杭州市域林地利用数量变化碳源汇效应测度和驱动因素探究

1、杭州市域林地利用数量变化碳源汇效应测度和驱动因素探究摘要：以杭州市域为案例，运用数据包络分析方法 中基于投入导向的c2r-i模型，将林地利用中不同类型的林 地利用数量作为投入，将森林固碳总量作为最终产出，结合 全面的历史统计资料查证与实地校验，对我国区域林地利用 数量变化的碳源汇效应进行了测度与实证研究。研究结论表 明，林地利用数量变化的碳源汇效应评价是可行的，区域林 地利用数量变化的碳源汇效应变化同其经济发展水平具有 高度的相关性，这说明经济增长方式转变是区域林地利用数 量变化的碳源汇效应可持续发展的动力源泉。该研究结论不 仅对区域林地利用数量变化的碳源汇效应研究具有理论贡 献，而且可以从碳

2、循环调控的角度为区域低碳经济发展的模 式选择与发展战略提供科学依据。关键词：林地利用数量；碳汇效率；数据包络分析法； 杭州市中图分类号s718. 55； f307. 2文献标识码a文章编号 1007-7731 (2013) 13-22-06measure and empirical on the carbon sinks efficiency of regional forestland use quantitylong fei et al.(economic and management school, zhejiang a&f university， hangzhou 311300

3、, china)abstract： take hangzhou as the example, select c2r-i model based on date envelopment analysis (dea), which adopt the forestland used in different types as the number of inputs and the total forest carbon sinks as a final output, combined with comprehensivehistorical historal statistics and f

4、ield calibration, this paperanalyzes the carbon sinks efficiency of the regionalforestland usequantity.the results are as follows：firstly , theresu its show t hat the measure andevaluation ofthe efficiency of carbon sinks offorestland usequantity is feasible； sencondly, theresults show the carbon si

5、nk efficiency of the regional forestland use quantity changes with its level of economic development , which indicates that the sustainable development of economic is the source of the carbon sequestration efficiency of the regional forestland use quantity； thirdly, the findings of this paper not on

6、ly gives a theoretical contribution to the carbon sequestration efficiency of the regional forestland use quantity，but also provides a scientific basis for the development mode selection of regional low-carbon economy from the perspective of the carbon cycle regulation.key words： forestland use quan

7、tity； carbon sinks efficiency； date envelopment analysis （dea）； hangzhou city1引言森林生态系统是陆地碳循环的重要组成部分，通过不同 的林地利用方式，森林既可以成为固碳的碳吸收汇（如造林 和再造林等），也可能成为释碳的碳排放源（如林地征占、 毁林和森林退化等），因此，京都议定书（1997）清洁发 展机制同意将造林和再造林作为第一承诺期合格的cdm项 目，而哥本哈根协议文件（2009）则提出'减少滥伐森林和 森林退化引起的碳排放是至关重要的”，有必要通过立即建 立包括redd+在内的机制，为这类举措提供正面激励1

8、。因 此，在已有的研究文献中，关于林地的有效利用与森林的可 持续管理问题一直是国内外学者研究的重点，如sampson等 研究表明如果改变全球6%30%的森林管理体制可以使碳吸 收上升到1.270pgc/a； fang等根据国家近半个世纪的林业 资源清查资料对我国50a来的森林碳汇功能与潜力进行了分 析2,结论显示，我国自1949-1980年期间，由于林地利 用变化而造成的碳源量为0. 68pgc,每年的碳释放量为 0. 022pgc； gifford与guo则对全球不同地区林地利用与森 林覆盖变化而引发的土壤固碳量变化进行了总结，揭示出当 自然度高的天然林转变为自然度低的人工林时，平均土壤碳

9、密度将下降15%左右，如果林地转化为农用地则平均将下降 40%； murty d的研究则认为3,当毁林发生而使林地转为 农地，因为有机碳s0c的输入极大下降而且不断进行耕作， 有机碳soc的流失最高将达到75%； soares-filo等则应用 动态模型并将人口和经济等因素纳入到模型中进行分析，预 测在基准线情景下毁林肆虐将使亚马逊流域近40%的森林面 积在2050年消失，所造成的碳源量将达到11.7gtc02e,而 且毁林所引发的土地利用结构变化还将使森林土壤中的大 量有机碳(soc)出现流失4；周广胜研究发现，毁林引起 的c02释放约12gtc/a；吴建国等通过对宁夏半干旱区的 实地观察表

10、明，山杨(populus davidiana )与辽东扌乐(prcliaotungensis)等类型的天然次生林如果因毁林而变 成农地或草地后，有机碳密度将相继降低35%与14%,并且 有机碳的稳定性也会下降5。综合这些研究文献发现，关于林地利用的碳源碳汇变化情况，现有的研究主要集 中在总量的分析方面，而在林地利用变化的碳汇相对效率测 度方面目前的研究文献则很少。碳汇效率可以衡量林地利用 结构所实现的碳汇相对变化程度，一定程度上弥补了碳源碳 汇总量等指标过度重视碳增汇作为森林生态效能而忽视其 实施过程中作为成本在实现林地有效利用中所导致的结构 性不足。在林地利用实践中，单位林地面积的固碳量、单

11、位 森林植被固碳量、单位面积蓄积量等指标设计已经意识到固 碳效率(碳汇效率)的存在，在重视提升森林固碳总量的同 时又强调林地利用结构合理化的客观存在。笔者则试图基于 区域的视角，对林地利用结构的碳汇效率进行测度，并以杭 州市域为案例展开实证分析，相关的研究成果不仅对区域林 地利用结构的碳汇效率研究具有理论贡献，而且可以从碳循 环调控的角度为区域低碳经济发展的模式选择与发展战略 提供科学依据。2相关概念与研究方法“碳源汇效应”概念源于环境生态学6,指某一类型 的植被每单位净初级生产力npp (net primary productivity)所产生的碳汇量定义为该植被的碳汇效率 (carbon

12、sink efficiency, cse),记为 cse=碳汇量/npp, 后来环境经济学借用"碳源汇效应”这个概念来指某一类 型的单位林地利用面积所产生的固定二氧化碳总量7,即 cse二固定二氧化碳总量/某一类型的单位林地利用面积。本 研究中是指运用dea计算得到的林地利用数量变化的碳源汇 效应。dea是以“相对效率”概念为基础发展起来的一种多指 标投入和多指标产出的决策单元(dmu)相对有效性评价方 法。基本原理是从决策单元中选择相对效率最高的确定为有 效的，其他决策单元与这些有效的决策单元之间的差距决定 其相对效率高低。dea方法的优点在于：(1) dea是由决策 单元(dmu

13、)的输入输出权重作为变量，模型采用最优化方 法来内定权重，从而避免了确定各指标的权重所带来的主观 性；(2)假定每个输入都关联到一个或多个输出，而且输出 输入之间确实存在某种关系，使用dea方法不必确定这种关 系的显示表达式；(3)采用dea分析时不必计算综合投入量 和综合产出量，因而避免了各指标量纲等的不一致性而寻求 可度量因素时所带来的困难8-10 o运用dea进行区域林地 利用结构的碳汇效率测度思路如下：设有n个时间序列或截面林地利用结构数据，它们具有 相同的m种投入要素(各种类型的林地利用结构)和s种产 出要素(固定二氧化碳总量)。dmuj表示第j个决策单元， 其投入xi与产出yk可表

14、示为：xi二(xlj, x2j,，xmj) tyk= (ylj, y2j,，ysj) t (1)式中：xidmuj的i类林地利用结构投入矩阵；i-dmuj 的林地利用类型数，i二(1, 2-m)； j一决策单元的个数， j= (1, 2-n)； yk-dmuj的固定二氧化碳总量产出矩阵； k-dmuj的产出要素种类数，2 (1, 2, -s), s=l。设3 和2分别是加在m种输入和s种输出上的权重，可表示为:g)= ( g)1, 32,，3m)t2二(2 1, 2 2,，vs)t (2)式中：3m种林地利用结构输入的权重向量，3三0；s种输出的权重向量，2 20。用投入产出向量(xi, yk

15、) 表示dmuj的活动，则dmuj的总输入tij和总输出t0j分别 为：ti j=cd lxl j, 3 2x2j, ，3mxmj 二 xti co to j二® lyl j, ®2y2j,，wlylj二ytkw (3)式中：tij-dmuj的总输入矩阵，toj-dmuj的总输出 矩阵。dea用总输入与总输出之比的大小来衡量林地利用结 构的相对碳汇效率。令：casej二tojtij二ytk 2 xti s(4)式中：casej-dmuj 土地利用结构的相对碳汇效率指数 矩阵。式(4)中，权向量3和2都是待定的。对每一个 dmuj,求使casej达到最大值的权向量，就得到c2

16、r-i模型 (p-)。对每一个dmuj,解下式极大化问题：maxytk 2 xti 3 二casejs. t. ytk 2 xti 3 wl ( p-) (5)若令 ©二tixtis ,则(5 )转化为： maxytk e 2 二casejs. t. ytk ewwl (6)线性规划(6)的解称为dmuj的最佳权向量，它们是使 dmuj的效率值casej达到最大值的权向量。为了便于检验dea的有效性，一般考虑式(6)的对偶模型的等式形式：9 ?j=min 9 9 j , 入 js. t. j=ln 入 jxi j+si= 9 xi , j=ln 入 jyki j-s+k=yk 入 j

17、$0, s-i20, s+kmo (7)式中：0 *j-dmuj碳汇效率指数，无量纲；入j 特征 值；s-i 未投入利用的第i类林地结构变量数值；s+k固 碳总量产出不足的变量数值。设公式(7)的一组最优解为 (0 *j,入*, s-, s+),林地利用结构碳汇效率的dea评价 标准为：若9*j=l,则称dmuj为弱dea有效，此类情况可 能存在某类林地未全部投入利用或固碳总量未达到最大情 景；当9*j=l,且s-=s+=o,即各类林地资源全部投入使用， 固碳总量达到最大，则称dmuj为dea有效;若0*j3.2样本与指标选择为了分析杭州市域林地利用结构的碳汇效 率变化，并进行横向和纵向的比较

18、，以杭州市全市8个县市 区2008-2010年林地利用结构为评价单元(dmu),评价单元 (dmu)共计为8x3=24,即24个评价单元(dmu)。林地利 用结构输入指标主要根据ipcc指南框架和ipcc-gpg-lulucf 对林地利用类型的定义11,把杭州市域的林地利用结构分 为造林与再造林、森林管理和森林采伐等3个主要指标；为 与作为投入变量的林地利用结构指标相衔接，森林固碳总量 输出指标采用造林再造林、森林管理和森林采伐3类林地利 用类型的二氧化碳固定碳总和表示，因此，在dea分析过程 中，产出项个数将只有1项，即3种类型林地利用所导致的“森林固碳总量”，这样“投入项个数+产出项个数二

19、4”， 而4fmemissionit=aemitxvitxvcritxbefixwdixcfi(12)式中：vcrit为i地区森林管理在t年时的林分蓄积消 耗率(),其它参数同上。(3)森林采伐固碳量(dostockit)计算。其计算公式 如下：dostockit 二 vitx ait xbefixwdixcdi+socit (13)式中：vit为森林采伐年i地区森林单位平均蓄积量 (m3/hm2),ait为i地区第t年的森林采伐面积(hm2),befi 为i地区树干到全林的生物量扩展系数平均值，wdi为i地 区平均木材密度(tb/m3), cdi为i地区平均碳含量，socit 为i地区第t年

20、森林采伐引起的土壤碳贮量变化。表2杭州市全市及6个县市区2008-2010年林地利用结 构数据市(区，县)&年份&造林再造林(hm2) &森林 管理(hm2) &森林采伐(x10km3) &森林固碳总量(tg) &森林植被固碳(tg) &市区 &2008&201&1 249. 52 &23. 52 &1. 03 &0. 76 &2009 &187 &1 307. 88 &17. 95&1. 41x&0. 91 &2010&227

21、&1 159. 86&18. 26 &1. 29 &0. 71 &萧山 &2008 &517 &11 029. 76 &187. 33 &8. 73 &2. 03 &2009 &681 &11 783. 42 &221. 27 &10. 07 &3. 17 &2010 &584 &11 347. 69 &198. 42&9 25&3. 02 &余杭 &2008 &912 &32 1

22、36. 42 &231. 27 &9. 86 &2.47 &2009 &934 &28 876. 55 &176. 39 &7. 79 &2.03 &2010 &803 &37 264. 13 &254. 83 &10. 53 62. 99 &桐庐 &2008 &838 &44 325. 50 &122. 28&11. 36 &354&2009&1 049 &43 761. 00 &122. 97

23、 &12. 87 63. 67 &2010 &690 &41 949. 00 &145. 21 &13. 39 &3.81 &淳安 &2008 &574&18 770. 14 &299. 47 &27. 86 68. 67 &2009 &720 &11 175. 10 &436. 27 &31. 58 69. 00 &2010 &298 &10 746. 70 &562. 72 &32. 84 &9. 3

24、4 &建德 &2008 &460&10 546. 91 &251.73&14. 98 64. 66 &2009 &451 &98 34. 91 &225. 53 &16. 98 &4. 84&2010&673 &7 268. 00 &47. 41 &17. 66 &5. 02 &富阳 &2008 &490 &582. 00 &180. 04 &9. 93 &3.09&2009 &1

25、 479 &1 486. 00 &228. 14 &11.25&3.21 &2010 &584 &3 144. 00 &212. 77 &11. 70 &3.33 &临安 &2008 &522 &4 415. 90 &458. 63 &20. 70 &6. 45 &2009 &486 &4 437. 90 &458. 09 &23. 46 &6. 69&2010&l 004 &3 325.

26、 00 &461. 67 &24 40 &6. 93 &注：“森林植被固碳量”为“森林固碳总量”的补充说明指标。4实证结果与驱动因素分析4.1杭州市域林地利用数量变化的碳源汇效应计算 研究以dea-solver pro 6.0为计算操作平台，选择c2r-i模型对所收集的数据进行计算，计算过程如下：(1)杭州市全 市及6个县市区的时间序列样本，包括杭州市全市及6个县 市区的时间序列数据和截面数据；(2)杭州市全市及6个县 市区2008年样本、杭州市全市及6个县市区2009年样本、 杭州市全市及6个县市区2010年样本分别组合计算。这里，将杭州市全市与其所属县市区纳

27、入同一模型进行比较的依据是根据魏权龄和王佳丽的论述，dea既可以选用 同级区域比较，亦可用于不同级区域比较，如果决策单元 (dmu)之间存在包含关系，则可以相互验证其同质性与有效性9-10 o通过以上计算过程得到杭州市全市及6个县市区2008-2010年林地利用结构的碳汇效率，如表3所示。表3杭州市全市及6个县市区2008-2010年林地利用数 量变化的碳源汇效应指数市（区、县）& 0 *j &s-&s+ &造林再造林&森 林管理 & 森林采伐 &2008 &2009 &2010 &2008 0 &2010

28、 &2008 &2009 &2010 &2008 &2009 1 &2008 &2009 &2010 & 市区 &0. 77 &0. 79 &0. 87 &0. 08 &0. 02 &0 &0. 13 &0. 41 &0. 09 &1. 22 &1 01 &0. 55 &0. 37 &0. 71 &0 22 &萧山 &0 43 &0. 39 &0. 51 &0 &a

29、mp;0 &0 &0. 11 &0. 07 &0 &0 07 &0 01 &0 32 &0. 41 &0. 39 &0 55 &余杭 &0. 22 &0. 31 &0 27 &0 &0 &0 03 &0 09 &0 12 &0 01 &0. 14 &0. 26 &0. 09 &032 &0. 51 &0. 47 & 桐庐 &082 &0. 63 &1 &am

30、p;0 &0. 09 &0 &0 &0 &0. 05 &3. 78 &7.01&0&042&0 19 &0&淳安 &1&1 & 1 &0 &0 &0 &0. 11 &0 &0 &0 &0 &0 &0 &0 &0 &建德 &0. 89&1 &0. 91 &0. 01 &0 &0 &042 &0 &0. 1

31、7 &2. 57 &0 &3. 79 &0. 77 &0 &051 &富阳 &0. 53 &0. 66 &0. 47 &0. 19 &0. 07 &0. 23 &0. 33 &0 &0. 72 &7. 93 &4. 12 &8. 17 &1. 22 &0. 98 &1. 01 &临安 &1 &1 &0 &0. 01 &0 &0 &0 &0. 02 &

32、amp;0&0&0&0&0&0&注：2008、2009 和 2010 年 s+ 值分别为表中值x10-6、x10-6和x10-6，因此，s+可近似为零。4.2影响杭州市域林地利用数量变化碳源汇效应的驱动因素分析4.2. 1杭州市域林地利用结构的碳汇效率发展不平衡， 市县区之间相差较大除杭州市总是dea有效外，6个市县区 2008、2009和2010年林地利用结构相对有效性比例分别为 42.85%、57.14%、57.14%,其中，临安与淳安总是dea有效, 2009年增加建德、2010年则增加桐庐为dea有效，显然，“十一五”期间杭州生态化城市建

33、设目标提高了 6个县市区 的有效性比例；2008、2009和2010年，6个县市区中市区 与富阳总是dea无效，这些无效的县市区具有一个共同特征, 即森林采伐比例明显偏高，超出为提高林分郁闭度的有效采 伐比例，导致二氧化碳固碳量产出不足。此外，部分县市区 市的造林再造林、森林管理与也出现不同程度的冗余（表3）, 这说明杭州一些县市区新造林的单位面积森林蓄积量普遍 偏低，森林管理对碳密度与森林生物量的提高没有任何贡 献，这是由于造林再造林、森林管理的碳密度与森林生物量 较低所致。4. 2. 2杭州市域中经济欠发达地区的林地利用结构碳 汇效率高于经济发达地区从杭州市域的林地结构碳汇效率 分析可以看

34、出，经济欠发达地区（包括临安、淳安与建德） 的林地利用结构碳汇效率相对高于经济发达地区（包括市 区、富阳与桐庐），这一方面与杭州市域森林分布的自然条 件有关，即杭州市域的森林资源分布相对集中，西部多，东 部少。淳安、临安、建德是全市森林资源的集中分布区，3 县市森林面积合计与森林蓄积合计分别占全市森林面积和 森林蓄积的68. 88%与75. 47%,因此这3县市是杭州市域乃 至整个长三角地区经济社会可持续发展的生态屏障和生态 产品的重要供给源；但作为林地利用结构的碳汇效率指标， 其测算结果主要不是林地资源的总量，而是林地利用变化的 相对碳汇效率，因此，这更多的是受经济因素的影响，杭州 市域东部

35、地区经济发展速度要普遍高于西部地区，经济快速 发展的结果导致大量的林地资源被征占和毁林，根据浙江省 征占林地抽查的相关资料19-20,杭州市域东部县市区的 林地征占和毁林以国家和省级重点工程、开发区、乡镇和农 村经济建设征占林地（包括农用地）以及国有企事业单位改 变林地用途为主，而林地征占和毁林一旦发生，原有森林所 有生物量碳全部排放（不考虑木质林产品碳贮量的变化）， 因此毁林引起的碳贮量变化将极大地降低东部县市区林地 利用结构的碳汇效率。4. 2. 3杭州市域林地利用结构的碳汇效率目前整体偏 低，林地利用结构优化配置与潜力挖掘空间较大2008. 2009 与2010年这3a中，杭州市域6个县

36、市区林地利用结构的碳 汇效率仅为52. 38%, 3a来林地利用结构均有效的县市区仅 有临安与淳安，其他县市区则有效性整体偏低，这说明杭州 市域目前的林地利用结构仍然存在不合理情况，林地利用结 构优化配置可挖掘潜力空间较大，特别是东部县市区，其经 济通过长时间的快速发展，目前正处于经济增长方式的转型 期，通过有计划、有步骤地改变经济发展模式，促进产业结 构调整，改善林地利用结构，在封山育林保护森林碳汇的同 时，抓好退耕还林，强化监管，减少林地征占与毁林，减少 水土流失，以改善杭州东部县市区的经济发展环境；而对西 部县市区，虽然目前林地利用结构的碳汇效率普遍较高，但 仍然存在可改善之处，目前主要

37、是加大力度，推进西部林区 的林分结构改造，通过全面改造和补植套种的方式，改造低 质低效的林分，调整林种、树种结构，全面提高森林质量和 生态效应，拓展林业碳汇功能，从整体上提升林地利用结构 的碳汇效率。5结论与讨论研究以杭州市域为案例，对我国区域林地利用数量变化 的碳源汇效应进行了测度与实证研究，研究结论表明：林地 利用数量变化的碳源汇效应评价是可行的，而且区域林地利 用结构的碳汇效率变化同其经济发展水平具有高度的相关 性，这说明经济增长方式转变是区域林地利用结构碳汇效率 可持续发展的动力源泉。研究结论的科学意义在于：(1) 林地利用结构变化是影响区域碳循环的重要因素, 将直接改变其碳储量和碳通

38、量的过程，从而影响最终的森林 碳汇效率。而我国目前众多地区高速发展的社会经济背景对 其区域的林地利用结构变化影响非常剧烈21-24,从而为 在较短时间尺度内研究林地利用结构变化对其区域碳汇效 率影响的过程和机制提供了得天独厚的条件。本研究成果不 仅对区域林地利用结构的碳汇效率研究具有理论贡献，而且 可以从碳循环调控的角度为区域低碳经济发展的模式选择 与发展战略提供科学依据，其学术价值与实践意义不言而 喻。(2) 研究在ipcc指南框架下，将区域林地利用结构的 碳汇效率评价看成是一个投入产出的过程，通过收集我国区 域森林清查数据和历年的林业统计年鉴中的面积和蓄积量 变化数据，并通过收集已发表文献

39、中有关森林各树种生物量 和生产力数据，获取林地数量变化的碳汇计量参数，结合实 地进行抽样校验，最后运用数据包络分析方法中基于投入导 向的c2r-i模型，将林地利用中不同类型的林地利用数量作 为投入，将森林固碳总量作为最终产出，对我国区域林地利 用结构的碳汇效率进行了测度与实证研究，克服了此类分析 在指标确定及指标内涵选取上的随意性。(3) 利用森林碳汇作用降低温室气体排放量是世界公 认的最经济有效且最有发展潜力的办法，其成本大约是减排 措施的1/30 (陈根长，2005)。我国作为经济发展大国，目 前co2排放量已超过美国居世界第一，在国际碳减排压力日 趋增大的背景下，我国各地区增汇减排的任务

40、显得尤为艰巨 和迫切。目前我国许多地区正努力制定各种具有地区特色的 增汇减排政策，并积极引进国际cdm项目，这些政策和项目 的实施必将带来这些地区林地利用结构的新一轮大调整，如 何对此调整过程所引发的区域碳汇效率进行科学有效的测 度，以实现我国区域碳汇林业发展的“可计量、可监测、可 核查”三可目标，开展相关的基础研究已迫在眉睫。参考文献1ipcc. volume 4： agriculture, forestry and other land uses (afolu) .2006 ipcc guidelines for national greenhouse gas inventoriesm i

41、pcc/iges , hayama , japan, 2006.2fang j y, et al. changes in forestbiomass carbon storage in china between 1949 and 1998j.science, 2001, 292： 2 320-2 322.3 murty d, kirschbaum m u f, mcmurtrie r e, et al.does conversion of forest to agriculturalland change soil carbon and n it rogen? a review of the

42、 lit era tu re j global change biology, 2002, 8：105-123.4 newell, r. g. , stavins, r. n. climate change andforest sinks： factors affecting the costs of carbon sequestrationj. journal of environmentai economics and management, 2000, 40：211-235.5 周涛，史培军土地利用变化对中国土壤碳储量变化的间接影响j.地球科学进展，2006, 21 (2)：138-14

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