低質(zhì)林改造對資源消耗及生態(tài)環(huán)境的影響1)

孔琳琳 吳金卓 董希斌 陳小帆 龍占璐

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)

低質(zhì)林改造對資源消耗及生態(tài)環(huán)境的影響1)

孔琳琳 吳金卓 董希斌 陳小帆 龍占璐

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)

依據(jù)生命周期評價理論，應(yīng)用清單過程的分析方法，對小興安嶺地區(qū)低質(zhì)林改造作業(yè)系統(tǒng)產(chǎn)生的資源消耗、能源消耗以及污染物排放進行了量化分析；應(yīng)用Eco-indicator 99生態(tài)指數(shù)分析方法，對低質(zhì)林改造過程中產(chǎn)生的資源消耗以及環(huán)境影響進行分析評價。結(jié)果表明：在10 m×100 m水平改造帶、保留帶寬為10 m的改造模式下，低質(zhì)林改造林地平均出材量為36 m3/hm2；低質(zhì)林改造作業(yè)過程中，對自然資源消耗最多的是原油(29.79 kg/hm2)，其次是N、P、K、石灰石、生鐵、原煤；對環(huán)境排放最多的物質(zhì)是CO2(131.45 kg/hm2)，其次是NOx、CO、PM、SO2、HC、CH4。低質(zhì)林采伐改造過程產(chǎn)生的環(huán)境負荷，占全過程產(chǎn)生環(huán)境負荷的79%，約為更新?lián)嵊^程產(chǎn)生的環(huán)境負荷的4倍。其中：運材過程和運苗過程產(chǎn)生的環(huán)境負荷，分別是低質(zhì)林采伐改造和更新?lián)嵊?個作業(yè)系統(tǒng)中對環(huán)境負荷產(chǎn)生影響最大的作業(yè)過程，共占低質(zhì)林改造作業(yè)全過程產(chǎn)生環(huán)境負荷的63.9%。低質(zhì)林改造生命周期，生態(tài)環(huán)境指標分數(shù)為5.751/hm2，三大類環(huán)境影響損害值，從大到小依次為：資源消耗(3.250/hm2)、人體健康(2.400/hm2)、生態(tài)環(huán)境(0.101/hm2)，表明低質(zhì)林改造作業(yè)過程對資源消耗的影響大于對生態(tài)環(huán)境的影響。

低質(zhì)林改造；資源消耗；生態(tài)環(huán)境；清單分析；生命周期

低質(zhì)林改造，主要是對樹種組成不合理、林地生產(chǎn)力低下、森林郁閉度較低或生長衰退的殘次林分進行經(jīng)營改造，使之成為價值較高的用材林，并能充分發(fā)揮森林生態(tài)系統(tǒng)的綜合效益[1]。關(guān)于低質(zhì)林改造方面的研究，很多學(xué)者已經(jīng)從改造后的土壤理化性質(zhì)、生物多樣性、枯落物持水性能、改造效果指標等方面對低質(zhì)林改造展開了研究[2-9]。但是，在低質(zhì)林改造環(huán)境影響評價方面的相關(guān)研究較少。生命周期評價(LCA)，是一種評估產(chǎn)品在其整個生命周期過程中對環(huán)境影響的技術(shù)和方法[10-11]。通過確定和量化生命周期各個階段內(nèi)的物質(zhì)消耗、能源消耗以及污染物排放，可進一步評估某一產(chǎn)品生產(chǎn)過程或生產(chǎn)活動產(chǎn)生的環(huán)境影響，通過改進不合理的流程或活動最終實現(xiàn)改善環(huán)境的目的[12]。生命周期評價方法，已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用到林產(chǎn)品的環(huán)境足跡分析中[13-15]，這種分析使得森林資源管理決策與環(huán)境影響緊密地聯(lián)系到一起，并貫穿到林產(chǎn)品整個生命周期中，為實現(xiàn)林業(yè)資源可持續(xù)化利用提供了科學(xué)的依據(jù)。本文以小興安嶺地區(qū)低質(zhì)林改造項目為例，分析低質(zhì)林改造作業(yè)系統(tǒng)全過程產(chǎn)生的資源消耗、能源消耗以及污染物排放，并進一步分析這一改造過程對資源消耗、人體健康以及生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生的影響，旨在為低質(zhì)林改造作業(yè)的經(jīng)營管理提供參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于黑龍江省鐵力林業(yè)局馬永順林場500林班內(nèi)低質(zhì)林改造帶。該林場位于小興安嶺南麓，公里坐標為(0456249，5227854)，海拔117～284 m，除南部地勢稍有斜坡外，其它方向地勢逐漸平緩，平均坡度為10°。該研究區(qū)屬于典型的大陸季風(fēng)性氣候；水系為松花江支流；年平均氣溫1.1 ℃；年降水量600 mm左右；早霜期和晚霜期分別在9月中旬和5月中旬，年無霜期約119d[12]。地被物主要為山茄子(Brachybotrysparidiformis)、三棱草(Carexphacota)等，下木層主要為白丁香(Syringaoblata)、刺五加(Eleutherococcussenticosus)等。2007年，對研究區(qū)內(nèi)的低質(zhì)林設(shè)置了不同帶寬的改造模式。在改造過程中，將改造帶內(nèi)的所有非經(jīng)營目的樹種伐除，同時在各采伐改造帶間設(shè)置同等寬度的保留帶。2008年，在各個皆伐改造帶內(nèi)分段栽植紅皮云杉(Piceakoraiensis)、落葉松(Larixgmelinii)、紅松(Pinuskoraiensis)等幼苗，造林密度約為4 000株/hm2。造林時原則上與原有林分邊緣間隔1 m左右，株行距配置為1.5 m×1.5 m[16]。

2 研究方法

2.1 清單分析方法

從空間角度看，低質(zhì)林改造作業(yè)系統(tǒng)，涵蓋作業(yè)區(qū)內(nèi)的森林資源和森林環(huán)境；從時間角度看，低質(zhì)林改造作業(yè)系統(tǒng)，包括采伐改造階段的伐木、打枝、造材、集材、裝車、運材、跡地清理以及更新?lián)嵊到y(tǒng)的造林、撫育等活動；從技術(shù)經(jīng)濟角度看，低質(zhì)林改造作業(yè)系統(tǒng)，涉及人力、物力、財力以及機械設(shè)備的投入等。為了全面、系統(tǒng)地分析低質(zhì)林改造作業(yè)系統(tǒng)全生命周期過程對資源消耗以及生態(tài)環(huán)境的影響效應(yīng)，需要對改造系統(tǒng)內(nèi)的各個作業(yè)單元進行定性和定量的清單分析。

2.1.1 依據(jù)清單過程的矩陣符號表達法

截至目前，清單分析的方法已發(fā)展比較成熟，主要有依據(jù)過程的分析方法、輸入-輸出分析方法以及將兩者結(jié)合的混合分析方法[14]。本文采用清單過程分析方法中的矩陣符號表達法，對低質(zhì)林采伐改造階段進行清單分析。以燃料、電、鋼材過程為例，介紹清單分析的具體步驟。

1)確定燃料、電、鋼材作業(yè)過程(見圖1)。

定義任意過程向量(pi)，

pi=(r1r2r3e1)。

(1)

式中：i=1、2、3；p1為燃料單元過程、p2為電單元過程、p3為鋼材單元過程；在每一個過程中，相對第i個單元過程的單位量分別為r1(燃料)、r2(電量)、r3(鋼材)，并排放出一定量的CO2(e1)。

將圖1中的過程數(shù)據(jù)代入式(1)得到過程矩陣(P)式(2)。

(2)

式中：矩陣(P)中的負號表示物質(zhì)的輸入或消耗。進一步將矩陣(P)劃分為矩陣A和矩陣B，如式(3)、式(4)。

(3)

B=(m1m2m3)。

(4)

矩陣A為技術(shù)矩陣，表示燃料、電、鋼材過程，直接應(yīng)用于經(jīng)濟系統(tǒng)的物質(zhì)輸入或輸出；矩陣B為交互矩陣，表示對自然資源的消耗和對環(huán)境的排放。

定義最終需求產(chǎn)品向量(f)，令

(5)

式中：z表示最終需求產(chǎn)品；φ為需求產(chǎn)品的數(shù)量；其它均為中間產(chǎn)品。如在鋼材生產(chǎn)過程中，只有鋼材為需求產(chǎn)品，燃料、電為中間產(chǎn)品，若生產(chǎn)鋼材的數(shù)量為b，則：

(6)

m1為1 L燃料燃燒產(chǎn)生的CO2排放量；n12為生產(chǎn)1 kWh電消耗的燃料量；n21為生產(chǎn)1 L燃料消耗的電量；m2為生產(chǎn)1 kWh電產(chǎn)生的CO2排放量； n13為生產(chǎn)1 kg鋼材消耗的燃料量；n23為生產(chǎn)1 kg鋼材消耗的電量；m3為生產(chǎn)1 kg鋼材產(chǎn)生的CO2排放量。

圖1燃料、電、鋼材作業(yè)過程流程

2)定義鋼材生產(chǎn)過程中對資源的消耗及對環(huán)境的排放矩陣(e)式(7)，表示共有n種對自然資源的消耗和對環(huán)境排放。

(7)

在圖1所示的鋼材生產(chǎn)過程中，對環(huán)境的排放只考慮CO2，因此，

e=(e1)。

(8)

3)定義鋼材生產(chǎn)過程中的生產(chǎn)矩陣(s)式(9)，表示共有m種產(chǎn)品。

(9)

在圖1所示的鋼材制造流程中，只有3種產(chǎn)品，因此，

(10)

式中：s1、s2、s3分別為燃料、電、鋼材的數(shù)量，則CO2的總排放量為，

e1=m1s1+m2s2+m3s3。

(11)

即：

e=B·s。

(12)

若最終需求產(chǎn)品數(shù)量為式(6)，則有：

(13)

即：

A·s=f。

(14)

所以：

s=A-1·f。

(15)

將式(15)代入式(12)，可得：

e=B·A-1·f。

(16)

因此，可以通過式(16)求得生產(chǎn)鋼材過程中對自然資源的消耗和對環(huán)境的排放。

2.1.2 清單分析框架

低質(zhì)林改造作業(yè)系統(tǒng)單元過程包括燃料、電、鋼材、伐木、打枝、造材、集材、裝車、運材、跡地清理、運苗、造林、撫育共13個作業(yè)單元(見圖2)。

2.1.3 低質(zhì)林采伐改造階段過程向量的確定

在低質(zhì)林改造作業(yè)過程單元中，資源消耗包括原油、原煤、生鐵、石灰石、土壤中的N、P、K元素；環(huán)境排放包括碳氧化物(CO2、CO)、氮氧化物(NOx)、硫氧化物(SO2)、碳氫化合物(HC、CH4)、顆粒物(PM)。因此，低質(zhì)林采伐改造系統(tǒng)過程向量可以定義為pi，即相對于第i個單元過程的單位量。

pi=(r1r2r3…r10e1e2e3…e14)。

(17)

式中：r1～r10為每一個單元過程中相對第i(i=1、2、…、13)個單元過程的物質(zhì)輸入或輸出量，即燃料、電、鋼材、伐木、打枝、造材、集材、裝車、運材、跡地清理；e1～e7為對環(huán)境的排放量，依次為CO2、CO、NOx、SO2、HC、CH4、PM；e8～e14為對自然資源的消耗量，依次為原油、原煤、生鐵、石灰石、N、P、K。

過程矩陣(P)可定義為：

P=(p1p2p3…p10)。

(18)

式中：p1～p10為低質(zhì)林改造系統(tǒng)過程圖中的過程單元，即燃料、電、鋼材、伐木、打枝、造材、集材、裝車、運材和跡地清理。

圖2 低質(zhì)林改造系統(tǒng)過程

2.1.4 低質(zhì)林更新階段清單分析

本研究中低質(zhì)林更新階段包括3個過程，即運苗、造林和撫育。與低質(zhì)林采伐改造階段不同，這一階段中的所有過程沒有木材產(chǎn)品輸出，因此，不適宜用矩陣符號表達法進行清單分析。為了計算這一階段不同過程對資源的消耗以及對環(huán)境的排放，采用過程流圖法對低質(zhì)林撫育進行清單分析，具體步驟參見文獻[17]。

2.2 生命周期影響評價

生命周期影響評價(LCIA)是LCA的核心，是在清單分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，將清單分析的數(shù)據(jù)與周圍的環(huán)境聯(lián)系起來，對產(chǎn)品或行為過程全生命周期數(shù)據(jù)進行定量和定性的分析，計算出產(chǎn)品或行為過程全生命周期內(nèi)對資源的消耗程度以及對環(huán)境產(chǎn)生的影響[17]。為了分析低質(zhì)林改造作業(yè)系統(tǒng)從采伐改造到更新?lián)嵊鱾€階段對環(huán)境產(chǎn)生的影響，可以對低質(zhì)林改造作業(yè)系統(tǒng)全生命周期過程進行LCIA分析，進而確定低質(zhì)林改造作業(yè)各個階段對環(huán)境總負荷的相對貢獻，并針對環(huán)境負荷較大的環(huán)節(jié)提出相應(yīng)的改進措施，為進一步科學(xué)、高效地開展低質(zhì)林改造作業(yè)提供必要的理論依據(jù)。

本文應(yīng)用SimaPro7.3軟件中的Eco-indicator 99 生態(tài)指數(shù)分析方法，對低質(zhì)林改造過程中對環(huán)境產(chǎn)生的影響進行分析評價。該方法分為3個步驟：①特征化。Eco-indicator 99 生態(tài)指數(shù)分析方法，將清單結(jié)果劃分為11種影響類型(致癌物、有機物對呼吸道影響、無機物對呼吸道影響、氣候變化、輻射、臭氧層、生態(tài)毒性、酸化/富營養(yǎng)化、土地使用、礦產(chǎn)、化石燃料)，計算出每種影響類型特征化數(shù)值結(jié)果。②歸一化和加權(quán)。歸一化，是將各個影響類型的特征化結(jié)果除以一個基準值，得到環(huán)境負荷占系統(tǒng)內(nèi)總影響的相對大小的過程。因此，經(jīng)歸一化計算后，各個影響類型之間可以進行比較與合并。各個影響類型的權(quán)重系數(shù)選用EI99(E)V2.08/EuropeEI99E/E中的默認缺省值。③生態(tài)環(huán)境指標分數(shù)計算。將得到的11類影響類型的加權(quán)結(jié)果，歸納到人體健康、生態(tài)環(huán)境和資源消耗三大類環(huán)境影響損害中，最后將其求和，得到低質(zhì)林改造生命周期的生態(tài)環(huán)境指標分數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 清單分析與結(jié)果匯總

3.1.1 低質(zhì)林改造系統(tǒng)技術(shù)矩陣的計算

①燃料。根據(jù)調(diào)查可知，低質(zhì)林改造作業(yè)對燃料的消耗，主要體現(xiàn)在伐木、打枝和造材過程中使用的油鋸、運材作業(yè)及苗木運輸過程中使用的汽車以及電生產(chǎn)中產(chǎn)生的燃料消耗。伐木過程中使用的油鋸，平均油耗量為0.030 kg/m3；打枝時間約為伐木時間的0.5倍，因此平均油耗量為0.015 kg/m3；造材作業(yè)過程中，油鋸的使用時間為伐木時間的1.5倍，因此平均油耗量為0.045 kg/m3[18]。運材作業(yè)及苗木運輸過程中，使用的汽車型號為解放140，平均油耗約為0.050 kg/(m3·km)。電生產(chǎn)中，每產(chǎn)生1 kWh的電能，消耗燃油0.003 kg[19]；鋼材生產(chǎn)中，每生產(chǎn)1 kg的鋼材，消耗燃油0.080 kg[20]。

②電量。低質(zhì)林改造作業(yè)電量消耗，主要體現(xiàn)在改造過程所需工人的生活用電，因此，確定低質(zhì)林改造作業(yè)過程各階段的需工數(shù)，即可估測耗電量。本文根據(jù)《黑龍江省森林工業(yè)總局鐵力林業(yè)局低質(zhì)林結(jié)構(gòu)與功能優(yōu)化調(diào)查設(shè)計資料》等相關(guān)文件及實際作業(yè)情況，統(tǒng)計出低質(zhì)林改造作業(yè)各階段的人工需工量：在低質(zhì)林采伐改造過程中，伐木需工量為0.20工日/m3；打枝需工量為0.10工日/m3；造材需工量為0.30工日/m3；畜力集材需工量為0.03工日/m3；裝車需工量為0.20工日/m3；運材需工量為0.50工日/m3；跡地清理需工量為0.10工日/m3。在低質(zhì)林更新?lián)嵊^程中，人力擔(dān)筒的方式將苗木運至低質(zhì)林改造作業(yè)區(qū)需工量為4工日/hm2，造林需工量為80工日/hm2。由于研究期內(nèi)(2008—2015年)的苗木仍處于幼齡林階段，且未達到撫育間伐的年齡，因此，撫育工作主要包括扶正苗木、松土除草等工作。根據(jù)實地調(diào)研，研究樣地內(nèi)，集中在更新?lián)嵊? a對林木進行此類撫育作業(yè)活動，且撫育強度逐年減半，因此，撫育需工量呈逐年降低趨勢，即撫育第一年需工量為50工日/hm2、第二年需工量為25工日/hm2、第三年需工量為10工日/hm2。據(jù)國家統(tǒng)計局統(tǒng)計，在低質(zhì)林采伐改造當(dāng)年，即2007年，我國人均生活耗電量為0.80 kWh/d[21]；燃料生產(chǎn)和鋼材生產(chǎn)耗電量，分別為0.06、4.00 kWh/kg[20]。

③鋼材。盡管低質(zhì)林改造作業(yè)過程中沒有直接鋼材消耗，但是，作為低質(zhì)林改造作業(yè)過程的上游產(chǎn)品，其改造過程中使用的油鋸、運材汽車等林業(yè)機械設(shè)備，在制造的過程中會消耗大量鋼材，因此，為了結(jié)果的準確性與全面性，亦以設(shè)備折舊的形式將鋼材納入系統(tǒng)中(見表1)[22-25]。

表1 林業(yè)機械設(shè)備單位鋼材消耗量

3.1.2 低質(zhì)林改造系統(tǒng)交互矩陣的計算

低質(zhì)林改造交互系統(tǒng)過程分為兩部分，一部分為系統(tǒng)從自然資源中獲取(即對自然資源的消耗)，另一部分為對自然環(huán)境的排放。

①自然資源消耗。低質(zhì)林改造作業(yè)系統(tǒng)對自然資源的消耗，主要包括土壤中N、P、K營養(yǎng)元素的消耗；生產(chǎn)燃料對原煤和原油的消耗、生產(chǎn)電對原煤的消耗、生產(chǎn)鋼鐵對生鐵和石灰石的消耗(見表2)[20,24-25]。

表2 燃料、電、鋼材生產(chǎn)過程對自然資源的消耗

②環(huán)境排放。低質(zhì)林改造作業(yè)系統(tǒng)內(nèi)各單元物質(zhì)對環(huán)境的排放，主要包括碳氧化物(CO2、CO)、氮氧化物(NOx)、硫氧化物(SO2)、碳氫化合物(HC、CH4)和顆粒物(PM)。各種排放物質(zhì)的來源及計算方法：燃料、電、鋼材生產(chǎn)過程對環(huán)境的排放，取值于已發(fā)表的文獻[20,24-25]。系統(tǒng)內(nèi)單元物質(zhì)排放到環(huán)境中的CO2，主要由燃料燃燒產(chǎn)生，與燃料的消耗量和設(shè)備有關(guān)。本文依據(jù)燃燒化學(xué)平衡關(guān)系式，確定CO2排放量和燃料消耗的關(guān)系，其中CO2排放因子來源于政府間氣候變化專門委員會(IPCC)提供的數(shù)據(jù)：汽油的CO2排放因子為3 130 g/kg，柴油的CO2排放因子為3 170 g/kg[25]。汽油的SO2排放因子為0.627 g/kg，柴油的SO2排放因子為2.140 g/kg。CO的排放因子、PM排放因子及相關(guān)碳氫化合物、氮氧化物的排放因子，均來源于國家標準排放限值。上述環(huán)境排放物質(zhì)的相關(guān)排放限制標準見表3，由此計算的低質(zhì)林改造作業(yè)系統(tǒng)相關(guān)過程排放量單位值見表4。

表3 林業(yè)機械相關(guān)排放限制標準

表4 低質(zhì)林改造作業(yè)系統(tǒng)相關(guān)過程排放量單位值

3.1.3 清單分析結(jié)果

在計算低質(zhì)林改造系統(tǒng)技術(shù)矩陣及交互矩陣前，查閱研究區(qū)低質(zhì)林結(jié)構(gòu)與功能調(diào)查資料，并結(jié)合低質(zhì)林改造樣地實際情況，確定小興安嶺低質(zhì)林水平10 m帶寬改造樣地(保留帶寬度10 m)。采伐改造及更新?lián)嵊鳂I(yè)基本數(shù)據(jù)：在低質(zhì)林采伐改造當(dāng)年，改造林地平均出材量為36 m3/hm2；采用油鋸伐木、打枝、造材；通過畜力集材的方式將采伐的原木運至楞場，運距為200 m；然后，用汽車運材的方式，將楞場內(nèi)的原木運至林場，待進一步的加工利用，此過程運距為15 km；跡地清理采用自然堆腐的方式，此單元過程不消耗物質(zhì)與能量。更新?lián)嵊A段，在各個皆伐改造帶內(nèi)分段栽植紅皮云杉、落葉松、紅松等幼苗，根據(jù)造林密度(約4 000株/hm2)和已知的改造模式可知，栽植總株數(shù)約為2 000株/hm2，單株大小為地徑5 mm和株高20 cm。用貨運汽車將這些苗木從林場運至楞場，運距15 km；然后，用人力擔(dān)筒的方式將苗木運至低質(zhì)林改造作業(yè)區(qū)；在更新?lián)嵊? a，集中對林木進行扶正苗木、松土除草等撫育作業(yè)活動。

低質(zhì)林采伐改造作業(yè)系統(tǒng)中，產(chǎn)生36 m3/hm2木材，因此，最終需求量為：

f=(0 0 0 0 0 0 0 0 36 0 0 0 0)。

(19)

結(jié)合低質(zhì)林改造作業(yè)系統(tǒng)清單分析過程矩陣的計算結(jié)果，將式(19)代入式(16)即可計算出低質(zhì)林采伐改造階段的清單分析結(jié)果；與更新?lián)嵊A段的清單分析結(jié)果合并后，得到低質(zhì)林改造作業(yè)系統(tǒng)的清單分析結(jié)果(見表5)。由表5可見：低質(zhì)林改造作業(yè)過程中，對自然資源消耗最多的是原油，其次為N、P、K、石灰石、生鐵、原煤；對環(huán)境排放最多的物質(zhì)是CO2(131.45 kg/hm2)，除CO2外，對環(huán)境排放量較多的是NOx，主要由于造材和運材過程中使用油鋸和運材汽車所致。

表5 低質(zhì)林改造作業(yè)系統(tǒng)清單分析結(jié)果 kg·hm-2

3.2 環(huán)境影響評價

3.2.1 低質(zhì)林采伐改造階段環(huán)境影響

①特征化結(jié)果。在10 m×100 m水平改造帶、保留帶寬為10 m的改造模式下，低質(zhì)林采伐改造過程中，運材過程對氣候變化、酸化/富營養(yǎng)化、化石燃料3方面的影響最大，均超過了60%，對化石燃料的影響高達78.3%；除此之外，運材過程對致癌物、生物毒性、土地占用的影響較大，均超過了40%。造材過程中產(chǎn)生的有機物對呼吸道的影響達48%，其次環(huán)境負荷較大的為產(chǎn)生的無機物對呼吸道的影響，為29.9%；造材過程，對輻射、臭氧層影響、生物毒性、礦物消耗4個方面的影響類型貢獻度也較大，均超過20%。伐木過程中產(chǎn)生的有機物對呼吸道的影響達32%，其次環(huán)境負荷較大的為產(chǎn)生的無機物對呼吸道的影響，為19.9%；伐木過程，除對氣候變化、酸化/富營養(yǎng)化、化石燃料影響類型的貢獻度小于10%外，對其他方面的影響類型貢獻度均介于10%～20%之間。打枝過程，除產(chǎn)生的有機物、無機物對呼吸道的影響分別達16.00%及9.96%外，對其他9個方面的影響類型貢獻度均小于10%。采伐改造過程中的集材、跡地清理單元過程，對各影響類型貢獻度均低于10%，對環(huán)境影響較小。

②歸一化和加權(quán)結(jié)果。低質(zhì)林采伐改造過程對環(huán)境影響貢獻，前5類環(huán)境影響類型分別為化石燃料(2.650/hm2)、氣候變化(0.785/hm2)、無機物對呼吸系統(tǒng)影響(0.630/hm2)、有機物對呼吸系統(tǒng)影響(0.215/hm2)、致癌物(0.167/hm2)。對其余6種環(huán)境影響類型影響不大，尤其是對臭氧層影響、土地占用、礦物消耗的影響幾乎為0。

③生態(tài)環(huán)境指標分數(shù)。低質(zhì)林采伐改造過程，3類環(huán)境影響損害值從大到小依次為：資源消耗(2.660/hm2)、人體健康(1.820/hm2)、生態(tài)環(huán)境(0.061/hm2)；3類環(huán)境影響損害值求和，得到低質(zhì)林采伐改造生命周期生態(tài)環(huán)境指標分數(shù)(4.541/hm2)。在低質(zhì)林采伐改造各個單元過程中，運材過程產(chǎn)生的3類環(huán)境影響損害總值最大(3.010/hm2)，其中，資源消耗程度所占比例高達66%；集材、裝車、跡地清理過程，產(chǎn)生的3類環(huán)境影響損害值最小。

3.2.2 低質(zhì)林更新?lián)嵊A段環(huán)境影響

①特征化結(jié)果。在更新?lián)嵊A段，運苗過程在有機物對呼吸道影響、氣候變化、化石燃料3個影響類型中的貢獻，均居更新?lián)嵊A段3個單元過程之首；尤其在有機物對呼吸系統(tǒng)影響、氣候變化2個影響類型方面，對環(huán)境產(chǎn)生的負荷遠高于造林過程和撫育過程。造林、撫育過程，產(chǎn)生的有機物對呼吸系統(tǒng)影響均低于2%，對環(huán)境影響極小。

②歸一化和加權(quán)結(jié)果。低質(zhì)林改造更新?lián)嵊^程，對環(huán)境影響貢獻最大的影響類型為化石燃料(0.587/hm2)，而運苗過程是造成這一環(huán)境負荷的主要因素；其次，無機物對呼吸系統(tǒng)的影響(0.194/hm2)、氣候變化(0.156/hm2)、致癌物(0.180/hm2)，是低質(zhì)林更新?lián)嵊^程對環(huán)境產(chǎn)生負荷的另外三大類影響。除此之外，低質(zhì)林更新?lián)嵊^程，對環(huán)境產(chǎn)生的影響不大，尤其是對臭氧層產(chǎn)生的影響幾乎為0。

③生態(tài)環(huán)境指標分數(shù)。低質(zhì)林改造更新?lián)嵊^程，對資源消耗、人體健康、生態(tài)環(huán)境，分別產(chǎn)生0.596 0/hm2、0.574 0/hm2、0.040 1/hm2的環(huán)境影響損害，3者求和后得到低質(zhì)林更新?lián)嵊鳂I(yè)生態(tài)環(huán)境指標分數(shù)為1.21 Pt。

3.2.3 低質(zhì)林改造全過程對環(huán)境的影響

由圖3可知：采伐改造過程產(chǎn)生的環(huán)境負荷，占全過程產(chǎn)生環(huán)境負荷的79%，約為更新?lián)嵊^程產(chǎn)生的環(huán)境負荷的4倍。其中：運材過程和運苗過程產(chǎn)生的環(huán)境負荷，分別是低質(zhì)林采伐改造和更新?lián)嵊?個作業(yè)系統(tǒng)中對環(huán)境負荷產(chǎn)生影響最大的作業(yè)過程，共占低質(zhì)林改造作業(yè)全過程產(chǎn)生環(huán)境負荷的63.9%；其次，是造材過程和伐木過程，對環(huán)境產(chǎn)生的負荷最大，分別為12.60%、8.43%；再次，對環(huán)境產(chǎn)生的負荷較大的為撫育過程(4.85%)、造林過程(4.56%)、打枝過程(4.21%)；集材、裝車和跡地清理，對環(huán)境產(chǎn)生的負荷均未達到1%。

A為低質(zhì)林環(huán)境負荷100%；B為采伐改造環(huán)境負荷占79%；C為更新?lián)嵊h(huán)境負荷占21%；D為采伐36 m3木材環(huán)境負荷占8.43%；E為打枝36 m3木材環(huán)境負荷占4.21%；F為造材36 m3環(huán)境負荷占12.6%；G為集材36 m3木材環(huán)境負荷占0.123%；H為裝車36 m3木材環(huán)境負荷占0.821%；I為運材36 m3木材環(huán)境負荷占52.3%；J為跡地處理環(huán)境負荷占0.411%；K為2 000株苗木運輸環(huán)境負荷占11.6%；L為2 000株苗木栽植環(huán)境負荷占4.56%；M為林木撫育環(huán)境負荷占4.85%；N、O、P為在低溫環(huán)境下使用油鋸的環(huán)境負荷，分別占3.23%、1.62%、4.85%；Q為脫蠟鑄造鋼鑄件0.030 2 kg環(huán)境負荷占1.45%；R為汽車運輸36 m3木材和2 000株苗木環(huán)境負荷占46.5%；S為沖壓鋼板2.51 kg環(huán)境負荷占1.65%；T為供應(yīng)105 kWh電環(huán)境負荷占15.7%；U為原油加工成汽油3.24 kg環(huán)境負荷占9.7%；V為原油加工成柴油16.6 kg環(huán)境負荷占46.5%。

圖3 1 hm2低質(zhì)林改造作業(yè)系統(tǒng)生命周期環(huán)境負荷網(wǎng)絡(luò)圖

①特征化結(jié)果。低質(zhì)林采伐改造作業(yè)，除對致癌物、輻射、臭氧層、礦場4類環(huán)境影響類別產(chǎn)生的環(huán)境負荷低于更新?lián)嵊鳂I(yè)外，采伐改造作業(yè)對其余7類環(huán)境影響類別產(chǎn)生的環(huán)境影響負荷均高于更新?lián)嵊鳂I(yè)。產(chǎn)生這一差距的主要原因是，與更新?lián)嵊^程相比，采伐改造過程更加復(fù)雜，使用的工具種類也比較多。例如，在低質(zhì)林改造作業(yè)系統(tǒng)過程中，對化石燃料產(chǎn)生的影響高居11類環(huán)境影響類別之首，采伐改造作業(yè)過程，對化石燃料產(chǎn)生的影響約為更新?lián)嵊龑Νh(huán)境產(chǎn)生影響的4倍；主要是因為采伐改造過程運材量材積約為更新?lián)嵊^程運苗量的5倍；除此之外，采伐改造過程中的伐木、打枝、造材單元過程，對油鋸的使用也會對化石燃料產(chǎn)生影響；而在研究區(qū)更新?lián)嵊A段，苗木正處于幼齡林階段，未達到撫育間伐的年齡，對于更新林分主要進行扶正苗木、松土除草等工作，這部分工作主要消耗人力，并沒有使用工具，因此產(chǎn)生的環(huán)境影響小。

②歸一化和加權(quán)結(jié)果。低質(zhì)林改造作業(yè)系統(tǒng)全過程，共對環(huán)境產(chǎn)生5.751/hm2的環(huán)境影響，其中包括采伐改造作業(yè)系統(tǒng)產(chǎn)生4.541/hm2的環(huán)境影響、更新?lián)嵊鳂I(yè)系統(tǒng)產(chǎn)生1.210/hm2的環(huán)境影響。對環(huán)境影響貢獻最大的影響類型為化石燃料(3.240/hm2)，然后依次為氣候變化(0.941/hm2)、無機物對呼吸道影響(0.842/hm2)、致癌物(0.347/hm2)、有機物對呼吸道影(0.217/hm2)，對其它環(huán)境影響類型影響不大，尤其是對臭氧層產(chǎn)生的影響幾乎為0。

③生態(tài)環(huán)境指標分數(shù)。低質(zhì)林改造作業(yè)過程3類環(huán)境影響損害值，從大到小依次為資源消耗(3.250/hm2)、人體健康(2.400/hm2)、生態(tài)環(huán)境(0.101/hm2)；3類環(huán)境影響損害值求和，得到低質(zhì)林改造作業(yè)生命周期生態(tài)環(huán)境指標分數(shù)為(5.751/hm2)。

4 結(jié)論

在10 m×100 m水平改造帶、保留帶寬為10 m的改造模式下，采用油鋸采伐、打枝、造材，畜力集材，汽車運材和運苗，人力擔(dān)筒等工藝過程，低質(zhì)林改造作業(yè)過程中對自然資源消耗最多的是原油(29.79 kg/hm2)，其次是N、P、K、石灰石、生鐵、原煤；對環(huán)境排放最多的物質(zhì)是CO2(131.45 kg/hm2)，其次是NOx、CO、PM、SO2、HC、CH4。

低質(zhì)林采伐改造過程產(chǎn)生的環(huán)境負荷占全過程產(chǎn)生環(huán)境負荷的79%，約為更新?lián)嵊^程產(chǎn)生環(huán)境負荷的4倍。其中，運材過程和運苗過程產(chǎn)生的環(huán)境負荷，分別是低質(zhì)林采伐改造和更新?lián)嵊?個作業(yè)系統(tǒng)中對環(huán)境負荷產(chǎn)生影響最大的作業(yè)過程，共占低質(zhì)林改造作業(yè)全過程產(chǎn)生環(huán)境負荷的63.9%。低質(zhì)林改造作業(yè)過程3類環(huán)境影響損害值，從大到小依次為資源消耗(3.250/hm2)、人體健康(2.400/hm2)、生態(tài)環(huán)境(0.101/hm2)；3類環(huán)境影響損害值求和，得到低質(zhì)林改造作業(yè)生命周期生態(tài)環(huán)境指標分數(shù)(5.751/hm2)，表明低質(zhì)林改造作業(yè)過程對資源消耗的影響大于對生態(tài)環(huán)境的影響。

本文在研究過程中僅考慮一種低質(zhì)林改造模式，在下一步的研究中，還將考慮不同的低質(zhì)林改造模式(水平帶狀改造/垂直帶狀改造，不同的改造帶寬)、不同的工藝設(shè)備組合對清單分析結(jié)果以及生態(tài)環(huán)境指標分數(shù)的影響。

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1)國家自然科學(xué)基金項目(31400539)。

孔琳琳，女，1991年7月生，東北林業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，碩士研究生。E-mail：linlinkong1991@163.com。

吳金卓，東北林業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，副教授。E-mail：wujinzhuo1980@163.com。

2017年7月10日。

張 玉。

S756.5

According to the life cycle assessment theory, the analytical method based on inventory process was adopted to quantitatively analyze the resource consumption, energy consumption as well as pollutants emissions of low-quality forest transformation operation system in the Xiaoxing’an Mountains. The Eco-indicator 99 method was used to analyze the environmental impacts caused by the low-quality forest transformation activities. Under the transformation mode of 10 m×100 m horizontal harvesting strips with retention strip width of 10 m, the average timber production was 36 m3/hm2, and the most consumed natural resource was crude oil (29.79 kg/hm2), followed by N, P, K, limestone, crude iron, and coal. The most emissions come from CO2(131.45 kg/hm2), followed by NOx, CO, PM, SO2, HC, and CH4. The environmental load caused by harvesting activities accounted for 79% of the total environmental load of the entire transformation process, which is 4 times of that caused by the regeneration activities. The wood transportation and seedling transportation process were the largest operation process, respectively, in the harvesting and regeneration & tending stages, accounting for 63.9% of the total environmental load. The value of the ecological indicator was 5.751/hm2, including 3.250/hm2for resources consumption, 2.400/hm2for human health, and 0.101/hm2for ecological environment, indicating that the environmental impact on resources consumption was far beyond that on ecological environment.