森林工程的工业生态学研究方向,生态学论文

森林工程的工业生态学研究方向,生态学论文内容摘要：森林工程是一个独特的生态经济系统，需要利用工业生态学的理论和方式方法开展研究，以解决其复杂的生物性与工程性复合问题。近年来森林工程领域开拓了采运工程生态学和道路环境生态学两个研究方向，均具有工程研究对象的独特性和研究方式方法的复合性。笔者分析了采运工程物质流、工业代谢、生命周期评价、清洁化生产、物质减量化、生态效率等方面的研究特色和研究成果，介绍了道路建设和运营使用对湿地、水、大气和土壤的污染机理、扩散规律和治理措施。提出了今后的生态采运理论和技术上的研究需要深切进入到采运系统的物质流和工业代谢，道路工程环境上的研究需深切进入到污染物质流和迁移机制、污染阻隔和消减技术、道路工程全生命周期分析评价。本文关键词语：工业生态学；采运工程；道路环境；研究进展；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森林工程的工业生态学研究内涵和特点1.1工业生态学工业生态学〔IndustrialEcology〕又称产业生态学。它把工业系统视为一个十分的自然生态系统，采用系统分析的方式方法，研究工业系统与自然生态系统的互相作用与关系[1].一个自然生态系统由两部分组成：一是生物部分，包括生产者、消费者和分解者；二是由非生物部分，如环境温度、土壤、水、CO2、O2、有机质养分等。生态系统的本质是生物和环境的互相关系，即生态学的研究对象。生态系统的基本功能是生物质生产。生产的基本经过是能量流动、物质循环和信息传递[2].在一个工业系统中，从原材料到产品，构成了物质传递经过。在这个经过中，消耗了资源和能量，产生废物和排放，进而造成生态和环境损害。工业生态学即采用生态学的原理和方式方法，研究工业系统的物质流、能量流、信息流、工业代谢、物质减量化、能源脱碳、生命周期评价、清洁化生产等。工业生态学的基本概念是构建工业生态系统，对其进行系统、多学科的研究。工业生态学已成为当下研究循环经济、低碳经济、节能减排、清洁化生产等热门问题的基础。1.2森林工程的工业生态学森林工程是针对森林的个体林木和整体生态环境进行详细工程作业。其工程对象是森林资源与环境系统，这一系统主要由林木、植被、土壤、岩石、水、空气、动物、微生物等自然物组成，也包括林地内的房屋、道路、桥梁、堤坝、河港等人工建造物以及人类活动[1].因而，森林工程具有林业生物性和林业工程性两大属性。森林工程的研究对象是自然资源与社会经济资源密切结合在一起的复杂系统，属于工业生态学的研究范畴。其研究内容覆盖森林资源建设与开发利用、林区道路与林区运输等。森林资源建设包括森林营造、抚育、更新和改造等工程，森林资源开发利用包括生物利用、非生物利用和景观利用，林区道路包括林道网规划、林道设计、施工、营运与养护，林区运输包括道路运输与水路运输等[1].将工业生态学应用于森林工程的研究，具有两大特点。一是研究对象的独特性。森林工程这一工业系统包括了可再生的生物体和生物群落，森林工程作业遭到特定森林环境的严格限制，假如超出这种限制将会造成生态失衡进而毁坏森林的可持续发展。这是森林工程区别于其他一般工业系统的关键。因而，作为工业和生物系统的复合体，森林工程的技术复杂、独特性强、影响因素多，是其他一般工程领域难以比较的。二是研究理论和方式方法的复合性。工业生态学源于一般生态学的基本理论和方式方法。由于林业生产和森林工程的生态经济系统属性，其既要符合森林生态学的要求，又要遵从工业生态学的指导，在研究理论和方式方法上就具有穿插、复合性。2森林工程的工业生态学研究进展2.1生态采运理论与技术自生态采运提出20多年来，我们国家开展了一系列生态采运理论和技术的研究。但由于森林生态经济系统的复杂性和采运作业系统的多变性，至今尚未构成系统完好的森林生态采运理论和技术体系[3].采运作业系统是一种特殊、复杂的生态经济子系统，具有工业系统与自然生态系统互相穿插、互相影响的特性，应采取工业生态学的原理和方式方法，构建较为系统、完备的生态采运理论、方式方法和技术体系[4].多年来，生态采运研究主要集中在两方面：一是研究采运作业对生态环境的影响，包括对林地土壤、林地植被、林地水、林内光照、保存木、野生动物、生物多样性、森林景观等的影响[5].二是开发和评价生态型采运作业工艺技术，到达生态、经济、社会效益的综合优化[6,7].在工业生态学理论的指导下，一方面的研究应深切进入到采运系统的物质流和工业代谢；另一方面的研究应扩展到采运系统的生命周期评价、清洁化生产、物质减量化与能源脱碳，以及生态效率研究等。基于工业生态学的生态采运理论与技术将包括生态采运形式的原则和方式方法学，生态采运系统的物质、能量、信息流动形式，生态采运系统的全生命周期评价方式方法，采伐运输作业的清洁化生产，以及生态采运工业园[8,9,10,11].2.1.1物质流和工业代谢采运系统中的物质流可分为木质流、非木质生物质流、养分流、土壤流和水分流，而能量流推动着物质流的流动和转换[12].以木质流图反映采运作业各工序内部和工序之间的物质流动，并量化分析立木资源效率和环境负荷，建立了由5股能量流组成的能量流图，反映了系统各工序内部和工序之间的能量流动规律，量化分析出产品单位能耗和能量效率；建立了木材采集系统中各物质流之间的互相关系以及物质流与能量流的耦合关系[10].物质流和能量流分析揭示了采运系统工业代谢的本质，为伐区清洁化生产、物质减量化和生命周期评价奠定了基础[11,13].在原木采集生产系统中，木质和非木质生物质流为主要的物质流。按采集生产作业的工艺流程，可计算原木单位耗材、原木单位产品的排放量、立木资源效率和各工序的工序材比系数等指标。针对木质和非木质生物质流的时空分布，建立了相应的时空网络图，可用于分析原木采集生产物质流的特征和相应的投入产出效率。将伐区地理信息系统与木材生产时空网络图结合，有助于开发林木采伐更新作业系统的模拟、优化工具[14,15].2.1.2生命周期评价针对我们国家南方人工林的采伐，应全面考虑采伐技术、采伐机械、剩余物处理、林木更新和抚育的全生命周期经过，综合评价其经济、生态和社会效益，这是一个多目的、多属性、多维的综合集成问题。已有研究推出了基于NSGA-II遗传算法的多目的优化方式方法，并提供了应用案例[16].针对工业人工林采运作业对环境的影响，分析由伐木、打枝、造材、集材、剩余物利用、运材、木材回收利用等工序组成的生命周期，建立了原木生产的环境影响评价矩阵，分析量化了温室气体排放、土地占用、生物多样性、水源影响、生态损害、可再生资源等环境影响因素。该矩阵模型有助于选择适用的采运形式和工艺技术，以及分析评价和改善采运作业技术和作业方式方法[17].2.1.3清洁化生产针对工业用速生丰产人工林的采伐利用，提出了清洁生产原则：自然资源和能源利用的最合理化，对环境不利影响的最小化，经济效益的最大化[18].清洁生产审计应包括木材生产工艺、作业设备、作业质量、企业管理、员工素质和废物处理利用等[19].推出了人工林采伐清洁生产评价指标体系，覆盖了伐区设计、作业技术、生态环境评价、生态环境效益评价、可持续发展、劳动保卫等6类一级指标和相应的二级指标，并建立了分级指标计算方式方法[20,21,22].基于清洁生产的森林采伐装备应能减少能耗、减少对操作人员的危害、减少设备清洗和保养对环境的污染、减少对林地土壤的影响。应因地制宜地选择能改善采伐作业条件、减轻劳动负荷、降低生产成本，既有利于提高经济效益，又有利于森林生态环境保卫的作业设备[23].2.1.4物质减量化为了实现人工用材林采伐利用中的物质减量化，提出了节约资源和能源的对策，包括合理的采伐作业技术、合理造材提高原木等级品率和出材率、合理利用采伐剩余物同时维护地力、抚育间伐和修枝，以及采伐作业中节能降耗和按需采伐等[24].应努力减少采伐作业经过中对立木、原木、土壤的损伤，提高作业质量，选择适宜的集材道，维护林地和采伐迹地的生产力[25].2.1.5生态效率生态效率作为综合衡量采运系统经济和生态环境绩效的有效方式方法，可成为评价和改良采运方式和作业技术的重要工具。生态效率评价指标分为经济绩效和环境绩效两类。前者包括各作业工序的生产率、人工和机械成本、木质材料产品价值等。后者包括能源消耗、林木资源消耗、立木损伤、温室气体排放、污染物排放、土壤压实、植被损伤、土壤养分变化、土壤含水量变化等。在这里基础上，初步建立了由总体层、系统层和数据层3个层次组成的生态效率评价指标体系和相应的评价模型，提出了生态效率计算方式方法体系。通过清洁生产、物质减量化、能源低碳化、采取先进适用技术等途径能够提高系统的生态效率[26,27,28].综合分析了BH29型和Stihl051AV型两种油锯在森林采伐作业中的能源效率和环境效率，结果表示清楚后者的生态效率较高[29].2.2道路环境理论与技术集中研究道路建设和运营使用对环境的影响规律，包括水污染、大气污染和土壤污染的机理和防治措施；研究道路工程对湿地的影响和相应的保卫对策；研究道路工程的物质减量化。〔1〕分析公路与桥梁工程在施工阶段和运营阶段产生的水污染对周边湿地的影响，包括施工期生活污水与施工废水造成的污染，以及投入运营后的路面径流水和高速公路服务区污水造成的污染。分析这些水污染问题对湿地生态系统的干扰，提出了减少和防止水污染问题的措施[30,31].〔2〕为讨论公路沥青路面径流污染物的特性，对沪宁高速公路南京段的沥青路面径流排水进行连续取样监测，采用单因子指数法进行评价。结果表示清楚，高速公路沥青路面径流受污染物SS、COD、BOD5及重金属Cr、Ni、Pb、Cd的污染都很强，且生物可降解性很差[32].实验分析了公路路面径流污染物的成分、含量及其影响因素，污染源及污染物从路面到受纳水体的迁移经过，以及污染物对受纳水体水质的影响，提出了相应的污染控制措施[33,34].〔3〕道路运营造成的大气污染在公路两侧沉降，使得土壤、水系和农作物等二次污染。通过现场实验检测大气污染的现在状况、来源、危害、分布规律及影响因素，探寻求索分析了地形地貌、气象、交通、绿化、路基等对大气污染的影响规律，提出了高速公路两侧大气污染的时空分布规律和扩散模型[35].〔4〕交通对道路两侧土地产生污染。对沪宁高速公路南京段沥青路面两侧土壤进行取样分析表示清楚，在距离公路中心线10~120m范围内，重金属Cd、Ni、Pb、Zn对土壤造成了不同程度的污染，华而不实Ni的污染最重，其次是Cd[36].分析了路域土壤的重金属污染特性和土壤对重金属的消减规律，建立了污染物在土壤中的迁移模型[34].采用模糊数学方式方法分析了重金属污染的分布规律[37].对南京城区路面沉积物的粒径和重金属铅的含量进行了实验研究分析，结果表示清楚，粒径在0.1~0.25mm的沉积物中铅的含量最高，沉积物中铅的含量与沉积物的粒径有较大的关系，粒径越小铅含量越高[38].分析了路面沉积物中重金属污染的主要种类和含量、沉积物中重金属的生物有效性、重金属污染的影响因素及其迁移转化经过，提出了控制道路沉积物重金属污染的措施以及今后研究的方向[39].〔5〕研究提出工程领域的物质减量化途径为提高资源利用效率，材料替代，提高产品耐久性，减少和利用废弃物，能量再利用，提高信息服务水平。提出了道路工程物质减量化的详细措施：减少土地占用，减少材料消耗，减少工程量，提高工程质量，采取预防性养护措施，利用工程废弃物，节约能耗等[40].3森林工程的工业生态学研究瞻望当前，森林工程的工业生态学研究还处于初期阶段，需要进一步确定适应森林工程领域的工业生态学研究形式和方式方法，探寻求索森林工程作业系统的物质、能量和信息流动的特定形式，研究森林工程系统的全生命周期形式，开发森林工程的清洁生产技术等。在生态采运研究中将深切进入研究工业代谢机制，提出详细实用的生命周期评价模型，开发适用的清洁生产技术和物质减量化技术，推出采运作业工艺技术和设备的生态效率评价体系，探寻求索改善和提高生态效率的途径和措施。在道路工程环境研究上，从当前主要分析污染物质流和迁移机制，扩展到污染阻隔、消减技术的研究，以及道路工程全生命周期的经济和生态环境分析评价。最近内，森林工程的工业生态学研究将规范人工林采运生命周期评价方式方法、人工林采伐作业的清洁生产评价指标体系、人工林采运的清洁生产指南。需要开展人工林作业环境-资源-经济综合分析、人工林采伐系统生态效率评价方式方法、人工林采伐更新系统的生物质流与养分流的时空耦合特性、透水性沥青路面对路面径流污染的控制机制、公路路域土壤重金属污染及其植物修复机制、道路路域生态系统恢复技术等研究[41].随着工业生态学的迅速发展，必将有力地推动森林工程领域的科技进步。以下为参考文献[1]赵尘。森工与土木工程科技进展[M].北京：中国林业出版社，2008.[2]赵尘。采运与工业生态学[C]//中国林学会。第二届中国林业学术大会论文集。南宁：广西林业厅，2018.[3]余爱华，赵尘，邱荣华。浅析我们国家森林生态采运理论[J].西北林学院学报，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-tingandtransportation[C]//ProceedingsoftheInternationalConferenceonLoggingandIndustrialEcology,Nanjing,China.Harbin:NortheastForestryUniversityPress,2018.[6]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.[7]ChenJS,ZhaoC,ShiD.Thecombinedinfluenceassessmentofplantationloggingonenvironment-resource-costsystembasedongreyclustermethod[C]//Proceedingsof2018Asia-PacificPow-erandEnergyEngineeringConference,Wuhan,China.Wuhan:IEEEComputerSociety,2018.[8]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瞻望[J].世界林业研究，2008,21〔2〕:32-37.[9]ZhaoC.Loggingandindustrialecology[C]//ProceedingsoftheInternationalConferenceonLoggingandIndustrialEcology,Nan-jing,China.Harbin:NortheastForestryUniversityPress,2018.[10]赵尘，王大明，张正雄。木材采运系统物质流与能量流形式的分析[J].南京林业大学学报：自然科学版，2008,32〔5〕:37-40.[11]王大明，赵尘，李兆山。人工林采伐作业物质流分析[J].南京林业大学学报：自然科学版，2018,33〔1〕:139-142.[12]陈俊松。基于生命周期评价理论的人工林作业资源-环境-经济影响研究[D].南京：南京林业大学，2018.[13]WangDM,ZhaoC.Studyofthematerialflowinharvestopera-tionsystemofforestplantation[C]//ProceedingsoftheInterna-tionalConferenceonLoggingandIndustrialEcology,Nanjing,China.Harbin:NortheastForestryUniversityPress,2018.[14]赵尘，王大明，张正雄。原木采集生产的生物质流特征分析[J].林业科学，2018,47〔5〕:90-95.[15]ZhaoC,WangDM,ZhangZX.Characteristicsanalysisofbio-massmaterialflowinlogharvestingproduction[C]//ProceedingsoftheInternationalConferenceonLoggingandIndustrialEcolo-gy,Nanjing,China.Harbin:NortheastForestryUniversityPress,2018.[16]LiXS,ZhaoC.Thelifecycleassessmentoftheplantationhar-vestingbasedonindustrialecology[C]//ProceedingsoftheIn-ternationalConferenceonLoggingandIndustrialEcology,Nan-jing,China.Harbin:NortheastForestryUniversityPress,2018.[17]ZhaoK,ZhaoC,HuangX.TheapplicationofLCAintheselec-tionoftechniqueofharvestingindustrialplantation[C]//Pro-ceedingsoftheInternationalConferenceonLoggingandIndustrialEcology,Nanjing,China.Harbin:NortheastForestryUniversityPress,2018.[18]赵康，赵尘。速生丰产林采伐利用中的清洁生产[J].林业资源管理，2008〔2〕:47-50.[19]赵康，赵尘。基于清洁生产的工业原料林采伐利用[J].福建林业科技[J],2008,35〔3〕:157-160,173.[20]余爱华，赵尘，黄英。清洁生产评价应用于人工林采伐的讨论[J].江西农业大学学报，2018,31〔2〕:311-316.[21]YuAH,ZhaoC.Studyonthecleanerproductionevaluationoftheloggingofforestplantation[C]//ProceedingsoftheInterna-tionalConferenceonLoggingandIndustrialEcology,Nanjing,China.Harbin:NortheastForestryUniversityPress,2018.[22]YuAH,ZhaoC,WangDM.Studyonenvironmentallogisticsbasedoncleanerproduction[C]//Proceedingsofthe2018Inter-nationalConferenceonDigitalEnterpriseandDigitalManufactur-ing,Chengdu,China.Chengdu:InstituteofElectricalandElec-tronicsEngineersInc,2018.[23]余爱华，赵尘。基于清洁生产的森林采伐装备分析[J].西北林学院学报，2018,26〔6〕:173-176.[24]赵康，赵尘。基于物质减量化原则的人工用材林采伐利用[J].西北林学院学报，2018,24〔6〕:204-207.[25]ZhaoK,ZhaoC,HuangX.Dematerializationandutilizingfast-growingandhigh-yieldplantation[C]//ProceedingsoftheInter-nationalConferenceonLoggingandIndustrialEcology,Nanjing,China.Harbin:NortheastForestryUniversityPress,2018.[26]ZhaoC,ZhaoY,ShiD,etal.Analysisofeco-efficiencyappliedtologgingsystemresearch[C]//Proceedingsof20183rdInternationalConferenceonE-businessandInformationSystemSecur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