森林工程的工業(yè)生態(tài)學(xué)研究方向,生態(tài)學(xué)論文

森林工程的工業(yè)生態(tài)學(xué)研究方向,生態(tài)學(xué)論文內(nèi)容摘要：森林工程是一個獨特的生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)，需要利用工業(yè)生態(tài)學(xué)的理論和方式方法開展研究，以解決其復(fù)雜的生物性與工程性復(fù)合問題。近年來森林工程領(lǐng)域開拓了采運工程生態(tài)學(xué)和道路環(huán)境生態(tài)學(xué)兩個研究方向，均具有工程研究對象的獨特性和研究方式方法的復(fù)合性。筆者分析了采運工程物質(zhì)流、工業(yè)代謝、生命周期評價、清潔化生產(chǎn)、物質(zhì)減量化、生態(tài)效率等方面的研究特色和研究成果，介紹了道路建設(shè)和運營使用對濕地、水、大氣和土壤的污染機理、擴散規(guī)律和治理措施。提出了今后的生態(tài)采運理論和技術(shù)上的研究需要深切進入到采運系統(tǒng)的物質(zhì)流和工業(yè)代謝，道路工程環(huán)境上的研究需深切進入到污染物質(zhì)流和遷移機制、污染阻隔和消減技術(shù)、道路工程全生命周期分析評價。本文關(guān)鍵詞語：工業(yè)生態(tài)學(xué)；采運工程；道路環(huán)境；研究進展；Abstract:Forestengineeringisanuniqueecologicaleconomysystem,whichrequiresusingthetheoryandthemethodologyofindustrialecologytosolvethecomplexproblemofecologyandengineeringfields.Theresearchhasfocusedonthefieldsofloggingengineeringecologyandroadenvironmentecology.Thetwofieldsareofparticularengineeringstudysubjectsandcomplexstudymethodology.Inthefieldsofecologicalloggingtheoryandtechnology,theresearchmustbedeepenedtothematerialflowandindustrialmetabolismwithinloggingsystemsandwidenedtocovertheareaoflifecycleassessment,cleanerproduction,dematerialization,decarbonizationandecologicalefficiencyofloggingsystems.Inthefieldofroadenvironment,theresearchneedstocoverthematerialflowandmigratingmechanismofpollutants,theseparationandsubductiontechniqueofpollution,andthelifecycleanalysisofroadengineering.Theresearchcharacteristicsandachievementinthefieldofloggingengineeringecologywereintroducedincludingmaterialflowanalysis,industrialmetabolism,lifecycleassessment,dematerialization,cleanerproductionandecologicalefficiency.Thestudyresultsandthefutureresearchinroadenvironmentwereanalyzed,coveringthepollutionmechanism,thespreadmodeandthegoverningmeasureofpollutiontowetlands,water,airandsoilbythebuildinganduseofroads.Keyword:industrialecology;loggingengineering;roadenvironment;researchprogress;1森林工程的工業(yè)生態(tài)學(xué)研究內(nèi)涵和特點1.1工業(yè)生態(tài)學(xué)工業(yè)生態(tài)學(xué)〔IndustrialEcology〕又稱產(chǎn)業(yè)生態(tài)學(xué)。它把工業(yè)系統(tǒng)視為一個十分的自然生態(tài)系統(tǒng)，采用系統(tǒng)分析的方式方法，研究工業(yè)系統(tǒng)與自然生態(tài)系統(tǒng)的互相作用與關(guān)系[1].一個自然生態(tài)系統(tǒng)由兩部分組成：一是生物部分，包括生產(chǎn)者、消費者和分解者；二是由非生物部分，如環(huán)境溫度、土壤、水、CO2、O2、有機質(zhì)養(yǎng)分等。生態(tài)系統(tǒng)的本質(zhì)是生物和環(huán)境的互相關(guān)系，即生態(tài)學(xué)的研究對象。生態(tài)系統(tǒng)的基本功能是生物質(zhì)生產(chǎn)。生產(chǎn)的基本經(jīng)過是能量流動、物質(zhì)循環(huán)和信息傳遞[2].在一個工業(yè)系統(tǒng)中，從原材料到產(chǎn)品，構(gòu)成了物質(zhì)傳遞經(jīng)過。在這個經(jīng)過中，消耗了資源和能量，產(chǎn)生廢物和排放，進而造成生態(tài)和環(huán)境損害。工業(yè)生態(tài)學(xué)即采用生態(tài)學(xué)的原理和方式方法，研究工業(yè)系統(tǒng)的物質(zhì)流、能量流、信息流、工業(yè)代謝、物質(zhì)減量化、能源脫碳、生命周期評價、清潔化生產(chǎn)等。工業(yè)生態(tài)學(xué)的基本概念是構(gòu)建工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)，對其進行系統(tǒng)、多學(xué)科的研究。工業(yè)生態(tài)學(xué)已成為當(dāng)下研究循環(huán)經(jīng)濟、低碳經(jīng)濟、節(jié)能減排、清潔化生產(chǎn)等熱門問題的基礎(chǔ)。1.2森林工程的工業(yè)生態(tài)學(xué)森林工程是針對森林的個體林木和整體生態(tài)環(huán)境進行詳細工程作業(yè)。其工程對象是森林資源與環(huán)境系統(tǒng)，這一系統(tǒng)主要由林木、植被、土壤、巖石、水、空氣、動物、微生物等自然物組成，也包括林地內(nèi)的房屋、道路、橋梁、堤壩、河港等人工建造物以及人類活動[1].因而，森林工程具有林業(yè)生物性和林業(yè)工程性兩大屬性。森林工程的研究對象是自然資源與社會經(jīng)濟資源密切結(jié)合在一起的復(fù)雜系統(tǒng)，屬于工業(yè)生態(tài)學(xué)的研究范疇。其研究內(nèi)容覆蓋森林資源建設(shè)與開發(fā)利用、林區(qū)道路與林區(qū)運輸?shù)?。森林資源建設(shè)包括森林營造、撫育、更新和改造等工程，森林資源開發(fā)利用包括生物利用、非生物利用和景觀利用，林區(qū)道路包括林道網(wǎng)規(guī)劃、林道設(shè)計、施工、營運與養(yǎng)護，林區(qū)運輸包括道路運輸與水路運輸?shù)萚1].將工業(yè)生態(tài)學(xué)應(yīng)用于森林工程的研究，具有兩大特點。一是研究對象的獨特性。森林工程這一工業(yè)系統(tǒng)包括了可再生的生物體和生物群落，森林工程作業(yè)遭到特定森林環(huán)境的嚴格限制，假如超出這種限制將會造成生態(tài)失衡進而毀壞森林的可持續(xù)發(fā)展。這是森林工程區(qū)別于其他一般工業(yè)系統(tǒng)的關(guān)鍵。因而，作為工業(yè)和生物系統(tǒng)的復(fù)合體，森林工程的技術(shù)復(fù)雜、獨特性強、影響因素多，是其他一般工程領(lǐng)域難以比較的。二是研究理論和方式方法的復(fù)合性。工業(yè)生態(tài)學(xué)源于一般生態(tài)學(xué)的基本理論和方式方法。由于林業(yè)生產(chǎn)和森林工程的生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)屬性，其既要符合森林生態(tài)學(xué)的要求，又要遵從工業(yè)生態(tài)學(xué)的指導(dǎo)，在研究理論和方式方法上就具有穿插、復(fù)合性。2森林工程的工業(yè)生態(tài)學(xué)研究進展2.1生態(tài)采運理論與技術(shù)自生態(tài)采運提出20多年來，我們國家開展了一系列生態(tài)采運理論和技術(shù)的研究。但由于森林生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)的復(fù)雜性和采運作業(yè)系統(tǒng)的多變性，至今尚未構(gòu)成系統(tǒng)完好的森林生態(tài)采運理論和技術(shù)體系[3].采運作業(yè)系統(tǒng)是一種特殊、復(fù)雜的生態(tài)經(jīng)濟子系統(tǒng)，具有工業(yè)系統(tǒng)與自然生態(tài)系統(tǒng)互相穿插、互相影響的特性，應(yīng)采取工業(yè)生態(tài)學(xué)的原理和方式方法，構(gòu)建較為系統(tǒng)、完備的生態(tài)采運理論、方式方法和技術(shù)體系[4].多年來，生態(tài)采運研究主要集中在兩方面：一是研究采運作業(yè)對生態(tài)環(huán)境的影響，包括對林地土壤、林地植被、林地水、林內(nèi)光照、保存木、野生動物、生物多樣性、森林景觀等的影響[5].二是開發(fā)和評價生態(tài)型采運作業(yè)工藝技術(shù)，到達生態(tài)、經(jīng)濟、社會效益的綜合優(yōu)化[6,7].在工業(yè)生態(tài)學(xué)理論的指導(dǎo)下，一方面的研究應(yīng)深切進入到采運系統(tǒng)的物質(zhì)流和工業(yè)代謝；另一方面的研究應(yīng)擴展到采運系統(tǒng)的生命周期評價、清潔化生產(chǎn)、物質(zhì)減量化與能源脫碳，以及生態(tài)效率研究等?；诠I(yè)生態(tài)學(xué)的生態(tài)采運理論與技術(shù)將包括生態(tài)采運形式的原則和方式方法學(xué)，生態(tài)采運系統(tǒng)的物質(zhì)、能量、信息流動形式，生態(tài)采運系統(tǒng)的全生命周期評價方式方法，采伐運輸作業(yè)的清潔化生產(chǎn)，以及生態(tài)采運工業(yè)園[8,9,10,11].2.1.1物質(zhì)流和工業(yè)代謝采運系統(tǒng)中的物質(zhì)流可分為木質(zhì)流、非木質(zhì)生物質(zhì)流、養(yǎng)分流、土壤流和水分流，而能量流推動著物質(zhì)流的流動和轉(zhuǎn)換[12].以木質(zhì)流圖反映采運作業(yè)各工序內(nèi)部和工序之間的物質(zhì)流動，并量化分析立木資源效率和環(huán)境負荷，建立了由5股能量流組成的能量流圖，反映了系統(tǒng)各工序內(nèi)部和工序之間的能量流動規(guī)律，量化分析出產(chǎn)品單位能耗和能量效率；建立了木材采集系統(tǒng)中各物質(zhì)流之間的互相關(guān)系以及物質(zhì)流與能量流的耦合關(guān)系[10].物質(zhì)流和能量流分析揭示了采運系統(tǒng)工業(yè)代謝的本質(zhì)，為伐區(qū)清潔化生產(chǎn)、物質(zhì)減量化和生命周期評價奠定了基礎(chǔ)[11,13].在原木采集生產(chǎn)系統(tǒng)中，木質(zhì)和非木質(zhì)生物質(zhì)流為主要的物質(zhì)流。按采集生產(chǎn)作業(yè)的工藝流程，可計算原木單位耗材、原木單位產(chǎn)品的排放量、立木資源效率和各工序的工序材比系數(shù)等指標(biāo)。針對木質(zhì)和非木質(zhì)生物質(zhì)流的時空分布，建立了相應(yīng)的時空網(wǎng)絡(luò)圖，可用于分析原木采集生產(chǎn)物質(zhì)流的特征和相應(yīng)的投入產(chǎn)出效率。將伐區(qū)地理信息系統(tǒng)與木材生產(chǎn)時空網(wǎng)絡(luò)圖結(jié)合，有助于開發(fā)林木采伐更新作業(yè)系統(tǒng)的模擬、優(yōu)化工具[14,15].2.1.2生命周期評價針對我們國家南方人工林的采伐，應(yīng)全面考慮采伐技術(shù)、采伐機械、剩余物處理、林木更新和撫育的全生命周期經(jīng)過，綜合評價其經(jīng)濟、生態(tài)和社會效益，這是一個多目的、多屬性、多維的綜合集成問題。已有研究推出了基于NSGA-II遺傳算法的多目的優(yōu)化方式方法，并提供了應(yīng)用案例[16].針對工業(yè)人工林采運作業(yè)對環(huán)境的影響，分析由伐木、打枝、造材、集材、剩余物利用、運材、木材回收利用等工序組成的生命周期，建立了原木生產(chǎn)的環(huán)境影響評價矩陣，分析量化了溫室氣體排放、土地占用、生物多樣性、水源影響、生態(tài)損害、可再生資源等環(huán)境影響因素。該矩陣模型有助于選擇適用的采運形式和工藝技術(shù)，以及分析評價和改善采運作業(yè)技術(shù)和作業(yè)方式方法[17].2.1.3清潔化生產(chǎn)針對工業(yè)用速生豐產(chǎn)人工林的采伐利用，提出了清潔生產(chǎn)原則：自然資源和能源利用的最合理化，對環(huán)境不利影響的最小化，經(jīng)濟效益的最大化[18].清潔生產(chǎn)審計應(yīng)包括木材生產(chǎn)工藝、作業(yè)設(shè)備、作業(yè)質(zhì)量、企業(yè)管理、員工素質(zhì)和廢物處理利用等[19].推出了人工林采伐清潔生產(chǎn)評價指標(biāo)體系，覆蓋了伐區(qū)設(shè)計、作業(yè)技術(shù)、生態(tài)環(huán)境評價、生態(tài)環(huán)境效益評價、可持續(xù)發(fā)展、勞動保衛(wèi)等6類一級指標(biāo)和相應(yīng)的二級指標(biāo)，并建立了分級指標(biāo)計算方式方法[20,21,22].基于清潔生產(chǎn)的森林采伐裝備應(yīng)能減少能耗、減少對操作人員的危害、減少設(shè)備清洗和保養(yǎng)對環(huán)境的污染、減少對林地土壤的影響。應(yīng)因地制宜地選擇能改善采伐作業(yè)條件、減輕勞動負荷、降低生產(chǎn)成本，既有利于提高經(jīng)濟效益，又有利于森林生態(tài)環(huán)境保衛(wèi)的作業(yè)設(shè)備[23].2.1.4物質(zhì)減量化為了實現(xiàn)人工用材林采伐利用中的物質(zhì)減量化，提出了節(jié)約資源和能源的對策，包括合理的采伐作業(yè)技術(shù)、合理造材提高原木等級品率和出材率、合理利用采伐剩余物同時維護地力、撫育間伐和修枝，以及采伐作業(yè)中節(jié)能降耗和按需采伐等[24].應(yīng)努力減少采伐作業(yè)經(jīng)過中對立木、原木、土壤的損傷，提高作業(yè)質(zhì)量，選擇適宜的集材道，維護林地和采伐跡地的生產(chǎn)力[25].2.1.5生態(tài)效率生態(tài)效率作為綜合衡量采運系統(tǒng)經(jīng)濟和生態(tài)環(huán)境績效的有效方式方法，可成為評價和改良采運方式和作業(yè)技術(shù)的重要工具。生態(tài)效率評價指標(biāo)分為經(jīng)濟績效和環(huán)境績效兩類。前者包括各作業(yè)工序的生產(chǎn)率、人工和機械成本、木質(zhì)材料產(chǎn)品價值等。后者包括能源消耗、林木資源消耗、立木損傷、溫室氣體排放、污染物排放、土壤壓實、植被損傷、土壤養(yǎng)分變化、土壤含水量變化等。在這里基礎(chǔ)上，初步建立了由總體層、系統(tǒng)層和數(shù)據(jù)層3個層次組成的生態(tài)效率評價指標(biāo)體系和相應(yīng)的評價模型，提出了生態(tài)效率計算方式方法體系。通過清潔生產(chǎn)、物質(zhì)減量化、能源低碳化、采取先進適用技術(shù)等途徑能夠提高系統(tǒng)的生態(tài)效率[26,27,28].綜合分析了BH29型和Stihl051AV型兩種油鋸在森林采伐作業(yè)中的能源效率和環(huán)境效率，結(jié)果表示清楚后者的生態(tài)效率較高[29].2.2道路環(huán)境理論與技術(shù)集中研究道路建設(shè)和運營使用對環(huán)境的影響規(guī)律，包括水污染、大氣污染和土壤污染的機理和防治措施；研究道路工程對濕地的影響和相應(yīng)的保衛(wèi)對策；研究道路工程的物質(zhì)減量化?！?〕分析公路與橋梁工程在施工階段和運營階段產(chǎn)生的水污染對周邊濕地的影響，包括施工期生活污水與施工廢水造成的污染，以及投入運營后的路面徑流水和高速公路服務(wù)區(qū)污水造成的污染。分析這些水污染問題對濕地生態(tài)系統(tǒng)的干擾，提出了減少和防止水污染問題的措施[30,31].〔2〕為討論公路瀝青路面徑流污染物的特性，對滬寧高速公路南京段的瀝青路面徑流排水進行連續(xù)取樣監(jiān)測，采用單因子指數(shù)法進行評價。結(jié)果表示清楚，高速公路瀝青路面徑流受污染物SS、COD、BOD5及重金屬Cr、Ni、Pb、Cd的污染都很強，且生物可降解性很差[32].實驗分析了公路路面徑流污染物的成分、含量及其影響因素，污染源及污染物從路面到受納水體的遷移經(jīng)過，以及污染物對受納水體水質(zhì)的影響，提出了相應(yīng)的污染控制措施[33,34].〔3〕道路運營造成的大氣污染在公路兩側(cè)沉降，使得土壤、水系和農(nóng)作物等二次污染。通過現(xiàn)場實驗檢測大氣污染的現(xiàn)在狀況、來源、危害、分布規(guī)律及影響因素，探尋求索分析了地形地貌、氣象、交通、綠化、路基等對大氣污染的影響規(guī)律，提出了高速公路兩側(cè)大氣污染的時空分布規(guī)律和擴散模型[35].〔4〕交通對道路兩側(cè)土地產(chǎn)生污染。對滬寧高速公路南京段瀝青路面兩側(cè)土壤進行取樣分析表示清楚，在距離公路中心線10~120m范圍內(nèi)，重金屬Cd、Ni、Pb、Zn對土壤造成了不同程度的污染，華而不實Ni的污染最重，其次是Cd[36].分析了路域土壤的重金屬污染特性和土壤對重金屬的消減規(guī)律，建立了污染物在土壤中的遷移模型[34].采用模糊數(shù)學(xué)方式方法分析了重金屬污染的分布規(guī)律[37].對南京城區(qū)路面沉積物的粒徑和重金屬鉛的含量進行了實驗研究分析，結(jié)果表示清楚，粒徑在0.1~0.25mm的沉積物中鉛的含量最高，沉積物中鉛的含量與沉積物的粒徑有較大的關(guān)系，粒徑越小鉛含量越高[38].分析了路面沉積物中重金屬污染的主要種類和含量、沉積物中重金屬的生物有效性、重金屬污染的影響因素及其遷移轉(zhuǎn)化經(jīng)過，提出了控制道路沉積物重金屬污染的措施以及今后研究的方向[39].〔5〕研究提出工程領(lǐng)域的物質(zhì)減量化途徑為提高資源利用效率，材料替代，提高產(chǎn)品耐久性，減少和利用廢棄物，能量再利用，提高信息服務(wù)水平。提出了道路工程物質(zhì)減量化的詳細措施：減少土地占用，減少材料消耗，減少工程量，提高工程質(zhì)量，采取預(yù)防性養(yǎng)護措施，利用工程廢棄物，節(jié)約能耗等[40].3森林工程的工業(yè)生態(tài)學(xué)研究瞻望當(dāng)前，森林工程的工業(yè)生態(tài)學(xué)研究還處于初期階段，需要進一步確定適應(yīng)森林工程領(lǐng)域的工業(yè)生態(tài)學(xué)研究形式和方式方法，探尋求索森林工程作業(yè)系統(tǒng)的物質(zhì)、能量和信息流動的特定形式，研究森林工程系統(tǒng)的全生命周期形式，開發(fā)森林工程的清潔生產(chǎn)技術(shù)等。在生態(tài)采運研究中將深切進入研究工業(yè)代謝機制，提出詳細實用的生命周期評價模型，開發(fā)適用的清潔生產(chǎn)技術(shù)和物質(zhì)減量化技術(shù)，推出采運作業(yè)工藝技術(shù)和設(shè)備的生態(tài)效率評價體系，探尋求索改善和提高生態(tài)效率的途徑和措施。在道路工程環(huán)境研究上，從當(dāng)前主要分析污染物質(zhì)流和遷移機制，擴展到污染阻隔、消減技術(shù)的研究，以及道路工程全生命周期的經(jīng)濟和生態(tài)環(huán)境分析評價。最近內(nèi)，森林工程的工業(yè)生態(tài)學(xué)研究將規(guī)范人工林采運生命周期評價方式方法、人工林采伐作業(yè)的清潔生產(chǎn)評價指標(biāo)體系、人工林采運的清潔生產(chǎn)指南。需要開展人工林作業(yè)環(huán)境-資源-經(jīng)濟綜合分析、人工林采伐系統(tǒng)生態(tài)效率評價方式方法、人工林采伐更新系統(tǒng)的生物質(zhì)流與養(yǎng)分流的時空耦合特性、透水性瀝青路面對路面徑流污染的控制機制、公路路域土壤重金屬污染及其植物修復(fù)機制、道路路域生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)技術(shù)等研究[41].隨著工業(yè)生態(tài)學(xué)的迅速發(fā)展，必將有力地推動森林工程領(lǐng)域的科技進步。以下為參考文獻[1]趙塵。森工與土木工程科技進展[M].北京：中國林業(yè)出版社，2008.[2]趙塵。采運與工業(yè)生態(tài)學(xué)[C]//中國林學(xué)會。第二屆中國林業(yè)學(xué)術(shù)大會論文集。南寧：廣西林業(yè)廳，2018.[3]余愛華，趙塵，邱榮華。淺析我們國家森林生態(tài)采運理論[J].西北林學(xué)院學(xué)報，2007,22〔6〕:153-156.[4]ZhaoC,YuAH,ZhaoK.Onthetheoryandtechnologyofforestecology-basedlogging[C]//ProceedingsoftheInternationalCon-ferenceonLoggingandIndustrialEcology,Nanjing,China.Har-bin:NortheastForestryUniversityPress,2018.[5]ChenJS,ZhaoC,LiXS,etal.Acomprehensiveanalysisandevaluationforenvironment-resource-economyofplantationharves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