伐区采育作业系统由伐区木材生产作业和营林作业2个子系统组成, 它是一个不可分割的整体。过去, 由于指导思想等原因, 人为地将这2个子系统分开甚至对立起来。在木材生产中, 森工企业追求单纯经济效益, 造成可利用森林资源越来越少, 以及由此而来的一系列环境问题。目前, 将伐区作业作为一个系统进行研究的报道很少, 关于伐区作业综合效益定量评价还少见报道(郭建钢等, 1997;1998;2000;洪伟等, 1999;邱仁辉, 1997;史济彦, 1998;张良弓等, 1997;周新年等, 1988;1992;1994;1995;1996;1997;1998;Nautiyal, 1990;Zabowski, 1994)。为此, 通过实际计算伐区作业的作业成本和定位研究伐区作业对环境因子的影响程度, 来评价伐区作业的综合效益, 为确定伐区工艺设计方案提供科学依据。为了定量评价伐区作业的综合效益, 必须划分综合效益的评价范围和评价指标以及方法。从伐区作业看, 由于作业对象为某一伐区, 其综合效益主要由经济效益和生态效益两部分组成, 其社会效益不明显而被忽略。经济效益可用伐区直接生产费用和短期收益进行分析, 生态效益可通过其评价体系的各指标进行分析。

1 试验地自然概况

试验地位于福建省国有淠州林业采育场岩坑工区, 该场位于沙县(东经117°27′~118°78′, 北纬26°7′~26°42′)东北部, 是福建省主要林区县之一。该地气候为亚热带海洋性季风气候, 年平均气温19.2 ℃, 年降水量1687.5 mm, 年平均相对湿度82%, 年蒸发量1437.3 mm。2个试验区同属燕山早期第3阶段第4次侵入岩, 岩性为细粒黑云母花岗岩, 土壤为山地红壤, 土壤厚度1 m以上。试验区林分起源为天然马尾松(Pinus massoniana)次生林, 主要混生乔木有甜槠(Castanopsis eyrei)、栲树(C.fargesii)和木荷(Schima superba)等; 林下植被主要有木(Loropetalum chinese)、胡枝子(Lspedeza bicolor)、五节芒(Miscanthus floridulus)、芒萁(Dicranopteris dichotoma)等, 2个试验区的自然条件基本相同。

2 研究方法 2.1 试验设计

为了探索伐区作业模式对伐区综合效益的影响, 主要考虑福建省国有林业采育场的典型自然条件和适宜的各种作业方式, 选取组成伐区作业系统的4个主要因素作为试验因子, 所选因素和水平, 见表 1。根据所选的因素和水平, 按混合水平正交表进行伐区作业模式的试验设计L₈ (4×2⁴)。1995年底至1996年4月在沙县淠州采育场的8林班16和19小班(试验区1设立伐区1)和11林班31、32和33小班(试验区2设立伐区2)重复建立8种作业模式的固定试验地(每种模式试验地面积400 m²), 具体安排见表 2。

2.2 土壤理化性质分析

土壤取样方法见文献(罗汝英, 1982);土壤水分-物理性质测定方法见文献(张万儒, 1986);土壤化学性质测定方法见文献(中国科学院南京土壤所, 1978);植被调查采用相邻格子法。

2.3 伐区作业经济效益分析

伐区直接生产费用由木材生产和营林生产的直接费用组成。它们又分别由生产工人的工资、物料与燃料费组成。对木材生产来说, 生产工资分为两部分:一是准备作业段所需的工资, 它包含简易集材道(担筒路等)和一般集运材道(手板车道)的开设、架空索道(架线、移线、设备转移等)、机械设备养护、道路养护以及其它工作(工棚、机房、山楞建设)等; 二是伐区生产段所需的工资, 它包含采造段(采伐、打枝、剥皮、检尺和造材)、集材段(人力小集中、溜山、手板车、绞盘机等)、归装段(归楞、装车)和剩余物清理段(归堆、归带)等。物料与燃料消耗费分:汽油、柴油、机油、零配件、工具材料消耗等费用。对营林生产来说, 生产工资分为3部分:林地准备(劈草炼山、整地)与更新造林以及幼林抚育段工资。物料费用分种子、种苗、肥料和工具材料等费用(周新年, 1994)。

在分析各伐区作业模式经济效益时, 把试验地所在伐区的木材直接生产成本分为采造段成本(包括采伐、打枝、造材、检尺、剥皮)、集材段成本(分人力或绞盘机)、清林成本(包括迹地清理和整地)、更新成本(分天然更新或人促更新)和其余成本(包括归装、准备作业、手板车道、物燃料消耗、不可预见费用等)等5个作业成本作为经济效益指标。由于本试验在2个伐区重复进行, 所以各指标取2个伐区的平均值。

为了便于计算各伐区作业模式的经济效益指标, 列出了2个试验区所在伐区的木材生产有关数据, 各生产费用按《福建省林业生产统一定额》计算, 见表 3、表 4。

下面以作业模式Ⅲ (40%择伐-原木人力集材-归带处理采伐剩余物-人工促进天然更新)为例, 说明其各经济效益指标的计算方法。其它作业模式的经济效益指标的计算按同样方法求得。

2.3.1 短期收益M₁

伐区短期收益指伐区内各材种的实际出材量按现行价格销售所得的总金额(元/hm²)。各伐区的单位面积出材量MM_i (m³/hm²)为

(1)

MM₁、MM₂分别表示2个伐区马尾松单位面积出材量, MM₃、MM₄表示阔叶材单位面积出材量。由表 3知, 伐区1采伐面积为6.333 hm², 立木出材量为869 m³, 树种组成为7马3阔; 伐区2采伐面积为8 hm², 立木出材量为1195 m³, 树种组成为10马+阔。则

由于作业模式Ⅲ的实际择伐强度为41.4%和40.1%, 择伐树种为马尾松, 因此, 单位面积择伐出材量MM₅取MM₁、MM₂的平均值, 得:MM₅= (MM₁×伐区1实际择伐强度+MM₂×伐区2实际择伐强度) ÷2=MM₅= (96.052×0.414+141.906×0.401) ÷2=48.335 (m³/hm²)

据1997年沙县淠州林业采育场木材销售价格(见表 3), 马尾松平均胸径30~32 cm木材单价为680元/m³, 所以, 作业模式Ⅲ短期收入M₁为M₁=MM₅×销售单价=48.335×680=32867.80 (元)。

如计算皆伐时, 还应包括MM₃、MM₄, 即考虑阔叶材的短期收益。

2.3.2 采造段成本M₂

采造段成本包括采伐、打枝、造材、比记、剥皮等项费用之和。采造段单位材积成本M₂ (元/m³)的计算公式(1997年日工资按30元计, 下同)为

(2)

则伐区1和伐区2的采造段单位材积成本MN₁、MN₂ (见表 4)分别为:MN₁=204×30÷ (1070×0.414) =13.82 (元/m³) MN₂=292×30÷ (1500×0.401) =14.56 (元/m³)。采造段单位材积成本:M₂= (MN₁+MN₂) ÷2= (13.82+14.56) ÷2=14.19 (元/m³)。

2.3.3 集材段成本M₃

集材段单位材积成本(元/m³)按(3)式计算。

(3)

则伐区1和伐区2的集材段单位材积成本MN₃、MN₄ (见表 4)分别为:MN₃=193×30÷ (869×0.0414) =16.09 (元/m³), MN₄=290×30÷ (1195×0.401) =18.16 (元/m³)。集材段单位材积成本:M₃= (MN₂+MN₄) ÷2= (16.09+18.16) ÷2=17.13 (元/m³)。

2.3.4 清理林地成本M₄

清理林地包括采伐剩余物处理和整地。该工序单位面积成本(元/hm²)按(4)式计算。

(4)

则伐区1和伐区2的清理林地的单位面积成本MN₅、MN₆ (见表 4)分别为:MN₅=152×30÷6.333=720.04 (元/hm²), MN₆=197×30÷8=738.75 (元/hm²)。清理林地的单位面积成本:M₄= (MN₅+MN₆) ÷2= (720.04+738.75) ÷2=729.40 (元/hm²)。

2.3.5 更新成本M₅

单位面积更新成本M₅ (元/hm²)包括人工补播用工费和购买种子费用。按(5) (6)式计算。

(5)

(6)

伐区1和伐区2的单位面积补播用工费用MN₇、MN₈ (见表 4)分别为:MN₇=3×30÷6.333=14.21 (元/hm²), MN₈=3×30÷8=11.25 (元/hm²)。伐区1和伐区2的单位面积的种子费用MN₉、MN₁₀ (见表 4)分别为:MN₉=7.916×60÷6.333=75.00 (元/hm²), MN₁₀=10.000×60÷8=75.00 (元/hm²)。则单位面积更新作业成本:M₅= (MN₇+MN₈+MN₉+MN₁₀) ÷2= (14.21+11.25+75+75) ÷2=87.73 (元/hm²)。

2.3.6 其余项成本M₆

其余项单位成本M₆ (元/m³)为归装、准备作业(劈道影、简易道、工棚、道路养护、设计)、不可预见、物燃料消耗和设备折旧等项费用之和。

(7)

则伐区1和伐区2的其余项单位材积成本MN₁₁、MN₁₂ (见表 4)分别为:MN₁₁=385×30÷ (1070×0.414) =26.07 (元/m³), MN₁₂=601×30÷ (1500×0.401) =29.98 (元/m³)。其余项单位材积成本之和:M₆= (MN₁₁+MN₁₂) ÷2= (26.07+29.98) ÷2=28.03 (元/m³)。

2.4 伐区作业生态效益分析

森林经营的生态效益可用以下指标进行评价: (1)抗逆作用指标; (2)涵养水源指标; (3)土壤肥力指标; (4)气候指标; (5)大气质量指标; (6)土地自然生产力指标等(周新年, 1994)。

以上指标体系是针对林业规划活动而言。对某个具体伐区来说, 可筛选出一些易于量化的指标来分析伐区作业模式的生态效益, 它们是土壤肥力指标(容积重量、有机质含量、速效N、速效P和速效K)、蓄水保土指标(最大饱和持水量和泥沙冲刷量)和更新效果(更新苗数量和更新频度)。

3 伐区作业的综合效益评价 3.1 评价模型简析

根据上述8种可行的作业模式的经济效益指标和生态效益指标, 选择出最佳的类似试验区条件的伐区作业模式, 实际上是一个多目标决策问题。

多目标决策方法主要是形成Pareto优化集合并选择出优化方案(钱颂迪, 1990)。首先, 将不同量纲的目标项换算成同一效用单位(Ufile), 即根据每个目标的最大值V_max和最小值V_min, 求出对应的效用单位最大值U_max和最小值U_min。当目标值为U_max时, 对应的U_max为1.0;当目标值为U_min时, 对应的U_min为0.1;其余U值一般按(8)式和(9)式换算。即

(8)

(9)

式(8)为递增关系式, 式(9)为递减关系式。当目标值越大越好时, 选用式(8), 否则选用式(9)。

设有2个方案:A₁和A₂, 令

(10)

(11)

式(10)和(11)为效用函数。式中的λ_j (j=1, 2…, N)是每个目标的相对权重值, 它们满足

如果U (A₁) ≥U (A₂), 说明方案A₂为被支配方案, 可以精简。

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确定。设有N个目标, 对N个目标中的任意2个目标之间进行比较, 采用专家调查法获得每个目标各自的相对权重。例如决策者认为V_i重要程度是V_j的4倍, 则取λ_ij=0.8, λ_ji=0.2。比较次数为R=C_Ν²。

这些λ值之间具有下列关系:

(12)

每个目标的权重为: ; 而其总和为:

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, 后计算每个主目标内各子目标的相对权重。则

(13)

求得每一个目标权重λ_i后, 再求各方案综合评价值。记第i方案的综合评价值W_i为

(14)

最后, 根据W_j值的大小可选出优化的方案。

3.2 伐区作业模式优化

对各伐区作业模式的15个量化指标(N=15)归为4类主目标(M=4), 分别为经济效益M₁、土壤肥力M₂、更新效果M₃和蓄水保土M₄。设V₁、V₂、V₃、V₄、V₅、V₆为经济效益的6个指标值(即M₁有6个子目标), 分别表示短期收益(元/hm²)、采造段单位材积成本(元/m³)、集材段单位材积成本(元/m³)、清理林地单位面积成本(元/hm²)、更新单位面积成本((元/hm²)和其余项单位材积成本(元/m³)。短期收益分松木和杂木2类, 按各木材径级1997年的实际销售价格计算。采造段、集材段、作业准备、归装、物燃料和设备折旧费用按《福建省林业生产统一定额》计算。清理林地和更新成本根据试验地实际用工计算。设V₇、V₈、V₉、V₁₀、V₁₁为土壤肥力的5个指标值(即M₂有5个子目标), 分别表示0~2 cm层有机质(g/kg)、水解性氮(mg/kg)、速效磷(mg/kg)、速效钾(mg/kg)、容积重量(g/cm³)等的变化量。设V₁₂、V₁₃为更新效果指标(即M₃有2个子目标), 分别表示更新株数(株/hm²)和更新频度(%)。设V₁₄、V₁₅为蓄水保土指标(即M₄有2个子目标), 分别表示泥沙冲刷量(kg/hm²)和最大饱和持水量(%), 见表 5。

据专家调查法和相对比较法确定经济效益、土壤肥力、更新效果和蓄水保土4个主目标的权重分别为0.292、0.25、0.267和0.192, 计算结果见表 6。再用相对比较法分别对4个主目标所属的各子目标的相对权重进行计算法分析(计算过程与主目标的计算法相同, 略)。对“经济效益”的6个子目标计算, 得到V₁、V₂、V₃、V₄、V₅、V₆的相对权重均为0.167;对“土壤肥力”的5个子目标计算, 得到V₇、V₈、V₉、V₁₀、V₁₁的相对权重分别为0.225、0.21、0.185、0.18和0.2;“更新效果”的2个子目标(V₁₂和V₁₃)的权重各为0.5;“蓄水保土”2个子目标(V₁₄和V₁₅)的权重各为0.5;再用式(13)计算出各子目标的权重系数, 分别为0.049, 0.049, 0.049, 0.049, 0.049, 0.049, 0.056, 0.053, 0.046, 0.045, 0.050, 0.134, 0.133, 0.096, 0.096。又将表 5中的15个指标值用(8)、(9)两式换算成统一的效用值U。对于短期收益、各理化性质指标变化量、更新株数和更新频度、最大饱和持水量变化量等指标值, 其数值愈大愈好, 则采用递增关系式(8)换算; 而其它指标的数值愈小愈好, 采用递减关系式(9)换算。最后, 用式(14)计算出各伐区作业模式的综合评价值W_i, 结果见表 7。

从表 7分析可看出, 作业模式Ⅲ的综合评价值(0.747)为最高, 即为最优模式; 作业模式Ⅳ (0.661)为次优模式; 而作业模式Ⅶ (0.305)为最差模式。

4 结论

采伐方式对综合评价值的影响较大; 虽然皆伐的经济效益优于择优作业, 但皆伐引起的地力衰退和土壤侵蚀比择伐严重得多, 因此, 为了实现森林的可持续经营, 建议改变马尾松林传统的采伐方式(即皆伐), 以大强度(40%)择伐代替皆伐, 使森林更好地发挥其综合效益。

在皆伐迹地, 应尽量将打枝、造材和剥皮等留下的采伐剩余物以带或堆的形式留在林地, 既可防止水土流失, 又能增加养分的归还量, 防止林地地力衰退, 但带状和堆状处理采伐剩余物所造成的差别不显著。

天然马尾松次生林采伐迹地的更新方式宜采用人工促进天然更新。

对类似试验区的马尾松林来说, “40%择伐—原木人力集材—归带处理采伐剩余物—人工促进天然更新”是目前伐区作业优化模式, 可供林业主管部门和生产单位决策时借鉴。