探索工业生态学理论在生态森林工程中的应用

工业生态学论文经典范文10篇之第八篇：探索工业生态学理论在生态森林工程中的应用

　　摘要：在简述工业生态学理论和方法的基础上， 提出"生态森林工程"的概念。界定生态森林工程的概念和体系， 并对工业生态学理论在生态森林工程中的应用进行探索和研究。

　　关键词：工业生态学； 生态森林工程； 应用研究；

　　1 工业生态学及其主要理论

　　工业生态学的概念最早于1989年在《科学美国人》 （Scientific American） 杂志上由罗伯特·弗罗施 （Robert A·Frosch） 和尼古拉斯·加勒朴勒斯 （Nicholas E·Gallopoulos） 提出的。工业生态学 （Industrial ecology, 简称IE） , 又称产业生态学， 是一门研究社会生产活动中自然资源从源、流到汇的全代谢过程、组织管理体制以及生产、消费、调控行为的动力学机制、控制论方法及其与生命支持系统的系统科学。它是对开放系统的运作规律通过人工过程进行干预和改变。在一般的开放系统中资源和资金经过一系列的运作最终结果是变成废物垃圾， 而工业生态学所研究的就是如何把开放系统变成循环的封闭系统， 使废物转为新的资源并加入新一轮的系统运行过程中。依据工业生态学的研究现状， 工业生态学的主要理论和方法有：

　　（1） 工业生态系统理论。工业生态学把整个工业系统作为一个生态系统来看待， 认为工业系统中的物质、能源和信息的流动与储存不是孤立的简单叠加关系， 而是可以像在自然生态系统中那样循环运行， 它们之间相互依赖、相互作用、相互影响， 形成复杂的、相互连接的网络系统。工业生态系统是一个循环体系， 其物质流与能量流可多层次循环利用， 达到系统良性循环。工业生态系统的主要任务是建立一个整体最优的共存组织， 以便全面实现系统的生态与经济目标， 达到将物质与能量的净消耗及废物排放量最小化。

　　（2） 工业代谢分析理论。工业代谢分析是根据质量守恒原理， 即当某一物质没有或者不再有价值时并没有从地球上消失。工业代谢旨在揭示经济活动纯物质的数量与质量规模， 估算物质的流动与储存数量， 描绘其行进路线和复杂的动力学机制及其物理和化学的存在状态。

　　（3） 生命周期评价 （life-cycle assessment, 简称LCA） 理论。生命周期评价起源于19世纪60年代， 旨在定量化考察产品的整个生命周期过程中 （从摇篮到坟墓） 的环境影响。1997年国际标准化组织 （ISO） 制定和发布了关于LCA的ISO14040系列标准， 使LCA方法成为最重要的评价产品环境性能的方法。ISO明确了LCA的评价对象是产品系统或服务系统造成的环境影响， 着眼于产品生产过程中的环境影响。产品的设计者必须对产品和过程的全生命周期负责， 在产品设计、制造、营销、分配、使用、循环和后处理的各个环节考虑人类健康、安全和环保问题。

　　（4） 清洁生产理论。清洁生产要求从原料资源、生产过程到产品消费， 每个环节都考虑与生态环境的关系和对生态环境的影响。清洁生产包括清洁的原料和能源、清洁的工艺技术和管理方法、清洁的产品。

　　（5） 工业共生理论。工业共生被公认为工业生态学最具特征的领域。工业共生产生于20世纪70年代初期， 最经典案例是丹麦卡伦堡工业体系。工业共生是指一定的区域内， 分属不同产业的经济实体 （主要是工业企业， 有时也包括农业部门、居民社区等成员） 通过副产品交换、能量和水的梯级利用、基础设施共享等方式进行合作， 形成一个"生态系统", 共同提高实体的生存及获利能力， 同时节约资源和保护环境。工业共生实践最主要的形式就是生态工业园区。

　　（6） 能值分析理论。能值 （energy） 分析理论和方法是美国著名生态学家、系统能量分析先驱H·T·Odum为首于20世纪80年代创立的。应用能值这一新的科学概念和度量标准及其转换单位--能值转换率 （transformity） , 可将生态经济系统内流动和储存的各种不同类别的能量和物质转换为同一标准的能值， 进行定量分析研究。

　　能值是一流动或储存的能量所包含另一种类别能量的数量， 也可以解释为产品或劳务形成过程中直接或间接投入应用的一种有效能总量， 可以理解为"能量" （物质、财富） 的价值。能值分析是以同一标准的能值为量纲， 把不同种类、不可比较的能量转换成同一标准的能值来衡量和分析， 从中评价其在系统中的作用和地位， 综合分析系统的能、物流及其他生态流， 得出一系列反映系统结构、功能和效率的能值综合指标， 定量分析系统的功能特征和生态经济效益。

　　（7） 循环经济理论。循环经济是一种以资源高效利用和循环利用为核心， 以"3R"为原则， 即减量化 （reduce） 、再利用 （reuse） 、再循环 （recycle） ;以低消耗、低排放、高效率为基本特征；以生态产业链为发展载体；以清洁生产为重要手段， 达到实现物质资源的有效利用和经济与生态的可持续发展。从本质上讲， 循环经济就是生态经济， 就是运用生态经济规律来指导经济活动， 也可称为一种绿色经济。它要求把经济活动组成为"资源利用-绿色工业 （产品） -资源再生"的闭环式物质流动， 所有的物质和能源在经济循环中得到合理的利用。

　　2 生态森林工程的概念和体系

　　2.1 生态森林工程的概念

　　国内外学者对森林工程的概念理解不一。北美专家学者认为："森林工程是一种基于自然环境的工程， 是商学原理、工程学原理与林学原理应用于森林资源经营、管理和林产品合理利用中的交叉学科。"它涵盖了人类对森林的各种经营活动， 对待森林本身、对待人类自己、对待自然界其他因素 （生态、环境） 等等的方式和方法。我国著名的森林采运学家东北林业大学史济彦教授认为："森林工程是为开发森林服务的综合性、应用性学科， 包括采运工程、营林工程、道路工程、机械工程和管理工程。"我国有的学者认为："森林工程是森林资源建设与保护、开发与利用中的非生物工程。其研究对象是作业者、作业设备、森林环境、作业环境、交通通讯及其网络等等， 其研究目标是寻求一种或几种适宜的作业方案 （包括工程） , 使得森林作业活动在森林可持续发展和环境生态效益指标约束下， 获得最优或次优的社会经济效益。"综合国内外专家、学者对森林工程内涵的理解， 结合自己多年的研究， 笔者认为：森林工程是以森林资源为作业对象， 以发挥森林多种效益为目的的复杂的系统工程。它既包括森林资源培育更新、保护、经营管理等方面的生物性工程， 又包括森林资源开发利用中的机械装备、土木工程、作业技术、科学管理等非生物工程。从目前来看， 森林工程主要包括森林资源建设、保护与管理、森林资源开发与利用、森林资源综合利用与精深加工、木材及产品贸易、森林工程管理、森林资源规划与可持续发展等内容， 既涉及营林、森保、采运、加工、机械、道桥等工程技术， 又涉及管理、贸易、营销与管理工程。

　　生态森林工程是森林生态与森林工程的有机结合。它是以森林生态学、森林生态经济学理论为基础， 以发挥森林多种效益、保护森林生态环境、实现森林资源永续利用和可持续发展为目的的森林工程。它首先强调的是保护森林生态环境， 使森林工程作业尽可能地减少或避免对森林生态系统的干扰， 在有利于实现森林资源永续利用和可持续发展的原则下， 大力培育和开发利用森林资源， 发挥森林资源的多种效益。由此可见， 生态森林工程能够改变过去单纯从森林中收获木材、发挥森林经济效益的作法， 树立森林生态效益第一位的思想， 使森林工程作业与森林生态保护、森林可持续经营有机结合和协调， 从而使森林工程对森林资源的建设、保护与管理， 发挥森林的生态效益、经济效益和社会效益， 促进森林资源的可持续经营和永续利用， 实现林业的可持续发展， 缓解林区生态、经济和社会问题起到十分重要作用。

　　2.2 生态森林工程的体系

　　生态森林工程的体系是指与生态森林工程有关的思想意识、理论方法、规划设计、工艺过程、作业技术、经营管理等所形成研究内容的系统整体。这个系统整体是以森林生态学、森林生态经济学、工业生态学理论为指导思想， 以实现森林资源永续利用和可持续发展为原则， 既要有利于森林更新、生态保护， 又方便木材生产和加工利用， 从而使森林的经济效益与生态效益、社会效益得到协调统一。按照生态森林工程的含义和任务， 生态森林工程体系应由如下几方面构成：

　　（1） 生态森林工程的指导理论。生态森林工程应用森林生态学原理指导森林资源的建设、保护与管理， 解决森林工程作业对森林生态环境的影响问题， 发挥森林的生态效益；应用森林生态经济学原理解决森林工程经济活动与森林生态系统协调、可持续发展问题， 既要发挥森林的经济效益， 也要发挥森林的生态效益；应用工业生态学原理解决森林工程作业过程中资源和能源的最高效利用和废物的最小排放问题， 达到循环经济的目标。

　　（2） 生态性规划设计。森林资源在开发利用之前要进行森林调查和规划设计。在林业企业总体规划设计和伐区调查设计过程中， 要牢固树立生态保护第一位的思想观念， 在保证保护森林生态环境、发挥森林生态功能、实现森林可持续经营和永续利用的前提下进行科学的、符合当前和长远利益的规划设计， 使规划设计符合生态要求。

　　（3） 生态性采伐技术。森林采伐直接干扰甚至破坏森林生态系统的平衡。实践证明， 采用"工业式采伐", 实行"单一木材生产", 走"大木头挂帅"的林业发展道路， 造成森林生态环境破坏， 导致"两危"的发生。因此， 20世纪80年代中期， 我国一些著名的森林工程专家、学者提出"生态性采伐"问题。经过20多年的研究， 生态性采伐技术主要包括采伐方式的确定、采伐量的控制、采伐树木的确定、控制倒向的伐木技术、降低伐根等。这些技术对避免或减少对森林生态环境的影响起到十分重要的作用， 这也是生态森林工程的核心作业技术和措施。

　　（4） 生态性集运材技术。集运材作业直接对林地土壤及保留母、幼树影响较大， 因此， 集运材时必须考虑对森林生态环境的保护。根据研究表明， 生态性集运材技术主要包括集运材道路的合理规划、集运材方式的确定、集运材作业的防护措施和作业组织等。采用生态性集运材技术主要目的在于， 一方面减少对林地土壤的破坏， 避免或减少水土流失；另一方面减少或避免对保留木、母、幼树的损伤， 保护树木。

　　（5） 生态性土木工程作业技术。森林工程作业要建设装车场或楞场、集材道、运材支岔线、机库、工棚等设施， 进行必要的土木工程作业， 势必对林地生态环境产生影响甚至破坏。因此， 在森林工程作业的工程规划设计与建设过程中， 要充分考虑对森林生态环境的影响， 尽可能地减少或避免因土木工程施工而造成森林生态的破坏。

　　（6） 生态性迹地清理、采伐剩余物利用与森林更新技术。采伐迹地清理、采伐剩余物利用要考虑生态保护和森林更新， 为森林更新创造条件。采伐要与更新相结合， 在采伐前要确定好更新方式、更新树种和更新技术措施， 使森林更新跟上森林采伐， 保证更新速度和质量， 为森林可持续经营创造条件。

　　（7） 生态性森林工程组织管理措施。除了采用生态性森林工程技术措施外， 还要结合当前的林业管理体制， 改革和探索生态性森林工程组织管理模式、体制和机制， 加强科学管理， 从而保障生态性森林工程的顺利实施。

　　3 工业生态学在生态森林工程中的应用

　　生态森林工程是一种特殊的、复杂的生态经济系统， 也属于工业生态学的研究范畴。该系统具有工业系统与自然生态系统相互交叉、影响的特性， 因而区别于一般的加工制造工业系统。应该采用借鉴、移植、创新的方式应用工业生态学的基本原理、方法， 对生态森林工程系统进行深入的研究， 构建新型的生态森林工程理论、方法和技术体系。

　　3.1 建立生态森林工程系统

　　应用工业生态学原理， 模拟自然生态系统， 组成一个"资源-产品-再生资源-再生产品"的物质循环流动生产过程， 建立起相当于生态系统的"生产者、消费者、还原者"的森林工程生态链。

　　生态森林工程系统应由森林资源子系统、森林采运子系统、木材加工利用子系统、剩余物回收与利用子系统、森林道路子系统、迹地更新子系统等构成。在这个特殊的生态经济系统中， "资源"是森林资源， "产品"是木材及林产品， "再生资源"是林业剩余物和更新再生的森林资源， "再生产品"是新的林产品或木材。生态森林工程系统中存在物质、能量、信息、价值的循环流动和交换， 并且遵循物质运转、能量转换、信息传递和价值转移的规律。建立生态森林工程系统的目的是实现系统的生态与经济目标， 使物质流、能量流、信息流与价值流能够多层次循环利用， 达到物质与能量的净消耗及废物排放量最小化， 产品价值最大化， 实现系统的良性循环。

　　3.2 建立生态森林工程系统的物质流和能量流模式

　　物质流是物质的流动过程， 也就是物质的转化过程， 包括自然物流和经济物流两大类。森林工程以立木为作业对象， 以原木为主产品， 以树干的截断和搬运为主要工序类型， 属于典型的流程工业系统。木材原料沿着生产过程流动， 形成物质流。各种能源投入生产过程中， 沿着转换、使用、排放的路径流动， 形成能量流。应用物质流理论分析林木、灌木、植被、林地、水和土壤的循环结构、流动方向。采用极值理论分析不同工艺类型、不同作业方式条件下的森林工程作业能量流动模式， 分析其投入产出机制。

　　运用工业代谢分析方法研究将森林立木原料、能量转化为木材及林产品和林业剩余物的代谢和流动过程， 研究这一过程及其物质流、能量流对森林生态环境的影响， 其目的是找到既节能、降耗、减排， 又对森林生态系统不构成较大影响的技术和方法。

　　3.3 建立生态森林工程系统的全生命周期评价方法

　　生命周期评价是一种面向产品的评价方法， 它评价产品、工艺和活动， 从产品设计、原材料采集， 到产品生产、运输、销售、使用、回用、维护和最终处置整个生命周期阶段的所有环节考虑人类健康、安全和环保问题。生命周期评价包括目标与范围界定、清单分析、影响评价和结果解释四部分。生态森林工程系统的全生命周期评价主要应包括森林 （伐区） 调查规划设计、森林采伐、伐区集材、山场 （贮木场） 造材和归装、木材运输、伐区清理、木材剩余物利用、采伐迹地更新造林、林道网建设等环节的资源消耗和对森林生态环境影响的评价分析， 建立全生命周期的生态森林工程优化系统， 最终实现生态森林工程系统全生命周期优化的目的。

　　3.4 建立生态森林工程系统的能值分析与评价方法

　　能值分析的重点和难点是对系统的能物流、货币流、信息流进行能值综合分析， 建立可比较的能值指标体系。通常， 某种产品或系统中的能量来自太阳能， 故用太阳能焦耳作为能值单位， 用太阳能转换率来换算能值， 并且根据需要建立能值评价指标。

　　通过对生态森林工程系统的分析， 根据评价功能的需要， 运用能值分析理论和方法， 可建立生态森林工程系统能值指标体系。该指标体系可由能值流量、能值来源指标、生态系统评价指标、经济系统评价指标、社会系统评价指标等构成， 以此指标体系评价系统的经济性、生态环境的可持续发展性， 同时也以之用来评价生态采运工业园的系统生态经济绩效。

　　3.5 充分利用林业剩余物， 发展林业循环经济

　　林业剩余物主要包括采伐剩余物、造材剩余物、木材加工剩余物、木材及木制品废弃物等。据统计， 各种采伐剩余物约占采伐量 （干材） 的38%~40%, 其中枝丫和梢头占15%, 伐根占10%, 造材剩余物占3%~5%, 树皮占10%, 而采伐剩余物约占木材生产总量的1/4左右。据有关资料介绍， 木材加工剩余物数量为原木的34.4%, 其中板条、板皮、刨花等占全部剩余物的71%, 锯末占29%, 我国每年将产生0.14亿m3木材加工剩余物。据测算， 我国木材及木制品废弃物每年约0.5亿~0.8亿m3, 利用率在10%左右， 而日本的木材废弃物回收利用率在20%~40%.由此可见， 林业剩余物的数量十分可观， 利用潜力很大。充分利用林业剩余物既可减少废物资源的浪费， 增加经济收入， 又可改善景观环境， 减少病虫害的发生， 实现物质减量化， 有利于促进林业循环经济的发展。大力发展林业循环经济， 实现林业清洁生产， 走可持续发展之路， 是今后林业产业发展的方向。

　　参考文献
　　[1]徐庆福。生态森林工程学[M].哈尔滨：东北林业大学出版社， 1999.
　　[2]徐庆福。论森林工程与森林可持续经营[J].森林工程， 2006, 22 （4） :7~9.
　　[3]史济彦， 肖生灵。生态性采伐系统[M].哈尔滨：东北林业大学出版社， 2001.
　　[4]陈陆圻。森林生态采运学[M].北京：中国林业出版社， 1991.
　　[5]金涌。资源。能源。环境。社会--循环经济科学工程原理[M].北京：化学工业出版社， 2009.
　　[6]江泽慧， 等。中国现代林业[M].北京：中国林业出版社， 2008.
　　[7]赵桂慎， 等。生态经济学[M].北京：化学工业出版社， 2009.
　　[8]赵尘， 黄新。工业生态学应用于生态采运研究的分析[J].森林工程， 2007, 23 （5） :68~70.
　　[9]赵尘， 黄新， 余爱华， 等。工业生态学在林业产业中的应用研究进展与展望[J].世界林业研究， 2008, 21 （2） :32~37.
　　[10]赵尘， 王大明， 张正雄。木材采运系统物质流与能量流模式的分析[J].南京林业大学学报：自然科学版， 2008, 32 （5） :37~40.
　　[11]石磊。工业生态学的内涵与发展[J].生态学报， 2008, 28 （7） :3356~3364.
　　[12]徐汉生。工业生态学浅谈[J].化学与生物工程， 2005, （1） :1~3.
　　[13]郭克君。浅谈森林工程学科体系建设和发展进程[J].林业机械与木工设备， 2007, 35 （8） :10~12.