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(duì)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(píng)價(jià)理論，應(yīng)用清單過(guò)程的分析方法，對(duì)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(jìn)行了量化分析；應(yīng)用Eco-indicator 99生態(tài)指數(shù)分析方法，對(duì)低質(zhì)林改造過(guò)程中產(chǎn)生的資源消耗以及環(huán)境影響進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。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(guò)程中，對(duì)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(duì)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(guò)程產(chǎn)生的環(huán)境負(fù)荷，占全過(guò)程產(chǎn)生環(huán)境負(fù)荷的79%，約為更新?lián)嵊^(guò)程產(chǎn)生的環(huán)境負(fù)荷的4倍。其中：運(yùn)材過(guò)程和運(yùn)苗過(guò)程產(chǎn)生的環(huán)境負(fù)荷，分別是低質(zhì)林采伐改造和更新?lián)嵊?個(gè)作業(yè)系統(tǒng)中對(duì)環(huán)境負(fù)荷產(chǎn)生影響最大的作業(yè)過(guò)程，共占低質(zhì)林改造作業(yè)全過(guò)程產(chǎn)生環(huán)境負(fù)荷的63.9%。低質(zhì)林改造生命周期，生態(tài)環(huán)境指標(biāo)分?jǐn)?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(guò)程對(duì)資源消耗的影響大于對(duì)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(duì)樹(shù)種組成不合理、林地生產(chǎn)力低下、森林郁閉度較低或生長(zhǎng)衰退的殘次林分進(jìn)行經(jīng)營(yíng)改造，使之成為價(jià)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(biāo)等方面對(duì)低質(zhì)林改造展開(kāi)了研究[2-9]。但是，在低質(zhì)林改造環(huán)境影響評(píng)價(jià)方面的相關(guān)研究較少。生命周期評(píng)價(jià)(LCA)，是一種評(píng)估產(chǎn)品在其整個(gè)生命周期過(guò)程中對(duì)環(huán)境影響的技術(shù)和方法[10-11]。通過(guò)確定和量化生命周期各個(gè)階段內(nèi)的物質(zhì)消耗、能源消耗以及污染物排放，可進(jìn)一步評(píng)估某一產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程或生產(chǎn)活動(dòng)產(chǎn)生的環(huán)境影響，通過(guò)改進(jìn)不合理的流程或活動(dòng)最終實(shí)現(xiàn)改善環(huán)境的目的[12]。生命周期評(píng)價(jià)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(gè)生命周期中，為實(shí)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(xiàng)目為例，分析低質(zhì)林改造作業(yè)系統(tǒng)全過(guò)程產(chǎn)生的資源消耗、能源消耗以及污染物排放，并進(jìn)一步分析這一改造過(guò)程對(duì)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(yíng)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(chǎng)500林班內(nèi)低質(zhì)林改造帶。該林場(chǎng)位于小興安嶺南麓，公里坐標(biāo)為(0456249，5227854)，海拔117～284 m，除南部地勢(shì)稍有斜坡外，其它方向地勢(shì)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(wú)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(duì)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(guò)程中，將改造帶內(nèi)的所有非經(jīng)營(yíng)目的樹(shù)種伐除，同時(shí)在各采伐改造帶間設(shè)置同等寬度的保留帶。2008年，在各個(gè)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(shí)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(shí)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(yùn)材、跡地清理以及更新?lián)嵊到y(tǒng)的造林、撫育等活動(dòng)；從技術(shù)經(jīng)濟(jì)角度看，低質(zhì)林改造作業(yè)系統(tǒng)，涉及人力、物力、財(cái)力以及機(jī)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(guò)程對(duì)資源消耗以及生態(tài)環(huán)境的影響效應(yīng)，需要對(duì)改造系統(tǒng)內(nèi)的各個(gè)作業(yè)單元進(jìn)行定性和定量的清單分析。

2.1.1 依據(jù)清單過(guò)程的矩陣符號(hào)表達(dá)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(guò)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(guò)程分析方法中的矩陣符號(hào)表達(dá)法，對(duì)低質(zhì)林采伐改造階段進(jìn)行清單分析。以燃料、電、鋼材過(guò)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(guò)程(見(jiàn)圖1)。

定義任意過(guò)程向量(pi)，

pi=(r1r2r3e1)。

(1)

式中：i=1、2、3；p1為燃料單元過(guò)程、p2為電單元過(guò)程、p3為鋼材單元過(guò)程；在每一個(gè)過(guò)程中，相對(duì)第i個(gè)單元過(guò)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(guò)程數(shù)據(jù)代入式(1)得到過(guò)程矩陣(P)式(2)。

(2)

式中：矩陣(P)中的負(fù)號(hào)表示物質(zhì)的輸入或消耗。進(jìn)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(guò)程，直接應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的物質(zhì)輸入或輸出；矩陣B為交互矩陣，表示對(duì)自然資源的消耗和對(duì)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(guò)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(guò)程流程

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

(7)

在圖1所示的鋼材生產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)環(huán)境的排放只考慮CO2，因此，

e=(e1)。

(8)

3)定義鋼材生產(chǎn)過(guò)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(guò)式(16)求得生產(chǎn)鋼材過(guò)程中對(duì)自然資源的消耗和對(duì)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(guò)程包括燃料、電、鋼材、伐木、打枝、造材、集材、裝車、運(yùn)材、跡地清理、運(yùn)苗、造林、撫育共13個(gè)作業(yè)單元(見(jiàn)圖2)。

2.1.3 低質(zhì)林采伐改造階段過(guò)程向量的確定

在低質(zhì)林改造作業(yè)過(guò)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?xì)浠衔?HC、CH4)、顆粒物(PM)。因此，低質(zhì)林采伐改造系統(tǒng)過(guò)程向量可以定義為pi，即相對(duì)于第i個(gè)單元過(guò)程的單位量。

pi=(r1r2r3…r10e1e2e3…e14)。

(17)

式中：r1～r10為每一個(gè)單元過(guò)程中相對(duì)第i(i=1、2、…、13)個(gè)單元過(guò)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(yùn)材、跡地清理；e1～e7為對(duì)環(huán)境的排放量，依次為CO2、CO、NOx、SO2、HC、CH4、PM；e8～e14為對(duì)自然資源的消耗量，依次為原油、原煤、生鐵、石灰石、N、P、K。

過(guò)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(guò)程圖中的過(guò)程單元，即燃料、電、鋼材、伐木、打枝、造材、集材、裝車、運(yùn)材和跡地清理。

圖2 低質(zhì)林改造系統(tǒng)過(guò)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(gè)過(guò)程，即運(yùn)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(guò)程沒(méi)有木材產(chǎn)品輸出，因此，不適宜用矩陣符號(hào)表達(dá)法進(jìn)行清單分析。為了計(jì)算這一階段不同過(guò)程對(duì)資源的消耗以及對(duì)環(huán)境的排放，采用過(guò)程流圖法對(duì)低質(zhì)林撫育進(jìn)行清單分析，具體步驟參見(jiàn)文獻(xiàn)[17]。

2.2 生命周期影響評(píng)價(jià)

生命周期影響評(píng)價(jià)(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(lái)，對(duì)產(chǎn)品或行為過(guò)程全生命周期數(shù)據(jù)進(jìn)行定量和定性的分析，計(jì)算出產(chǎn)品或行為過(guò)程全生命周期內(nèi)對(duì)資源的消耗程度以及對(duì)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€(gè)階段對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的影響，可以對(duì)低質(zhì)林改造作業(yè)系統(tǒng)全生命周期過(guò)程進(jìn)行LCIA分析，進(jìn)而確定低質(zhì)林改造作業(yè)各個(gè)階段對(duì)環(huán)境總負(fù)荷的相對(duì)貢獻(xiàn)，并針對(duì)環(huán)境負(fù)荷較大的環(huán)節(jié)提出相應(yīng)的改進(jìn)措施，為進(jìn)一步科學(xué)、高效地開(kāi)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(duì)低質(zhì)林改造過(guò)程中對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的影響進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。該方法分為3個(gè)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(jī)物對(duì)呼吸道影響、無(wú)機(jī)物對(duì)呼吸道影響、氣候變化、輻射、臭氧層、生態(tài)毒性、酸化/富營(yíng)養(yǎng)化、土地使用、礦產(chǎn)、化石燃料)，計(jì)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(gè)影響類型的特征化結(jié)果除以一個(gè)基準(zhǔn)值，得到環(huán)境負(fù)荷占系統(tǒng)內(nèi)總影響的相對(duì)大小的過(guò)程。因此，經(jīng)歸一化計(jì)算后，各個(gè)影響類型之間可以進(jìn)行比較與合并。各個(gè)影響類型的權(quán)重系數(shù)選用EI99(E)V2.08/EuropeEI99E/E中的默認(rèn)缺省值。③生態(tài)環(huán)境指標(biāo)分?jǐn)?shù)計(jì)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(biāo)分?jǐn)?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(jì)算

①燃料。根據(jù)調(diào)查可知，低質(zhì)林改造作業(yè)對(duì)燃料的消耗，主要體現(xiàn)在伐木、打枝和造材過(guò)程中使用的油鋸、運(yùn)材作業(yè)及苗木運(yùn)輸過(guò)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(guò)程中使用的油鋸，平均油耗量為0.030 kg/m3；打枝時(shí)間約為伐木時(shí)間的0.5倍，因此平均油耗量為0.015 kg/m3；造材作業(yè)過(guò)程中，油鋸的使用時(shí)間為伐木時(shí)間的1.5倍，因此平均油耗量為0.045 kg/m3[18]。運(yùn)材作業(yè)及苗木運(yùn)輸過(guò)程中，使用的汽車型號(hào)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(guò)程所需工人的生活用電，因此，確定低質(zhì)林改造作業(yè)過(guò)程各階段的需工數(shù)，即可估測(cè)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(jì)資料》等相關(guān)文件及實(shí)際作業(yè)情況，統(tǒng)計(jì)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(guò)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(yùn)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^(guò)程中，人力擔(dān)筒的方式將苗木運(yùn)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(dá)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(shí)地調(diào)研，研究樣地內(nèi)，集中在更新?lián)嵊? a對(duì)林木進(jìn)行此類撫育作業(yè)活動(dòng)，且撫育強(qiáng)度逐年減半，因此，撫育需工量呈逐年降低趨勢(shì)，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(guó)家統(tǒng)計(jì)局統(tǒng)計(jì)，在低質(zhì)林采伐改造當(dāng)年，即2007年，我國(guó)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(guò)程中沒(méi)有直接鋼材消耗，但是，作為低質(zhì)林改造作業(yè)過(guò)程的上游產(chǎn)品，其改造過(guò)程中使用的油鋸、運(yùn)材汽車等林業(yè)機(jī)械設(shè)備，在制造的過(guò)程中會(huì)消耗大量鋼材，因此，為了結(jié)果的準(zhǔn)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(jiàn)表1)[22-25]。

表1 林業(yè)機(jī)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(jì)算

低質(zhì)林改造交互系統(tǒng)過(guò)程分為兩部分，一部分為系統(tǒng)從自然資源中獲取(即對(duì)自然資源的消耗)，另一部分為對(duì)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(duì)自然資源的消耗，主要包括土壤中N、P、K營(yíng)養(yǎng)元素的消耗；生產(chǎn)燃料對(duì)原煤和原油的消耗、生產(chǎn)電對(duì)原煤的消耗、生產(chǎn)鋼鐵對(duì)生鐵和石灰石的消耗(見(jiàn)表2)[20,24-25]。

表2 燃料、電、鋼材生產(chǎn)過(guò)程對(duì)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(duì)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?xì)浠衔?HC、CH4)和顆粒物(PM)。各種排放物質(zhì)的來(lái)源及計(jì)算方法：燃料、電、鋼材生產(chǎn)過(guò)程對(duì)環(huán)境的排放，取值于已發(fā)表的文獻(xiàn)[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(lái)源于政府間氣候變化專門(mén)委員會(huì)(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?xì)浠衔?、氮氧化物的排放因子，均?lái)源于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)排放限值。上述環(huán)境排放物質(zhì)的相關(guān)排放限制標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表3，由此計(jì)算的低質(zhì)林改造作業(yè)系統(tǒng)相關(guān)過(guò)程排放量單位值見(jiàn)表4。

表3 林業(yè)機(jī)械相關(guān)排放限制標(biāo)準(zhǔn)

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

3.1.3 清單分析結(jié)果

在計(jì)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(shí)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(guò)畜力集材的方式將采伐的原木運(yùn)至楞場(chǎng)，運(yùn)距為200 m；然后，用汽車運(yùn)材的方式，將楞場(chǎng)內(nèi)的原木運(yùn)至林場(chǎng)，待進(jìn)一步的加工利用，此過(guò)程運(yùn)距為15 km；跡地清理采用自然堆腐的方式，此單元過(guò)程不消耗物質(zhì)與能量。更新?lián)嵊A段，在各個(gè)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(yùn)汽車將這些苗木從林場(chǎng)運(yùn)至楞場(chǎng)，運(yùn)距15 km；然后，用人力擔(dān)筒的方式將苗木運(yùn)至低質(zhì)林改造作業(yè)區(qū)；在更新?lián)嵊? a，集中對(duì)林木進(jìn)行扶正苗木、松土除草等撫育作業(yè)活動(dòng)。

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(guò)程矩陣的計(jì)算結(jié)果，將式(19)代入式(16)即可計(jì)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(jiàn)表5)。由表5可見(jiàn)：低質(zhì)林改造作業(yè)過(guò)程中，對(duì)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(duì)環(huán)境排放最多的物質(zhì)是CO2(131.45 kg/hm2)，除CO2外，對(duì)環(huán)境排放量較多的是NOx，主要由于造材和運(yùn)材過(guò)程中使用油鋸和運(yùn)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(píng)價(jià)

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(guò)程中，運(yùn)材過(guò)程對(duì)氣候變化、酸化/富營(yíng)養(yǎng)化、化石燃料3方面的影響最大，均超過(guò)了60%，對(duì)化石燃料的影響高達(dá)78.3%；除此之外，運(yùn)材過(guò)程對(duì)致癌物、生物毒性、土地占用的影響較大，均超過(guò)了40%。造材過(guò)程中產(chǎn)生的有機(jī)物對(duì)呼吸道的影響達(dá)48%，其次環(huán)境負(fù)荷較大的為產(chǎn)生的無(wú)機(jī)物對(duì)呼吸道的影響，為29.9%；造材過(guò)程，對(duì)輻射、臭氧層影響、生物毒性、礦物消耗4個(gè)方面的影響類型貢獻(xiàn)度也較大，均超過(guò)20%。伐木過(guò)程中產(chǎn)生的有機(jī)物對(duì)呼吸道的影響達(dá)32%，其次環(huán)境負(fù)荷較大的為產(chǎn)生的無(wú)機(jī)物對(duì)呼吸道的影響，為19.9%；伐木過(guò)程，除對(duì)氣候變化、酸化/富營(yíng)養(yǎng)化、化石燃料影響類型的貢獻(xiàn)度小于10%外，對(duì)其他方面的影響類型貢獻(xiàn)度均介于10%～20%之間。打枝過(guò)程，除產(chǎn)生的有機(jī)物、無(wú)機(jī)物對(duì)呼吸道的影響分別達(dá)16.00%及9.96%外，對(duì)其他9個(gè)方面的影響類型貢獻(xiàn)度均小于10%。采伐改造過(guò)程中的集材、跡地清理單元過(guò)程，對(duì)各影響類型貢獻(xiàn)度均低于10%，對(duì)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(guò)程對(duì)環(huán)境影響貢獻(xiàn)，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(wú)機(jī)物對(duì)呼吸系統(tǒng)影響(0.630/hm2)、有機(jī)物對(duì)呼吸系統(tǒng)影響(0.215/hm2)、致癌物(0.167/hm2)。對(duì)其余6種環(huán)境影響類型影響不大，尤其是對(duì)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(biāo)分?jǐn)?shù)。低質(zhì)林采伐改造過(guò)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(biāo)分?jǐn)?shù)(4.541/hm2)。在低質(zhì)林采伐改造各個(gè)單元過(guò)程中，運(yùn)材過(guò)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(dá)66%；集材、裝車、跡地清理過(guò)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(yùn)苗過(guò)程在有機(jī)物對(duì)呼吸道影響、氣候變化、化石燃料3個(gè)影響類型中的貢獻(xiàn)，均居更新?lián)嵊A段3個(gè)單元過(guò)程之首；尤其在有機(jī)物對(duì)呼吸系統(tǒng)影響、氣候變化2個(gè)影響類型方面，對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的負(fù)荷遠(yuǎn)高于造林過(guò)程和撫育過(guò)程。造林、撫育過(guò)程，產(chǎn)生的有機(jī)物對(duì)呼吸系統(tǒng)影響均低于2%，對(duì)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^(guò)程，對(duì)環(huán)境影響貢獻(xiàn)最大的影響類型為化石燃料(0.587/hm2)，而運(yùn)苗過(guò)程是造成這一環(huán)境負(fù)荷的主要因素；其次，無(wú)機(jī)物對(duì)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^(guò)程對(duì)環(huán)境產(chǎn)生負(fù)荷的另外三大類影響。除此之外，低質(zhì)林更新?lián)嵊^(guò)程，對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的影響不大，尤其是對(duì)臭氧層產(chǎn)生的影響幾乎為0。

③生態(tài)環(huán)境指標(biāo)分?jǐn)?shù)。低質(zhì)林改造更新?lián)嵊^(guò)程，對(duì)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(biāo)分?jǐn)?shù)為1.21 Pt。

3.2.3 低質(zhì)林改造全過(guò)程對(duì)環(huán)境的影響

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

A為低質(zhì)林環(huán)境負(fù)荷100%；B為采伐改造環(huán)境負(fù)荷占79%；C為更新?lián)嵊h(huán)境負(fù)荷占21%；D為采伐36 m3木材環(huán)境負(fù)荷占8.43%；E為打枝36 m3木材環(huán)境負(fù)荷占4.21%；F為造材36 m3環(huán)境負(fù)荷占12.6%；G為集材36 m3木材環(huán)境負(fù)荷占0.123%；H為裝車36 m3木材環(huán)境負(fù)荷占0.821%；I為運(yùn)材36 m3木材環(huán)境負(fù)荷占52.3%；J為跡地處理環(huán)境負(fù)荷占0.411%；K為2 000株苗木運(yùn)輸環(huán)境負(fù)荷占11.6%；L為2 000株苗木栽植環(huán)境負(fù)荷占4.56%；M為林木撫育環(huán)境負(fù)荷占4.85%；N、O、P為在低溫環(huán)境下使用油鋸的環(huán)境負(fù)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(fù)荷占1.45%；R為汽車運(yùn)輸36 m3木材和2 000株苗木環(huán)境負(fù)荷占46.5%；S為沖壓鋼板2.51 kg環(huán)境負(fù)荷占1.65%；T為供應(yīng)105 kWh電環(huán)境負(fù)荷占15.7%；U為原油加工成汽油3.24 kg環(huán)境負(fù)荷占9.7%；V為原油加工成柴油16.6 kg環(huán)境負(fù)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(fù)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(duì)致癌物、輻射、臭氧層、礦場(chǎng)4類環(huán)境影響類別產(chǎn)生的環(huán)境負(fù)荷低于更新?lián)嵊鳂I(yè)外，采伐改造作業(yè)對(duì)其余7類環(huán)境影響類別產(chǎn)生的環(huán)境影響負(fù)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^(guò)程相比，采伐改造過(guò)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(guò)程中，對(duì)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(guò)程，對(duì)化石燃料產(chǎn)生的影響約為更新?lián)嵊龑?duì)環(huán)境產(chǎn)生影響的4倍；主要是因?yàn)椴煞ジ脑爝^(guò)程運(yùn)材量材積約為更新?lián)嵊^(guò)程運(yùn)苗量的5倍；除此之外，采伐改造過(guò)程中的伐木、打枝、造材單元過(guò)程，對(duì)油鋸的使用也會(huì)對(duì)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(dá)到撫育間伐的年齡，對(duì)于更新林分主要進(jìn)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(méi)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(guò)程，共對(duì)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(duì)環(huán)境影響貢獻(xiàn)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(wú)機(jī)物對(duì)呼吸道影響(0.842/hm2)、致癌物(0.347/hm2)、有機(jī)物對(duì)呼吸道影(0.217/hm2)，對(duì)其它環(huán)境影響類型影響不大，尤其是對(duì)臭氧層產(chǎn)生的影響幾乎為0。

③生態(tài)環(huán)境指標(biāo)分?jǐn)?shù)。低質(zhì)林改造作業(yè)過(guò)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(biāo)分?jǐn)?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(yùn)材和運(yùn)苗，人力擔(dān)筒等工藝過(guò)程，低質(zhì)林改造作業(yè)過(guò)程中對(duì)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(duì)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(guò)程產(chǎn)生的環(huán)境負(fù)荷占全過(guò)程產(chǎn)生環(huán)境負(fù)荷的79%，約為更新?lián)嵊^(guò)程產(chǎn)生環(huán)境負(fù)荷的4倍。其中，運(yùn)材過(guò)程和運(yùn)苗過(guò)程產(chǎn)生的環(huán)境負(fù)荷，分別是低質(zhì)林采伐改造和更新?lián)嵊?個(gè)作業(yè)系統(tǒng)中對(duì)環(huán)境負(fù)荷產(chǎn)生影響最大的作業(yè)過(guò)程，共占低質(zhì)林改造作業(yè)全過(guò)程產(chǎn)生環(huán)境負(fù)荷的63.9%。低質(zhì)林改造作業(yè)過(guò)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(biāo)分?jǐn)?shù)(5.751/hm2)，表明低質(zhì)林改造作業(yè)過(guò)程對(duì)資源消耗的影響大于對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響。

本文在研究過(guò)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(duì)清單分析結(jié)果以及生態(tài)環(huán)境指標(biāo)分?jǐn)?shù)的影響。

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EffectofLow-qualityForestTransformationonResourcesConsumptionandEcologicalEnvironment

Kong Linlin, Wu Jinzhuo, Dong Xibin, Chen Xiaofan, Long Zhanlu

(Northeast Forestry University, Harbin 150040, P. R. China)Journal of Northeast Forestry University，2017,45(12)：1-7.

Low-quality forest; Transformation; Inventory analysis; Life cycle

1)國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)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.