林业剩余物资源量评估所用系数的定义和取值

2018-10-25傅童成王红彦谢光辉

生物工程学报 2018年10期

傅童成，王红彦，谢光辉

1 中国农业大学农学院，北京 100193

2 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 100081

3 国家能源非粮生物质原料研发中心，北京 100193

准确评估林业剩余物资源量是制定相关政策措施和生物质产业发展规划的重要参考。但是，一直以来前人对林业剩余物的估算差异较大，为此，本系列研究前文讨论并完善了林业剩余物的概念定义[1]，完善了各类型剩余物的计算公式[2]。本文综合分析前人对计算所用系数，结合产业调研，以期确定一套迄今较为合理的定义和取值。

1 研究方法

1.1 本文所用的定义和研究范围

应用本系列研究对林业剩余物定义的狭义概念[1]，即在林业育苗、管理、采伐、造材、加工和利用的整个过程中产生的废弃物潜在量的总和，但不包括各林种的凋落物(即枯枝、落叶和弃果等) 和经济林收获物加工、食用产生的废弃物(即果皮、果壳、残碴等)。根据本系列研究，林业剩余物第二级分类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、废旧竹材、废旧木材、香蕉和菠萝残体。本研究的范围是计算这些第二级分类的林业剩余物所需要系数的定义和取值。

1.2 林业剩余物资源量评估方法及其参数

根据本系列研究的前文报道[2]，以国家或行业统计的各类林业生产指标数据作为参数，乘以相应的剩余物产出系数得到各类剩余物资源量。计算中所用主要参数包括各林种面积、造林苗木数量、木本水果种植面积、原木产量、薪材体积产量、加工用材量、大径竹产量、木制品产量、竹地板产量、竹胶合板产量、香蕉种植面积、菠萝种植面积，其定义及数据来源已经明确[2]。林业剩余物产出系数共有 32个[2]，其定义和取值直接关系着计算结果的准确性。

1.3 数据来源

通过查阅 1993–2017年间的中国博士和硕士学位论文、国内外相关著作及期刊论文，提取其中计算所用的系数，评估系数其取值的合理性。

同时采取问卷调研的方法对有关系数进行取值。2017年 8–10月对木本水果修枝剩余物相关问题进行了问卷调研，获得35位果农和4位果树生产一线技术人员的问卷共157份，其中异常样本6份、有效样本151份，在有效样本中，经济林剪枝调研样本80份，经济林更新采伐情况调研样本71份。2017年11月对山西省和北京市的7个苗圃剩余物进行了实地调研，取得有效问卷6份。

2 结果与分析

2.1 木材密度(αw)

木材密度是单位体积木材的质量，也叫折重系数，分为基本密度、生材密度、气干密度和绝干密度[3]。根据林业生产实际，本研究认为木材剩余物估算宜用木材气干密度，含水率一般为12%[3]。

较多研究都将木材密度取为1.17 t/m3(表1)，本研究通过对文献溯源，发现刘刚等[4]最早引用了此取值，但是并未给出引用依据。潘小苏[5]也引用了此值，经溯源发现此值在原文献[6]中为biomass expansion factor，并不是木材密度。还有报道[7]将木材密度取值为0.5 t/m3或0.9 t/m3，但因为取值依据不明确而不宜采用。王红彦等最近报道[8]引用了我国目前主要木材树种的木材气干密度平均值0.618 t/m3[9](表1)，由于获得此值的树种类型多，样本量较大，因此是合理的，适用于各种木材剩余物。

表1 前人林业剩余物研究对木材密度的取值Table 1 Coefficient for wood density(WD) according to previous studies

2.2 竹材密度(αb)

竹材密度是单位体积竹材的质量。本研究认为宜用气干密度，其含水率一般为 15%[3]。由于竹材废弃主要为大径竹，而行业统计的大径竹主要品种为毛竹[12]，因此，以毛竹材的气干密度[3](即0.81 t/m3) 作为竹材废弃物密度取值是合适的。

2.3 林木苗圃剩余物产率(pn)

林木苗圃剩余物产率指在苗圃中每年因苗木死亡以及修枝、定杆、截杆产生的截头和树梢等剩余物的气干重量。本研究对北京市和山西省的6家苗圃进行了实地问卷调研，主要树种为银杏、苹果、毛竹、玉兰、柿，平均苗圃剩余物产率取值为气干重 0.233 kg/棵。前人研究[5,13]将每年苗圃修枝、定杆、截杆产生的截头和树梢等剩余物的质量取值为0.125 kg/棵，但是并没有说明其取值来源，也没有说明剩余物的含水率，同时可能因为没有包括因苗木死亡产生的剩余物而比本研究调研获得的值小，因此，苗圃剩余物平均产率按本研究调研结果取值。

2.4 林木修枝频度系数和每次修枝剩余物产率

林木修枝频度系数是修枝周期年数的倒数的百分比，类似于取柴系数[14]或产柴系数[8]。修枝剩余物产率是指单位面积上每次修枝产生枝桠的质量，前人研究也叫产柴率[8,14]。由于经济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，而且木本水果的生产情况统计更为具体，本文分别进行了实地调研取值。因此，不建议应用前人研究[5,7-8,13,15]将经济林作为一个整体应用其修枝频度和修枝剩余物产率。

2.4.1 用材林、防护林、特种用途林修枝频度系数(ƒt, ƒp, ƒs) 和每次修枝剩余物产率(pt,pp, ps)

前人研究[10,16]报道了不同地区用材林、特种用途林、防护林的修枝剩余物产率(表 2)，由于没有更新的研究目前按此取值是合理的。

表2 前人对林木第年修枝频度系数和每次修枝剩余物产率的取值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 木本水果修枝频度系数(ƒo) 和每次修枝剩余物产率(po)

木本水果包括中国农业年鉴[17]中统计的7种水果，根据本研究问卷调研的结果，这7种成年木本水果的修枝频度系数和修枝剩余物产率见表 3。

2.4.3 其他经济林修枝频度系数(ƒk) 和每次修枝剩余物产率(pk)

本研究将表3所列7种木本水果以外的经济林叫其他经济林，对板栗、核桃、龙眼、山楂等共 10类经济林木进行了调研，以其所有调研样本的结果取平均值，得到其他经济林修枝频度系数为 129%、每次修枝剩余物产率为 2.06 t/hm2(表 4)。

2.5 经济林栽植密度(d)、采伐频度系数(ƒc)、采伐剩余物产率(pe)、原木材积产率(pel)、经济林木材加工系数(ce)

经济林栽植密度是经济林生产中单位面积上种植的林木棵数。根据本研究调研结果，我国经济林栽植密度平均为1 036棵/hm2(表5)。

表3 本研究对木本水果每年修枝频度系数和每次修枝剩余物产率的调研取值结果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 本研究对其他经济林每年修枝频度系数和每次修枝剩余物产率的调研取值结果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 本研究对经济林有关系数的调研取值结果Table 5 Coefficient assessment for the economic forest residue according to the field survey of this study

经济林采伐频度系数是指经济林的经济寿命的倒数百分比。本研究调查了我国实际生产中经济林的采伐频度，约26年采伐一次，即其采伐频度为3.67%(表5)。有研究[8]报道，将果园平均更新周期定为15年，虽然多数木本水果的盛果期可达 20年以上[16]，但在经营过程中往往提前更新变更栽植品种。但是，果园仅是经济林的一部分，例如，据专家咨询结果，板栗、山楂、柿树由于盛果期较长，寿命多在40–50年间，因此本研究的调研结果取值更为合理。

经济林木材采伐剩余物产率是平均每棵经济林采伐过程中产出剩余物质量。经济林原木材积产率是平均每棵经济林木经采伐和造材后形成的原木材积量。截止目前，尚未检索到前人关于这两个指标取值的研究，根据本研究问卷调研结果，经济林采伐剩余物产率取值为气干重0.018 5 t/棵，经济林原木材积产率取值为0.204 0 m3/棵(表5)。

经济林木材加工系数是经济林被采伐后经过打枝、截梢和造材工艺所形成的原木中，被用于加工的量占原木总量的比例。根据本研究67份调研问卷显示，经济林木材加工系数为11.72%。

2.6 木材采伐剩余物系数(cc)

指用材林、防护林和特种用途林在其采伐过程产生的剩余物占所采伐林木蓄积量的体积百分比。虽然前人研究对计入木材采伐剩余物内容物不尽相同(表6)，这是林业生产的复杂性所导致，多数研究应用通过经验分析对木材采伐剩余物系数取值为40%，这在目前的研究中是合理的。

近年来有研究[8]使用“非立木剩余物数量相当于立木材积量的平均比重”(原文简称为“非立系数”) 计算木材采伐和造材剩余物的“非立木部分”，认为非立木部分不属于采伐剩余物，这是值得商榷的。首先，“非立系数”本质上就是“用材林、防护林和特种用途林木材采伐剩余物系数”，将原文中此系数的定义与用材林、防护林和特种用途林木材采伐剩余物系数的定义进行对比发现，实质上两个系数包含的内容物是相同的。第二，“非立系数”将树蔸计入了非商品材范围，然而树蔸的地上部分属于立木蓄积，其地下部分收集又十分困难。

2.7 原木出材率(ot)

也叫经济材出材率，指树干或木段用材长度和小头直径、材质等指标符合用材标准的各种原木、板方材等材种的材积量，占其生产所用林木的立木蓄积量的百分比(公式 1)。经济材出材率前人研究较多，对1 304个样本进行加权平均获得取值为77.12%(表7)，由于样本量大，该取值具有代表性。

式中，ot为原木出材率(%)，pl为原木产量(m3)，Vfr为采伐立木蓄积量(m3)。

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

表7 前人研究的不同树种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 木材造材剩余物系数(cb)

指原条在造材过程中产生的剩余物占其所生产原木材积量的体积百分比。于丹[7]将此系数取值定为34%。造材剩余物系数与原木出材率也有一定关系，造材的原料为原条(约等于采伐立木蓄积量)，造材过程会产生原木与造材剩余物。综上所述，结合公式1，造材剩余物系数可由公式2推导。

式中，cb：木材造材剩余物系数(%)，Br：造材剩余物(m3)，ot：原木出材率(%)，pl：原木产量(m3)，Vfr：采伐立木蓄积量(m3)。

2.9 木材加工剩余物系数(ch)

指原木在加工过程中产生剩余物占所消耗原木的体积百分比，很多研究将此系数称为木材加工剩余物产出比例[5,7,13]，也有称为木材加工剩余物折算系数[4,64]。多数研究的取值范围为 15%–34.4%，由于应用34.4%较多因而也是相对合理的取值(表 8)。也有学者认为[8]，由原木加工至成品过程中产生的木材加工剩余物可达60%，这是由于未考虑木材加工过程中存在边角料再利用的情况[65]。根据最后产出的木材产品的不同，加工剩余物所占原木比例也会不同。

表8 木材加工剩余物系数的内容物和取值Table 8 Coefficient assessment for wood handling residue percentage(WHRP) of forest according to previous studies

2.10 进口木材加工系数(cm)

进口木材加工系数是进口木材中加工用材占总进口原木的体积百分比。本研究通过咨询中国海关得知，我国海关统计系统暂时不统计原木到岸后的具体用途。因此，本研究拟使用中国林业统计年鉴用的加工用材量占商品材产量的比估算加工用材占比将此系数取值为57.11%。

2.11 竹材剩余物产出系数(cp)

是在竹材加工过程中产生的竹叶、竹梢、竹枝、竹屑占所采伐竹材的总生物量的重量百分比，本研究特指大径竹。根据实测[70]及估算[71-72]，在竹地板、竹材胶合板、竹凉席及竹制日用品生产中，大径竹利用率低于40%，因此竹材剩余物产出系数取值为60%。

2.12 大径竹平均生物质量(wb)

大径竹平均生物量指单根大径竹的所有地上部气干重量，单位是吨每棵。张齐生研究[72]指出，1995年我国散生的大径竹(主要为毛竹) 约有46亿棵，即生物质量约有6 300亿t，据此计算可知，大径竹的平均生物质量约为15 kg/棵。

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

直接用原木、木制品和竹制品使用寿命分别是指其从开始使用到废弃的时间。王红彦等[8]通过问卷调研得出我国直接用原木和木制品的使用寿命为12年。本研究通过专家调研的方式将竹胶合板和竹地板的平均使用寿命取值为14年。

2.14 废旧直接用原木回收率(rd)、废旧木制品回收率(rw) 和废旧竹制品回收率(rb)

废旧直接用原木、废旧木制品和废旧竹制品回收率分别指其达到使用寿命后作为废弃被回收的量占实际废弃木材总量的体积百分比。根据《可再生能源中长期发展规划》的预研究[8]，将废旧直接用原木和废旧木制品回收率均取值为65%。同时，根据本研究专家调研认为竹材和木材的回收率较为接近，将废旧竹制品的回收率也取值为65%。