原木采集生产的生物质流特征分析

第47卷第5期林业科学Vol 47. No 52011年5月SCIENTIA SILVAE SINICAEMay 2011原木采集生产的生物质流特征分析赵尘1王大明张正雄2(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攝州350002摘要:在原木采集生产系统中,木质和非木质生物质流为主要的物质流。通过现场试验,针对阈西北马尾松、杉木、桉树3种速生人工林,测量其立木的树根、树干、树枝、树叶、树皮各组成部分的干质量以及灌木、草本、枯枝落叶的干质量,得出伐区生物质的分布比例。按采集生产作业的T艺流程,分析采集生产过程中立木生物质流的原木单位耗材、原木单位产品的排放量、立木资源效率和各工序的工序材比系数。针对木质和非木质生物质流的时空分布,建立相应的时空网络图。采用网络分析方法,推导最小木质材料损耗、最大迹地剩余生物量的工艺方案,进而分析各工艺方案的木质材料、剩余生物质在采伐迹地、集材道和集材楞场的空间分布。木质和非木质生物质流的时空分布揭示了原木采集生产物质流的重要特征。时空网络图可用于分析原木采集生产物质流的特征和相应的投入产出效益。将伐区地理信息系统与木材生产时空网络图结合,可开发出林木采伐更新作业系统的模拟、优化工具。关键词:原木;采伐;集材;生物质流;时空分布;网络分析中图分类号:S78文献标识码:A文章编号:1001-7488(2011)Q5-0090-06Characteristic Analysis of Biomass Material Flow in Log Harvesting ProductionZhao Chen Wang Daming Zhang Zhengxiong(1. College of Ciril Engineering, Nanying Forestry Uniersity Nanjing 210037;2. College of Trafic, Fujian Agriculture and Forestry University Fushou 350002)Abstract: The wooden biomass flow and the non-wood biomass flow are two major material flows in a log harvestingproduction system. Field test was taken in fast growing plantations with three species of Pinus massoniana, Cunninghamianceolata and Eucalyptus in the northwest region of Fujian Province of China. Different parts of trees were dried andweighed as roots, trunks, branches, leaves and barks. The dry masses of bushes, herbs, dead branches and fallen leaveswere measured as well. The percentage distribution of biomass in a felling area was calculated. Based on specific proccessof log harvesting operation, the material consumption and the waste for producing unit volume of logs were computed. Theresource efficiency of trees and the semi-product consumption in different stage for unit final products were derived. A timewasbiomass flow. With the application of network analysis method, the optimum operation scheme can be drawn out forminimizing wooden material waste and maximizing biomass residue at slash. Furthermore, the space distribution of woodenmaterial and biomass at the slash, the skidding road and the landing area was revealed with the analysis of the networkThe time and space distribution of the wooden biflow and theood biomass flow reveals the importantcharacteristics of the material flow in a log harvesting production system. The time and space network can be used tonalyze the charateristics of the material flow in a log harvesting production system and related input and output efficiencyBy combining the time and space network of the log harvesting production system with the geographic information system( GIS)in a logging area, a simulation and optimization tool for forest harvesting and regeneration operation system can beKey words: log: harvesting; skidding; biomass material flow; time and space distribution; network analysis原木采集生产属于流程工业系统,木材原料沿等析研经济生产活动中物着生产过程流动,形成物质流,也称材料流(沈镭质THE中国煤化工泛应用于经济系CNMHG收稿日期:2009-04-13;修回日期:2009-12-06基金项目:教育部高等学校博士学科点专项科研基金项目(20060298005)、科技部国际科技合作重点项目(2006DFA32840)。第5期赵尘等:原木采集生产的生物质流特征分析统、产业部门的物质结构、资源利用和消耗的分析评坑林业采育场211林班02大班06小班,分别针对价,用于产品的生命周期评价(黄和平等,2007)。马尾松( Pinus massoniana)(5马4杉1阔)、杉木目前我国对林业森工领域的物质流研究仍较少。对( Cunninghamia lanceolata)(7杉3阔)、桉树木材采运系统物质流模式的初步分析表明:原木采( Eucalyptus)(10桉)3种速生丰产人工林进行生物集系统中的物质流可分为木质生物质流、非木质生质流的采伐集材生产现场试验。采集生产作业流程物质流、养分流、土壤流和水分流。木质生物质以树为:准备作业、油锯伐木、打枝造材、人力担筒集材干、树根、树枝的形式存在于立木中,在木材生产过(赵尘等,2007;余爱华等,2007;张正雄等,2008)。程中其物理形态会发生变化,但其物质内容保持基在选定的试验样地中,根据伐区调查设计资料本稳定,除非发生燃烧或腐朽。非木质生物质以树中所确定的优势树种的平均胸径和树高,选择树冠叶、树皮和植被灌草的形式存在,它们在腐烂或焚适中、有代表性的标准木,先手工挖树根,再用手动烧后转化为土壤中的养分。养分存在于土壤中,水葫芦拔树。对伐倒树按2m或4m材的规格进行打分存在于生物质和土壤中。养分随水分或土壤迁枝造材,用普通杆秤分别称出树根、树干、树枝、树叶移,如被植物吸收或随水土流失(赵尘等,2007;各部分的质量。取中间一段树干进行剥皮,称出树2008)。皮的质量,并计算出去皮树干和树皮的质量比例本文对原木采集生产系统的生物质流进行特性分别取一小部分有代表性的树根、树干、树枝、树叶分析,并建立相应的时空网络模型,以深入揭示该物树皮做样品,带回实验室进行烘干,测出各自的干质质流的特有模式。量,最后计算出树根树干、树枝、树叶等各部分所占1南方速生人工林采集生产的生物质流整树的比例(王大明等200)在每个试验样地中选择2~6m2的小样地3~5分析个,用电子秤分别测出草本、枯枝落叶灌木的总湿1.1试验方法质量,然后在其中取样称重并带回实验室烘干再称2008年9月24-27日,在地处福建闽西北林其干质量,进而推算出整个伐区的各自干质量。的永安市福庄林业采育场80林班2大班1小班、1.2试验结果永安市大坑林业釆育场5林班3大班8小班、永安表1为3种树种人工林的基本情况。表2为3市燕江林业采育场10林班8大班8小班建瓯市叶种树种的各部分干质量比例。衰13种人工林的基本情况Tab 1 Basic data of three types of forest plantation林地类型树种组成树龄平均胸径平均树高立木密度立木蓄积Forest typeMean Mean tree Tree density/ Volume ofheight/m (tree-hm-2)wood/(mhm-2)马尾松林P. mortensen马4杉1阔50%pine+40%Chinese fir +10% broad-leaved12.82100169.05杉木林C. lanceolat7杉3阔70% Chinese fir+30%boad- leaved10.12145按树林 Eucalypt10桉l0O% Eucalypt表23种树种的各部分干质量比例1.3生物质流参数分析Tab 2 Dry mass percentage of every part原木采集生产立木生物质流的主要参数有如下of three tree species%4个(蔡九菊等,2006;赵尘等,2008)。Tree speciesRoot Trunk凵dBa1.3.1楞场原木单位耗材即1m3楞场原木产品马尾松 P. massoniana8.753.221.97.58.7所需消耗的立木生物质量。马尾松林、杉木林、桉树杉木C. lanceolata17.453.513.07.9林的原木单位耗材分别为P=650,563,880kg。按树 Eucalyptu1.3.2楞场原木单位产品排放的废弃物量从伐从表2中可以看出:3种树种各部分所占的比木到中国煤化工进入剩余生物质例不同,桉树的树干所占比例最高,比杉木和马尾松流。CNMHG采集作业各工序高11%。的排放m。马、心个怀、林的原木单位产表3,4分别为3种树种的人工林中立木和灌草品排放的废弃物总量分别为:y=305,覆被生物质的干质量分布数据。263,360kg林业科学47卷3.3资源效率指单位立木资源所能生产出来1.3.4工序材比系数指某工序的实物产量与最的木材产品量,这里用单位的立木生物质产出的山终产品产量之比,即生产单位最终木材产品所需消上集材楞场原木的生物质量来表示。马尾松林、杉耗的本工序的产品量。表5列出了3种树种人工林木林、桉树林3种树种人工林的资源效率分别为:的采集作业各工序的工序材比系数pr=0.53,0.53,0.59褒3每公顷人工林的立木生物质分布及其占生物质总量的比Tab 3 Percentage distribution of every part of tree biomass in total biomass per hectare of plantation林地类型树合计Forest typTrunkTotal tree9451马尾松林P. massonianO干质量Drma/kg1105667529277211108512684292.8干质量 Dry mas/kg220376770416519杉木林C. lanceolata10399126665比例 Percentage(%)50.1棱树林 Eucalypt干质量 Dry mas/kg132823299308770475比例 Percentage(%52.8l1.489.1表4每公顷人工林的灌草覆被生物质分布及其占生物质总量的比例Tab 4 Percentage distribution of bush and vegetation biomass in total biomass per hectare of plantation林地类型指标灌木枝干灌木叶子草本枯枝落叶灌草合计树灌草总计Forest typeLitterof bushLeaf of bushvegetation马尾松林P. masoniana干质量 Dry ma/kg2047254530989136738比例 Percentage(%干质量 Dry mass/kg17021342杉木林C. lanceolata比例 Percentage(%L.0干质量 Dry mas/kgl88145979122棱树林 Eucalyptus比例 Percentage(%豪5人工林采集各工序的排放量y和工序材比系数PTab. 5 Material waste y and semi-product consumption P in different stages of plantationarresting for unit volume of logs林地类型 Forest type指标 Index工序 Processing stage伐木Fen打枝 Branching造材 Bucking剥皮 Debarking集材skdn190.5马尾松林P. massoniana1.7201.1681.001杉木林C. lanceolata1.5501.157165.9154.11.038.5桉树林 Eucalyptus1.3731.0771.0751.0012人工林采集生产的生物质流的时空分析间的弧构成网络图(赵尘等,1995)。其中节点定义为各工序的交接点,占有特定的时间和空间位置,反通过现场试验和定量分析,可得出原木采集生映生产过程的某一特定状态,比如原材料、半成品或产过程中生物质流的流向及相关数量关系。由于采成品的形态、内容数量、位置和存在时刻等。弧定伐和集材作业分散在整个伐区范围内,包括林木立义为两节点间的有向弧,表示具体的工序,又称工序地、采伐迹地、集材道、集材楞场、装车场等,且采集弧。原木采集生产作业过程的物质流可以反映在生产过程划分为准备作业、伐木、打枝、造材、剥皮、张网络图上,涵盖从采伐点到集材楞场的物质流时集材、归楞等工序,流程周期在几天到几个月。因空分艹士喂集生产木质和非此,相应的生物质流时空分布可以反映采集生产系木质中国煤菜化统的重要特性。2.2CNMH2.1木质和非木质生物质流的时空网络图图2为人工林原木采集生产中若干可选择的作按照工程网络图的概念,以若干节点和节点之业工艺组成的生物质流时空网络图。基于这一网第5期赵尘等:原木采集生产的生物质流特征分析络,可以单独针对木质或非木质生物质流进行分析,也可以进行2种物质流的合成耦合综合分析。匮本地材立木| Felling模枝叶44%)(0.1%on aleaf迹废弃 Waste废弃Wase废弃 WasteRoot(16%)集材道emaining集材 Skidding废弃 WasteRoot(16%) Log (58.5%)伐木打枝 BranchingFelling挖根 Stump extractionBucking图1木质和非木质生物质流的时空分布网络图实例Fig. 1 An example of time and space networt of wooden and non-wood biomass flows伐倒木集材打枝、造材、剥皮人担筒 Skidding by man-power油锯伐木油锯打枝、造材、剩皮Branching bucking, debarking手板车集材 Skidding by handcartth chain saw手工伐木土滑道集材 Skidding by dirt chute再工打枝、造材、剩皮Mmhandwork塑料滑道集材 Skidding by plastic chute伐木机伐木伐根Sum寡道集材 Skidding by ropeway联合机伐木、打枝、造材、剥皮 Felling branchingrking with combination machine集材车集材 Skidding by skid trail图2人工林原木采集生产的生物质流网络Fig. 2 Network of biomass flows in plantation log harvesting production1.林地立木 Standing tree at land;2.迹地伐倒木、伐根 Felled tree and咖 mp at slash;3.迹地原木、枝叶、树皮Log, branchand leaf at slash;4.集材楞场原木 Log at landing;5.集材楞场伐倒木 Felled- tree at landing为了进行物质流的定量分析,对各工序弧赋予木材料损耗量方案(不考虑伐根)为:手工伐木0.1%质(或非木质)生物质材料的数量,可以采用图论上→油锯打枝、造材0.2%→人力剥皮0.1%→塑料滑的各种分析模型和算法,进行有针对性的具体分析。道或集材车集材05%。这时的木质材料损耗量为表6为3种人工林伐区的各类工序的木质材料损耗0.9%(不包括伐根)。量和采伐迹地剩余生物量,其中木质材料损耗量表示2.2.2最大迹地剩余生物量以各工序的采伐迹地损耗量占采伐立木材积(不包括伐根)总量的百分剩余生物量为弧值,采用网络计划法,可以计算出原比,采伐迹地剩余生物量表示剩余生物量占林地立木木采集生产的最大迹地剩余生物量的作业方案。以和灌草覆被生物质总量的百分比。图2卫曾出如士迹地剩余生物量方2.2.1最小木质材料损耗量以各工序的木质材案(中国煤化打枝、造材→人力料损耗量为弧值,采用最短路径法可以计算出原木剥皮CNMHO产生的迹地剩余生采集生产的最小木质材料损耗量的作业方案,即工物量比例见表7相应的3种人工林伐区的每公顷迹序组合。以图2的人工林采集作业为例,最小木质地剩余生物量分别为72471,70215,39561kg表6人工林各类作业工序的木质材料损耗量和采伐迹地剩余生物量Tab. 6 Wooden material waste and biomass residue at slash in harvesting stages of plantation工序弧工序含义木质材料损耗量采伐迹地剩余生物量 Biomass residue at slash(%)Wooden materialStage areMeaning of stage马尾松林杉木林桉树林waste(%)C lanceolata Eucalypt1-2伐木Fel6-171-3采伐联合机作业 Operation with combination machine0.3-0.52-3迹地打枝、造材、剥皮 Branching, bucking, debarking at slash0.3-0.53519-202-5伐倒木集材 Felled- ree skidding0.1~0.53-4原木集材 Log skidding0.5-1.51~25-4楞场打枝、造材、剥皮 Branching, bucking, debarking at landing0.1-0.222.3物质流空间分布分析为了分析各物质流在网络分析中可以按工序组合统计出各空间范围的的空间分布,为每个工序增设第二个弧值,反映该工物质的存量、流量、转化量等。以图2的人工林采集产品所在的空间地域场所及作业场地,表示不同作业为例,按最大迹地剩余生物量方案得出的木质的釆伐点、采伐迹地、集材道、集材楞场装车场等。材料和剩余生物质的空间分布见表8。衰7人工林采集生产的最大迹地剩余生物量方案Tab. 7 Operation scheme of maximizing biomass residue at slash in plantation harvesting作业工序 Operation时tage采伐迹地剩余生物量 Biomass residue at slash(%)马尾松林P. massoniana杉木林C. lanceolata桉树林 Eucalyptus油锯伐木 Felling by chain saw油锯打枝造材 Branching and bucking by chain saw人力剩皮 Manual土滑道集材 Skidding by dirt chute立木部分小计 Subtotal of tree39灌草覆被 Bush and vegetation合计 Total8人工林最大迹地剩余生物量方案时的物质流空间分布(占总生物量比例Tab. 8 Spatial distribuition of material flow in maximum at slash biomass residue scheme intion harvesting( percentage of total bio马尾松林P. massoniana杉木林C. lanceolata按树林 Eucalyptus采伐迹地集材道集材楞场采伐迹地集材道集材楞场采伐迹地集材道集材楞场Slash Skid trail Landing Slash Skid trail Landing Slash Skid trail Landing木质材料输入量 Wooden material input(%49木质材料输出量 Wooden material output(%)49木质材料存量 Wooden material storage(%)30剩余生物质量 Biomass residue(%)3结论与讨论映了生产过程的本质,而非木质生物质流则伴随着木质流,与木质流耦合而来( Korhonen et al,2001)。1)原木采集生产物质流模式具有规律性。然在伐木、打枝、造材、剥皮、集材的各作业工序中,枝而,由于林业采运生产的特点,不同地域、树种时段叶、树皮、锯屑伐根等成为立木生物质流的废弃物,的原木采集生产物质流的数值范围变化较大依次进入剩余生物质流。这些生物质随着时间的推( Ximenes et al,2008)。本研究的试验地处闽西北移,通过腐烂或焚烧,再进入土壤中的养分流。一部的速生人工林区,在立地条件、树种、树龄、气候、土分养分进入生长的植物体内,成为制造木质和非木壤等方面都有较大的离散性。所选取的标准木在所质生物质的原料。这就形成了采伐迹地上一部分生在伐区具有代表性,相应的物质流定量分析只能反物质中国煤化工然系统的一个物映该伐区的具体情况,如要推广到其他伐区,应该做质代CNMH不可逆的,揭示适当的调整,以便适应新的条件。了物质流、剩余生物质2)原木采集生产阶段的产品是集材楞场上的流、养分流之间的耦合关系。原木,其原料是林地立木。立木的木质生物质流反3)木质流和剩余生物质流的时空分布规律是第5期赵尘等:原木采集生产的生物质流特征分析原木采集生产物质流的重要特征。采集生产一般是上的作业工艺分布。在基于地理信息系统的采集生间歇式的流水作业,整个流程可以跨越若干天到几产时空网络图上可进行叠加分析、作业模拟和系统个月。在各作业工序之间,伐倒木、原木、枝丫、树皮优化,进而推出实用的采集生产地理信息应用系统。等木质和非木质生物质材料一般会在作业地点存留将采集生产系统扩展到采伐更新作业系统,相应的一段时间,受野外环境的影响,可能发生腐烂、变质物质流时空网络图可发展成集约经营、精准林业、数的现象。在空间分布上,由相对分散的立木、伐倒木字林业的有效工具转化到小集中后的原木堆、枝丫垛,再经集材道集材后,最终到达集材楞场,为一个逐渐集中、收缩的物质流形式。对枝丫、树皮等生物质,如果经堆放发酵蔡九菊,王建军,陆钟式等200.钢铁企业物质流与能量流及其相或切碎后,再撒铺到采伐迹地上,则形成空间扩展型互关系.东北大学学报:自然科学版,27(9):979-982.的生物质流。黄和平,毕军,张炳,等.2007物质流分析研究述评.生态学报27(1):368-379.4)原木采集生产物质流的时空网络图是反映沈,刘晓清,200源流研究的理论与方法探析竇源科学,木质流剩余生物质流时空分布的有效工具。以节28(3):9-16点和弧反映流的空间位置和占用时间,可形成单向、王大明赵尘李兆山200人工林采伐作业物质流分析南京林非循环的网络图。弧值可表示为废弃物、排放物剩业大学学报,33(1):139-142.余物消耗物转化物或添加物的数量,也可以反映余爱华赵坐20,浅析我国森林生态采运理论西北林学院学相应的耗能、耗时、耗材、人工、资金投入、设备投入报,22(6):153-156张正雄周新年,赵尘,等2008.南方林区人工林生态采运作业模各种产出和效益等。通过网络分析,采用各种优化式选优.林业科学,44(5):128-134模型,可分析计算网络图的最短路径、最长路径、关赵尘王大明张正雄2006木材采运系统物质流与能量流模式的键路线、最大流、最小费用流、最小费用最大流等,进分析南京林业大学学报,32(5):37-40.而可进行敏感性分析。更进一步,对一个网络图赋Korhonen ], Wihersaari M, Savolainen 1. 2001. Industrial ecosystem in the予2种不同含义的弧值,将其加权叠加后可进行两a forest ecosystem in a forest industry system. Ecological Economics者的耦合分析,得出合成的结果,反映两者的综合效39(1):145-161应,可用于分析省材、节能、降耗、经济产出、生态环 Ximenes F, Gardner W, Kathuria A.200. Proportion of above-ground境、社会影响等的综合效益。biomass in commercial logs and residues following the harvest of five5)以物质流的时空网络图为基础,结合地理信息系统技术,可为人工林的采伐更新规划设计提供Management,256(3):335-346.强有力的工具。伐区地理信息系统可反映林木分(责任编辑石红青)布、地形地貌、土壤、气候、道路、楞场等空间信息,而采集生产物质流的时空网络图反映了这些空间位置中国煤化工CNMHG