福建省木材消耗结构稳态特征

林 森, 林宇洪, 林燕青, 吴 超, 洪 伟

(1.福建农林大学交通与土木工程学院；2.福建农林大学林学院；3.福建农林大学计算机与信息学院，福建 福州 350002)

福建省木材消耗结构稳态特征

林 森1, 林宇洪1, 林燕青2, 吴 超3, 洪 伟2

(1.福建农林大学交通与土木工程学院；2.福建农林大学林学院；3.福建农林大学计算机与信息学院，福建 福州 350002)

分析福建省木材市场对林木资源的需求和森林资源生产情况，通过将木材消耗结构进行分类，应用马尔科夫链模型揭示了木材消耗稳态结构分布并预测了福建省2015—2020年的消耗结构比重.结果表明，福建省木材消耗结构基本分为原木、薪材、卫生筷子、人造板、木地板、二次加工板、造纸、农民自用材，其稳定状态分别为13.66%，0.96%，36.77%，8.28%，17.99%，1.86%，13.52%，6.92%.

马尔科夫链; 木材消耗结构; 福建省; 稳态

福建省多山靠海，地处于北回归线附近，属于亚热带、半亚热带地带，气候条件优越[1].全省年气温平均17～21 ℃；年平均降水量1 400～2 000 mm.在我国四大林区中福建省的森林面积为801.27×104hm2，森林覆盖率达到65.95%，居全国首位，素有南方“绿色宝库”之称[2].木材是可再生并且循环利用的材料之一，具有自然的美观性、化学性质稳定不易变形、适当的强度和良好的弹性及韧性等众多优势，尤其是在建筑装饰等方面受到市场消费者的青睐，支撑着生态产业和林业产业.

福建省拥有全国五分之一的竹林面积，位居全国首位，主要集中在闽北三个地区，其中毛竹面积100.3×104hm2.福建省人造板、制浆造纸、林产化工产业、商品木竹产量和松香等主要林产产业快速发展，其中人造板、纸浆等林业产品产量位居全国前列[3].现有森林主要以人工林和天然次生林为主，全省活立木蓄积量位居全国第七位，有4.967亿m3，其中人工林林分蓄积量为全国首位，有1.804亿m3[2].木材采伐时节主要集中在冬春季节，战略储备基地主要处在闽北与闽西地区的南平、三明、龙岩三个市.因此林业产业中存在两个不可避免的矛盾：生产的地域性和季节性与需求的分散性、必需性之间的矛盾，木材的供应时间与需求时间上的矛盾[4].木材生产存在地域性，林产品也就存在地域差异和调货不及时、物流成本增长的问题，导致木材资源供需缺口不断扩大，对原木进口的依赖逐年增加.据有关统计，2015年1-9月福建省原木进口量达到398.7×104m3，全国排名第三，同时过高的进口依赖度，也将对福建省的下游林产工业带来了较大的安全风险，一定程度上制约木材加工业的发展.

目前用于能源消费结构预测的模型主要有:Logistic模型、灰色GM(1,1)模型，马尔可夫模型、ARIMA模型等[5].牛东晓等[6]将马尔可夫预测模型应用到能源结构预测中，提出一种计算转移矩阵的方法，并以某地区的能源消费结构统计数据为例，验证了该模型的可行性.王建伟等[7]基于马尔科夫链预测模型对交通运输业能源消耗结构进行了预测.孙天晴等[8]在马尔科夫转移矩阵理论的基础上，建立带有约束条件的能源供应结构预测模型，对上海市的能源供应结构进行核算.目前，少有将马尔科夫链预测模型应用到木材消耗结构方面的研究[9,10].

1 研究方法

1.1 数据收集

本研究的对象是福建省森林资源中的林木资源，即纯木质类林产品，收集了《中国经济与社会发展统计数据库》和2002—2015年出版的《中国林业统计年鉴》、《福建统计年鉴》等统计年鉴，内容均为上一年的统计资料，故本文实际收集2001—2014年的木材消耗数据中各地区主要木材产品产量表和各地区主要森林工业产品产量表.

1.2 木材消耗结构基础数据构建

我国森林资源消耗是多方面的，情况比较复杂.根据木材消耗结构研究对象的定义，木材消耗结构中纯木质类产品可以进一步细分为：原木(y1)、薪材(y2)、卫生筷子(y3)、人造板(y4)、木地板(y5)、二次加工木材(y6)、造纸(y7)、农民自用材(y8)总共八类[9].

利用福建省在2001—2014年间近14年的各类木材消耗结构数据，分析区域中各类木材资源的消耗结构比重，探求其消耗的不合理性，从而提出调整木材资源的消耗结构策略.通过各类木材消耗所占比重，运用马尔科夫链方法计算出各类木材消耗趋于稳定状态时的分配比例结构，从而调整林业产业结构，最终达到提升林业企业利润的目的.

1.3 木材消耗结构比重分析

研究木材消耗结构中纯木质类产品在时间序列中的比重.首先，分析需要统计市场中消耗林木资源的各个产业数据.然后将各个产业的最终产品转化成标准的木材消耗，根据各类林产品所需要消耗木材的量进行折合：1×104m3的纸浆需要消耗3.50×104m3木材；1×104m3纸及纸制品需要消耗大约3.50×104m3木材；1×104m3的人造板(包括胶合板、纤维板和刨花板)需要消耗木材1.11万m3；1×104m3木地板同样也是需要消耗1.11×104m3；根据海关制定卫生筷子出口标准显示，每个标准箱有3 500双卫生筷子，折合消耗原木1 m3，可计算出每箱卫生筷子耗材大约为0.07 m3·箱-1[9,11,12]，下式为研究木材消耗结构比重：

(1)

其中：Mi为林业系统中i产业消耗木材量占总消耗量的比重；ai为i产业消耗木材量.

1.4 马尔科夫链模型

(2)

1.5 确定转移概率矩阵

计算步骤如下[15]：

Step 1：计算保留概率

当木材消耗结构从t时刻转移到t+1时刻时，如果某消耗类型不变或增加，则这种资源在转移矩阵中的保留概率为1；反之，则为t+1时刻的消耗量/n时刻的消耗量.

Step 2：保留概率为1时，所在行的转移概率

当某种资源的保留概率为1时，则说明该行所代表的资源消耗份额不变或增加，因此不可能向其他类型转移，且转移矩阵的每行元素之和为1，则该行的其他转移概率均为0.

Step 3：保留概率小于1，所在列的转移概率

当某种资源的保留概率小于1时，则说明该行所代表的资源消耗份额减少，因此不可能吸收其他类型，则该列的其他吸收概率均为0.

Step 4：保留概率小于1，所在行的转移概率

(3)

Step 5：设初始时刻到t时刻，消耗结构在每步的转移矩阵分别为P(1),P(2),P(3),…,P(t)，则平均转移概率矩阵为：

P=[P(1)×P(2)×P(3)×…×P(t)]1/t

(4)

Step 6：根据t时刻的消耗结构以及平均概率转移矩阵，就可以预测出t+k时刻的木材资源消耗结构：

Y=(t+k)=Y(t)×Pk

(5)

其中，P(i,j)为转移矩阵的元素，y(n)为两个时刻消耗量的差值矩阵.

1.6 采用最小二乘法估算稳态

马尔科夫预测模型在第i状态时的扩展式可以记成：

通过以上描述马尔科夫预测模型可简记为：Yj=XjPj+ej,这里要使得ej最小，将其变形然后用矩阵进行求导得：

(6)

即将求解Pij的问题转化为求解Q的最小值，利用矩阵对Pi求导，则有：

(7)

令导数为零，即可得到：

(8)

2 结果与分析

2.1 福建省木材消耗的情况

福建省八类木材消耗因子分别为：原木(y1)、薪材(y2)、卫生筷子(y3)、人造板(y4)、木地板(y5)、二次加工木材(y6)、造纸(y7)、农民自用材(y8)，表1为福建省2001—2014年各消耗因子的数据.

表1 2001—2014年福建省八类木材消耗量统计1)Table 1 Statistics on consumptions of 8 kinds of timber in Fujian Province from 2001 to 2014 ×104 m3

1)*表示异常数据.数据来源：《中国林业统计年鉴》、《中国经济与社会发展统计数据库》、《福建统计年鉴》.

由表1可知，2001—2008年期间原木(y1)和薪材(y2)消耗出现逐年递增的态势，卫生筷子(y3)则是逐年递减，然而2008年受到金融危机的影响，其他加工类木材[人造板(y4)、木地板(y5)、造纸(y7)]均受到剧烈影响，而卫生筷子(y3)则由于门槛较低出现剧烈反弹；2008年之后原木(y1)相对稳定在800万m3，同时2013年薪材(y2)消耗量已从顶峰的101万m3(2008年)逐渐回落到2002年消耗水平，14年来农民自用材(y8)消耗量则相对平稳.这说明福建省在2008年之前薪材是农民生活必需品，同时林业滥砍滥伐、盗伐现象严重，缺乏有力的监管机制；而2008年后，随着经济的高速发展，人民生活水平逐步提高，老百姓对薪材消耗量年均下降20%.

2.2 福建省木材消耗结构的比重分析

根据公式(1)将最终木质类林产品(表1)转化成标准木材量消耗后，可计算出木材消耗结构比重(表2)，将2001—2014年期间作为马尔科夫预测的基础数据.

表2 2001—2014年福建省木材消耗结构比重Table 2 Timber consumption structure of Fujian Province from 2001 to 2014 %

2.3 木材消耗结构转移概率矩阵确定

本文利用Matlab R2016a软件根据每步的转移概率矩阵和公式(4)计算平均转移概率矩阵为：

(1)从平均转移矩阵的第一行可以看出，薪材(y2)、卫生筷子(y3)、人造板(y4)、木地板(y5)、二次加工木材(y6)、造纸(y7)、农民自用材(y8)代替原木(y1)的概率分别为0.01%、2.48%、0.49%、3.10%、0.37%、2.16%、2.09%.可见在降低原木(y1)消耗量中，卫生筷子和造纸的贡献相对较大，这是由于福建省造纸及纸制品行业加快产业结构调整转型升级步伐，依靠科技创新，培养新的市场增长点，提高产品质量，减少资源消耗、能源消耗和污染物排放，产量在全国排名位居前第六位.同时，由于卫生筷子门槛较低，一直占据木材消耗结构中较为重要的部分，但是近年来随着环保意识的提高，卫生筷子已经逐年降低比例.

(2)从平均转移矩阵的第二行、第三行、第六行可以看出，其他消耗资源向木地板和造纸转移的概率相对比较大，这是因为与其他消耗类型相比，福建省木地板和造纸的产业发展较好，因此其吸收其他消耗资源的可能性就比较大.

(3)从主对角线上较高的保留概率可以看出，在2001—2014年，每年木材消耗结构保留上年份额的概率分别为89.29%、85.34%、76.44%、90.18%、85.17%、56.85%、100%和94.19%.造纸的保留概率最高，说明福建省未来将长期处于以造纸为主，人造板、木地板的加工业为辅的木材消耗结构.二次加工木材保留概率最低(56.85%)，说明福建省对于木材资源的回收利用率还不高，但是随着木材资源的逆向物流和回收物流的发展，相信二次加工木材的消耗比重会上升.

本文以2013年的木材消耗结构数据为基础，利用上述的平均转移矩阵P和公式(5)预测2014—2020年的木材消耗结构(表3)，2014年的预测值和真实值基本一致，误差在有效范围内，说明该模型具有较好的适用性.因此，2015—2020年的木材消耗结构预测值，将对未来福建省合理规划和分配木材资源具有一定的指导意义.

表3 2014—2020年福建省木材消耗结构预测值Table 3 Predictive values for timber consumption structure of Fujian Province from 2014 to 2020 %

2.4 最小二乘法的木材消耗稳态结构

根据Matlab R2016a软件，将表2中数据带入公式(8)，即可求解出状态转移概率矩阵P以及同时得到八类木材消耗结构的回归方程，如下：

在显著性水平a=0.05下运用SPSS统计软件进行F检验，在这里k=8，n-k-1=2.故自由度(8，2)，查询F检验临界值表可得F0.05(8，2)=19.371.

从临界值可得出八个回归方程在显著性水平a=0.05下均是显著的.得到稳态状态矩阵后，可以根据公式(2)可得到福建省木材消耗结构在马尔科夫预测模型下的稳态概率，设

(6)

通过Matlab求解得福建省木材消耗结构达到稳定状态时的比重分布：λ1=[0.136 6 0.009 6 0.367 7 0.082 8 0.179 9 0.018 6 0.135 2 0.069 2]T，根据计算结果则可知福建省木材消耗结构的八类因子在达到稳态时分别所占比重为：原木(y1)占13.66%、薪材(y2)占0.96%、卫生筷子(y3)占36.77%、人造板(y4)占8.28%、木地板(y5)占17.99%、二次加工木材(y6)占1.86%、造纸(y7)占13.52%、农民自用材(y8)占6.92%.

因此，当木材消耗结构达到稳态时，第一产业(原木、农民自用材与薪材)比例为21.54%，第二产业(人造板、造纸、木地板)比例为39.79%，而在2013年时第一产业和第二产业分别为58.36%和25.53%，这表明目前福建省林业政策为：第一产业大力实施木材战略储备等基地建设工程，培育大径材、珍贵用材和储备用材，实现福建省木材供给基地化；第二产业大力发展林产品精深加工，延长其产业链，提高产品附加值，实现林产品经济价值的二次升值，有效降低农民自用材和薪材这类能源性消耗的比重，起到保护生态环境的作用.同时，森林生态旅游业的高速发展，使得林农做到保护生态景观和增加经济收入两不误，这样才能让福建省林业进入可持续发展的轨道，从而降低第一产业消耗，提高第二产业科技附加值，依赖第三产业为林业产业发展拓展新的空间.

3 结论与展望

3.1 调整木材消耗结构与发展林业产业经济的关系

目前为了满足福建省内对木材资源持续增长的需求，有效解决供需矛盾.调整木材消耗结构时可以根据市场需求和生态需求来安排资源培育，同时合理分配区域内产出的木材资源，优化林业产业结构，更需要针对林业生产周期长的特点进行未雨绸缪的规划.

2015—2020年期间的预测结果表明：原木、卫生筷子、木地板的消耗比重将逐步下降；造纸、农民自用材的比重将逐年上升；薪材、人造板、二次加工材的比重则基本维持不变.其中又以造纸、木地板和农民自用材的比重最大，卫生筷子次之.因此，福建省卫生筷子的消耗量是优化木材消耗结构的突破口，对此可提高相关企业的准入门槛，实现绿色证书制度并适当引导相关企业转型，使企业在转型后获得更高的经济效益.福建省造纸行业发展较好，应当坚持依靠科技创新，培养新的市场增长点，提高产品的科技附加值，减少资源消耗和污染排放，力争成为福建省木材消耗结构中的支柱行业.木地板的消耗量次之，随着人们生活水平提高，家庭装修水平也不断提高，同时木地板利润水平也较高.未来木地板的消耗量应该有所上升，这也有利于碳的保存，因此在林木资源培育中应当考虑林业企业的经营目标，针对木地板的原料林进行规划和培育，以满足未来市场需求同时又增加林业企业的经济效益.

同时，在农民持续增收上下功夫，充分利用我省丰富的林地资源和景观资源，大力发展花卉苗木、森林旅游、林下种养殖等林下经济，“以短养长、立体经营”，实现“不砍树，也致富”，有效增加农民涉林收入.木材消耗结构与林业产业结构之间是息息相关的，要想实现木材消耗结构合理化发展的目标，就需要优化林业产业结构，提升林业产业经济效益，这样才能实现林业发展的自给自足，而不是全盘依靠国家财政支持，所以林业企业的经济效益是影响木材消耗结构走向合理的最重要、最基本的因素[9].

3.2 展望

由于区域内土壤、气候各不相同，林地面积有限，优势树种较为单一，难以满足林业企业对木材资源的多元需求，所以林业企业建厂和原材料基地时应当充分考虑原材料的优势产区与周围区域内的森林资源.而福建省木材的地域分布主要集中在南平、龙岩和闽北地区，应通过掌握木材不同季节和地域的产量与市场实际需求量和需求地点的不同情况来优化木材配送网络，完善林产品的资源回收利用体系，构建林木资源的逆向物流网络，利用3S技术、智慧地图等技术，结合互联网战略和物联网传感网络，形成覆盖森林资源的实时监测网络，构建以福建省森林资源为核心的公共信息平台，将森林资源数字化、信息化，实现森林环境资源动态监测、实时共享，定期发布区域木材消耗结构，对企业生产、木材物流配送、森林资源培育等林业生产的关键环节起到预警作用，最终达到合理分配福建省区域内木材资源的目的.

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(责任编辑:吴显达)

Steady-state characteristics of timber consumption in Fujian Province

LIN Sen1, LIN Yuhong1, LIN Yanqing2, WU Chao3, HONG Wei2

(1.Transportation College，Fujian Agriculture and Forestry University; 2.Forestry College，Fujian Agriculture and Forestry University; 3.College of Computer and Information Sciences, Fujian Agriculture and Forestry University，Fuzhou, Fujian 350002, China)

To rationalize timber industry for higher usage efficiency of forest resources, analyses on timber market and forestry production in Fujian Province were firstly summarized. Based on categorized timber consumption structure, steady-state characteristics of timber consumption and predictions on proportions of consumption structure from 2015 to 2020 were made by Markov chain model. Results implied that regional timber consumption structure of Fujian Province was divided into log, fuelwood, hygienic chopsticks, wood-based panel, wood floors, secondary processing board, papermaking, self occupied timber, with proportions of steady state being 13.66%, 0.96%, 36.77%, 8.28%, 17.99%, 1.86%, 13.52%, 6.92%, respectively.

Markov chain model; timber consumption structure; Fujian Province; steady state

2016-04-01

2016-06-22

林业厅科技项目(ky11090).

林森(1986-)，男，助教，博士研究生.研究方向：森林经理、木材物流.Email：linsen1833@163.com.通讯作者洪伟(1947-)，男，教授，博士生导师，研究方向：数理统计与系统工程．Email： fjhongwei@126.com

F224.0; F253.4

A

1671-5470(2017)01-0058-08

10.13323/j.cnki.j.fafu(nat.sci.).2017.01.010