林業(yè)剩余物資源量評估所用系數(shù)的定義和取值

傅童成，王紅彥，謝光輝

1 中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，北京 100193

2 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081

3 國家能源非糧生物質(zhì)原料研發(fā)中心，北京 100193

準(zhǔn)確評估林業(yè)剩余物資源量是制定相關(guān)政策措施和生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃的重要參考。但是，一直以來前人對林業(yè)剩余物的估算差異較大，為此，本系列研究前文討論并完善了林業(yè)剩余物的概念定義[1]，完善了各類型剩余物的計(jì)算公式[2]。本文綜合分析前人對計(jì)算所用系數(shù)，結(jié)合產(chǎn)業(yè)調(diào)研，以期確定一套迄今較為合理的定義和取值。

1 研究方法

1.1 本文所用的定義和研究范圍

應(yīng)用本系列研究對林業(yè)剩余物定義的狹義概念[1]，即在林業(yè)育苗、管理、采伐、造材、加工和利用的整個過程中產(chǎn)生的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(jì)林收獲物加工、食用產(chǎn)生的廢棄物(即果皮、果殼、殘碴等)。根據(jù)本系列研究，林業(yè)剩余物第二級分類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?bào)w。本研究的范圍是計(jì)算這些第二級分類的林業(yè)剩余物所需要系數(shù)的定義和取值。

1.2 林業(yè)剩余物資源量評估方法及其參數(shù)

根據(jù)本系列研究的前文報(bào)道[2]，以國家或行業(yè)統(tǒng)計(jì)的各類林業(yè)生產(chǎn)指標(biāo)數(shù)據(jù)作為參數(shù)，乘以相應(yīng)的剩余物產(chǎn)出系數(shù)得到各類剩余物資源量。計(jì)算中所用主要參數(shù)包括各林種面積、造林苗木數(shù)量、木本水果種植面積、原木產(chǎn)量、薪材體積產(chǎn)量、加工用材量、大徑竹產(chǎn)量、木制品產(chǎn)量、竹地板產(chǎn)量、竹膠合板產(chǎn)量、香蕉種植面積、菠蘿種植面積，其定義及數(shù)據(jù)來源已經(jīng)明確[2]。林業(yè)剩余物產(chǎn)出系數(shù)共有 32個[2]，其定義和取值直接關(guān)系著計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1.3 數(shù)據(jù)來源

通過查閱 1993–2017年間的中國博士和碩士學(xué)位論文、國內(nèi)外相關(guān)著作及期刊論文，提取其中計(jì)算所用的系數(shù)，評估系數(shù)其取值的合理性。

同時采取問卷調(diào)研的方法對有關(guān)系數(shù)進(jìn)行取值。2017年 8–10月對木本水果修枝剩余物相關(guān)問題進(jìn)行了問卷調(diào)研，獲得35位果農(nóng)和4位果樹生產(chǎn)一線技術(shù)人員的問卷共157份，其中異常樣本6份、有效樣本151份，在有效樣本中，經(jīng)濟(jì)林剪枝調(diào)研樣本80份，經(jīng)濟(jì)林更新采伐情況調(diào)研樣本71份。2017年11月對山西省和北京市的7個苗圃剩余物進(jìn)行了實(shí)地調(diào)研，取得有效問卷6份。

2 結(jié)果與分析

2.1 木材密度(αw)

木材密度是單位體積木材的質(zhì)量，也叫折重系數(shù)，分為基本密度、生材密度、氣干密度和絕干密度[3]。根據(jù)林業(yè)生產(chǎn)實(shí)際，本研究認(rèn)為木材剩余物估算宜用木材氣干密度，含水率一般為12%[3]。

較多研究都將木材密度取為1.17 t/m3(表1)，本研究通過對文獻(xiàn)溯源，發(fā)現(xiàn)劉剛等[4]最早引用了此取值，但是并未給出引用依據(jù)。潘小蘇[5]也引用了此值，經(jīng)溯源發(fā)現(xiàn)此值在原文獻(xiàn)[6]中為biomass expansion factor，并不是木材密度。還有報(bào)道[7]將木材密度取值為0.5 t/m3或0.9 t/m3，但因?yàn)槿≈狄罁?jù)不明確而不宜采用。王紅彥等最近報(bào)道[8]引用了我國目前主要木材樹種的木材氣干密度平均值0.618 t/m3[9](表1)，由于獲得此值的樹種類型多，樣本量較大，因此是合理的，適用于各種木材剩余物。

表1 前人林業(yè)剩余物研究對木材密度的取值Table 1 Coefficient for wood density(WD) according to previous studies

2.2 竹材密度(αb)

竹材密度是單位體積竹材的質(zhì)量。本研究認(rèn)為宜用氣干密度，其含水率一般為 15%[3]。由于竹材廢棄主要為大徑竹，而行業(yè)統(tǒng)計(jì)的大徑竹主要品種為毛竹[12]，因此，以毛竹材的氣干密度[3](即0.81 t/m3) 作為竹材廢棄物密度取值是合適的。

2.3 林木苗圃剩余物產(chǎn)率(pn)

林木苗圃剩余物產(chǎn)率指在苗圃中每年因苗木死亡以及修枝、定桿、截桿產(chǎn)生的截頭和樹梢等剩余物的氣干重量。本研究對北京市和山西省的6家苗圃進(jìn)行了實(shí)地問卷調(diào)研，主要樹種為銀杏、蘋果、毛竹、玉蘭、柿，平均苗圃剩余物產(chǎn)率取值為氣干重 0.233 kg/棵。前人研究[5,13]將每年苗圃修枝、定桿、截桿產(chǎn)生的截頭和樹梢等剩余物的質(zhì)量取值為0.125 kg/棵，但是并沒有說明其取值來源，也沒有說明剩余物的含水率，同時可能因?yàn)闆]有包括因苗木死亡產(chǎn)生的剩余物而比本研究調(diào)研獲得的值小，因此，苗圃剩余物平均產(chǎn)率按本研究調(diào)研結(jié)果取值。

2.4 林木修枝頻度系數(shù)和每次修枝剩余物產(chǎn)率

林木修枝頻度系數(shù)是修枝周期年數(shù)的倒數(shù)的百分比，類似于取柴系數(shù)[14]或產(chǎn)柴系數(shù)[8]。修枝剩余物產(chǎn)率是指單位面積上每次修枝產(chǎn)生枝椏的質(zhì)量，前人研究也叫產(chǎn)柴率[8,14]。由于經(jīng)濟(jì)林尤其是木本水果的管理及其修枝剩余物收集具有特殊性，而且木本水果的生產(chǎn)情況統(tǒng)計(jì)更為具體，本文分別進(jìn)行了實(shí)地調(diào)研取值。因此，不建議應(yīng)用前人研究[5,7-8,13,15]將經(jīng)濟(jì)林作為一個整體應(yīng)用其修枝頻度和修枝剩余物產(chǎn)率。

2.4.1 用材林、防護(hù)林、特種用途林修枝頻度系數(shù)(?t, ?p, ?s) 和每次修枝剩余物產(chǎn)率(pt,pp, ps)

前人研究[10,16]報(bào)道了不同地區(qū)用材林、特種用途林、防護(hù)林的修枝剩余物產(chǎn)率(表 2)，由于沒有更新的研究目前按此取值是合理的。

表2 前人對林木第年修枝頻度系數(shù)和每次修枝剩余物產(chǎn)率的取值Table 2 Coefficient assessment for annual forest pruning frequency(FPF) and pruning residue rate(PRR) for each pruning according to previous studies

2.4.2 木本水果修枝頻度系數(shù)(?o) 和每次修枝剩余物產(chǎn)率(po)

木本水果包括中國農(nóng)業(yè)年鑒[17]中統(tǒng)計(jì)的7種水果，根據(jù)本研究問卷調(diào)研的結(jié)果，這7種成年木本水果的修枝頻度系數(shù)和修枝剩余物產(chǎn)率見表 3。

2.4.3 其他經(jīng)濟(jì)林修枝頻度系數(shù)(?k) 和每次修枝剩余物產(chǎn)率(pk)

本研究將表3所列7種木本水果以外的經(jīng)濟(jì)林叫其他經(jīng)濟(jì)林，對板栗、核桃、龍眼、山楂等共 10類經(jīng)濟(jì)林木進(jìn)行了調(diào)研，以其所有調(diào)研樣本的結(jié)果取平均值，得到其他經(jīng)濟(jì)林修枝頻度系數(shù)為 129%、每次修枝剩余物產(chǎn)率為 2.06 t/hm2(表 4)。

2.5 經(jīng)濟(jì)林栽植密度(d)、采伐頻度系數(shù)(?c)、采伐剩余物產(chǎn)率(pe)、原木材積產(chǎn)率(pel)、經(jīng)濟(jì)林木材加工系數(shù)(ce)

經(jīng)濟(jì)林栽植密度是經(jīng)濟(jì)林生產(chǎn)中單位面積上種植的林木棵數(shù)。根據(jù)本研究調(diào)研結(jié)果，我國經(jīng)濟(jì)林栽植密度平均為1 036棵/hm2(表5)。

表3 本研究對木本水果每年修枝頻度系數(shù)和每次修枝剩余物產(chǎn)率的調(diào)研取值結(jié)果Table 3 Coefficient assessment for annual forest pruning frequency(FPF) and residue production rate(PRR) for each pruning of woody fruit trees in China according to the field survey of this study

表4 本研究對其他經(jīng)濟(jì)林每年修枝頻度系數(shù)和每次修枝剩余物產(chǎn)率的調(diào)研取值結(jié)果Table 4 Annual forest pruning frequency(FPF) and residue production rate(PRR) for each pruning of other economic forest in China according to the field survey of this study

表5 本研究對經(jīng)濟(jì)林有關(guān)系數(shù)的調(diào)研取值結(jié)果Table 5 Coefficient assessment for the economic forest residue according to the field survey of this study

經(jīng)濟(jì)林采伐頻度系數(shù)是指經(jīng)濟(jì)林的經(jīng)濟(jì)壽命的倒數(shù)百分比。本研究調(diào)查了我國實(shí)際生產(chǎn)中經(jīng)濟(jì)林的采伐頻度，約26年采伐一次，即其采伐頻度為3.67%(表5)。有研究[8]報(bào)道，將果園平均更新周期定為15年，雖然多數(shù)木本水果的盛果期可達(dá) 20年以上[16]，但在經(jīng)營過程中往往提前更新變更栽植品種。但是，果園僅是經(jīng)濟(jì)林的一部分，例如，據(jù)專家咨詢結(jié)果，板栗、山楂、柿樹由于盛果期較長，壽命多在40–50年間，因此本研究的調(diào)研結(jié)果取值更為合理。

經(jīng)濟(jì)林木材采伐剩余物產(chǎn)率是平均每棵經(jīng)濟(jì)林采伐過程中產(chǎn)出剩余物質(zhì)量。經(jīng)濟(jì)林原木材積產(chǎn)率是平均每棵經(jīng)濟(jì)林木經(jīng)采伐和造材后形成的原木材積量。截止目前，尚未檢索到前人關(guān)于這兩個指標(biāo)取值的研究，根據(jù)本研究問卷調(diào)研結(jié)果，經(jīng)濟(jì)林采伐剩余物產(chǎn)率取值為氣干重0.018 5 t/棵，經(jīng)濟(jì)林原木材積產(chǎn)率取值為0.204 0 m3/棵(表5)。

經(jīng)濟(jì)林木材加工系數(shù)是經(jīng)濟(jì)林被采伐后經(jīng)過打枝、截梢和造材工藝所形成的原木中，被用于加工的量占原木總量的比例。根據(jù)本研究67份調(diào)研問卷顯示，經(jīng)濟(jì)林木材加工系數(shù)為11.72%。

2.6 木材采伐剩余物系數(shù)(cc)

指用材林、防護(hù)林和特種用途林在其采伐過程產(chǎn)生的剩余物占所采伐林木蓄積量的體積百分比。雖然前人研究對計(jì)入木材采伐剩余物內(nèi)容物不盡相同(表6)，這是林業(yè)生產(chǎn)的復(fù)雜性所導(dǎo)致，多數(shù)研究應(yīng)用通過經(jīng)驗(yàn)分析對木材采伐剩余物系數(shù)取值為40%，這在目前的研究中是合理的。

近年來有研究[8]使用“非立木剩余物數(shù)量相當(dāng)于立木材積量的平均比重”(原文簡稱為“非立系數(shù)”) 計(jì)算木材采伐和造材剩余物的“非立木部分”，認(rèn)為非立木部分不屬于采伐剩余物，這是值得商榷的。首先，“非立系數(shù)”本質(zhì)上就是“用材林、防護(hù)林和特種用途林木材采伐剩余物系數(shù)”，將原文中此系數(shù)的定義與用材林、防護(hù)林和特種用途林木材采伐剩余物系數(shù)的定義進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，實(shí)質(zhì)上兩個系數(shù)包含的內(nèi)容物是相同的。第二，“非立系數(shù)”將樹蔸計(jì)入了非商品材范圍，然而樹蔸的地上部分屬于立木蓄積，其地下部分收集又十分困難。

2.7 原木出材率(ot)

也叫經(jīng)濟(jì)材出材率，指樹干或木段用材長度和小頭直徑、材質(zhì)等指標(biāo)符合用材標(biāo)準(zhǔn)的各種原木、板方材等材種的材積量，占其生產(chǎn)所用林木的立木蓄積量的百分比(公式 1)。經(jīng)濟(jì)材出材率前人研究較多，對1 304個樣本進(jìn)行加權(quán)平均獲得取值為77.12%(表7)，由于樣本量大，該取值具有代表性。

式中，ot為原木出材率(%)，pl為原木產(chǎn)量(m3)，Vfr為采伐立木蓄積量(m3)。

表6 前人研究中木材采伐剩余物系數(shù)的取值Table 6 Coefficient assessment for wood logging residue according to previous studies

表7 前人研究的不同樹種的原木出材率的取值Table 7 Coefficient assessment for log outturn percentage(LOP) and the sample size(SS) of different tree species according to previous studies

2.8 木材造材剩余物系數(shù)(cb)

指原條在造材過程中產(chǎn)生的剩余物占其所生產(chǎn)原木材積量的體積百分比。于丹[7]將此系數(shù)取值定為34%。造材剩余物系數(shù)與原木出材率也有一定關(guān)系，造材的原料為原條(約等于采伐立木蓄積量)，造材過程會產(chǎn)生原木與造材剩余物。綜上所述，結(jié)合公式1，造材剩余物系數(shù)可由公式2推導(dǎo)。

式中，cb：木材造材剩余物系數(shù)(%)，Br：造材剩余物(m3)，ot：原木出材率(%)，pl：原木產(chǎn)量(m3)，Vfr：采伐立木蓄積量(m3)。

2.9 木材加工剩余物系數(shù)(ch)

指原木在加工過程中產(chǎn)生剩余物占所消耗原木的體積百分比，很多研究將此系數(shù)稱為木材加工剩余物產(chǎn)出比例[5,7,13]，也有稱為木材加工剩余物折算系數(shù)[4,64]。多數(shù)研究的取值范圍為 15%–34.4%，由于應(yīng)用34.4%較多因而也是相對合理的取值(表 8)。也有學(xué)者認(rèn)為[8]，由原木加工至成品過程中產(chǎn)生的木材加工剩余物可達(dá)60%，這是由于未考慮木材加工過程中存在邊角料再利用的情況[65]。根據(jù)最后產(chǎn)出的木材產(chǎn)品的不同，加工剩余物所占原木比例也會不同。

表8 木材加工剩余物系數(shù)的內(nèi)容物和取值Table 8 Coefficient assessment for wood handling residue percentage(WHRP) of forest according to previous studies

2.10 進(jìn)口木材加工系數(shù)(cm)

進(jìn)口木材加工系數(shù)是進(jìn)口木材中加工用材占總進(jìn)口原木的體積百分比。本研究通過咨詢中國海關(guān)得知，我國海關(guān)統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)暫時不統(tǒng)計(jì)原木到岸后的具體用途。因此，本研究擬使用中國林業(yè)統(tǒng)計(jì)年鑒用的加工用材量占商品材產(chǎn)量的比估算加工用材占比將此系數(shù)取值為57.11%。

2.11 竹材剩余物產(chǎn)出系數(shù)(cp)

是在竹材加工過程中產(chǎn)生的竹葉、竹梢、竹枝、竹屑占所采伐竹材的總生物量的重量百分比，本研究特指大徑竹。根據(jù)實(shí)測[70]及估算[71-72]，在竹地板、竹材膠合板、竹涼席及竹制日用品生產(chǎn)中，大徑竹利用率低于40%，因此竹材剩余物產(chǎn)出系數(shù)取值為60%。

2.12 大徑竹平均生物質(zhì)量(wb)

大徑竹平均生物量指單根大徑竹的所有地上部氣干重量，單位是噸每棵。張齊生研究[72]指出，1995年我國散生的大徑竹(主要為毛竹) 約有46億棵，即生物質(zhì)量約有6 300億t，據(jù)此計(jì)算可知，大徑竹的平均生物質(zhì)量約為15 kg/棵。

2.13 直接用原木使用壽命(ll)、木制品使用壽命(lw) 和竹制品使用壽命(lm)

直接用原木、木制品和竹制品使用壽命分別是指其從開始使用到廢棄的時間。王紅彥等[8]通過問卷調(diào)研得出我國直接用原木和木制品的使用壽命為12年。本研究通過專家調(diào)研的方式將竹膠合板和竹地板的平均使用壽命取值為14年。

2.14 廢舊直接用原木回收率(rd)、廢舊木制品回收率(rw) 和廢舊竹制品回收率(rb)

廢舊直接用原木、廢舊木制品和廢舊竹制品回收率分別指其達(dá)到使用壽命后作為廢棄被回收的量占實(shí)際廢棄木材總量的體積百分比。根據(jù)《可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃》的預(yù)研究[8]，將廢舊直接用原木和廢舊木制品回收率均取值為65%。同時，根據(jù)本研究專家調(diào)研認(rèn)為竹材和木材的回收率較為接近，將廢舊竹制品的回收率也取值為65%。

2.15 香蕉殘?bào)w每年產(chǎn)率(pb)

單位面積香蕉經(jīng)收獲后遺留的葉、莖和假莖的氣干重量。本研究經(jīng)咨詢專家，將香蕉殘?bào)w每年產(chǎn)率取值為6.96 t/hm2。

2.16 菠蘿殘?bào)w每年產(chǎn)率(pr)

單位面積菠蘿經(jīng)收獲后，遺留的地上部分(莖、葉) 的氣干重量。通過咨詢專家，將菠蘿殘?bào)w每年產(chǎn)率取值為16.43 t/hm2。

3 總結(jié)

本研究首先梳理前人相關(guān)研究結(jié)果，完善了計(jì)算第二級分類的林業(yè)剩余物所需的系數(shù)體系及其定義。然后，對前人的取值通過文獻(xiàn)溯源甄別其合理性，對于沒有明確依據(jù)的取值或未取值的系數(shù)，本研究或通過前人相關(guān)研究獲得數(shù)據(jù)，或通過實(shí)地調(diào)研，確定了所有系數(shù)的相對合理的取值總結(jié)于表9。

表9 林業(yè)剩余物資源量計(jì)算所用系數(shù)取值總結(jié)Table 9 Summary of assessment for the coefficients related with forestry residues

致謝：本研究就相關(guān)技術(shù)問題咨詢了中國農(nóng)業(yè)大學(xué)的張潞生教授、馬會勤教授、張新忠教授、劉國杰教授、王憶教授、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院的畢于運(yùn)教授、北京林業(yè)大學(xué)的賈忠奎教授、國際竹藤中心科技處范少輝處長、上海市楊浦園林綠化建設(shè)養(yǎng)護(hù)有限責(zé)任公司韓嘉寅經(jīng)理，特致謝忱。