关于伐区作业综合效益定量评价至今还少见报道(邱仁辉等, 1997; 史济彦等, 1998; 张良弓等, 1997; 郭建钢等, 2000; 周新年等, 1988; 1992; 1994; 1995; 1996; 1997;1998; 2000)。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, 综合效益主要由经济和生态2部分效益组成, 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

试验地位于福建省建瓯市大源林业采育场和墩阳林业采育场, 中心区域位于建瓯市东峰镇与东游镇境内(建瓯市位于东经117°45′58″~118°57′11″, 北纬26°38′54″~27°20′26″), 该地地处武夷山脉的东南部, 鹫峰山脉的西北侧。属中亚热带季风性气候, 年均温度为18.7℃, 1月平均气温8℃, 7月平均气温28.5℃, 极端最低气温-7℃, 极端最高气温41.4℃, 年无霜期270~290d。年均降水量1890mm左右, 年蒸发量1327.3~1605.4mm, 相对湿度83%。伐区为低山丘陵地形, 海拔600~800m, 坡度25°~35°, 土壤为花岗片麻岩发育成的黄红壤, 土层厚度中、疏松。采伐作业迹地前茬优势树种为常绿阔叶林, 乔木层主要为甜槠(Castanopsis eyrei)、米槠(Castanopsis carlesii)、虎皮楠(Daphniphy llumoldhamii)、木荷(Schima superba)等。林下植被主要有:黄瑞木(Adinandra millettii)、石栎(Lithocarpus glaber)、少叶黄杞(Engelhardtia fenzelii)、芒萁(Dicranopteria dichtoma)、黑莎草(Gahnia fristis)等。

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, 选取组成伐区作业模式的2个主要因素作为试验因子, 根据所选的因素和水平, 确定伐区的6种作业模式, 见表 1。表 1中的皆伐, 综合考虑经济效益与生态效益的影响, 提倡隔带小面积皆伐, 推荐10~15hm²为宜(周新年等, 1996)。

2.2 伐区作业经济效益分析

在分析各伐区作业模式(均为1996年采伐)的经济效益时, 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、归装段成本和其余项成本(包括准备作业、不可预见费和物燃料消耗费用等)等4个作业成本作为经济效益指标。为了便于计算各伐区作业模式的经济效益指标, 列出6个伐区作业模式的试验区所在伐区的木材生产有关数据(单位面积出材量较接近, 为150.00~161.51m³/hm²), 各生产费用按《福建省林业生产统一定额》计算, 见表 2、表 3。

下面以作业模式Ⅰ (皆伐作业-全悬索道集材)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。

2.2.1 短期收益V₁

伐区短期收益V₁是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)。因此, 伐区的单位面积出材量A (m³/hm²)按(1)式计算。

(1)

作业模式Ⅰ皆伐面积为9hm², 立木出材量为1350m³, 树种组成为3马7阔。则

其中:A₁、A₂分别为马尾松和阔叶树的实际单位面积出材量。

据1996年建瓯林业采育场木材销售价格, 马尾松平均胸径20~26cm的木材单价为516元/m³, 阔叶树平均胸径20~22cm的木材单价为358元/m³, 所以, 作业模式Ⅰ的短期收益V₁为

计算择伐时, 既考虑只择伐阔叶树材(作业模式Ⅵ的实际择伐强度为31.5%)的收益, 又考虑山上库存立木价值, 根据森林资源价的概念, 按林价计算(周新年, 1994)。由福建省物委(89)闽价(农)字第115号文林价为:马尾松、乙级杂木70元/m³。则作业模式Ⅵ的短期收益V₁为

2.2.2 采造段成本V₂

采造段成本包括采伐、打枝、造材、检尺、剥皮等项费用之和。采造段单位材积成本V₂ (元/m³)按(2)式计算(1996年日工资按24元计, 下同)。

(2)

则作业模式Ⅰ的采造段单位材积成本V₂为

2.2.3 集材段成本V₃

集材段单位材积成本(元/m³)按(3)式计算。

(3)

则作业模式Ⅰ的集材段单位材积成本V₃为

2.2.4 归装段成本V₄

归装段单位材积成本(元/m³)按(4)式计算。

(4)

则作业模式Ⅰ的归装段单位材积成本V₄为

2.2.5 其余项成本V₅

其余项单位成本(元/m³)为准备作业(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费用之和。按(5)式计算。

(5)

则作业模式Ⅰ的其余项单位材积成本V₅为

2.3 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)。这些指标体系是针对林业生产规划活动而言。对某个具体伐区, 可从中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。依据主成分分析(周新年等, 1998), 其中第一主成分的累计贡献率已达90.58%, 它们综合了原有15个指标的绝大部分信息, 基本上能反映不同采伐、集材方式林地土壤理化性质变化情况。为此选取第一主成分的前8个指标来分析伐区作业的生态效益, 它们分别是土壤肥力指标(有机质含量、速效N和全N)和蓄水保土指标(总孔隙度、毛管持水量、最大持水量、结构体破坏率和非毛管孔隙度)。

2.3.1 不同作业模式对林地土壤主要理化指标含量的影响

不同作业模式对林地土壤主要理化指标含量的影响, 见表 4 (周新年等, 1998)。表 4中:1)为表层0~10cm, 2)为底层10~20cm; 分子为伐后迹地土样, 分母为伐前对照土样; 表头单位为分子、分母的同一单位。

2.3.2 不同作业模式对林地土壤主要理化指标的变化程度(表 5, 周新年等, 1998) 3 伐区作业模式选优 3.1 评价模型简析

根据上述6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), U值一般按(6)式和(7)式换算。即

(6)

(7)

式(6)为递增关系式, 式(7)为递减关系式。当目标值越大越好时, 选用式(6), 否则选用式(7)。设有2个方案:A₁和A₂

(8)

(9)

式(8)和式(9)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_N²。

这些λ值之间具有下列关系:

(10)

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

(11)

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

(12)

最后, 根据W_i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13个量化指标归为3类, 即经济效益、土壤肥力和蓄水保土。设V₁、V₂、V₃、V₄、V₅为各伐区作业模式经济效益的5个指标值, 分别表示短期收益V₁ (元/hm²)、采造段单位材积成本V₂ (元/m³)、集材段单位材积成本V₃ (元/m³)、归装段单位材积成本V₄ (元/m³)和其余项单位材积成本V₅ (元/m³)。短期收益分马尾松和阔叶树2类, 按各木材径级1996年的实际销售价格计算。采造段、集材段、归装段、物燃料和设备折旧费用按《福建省林业生产统一定额》计算。设V₆、V₇、V₈为土壤肥力的3个指标值, 分别表示有机质V₆ (g/kg)、速效N V₇ (mg/kg), 全N V₈ (g/kg)。设V₉、V₁₀、V₁₁、V₁₂、V₁₃为蓄水保土指标, 分别表示总孔隙度V₉ (%)、毛管持水量V₁₀ (%)、最大持水量V₁₁ (%)、结构体破坏率V₁₂ (%)和非毛管孔隙度V₁₃ (%), 见表 6。

据专家调查法和相对比较法确定经济效益、土壤肥力和蓄水保土3个主目标的权重分别为0.400、0.267和0.333, 计算结果见表 7。再用相对比较法分别对3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5个子目标计算, 得到V₁、V₂、V₃、V₄、V₅的相对权重均为0.2;对“土壤肥力”的3个子目标计算, 得到V₆、V₇、V₈的相对权重分别为0.337、0.333和0.330;对“蓄水保土”的5个子目标计算, 得到V₉、V₁₀、V₁₁、V₁₂、V₁₃的相对权重分别为0.203、0.203、0.200、0.198和0.196;再用式(11)计算出各子目标的绝对权重, 分别为0.08、0.08、0.08、0.08、0.08、0.090、0.089、0.088、0.068、0.068、0.067、0.065和0.065。又将表中13个指标值用式(6)、式(7)换算成统一的效用值。对于短期收益、各理化性质指标变化量和最大持水变化量指标, 其数值愈大愈好, 则采用递增关系式(6)换算; 而其它指标的数值愈小愈好, 采用递减关系式(7)换算。最后, 用式(12)计算出各伐区作业模式的综合评价值W_i, 结果见表 8。

从表 8可知, 对于表层0~10cm和底层10~20cm:作业模式Ⅰ的综合评价值(0.782, 0.818)均最高, 即为最优模式; 作业模式Ⅱ都为次之; 而作业模式Ⅲ (0.453, 0.492)皆为最差。若仅考虑生态效益(总权重按0.6计), 借助表 8, 可得表 9。

从表 9可知, 作业模式Ⅵ最优, 作业模式Ⅰ次之, 而作业模式Ⅲ最差。

4 结论

对伐区采集作业模式进行多目标决策, 结果表明:从经济效益来看, 因“择伐作业-人力集材”的短期收益差和择伐作业单位材积成本高, 其短期经济效益最差; 从生态效益来看, 皆伐作业后林地土壤理化性质发生变化程度较大, 同时集材作业带走部分表土并对土壤产生压实作用, 使迹地土壤孔隙减少, 土壤变得紧实, 持水性能恶化。而“择伐作业-人力集材”因保留部分林木, 其土壤理化性质的变化程度要比皆伐作业小, 多项指标比伐前略有改善。因此“择伐作业-人力集材”为最优作业模式。小面积皆伐伐区的集材作业优劣排序依次为:全悬索道集材, 半悬索道集材, 手板车集材, 土滑道集材与拖拉机集材。

虽然皆伐的短期经济效益优于择伐作业, 但皆伐引起的地力衰退和土壤侵蚀比择伐严重得多。因此, 为了实现森林可持续经营, 建议改变传统的皆伐方式, 采用择伐代替皆伐, 使森林更好地发挥其综合效益。

对类似试验区的伐区, 皆伐侧重于考虑伐区采集作业的经济效益, 同时计及生态效益的影响, 则“皆伐作业-全悬索道集材”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采用。