考慮土壤碳庫(kù)和灌草層碳庫(kù)。土壤碳庫(kù)主要受初始土壤碳庫(kù)和枯落物碳庫(kù)影響,Holtsmark等(2013)研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)考慮無(wú)限輪伐期時(shí),初始碳庫(kù)對(duì)最優(yōu)輪伐期沒(méi)有影響。武金翠等(2020)研究表明,土壤固碳增匯僅占整個(gè)竹林生態(tài)系統(tǒng)的3.65%。彭娓等(2016)研究表明,灌木碳儲(chǔ)量為0.34~1.37 t·hm-2,草本層碳儲(chǔ)量為0.04~0.18 t·hm-2。王新闖等(2011)研究指出,就吉林省而言,喬木層碳儲(chǔ)量占比24.1%,灌木層占比0.3%。胡海清等(2015)研究發(fā)現(xiàn),興安落葉松(Larixgmelinii)天然林灌木層碳儲(chǔ)量在中齡林時(shí)最大,隨后逐漸減小,而草本層碳儲(chǔ)量隨時(shí)間變化則顯著減小??偟膩?lái)看,灌草層碳儲(chǔ)量相對(duì)于總碳儲(chǔ)量來(lái)說(shuō)占比較小,且存在較大的時(shí)空異質(zhì)性,很難定量模擬其生長(zhǎng)和發(fā)育過(guò)程,因此本研究未探討灌草層碳庫(kù)對(duì)人工林最優(yōu)輪伐期的影響。此外,也考慮枯落物對(duì)林分最優(yōu)輪伐期的影響。

        撫育間伐是人工林經(jīng)營(yíng)過(guò)程中必不可少的營(yíng)林措施。一般來(lái)說(shuō),立地質(zhì)量越好,其間伐時(shí)間越早,間伐次數(shù)越多,具體的間伐時(shí)間、間伐次數(shù)和間伐強(qiáng)度可通過(guò)動(dòng)態(tài)編程和非線性編程進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)(Pengetal., 2018)。通常優(yōu)等林地的間伐強(qiáng)度逐漸增加,劣等林地的間伐強(qiáng)度逐漸減小,當(dāng)間伐達(dá)到2次時(shí),其相對(duì)效用增加最明顯,凈現(xiàn)值最高。隨著間伐次數(shù)增加,凈現(xiàn)值越高的林地凈現(xiàn)值增加越多,且最優(yōu)間伐次數(shù)也越多( Pengetal., 2018; Méndezetal., 2017)。中高強(qiáng)度間伐會(huì)使林分碳儲(chǔ)量減小,一定范圍內(nèi)間伐強(qiáng)度增加也有助于樹(shù)干碳儲(chǔ)量累積(徐金良等, 2014; Dongetal., 2020)。間伐會(huì)延長(zhǎng)林分最優(yōu)輪伐期,間伐次數(shù)越多,強(qiáng)度越高,最優(yōu)輪伐期延長(zhǎng)越多(Caoetal., 2010)。此外,間伐還會(huì)產(chǎn)生一定的成本和收益,因此加入間伐后,碳匯會(huì)對(duì)長(zhǎng)白落葉松人工林最優(yōu)輪伐期產(chǎn)生怎樣的影響有待于后續(xù)研究。在Faustmann-Hartman模型框架內(nèi),森林經(jīng)營(yíng)者只能在不考慮其他管理制度(如撫育、間伐和更新)的情況下確定最佳輪伐期,本研究進(jìn)一步的工作應(yīng)側(cè)重于不同森林管理措施對(duì)經(jīng)濟(jì)與生態(tài)權(quán)衡(如間伐)的影響。

        與傳統(tǒng)以木材收益最大化的經(jīng)濟(jì)輪伐期類(lèi)似,碳匯木材復(fù)合經(jīng)營(yíng)輪伐期同樣受價(jià)格、貼現(xiàn)率等因素影響。最優(yōu)輪伐期隨碳價(jià)格升高逐漸延長(zhǎng),情景4對(duì)碳價(jià)格升高最敏感,情景2對(duì)碳價(jià)格升高最不敏感; 林地期望值也隨碳價(jià)格升高而升高,情景2對(duì)碳價(jià)格升高最敏感,情景4對(duì)碳價(jià)格升高最不敏感。由此可見(jiàn),對(duì)于最優(yōu)輪伐期來(lái)說(shuō),碳庫(kù)考慮得越多,對(duì)碳價(jià)格變動(dòng)越敏感,而對(duì)于林地期望值來(lái)說(shuō),碳匯加入使其對(duì)碳價(jià)格變動(dòng)更敏感,但碳釋放加入使其對(duì)碳價(jià)格變動(dòng)不敏感,碳釋放加入得越多,其對(duì)碳價(jià)格變動(dòng)越不敏感。隨著貼現(xiàn)率升高,最優(yōu)輪伐期逐漸縮短,且貼現(xiàn)率越高,最優(yōu)輪伐期縮短速率越快,情景1輪伐期隨貼現(xiàn)率升高減小最多,情景4減小最少。這說(shuō)明,碳庫(kù)加入能有所減小輪伐期對(duì)貼現(xiàn)率的敏感性; 同時(shí)林地期望值呈指數(shù)趨勢(shì)漸小,即貼現(xiàn)率越高,林地期望值下降幅度越小,情景2林地期望值隨貼現(xiàn)率升高減小最多,情景4減小最少。由此可見(jiàn),林地期望值越大,對(duì)貼現(xiàn)率變動(dòng)越敏感,即碳匯加入會(huì)提高林地期望值對(duì)貼現(xiàn)率的敏感性,碳釋放加入會(huì)減小林地期望值對(duì)貼現(xiàn)率的敏感性。

        本研究結(jié)果與以往研究結(jié)果也不完全相同,Gong等(2019)發(fā)現(xiàn),當(dāng)碳價(jià)格達(dá)500元·t-1時(shí),碳庫(kù)加入會(huì)使最優(yōu)輪伐期延長(zhǎng)3年。Holtsmark等(2013)發(fā)現(xiàn),考慮生物量碳庫(kù)、剩余物碳庫(kù)、自然死有機(jī)物碳庫(kù)和木材產(chǎn)品碳庫(kù),當(dāng)碳價(jià)格達(dá)3.67 CAD·t-1時(shí),最優(yōu)輪伐期會(huì)延長(zhǎng)1年; 當(dāng)碳價(jià)格接近本研究基準(zhǔn)情景時(shí),最優(yōu)輪伐期延長(zhǎng)7年,可能是立地質(zhì)量不同造成的。Zhou等(2016)發(fā)現(xiàn),當(dāng)碳價(jià)格為271.6 元·t-1時(shí),中等林地(SI=17)和低等林地(SI=10)最優(yōu)輪伐期會(huì)延長(zhǎng)1年,但優(yōu)等林地(SI=21)不會(huì)延長(zhǎng);Peng等(2018)發(fā)現(xiàn),考慮森林生態(tài)價(jià)值(碳吸收)的權(quán)重賦值時(shí),低等林地(SI=12)最優(yōu)輪伐期延長(zhǎng)3~12年; 中等林地(SI=16)最優(yōu)輪伐期延長(zhǎng)2~11年; 優(yōu)等林地(SI=20)最優(yōu)輪伐期延長(zhǎng)1~5年。立地條件越差,生態(tài)價(jià)值對(duì)最優(yōu)輪伐期的影響越大。本研究采用數(shù)據(jù)源于優(yōu)等林地,地位指數(shù)均大于16(表1),故與部分學(xué)者研究結(jié)論不同,后續(xù)研究應(yīng)加入量化立地質(zhì)量對(duì)碳匯木材復(fù)合經(jīng)營(yíng)最優(yōu)輪伐期的影響。

        5 結(jié)論

        1) 在基準(zhǔn)情景下,情景4長(zhǎng)白落葉松人工林最優(yōu)輪伐期為35 年,林地期望值為53 071 元·hm-2,長(zhǎng)白落葉松人工林經(jīng)營(yíng)仍以木材收益占主導(dǎo)地位,碳庫(kù)種類(lèi)增加對(duì)最優(yōu)輪伐期改變不明顯,但對(duì)林地期望值有所影響,其增加幅度為3.51%~4.19%。

        2) 最優(yōu)輪伐期受碳價(jià)格、貼現(xiàn)率和碳庫(kù)種類(lèi)影響。各情景中最優(yōu)輪伐期隨碳價(jià)格升高而延長(zhǎng),對(duì)于情景2,當(dāng)碳價(jià)格升至1 500 元·t-1時(shí),最優(yōu)輪伐期可延長(zhǎng)約1年; 對(duì)于情景3、4,最優(yōu)輪伐期延長(zhǎng)約1年所需的碳價(jià)格為1 000 元·t-1。隨著貼現(xiàn)率增加,最優(yōu)輪伐期呈顯著減小趨勢(shì),當(dāng)貼現(xiàn)率從1%增至9%,最優(yōu)輪伐期提前8年。對(duì)同一貼現(xiàn)率而言,不同模擬情景下最優(yōu)輪伐期和林地期望值的差異均不顯著。

        3) 林地期望值主要受碳價(jià)格和貼現(xiàn)率影響,碳收益加入增加其對(duì)碳價(jià)格的敏感性,碳釋放懲罰加入降低其對(duì)碳價(jià)格的敏感性。情景2中,當(dāng)碳價(jià)格達(dá)1 500 元·t-1時(shí),林地期望值增加約87.7%; 情景3、4中,當(dāng)碳價(jià)格增至1 000 元·t-1時(shí),林地期望值分別增加約50.5%和47.5%。隨著貼現(xiàn)率增加,林地期望值呈顯著減小趨勢(shì)。對(duì)同一貼現(xiàn)率而言,不同模擬情景下最優(yōu)輪伐期和林地期望值的差異均不顯著。枝葉生物質(zhì)能源比例增加不會(huì)顯著增加林地期望值。

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