杉木、馬尾松人工林地表可燃物利用潛力分析

張思玉

（南京森林警察學(xué)院，江蘇 南京 210046）

地表可燃物是最容易引發(fā)林火的一個層次，主要包括：枯枝落葉、草本植物、地衣、苔蘚、動物尸體和糞便、幼苗幼樹、倒木、伐根、采伐剩余物、灌木、低垂的枝葉和小喬木等，主要表現(xiàn)為地表火[1]。減少地表可燃物負(fù)荷量是森林防火的重要措施之一，常用的方法有兩種：一種是人工清理出林外讓其自然腐爛；另一種是國外小范圍使用的林內(nèi)計劃燒除，用火將地表的枯枝落葉燒掉[2～3]。但基于防火的森林地表可燃物的利用尚未提到議事日程。

杉木（Cunninghamia lanceolata）和馬尾松（Pinus massoniana）人工林是我國南方分布最廣、面積最大的人工林，面積分別為921.50萬hm2、583.27萬hm2，分列我國人工林面積的前2位[4]。同時，杉木、馬尾松人工林也是我國南方林區(qū)森林火災(zāi)危害最嚴(yán)重、森林防火任務(wù)最艱巨的林分[5～6]。修枝是提高木材質(zhì)量、增加樹干圓滿度、提高林木生長量、改善林木生長條件的重要措施之一[7]，但是近年來很少有人將修剪下來的枝葉加以利用，修枝和防火的地表可燃物管理同樣被視為是入不敷出的措施。如何將森林防火、中幼林撫育和經(jīng)濟效益、社會效益、生態(tài)效益有機結(jié)合在一起，值得深入探討。

本文通過對杉木、馬尾松人工純林及其混交林的調(diào)查測定，旨在為杉木、馬尾松人工林地表可燃物生物質(zhì)能的持續(xù)利用、獲取多種效益、以及消除火災(zāi)隱患、制定合理的防火對策提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究地區(qū)自然概況與研究方法

1.1 自然概況

研究區(qū)位于福建省沙縣官莊林場的4-31-3和4-24-3小班，海拔150 ～ 300 m，坡度20 ～ 35°。林齡18 a，造林時選用同齡的杉木、馬尾松實生苗，密度均為3 150株/hm2。純林用行狀配置，杉木、馬尾松混交林采用“5行 3行”的帶狀混交。林下草本以芒萁（Dicranopteris dichotoma）、烏毛厥（Blechnum orientale）、白茅（Imperata cylindrica）、芒（Miacanthus sinensis）、魚腥草（Hoatuynia cordata）等為主；灌木以杜莖山（Maesa japonica）、山胡椒（Lindera glauca）、牛奶子（Elaeagnus umbellata）等為主。

1.2 可燃物負(fù)荷量的測定

在杉木純林、馬尾松純林及其混交林林分中各設(shè)置2塊20 m×20 m的標(biāo)準(zhǔn)地，共計6塊，面積合計為2 400 m2。標(biāo)準(zhǔn)地每木檢尺后，選擇與平均胸徑和平均高相近的林木作為標(biāo)準(zhǔn)木：純林選3株，混交林選2株，共計20株，杉木、馬尾松各10株。標(biāo)準(zhǔn)木伐倒后分樹種分別（干）枝、葉稱其鮮重，并按照著生部位（上、中、下）取3個樣本，每個樣本重量分別為：（干）枝500 g，皮300 g、葉100 g。

在每塊標(biāo)準(zhǔn)地的4角設(shè)2 m×2 m的小樣方測草本、灌木及凋落物的重量。將草本植物和灌木混合取樣，小樣方各取2個樣本，每個樣本重量分別為：枯枝落葉、草本植物100 g，灌木枝300 g，灌木葉100 g。

將樣品帶回實驗室，在 104℃恒溫下烘至恒重，求出含水率。結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)地調(diào)查和含水率測定結(jié)果，計算出可燃物負(fù)荷量（不含草、灌及樹木的地下部分）。

1.3 地表可燃物生物質(zhì)能計算

從森林火災(zāi)的類型看，95%以上是地表火。從著火的位置看，除極個別的雷擊火是樹冠或樹干起火外，其余都是從地表起火，即使蔓延成為樹冠火，最初也是地表起火。研究表明，修枝高度達(dá)到4 m即可防止地表火蔓延成樹冠火[3]。據(jù)此，本研究的地表可燃物僅包括4 m以下樹干上的枝葉、灌木層、草本植物層和枯枝落葉，不包括該層次的樹干、層間植物、倒木、伐根等可燃物。

1.3.1 生物質(zhì)能計算的依據(jù) 調(diào)查測定的可燃物負(fù)荷量乘以相應(yīng)的熱值，得出其生物質(zhì)能。本研究所用熱值均引自《中國主要植物熱能》[8]。

1.3.2 杉木和馬尾松枝、葉熱值的確定 調(diào)查林分中，由于樹枝的分化不大，沒有分級測定；同時，由于測定的是杉木、馬尾松帶皮枝的重量，而《中國主要植物熱能》給出的是去皮枝、干的熱值。為了降低計算誤差，杉木、馬尾松4 m以下枝的熱值，用《中國主要植物熱能》中對應(yīng)的“干、枝、皮”的平均熱值代替。葉的熱值則直接引用。

1.3.3 草本植物、灌木、枯枝落葉熱值的確定 草本植物層、灌木層的熱值分別取芒其、烏毛厥、白茅和芒的平均值，以及牛奶子、山胡椒和杜莖山的平均值。枯枝落葉層的熱值取各林分組成樹種“枝、葉”的平均值（混交林以樹種的混交比為權(quán)重加權(quán)平均）。

2 調(diào)查結(jié)果與分析

調(diào)查林分4 m以下可利用地表可燃物負(fù)荷量和生物質(zhì)能分布情況見表1。

表1 杉木、馬尾松人工林可利用地表可燃物負(fù)荷量和生物質(zhì)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，不論是可利用的地表可燃物負(fù)荷量還是生物質(zhì)能，都以馬尾松純林最高，杉木和馬尾松混交林次之，杉木純林最低。該結(jié)果進(jìn)一步驗證了馬尾松純林的火災(zāi)危險性比杉木林高，以及混交林可以降低火險的結(jié)論[5]。正因為如此，森林防火工作實踐中，通常采用人工清理或火燒的辦法來降低地表可燃物負(fù)荷量，但這種只見投入不見產(chǎn)出的森林防火措施很難調(diào)動人們的積極性。

從生物質(zhì)能利用的角度看，定期對地表可燃物進(jìn)行利用，同樣可以達(dá)到降低地表可燃物負(fù)荷量和改善林下小環(huán)境的目的，既起到預(yù)防森林火災(zāi)的作用，又能促進(jìn)林分健康生長，同時還能取得一定的經(jīng)濟收益。

3 杉木、馬尾松人工林地表可燃物可利用生物質(zhì)能潛力分析

生物質(zhì)能作為可再生資源，其利用尚屬新能源范疇，是未來能源利用的主力軍。雖然森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)最大的能源庫，但是，森林地表可燃物的生物質(zhì)能利用尚處在探索階段，其生產(chǎn)潛力將在未來的應(yīng)用中起到導(dǎo)向作用。

3.1 調(diào)查林分地表可燃物單位面積可利用生物質(zhì)能折合標(biāo)準(zhǔn)煤的產(chǎn)量

標(biāo)準(zhǔn)煤是各類能源潛力的一個參照物，國家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T3715-2007）[9]規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)煤的熱值為29.27Mj/kg。為此，結(jié)合表1，將調(diào)查的3種林分地表可燃物單位面積可利用生物質(zhì)能的產(chǎn)出量整理成表2。

3.2 我國現(xiàn)有杉木、馬尾松人工林地表可燃物可利用生物質(zhì)能潛力分析

3.2.1 以調(diào)查林分單位面積產(chǎn)出的標(biāo)準(zhǔn)煤推算地表可燃物的可利用潛力 如果說表2尚不能表達(dá)杉木、馬尾松人工林地表可燃物可利用生物質(zhì)能的潛力的話，對我國現(xiàn)有杉木、馬尾松人工林地表可燃物可利用生物質(zhì)能進(jìn)行粗略估算，便能夠清晰地看出其可利用的潛力大小。

雖然中齡林、近熟林、成熟林、過熟林的生物質(zhì)能遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于幼齡林，但是，即使按照調(diào)查的3種人工幼齡林可利用生物質(zhì)能的平均值（292.68 kg/hm2標(biāo)準(zhǔn)煤）推算，全國921.50萬hm2的杉木人工林中，僅4 m以下的枝葉、灌木、草本植物和枯枝落葉等地表可燃物儲存的生物質(zhì)能，可折合269.70萬t標(biāo)準(zhǔn)煤；全國583.27萬hm2馬尾松林中，可折合170.71萬t標(biāo)準(zhǔn)煤，二者合計440.41萬t標(biāo)準(zhǔn)煤。盡管上述估算非常保守，但也表明了我國現(xiàn)有杉木、馬尾松人工林地表可燃物可利用生物質(zhì)能的巨大潛力。

3.2.2 杉木、馬尾松人工林地表可燃物再生產(chǎn)潛力分析 相關(guān)研究表明[10]，杉木林和馬尾松林凋落枝葉的生物量（負(fù)荷量）分別為4.25 t /（hm2·a）和5.72 t/（hm2·a）。另有研究表明，18個月后馬尾松林凋落物在每月月中和月底分二次噴施 NH4NO3情況下，各處理的平均殘留率為 64%，即馬尾松林凋落物一年半的分解率為37%[11]。參照此結(jié)果，可以將杉木、馬尾松凋落枝葉的分解周期大致確定為3 a。

表2 研究林分地表可燃物可利用生物質(zhì)能折合標(biāo)準(zhǔn)煤的產(chǎn)量Table2 The available bioenergy of surface fuel converted into standard coal in the sample plots kg·hm－2

3 a時間里，由于第一次利用地表可燃物時對4 m以下的樹枝進(jìn)行了修枝，改善了林下的光照條件和擴大了其營養(yǎng)空間，林冠下的草本植物和灌木的恢復(fù)速度必然會加快，將有可能達(dá)到或超過本研究林分所測定的負(fù)荷量。為此，以杉木、馬尾松枝葉第3年的凋落量和第2年的殘留量，以及研究林分下草本植物、灌木的負(fù)荷量為計算依據(jù)，推算出杉木、馬尾松林3 a內(nèi)可再次利用的可燃物負(fù)荷量和生物質(zhì)能（表3）。

若以3 a為周期，對我國以用材林為目的營造的杉木、馬尾松人工林而言，自首次利用至林分主伐之前，地表可燃物的生物質(zhì)能還可以再利用4 ～ 5次。以表2和表3的平均值推算，杉木、馬尾松人工林地表可燃物每公頃可利用生物質(zhì)能折合標(biāo)準(zhǔn)煤可達(dá)702.64 ～ 805.13 kg。進(jìn)一步推算，全國現(xiàn)有杉木、馬尾松林地表可燃物的利用潛力可分別達(dá)到647.48萬 ～ 741.93萬t標(biāo)準(zhǔn)煤、409.83萬 ～ 469.61萬t標(biāo)準(zhǔn)煤，合計高達(dá)1 057.31萬 ～1 211.54萬t標(biāo)準(zhǔn)煤。產(chǎn)業(yè)化的潛力非常廣闊。

表3 研究林分地表可燃物再生產(chǎn)能力Table3 The reproduction capacity of fuel in the sample plots

4 結(jié)論與討論

（1）生物質(zhì)能的利用是解決能源危機的重要途徑之一，也是未來的發(fā)展方向。杉木、馬尾松人工林地表可燃物利用潛力巨大，產(chǎn)業(yè)化的前景廣闊。

（2）生產(chǎn)實踐中，人們通常只是從本行業(yè)或部門的需求去開展工作，為了降低現(xiàn)有杉木、馬尾松林的火災(zāi)危險，我國目前最常使用的是伐除部分林木營造木荷等防火林帶。本文的研究結(jié)果表明，把馬尾松林和杉木林作為用材林和能源林結(jié)合起來經(jīng)營，不必伐除林木，只要對地表可燃物進(jìn)行定期利用，可以達(dá)到更好的防火效果。因為防火林帶的防火效應(yīng)是有限的，而地表可燃物的定期利用則提高了整個林分的抗火性。同時，可以達(dá)到森林培育、防火、防治病蟲害等多種目的，實現(xiàn)經(jīng)濟、社會和生態(tài)等多種效益的統(tǒng)一。

（3）地表可燃物負(fù)荷量在整個林分的生物量中僅僅占非常小的比重，本文的研究表明，馬尾松純林的生物質(zhì)潛能比杉木純林和其混交林的生物質(zhì)潛能都大，可以作為能源林進(jìn)行經(jīng)營。

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