何介南, 罗 航, 陈红斌, 何勇强, 王 东

(中南林业科技大学，湖南 长沙 410004)

能源短缺和环境污染一直是阻碍我国经济社会可持续发展的重要因素[1-2]，传统化石能源的粗犷使用会带来酸雨、气候变暖等一系列环境问题[3]，我国能源消耗方式所引发的环境污染问题已经造成的经济损失占当期GDP总量的2%～3%，且能源消费速度要明显高于GDP增长速度[4]；此外，受国际环境的影响，我国能源安全受到了严重威胁[5-6]。因此，寻求新型能源替代部分化石能源是实现可持续发展的必由之路。生物质能(Biomass energy)是将太阳能转化为化学能后固定和贮藏在生物体内的能量，具有来源广泛、成本低廉、可再生性等特点，是目前寻求新型能源的重要方向之一[7-8]。森林是生物质能的重要组成部分，目前我国林木生物质能源的研究和利用尚处于初级阶段，未来具有广泛的开发利用前景。湖南是森林资源大省，截止2019年，全省拥有林地面积1 299.57×104hm2，森林覆盖率达59.90%，森林资源储备量较高，其林木生物质能源发展潜力位列全国首位[9]。因此，研究湖南省林木生物质能源潜力为本省林木生物质能源合理、有效开发和利用提供基础数据，有利于促进湖南省林木生物质能源研发、加工、运输、存储等相关产业的发展，也有利于解决农村闲散劳动力安置问题。

1 研究区概况

1.1 自然地理概况

湖南省位于我国中部、长江中游，在108°47′—114°15′ E，24°38′—30°08′ N之间，国土面积21.18万km2，下辖14个地市(州)，沿顺时针方向依次与湖北、江西、广东、广西、贵州、重庆6省(直辖市、自治区)接壤。湖南为亚热带季风湿润气候，具有“气候湿润、四季分明，热量充足、雨量集中，春温多变、夏秋多旱，严寒期短、暑热期长”的特点[10]，年平均气温17.0 ～ 18.6 ℃，年平均降雨量1 031.0～1 726.3 mm，年均日照时数1 214～1 637 h(数据来源：湖南省统计年鉴2020)；湖南省地貌总体轮廓是东、南、西三面环山，北部盆湖平原，中部丘陵起伏，形成朝东北开口的不对称马蹄形；境内地貌以流水、熔岩地貌为主，分别占湖南省总面积的64.76%、25.97%；辖区内水资源丰富，坐拥全国第二大淡水湖——洞庭湖，以及湘、资、沅、澧四大水系，水域面积占全省面积的6.4%。

1.2 森林资源概况

湖南省森林资源丰富，2019年森林覆盖率达到59.90%，林地面积为1 299.57×104hm2，其中：怀化市森林覆盖率最高为71.00%，林地面积为203.27×104hm2；张家界市次之为70.99%，林地面积为70.53×104hm2；岳阳市最低为45.31%，林地面积为61.98×104hm2，详细情况如表1所示，数据来源《湖南省二〇一九年度森林资源统计年报》。

表1 湖南省各市(州)森林资源概况Tab.1 Overviewofforestryresourcesincities(states)ofHunanProvince资源市(州)长沙市株洲市湘潭市衡阳市邵阳市岳阳市常德市张家界市益阳市郴州市永州市怀化市娄底市湘西自治州林地面积/×104hm260.3972.9022.1677.72132.1861.9883.0870.5364.27138.60155.20203.2741.20116.10森林覆盖率/%55.0062.1146.5847.3260.9545.3148.0070.9953.8567.9465.5071.0050.8470.24

2 研究方法

根据国内现有研究成果并结合湖南省实际情况，将林木生物质能资源潜力分为三个层次，分别是总储量、可收集量和可利用量，并以市(州)为单位进行研究，分析湖南省不同市(州)林木生物质能资源的潜力状况。

2.1 数据来源

数据来源于《湖南省二〇一九年度森林资源统计年报》、《湖南省统计年鉴2020》、《湖南省农村统计年鉴2020》，林木生物量与蓄积量之间的函数关系、各类型生物质能资源可收集系数和可利用系数均来源于文献资料[11-15]。

2.2 林木生物质能资源总储量估算

结合文献资料和湖南省实际情况，将林木生物质能资源总储量分为四个部分，分别是主要林分生物质能资源储量、木本油料生物质能资源储量、竹林生物质能资源储量和灌木生物质能资源储量。

主要林分生物质能资源储量：

根据各类林木生物量与蓄积量之间的函数关系，估算主要林分生物质能资源生物量(储量)，关系式如下，相关系数如表2所示[11]。

(1)

(2)

表2 主要林分生物量参数Tab.2 Biomassparametersofmainstands系数林分杉木马尾松阔叶林柏木国外松杨树桉树三杉a0.39990.52000.62550.61290.51680.47540.78930.4158b22.5410091.001326.145133.237830.60346.930641.3318

木本油料生物质能资源储量：

湖南省木本油料主要有油茶、油桐、山核桃、杜仲、黄栀子等，由于数据可获得性，选择《湖南省统计年鉴2020》中油茶和油桐产量作为其生物质能资源储量。

A油料=A油茶+A油桐；

(3)

竹林生物质能资源储量：

A竹林=株数×单株产量。

(4)

式中：单株产量(22.5 kg·株-1)依据徐剑琦等[12]研究成果。

灌木生物质能资源储量：

(5)

2.3 林木生物质能资源可收集量估算

根据已有的研究成果结合湖南省实际情况，将林木生物质资源可收集量分为五个部分，分别是薪炭林、林业产业和更新剩余物(包括：采伐剩余物、木材加工剩余物、抚育间伐剩余物)、木本油料、竹材加工剩余物和灌木林，各个组成部分的计算方法如下：

(6)

A采伐=V采伐蓄积量×r1×40%；

(7)

A加工=V原木蓄积量×r2×34.4%；

(8)

A间伐=V间伐蓄积量×r3；

(9)

(10)

A木本油料=A木本油料储量×100%；

(11)

(12)

2.4 林木生物质能资源可利用量估算

林木生物质能资源可利用量的估算在可收集量的基础上进行，根据相关文献总结了可利用系数[11、13-15](表3)。

A可利用=∑(Ai×k)。

(13)

表3 5种林木生物质能资源可利用系数Tab.3 Thefivekindsofforestrybiomassenergyresourcesutilizationcoefficient系数组分薪炭林林业产业和更新剩余物采伐剩余物木材加工剩余物抚育间伐量木本油料竹林采伐剩余物灌木林可利用系数k/%100303030254740

2.5 数据处理

使用Excel 2019对原始数据进行统计汇总，使用Origin 2019进行图像绘制。

3 结果与分析

3.1 湖南省林木生物质能资源总储量

依据《湖南省二〇一九年度森林资源统计年报》和《湖南省统计年鉴2020》获取湖南省各市(州)林木资源状况(表4)，使用公式(1)～(5)计算主要林分生物质能资源储量、木本油料生物质能资源储量、竹林生物质能资源储量、灌木生物质能资源储量以及总储量(表5)。

通过计算分析，2019年湖南省林木生物质能资源总储量为76 253.70×104t，其中，主要林分生物质能资源储量为66 541.56×104t(87.26%)，木本油料生物质能资源储量为112.70×104t(0.15%)，竹林生物质能资源储量为7 503.88×104t(9.84%)，灌木生物质资源储量为2 095.55×104t(2.75%)。按区域分，林木生物质能资源总储量依次为怀化市(12 629.88×104t)>永州市(8 641.79×104t)>郴州市(8 444.33×104t)>邵阳市(8 260.48×104t)>湘西自治州(5 899.69×104t)>常德市(5 445.17×104t)>张家界市(4 767.66×104t)>益阳市(4 405.06×104t)>株洲市(4 130.56×104t)>长沙市(3 779.63×104t)>岳阳市(3 316.94×104t)>衡阳市(3 209.24×104t)>娄底市(1 966.18×104t)>湘潭市(1 357.09×104t)；在主要林分生物质能资源储量上，怀化市储量最高为11 756.65×104t，湘潭市储量最低为1 173.15×104t；在木本油料生物质能资源储量上，衡阳市储量最高为23.06×104t，张家界市最低为0.87×104t；在竹林生物质能资源储量上，邵阳市最高为1 227.60×104t，湘西自治州储量最低为36.03×104t；在灌木生物质能资源储量上，湘西自治州储量最高为353.25×104t，湘潭市储量最低为23.95×104t。

表4 湖南省各市(州)林木资源概况(1)Tab.4 City(state)forestryresourcesinHunanProvince(1)林木资源市(州)长沙市株洲市湘潭市衡阳市邵阳市岳阳市常德市杉木蓄积量/m3911548413740886196316865270873220465369209338410652面积/hm214792319866233554104171347348154377111967马尾松蓄积量/m385686323330814405170852496982666669862271238213005面积/hm2126174580785780981842273346104844119800国外松蓄积量/m31756959792387949192299178525920262431120520690面积/hm22799925821165596817954509481546489柏木蓄积量/m32395884155936162217540725438251面积/hm2518344293132173123238阔叶树蓄积量/m3897710781000782797383364697914033153557536416740463面积/hm216714818015158105100391219825115043273429杨树蓄积量/m33750770481560306636681411416032749750面积/hm23691792931511381369736023桉树蓄积量/m339401328313258661010179210362393面积/hm26053523169913214861三杉蓄积量/m3806123090682150036245442552面积/hm216341015126440442木本油料油茶/t63710146814119162279451359052809046588油桐/t211561026053719620250竹林/万株1469923925705726853545602328219568灌木林/hm2147526531112123136559720012944675585

表5 湖南省各市(州)4种类型林木生物质能资源储量Tab.5 Biomassenergyresourcesreservesoffourtypesoftreesincities(states)ofhunanProvince×104t市(州)主要林分木本油料竹林灌木合计长沙市3413.376.37330.7429.153779.63株洲市3448.3914.80538.32129.054130.56湘潭市1173.151.19158.7923.951357.09衡阳市2312.1323.06604.21269.843209.24邵阳市6876.9813.631227.60142.278260.48岳阳市2731.153.77523.8358.183316.94常德市4850.854.68440.28149.365445.17张家界市4547.590.8752.65166.554767.66益阳市3276.562.411081.1744.924405.06郴州市7490.6514.06785.56154.068444.33永州市7609.7216.18674.23341.678641.79怀化市11756.656.71700.89165.6312629.88娄底市1546.512.42349.5867.661966.18湘西自治州5507.852.5636.03353.255899.69合计66541.56112.707503.882095.5576253.70

3.2 湖南省林木生物质能资源可收集量

依据《湖南省二〇一九年度森林资源统计年报》和《湖南省统计年鉴2020》获取湖南省各市(州)林木资源状况(表6)，依据公式(6)～(12)，计算薪炭林生物质资源可收集量、林业产业和更新剩余物可收集量、竹林采伐剩余物可收集量以及木本油料和灌木可收集量(表7)。

表6 湖南省各市(州)林木资源概况(2)Tab.6 Forestryresourcessituationofcity(state)inHunanProvince(2)资源市(州)长沙市株洲市湘潭市衡阳市邵阳市岳阳市常德市薪炭林/hm2合计:184000采伐蓄积量/m3462606.0071149222159.00112171.00591306.00505492.00524728.00原木产量/×104m317.0214.182.969.6938.1048.7040.51间伐蓄积量/m33528.0058532.001936.0013178.008694.0016170.0013514.00木本油料/t63712.00147970.0011926.00230550.00136276.0037710.0046838.00采伐竹材/万根2657.801601.20810.021350.181870.861173.551061.91灌木/hm214752.1065311.0012122.90136558.6072000.6029445.8075585.30资源市(州)张家界市益阳市郴州市永州市怀化市娄底市湘西自治州采伐蓄积量/m3141107.00406099.00476790.00436985.00669137.0041582.00276513.00原木产量/×104m34.3544.8029.4433.1242.473.013.07间伐蓄积量/m321819.006411.0052120.0070293.0023713.002418.002665.00木本油料/t8723.0024087.00140566.00161789.0067098.0024230.0025561.00采伐竹材/万根156.303177.421424.481072.4071288.4671420.3553.60灌木/hm284284.9022730.4077967.50172909.2083820.8034243.40178770.20

表7 湖南省各市(州)不同类型林木生物质能资源可收集量Tab.7 Collectableamountofbiomassenergyresourcesofdifferenttypesoftreesincities(states)ofHunanProvince×104t市(州)采伐剩余物加工剩余物间伐剩余物竹材木本油料灌木合计长沙市21.655.270.324.576.3729.1567.33株洲市33.304.395.272.7514.80129.05189.56湘潭市1.040.920.171.391.1923.9528.67衡阳市5.253.001.192.3223.06269.84304.65邵阳市27.6711.800.783.2213.63142.27199.37岳阳市23.6615.081.462.023.7758.18104.16常德市24.5612.541.221.834.68149.36194.18张家界市6.601.351.960.270.87166.55177.60益阳市19.0113.870.585.472.4144.9286.24郴州市22.319.114.692.4514.06154.06206.69永州市20.4510.256.331.8416.18341.67396.72怀化市31.3213.152.132.226.71165.63221.15娄底市1.950.930.222.442.4267.6675.63湘西自治州12.940.950.240.092.56353.25370.03合计251.70102.6126.5532.88112.702095.662622.00注:表中不含薪炭林可收集量,全省薪炭林可收集量为414.00×104t。下同。

通过计算分析，2019年湖南省林木生物质能资源可收集量为3 036.00×104t，其中，薪炭林生物质能资源可收集量为414.00×104t(13.64%)，采伐剩余物生物质能资源可收集量为251.70×104t(8.29%)，林木加工剩余物生物质能资源可收集量为102.61×104t(3.38%)，抚育间伐剩余物生物质能资源可收集量为26.55×104t(0.87%)，竹材加工剩余物生物质能资源可收集量为32.88×104t(1.08%)，木本油料生物质能资源可收集量为112.70×104t(3.71%)，灌木生物质能资源可收集量为2 095.55×104t(69.02%)。按区域分，林木生物质能资源可收集量(不含薪炭林)依次为永州市(396.72×104t)>湘西自治州(370.03×104t)>衡阳市(304.65×104t)>怀化市(221.15×104t)>郴州市(206.69×104t)>邵阳市(199.37×104t)>常德市(194.18×104t)>株洲市(189.56×104t)>张家界市(117.60×104t)>岳阳市(104.16×104t)>益阳市(86.24×104t)>娄底市(75.63×104t)>长沙市(67.33×104t)>湘潭市(28.67×104t)；在采伐剩余物可收集量上，株洲市最高为33.30×104t，在加工剩余物可收集量上，岳阳市最高为15.08×104t，在抚育间伐可收集量上，永州市最高为6.33×104t，在竹材加工剩余物可收集量上，益阳市最高为5.47×104t，在木本油料可收集量上，衡阳市最高为23.06×104t，在灌木生物质能资源可收集量上，湘西最高为353.25×104t。

3.3 湖南省林木生物质能资源可利用量

湖南省林木生物质能资源可利用量是在其可收集量的基础上计算得到(表8)。2019年湖南省林木生物质能资源可利用总量为1 410.11×104t，其中薪炭林生物质能可利用量为414.00×104t(29.36%)，采伐剩余物可利用量为75.51×104t(5.35%)，加工剩余物可利用量为30.78×104t(2.18%)，抚育间伐可利用量为7.97×104t(0.56%)，竹材采伐剩余物可利用量为15.45×104t(1.10%)，木本油料可利用量为28.18×104t(2.00%)，灌木可利用量为838.22×104t(59.44%)。按区域分，林木生物质能资源可利用量(不含薪炭林)依次为永州市(152.69×104t)>湘西自治州(146.22×104t)>衡阳市(117.62×104t)>怀化市(82.95×104t)>郴州市(77.13×104t)>邵阳市(73.90×104t)>常德市(73.27×104t)>张家界市(69.94×104t)>株洲市(69.50×104t)>岳阳市(37.22×104t)>益阳市(31.17×104t)>娄底市(29.75×104t)>长沙市(23.57×104t)>湘潭市(11.17×104t)；在采伐剩余物、加工剩余物、竹材、木本油料、灌木可收集量上，最高值依次为株洲市(9.99×104t)、岳阳市(4.52×104t)、永州市(1.90×104t)、益阳市(2.57×104t)、衡阳市(5.76×104t)和湘西自治州(141.30×104t)。

表8 湖南省各市(州)不同类型林木生物质能资源可利用量Tab.8 Availabilityofbiomassenergyresourcesofdifferenttypesoftreesincities(states)ofHunanProvince×104t市(州)采伐剩余物加工剩余物间伐剩余物竹材木本油料灌木合计长沙市6.491.580.102.151.5911.6623.57株洲市9.991.321.581.293.7051.6269.50湘潭市0.310.270.050.650.309.5811.17衡阳市1.570.900.361.095.76107.94117.62邵阳市8.303.540.231.513.4156.9173.90岳阳市7.104.520.440.950.9423.2737.22常德市7.373.760.360.861.1759.7473.27张家界市1.980.400.590.130.2266.6269.94益阳市5.704.160.172.570.6017.9731.17郴州市6.692.731.411.153.5161.6377.13永州市6.143.081.900.874.04136.67152.69怀化市9.393.940.641.041.6866.2582.95娄底市0.580.280.071.150.6127.0729.75湘西自治州3.880.290.070.040.64141.30146.22合计75.7130.787.9615.4528.18838.22996.11

4 结论与讨论

本研究将林木生物质能资源潜力划分为三个层次，一是林木生物质能资源储量，二是林木生物质能资源可收集量，三是林木生物质能资源可利用量，根据相关文献和湖南省情设计了估算体系和方法，结论如下。

(1)2019年湖南省林木生物质能资源总储量为76 253.70×104t，其中主要林分生物质能资源储量占比最高，达到87.26%；林木生物质能资源总储量在区域之间存在较大的差异，其中怀化市、永州市、郴州市和邵阳市四个地区林木生物质能资源储量较高，均超过8 000×104t，而湘潭市、娄底市的林木生物质能资源储量则较低。

(2)2019年湖南省林木生物质能资源可收集量为3 036.00×104t，其中灌木生物质能资源可收集量占比最高为69.02%，其次为薪炭林可收集量(13.64%)；林木生物质能资源可收集量在区域之间存在较大的差异，其中永州市、湘西自治州和衡阳市其林木资源可收集量较高，超过300×104t，而湘潭市、长沙市、娄底市和益阳市四个地区其林木资源可收集量较低，不足100×104t。

(3)2019年湖南省林木生物质能资源可利用量为1 410.11×104t，其中灌木生物质能资源可利用量占比最高为59.44%，其次为薪炭林可利用量(29.36%)；林木生物质能资源可利用量在区域之间同样存在较大的差异，其中永州市、湘西自治州和衡阳市三个地区其林木资源可利用量较高，超过100×104t，而湘潭市、长沙市和娄底市其林木资源可利用量较低，不足30×104t。

在林木生物质能资源可收集和可利用量上，估算方法和折算系数的不同可能导致计算结果存在较大的差异。本研究中，薪炭林、灌木林的可收集量和可利用量在估算时以对应的林地面积为基础，所以计算结果为理论最大值，而采伐、加工、抚育间伐剩余物以及木本油料、竹材的可收集量和可利用量在估算时均以实际的消耗量为基础，其计算结果比较贴近实际情况。