人工林采伐系統(tǒng)的生物質(zhì)流分析

余愛華，趙 塵，張正雄

(1.南京林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，南京210037;2.福建農(nóng)林大學(xué)交通學(xué)院，福州350002)

物質(zhì)流分析 (Material flow analysis，MFA)是對特定的物質(zhì)如碳、鋁等在特定的區(qū)域如一個生產(chǎn)流程、一個企業(yè)、一個地區(qū)范圍內(nèi)等進(jìn)行工業(yè)代謝的研究［1］，其目的是從中找出節(jié)省天然資源、改善環(huán)境的方法和途徑，以促進(jìn)工業(yè)系統(tǒng)向可持續(xù)發(fā)展方向邁進(jìn)［2］。森林采伐是從伐區(qū)中獲取木材的生產(chǎn)作業(yè)，以立木為作業(yè)對象，原木是其主要產(chǎn)品，主要工序類型以樹干、樹枝的截?cái)嗪桶徇\(yùn)為主，屬于典型的流程工業(yè)系統(tǒng)。木材生產(chǎn)過程中原料的流動，形成了生物質(zhì)流，生物質(zhì)流是木材生產(chǎn)的主體，促進(jìn)能量流流動和物質(zhì)流的轉(zhuǎn)化［3］。物質(zhì)流分析是工業(yè)生態(tài)學(xué)研究中的主要方法。生物質(zhì)流模式是揭示采伐系統(tǒng)、建立生態(tài)采伐理論和技術(shù)方法的關(guān)鍵之一，對促進(jìn)木材生產(chǎn)的節(jié)能和減排具有重要意義［4－6］。本文研究人工林采伐作業(yè)系統(tǒng)中生物質(zhì)流的分析方法，建立生物質(zhì)流的定性模型，并以南方速生人工林 (杉木林、馬尾松林和桉樹林)為例，定量分析采伐系統(tǒng)生物質(zhì)流跟蹤模型，為人工林的可持續(xù)經(jīng)營提供物質(zhì)分析基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于福建閩西北林區(qū)的永安市燕江林業(yè)采育場、福莊林業(yè)采育場和大坑林業(yè)采育場。

永安市燕江林業(yè)采育場10林班8大班8小班，立地類型Ⅱ，地形中山，坡向正東，坡度18°，坡位中，海拔高度210～310 m，造林前采伐跡地土壤為紅壤，土層厚度中厚，干濕度中，緊實(shí)度中，灌木層類型矮灌，灌木層高度2.5～3.5 m，灌木層蓋度30%，草本層類型五節(jié)芒類，草本層高度1.5～2.5 m，草本層蓋度0.5～0.8，優(yōu)勢樹種桉樹，樹種組成10桉，郁閉度0.6，樹齡10 a，平均胸徑16 cm，平均樹高18.2 m，面積8.8 hm2，立木密度810株/hm2，公頃蓄積量101.5 m3/hm2。

永安市福莊林業(yè)采育場80林班2大班1小班，立地類型Ⅲ，地形中山，坡向東南，坡度30°，坡位中，海拔高度515～643 m，土壤為紅壤，土層厚度為中等，干濕度及堅(jiān)實(shí)為中等，灌木層類型為矮灌，高度1.3～2.0 m，灌木層蓋度40%，草本層為芒萁類，高度為0.5～0.6 m，蓋度為0.4～0.6;優(yōu)勢樹種馬尾松，樹種組成5馬4杉1闊，郁閉度0.8，樹齡19 a，平均胸徑15 cm，平均樹高12.8 m，面積6.933 hm2，立木密度2 100株/hm2，公頃蓄積量169.05m3/hm2。

永安市大坑林業(yè)采育場5林班3大班8小班，立地類型Ⅱ，地形中山高丘，坡向西南，坡度34°，坡位中，海拔高度420～570 m，造林前采伐跡地土壤為紅壤，土層厚度中，干濕度中偏干，緊實(shí)度中，灌木層類型矮灌，灌木層高度1.5～2.5 m，灌木層蓋度20%，草本層類型蕨類，草本層高度0.3～0.5 m，草本層蓋度0.3，優(yōu)勢樹種杉木，樹種組成7杉3闊，郁閉度0.8，樹齡18 a，平均胸徑13 cm，平均樹高10.1 m，面積10.867 hm2，立木密度2 145株/hm2，公頃蓄積量168.6m3/hm2。

1.2 試驗(yàn)方法

對桉樹林 (Eucalyptus，10桉)、杉木林(Cunninghamia lanceolata，7杉3闊)、馬尾松林(Pinus massoniana，5馬4杉1闊)3種人工林進(jìn)行生物質(zhì)流的現(xiàn)場采伐集材生產(chǎn)試驗(yàn)。三種林分的采集生產(chǎn)作業(yè)方式為:準(zhǔn)備作業(yè)、伐木、打枝造材、人力集材。

在選定的試驗(yàn)樣地中，根據(jù)伐區(qū)調(diào)查和設(shè)計(jì)信息，確定優(yōu)勢樹種，選擇有代表性的標(biāo)準(zhǔn)木。對標(biāo)準(zhǔn)木先進(jìn)行手工挖樹根，再用手動葫蘆拔樹。對伐倒木按2 m或4 m的規(guī)格進(jìn)行打枝造材，樹葉、樹枝、樹干、樹根各部分的質(zhì)量用普通桿秤分別稱出。對中間一段具有代表性的樹干進(jìn)行剝皮，并稱出樹皮的質(zhì)量，最后計(jì)算出樹皮和去皮樹干的質(zhì)量比例。分別取一部分有代表性的樹葉、樹枝、樹根、樹皮、樹干做樣品，帶回進(jìn)行烘干實(shí)驗(yàn)，并測出各自的干質(zhì)量，最后計(jì)算出樹葉、樹枝、樹根、樹皮、樹干等各部分所占整樹的比例［7］。

1.3 生物質(zhì)流分析方法

流動是物料與流體流動的基本特征。歐拉法是研究流體流動的第一種方法，其具體的研究過程是在連續(xù)流動的流體中，觀察點(diǎn)是一個空間點(diǎn)，在這個空間點(diǎn)觀察各瞬間流過的流體的物理量的有關(guān)數(shù)據(jù)隨時間的變化;依次改變觀察點(diǎn)以便了解流體流動的全貌;拉格朗日法是其第二種方法，其研究過程是在連續(xù)流動的流體中，流體的質(zhì)點(diǎn)作為觀察對象并跟蹤它，觀察各物理量在空間移動過程中的變化情況，以獲得相關(guān)數(shù)據(jù);依次改變觀察對象可了解流體流動的全貌;與研究流體流動的兩種方法相對應(yīng)，研究物料流動也同樣有兩種方法［2］。

第一，為了研究一個產(chǎn)品的生命周期的物質(zhì)流的狀態(tài)，選擇物質(zhì)流的一個區(qū)間范圍，作為觀察區(qū)觀察物質(zhì)流的變化。在此范圍內(nèi)生命周期的每個階段物質(zhì)的流入和流出應(yīng)有一個全面的了解。如果把材料的流動比喻成河的流動，材料的量就是河的流量，這樣的物質(zhì)流研究方法就好比是站在一座橋上進(jìn)行定點(diǎn)觀測，橋的位置一般選擇在某一年的產(chǎn)品生命周期的開始，從這里可以觀察到上一個生命周期回收利用階段和本次生命周期的生產(chǎn)制造階段以及某些使用階段，這種方法被稱為物質(zhì)流的定點(diǎn)觀測。

第二，為了研究一個產(chǎn)品的生命周期的物質(zhì)流的情況，選擇了一定數(shù)量的產(chǎn)品作為觀察對象。然后，沿著這些產(chǎn)品的生命周期的軌跡并進(jìn)行觀察。要充分認(rèn)識生命周期各個階段物質(zhì)的流入和流出。如果仍然使用河流比喻物質(zhì)流，就像坐在船上順流而下，對選擇的物料進(jìn)行跟蹤觀察。跟蹤的行程，至少從一個生命周期的起點(diǎn)直到最后，經(jīng)過生產(chǎn)，產(chǎn)品制造，使用和產(chǎn)品報(bào)廢后的回收4個階段。用這種方式了解的情況和收集到的數(shù)據(jù)是比較完整的，容易做進(jìn)一步的分析。必要時，可以超過一個生命周期的連續(xù)觀測。這種方法稱為物質(zhì)流的跟蹤觀察法［8－11］。

伐區(qū)生產(chǎn)是在一個固定的區(qū)域里，使用適當(dāng)?shù)脑O(shè)備 (工具)，按照一定的工藝流程對活立木進(jìn)行加工的過程。其操作過程中除生物質(zhì)材料本身的改變外，還對周圍環(huán)境 (土壤，植被)產(chǎn)生影響;這種影響發(fā)生在相對區(qū)域面積里，故如考慮人工林采伐對周圍環(huán)境 (如土壤性狀的變化，植被的變化)造成的影響時可采用定點(diǎn)觀察法［12］。根據(jù)物質(zhì)流兩種分析方法的特點(diǎn)，如果要分析在森林采伐作業(yè)過程中生物質(zhì)流狀況可采用物質(zhì)流跟蹤觀察法。因此，本文采用跟蹤觀察法對人工林采伐作業(yè)的生物質(zhì)流進(jìn)行分析。

1.4 人工林采伐作業(yè)生物質(zhì)流定性模型

根據(jù)人工林采伐系統(tǒng)生物質(zhì)流的特點(diǎn)，采用跟蹤觀察法分析生物質(zhì)流，所建立的物質(zhì)流模型為跟蹤模型。一般工業(yè)生產(chǎn)過程中可能會共享的物質(zhì)流:輸入、外加、排放、回收和輸出物質(zhì)流。在木材采伐作業(yè)的過程中，原料流動一般是單向反饋物質(zhì)流，外加和物質(zhì)流的循環(huán)利用是不存在的。因此，從原料流的輸入、排放量、輸出3股物質(zhì)流來研究一個工序的生物質(zhì)流過程。選定的觀察對象是某一伐區(qū)或某一小班內(nèi)采伐的生物質(zhì)材料。立木被伐倒以后，一般分成伐倒木、伐根和伐木時落下的枯枝落葉。其后對伐倒木的處理可分為兩種方式，一種是直接將伐倒木拉到楞場，在楞場進(jìn)行打枝造材剝皮，此時在楞場就得到了原木、枝葉和樹皮;另一種是將伐倒木在林地中打枝造材，枝葉留在林地，將原條造成原木，再運(yùn)至楞場，或者原木在林地剝皮后運(yùn)至楞場，樹皮則留在采伐跡地。對伐根的處置也分兩種，一種是直接留在采伐跡地任其自然腐爛;另一種是把樹根挖出運(yùn)至楞場或削成片運(yùn)至楞場。如圖1所示。

圖1 采伐系統(tǒng)生物質(zhì)流跟蹤模型Fig.1 The sketch of biomass material flow by tracking－observing model in forest harvesting system

2 結(jié)果與分析

本試驗(yàn)把自然損耗枯枝落葉、打枝過程中的木屑等忽略不計(jì)，根據(jù)試驗(yàn)分析的結(jié)果，分別得出杉木林、馬尾松林和桉樹林采伐系統(tǒng)生物質(zhì)材料物質(zhì)流的定量跟蹤模型，如圖2～圖4所示。

圖2 杉木林采伐系統(tǒng)生物質(zhì)材料物質(zhì)流跟蹤模型 (kg/hm2)Fig.2 The sketch of biomass material flow by tracking－observing model in Chinese fir plantation harvesting system(kg/hm2)

圖3 桉樹林采伐系統(tǒng)生物質(zhì)材料物質(zhì)流跟蹤模型 (kg/hm2)Fig.3 The sketch of biomass material flow by tracking－observing model in eucalyptus plantation harvesting system(kg/hm2)

圖4 馬尾松林采伐系統(tǒng)生物質(zhì)材料物質(zhì)流跟蹤模型 (kg/hm2)Fig.4 The sketch of biomass material flow by tracking－observing model in masson pine plantation harvesting system(kg/hm2)

從模型中可以看出，每公頃的18 a生杉木林中，原木 (剝皮)占立木干物質(zhì)總量的53.25%，原木干物質(zhì)量為53 685.05 kg，伐根、枝葉、樹皮分別占立木干物質(zhì)總量的17.04%、20.94%和8.21%;每公頃的19 a生馬尾松林中，原木 (剝皮)占立木干物質(zhì)總量的53.14%，原木干物質(zhì)量為50 916.44 kg，伐根、枝葉、樹皮分別占立木干物質(zhì)總量的8.72%、29.30%和8.74%;每公頃的10 a生桉樹林中，原木 (剝皮)占立木干物質(zhì)總量的59.16%，原木干物質(zhì)量為68 927.05 kg，伐根、枝葉、樹皮分別占立木干物質(zhì)總量的18.85%、17.50%和4.38%;一般情況下，伐根、樹皮和枝葉留下林地腐爛，原木被運(yùn)出利用。

3 結(jié)論與討論

本文依據(jù)工業(yè)行業(yè)物質(zhì)流分析方法和理論，對南方人工林的采伐作業(yè)進(jìn)行了試驗(yàn)分析，以南方速生人工林 (杉木林、馬尾松林和桉樹林)為例，定量分析采伐系統(tǒng)生物質(zhì)材料物質(zhì)流的跟蹤模型。分析結(jié)果表明:這3種林分中，每公頃獲得原木的干物質(zhì)量以桉樹林最大，其次為杉木和馬尾松。這與各樹種的生理特性是一致的。

物質(zhì)流分析的目的是從中找出節(jié)省天然資源、改善環(huán)境的方法和途徑，以促進(jìn)工業(yè)系統(tǒng)向可持續(xù)發(fā)展方向邁進(jìn)。在人工林采伐作業(yè)的各個環(huán)節(jié)，應(yīng)減少資源的消耗、廢棄物的產(chǎn)生以及對生態(tài)環(huán)境的破壞，提高木材資源的利用率。通過分析人工林采伐作業(yè)過程中的生物質(zhì)流，可以明確不同樹種的木材利用率情況，為合理選擇人工林采伐作業(yè)方式、研究伐區(qū)物質(zhì)減量化模式、推行采伐作業(yè)的清潔生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。

［1］ Ayres R U.Industrial Metabolism:Theory and Policy，The Greening of Industrial Ecosytems［M］.Washington DC:National Academy Press，1994.

［2］陸鐘武.穿越“環(huán)境高山”—工業(yè)生態(tài)學(xué)研究［M］.北京:科學(xué)出版社，2008:98－110.

［3］趙 塵，王大明，張正雄.木材采運(yùn)系統(tǒng)物質(zhì)流與能量流模式的分析［J］.南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2008，32(5):37 －40.

［4］趙 塵，黃 新.工業(yè)生態(tài)學(xué)應(yīng)用于生態(tài)采運(yùn)研究的分析［J］.森林工程，2007，23(5):68 －70.

［5］趙 塵，黃 新，余愛華，等.工業(yè)生態(tài)學(xué)在林業(yè)產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用研究進(jìn)展與展望［J］.世界林業(yè)研究，2008，21(2):32 －37.

［6］余愛華，趙 塵，邱榮華.淺析我國森林生態(tài)采運(yùn)理論［J］.西北林學(xué)院學(xué)報(bào)，2007，22(6):153 －156.

［7］趙 塵，王大明，張正雄.原木采集生產(chǎn)的生物質(zhì)流特征分析［J］，林業(yè)科學(xué)，2011，47(5):90 －95.

［8］何洪鳴，周 杰，楊 萍.區(qū)域資源環(huán)境系統(tǒng)物質(zhì)流動模式［J］.數(shù)學(xué)的實(shí)踐與認(rèn)識，2005，35(1):34－42.

［9］陸鐘武，岳 強(qiáng).物質(zhì)流分析的兩種方法及應(yīng)用［J］.理論探討，2006(2):17－18.

［10］陸鐘武.物質(zhì)流分析的跟蹤觀察法［J］.中國工程科學(xué)，2006，8(1):18－25.

［11］劉 濱，王蘇亮，吳宗鑫.試論以物質(zhì)流分析方法為基礎(chǔ)建立我國循環(huán)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)體系［J］.中國人口、資源與環(huán)境，2005，15(4):32－36.

［12］王大明，趙 塵，李兆山.人工林采伐作業(yè)物質(zhì)流分析［J］.南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2009，33(1):139－142.

［13］張 燕，佟 達(dá)，宋魁秀.生物質(zhì)能的熱化學(xué)轉(zhuǎn)化技術(shù)［J］.森林工程，2012，28(2):11 －13.