傅童成,包維卿,謝光輝
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林業(yè)剩余物資源量評估方法
傅童成1,2,包維卿1,2,謝光輝1,2
1 中國農(nóng)業(yè)大學 農(nóng)學院,北京 100193 2 國家能源非糧生物質(zhì)原料研發(fā)中心,北京 100193
傅童成, 包維卿, 謝光輝. 林業(yè)剩余物資源量評估方法.生物工程學報, 2018, 34(9): 1500–1509.Fu TC, Bao WQ, Xie GH. Methods for assessing resources of forestry residues. Chin J Biotech, 2018, 34(9): 1500–1509.
根據(jù)近十年來相關文獻報道,分析了前人所建方法的合理性,結(jié)合中國林業(yè)生產(chǎn)實際,完善了林業(yè)剩余物資源潛力的計算方法。主要貢獻包括:林業(yè)剩余物第二級分類的10個主要類型,即林木苗圃剩余物、林木修枝剩余物、木材采伐剩余物、木材造材剩余物、木材加工剩余物、竹材加工剩余物、薪材、廢舊竹材、廢舊木材、香蕉和菠蘿殘體;將經(jīng)濟林采伐和進口原木產(chǎn)生的剩余物計入相關木材剩余物計算范圍;首次建立了包括木本水果在內(nèi)的林木修枝剩余物的計算方法,以及多年生草本水果剩余物即香蕉和菠蘿殘體產(chǎn)量的計算方法;確定計算公式中參數(shù)所需要數(shù)據(jù)的來源;建議今后重點研究相關系數(shù)取值、林業(yè)剩余物資源量及其空間分布和相關行業(yè)標準等。
生物質(zhì),采伐剩余物,加工剩余物,造材剩余物,林業(yè)水果修枝剩余物,香蕉和菠蘿殘體
林業(yè)剩余物是產(chǎn)量大、分布廣、含硫量小的生物質(zhì)資源。林業(yè)剩余物的回收利用不僅可以提高林木資源利用率,保護森林資源,還可以緩解能源危機、幫助減少碳排放。隨著近年來我國對于碳排放、能源安全等問題的重視,有關林業(yè)剩余物資源估算的報道逐漸增多,但結(jié)果差異很大,差異存在的主要原因是剩余物的定義及研究范圍不明確、計算方法及系數(shù)取值不合理、參數(shù)來源不詳。為了建立可靠的評估體系,需要對林業(yè)剩余物定義、分類和計算方法進行系統(tǒng)研究。前期工作完善了定義和分類,明確了各類林業(yè)剩余物所包含的內(nèi)容物范圍[1]。在此基礎上,本文通過綜合分析前人研究結(jié)果、專家咨詢等方式,分析并完善了本系列研究[1]中二級分類下的10類林業(yè)剩余物的計算公式,確定其中所需參數(shù)的來源,旨在為準確評估中國林業(yè)剩余物資源量及其分布提供計算方法。
應用先前研究對林業(yè)剩余物定義的概念[1],即在林業(yè)育苗、管理、采伐、造材、加工和利用整個過程中產(chǎn)生廢棄物潛在量的總和,但不包括各林種的凋落物 (即枯枝、落葉和棄果等) 和經(jīng)濟林收獲物加工及食用產(chǎn)生的廢棄物 (即果皮、果殼、殘碴等)。在其第二級分類水平上[1],本文研究了各類林業(yè)剩余物資源潛力的計算方法,包括林木苗圃剩余物、林木修枝剩余物、木材采伐剩余物、木材造材剩余物、木材加工剩余物、竹材加工剩余物、薪材、廢舊竹材、廢舊木材、香蕉和菠蘿殘體。
根據(jù)前文報道[1],林業(yè)剩余物第一級分類包括木材剩余物、竹材剩余物和草本果樹剩余物。第二級分類共10類,對于木材剩余物,經(jīng)濟林、防護林、特用林及用材林中的短輪伐期工業(yè)原料林和速生豐產(chǎn)林在育苗、修枝、采伐、造材、加工及使用環(huán)節(jié),分別產(chǎn)生林木苗圃剩余物、林木修枝剩余物、木材采伐剩余物和薪材、木材造材剩余物、木材加工剩余物和廢舊木材。對于竹材剩余物,用材林中的大徑竹在采伐、造材和加工環(huán)節(jié)產(chǎn)生竹材加工剩余物,竹材使用環(huán)節(jié)產(chǎn)生廢舊竹材;對于草本果樹剩余物,經(jīng)濟林的草本果樹在采伐時產(chǎn)生香蕉殘體與菠蘿殘體[1]。
通過查閱2007–2017年間的中國博士和碩士學位論文、國內(nèi)外相關著作及期刊論文,提取其中林業(yè)剩余物的計算公式及其所應用的參數(shù),同時查詢相關林業(yè)統(tǒng)計年鑒獲得各類計算參數(shù) (附錄表1,附錄表2)。
2.1.1 林木苗圃剩余物
林木苗圃剩余物的計算方法最早由張希良和呂文[2]提出,經(jīng)潘小蘇[3]和張衛(wèi)東等[4]進一步完善,可估算苗圃中修枝、定桿和截桿剩余物資源量 (表1中A1)。
2.1.2 林木修枝剩余物
經(jīng)濟林、用材林、防護林和特種用途林都能產(chǎn)出修枝剩余物,其評估方法是以各林種的面積、修枝頻度系數(shù)和剩余物產(chǎn)率相乘。其中,木本水果每年面積數(shù)據(jù)可在中國農(nóng)業(yè)年鑒[5]中獲得,而其他林種只能應用每7年公布一次的全國森林資源清查報告的數(shù)據(jù)[6]。因此,本文將木本水果修枝剩余物的計算公式單列出來,包括蘋果、梨、柑橘、荔枝、桃、彌猴桃和葡萄修枝剩余物 (表1中A2)。在所有林種中,除木本水果修枝剩余物以外的稱為其他林木修枝剩余物,可基于表1中A3預測。
2.1.3 木材采伐剩余物
前人對于采伐剩余物資源量有兩類計算方法。第一類是基于成熟林和過熟林的面積 (表2中B1) 或蓄積量 (表2中B2),這顯然是不合理的,因為成熟林和過熟林的林木雖然都處于可采伐狀態(tài),但是否能采伐受國家森林采伐限額調(diào)控,而且采伐包括皆伐、擇伐或間伐,不可能統(tǒng)一為皆伐。
除公式B1和B2外,也有研究使用其他方法進行剩余物估算:一是基于森林采伐限額 (表2中B3) ,默認我國采伐量按林政部門每年公布的采伐限額全部完成[7-8],但是采伐限額不包括經(jīng)濟林部分。本研究改進后獲得公式(1)。二是最近有報道非林木部分剩余物的計算方法[9],實質(zhì)就是采伐剩余物,其計算公式基于原木產(chǎn)量和原木出材率,或者商品材產(chǎn)量和商品材出材率 (表2中B4),這個方法仍沒有包括經(jīng)濟林采伐剩余物部分。目前行業(yè)統(tǒng)計中沒有經(jīng)濟林采伐量的數(shù)據(jù),但是有經(jīng)濟林的面積,本研究基于經(jīng)濟林面積、采伐頻度系數(shù)和每棵樹采伐剩余物產(chǎn)率求得經(jīng)濟林采伐剩余物資源量,改進表2中B4獲得表1中A4。
其中,為森林采伐限額(m3);為經(jīng)濟林面積(hm2);α為木材密度(t/m3);c為木材采伐剩余物系數(shù)(%);f為經(jīng)濟林采伐頻度系數(shù)(%);為經(jīng)濟林栽植密度(棵/hm2);p為經(jīng)濟林木材采伐剩余物產(chǎn)率 (t/棵)。
公式A4和公式 (1) 都是正確的方法。但是,森林采伐限額理論上是國家允許的最大采伐量,不是實際值。應用行業(yè)統(tǒng)計的原木產(chǎn)量更符合生產(chǎn)實際,本研究建議應用表1中A4計算更為合適。
表1 本研究建議應用的各類林業(yè)剩余物資源潛力的計算方法
2.1.4 木材造材剩余物
最近也有報道[9]計算木材的立木部分剩余物資源量,實質(zhì)是造材剩余物,基于原木或商品材出材率進行計算 (表2中B6和B7),但這些方法都沒有包括經(jīng)濟林的造材剩余物部分。本研究應用經(jīng)濟林原木材積產(chǎn)率,將表2中B6改進為表1中A5。
于丹[8]以原木產(chǎn)量乘以造材剩余物系數(shù)估算造材剩余物資源量 (表2中B5),加上經(jīng)濟林部分的造材剩余物,即改進為公式 (2)。但是,相比A5,公式 (2) 需要應用木材造材剩余物系數(shù) (c),這個系數(shù)取值研究少,因此建議應用A5。
其中,為原木產(chǎn)量(m3);為經(jīng)濟林面積(hm2);α為木材密度(t/m3);c為木材造材剩余物系數(shù)(%);f為經(jīng)濟林采伐頻度系數(shù)(%);為經(jīng)濟林栽植密度(棵/hm2);p為經(jīng)濟林原木材積產(chǎn)率(m3/棵)。
也有學者用同一個公式直接計算采伐和造材剩余物資源量 (表2中B8)。僅從公式上,將采伐和造材兩個剩余物系數(shù)加和,但是,由于采伐和造材兩類剩余物的內(nèi)容物及其可獲得性完全不同,本研究認為分別計算能更具體地呈現(xiàn)林業(yè)剩余物資源現(xiàn)狀,建議不用該類公式。
表2 前人研究中計算各類型林業(yè)剩余物值得商榷改進的方法
2.1.5 木材加工剩余物
迄今為止,在能查閱的相關研究中關于木材加工剩余物的計算方法都是值得商榷、有待改進的。一是基于加工材用量的方法 (表2中B9),只包括用于加工的國產(chǎn)原木部分,忽略了進口原木。二是應用當年原木產(chǎn)量計算 (表2中B10),但未考慮非加工用途的原木量,而且,用于造紙和化工的原木幾乎不產(chǎn)生加工剩余物,當年生產(chǎn)的原木可能在下一年或更晚才被加工,同時,這個公式還忽略了進口原木加工產(chǎn)生的剩余物。三是應用工業(yè)與建筑用材消耗量計算 (表2中B11),這類原木也包含一定量的直接用原木,而且,消耗工業(yè)與建筑用材量是否包括了進口原木加工用材量并不清楚。上述方法還有一個共同的不足之處,就是沒有包括經(jīng)濟林原木產(chǎn)生的加工剩余物部分。
為此,本研究應用加工用材系數(shù),即用于加工的原木分別占進口原木和經(jīng)濟林原木的比率,在表2中B9的基礎上,設計了較為合理的木材加工剩余物資源量計算方法 (表1中A6)。
還有部分研究認為木材采伐、加工和造材剩余物總量約占原木產(chǎn)量的1/2或1/3 (表2中B12),原文獻中對這一系數(shù)來源無任何說明,缺乏合理性依據(jù)。
2.1.6 薪材
將薪材體積產(chǎn)量數(shù)據(jù)乘以木材氣干密度即得到其質(zhì)量 (表1中A7)。
2.1.7 竹材加工剩余物
雖然中國林業(yè)統(tǒng)計年鑒[18]中有小雜竹產(chǎn)量,但是至今未獲得小雜竹收獲和加工過程剩余物產(chǎn)出比例。王紅彥等[9]以大徑竹產(chǎn)量乘以相關系數(shù)計算竹材加工剩余物資源量 (表1中A8),是合理的。
2.1.8 廢舊木材
王紅彥等[9]最近提出廢舊木材回收量根據(jù)直接用原木和加工后的木制品平均使用壽命及其當年的產(chǎn)量、廢舊木制品回收率估算 (表1中A9),也是合理的。但是,在此之前的廢舊木材資源的研究報道[3]中存在公式與計算結(jié)果不對應,引用來源不詳?shù)膱蟮赖葐栴}。也有部分研究[4]雖然提出了計算公式,可是經(jīng)溯源發(fā)現(xiàn)引用文章[19]與其計算內(nèi)容毫無關系。
2.1.9 廢舊竹材
應用的廢舊木材評估方法,可設計廢舊竹材估算的計算方法 (表1中A10)。
2.1.10 香蕉和菠蘿殘體
截止目前,尚未查到研究提出對香蕉和菠蘿殘體資源量的計算方法。實際生產(chǎn)中香蕉和菠蘿都是一年一熟植物,在一年內(nèi)完成一個從栽植或培植幼苗到水果收獲后砍倒殘體的生產(chǎn)周期,可根據(jù)其栽植密度和單位面積的殘體產(chǎn)率,結(jié)合種植面積,設計香蕉和菠蘿殘體資源量的計算方法 (表1中A11)。
2.2.1 造林苗木數(shù)量
指苗圃中培育并具有根和苗干的樹苗數(shù)量,由中國林業(yè)統(tǒng)計年鑒[18]獲得數(shù)據(jù) (表3)。
2.2.2 用材林面積、防護林面積、特種用途林面積、木本水果種植面積和木本水果外其它經(jīng)濟林面積
用材林、防護林和特種用途林面積分別指其實際林地的面積,由全國森林清查結(jié)果獲得數(shù)據(jù) (表3)。經(jīng)濟林有一定特殊性,林業(yè)范疇內(nèi)木本水果包括蘋果、梨、柑橘、荔枝、桃、獼猴桃和葡萄,其種植面積數(shù)據(jù)可應用中國農(nóng)業(yè)年鑒[5](表3)。這樣,將用材林、防護林和特種用途林和木本水果以外的經(jīng)濟林作為一個整體估算其修枝剩余物資源量,木本水果以外的其他經(jīng)濟林面積數(shù)據(jù)可用全國森林清查結(jié)果中經(jīng)濟林面積減去7種水果種植面積和的差值。
2.2.3 森林采伐限額
從1986年開始,由林業(yè)主管部門根據(jù)用材林消耗量低于生長量和森林合理經(jīng)營的原則,經(jīng)過科學測算制定全國森林采伐限額,并經(jīng)國務院批準實施,每5年修訂一次 (表3)。森林采伐限額所包含的范圍除國家森林法規(guī)定的禁伐森林和林木外,包括所有林種的林分和林木的主伐、補充主伐、撫育間伐、衛(wèi)生伐、林分改造等各種采伐所消耗的資源總額,但不包括經(jīng)濟林采伐量。
2.2.4 原木產(chǎn)量、商品材產(chǎn)量和薪材體積產(chǎn)量
原木產(chǎn)量就是經(jīng)濟材產(chǎn)量[9,20],商品材產(chǎn)量為經(jīng)濟材和薪材產(chǎn)量的總和,均由中國林業(yè)統(tǒng)計年鑒[18]中直接獲得數(shù)據(jù) (表3)。
2.2.5 加工用材量
加工用材量直接取中國林業(yè)統(tǒng)計年鑒[18]中按原木按用途分類為加工材。
2.2.6 進口原木量
指每年進口的各類原木材的總材積量。各類進口原木數(shù)據(jù)可由中國海關統(tǒng)計年鑒[21]獲得,中國林業(yè)統(tǒng)計年鑒[18]中包含進口原木總量的數(shù)據(jù)。
表3 計算林業(yè)剩余物所用參數(shù)及其數(shù)據(jù)來源
注:除進口原木量() 在中國林業(yè)統(tǒng)計年鑒[18]中只有全國總量外,其他指標均有全國各省市區(qū)數(shù)據(jù)?!八脜?shù)”一欄每個參數(shù)的符號是本文所加,與本文中公式所用符號一致。
2.2.7 大徑竹產(chǎn)量
指直徑在5 cm以上竹材的產(chǎn)量,數(shù)據(jù)來源于中國林業(yè)統(tǒng)計年鑒[18]。
2.2.8 香蕉種植面積與菠蘿種植面積
指年末菠蘿與香蕉種植面積,數(shù)據(jù)來源于中國農(nóng)業(yè)年鑒[5]。
2.2.9 歷史時期木制品產(chǎn)量、歷史時期直接用原木產(chǎn)量、歷史時期竹地板產(chǎn)量和竹膠合板產(chǎn)量
這些參數(shù)用于計算可回收廢舊木材和廢舊竹材資源量,可在中國林業(yè)統(tǒng)計年鑒[18]中獲得數(shù)據(jù)。l、l、l分別是木制品、直接用原木、竹制品 (竹地板和竹膠合板) 的使用壽命,其取值將另文研究。
本文根據(jù)最新林業(yè)剩余物定義[1],全面分析研究了相關報道,結(jié)合林業(yè)生產(chǎn)實際,改進完善了第二級分類的各種林業(yè)剩余物的評估計算方法。
通過分析前人研究中對于林業(yè)剩余物的計算范圍,并結(jié)合國家對于森林生產(chǎn)的法規(guī)及政策,本研究將經(jīng)濟林采伐產(chǎn)生的剩余物計入林業(yè)剩余物范圍內(nèi),既包括木材類,還包括多年生草本水果類。在林業(yè)生產(chǎn)實際中,我國經(jīng)濟林采伐是在國家林業(yè)采伐限額以外,且采伐所得木材材積不計入中國林業(yè)統(tǒng)計年鑒[18]的木材產(chǎn)量中,而多年生草本水果類往往被誤以為不屬于林業(yè)范疇而忽略了其剩余物資源。因此,相比以往研究,本研究林業(yè)剩余物資源潛力評估方法最為全面,能涵蓋整個林業(yè)范疇。此外,本研究將進口原木產(chǎn)生的加工剩余物納入計算范圍。雖然我國每年都進口大量的木材[19],但卻未見前人報道將這部分木材經(jīng)加工產(chǎn)生的剩余物納入計算范圍中。
本研究通過改進前人對于部分類型林業(yè)剩余物的計算方法,對本系列研究[1]中所包含的10類二級分類下的林業(yè)剩余物進行了合理的計算。其中,確定了廢舊竹材的資源量的計算方法。廢舊竹材與廢舊木材一樣,都屬于林業(yè)產(chǎn)業(yè)中無法被利用的部分,前人研究中已考慮了廢舊木材的計算,而未建立廢舊竹材的評估方法。此外在林木修枝剩余物的計算方法上,由于木本水果種植面積數(shù)據(jù)及其修枝剩余物可獲得性的特殊性,本文首次確立了木本水果修枝剩余物的計算方法,能提高林木修枝剩余物資源評估的精確性。
針對前人研究中對于參數(shù)和系數(shù)的定義不清及來源不詳?shù)膯栴},本研究結(jié)合數(shù)據(jù)來源確定計算公式中的參數(shù)。在參數(shù)的術語和定義上,保證與其數(shù)據(jù)來源文獻的一致性。優(yōu)先使用來自行業(yè)統(tǒng)計年鑒中的數(shù)據(jù)作為計算參數(shù),充分保證所應用數(shù)據(jù)的可靠性。
建議今后加強林業(yè)剩余物資源的研究。首先,需要對各類剩余產(chǎn)量計算所需要的系數(shù)進行準確取值。本系列研究將另文系統(tǒng)分析前人研究結(jié)果,確定各種系數(shù)的合理取值。然后,應以最新的定義和系數(shù)取值,研究我國林業(yè)剩余物資源量、空間分布及發(fā)展趨勢,以促進生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。最后,建議進一步深入研究林業(yè)剩余物資源相關的定義、分類和資源量評估方法,以形成行業(yè)標準,以統(tǒng)一的方法進行相關研究,才能獲得一致而準確的結(jié)果,并減少低效重復研究。
致謝:本文在研究過程中就大量相關學術問題請教了北京林業(yè)大學林學院馬履一教授,特致謝忱。
附表1 計算林業(yè)剩余物資源量所用參數(shù)符號及說明
Appendix Table 1 Signals and instructions of parameters for the quantity estimations of forestry residue
參數(shù)說明單位參數(shù)說明單位 Ab香蕉種植面積hm2Fv薪材體積產(chǎn)量m3 Ae經(jīng)濟林面積hm2Ic工業(yè)與建筑用材消耗量m3 Am成熟林與過熟林面積hm2Lf加工用材量m3 Ao木本水果種植面積hm2Lm進口原木量m3 Ap防護林的面積(hm2)hm2Na造林苗木數(shù)千棵 Ar菠蘿種植面積hm2P?薪材產(chǎn)量m3 As特種用途林的面積hm2Pl原木產(chǎn)量m3 At用材林面積hm2Q?森林采伐限額m3 BFblb年前的竹地板產(chǎn)量m3Sm成熟林與過熟林的蓄積量或采伐原木數(shù)m3 Bl大徑竹產(chǎn)量根Vc商品材產(chǎn)量m3 BPblb年前的竹膠合板產(chǎn)量m3Wxlw年前的木制品產(chǎn)量m3 Dlll年前的直接用原木產(chǎn)量m3
附表2 計算林業(yè)剩余物資源量所用系數(shù)符號及說明
Appendix Table 2 Signals and instructions of coefficients for the quantity estimations of forestry residue
系數(shù)說明單位系數(shù)說明單位 αb竹材密度t/m3lm竹制品使用壽命年 αw木材密度t/m3ll直接用原木使用壽命年 cb木材造材剩余物系數(shù)%lw木制品使用壽命年 cc木材采伐剩余物系數(shù)%oc商品材平均出材率% ce經(jīng)濟林木材加工系數(shù)%ol經(jīng)濟材平均出材率% ch木材加工剩余物系數(shù)%ot原木出材率% cm進口木材加工系數(shù)%pb香蕉殘體每年產(chǎn)率t/hm2 cp竹材剩余物產(chǎn)出系數(shù)%pe經(jīng)濟林木材采伐剩余物產(chǎn)率t/棵 cw加工剩余物系數(shù)%pk其他經(jīng)濟林每次修枝剩余物產(chǎn)率t/hm2 d經(jīng)濟林栽植密度棵/hm2pel經(jīng)濟林原木材積產(chǎn)率m3/棵 ?c經(jīng)濟林采伐頻度系數(shù)%pn林木苗圃剩余物產(chǎn)率t/千棵 ?k其他經(jīng)濟林修枝頻度系數(shù)%po木本水果每次修枝剩余物產(chǎn)率t/hm2 ?o木本水果修枝頻度系數(shù)%pp防護林每次修枝剩余物產(chǎn)率t/hm2 ?p防護林林修枝頻度系數(shù)%pr菠蘿殘體每年產(chǎn)率t/hm2 ?s特種用途林修枝頻度系數(shù)%ps特種用途林每次修枝剩余物產(chǎn)率t/hm2 ?t用材林修枝頻度系數(shù)%pt用材林每次修枝剩余物產(chǎn)率t/hm2 i第i種水果(i=1, 2, …, 7, 即蘋果、梨、rb廢舊竹制品回收率% 柑橘、荔枝、桃、彌猴桃和葡萄)rd廢舊直接用原木回收率% k基于面積的木材采伐剩余物系數(shù)m3/hm2rw廢舊木制品回收率% kc木材采伐和造材剩余物系數(shù)%wb大徑竹平均生物質(zhì)量t/千棵 l木制產(chǎn)品剩余物的產(chǎn)出比例%
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(本文責編 郝麗芳)
Methods for assessing resources of forestry residues
Tongcheng Fu1,2, Weiqing Bao1,2, and Guanghui Xie1,2
1 College of Agronomy and Biotechnology, China Agricultural University, Beijing 100193, China 2 National Energy R&D Center for Non-food Biomass, Beijing 100193, China
In this study, models for assessing resources of forestry residues were improved based on analysis of previous studies and current forest production in China. And novelties are highlighted: this study covered the models for the calculation of 10 secondary forestry residues from woody nursery, forest woody pruning, wood logging, firewood, wood bucking, wood handling, waste wood, banana and pineapple plants, bamboo processing and waste bamboo; the residues produced from fast-growing forest for logging and processing of imported wood were taken into consideration to calculate woody residue potential; the calculation of pruning residue included woody fruit trees, and herbaceous fruit plants from the management of orchard and other economic forest; the consistency of parameter terminology and definition which referred from their literature resources have been ensured; more studies focused on the coefficient values, industrial standard, forestry residue amount and spatial distribution are recommended for future researches.
biomass, logging residue, bucking residue, processing residue, orchard pruning residue, banana and pineapple residue
November 23, 2017;
April 17, 2018
National Development and Reform Commission on Climate Change, China Clean Development Mechanism Program (No. 2014083).
Guanghui Xie. Tel: +86-10-62734850; Fax: +86-10-62734851; E-mail: xiegh@cau.edu.cn
10.13345/j.cjb.170464
國家發(fā)展與改革委應對氣候變化司中國清潔發(fā)展機制基金贈款項目 (No. 2014083) 資助。