探究林业产业的工业生态学应用研究前景和发展趋势

工业生态学论文经典范文10篇之第九篇：探究林业产业的工业生态学应用研究前景和发展趋势

　　摘要：在简述工业生态学理论和方法的基础上， 介绍了国外在林业资源和产品物质流、林业剩余物利用、森林作业生命周期分析、森林作业清洁化生产等方面的研究现状， 分析了工业生态学在国内林业产业， 包括采运工程、木材工业、林产化工、制浆造纸等行业的应用研究进展和研究热点， 展望了今后林业产业的工业生态学应用研究前景和发展趋势。

　　关键词：工业生态学； 林业产业； 研究进展； 发展趋势；

　　Abstract:

　　The theory and method of Industrial Ecology （IE） was briefly reviewed.The research progress abroad was introduced in the areas of mass flow of forest resources and products, residual utilization, life cycle assessment and clean production of forest operation.The application and research related to industrial ecology in China was analyzed in the fields of forest operation, wood industry, forest product chemical processing industry, pulp and paper making.The trend of research and development of industrial ecology in forest industry was advanced.

　　Keyword:

　　industrial ecology （IE） ; forest industry; research progress; trend;

　　1 工业生态学概述

　　现代工业系统在造福人类的同时， 对资源与环境造成了很大的危害。为了系统、整体地协调工业系统与自然环境的相互关系， 使人类社会发展的需求与自然生态系统的发展达到动态平衡， 人们一直在寻找可行的理论与解决方法。工业生态学 （Industrial Ecology） 就是在这一背景下诞生的[1].

　　1.1 理论框架

　　（1） 按生态学理论和模式来看待、理解、分析、构建和调整工业体系。

　　工业生态学将工业系统视为一类特定的生态系统， 工业系统中不同企业的废料最小化的运作模式应像成熟自然生态系统物质流动的运作模式那样， 使物质得到充分利用， 形成封闭循环。

　　（2） 工业生态系统遵循4个基本生态系统原则。

　　工业生态系统可视为由无数的工业子系统组成的整体网络， 这些工业子系统分别涉及不同的地域、行业和原料。同自然生态系统一样， 工业生态系统符合物质和能量循环传输、多样性、地域性、渐变等4个基本生态系统原则。

　　（3） 工业生态系统的组成部分。

　　自然生态系统中存在3类有行为的基本组成：生产者、消费者、分解者。相应地， 工业生态系统中的初级生产者利用基本环境要素和自然资源生产出初级产品；高级生产者对初级产品进行深度加工， 生产高级产品。消费者利用生产者提供的产品， 供自身运行发展， 同时产生生产力和服务功能等。分解者把工业企业生产的副产品和"废料"进行处置、转化、再利用。

　　（4） 工业生态系统的平衡。

　　在自然生态系统中， 生态平衡表现为生物的种类和数量的相对稳定， 群落组成的多样性使群落能很快适应周围环境的变迁。工业生态系统的平衡的内在机制是市场价值规律， 平衡的实现靠系统内部的自动调节机制和能力。当系统的某一组成部分出现机能异常 （如减产等） 或失效 （如破产、搬迁等） 时， 就可能被不同组成部分的调节、填补空位或使用新途径所抵消。

　　（5） 工业生态系统的进化。

　　进化即生态系统趋于成熟的倾向。工业生态学提出了工业体系三级生态系统的进化理论。一级生态系统内部的物料流动是线性的， 其特点是大量消耗资源、产生废物；二级生态系统内部为准循环的物料流动；三级生态系统内部是循环性物料流动， 与外部的联系就只有吸取外部的太阳能。

　　（6） 生态重组。

　　生态重组就是使工业系统向生态可持续经济模式转化。在微观和中观层次上， 生态重组包括各种不同数量和类型工厂企业的组合、企业的地理分布、相互间的物质、能量和信息的流动、交流和层叠等。在宏观层次上为现有经济体系的重组、经济结构的调整， 包括能源结构、产业结构、交通和基础设施、商业流通以及消费结构等。

　　1.2 研究方法[2]

　　（1） 工业代谢分析。

　　工业代谢是把原材料和能源以及劳动转化为最终产品和废料的所有过程的集合。工业代谢分析以环境为最终的考察目标， 对环境资源追踪其从提炼、工业加工和生产、直至消费体系后变成废物的整个过程中物质和能量的流向。

　　（2） 生命周期评价。

　　生命周期评价是指对产品从最初的原材料采掘到产品使用后的最终废弃物处理进行全过程的跟踪、定量分析和定性评价。对产品的生命周期评价包括产品生态辨识、产品生态诊断、产品生态定义和生态产品评价4个阶段。

　　（3） 清洁生产。

　　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3部分：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。清洁生产的方法与途径包括原材料选择、生成过程控制、产品设计、操作管理、物料和能源的回用、必要的末端处理等。

　　（4） 物质减量化。

　　物质减量化的思想是以最小量的资源投入， 产出最大量的产出， 并产生最小量的废弃物， 即提倡以最小的资源量获得最大的价值， 包括经济价值和环境价值。

　　1.3 工业生态学的内涵

　　工业生态学按生态学理论和模式来看待、理解、分析、构建和调整工业体系， 旨在促使现代工业体系向三级生态系统的转换。转换战略的实施包括4个方面：将废料作为资源重新利用， 封闭物质循环系统和尽量减少消耗性材料的使用， 工业产品与工业活动的物质减量化， 能源的脱碳。

　　将工业项目视为有机体， 研究其内部以及与外部环境的物质循环、能量流动和信息传递方式， 揭示工业生态系统的结构、功能机理， 从而寻找其进化、发展的途径和机制， 达到工业与环境的和谐相处、互利双赢、生态平衡的局面。

　　2 国外研究现状

　　2.1 林业资源和产品的物质流研究

　　Jouni Korhonen等依照对森林生态系统的分析模式， 按照物质流、营养流、能量流和碳流来研究芬兰的森林工业生态系统， 重点分析了工业系统内不同部门之间的物质循环和废弃能源的回收利用[3].

　　为了有效利用森林工业系统中的废物和废能源， 芬兰一般将锯材厂、纸浆厂、造纸厂和热电厂组合成区域性工业系统， 称为森林工业区域联合体。这些联合体应位于森林采伐区域附近， 便于获得圆木输入和森林采伐剩余物。

　　这样的森林工业系统与一个成熟的森林生态系统类似， 具有物质回用和废能源利用的重要特征， 从而减轻对自然环境的压力。首先， 圆木和木材废料在由锯材厂、纸浆厂和热电厂组成的网络中得到较充分的利用；其次， 在森林工业的能源生产中产生的灰分可以作为养分回送到森林生态系统中；再次， 采用热、电联合生产方式可以有效地组织能源生产， 在多层次上利用废能；第四， 芬兰森林每年固化的碳量超过由于林木采伐和自然损耗所释放的碳量， 从而使森林碳储量维持在饱和水平上。

　　在芬兰， 基于林业企业间可再生资源、废物和废能源利用的区域森林工业系统中， 由发电过程产生的废弃能量用于生产热量和蒸汽。区域森林工业系统与当地城市的能源供应系统相结合， 可以体现应用区域工业生态学的效益[4].

　　2.2 林业剩余物利用

　　对亚太地区的研究表明， 木材生产量与采伐剩余物约为1∶1, 每年的采伐剩余物为2.5亿m3, 其中只有10%是可以经济利用的；而制材和人造板剩余物分别为0.61亿和0.19亿m3, 其利用率分别为50%和47%.据估计， 在每年的采伐和制材剩余物中， 有0.7亿m3是可以利用的[5].

　　林区剩余物的采集利用会增加收入， 提高景观效益， 减少虫害的发生， 但同时也会影响林地的生态状况， 包括养分和生物多样性， 这可以通过留下树叶或给林地施肥来补偿。Dominik R?ser等开发的剩余物能量利用作业优化决策支持系统"EnerTree", 综合考虑了林地林木条件、经济收入、环境影响和营林效益， 在用户排列各因素权重的基础上， 系统给出各种作业选择的效果， 并推荐进一步的作业措施， 如施肥方案等[6].

　　在芬兰， 研究了移去剩余物和树根对森林更新作业生产率和作业质量的影响。通过对移去和保留剩余物和树根的对比分析， 得出对整地和植树的影响效应。移去剩余物后， 不同植树机械的生产率提高了0%~18%.树根挖除后， 铲地型和挖斗型整地机械的生产率分别提高22%和53%而不影响整地质量。同时挖除树根和整地作业的生产率比先挖树根后整地的生产率提高40%[7].

　　2.3 森林作业生命周期分析

　　生命周期评价技术可用于描述林业生产造成的环境问题， 比如对不同的森林作业， 分析其使用化石燃料所造成的环境压力。

　　在瑞典， 比较了同龄林的皆伐和渐伐作业生产单位材积木材所产生的CO2 和 NOx排放量。在伐木阶段， 渐伐比皆伐的排放量高10%, 在集材阶段则高20%.在伐木和造材阶段， 使用油锯产生的排放量要比伐木联合机低得多。

　　对瑞典森林作业的总能耗进行统计 （包括苗木生产、造林、采伐、集材和运材） 发现， 生产单位材积木材的平均耗能为150~200 MJ/m3, 其中运材部分耗能最大， 占53%~56%;造林占2%~8%;采集占30%~40%.而造林和采集作业产生的CO2, SOx, NOx排放量最大。

　　按木材内含能量7 700 MJ/m3计算， 生产木材的耗能低于所获木材能量的3%, 相比于石油的5%和柴油的20%要低得多[8].

　　2.4 清洁化生产

　　森林作业的清洁化生产主要反映在对环境的低干扰和环境可接受上。森林作业对环境的干扰影响到景观、生物多样性、植被、水质、土壤等。

　　低干扰采运 （RIL） 意指按照科学和工程的原则， 结合教育和培训， 改善采运作业中的劳动、设备和工艺方法。要求伐前进行林分勘查， 规划和建造运材道路、集材道和楞场， 采用适当的伐木造材技术， 将伐倒木沿集材道集材， 采用保护土壤和植被的集材系统， 进行伐后评估等。

　　在热带阔叶林区， RIL与传统采运相比， 对保留木的损伤减少50%~200%.在高采伐强度下， 传统采运作业对林地的干扰可达30%~75%, 而RIL只有10%~25%.热带林的采伐利用率约为50%, 损失的剩余物包括伐根、边材、梢头、遗漏的伐倒木、劈裂、破损等， 这主要是由于伐木、造材、集材技术不当所致。

　　统计表明， RIL与传统采运相比， 总成本提高43%, 其中规划阶段高19%, 伐木阶段高93%, 集材阶段减少4%;而在干扰损害方面， 对保留木的损伤减少41%, 林地干扰减少56%, 林冠开窗减少36%, 木材损失减少40%, 木材利用率提高28%[9].

　　瑞典设计生产了一种生态植树机 （Ecoplanter） .这种植树机对土壤破坏小， 且用无机土和腐殖土混合物包裹树苗根部， 使得树苗有更高的成活率和生长率。该机机动性好， 适应不同地形， 可减轻对已有树木以及机器本身的损伤， 对地表植被的破坏只有开沟植树机的15%, 且节能达50%以上[10].

　　3 国内研究现状

　　3.1 森林作业

　　姜新波等[11]基于清洁化生产节省资源、节省能源、环境保护和劳动保护的4个基本要求， 深入分析了生态采运周期中各阶段的清洁化生产内容， 在作业层面上提出清洁化生产工艺系统的设计指南， 从而使采伐运输作业系统中的人-机-环境达到协调状态， 保证生态和环境效益。

　　在营林生产中， 能耗占营林成本的很大部分， 应设计节能性工艺， 推广低能耗技术， 缩短作业时间， 简化机械装备， 注意能源管理；对资源进行均衡寿命设计和最长寿命优化， 使营林产品发挥最大使用效益；采用有利于生态环境保护的营林机具， 减少营林废物， 减少森林火灾可燃物， 发挥营林副产品的效益；减少工人操作危险性， 保证劳动者权益和劳动安全[12].

　　3.2 木材工业

　　我国木材废弃物主要有纸类、日常生活用品类和城镇木材废弃物3类。循环经济遵循3R原则， 即减量化 （reduce） 、再使用 （reuse） 和再循环 （recycle） , 分别属输入端、过程性和输出端方法。木材废弃物的循环使用方向有燃料、化学加工、生产人造板或建筑材料、制造肥料等[13].

　　木材资源的循环利用不需要培育林木， 生产工艺流程短， 基建投资和生产成本较低。今后需要制订木材资源循环利用法规， 加强木质材料回收再加工技术的研究， 推进一个消耗资源最少、环境污染最轻的资源循环型社会。

　　木材工业属于生态产业， 它是工业与林业和生态环境、生产与消费、行业与行业、废旧制品与再生原料这样一个生态产业链中的关节点， 应该率先实行循环经济。木材工业循环经济具有5大天然属性：原料的可再生性、森林采伐和木材加工剩余物的可再利用性、木质废旧产品再作原料的可循环利用性、木材生产原料需求对森林资源培育和生态环境修复的促进性、木材工业废木材植物体原料需求对大农业循环经济系统建设的促进性。木材工业循环经济可在3个层面上运作：企业内部的小循环模式， 生态产业链网或生态产业经济园区的企业之间的资源共享、共生组合以及原料-废物的链接循环的中循环模式， 企业与社会全面发生物质、能量的循环性交换的大循环模式[14].

　　3.3 林产化工与制浆造纸

　　林产化工和制浆造纸业重点发展清洁生产技术。海南金海浆纸业有限公司年产100万t桉树木浆生产线采用先进的生产工艺、技术装备和管理控制系统， 建立了一整套环境管理、清洁生产和环境污染预防体系， 从源头控污， 实现排放物循环再利用， 逐渐建立循环经济和生态体系， 达到节能、降耗、减污的目的[15].

　　对大型浆纸企业的清洁生产分析包括产量和生产规模、原辅材料利用、生产工艺和设备、污染物产生和治理情况、管理系统5个方面， 评价指标分为原材料、产品、资源和污染物4大类共16项， 应采取宣传教育、建设造纸林基地、开发造纸林技术、提高污泥利用率、提高区域资源利用率等措施[16].

　　3.4 研究热点

　　（1） 循环经济。

　　森林资源具有物质性、生态性和社会性三重属性， 具有明显的循环特征。传统工业为单向资源流动的线性经济， 即"资源→产品→废物", 应转变为"资源→产品→再生资源"的反馈式流程。在企业层面上强化森林资源循环利用方式， 减少森林资源产品和服务的资源使用量和废弃物质的排放量， 提高产品的耐用度和抗变性， 提高产品和服务的强度， 强化产品的回收和再利用。在产业层面上建立循环经济的产业化体系， 建立绿色森林资源原料产业基地， 发展绿色林副产品产业、高科技绿色森林产品深加工业和生态旅游业， 强化森林环境保护和水土保持[17].

　　（2） 碳汇林业。

　　森林是最大的碳库， 它占有陆地生态系统地上部分碳库的60%, 土壤碳库的45%, 陆地生态系统与空气交换CO2的90%与森林有关。森林在维持地球大气的CO2和O2的动态平衡、减少温室效应上起着巨大作用。因此， 量化森林的生态效益、估算森林的碳储量、评价森林的碳汇功能经济价值已成为研究热点。森林碳汇服务具有外部经济性、公共产品和稀缺性特征。目前对碳汇经济价值的估算方法主要有成本效益分析法、造林成本法、碳税率法、碳税法和造林成本法均值法等[18].

　　（3） 生物质能源。

　　利用林业生物质资源可以开发生物质新材料、生物质化学品和生物质能源。目前林木生物质能开发的主要途径是：直接燃烧， 生物质液化、气化， 固体燃料， 生物质发电等[19].目前研究热点是速生能源植物的培育和生物质能源高效转化利用技术。

　　（4） 林纸一体化。

　　林纸一体化正成为"资源-加工-产品-回收"循环经济的典范。采取高科技、高投入、高产出、高效益的建设模式， 大力建设速生丰产制浆原料林， 推进林业集约化经营。选用速生树种密植， 采用超短轮伐期和中短轮伐期， 通过抚育施肥提高木材产量， 从而克服传统林业生产周期长、木材产量低、风险大、效益差的障碍。按"吨纸田"生产模式， 可在一亩土地上每年培育出干重1 t以上的木材， 并制成1 t木浆， 生产1 t新闻纸[20].

　　4 应用研究展望

　　4.1 研究意义和任务

　　工业生态学按生态学理论看待、理解、分析、构建、调整工业体系， 并已形成工业代谢分析、生命周期评价、清洁生产、物质减量化、工业生态园等较完备的研究方法。它为林业产业的循环经济、可持续发展、节能降耗减排、森林论证等热点问题的研究提供了系统、先进的理论和方法， 将成为林业产业研究的有力工具。

　　工业生态学应用于林业产业的研究， 其任务是：构建基于工业生态学的林业产业理论、方法和技术体系， 建立林业资源培育和利用、林业产品使用和再利用的循环经济模式， 建立林业产业循环经济的物质流、能量流、信息流优化模式， 建立林产品生命周期评价的技术和方法体系， 建立林业产业清洁生产机制， 推进森林资源和林产品物质减量化技术， 提出林业产业生态工业园模式。

　　4.2 研究领域

　　林业产业作为典型的资源循环型生态产业， 在其各领域均可有效地推进工业生态学研究， 包括森林培育、森林保护、森林工程、木材加工工程、林产化工、制浆造纸、道路与运输、森林旅游等。

　　（1） 森林培育与保护。

　　研究定向利用的高效人工林树种的培育， 提高林木资源生长量；研究林地土壤养分循环机理和施肥机制， 提高林地生产力；研究林木、灌木、植被的生长平衡关系， 使森林生物量的产出最大；研究林分中生产者 （林木） 、消费者 （动物） 和分解者 （微生物） 的相互关系， 达到三者的消长平衡；研究生态性森林保护机制， 减少森林病虫害， 防治农药的污染排放。

　　（2） 森林工程。

　　研究森林采运作业的物质、能量、信息流动模式， 揭示森林作业系统的内在机理；研究生态采运技术， 达到清洁生产要求；研究采运系统中木材、土壤、水、生物质以及能量的定性和定量流动关系， 优化采伐方式和作业方式；研究森林道路、水路的规划、设计、修建和运营技术， 达到其全生命周期的优化；研究林区物流系统， 实现物流运输、储存、搬运与装卸、包装、配送、流通加工、信息处理的有机结合， 达到物质减量化。

　　（3） 林产工业。

　　研究木材加工和林产化学加工工艺过程， 揭示林产工业体系的代谢机理；研究木材和林化产品的全生命周期， 推出生态型林产品的制造、使用和回用技术；研究木材和森林原材料的高效利用和节约代用技术， 减少对森林资源原材料的消耗；研究林产工业的物质减量化技术， 推进节能降耗；研究林产品生产技术， 使废能、废物充分回收利用， 达到降污减排目的；研究生物质利用技术， 实现能源脱碳。

　　4.3 研究层面

　　工业生态学在林业产业上的应用研究可分宏观、中观和微观3个层面。宏观上的空间尺度可为全球、国家、全行业或区域性， 时间跨度可为几年到几百年；中观上立足于企业范畴及企业产品的全生命周期；微观上则针对具体的项目、产品的一部分生命过程， 如木材采运工程、道路运营过程、制浆工艺过程、产品使用过程等。

　　林业产业作为生态产业， 其研究热点将围绕工业与环境、工业与生态、循环经济等问题展开， 并推动产业体系的调整、整合、优化和多样化。工业生态学的研究将覆盖生物质利用、林纸一体化、林业产业产品结构体系、碳汇林业、能源林业、林业生态产业园、林业产品绿色制造等。

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