人工林采伐系统的生物质流分析

余爱华，赵 尘，张正雄

(1.南京林业大学土木工程学院，南京210037;2.福建农林大学交通学院，福州350002)

物质流分析 (Material flow analysis，MFA)是对特定的物质如碳、铝等在特定的区域如一个生产流程、一个企业、一个地区范围内等进行工业代谢的研究［1］，其目的是从中找出节省天然资源、改善环境的方法和途径，以促进工业系统向可持续发展方向迈进［2］。森林采伐是从伐区中获取木材的生产作业，以立木为作业对象，原木是其主要产品，主要工序类型以树干、树枝的截断和搬运为主，属于典型的流程工业系统。木材生产过程中原料的流动，形成了生物质流，生物质流是木材生产的主体，促进能量流流动和物质流的转化［3］。物质流分析是工业生态学研究中的主要方法。生物质流模式是揭示采伐系统、建立生态采伐理论和技术方法的关键之一，对促进木材生产的节能和减排具有重要意义［4－6］。本文研究人工林采伐作业系统中生物质流的分析方法，建立生物质流的定性模型，并以南方速生人工林 (杉木林、马尾松林和桉树林)为例，定量分析采伐系统生物质流跟踪模型，为人工林的可持续经营提供物质分析基础。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于福建闽西北林区的永安市燕江林业采育场、福庄林业采育场和大坑林业采育场。

永安市燕江林业采育场10林班8大班8小班，立地类型Ⅱ，地形中山，坡向正东，坡度18°，坡位中，海拔高度210～310 m，造林前采伐迹地土壤为红壤，土层厚度中厚，干湿度中，紧实度中，灌木层类型矮灌，灌木层高度2.5～3.5 m，灌木层盖度30%，草本层类型五节芒类，草本层高度1.5～2.5 m，草本层盖度0.5～0.8，优势树种桉树，树种组成10桉，郁闭度0.6，树龄10 a，平均胸径16 cm，平均树高18.2 m，面积8.8 hm2，立木密度810株/hm2，公顷蓄积量101.5 m3/hm2。

永安市福庄林业采育场80林班2大班1小班，立地类型Ⅲ，地形中山，坡向东南，坡度30°，坡位中，海拔高度515～643 m，土壤为红壤，土层厚度为中等，干湿度及坚实为中等，灌木层类型为矮灌，高度1.3～2.0 m，灌木层盖度40%，草本层为芒萁类，高度为0.5～0.6 m，盖度为0.4～0.6;优势树种马尾松，树种组成5马4杉1阔，郁闭度0.8，树龄19 a，平均胸径15 cm，平均树高12.8 m，面积6.933 hm2，立木密度2 100株/hm2，公顷蓄积量169.05m3/hm2。

永安市大坑林业采育场5林班3大班8小班，立地类型Ⅱ，地形中山高丘，坡向西南，坡度34°，坡位中，海拔高度420～570 m，造林前采伐迹地土壤为红壤，土层厚度中，干湿度中偏干，紧实度中，灌木层类型矮灌，灌木层高度1.5～2.5 m，灌木层盖度20%，草本层类型蕨类，草本层高度0.3～0.5 m，草本层盖度0.3，优势树种杉木，树种组成7杉3阔，郁闭度0.8，树龄18 a，平均胸径13 cm，平均树高10.1 m，面积10.867 hm2，立木密度2 145株/hm2，公顷蓄积量168.6m3/hm2。

1.2 试验方法

对桉树林 (Eucalyptus，10桉)、杉木林(Cunninghamia lanceolata，7杉3阔)、马尾松林(Pinus massoniana，5马4杉1阔)3种人工林进行生物质流的现场采伐集材生产试验。三种林分的采集生产作业方式为:准备作业、伐木、打枝造材、人力集材。

在选定的试验样地中，根据伐区调查和设计信息，确定优势树种，选择有代表性的标准木。对标准木先进行手工挖树根，再用手动葫芦拔树。对伐倒木按2 m或4 m的规格进行打枝造材，树叶、树枝、树干、树根各部分的质量用普通杆秤分别称出。对中间一段具有代表性的树干进行剥皮，并称出树皮的质量，最后计算出树皮和去皮树干的质量比例。分别取一部分有代表性的树叶、树枝、树根、树皮、树干做样品，带回进行烘干实验，并测出各自的干质量，最后计算出树叶、树枝、树根、树皮、树干等各部分所占整树的比例［7］。

1.3 生物质流分析方法

流动是物料与流体流动的基本特征。欧拉法是研究流体流动的第一种方法，其具体的研究过程是在连续流动的流体中，观察点是一个空间点，在这个空间点观察各瞬间流过的流体的物理量的有关数据随时间的变化;依次改变观察点以便了解流体流动的全貌;拉格朗日法是其第二种方法，其研究过程是在连续流动的流体中，流体的质点作为观察对象并跟踪它，观察各物理量在空间移动过程中的变化情况，以获得相关数据;依次改变观察对象可了解流体流动的全貌;与研究流体流动的两种方法相对应，研究物料流动也同样有两种方法［2］。

第一，为了研究一个产品的生命周期的物质流的状态，选择物质流的一个区间范围，作为观察区观察物质流的变化。在此范围内生命周期的每个阶段物质的流入和流出应有一个全面的了解。如果把材料的流动比喻成河的流动，材料的量就是河的流量，这样的物质流研究方法就好比是站在一座桥上进行定点观测，桥的位置一般选择在某一年的产品生命周期的开始，从这里可以观察到上一个生命周期回收利用阶段和本次生命周期的生产制造阶段以及某些使用阶段，这种方法被称为物质流的定点观测。

第二，为了研究一个产品的生命周期的物质流的情况，选择了一定数量的产品作为观察对象。然后，沿着这些产品的生命周期的轨迹并进行观察。要充分认识生命周期各个阶段物质的流入和流出。如果仍然使用河流比喻物质流，就像坐在船上顺流而下，对选择的物料进行跟踪观察。跟踪的行程，至少从一个生命周期的起点直到最后，经过生产，产品制造，使用和产品报废后的回收4个阶段。用这种方式了解的情况和收集到的数据是比较完整的，容易做进一步的分析。必要时，可以超过一个生命周期的连续观测。这种方法称为物质流的跟踪观察法［8－11］。

伐区生产是在一个固定的区域里，使用适当的设备 (工具)，按照一定的工艺流程对活立木进行加工的过程。其操作过程中除生物质材料本身的改变外，还对周围环境 (土壤，植被)产生影响;这种影响发生在相对区域面积里，故如考虑人工林采伐对周围环境 (如土壤性状的变化，植被的变化)造成的影响时可采用定点观察法［12］。根据物质流两种分析方法的特点，如果要分析在森林采伐作业过程中生物质流状况可采用物质流跟踪观察法。因此，本文采用跟踪观察法对人工林采伐作业的生物质流进行分析。

1.4 人工林采伐作业生物质流定性模型

根据人工林采伐系统生物质流的特点，采用跟踪观察法分析生物质流，所建立的物质流模型为跟踪模型。一般工业生产过程中可能会共享的物质流:输入、外加、排放、回收和输出物质流。在木材采伐作业的过程中，原料流动一般是单向反馈物质流，外加和物质流的循环利用是不存在的。因此，从原料流的输入、排放量、输出3股物质流来研究一个工序的生物质流过程。选定的观察对象是某一伐区或某一小班内采伐的生物质材料。立木被伐倒以后，一般分成伐倒木、伐根和伐木时落下的枯枝落叶。其后对伐倒木的处理可分为两种方式，一种是直接将伐倒木拉到楞场，在楞场进行打枝造材剥皮，此时在楞场就得到了原木、枝叶和树皮;另一种是将伐倒木在林地中打枝造材，枝叶留在林地，将原条造成原木，再运至楞场，或者原木在林地剥皮后运至楞场，树皮则留在采伐迹地。对伐根的处置也分两种，一种是直接留在采伐迹地任其自然腐烂;另一种是把树根挖出运至楞场或削成片运至楞场。如图1所示。

图1 采伐系统生物质流跟踪模型Fig.1 The sketch of biomass material flow by tracking－observing model in forest harvesting system

2 结果与分析

本试验把自然损耗枯枝落叶、打枝过程中的木屑等忽略不计，根据试验分析的结果，分别得出杉木林、马尾松林和桉树林采伐系统生物质材料物质流的定量跟踪模型，如图2～图4所示。

图2 杉木林采伐系统生物质材料物质流跟踪模型 (kg/hm2)Fig.2 The sketch of biomass material flow by tracking－observing model in Chinese fir plantation harvesting system(kg/hm2)

图3 桉树林采伐系统生物质材料物质流跟踪模型 (kg/hm2)Fig.3 The sketch of biomass material flow by tracking－observing model in eucalyptus plantation harvesting system(kg/hm2)

图4 马尾松林采伐系统生物质材料物质流跟踪模型 (kg/hm2)Fig.4 The sketch of biomass material flow by tracking－observing model in masson pine plantation harvesting system(kg/hm2)

从模型中可以看出，每公顷的18 a生杉木林中，原木 (剥皮)占立木干物质总量的53.25%，原木干物质量为53 685.05 kg，伐根、枝叶、树皮分别占立木干物质总量的17.04%、20.94%和8.21%;每公顷的19 a生马尾松林中，原木 (剥皮)占立木干物质总量的53.14%，原木干物质量为50 916.44 kg，伐根、枝叶、树皮分别占立木干物质总量的8.72%、29.30%和8.74%;每公顷的10 a生桉树林中，原木 (剥皮)占立木干物质总量的59.16%，原木干物质量为68 927.05 kg，伐根、枝叶、树皮分别占立木干物质总量的18.85%、17.50%和4.38%;一般情况下，伐根、树皮和枝叶留下林地腐烂，原木被运出利用。

3 结论与讨论

本文依据工业行业物质流分析方法和理论，对南方人工林的采伐作业进行了试验分析，以南方速生人工林 (杉木林、马尾松林和桉树林)为例，定量分析采伐系统生物质材料物质流的跟踪模型。分析结果表明:这3种林分中，每公顷获得原木的干物质量以桉树林最大，其次为杉木和马尾松。这与各树种的生理特性是一致的。

物质流分析的目的是从中找出节省天然资源、改善环境的方法和途径，以促进工业系统向可持续发展方向迈进。在人工林采伐作业的各个环节，应减少资源的消耗、废弃物的产生以及对生态环境的破坏，提高木材资源的利用率。通过分析人工林采伐作业过程中的生物质流，可以明确不同树种的木材利用率情况，为合理选择人工林采伐作业方式、研究伐区物质减量化模式、推行采伐作业的清洁生产奠定基础。

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