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林業(yè)剩余物資源量評估所用系數(shù)的定義和取值

2018-10-25 09:11:38傅童成王紅彥謝光輝
生物工程學(xué)報 2018年10期
關(guān)鍵詞:物產(chǎn)原木修枝

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算公式[2]。本文綜合分析前人對計算所用系數(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、香蕉和菠蘿殘體。本研究的范圍是計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道[2],以國家或行業(yè)統(tǒng)計的各類林業(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)濟林剪枝調(diào)研樣本80份,經(jīng)濟林更新采伐情況調(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。還有報道[7]將木材密度取值為0.5 t/m3或0.9 t/m3,但因為取值依據(jù)不明確而不宜采用。王紅彥等最近報道[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,同時可能因為沒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)計更為具體,本文分別進(jìn)行了實地調(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)濟林叫其他經(jīng)濟林,對板栗、核桃、龍眼、山楂等共 10類經(jīng)濟林木進(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)濟林木材加工系數(shù)(ce)

經(jīng)濟林栽植密度是經(jīng)濟林生產(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)濟林采伐頻度系數(shù)是指經(jīng)濟林的經(jīng)濟壽命的倒數(shù)百分比。本研究調(diào)查了我國實際生產(chǎn)中經(jīng)濟林的采伐頻度,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)濟林木材采伐剩余物產(chǎn)率是平均每棵經(jīng)濟林采伐過程中產(chǎn)出剩余物質(zhì)量。經(jīng)濟林原木材積產(chǎn)率是平均每棵經(jīng)濟林木經(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)濟林采伐剩余物產(chǎn)率取值為氣干重0.018 5 t/棵,經(jīng)濟林原木材積產(chǎn)率取值為0.204 0 m3/棵(表5)。

經(jīng)濟林木材加工系數(shù)是經(jīng)濟林被采伐后經(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)計系統(tǒng)暫時不統(tǒng)計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 香蕉殘體每年產(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,將香蕉殘體每年產(chǎn)率取值為6.96 t/hm2。

2.16 菠蘿殘體每年產(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,將菠蘿殘體每年產(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。

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