文章信息
- 张正雄, 周新年, 赵尘, 陈玉凤.
- Zhang Zhengxiong, Zhou Xinnian, Zhao Chen, Chen Yufeng.
- 南方林区人工林生态采运作业模式选优
- Selecting of the Optimum Operation Model of Ecological Harvesting and Transportation in Southern Artificial Forest Area in China
- 林业科学, 2008, 44(5): 128-134.
- Scientia Silvae Sinicae, 2008, 44(5): 128-134.
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文章历史
- 收稿日期:2006-10-17
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作者相关文章
2. 南京林业大学 南京 210037
2. Nanjing Forestry University Nanjing 210037
森林经营的综合效益实质是指林业经营者(主体)在森林生态系统综合功能基础上实现的,以人类社会为中心的环境-社会系统(客体)所需求和接受的生态、社会和经济效益的综合和统一(张建国,1990)。森林采伐既是以森林生态系统为对象,对过成熟林进行木材生产活动,以获取木材和林产品的重要手段,发挥森林的经济效益,同时又是根据森林是可再生资源的特点,通过采育结合,及时更新,藉以维护林木赖以生长发育的生态环境和发挥生态效益的重要措施。然而,长期以来,在对森林资源的开发利用中,人们往往仅着眼于木材生产,没有充分考虑到森林效益的多元化,在选择伐区作业方式时,大多只强调提高生产率和经济效益,忽视了采伐作业对森林生态环境的影响,盲目采伐,造成了生态环境的严重破坏(张正雄,2002;张正雄等,2002)。因此,在采伐作业中注意生态效益与经济效益相结合已刻不容缓。
关于人工林生态采运作业技术的研究,尤其是针对南方人工林生态采运作业的系统研究,目前国内报道的很少,以往的研究主要针对天然林,且多数只研究采、集作业段。把采、集、运三者作为一个系统,从经济、生态和社会效益3个方面进行系统地分析研究目前尚未见报道。本文通过对福建省人工林伐区常用8种采、集、运联合作业模式的经济效益、生态效益、社会效益及其综合效益的分析评价,从而确定最佳作业模式,为林业生产部门合理选择伐区作业模式提供科学依据。
1 研究区域概况试验地选在闽西北地区的主要林业县市即永安市的部分林业采育场。永安市(116°56′—117°47′ E,25°33′—26°12′ N)地形地貌属亚热带山地丘陵,多为低山和高丘山地,东南部属戴云山玳瑁山脉,最高山峰海拔1 705.7 m,西部和西北部属武夷山余脉的东南坡;地质复杂,以寒武纪到第4纪的地层大部分都有出露,岩石种类多达45种,但中低山的岩石,多为古生界南靖群的石灰岩、石英砾岩和花岗岩;土壤以花岗片麻岩发育成的山地红壤为主,占林业用地面积的72.38%,土壤土层厚度大都在100 cm以上,土体结构A、B、C层次过渡逐渐;气候属中亚热带季风气候,年平均气温19.4 ℃,相对湿度80%,平均年降水量1 564.2 mm,雨季为4月下旬—6月中旬,占全年总降水量的40%以上,年蒸发量1 455.5 mm,降水量高于蒸发量108.7 mm。
2 研究方法从经济、生态、社会效益及其综合效益等方面对人工林伐区各种作业方式分别进行分析评价。经济效益评价主要从各种作业模式的作业成本(费用)方面进行分析,通过现场作业调查测试及根据《福建省林业生产统一定额》进行计算确定。生态效益评价是通过对各种作业方式对林地土壤植被影响的调查、试验研究来进行的。在选定的试验样地于伐区作业前后分别取土样,在室内进行土壤理化性质分析(张正雄等,2003;2004)。其中土壤取样方法按森林土壤样品的采集与制备国家标准(GB 7830-87)规定执行(中华人民共和国林业部科技司,1991),土壤理化分析按森林土壤分析方法国家标准(GB 7830-87~GB 7857-87)中的规定执行(中华人民共和国林业部科技司,1991)。社会效益评价主要通过专家法和相对比较法来分析计算。综合效益评价则是采用多目标决策综合评价法。
3 人工林伐区木材生产常用作业模式伐区木材生产包括采伐、集材和运材三大工序,每一道工序都有多种作业方式(作业项目)及作业设备,它们可以组成众多不同的木材生产作业模式,且每一种作业模式的经济效益也不同。根据对福建省人工林生产实际的调查,目前采伐作业方式除《森林采伐更新管理办法》中规定的少数不允许使用皆伐的林区实行择伐外,其余基本上为皆伐,所用采伐设备大多数为油锯,只有极少数资源较分散、小径材(径级8 cm以下)占绝大多数的杉木集体林区使用弯把锯;集材方式有:架空索道集材、手扶拖拉机集材、手板车集材、土滑道集材、人力担筒等;运材方式有:汽车运材、农用车运材、船运木材和排运木材等,其中排运为人工放排。根据南方(主要是福建省)的自然资源条件、生产实际及工序之间的衔接协调性原则(如集材设备和运材设备的载量匹配),伐区木材生产常用作业模式有8种,见表 1。
主要分析各种作业模式的作业成本(费用)。为便于分析比较不同作业模式的经济效益,将作业成本(费用)分成3部分,即采造段成本、集材段成本和运材段成本,同时假定各种作业模式是在同一种作业条件下进行的,即总的集运距离(总的集运距离是指从伐区中心至采育场场部楞场或中间楞场的距离)、伐区面积、树种、单株材积、材长、坡度、总出材量、已有支线运材道长度(指从林业采育场场部楞场或中间楞场至支线末端的长度,结合实际情况,定为42 km)等条件是相同的,集材距离和新增集运材道长度则随不同的集运材方式而改变。此外,假定该伐区同时具备上述8种作业模式的集运材条件,在距伐区中心约3 km处有可供进行木材水运(船运或排运)的临时水运码头。伐区调查和工艺设计资料见表 2。
根据表 2的已知作业条件和《福建省林业生产统一定额》,分别对不同作业模式的成本费用进行计算,结果见表 3。
由表 3可知,模式Ⅱ的作业总成本最低,其余由小到大依次为:模式Ⅵ、模式Ⅰ、模式Ⅲ、模式Ⅶ、模式Ⅴ、模式Ⅳ。
4.2 生态效益分析主要分析各种作业模式对森林生态环境的影响大小,以便确定生态效益较好的作业模式。对于一个具体的作业范围(伐区面积)不大的伐区而言,伐区作业对生态环境的影响,最主要和最直接的是土壤和植被。生态效益分别按采、集、运3个作业工序来综合考虑。
4.2.1 采伐段生态效益评价指标值采伐段的生态效益,在人工林主伐方式中绝大多数情况下按皆伐作业来研究。另外,8种常用作业模式中,采伐方式均为油锯皆伐,故可将它们的采伐作业生态效益(主要是对土壤、植被和水土流失方面的影响)视为是等同的(当采伐面积、蓄积量及其他立地条件相同时)。
4.2.2 集材段生态效益评价指标值集材段生态效益评价,主要是反映集材作业对集材道土壤的影响。2001—2004年在福建省的永安市部分林业采育场,对前述5种常用集材作业方式对集材道土壤理化性质的影响进行了试验研究(张正雄等,2003;2004),并根据不同集材方式对集材道土壤理化性质影响的受干扰程度(受干扰程度是指集材作业后土壤理化性质指标的相对变化率与集材破坏系数的乘积,见表 4、5),通过主成分分析(过程略),从中选出8个因子负荷量较大且又能反映土壤主要理化性质的指标作为评价集材作业生态效益的指标,它们分别是土壤肥力指标(有机质、全N和速效K)和蓄水保土指标(土壤密度、非毛管孔隙度、最小持水量、最大持水量、结构体破坏率)。
人工林伐区运材作业方式有陆路运材和水路运材2种形式。陆路运材对林地生态环境的影响,主要是对运材道土壤和植被的影响。水路运材对生态环境的影响,主要表现在整治河道时对河岸两侧土壤和水体的干扰破坏影响。根据不同运材方式对生态环境可能造成的影响大小,用专家调查法(何宗明,1996)和相对比较法确定不同运材方式的生态效益评价值(权重系数),即汽车运材、农用车运材、船运木材和排运木材的生态效益评价值分别为0.392,0.342,0.158、0.108。
4.2.4 采集运生态效益评价指标值为便于比较不同作业模式的生态效益,按不同作业段将生态效益分为采伐段、集材段和运材段,根据不同作业段对生态环境的影响大小,用专家调查法和相对比较法确定其评价指标值(权重系数)分别为0.2、0.5和0.3。
4.3 社会效益分析社会效益是通过其评价指标体系来进行评价的。评价指标体系通常包括以下几个方面:社会进步系数、增加就业人数、健康水平提高系数、精神满足程度、生活质量改善、社会结构优化等(周新年, 1994)。但对于具体的生产规模不大的伐区木材生产作业系统来说,可以用作业安全性、劳动强度大小、社会进步系数(包括作业机械化程度、劳动生产率水平)等来评价。由于各种作业模式的社会效益,目前尚无直接的量化指标,因此,采用专家法和相对比较法对各种作业模式的社会效益进行量化处理。常用8种作业模式的社会效益评价结果,见表 6。
综合效益通常由经济、生态和社会效益3部分组成。每一种效益都有不同的评价指标和单位,要对8种常用作业模式通过综合效益评价,从中选出类似于试验区条件的最佳伐区作业模式,这实际上是一个多目标决策问题(周新年等,2000)。多目标决策方法有多种,其中综合评价法是一种较好的方法。
5.1 多目标决策综合评价法的基本原理综合评价法的基本原理简述如下(钱颂迪, 1990):
假定确定型的决策问题有G个方案可供选择,用N个实数指标Xi1,Xi2,…,Xin来描述第i方案,那么第i方案可以写成1个n维向量Ci=Xi1,Xi2,…,Xin。如果决策者根据n个指标可以确定g个不同目标,对每1个目标形成1个价值函数:
在方案集合C中,假定任何2个方案i,j
如果对所有K,有
则
称为方案i优于方案j,j方案称为支配方案。
根据上述描述,应将供选择的方案集合C中的被支配方案加以精简,被留下方案为集合C的子集,称为Pareto优化集合。多目标决策方法主要是形成Pareto优化集合,并从中选出优化方案。Pareto优化集合里的方案之间各指标是各有长短的,应用一维比较法进行选择。
为了便于对不同量纲的目标项目进行综合比较,首先应将这些不同量纲的目标项目换算成同一效用单位(ufile)。求出每1个目标的最大值Vmax和最小值Vmin。并令Umax=1.0,当目标值为Vmax;Umin=0.1,当目标值为Vmin。
其余U值一般按式(1)和式(2)换算(当U值和V值为直线关系时),
(1) |
(2) |
式(1)为递增关系式,式(2)为递减关系式。当目标值越大越好时,选用式(1),否则选用式(2)。
在多目标决策中,权重系数的确定是关键的一步,一般采用相对比较法。设有n个目标,对n个目标进行两两比较,采用专家调查法获得每个目标各自的相对权重。如Vi重要程度是Vj的4倍,则取λij=0.8,λji=0.2。比较次数为R=Cn2。
这些λ值之间具有下列关系:
(3) |
每个目标的权重为:
如果目标数较多,可借鉴层次分析法的思想,即将n个目标进行归类合并,形成m个主目标(m<n),先计算出m个主目标的相对权重,然后计算每个主目标内各子目标的相对权重。则
(4) |
求得每一个目标权重λi后,再求各方案综合评价值。第i方案的综合评价值Wi为
(5) |
最后,根据Wi值的大小选出优化方案。
5.2 不同采运作业模式综合效益计算与作业模式选优将人工林伐区不同采运作业模式的综合效益(综合评价值)作为总目标,下分为3个主目标,即经济效益、生态效益和社会效益。
经济效益评价指标用作业成本表示,为便于分析比较,将其分为采造段成本(包括伐木、打枝、造材)、集材段成本和运材段成本。设V1、V2、V3为各伐区作业模式经济效益的3个指标值,分别表示采造段单位成本V1(元·m-3)、集材段单位成本V2(元·m-3)和运材段单位成本V3(元·m-3),各项成本费用通过现场作业调查测试后,均按《福建省林业生产统一定额》进行计算,具体数据见表 3。
生态效益分成采伐段、集材段和运材段。设V4为采伐段生态效益综合评价指标。集材段评价指标用前述8个土壤主要理化性质指标,其中设V5、V6、V7为土壤肥力的3个指标值,分别表示有机质V5(g·kg-1)、全N V6(g·kg-1)、速效K V7(mg·kg-1)等的变化值(受干扰程度见表 5),设V8、V9、V10、V11、V12为蓄水保土指标,分别表示土壤密度V8(g·cm-3)、最小持水量V9(%)、最大持水量V10(%)、结构体破坏率V11(%)、非毛管孔隙度V12(%)等的变化值(受干扰程度见表 4)。设V13为运材段生态效益综合评价指标。
社会效益评价指标用前述的作业安全性、劳动强度和社会进步系数等指标表示,设V14、V15、V16为社会效益的3个指标值,分别表示作业安全性V14、劳动强度V15、社会进步系数V16等,具体数据见表 6。
5.2.1 不同作业模式各效益指标计算将8种作业模式对应的经济效益、生态效益和社会效益等指标分别进行分析计算(计算过程略)。
5.2.2 各种作业模式各目标效用计算将V1~V16等16个指标的效益指标计算值用式(1)或式(2)换算成统一的效用值U。对于作业安全性、社会进步系数等2项指标,其数值越大越好,则采用递增关系式(1);而其他各指标的数值是越小越好(生态效益取绝对值越小越好),故采用递减关系式(2)换算(计算过程略)。
5.2.3 伐区木材生产作业模式优化1) 各主目标权重系数的确定考虑到人工林经营的主要目标是用材林(非生态公益林),以经济效益为主,兼顾生态效益和社会效益。据专家调查法和相对比较法确定经济效益、生态效益和社会效益的相对权重分别为0.50、0.33、0.17。
再用相对比较法分别对3个主目标所属各子目标的相对权重进行计算分析。对经济效益的3个子目标计算,得到V1、V2、V3的相对权重分别为0.15、0.35、0.50;对于生态效益各子目标的相对权重计算,分2步进行,第一步先计算采、集、运3个主子目标相对权重,它们分别为0.2(V4)、0.5(V5~V12)和0.3(V13),然后再计算集材段生态效益8个次子目标的相对权重,得到V5、V6、V7、V8、V9、V10、V11、V12的相对权重分别为0.141、0.130、0.130、0.120、0.120、0.120、0.119、0.120;对社会效益的3个子目标计算,得到V12、V13、V14的相对权重分别为0.50、0.317、0.183;再用式(4)计算各子目标的绝对权重,分别为0.075、0.175、0.25、0.066、0.023、0.021、0.021、0.020、0.020、0.020、0.020、0.020、0.099、0.085、0.054、0.031。
2) 综合评价值的计算与优化将各种作业模式各目标的效用计算值分别代入式(5)进行计算,分别得到各种作业模式的经济、生态和社会效益的评价值以及它们的综合评价值,结果见表 7。
由表 7可知,不同的评价方法(评价指标体系),所得的最佳作业模式和作业模式优选次序也不同。若从经济效益综合评价值来看,模式Ⅱ的评价值(0.421)最高,即为最优作业模式,其余评价值由大到小依次为:模式Ⅶ、模式Ⅰ、模式Ⅲ、模式Ⅵ、模式Ⅴ、模式Ⅷ、模式Ⅳ;若从生态效益综合评价值来看,模式Ⅲ的评价值(0.236)最高,即为最优作业模式,其余评价值由大到小依次为:模式Ⅳ、模式Ⅷ、模式Ⅵ、模式Ⅴ、模式Ⅱ、模式Ⅰ、模式Ⅶ;若从社会效益综合评价值来看,模式Ⅱ的评价值(0.170)最高,即为最优作业模式,其余评价值由大到小依次为:模式Ⅰ、模式Ⅳ、模式Ⅲ、模式Ⅴ、模式Ⅵ、模式Ⅷ、模式Ⅶ。
但从综合效益评价值来看,作业模式Ⅱ的综合评价值(0.744)最高,即为最优作业模式,其余按综合评价值由大到小排列依次为模式Ⅲ、模式Ⅰ、模式Ⅳ、模式Ⅵ、模式Ⅴ、模式Ⅷ、模式Ⅶ。由此可得人工林生态采运作业系统中常用的8种伐区作业模式的优选次序为:模式Ⅱ、模式Ⅲ、模式Ⅰ、模式Ⅳ、模式Ⅵ、模式Ⅴ、模式Ⅷ、模式Ⅶ。
6 结论与建议通过对南方人工林伐区常用8种采运作业模式的经济效益、生态效益、社会效益及综合效益分析与评价,结果表明:在相同的作业条件下,由不同集材方式与同一种运材方式或同一种集材方式与不同运材方式所组成的作业模式,其经济效益、生态效益和社会效益,以及综合效益均不同。作业模式Ⅱ即油锯采伐手扶拖拉机集材船运木材为最优作业模式,作业模式Ⅲ(油锯采伐索道集材农用车运材)为次优作业模式,其余综合效益由大到小依次为:模式Ⅰ、模式Ⅳ、模式Ⅵ、模式Ⅴ、模式Ⅷ、模式Ⅶ。
因此,为了实现林业的可持续发展,建议林业生产决策部门在选择人工林伐区采运作业模式时应综合考虑其经济、生态和社会效益,在有水路运输条件的伐区,应优先选择作业模式Ⅱ即油锯采伐+手扶拖拉机集材+船运木材;在无水路运输条件的伐区,则应优先选择作业模式Ⅲ,即油锯采伐+索道集材+农用车运材。
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