菌包木材材積消耗估算*

張忠旭 邱 堅(jiān) 李世民 李有貴 何海珊

(1. 云南省森林公安技術(shù)處，云南 昆明 650224；2. 西南林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)工程學(xué)院，云南 昆明 650224)

自2013年以來，云南省各級(jí)森林公安接到群眾多次舉報(bào)，多家企業(yè)收購(gòu)木材制作以木屑為主要原料的菌包，并發(fā)放給村民培育人工菌，再回收人工菌成品，導(dǎo)致村民砍伐天然林的現(xiàn)象頻發(fā)。人工菌主要為黑木耳 (Auriculariaauricular) 和香菇 (Lentinusedodes)，市場(chǎng)需求量大。硬闊葉材木屑是目前黑木耳和香菇培育過程中最常用也是最適合的原料，因?yàn)槭褂密涢熑~、秸稈為原料制作的菌包所產(chǎn)木耳產(chǎn)量和品質(zhì)較低，而針葉材中的木質(zhì)素和樹脂抗菌性較強(qiáng)[1-2]而不能使用。據(jù)云南省森林公安調(diào)查，目前在德宏和保山等地大量使用的菌包中，木屑均來源于天然硬闊葉林。雖然這一現(xiàn)象對(duì)天然林的危害較大，但由于菌包中的木屑計(jì)算成木材材積或株數(shù)尚未有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或文獻(xiàn)依據(jù)，因此森林公安執(zhí)法缺乏定責(zé)依據(jù)，不能及時(shí)追責(zé)，難以有效監(jiān)管和保護(hù)森林生態(tài)。鑒于此，云南省森林公安聯(lián)合西南林業(yè)大學(xué)木材科學(xué)研究室進(jìn)行合作研究，擬通過測(cè)量木屑基本密度、木材含水率推算木材實(shí)時(shí)密度，根據(jù)木材總質(zhì)量計(jì)算木材材積。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

據(jù)云南省森林公安局調(diào)查，目前大量的木屑菌包配方為：木材11.6 kg，糠1 kg，麥糠1 kg，水5.5 kg，共19.1 kg。企業(yè)統(tǒng)一將木材打碎成木屑，將所有原料混勻、分裝。云南省森林公安從3家企業(yè)取得4批 (每批13包菌包) 菌包，編為甲、乙、丙、丁進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1篩分菌包

以8目、20目、40目的網(wǎng)篩篩分菌包中的木屑，使用20目時(shí)篩出物質(zhì)量與菌包總質(zhì)量之比為70%～86%，與配方中木材、水的質(zhì)量與總重量之比89.53%較接近，因此以20目網(wǎng)篩篩分菌包，稱量篩出物得M篩出。

1.2.2相關(guān)參數(shù)計(jì)算

每包菌包取樣2次，每次約20 g木屑 (去除樹皮)，以精度0.001天平 (型號(hào)為DTT-A+200) 稱重得M實(shí)時(shí)，以循環(huán)水式多用真空泵 (鄭州長(zhǎng)城科工貿(mào)易有限公司SHB-III型) 抽真空浸泡木屑至飽水，即真空條件下木屑沉于水底且再無氣泡冒出，以漏斗加真空泵抽濾，稱得飽水質(zhì)量M飽水。隨后木屑置于原本裝有50 mL水的100 mL量筒中，記錄體積增量為木屑飽水體積V飽水， (103 ± 2)℃烘干[3]至絕干，置于干燥室冷卻后稱絕干質(zhì)量M絕干。分別以體積法和最大含水量法計(jì)算木材基本密度。

1) 體積法：菌包中木屑含水率為W實(shí)時(shí)=M實(shí)時(shí)/M絕干，木屑基本密度為ρ基本1=M絕干/V體積。

2) 最大含水量法：ρ基本2=1/(((M飽水-M絕干)/M絕干) + (1/1.56))[4]。

根據(jù)美國(guó)林產(chǎn)品實(shí)驗(yàn)室關(guān)于木材基本密度、木材實(shí)時(shí)密度與實(shí)時(shí)含水率的關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式[5]，可求得木屑的實(shí)時(shí)密度：木屑吸水后的密度為ρ實(shí)時(shí)=Gm(1 +W實(shí)時(shí)/100)，其中Gm=Gb/[1-0.265Gb(1-W/MCfs)]，MCfs為纖維飽和點(diǎn)，取近似值30，則菌包中木屑的材積V實(shí)時(shí)=M篩出/ρ實(shí)時(shí)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

計(jì)算結(jié)果以Excel分析均值及變異系數(shù)，以SPSS分析多組樣本間的差異顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 基本密度計(jì)算

由于木屑在菌包中含水率達(dá)50%以上，高于木材纖維飽和點(diǎn)，木材中自由水含量較高，可溶化木材中的水溶性抽出物，而測(cè)試過程中真空浸注飽水處理使水溶性內(nèi)含物溶出，導(dǎo)致絕干質(zhì)量偏低，基本密度偏小，材積偏大，不符合疑點(diǎn)利益歸于被告的法律精神，因此應(yīng)該將水溶性抽出物含量加回計(jì)算過程中的絕干質(zhì)量。

據(jù)文獻(xiàn)調(diào)查，木材冷水抽出物的成分主要是單糖、低聚糖、淀粉、果膠、黃酮、單寧、木質(zhì)酚等，闊葉材冷水抽出物含量0.60%～6.89%[6-9]。本研究中，考慮疑點(diǎn)利益歸于被告的法律精神，冷水抽出物含量取6%。冷水抽出物測(cè)定方法多依據(jù)GB/T 2677.4—1993 《造紙?jiān)纤槌鑫锖康臏y(cè)量》 進(jìn)行，冷水抽出物含量X1=(G-G1)/G，其中G為樣品抽提前絕干質(zhì)量，G1為樣品抽提后絕干重，因此G=G1/(1-X1)。

以此計(jì)算木屑基本密度，經(jīng)差異顯著性分析，結(jié)果見表1，其中乙批體積法所測(cè)基本密度變異系數(shù)大于15%，因此剔除該組數(shù)據(jù)。

表1 不同批次菌包木屑基本密度Table 1 Wood chips density of different batch fungi bags

注：不同小寫字母表示顯著差異 (P< 0.05)，不同大寫字母表示極顯著差異 (P< 0.01)。

由表1可知，甲批的體積法與最大含水率法所得基本密度差異性極顯著，其他批的2種方法所得基本密度差異性不顯著，原因是在測(cè)量木屑飽水體積及質(zhì)量前的抽濾水分的過程中，甲批未使用茶葉袋將木屑包住，使木屑在抽濾水分時(shí)大面積暴露于空氣中造成抽濾過度，導(dǎo)致飽水質(zhì)量偏小，則以最大含水量法計(jì)算的基本密度偏大而體積法計(jì)算的基本密度偏小，呈現(xiàn)2種方法差異性極顯著的情況。因此，后續(xù)分析中剔除甲批的最大含水量法的數(shù)據(jù)。四批菌包的基本密度中，甲批與丁批差異性不顯著，乙批與甲批差異性不顯著。

2.2 材積計(jì)算

2.2.1實(shí)時(shí)材積計(jì)算

4個(gè)批次木屑實(shí)時(shí)含水率測(cè)量分析結(jié)果見表2。丙批的變異系數(shù)大于15%，因此剔除該組數(shù)據(jù)。差異性分析表明，除乙批和丁批木屑間含水率差異不顯著外，其余批次木屑含水率相互差異均達(dá)極顯著水平。

表2 不同批次菌包木屑實(shí)時(shí)含水率Table 2 Moisture content of wood chips of different batch fungi bags

注：不同小寫字母表示顯著差異 (P< 0.05)，不同大寫字母表示極顯著差異 (P< 0.01)。

剔除前述不可靠數(shù)據(jù)，木屑實(shí)時(shí)密度按每包的平均實(shí)時(shí)含水率計(jì)算分析見表3。差異性分析表明，甲批實(shí)時(shí)密度極顯著低于丁批。

表3 不同批次菌包木屑實(shí)時(shí)密度Table 3 Current density of wood chips of different batch fungi bags

注：不同小寫字母表示顯著差異(P< 0.05)，不同大寫字母表示極顯著差異(P< 0.01)。

實(shí)時(shí)材積的計(jì)算結(jié)果見表4，甲批實(shí)時(shí)材積極顯著低于丁批。

表4 不同批次菌包木屑實(shí)時(shí)材積Table 4 Current volume of wood chipsof different batch fungi bags

注：不同小寫字母表示顯著差異 (P< 0.05)，不同大寫字母表示極顯著差異 (P< 0.01)。

按照配方每批含木材11.6 kg為定值，當(dāng)甲批基本密度與丁批差異性不顯著，甲批實(shí)時(shí)密度在極顯著水平低于丁批時(shí)，甲批的實(shí)時(shí)材積應(yīng)該顯著大于丁批，實(shí)時(shí)材積的計(jì)算結(jié)果說明篩出木屑的質(zhì)量不能反映木屑實(shí)際質(zhì)量，木屑篩出時(shí)均以20目分樣篩篩出，可能因?yàn)槊颗拘嫉拇旨?xì)程度不同，部分糠和麥糠粘附木屑而部分細(xì)木屑隨糠和麥糠篩出。若想獲得可信的M篩出，需要分析糠、麥糠和木屑的吸水性及其吸水前的含水率，難度較大。

2.2.2氣干材積計(jì)算

由于實(shí)時(shí)材積估算存在盲區(qū)，因此根據(jù)菌包配方中木材打成木屑前的木材質(zhì)量及氣干含水率估算每包菌包消耗的木材氣干材積。計(jì)算公式如下：

V氣干=M配方/ρ氣干/n

式中：ρ基本為木材基本密度；W為氣干含水率；ρ氣干=Gm(1 +W氣干/100)，Gm=ρ基本/[1-0.265ρ基本(1-W氣干/30)]。

通過森林公安進(jìn)一步調(diào)查發(fā)現(xiàn)，制作菌包的公司考慮原材收購(gòu)的成本，只收購(gòu)氣干后的木材，經(jīng)初步調(diào)查并以木材含水率測(cè)試儀測(cè)量，木材氣干含水率為7%～15%。由于德宏、保山等地地處云南西南部哀牢山區(qū)，根據(jù)空氣溫濕度與木材平衡含水率關(guān)系對(duì)照表[4,10-11]得知該條件下木材氣干后的平衡含水率為14.6%～16.0%。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，以4批中最大平均基本密度ρ丁基本(0.501 g/cm3) 為平均基本密度，根據(jù)菌包配方中木材質(zhì)量M配方11.6 kg (13包)，可推算每包菌包消耗的氣干材積，據(jù)此建立云南西南地區(qū)木屑菌包消耗木材的木材含水率與材積的對(duì)照表，見表5。

表5 菌包木材含水率與材積對(duì)照表Table 5 Checklist of wood moisture content and volume of fungi bags

3 結(jié) 論

1) 云南省西南地區(qū)菌包抽查研究表明，考慮水抽出物含量后，4批菌包木屑的平均基本密度中最大值為0.501 g/cm3，根據(jù)菌包的配方中木材的重量及氣干含水率，可依據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式Gm=0.501/[1-0.265 × 0.501 (1-W氣干30)]，ρ氣干=Gm(1 + 12/100)，V氣干=M配方/ρ氣干/13估算材積。

2) 最大含水量法和體積法所測(cè)得的木屑的基本密度差異不顯著，測(cè)量基本密度時(shí)若將木屑暴露于空氣中抽濾會(huì)使測(cè)試所得的基本密度偏大。

3) 經(jīng)驗(yàn)證，由于篩出木屑受到糠和麥糠的粘附，篩出木屑質(zhì)量與實(shí)際木屑質(zhì)量差異大，不能作為計(jì)算材積的依據(jù)。

按照每13包木材重11.6 kg計(jì)算，當(dāng)估計(jì)的含水率低于實(shí)際含水率，則所計(jì)算所得木材材積偏大，基于疑點(diǎn)利益歸于被告的法律精神，在含水率不能測(cè)量時(shí)，應(yīng)根據(jù)較大的含水率值計(jì)算木材材積。在實(shí)際案例中，如有詳實(shí)的樹種數(shù)據(jù)或木屑在配方中的質(zhì)量有變化，也可依據(jù)樹種查找文獻(xiàn)，得到樹種的基本密度，再依據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算。