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蔡飛，張?zhí)m，張彩虹
(北京林業(yè)大學(xué)經(jīng)濟管理學(xué)院)
摘要：林木生物質(zhì)能源作為一種十分重要和有效的現(xiàn)代生物質(zhì)能源利用方式，在我國的發(fā)展時機已經(jīng)日趨成熟。我國豐富的林木生物質(zhì)能源資源和大量的宜林荒山荒地為發(fā)展林木生物質(zhì)能源提供了重要的資源基礎(chǔ)。基于2005年對我國部分省區(qū)林木生物質(zhì)資源調(diào)查和第六次森林資源清查結(jié)果，對各類林木生物質(zhì)能源資源的潛力進行初步估計；并從森林多功能性、林業(yè)可持續(xù)經(jīng)營和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的階段等方面對我國林木生物質(zhì)能源資源的可利用性進行了分析。
現(xiàn)代生物質(zhì)能源轉(zhuǎn)化技術(shù)使得生物質(zhì)能源開發(fā)的轉(zhuǎn)化效率、經(jīng)濟性和環(huán)境效益等得到明顯改善。近年來，現(xiàn)代生物質(zhì)能源的開發(fā)和利用已經(jīng)在世界范圍內(nèi)得到示范和推廣，特別是林木生物質(zhì)能源的開發(fā)和利用已經(jīng)得到很多國家的關(guān)注，并且在能源產(chǎn)業(yè)中已經(jīng)占有一定的比例。林木生物質(zhì)是指森林林木及其他木本植物通過光合作用，將太陽能轉(zhuǎn)化而形成的有機物質(zhì)，包括林木地上和地下部分的生物蓄積量、樹皮、樹葉和油料樹種的果實(種子)。林木生物質(zhì)能源是指貯藏在林木生物質(zhì)中的生物量經(jīng)過轉(zhuǎn)化形成的能源，主要是指通過直接燃燒或者現(xiàn)代轉(zhuǎn)化技術(shù)形成的可用于發(fā)電和供熱的能源。從利用方式來看，林木生物質(zhì)能源包括以傳統(tǒng)直燃為主的薪柴和通過現(xiàn)代生物質(zhì)技術(shù)轉(zhuǎn)化生產(chǎn)的現(xiàn)代林木生物質(zhì)能源。
我國林木生物質(zhì)資源種類豐富、生物量大、再生性強、燃燒值高，具有重要的開發(fā)利用潛力。林木生物質(zhì)能源的開發(fā)和利用，不僅可以在化石燃料缺乏和集中電網(wǎng)不能到達的農(nóng)村地區(qū)增加能源供應(yīng)，而且對改進林業(yè)發(fā)展模式、增加農(nóng)村勞動力就業(yè)、調(diào)整農(nóng)村產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)具有重要的推動作用。目前在能源需求和環(huán)境污染的雙重驅(qū)動下，我國林木生物質(zhì)能源開發(fā)利用已經(jīng)初步具備存在的條件和發(fā)展的空間。但是，如何科學(xué)合理地評價林木生物質(zhì)能源資源，既滿足新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需求，又維護林業(yè)生態(tài)安全，保持林木資源的可持續(xù)利用，成為該領(lǐng)域的重要研究內(nèi)容。
20世紀90年代以來，世界各國采用多種研究理論和評價方法對林木生物質(zhì)能源資源潛力進行了評價研究，如采用多域GLUE模型、能源-MELA模型、白上而下分析模型及工程經(jīng)濟評價法等多種評價方法和理論，綜合考慮技術(shù)、經(jīng)濟、土地、生態(tài)等基本要素，對全球及地區(qū)范圍的林木生物質(zhì)資源潛力進行估算。在全球生物質(zhì)能源生產(chǎn)潛力的公開研究結(jié)果中，評價結(jié)果分布于很大的數(shù)值區(qū)間，其中林木生物質(zhì)資源潛力為0～358EJ/年。近年來，我國部分學(xué)者根據(jù)森林資源自然特性、樹種類型及地理分布，對不同地區(qū)的林木生物質(zhì)資源類型和數(shù)量進行了統(tǒng)計調(diào)查和初步估算，尚未形成統(tǒng)一的評價結(jié)果和研究結(jié)論。
一、我國林木生物質(zhì)能源資源潛力
(一)林木生物質(zhì)能源資源類型
從森林資源的社會總供給和總需求的角度來看，可用于現(xiàn)代生物質(zhì)能源開發(fā)的林木生物質(zhì)資源的供應(yīng)能力將受到生態(tài)、技術(shù)和經(jīng)濟等因素的制約。首先，該類資源來自可以被開發(fā)利用的林地，即受保護的林地被排除在外；其次，林木生物質(zhì)能源利用將不會威脅到工業(yè)木材和傳統(tǒng)薪柴的供應(yīng)，也不會引起森林的過度采伐；最后，將來能源林的種植土地來自我國現(xiàn)有的宜林荒山荒沙地，不與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)爭地。基于此，我國現(xiàn)有林木生物質(zhì)能源資源主要來自林地林木生長過程和森林生產(chǎn)經(jīng)營過程中產(chǎn)生的林木剩余資源，以及以燃燒為目的的薪炭林。具體資源構(gòu)成如圖1所示。
理論上，林地生長剩余物是指可以被開發(fā)利用林地上的各類林木生長量減去林木總采伐量，即林木生長總量中，未被工業(yè)木材生產(chǎn)和傳統(tǒng)薪柴所利用的部分。根據(jù)我國現(xiàn)有的林木資源分類特點，林地生長剩余物主要是指來自灌木平茬(包括純灌木林和天然次生林下木)、經(jīng)濟林修剪更新、四旁樹和散生疏林撫育修枝、城市綠化更新及修剪等產(chǎn)生的各類林木剩余物資源。林業(yè)生產(chǎn)剩余物包括森林采伐和造材剩余物，木材加工剩余物，森林撫育與間伐剩余物，造林育苗修枝、定桿和截桿剩余物及廢舊木制品等。能源林是以生產(chǎn)能源為主要目的而營造和經(jīng)營的森林。傳統(tǒng)的能源林以薪炭林為主。
(二)林木生物質(zhì)能源資源量及分布
1.林地生長剩余物
1)灌木平茬剩余物。我國擁有灌木林4529.7萬hm2，占全國林地總面積的16.02％，主要分布于內(nèi)蒙古、四JiI、云南、西藏、青海、新疆等西北和西南地區(qū)。其中西藏面積最大，為764.6萬hm2；其次是四川，面積為692.4萬hm2；內(nèi)蒙古為452.3萬hm2。根據(jù)已有研究成果，我國灌木林的生物量產(chǎn)出量為2～8t/hm2，如果以每公頃6t計算，我國灌木林的現(xiàn)有生物量約2.7億t。若以3年為平茬輪伐周期計算，每年可以獲得生物量產(chǎn)出約為9000萬t。
2)經(jīng)濟林撫育管理剩余物。經(jīng)濟林是指以提供木材以外的其他林產(chǎn)品，如果實、樹皮、樹枝、樹葉、樹脂、樹汁、花蕾、嫩芽等為主要經(jīng)營目的的森林，又稱特種經(jīng)濟林。我國有經(jīng)濟林2140萬hm2，如每年對經(jīng)濟林進行更新、修剪等經(jīng)營活動，產(chǎn)生的樹枝、樹權(quán)等廢棄物約為1t/hm2，全國經(jīng)濟林修枝每年產(chǎn)生的總枝條量約2140萬t。
3)四旁樹和散生疏林撫育修枝。在我國，四旁樹和散生疏林約有230億株，對其進行撫育修枝，按照每株每年產(chǎn)生1.3kg剩余物計算，每年可獲得枝條量約0.3億t。
4)城市綠化更新及修剪剩余物。我國城市綠化森林及園林樹木株數(shù)可折合面積400萬hm2，林木生物量達6～7億t，每年林木修剪和樹木更新產(chǎn)生的廢棄物達0.4億t。
2.林業(yè)生產(chǎn)剩余物
1)森林采伐及造材剩余物。森林采伐剩余物是指經(jīng)過采伐、集材后遺留在地上的枝權(quán)、梢頭、枯倒木、被砸傷的樹木、不夠木材標(biāo)準(zhǔn)的遺棄林木等。由于不同地區(qū)森林類型不同、樹種不同、木材的利用方式不同，采伐剩余物的比例有很大的差別。從全國總體水平看，樹干是林木生物量的主要部分，約占70％；樹枝、葉約占30％。另外，樹木采伐后生產(chǎn)原木需要經(jīng)過造材工藝，經(jīng)不完全測算，采伐剩余物、造材剩余物合計約占林木生物量的40％。在森林采伐剩余物中有一部分被用于人造板加工生產(chǎn)，可作為林木生物質(zhì)能源資源的部分僅是被丟棄不用的采伐剩余物部分。
目前，我國達到采伐標(biāo)準(zhǔn)的成熟林和過熟林的用材林面積為1468.6萬hm2，蓄積量27.4億m3，總生物量32.1億t；防護林和特種用途林中需要采伐更新的過熟林面積為307.8萬hm2，蓄積量為7.1億m3，總生物量8.4億t。因此，從理論上來說，我國可以進行林木采伐更新的總量約40.5億t，可產(chǎn)生采伐、造材剩余物量約16.2億t。但是，由于采運條件、防護要求、國土安全等多方面的限制，這些木材并不能完全采伐。根據(jù)國務(wù)院批準(zhǔn)的“十一五”期間年森林采伐限額，全國每年限額采伐指標(biāo)為2.5億m3，換算為生物量約2.92億t，則每年可產(chǎn)生的采伐及造材剩余物約1.17億t。
2)木材加工剩余物。在我國，木材加工剩余物主要來自商品用材林。進入木材加工廠的原木，從鋸切到加工成木制品，產(chǎn)生樹皮、板皮、邊條和下腳料、鋸末和刨花等剩余物。剩余物數(shù)量為原木的15％～34％，其中，板條、板皮、刨花等占71％，鋸末占29％。根據(jù)有關(guān)部門不完全統(tǒng)計，全國各地的木材加工企業(yè)年加工能力約7245.9萬m3，其中，鋸材1597.5萬m3，人造板5648.4萬m3，產(chǎn)生加工剩余物約3229.7萬t。
3)撫育間伐及造林剩余物。根據(jù)我國第六次森林資源清查結(jié)果，需要撫育管理的幼齡林面積4758.26萬hm2，中齡林4430.43萬hm2。中幼林面積占森林總面積的52.5％，是森林的主要組成部分。森林撫育期內(nèi)平均伐材量6.0m3/hm2(按10年撫育期，20％的間伐強度來計算)，可產(chǎn)生小徑材5.4億m3，生物量為6.3億t，年可獲得林木剩余物約0.63億t。我國每年造林約600萬hm2，用苗量約120億株，可以獲得的育苗修枝、定桿和截桿剩余物約0.15億t。
4)廢舊木制品。廢舊木制品是指各類木制家具、門窗、礦柱木、枕木、建筑木等各類廢棄木制品。我國每年因危房改造和家具更新淘汰等產(chǎn)生的木制品廢棄物多達2000萬m3，約0.8億t。
3.能源林
1)薪炭林。我國薪炭林發(fā)展已初具規(guī)模，根據(jù)第六次全國森林清查結(jié)果，薪炭林面積303.44萬hm2，蓄積量5627萬m3，分別占森林面積和蓄積的2.12％和0.46％。根據(jù)各省薪炭林的面積、蓄積量和樹種組成因素測算，生物質(zhì)總量約0.66億t。
2)未來能源林種植。能源林具有一次造林、多次采伐、多年利用的特點，便于實行集約化經(jīng)營，是未來林木生物質(zhì)能源資源供應(yīng)的主要發(fā)展方向。來自能源林的林木生物質(zhì)能源資源量主要取決于可用于能源林種植的土地資源量和單位面積林木產(chǎn)出量。而單位面積林木產(chǎn)出量主要受到地區(qū)能源樹種選擇及種植技術(shù)先進程度的影響。
我國林木種類豐富，樹種分布區(qū)域性差異較大。對能源林樹種的選擇，一般遵循以下原則：首先，樹種生物量大，生長迅速，如南方樹種生長量，灌木應(yīng)在每年5t/hm2以上，喬木在10t/hm2以上；北方地區(qū)樹種生長量，灌木在每年2t/hm2以上，喬木8t/hm2以上。第二，熱值高，樹種熱值應(yīng)大于16.7GJ/t。第三，樹種適應(yīng)性和抗逆性強，耐干旱、耐瘠薄、抗鹽堿等。第四，樹種萌生能力強，耐平茬，便于短期輪伐經(jīng)營。最后，適合規(guī)模化經(jīng)營。
同時，我國土地資源豐富，各類宜林地面積近5700多萬hm2，不適宜農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的邊際性土地近1億hm2(包括鹽堿地、沙地及礦山、油田等復(fù)墾地)，這些土地中有很大比例可用于種植特定能源樹種。未來能源林經(jīng)營以灌木林為主，土地利用以現(xiàn)有宜林荒地和宜林荒沙地為主。
二、林木生物質(zhì)能源資源可利用性分析
(一)世界林木生物質(zhì)資源能源化利用
林木生物質(zhì)能源不論在人類早期的生活用能中，還是在未來的新能源發(fā)展中都占有重要的地位。林木生物質(zhì)能源資源的豐裕程度主要取決于陽光、氣候條件、種植樹種、土地資源的可獲得性與肥沃程度以及病蟲害控制等。全球生物質(zhì)能源的資源潛力為103.8EJ/a，其中林木生物質(zhì)能源資源潛力為41.6EJ/a，占到40％以上。
近年來，隨著化石能源價格的上漲，對林木生物質(zhì)能源需求進一步增加，發(fā)達國家對來自農(nóng)林剩余物的生物質(zhì)能源利用和發(fā)展中國家農(nóng)村生活用能利用都呈現(xiàn)增長趨勢。據(jù)統(tǒng)計，全球約有14％的基本能源消耗源于林木生物質(zhì)資源，25％用于發(fā)達國家，剩下的75％用于發(fā)展中國家。在發(fā)展中國家貧困的農(nóng)村地區(qū)，居民做飯和取暖的生活用能多數(shù)通過砍伐林木直接獲得，如非洲有近90％的砍伐后林木資源被用于生活燃料。在一些經(jīng)合組織成員國，如奧地利、芬蘭、德國和瑞典等，越來越多的林木生物質(zhì)能源資源被用于發(fā)電。雖然傳統(tǒng)的林木生物質(zhì)能源資源大多以傳統(tǒng)的廢棄物形式存在著，并仍將作為發(fā)展中國家農(nóng)村生活用能的基本來源，但是隨著現(xiàn)代生物質(zhì)能源技術(shù)的成熟與推廣，林木生物質(zhì)能源利用模式也將從傳統(tǒng)低效的薪柴消耗模式轉(zhuǎn)化為現(xiàn)代新能源模式。
當(dāng)前的林木生物質(zhì)能源現(xiàn)代化利用仍以林地生長剩余物和林業(yè)生產(chǎn)剩余物為主，未來林木生物質(zhì)資源供應(yīng)則更多通過專業(yè)能源林種植直接供應(yīng)。生物質(zhì)能源的現(xiàn)代化生產(chǎn)，可以解決很多國家面臨的農(nóng)林廢棄物問題，解決人口增長帶來的能源需求問題。同時，發(fā)展能源林種植，將為發(fā)展中國家農(nóng)村居民和林區(qū)工人提供更加穩(wěn)定的收入，提高地區(qū)整體社會經(jīng)濟水平和生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。
(二)森林多功能性與能源化利用
由于森林對于人類生存和生活的影響是多方面的，所以森林的功能也具有多樣性。國內(nèi)研究者習(xí)慣從經(jīng)濟、生態(tài)和社會等方面分析森林的功能，包括經(jīng)濟功能、生態(tài)功能和社會功能；國際上通常將森林功能分為產(chǎn)品功能、服務(wù)功能和文化價值。
從現(xiàn)代社會對森林的基本需求的角度來看，森林的經(jīng)營與利用應(yīng)在考慮滿足人類需求的同時，發(fā)揮其在地球生物圈的主體作用。因此，森林的基本功能是提供生產(chǎn)資料和發(fā)揮生態(tài)效益，即優(yōu)先發(fā)展森林的生態(tài)功能和經(jīng)濟功能。具體來說，生態(tài)功能以保護和改善人類生存環(huán)境，保持生態(tài)平衡，保護生物多樣性和固土保肥等為主體功能，主要提供“公益性服務(wù)”；經(jīng)濟功能則提供商品林木質(zhì)和非林木質(zhì)產(chǎn)品，以獲得最大經(jīng)濟產(chǎn)出為主體功能，主要提供進入市場流通的經(jīng)濟產(chǎn)品。森林系統(tǒng)的多功能性導(dǎo)致了森林在經(jīng)營和利用過程中呈現(xiàn)出各種矛盾和沖突。在獲取森林經(jīng)濟產(chǎn)品和生態(tài)產(chǎn)品時，通常表現(xiàn)為生態(tài)功能和經(jīng)濟功能之間的矛盾，如獲取森林產(chǎn)品通常會改變森林的組成結(jié)構(gòu)，使得森林生態(tài)功能的發(fā)揮受到影響。另外，森林在滿足人類生態(tài)需求和地球生態(tài)需求時也會引起不同功能產(chǎn)品之間的矛盾。
因為森林資源具有多種功能，所以其價值內(nèi)涵可以從多種角度、多種用途進行界定。林木生物質(zhì)能源只是森林資源利用范疇中的一個子集。僅從能源使用的角度上來說，林木的任何部分都可以燃燒和轉(zhuǎn)化為能源利用，都是潛在的能源資源。但是在實際中，森林在社會經(jīng)濟發(fā)展中發(fā)揮著更為重要的經(jīng)濟功能和生態(tài)功能，林木生物質(zhì)能源的開發(fā)應(yīng)以不威脅到傳統(tǒng)的森林功能為前提。另外，林木的不同部位可以有多種功能，有些樹種的某些部位用于非能源用途，其他部位則可用于生物質(zhì)能源生產(chǎn)。因此，從平衡森林功能的角度來說，林木生物質(zhì)能源資源的利用范疇是在森林資源利用的眾多規(guī)定中，通過與其他用途比較和取舍進行界定的。
(三)林業(yè)可持續(xù)管理與能源化利用
長期以來，木材產(chǎn)品在我國林業(yè)生產(chǎn)中占據(jù)主導(dǎo)地位，對森林資源的過度消耗和對生態(tài)林業(yè)建設(shè)的忽視已經(jīng)造成了很大的環(huán)境和資源問題。林業(yè)可持續(xù)管理是指在保持森林資源的可持續(xù)利用和生態(tài)環(huán)境的持續(xù)改善的同時，發(fā)揮林業(yè)的各種經(jīng)濟效益、社會效益和文化效益。目前，國際社會及各國政府對林業(yè)可持續(xù)管理的界定和實施已經(jīng)付出了很大的努力，多數(shù)通過建立評價標(biāo)準(zhǔn)來對其進行界定，這些標(biāo)準(zhǔn)主要集中于環(huán)境、社會和經(jīng)濟價值方面。環(huán)境價值方面包括對生物多樣性、土壤和水質(zhì)的保護，對生態(tài)系統(tǒng)健康和生產(chǎn)效率的維持以及林業(yè)對地球生態(tài)圈的貢獻。社會經(jīng)濟價值方面包括林業(yè)產(chǎn)生的社會經(jīng)濟效益和政府對林業(yè)可持續(xù)管理的責(zé)任。林業(yè)可持續(xù)經(jīng)營不應(yīng)僅僅局限于造林種樹式的傳統(tǒng)生產(chǎn)模式，而要擺脫以提供低價值初級產(chǎn)品為主的經(jīng)營模式，轉(zhuǎn)向深度挖掘林業(yè)經(jīng)濟新的增長點，提供具有高附加值的林業(yè)產(chǎn)品。林木生物質(zhì)能源可以被看作是一種新型林業(yè)產(chǎn)品，可以通過常規(guī)的林業(yè)可持續(xù)管理的標(biāo)準(zhǔn)和指標(biāo)來衡量。
林木生物質(zhì)能源的開發(fā)過程并不影響森林原有的生態(tài)效益和經(jīng)濟效益的發(fā)揮，而是通過采集林下枯落物和林業(yè)生產(chǎn)剩余物實現(xiàn)高效率的能源轉(zhuǎn)化。另外，林木生物質(zhì)能源的發(fā)展還可以帶動我國廣大宜林荒山荒沙地種植能源林，既不占用耕地，又可以恢復(fù)植被；且以灌木為主的能源林收割后還能自然萌生更新，是能源建設(shè)和生態(tài)建設(shè)的最佳結(jié)合。從一個國家或地區(qū)的范圍來看，林木生物質(zhì)能源是林業(yè)管理和土地利用總系統(tǒng)中的重要部分，可以對林業(yè)和能源產(chǎn)業(yè)同時起到促進作用。因此，林木生物質(zhì)能源的開發(fā)將成為林業(yè)可持續(xù)經(jīng)營和管理的一項基本動力。
(四)資源利用的階段性分析
林木生物質(zhì)能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也將經(jīng)歷一個由不成熟走向成熟的過程。根據(jù)產(chǎn)業(yè)生命周期理論，林木生物質(zhì)能源的形成與發(fā)展過程可分為形成期、成長期和成熟期。這里結(jié)合不同階段的產(chǎn)業(yè)開發(fā)規(guī)模和生產(chǎn)特點，對林木生物質(zhì)資源開發(fā)與供應(yīng)的特點進行分析。
在產(chǎn)業(yè)形成期，林木生物質(zhì)能源開發(fā)以試點、示范、零星生產(chǎn)為主，生產(chǎn)量低，原料資源以現(xiàn)有林地剩余物和林業(yè)生產(chǎn)剩余物為主。這些資源來源豐富，供給充足，但分布分散，收集成本高。然而作為新能源產(chǎn)業(yè)的先行主導(dǎo)者——政府，此時就必須出臺相應(yīng)的政策，如對原料資源利用的補貼，制訂原料林基地規(guī)劃，以降低原料資源的利用成本。
在成長期，作為國家積極引導(dǎo)的產(chǎn)業(yè)方向，林木生物質(zhì)能源的生產(chǎn)技術(shù)日漸成熟和穩(wěn)定，大量投資者開始涉足該行業(yè)，產(chǎn)量規(guī)模增大。原料資源不僅包括森林系統(tǒng)中現(xiàn)有的林木剩余資源，同時人工種植能源林也逐步成為主要來源。國家需制訂推動能源林基地發(fā)展的優(yōu)惠政策，如直接投資或鼓勵民間資本投資能源林基地，以增強原料資源供應(yīng)的穩(wěn)定性和經(jīng)濟性。
進入成熟期，林木生物質(zhì)能源產(chǎn)業(yè)集中程度高，具有較為長期和穩(wěn)定的產(chǎn)出及收益。原料資源供給以企業(yè)自營的能源林基地為主，并實現(xiàn)集約化和規(guī)模化供應(yīng)。政府的角色由政策扶持者轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)業(yè)監(jiān)督者，通過完善能源林質(zhì)量評價體系和原料資源采收標(biāo)準(zhǔn)，對企業(yè)進行嚴格監(jiān)控，同時防止濫砍亂伐現(xiàn)象。
總得來說，充足的原料資源是實現(xiàn)林木生物質(zhì)能源規(guī)模化生產(chǎn)的前提條件。我國森林資源總量豐富，具有很大的開發(fā)利用潛力。森林系統(tǒng)在發(fā)揮其基本的經(jīng)濟功能和生態(tài)功能的同時，仍有大量的林木剩余物產(chǎn)出，成為目前相對經(jīng)濟和容易獲取的原料資源。并且，隨著林木生物質(zhì)能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，以短期輪伐為主的能源林項目將會興起，成為未來重要的能源原料來源。 |
