杉木、马尾松人工林地表可燃物利用潜力分析

张思玉

（南京森林警察学院，江苏 南京 210046）

地表可燃物是最容易引发林火的一个层次，主要包括：枯枝落叶、草本植物、地衣、苔藓、动物尸体和粪便、幼苗幼树、倒木、伐根、采伐剩余物、灌木、低垂的枝叶和小乔木等，主要表现为地表火[1]。减少地表可燃物负荷量是森林防火的重要措施之一，常用的方法有两种：一种是人工清理出林外让其自然腐烂；另一种是国外小范围使用的林内计划烧除，用火将地表的枯枝落叶烧掉[2～3]。但基于防火的森林地表可燃物的利用尚未提到议事日程。

杉木（Cunninghamia lanceolata）和马尾松（Pinus massoniana）人工林是我国南方分布最广、面积最大的人工林，面积分别为921.50万hm2、583.27万hm2，分列我国人工林面积的前2位[4]。同时，杉木、马尾松人工林也是我国南方林区森林火灾危害最严重、森林防火任务最艰巨的林分[5～6]。修枝是提高木材质量、增加树干圆满度、提高林木生长量、改善林木生长条件的重要措施之一[7]，但是近年来很少有人将修剪下来的枝叶加以利用，修枝和防火的地表可燃物管理同样被视为是入不敷出的措施。如何将森林防火、中幼林抚育和经济效益、社会效益、生态效益有机结合在一起，值得深入探讨。

本文通过对杉木、马尾松人工纯林及其混交林的调查测定，旨在为杉木、马尾松人工林地表可燃物生物质能的持续利用、获取多种效益、以及消除火灾隐患、制定合理的防火对策提供科学依据。

1 研究地区自然概况与研究方法

1.1 自然概况

研究区位于福建省沙县官庄林场的4-31-3和4-24-3小班，海拔150 ～ 300 m，坡度20 ～ 35°。林龄18 a，造林时选用同龄的杉木、马尾松实生苗，密度均为3 150株/hm2。纯林用行状配置，杉木、马尾松混交林采用“5行 3行”的带状混交。林下草本以芒萁（Dicranopteris dichotoma）、乌毛厥（Blechnum orientale）、白茅（Imperata cylindrica）、芒（Miacanthus sinensis）、鱼腥草（Hoatuynia cordata）等为主；灌木以杜茎山（Maesa japonica）、山胡椒（Lindera glauca）、牛奶子（Elaeagnus umbellata）等为主。

1.2 可燃物负荷量的测定

在杉木纯林、马尾松纯林及其混交林林分中各设置2块20 m×20 m的标准地，共计6块，面积合计为2 400 m2。标准地每木检尺后，选择与平均胸径和平均高相近的林木作为标准木：纯林选3株，混交林选2株，共计20株，杉木、马尾松各10株。标准木伐倒后分树种分别（干）枝、叶称其鲜重，并按照着生部位（上、中、下）取3个样本，每个样本重量分别为：（干）枝500 g，皮300 g、叶100 g。

在每块标准地的4角设2 m×2 m的小样方测草本、灌木及凋落物的重量。将草本植物和灌木混合取样，小样方各取2个样本，每个样本重量分别为：枯枝落叶、草本植物100 g，灌木枝300 g，灌木叶100 g。

将样品带回实验室，在 104℃恒温下烘至恒重，求出含水率。结合标准地调查和含水率测定结果，计算出可燃物负荷量（不含草、灌及树木的地下部分）。

1.3 地表可燃物生物质能计算

从森林火灾的类型看，95%以上是地表火。从着火的位置看，除极个别的雷击火是树冠或树干起火外，其余都是从地表起火，即使蔓延成为树冠火，最初也是地表起火。研究表明，修枝高度达到4 m即可防止地表火蔓延成树冠火[3]。据此，本研究的地表可燃物仅包括4 m以下树干上的枝叶、灌木层、草本植物层和枯枝落叶，不包括该层次的树干、层间植物、倒木、伐根等可燃物。

1.3.1 生物质能计算的依据 调查测定的可燃物负荷量乘以相应的热值，得出其生物质能。本研究所用热值均引自《中国主要植物热能》[8]。

1.3.2 杉木和马尾松枝、叶热值的确定 调查林分中，由于树枝的分化不大，没有分级测定；同时，由于测定的是杉木、马尾松带皮枝的重量，而《中国主要植物热能》给出的是去皮枝、干的热值。为了降低计算误差，杉木、马尾松4 m以下枝的热值，用《中国主要植物热能》中对应的“干、枝、皮”的平均热值代替。叶的热值则直接引用。

1.3.3 草本植物、灌木、枯枝落叶热值的确定 草本植物层、灌木层的热值分别取芒其、乌毛厥、白茅和芒的平均值，以及牛奶子、山胡椒和杜茎山的平均值。枯枝落叶层的热值取各林分组成树种“枝、叶”的平均值（混交林以树种的混交比为权重加权平均）。

2 调查结果与分析

调查林分4 m以下可利用地表可燃物负荷量和生物质能分布情况见表1。

表1 杉木、马尾松人工林可利用地表可燃物负荷量和生物质能Table1 The load and bioenergy of surface fuel in the pure plantations of C.lanceolata and P.massoniana，and their mixed plantation

由表1可以看出，不论是可利用的地表可燃物负荷量还是生物质能，都以马尾松纯林最高，杉木和马尾松混交林次之，杉木纯林最低。该结果进一步验证了马尾松纯林的火灾危险性比杉木林高，以及混交林可以降低火险的结论[5]。正因为如此，森林防火工作实践中，通常采用人工清理或火烧的办法来降低地表可燃物负荷量，但这种只见投入不见产出的森林防火措施很难调动人们的积极性。

从生物质能利用的角度看，定期对地表可燃物进行利用，同样可以达到降低地表可燃物负荷量和改善林下小环境的目的，既起到预防森林火灾的作用，又能促进林分健康生长，同时还能取得一定的经济收益。

3 杉木、马尾松人工林地表可燃物可利用生物质能潜力分析

生物质能作为可再生资源，其利用尚属新能源范畴，是未来能源利用的主力军。虽然森林是陆地生态系统最大的能源库，但是，森林地表可燃物的生物质能利用尚处在探索阶段，其生产潜力将在未来的应用中起到导向作用。

3.1 调查林分地表可燃物单位面积可利用生物质能折合标准煤的产量

标准煤是各类能源潜力的一个参照物，国家标准（GB/T3715-2007）[9]规定标准煤的热值为29.27Mj/kg。为此，结合表1，将调查的3种林分地表可燃物单位面积可利用生物质能的产出量整理成表2。

3.2 我国现有杉木、马尾松人工林地表可燃物可利用生物质能潜力分析

3.2.1 以调查林分单位面积产出的标准煤推算地表可燃物的可利用潜力 如果说表2尚不能表达杉木、马尾松人工林地表可燃物可利用生物质能的潜力的话，对我国现有杉木、马尾松人工林地表可燃物可利用生物质能进行粗略估算，便能够清晰地看出其可利用的潜力大小。

虽然中龄林、近熟林、成熟林、过熟林的生物质能远远大于幼龄林，但是，即使按照调查的3种人工幼龄林可利用生物质能的平均值（292.68 kg/hm2标准煤）推算，全国921.50万hm2的杉木人工林中，仅4 m以下的枝叶、灌木、草本植物和枯枝落叶等地表可燃物储存的生物质能，可折合269.70万t标准煤；全国583.27万hm2马尾松林中，可折合170.71万t标准煤，二者合计440.41万t标准煤。尽管上述估算非常保守，但也表明了我国现有杉木、马尾松人工林地表可燃物可利用生物质能的巨大潜力。

3.2.2 杉木、马尾松人工林地表可燃物再生产潜力分析 相关研究表明[10]，杉木林和马尾松林凋落枝叶的生物量（负荷量）分别为4.25 t /（hm2·a）和5.72 t/（hm2·a）。另有研究表明，18个月后马尾松林凋落物在每月月中和月底分二次喷施 NH4NO3情况下，各处理的平均残留率为 64%，即马尾松林凋落物一年半的分解率为37%[11]。参照此结果，可以将杉木、马尾松凋落枝叶的分解周期大致确定为3 a。

表2 研究林分地表可燃物可利用生物质能折合标准煤的产量Table2 The available bioenergy of surface fuel converted into standard coal in the sample plots kg·hm－2

3 a时间里，由于第一次利用地表可燃物时对4 m以下的树枝进行了修枝，改善了林下的光照条件和扩大了其营养空间，林冠下的草本植物和灌木的恢复速度必然会加快，将有可能达到或超过本研究林分所测定的负荷量。为此，以杉木、马尾松枝叶第3年的凋落量和第2年的残留量，以及研究林分下草本植物、灌木的负荷量为计算依据，推算出杉木、马尾松林3 a内可再次利用的可燃物负荷量和生物质能（表3）。

若以3 a为周期，对我国以用材林为目的营造的杉木、马尾松人工林而言，自首次利用至林分主伐之前，地表可燃物的生物质能还可以再利用4 ～ 5次。以表2和表3的平均值推算，杉木、马尾松人工林地表可燃物每公顷可利用生物质能折合标准煤可达702.64 ～ 805.13 kg。进一步推算，全国现有杉木、马尾松林地表可燃物的利用潜力可分别达到647.48万 ～ 741.93万t标准煤、409.83万 ～ 469.61万t标准煤，合计高达1 057.31万 ～1 211.54万t标准煤。产业化的潜力非常广阔。

表3 研究林分地表可燃物再生产能力Table3 The reproduction capacity of fuel in the sample plots

4 结论与讨论

（1）生物质能的利用是解决能源危机的重要途径之一，也是未来的发展方向。杉木、马尾松人工林地表可燃物利用潜力巨大，产业化的前景广阔。

（2）生产实践中，人们通常只是从本行业或部门的需求去开展工作，为了降低现有杉木、马尾松林的火灾危险，我国目前最常使用的是伐除部分林木营造木荷等防火林带。本文的研究结果表明，把马尾松林和杉木林作为用材林和能源林结合起来经营，不必伐除林木，只要对地表可燃物进行定期利用，可以达到更好的防火效果。因为防火林带的防火效应是有限的，而地表可燃物的定期利用则提高了整个林分的抗火性。同时，可以达到森林培育、防火、防治病虫害等多种目的，实现经济、社会和生态等多种效益的统一。

（3）地表可燃物负荷量在整个林分的生物量中仅仅占非常小的比重，本文的研究表明，马尾松纯林的生物质潜能比杉木纯林和其混交林的生物质潜能都大，可以作为能源林进行经营。

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