人 工 林 作 业物 质 流 分 析物质流分析（Material Flow Analysis, MFA）是研究工业代谢的一种方法’其系统的追 踪自然资源从开采、加工、制造、使用、循环到最终处置全过程，并分析这一过程中所有 阶段的消耗⑷】MFA遵循物质守恒定律，通过量化物质流入、流出某类系统以及在系统 内部的流动和储存状况，揭示该物质在系统中的流动特征和转化效率其目的在于在生产 中减少自然资源的使用和废物排放，以实现自然资源的可持续利用产品的生命周期评价主耍是对产品从原料到最终废弃全过程的环境影响进行综合评 估，包括对资源的消耗，对环境的污染等从生命周期评价中清单分析和影响评价两个阶 段的研究内容来看，它们都与物质的输入和输出有着密切的联系，而物质流分析主要研究 的便是物质流动的数量、结构和特征因此，在生命周期评价中引入物质流分析，可以更 好的指导清单分析，完善基础资料的全面性和准确性，从而提高影响评价的准确性〔绚本章主要采用物质流的分析方法，对人工林作业从造林到采伐各个阶段的营养物质和 生物质流动情况进行分析和研究，从而找到人工林作业各阶段物质流动范围、特征和数量， 为进一步开展清单分析和影响评价做准备。
2.1物质流分析理论2.1.1物质流分析的基本框架在自然生态系统中具有完备的食物链和食物网，不同生物和微生物相互作用，分解各 类营养物质，从而形成代谢机制完备的封闭系统，不对环境造成压力然而在工业系统中, 由于人类的活动，从产品的生产、使用到最终处置，每一环节都会产生废物，并流向外部 坏境，从而对生态系统造成破坏和污染等负面影响这种类似生态系统新陈代谢的物质流 动也称为工业代谢，物质流分析（MFA）是目前研究工业代谢较为广泛的方法物质流分析的基本观点是，人类活动所产生的环境影响在很大程度上取决于进入工业 系统的自然资源和物质的数量与质蜀，以及从工业系统排入环境的废弃物质的数量与质量 〔49】前者引起资源的耗竭，后者导致环境的污染物质流分析以质量守恒定律为基本依 据，将物质分为输入、存储与输出三大部分，通过研究三者的关系，确定物质利用、迁移 及转化途径（叭典型工业系统物质流动状况研究框架如图2J所示环境系统排放输出开采输入系统边界工业系统图24工业系统物质流分析研究框架Fig. 2-1 Material flow analysis frame of industrial system从研究框架中可以看出，物质流分析主要包括“物质”、“过程”、“库存”和“流”四 个要素［51］：(1) 物质：物质是MFA的研究对象，一般指特定的物质或材料。
在具体分析时， 可能会涉及到物质的不同形态，如研究铜的代谢时，可能包括铜矿、纯铜、铜合金等产品2) 过程：指物质在系统中的转化、输送或储存转化指物质在整个工业体系不同 层面上的转化，如从生产到加工的转化；输送指物质形式并没转化而位置发生改变，包括 废物排放；物质停留在系统内而没有发生转化的借况称为储存3) 库存：指物质的储存数量4) 流：指系统内每一过程的输入流端和输出流端，过程与过程之间通过“流股” 来联系有时为简化，在分析中将过程当作黑箱，而只分析输入和输出情况2.1.2物质流分析的研究进展物质流分析基本模式形成于上世纪70年代Kneesen等锻先提出用物料平衡的方法 追踪系统中物质的流动，为物质流分析框架的形成奠定了一定基础⑴)Ayres运用此方法 对城市区域的污染物迁移路径进行分析，为最早的实证分析⑴】经过80年代的发展，到 90年代大量物质流分析成果开始出现目前，国际上对物质流的研究主要集中在美国、 英国、德国、瑞典等发达国家主要研究内容包括以下两个方面：(1) 对某种特定物质的流动研究，包括一些对国民经济有重要意义的物质，如铁、 铜、锌等矿产资源；对环境有较大危害的有毒物质，如碑、汞等；钢铁、化工、林业等产 业部门物质流〔*旳。
2) 针对国家或区域经济系统的物质流分析，主要研究经济系统的物质流入与流出, 1995年，德国最先开始针对国家经济系统进行物质流分析；1997年，世界资源研究所 (World Resources Institute, WRI)开始对美国、德国、日本、荷兰等国经济系统的物质流 动状况进行分析，给出物质输入量、输出量及相关评价指标等结果；2003年，Palm等对 瑞上1987〜1998年之间经济系统物质流动状况进行输入输出分析，并区分国内消耗和出 口［57~5叫我国开展物质流分析较晚，于2000年才被引入国内近年来，主要研究成果集中在 经济系统物质流分析，且侧重于国家层面，区域物质流分析较少；产业部门物质流分析相 对较少，且偏重于采矿行业，其它物质生产部门较少涉及34】2.1.3物质流分析方法国际上，物质流分析的主要方法包括以下4种〔6叫(1) 总物质需求及产出(Total Material Requirements and Outputs, TMRO)方法oTMRO dj世界资源研究所(WRI)利德国伍珀塔尔气候、环境、能源研究所(Wuppertal Institute for Climate, Environment, and Energy, WICEE)创立，并成为研究国家和区域经济系统物 质流的核心方法。
该方法是一种物流账户分析法，主要测算整个环境范围内每年国家或区 域经济系统物质的流入和流出量总物质需求(TMR)的核心是直接物质需求由进口数 量和国内资源开采数量两部分组成，并且考虑隐流存在所谓隐流就是没有直接进入市场 和生产过程的环境物质，如森林釆伐引起的水土流失、木材采伐的损失等物质输出包括 出口量和国内产出量，同样包括那些没有流入市场而排放到环境中的隐流物质具体分析 框架见图2・2总; 物; 质: 需: 求:直接国夕赢〉空气1 I:!和水/\ 水蒸 汽国内资源 开采国内隐流〉国内自然环境国内经济系统出口物质产- 业: 部• 门:国内 生产 输出大气土地水域国内隐流国内输出图2-2总物质输入与输出物质循环框架Fig. 2-2 Material circulation frame of total material requirements and outputs(2) 内部集散物流分析(Bulk Internal Flow MFA, MFA・BIF)这种方法通常用来研 究某个地区的物质流动，其研究对象在范围上比TMRO法小，应根据物质在自然系统和 社会系统之间的流动关系来确定系统范围。
采用MFA-BIF法的目的在于研究系统内物质 流入量、库存和流出量之间的等量关系，用较少的数据揭示自然资源在社会各行业和部门 之间的流动关系，MFA-BIF法与TMRO法的区别在以下几个方面㈣:TMRO只研究物质在国内经济系 统、环境系统和国外系统之间的流动，MFA-BIF则需测定物质在经济系统内部各部门之 间的流动；其次，MFA-B1F需遵循物质守恒定律，而TMRO不需要；最后，MFA-B1F不 需要考虑隐流典型内部集散物流框图见图2・3 图2-3林产品典型内部集散物流分析框图 Fig. 2-3 Typical MFA-BIF frame of forest products(3) 实体投入■产岀表格(Physical叩ut-Output Tables, PIOT)方法PIOT追踪物质 在经济系统与自然系统Z间的关系，主要关注环境影响这种方法全面包含了经济系统中 听有过程与环境有关的物质，根据部门与行业内物质流入、产品重量与残值等状况，列岀 相应表格进行分析PIOT与TMRO和MFA・BIF相比，具有以下2个方面的不同：首先, P1OT详细调查部门间资源输入、产甜重量和废弃物；其次，PIOT能够评价由于消费和其 它需求累积的环境负荷。
4) 物质流分析(Substance Flow Analysis, SFA)方法与其他物质流分析方法相比,SFA最大的不同就是只针对一种化学物质或一组化学物质的流动状况进行分析已研究 的典型物质如氮、磷、锯、铅、碳等本文将采用MFA-BIF理论，并结合SFA方法，对人工林营养物质流和生物质流进行 研究，找出这两类物质流动的范围、特征和数量具体分析步骤如下：a. 确定研究系统的边界、过程和具体物质；b. 确定一定时间内物质的流向和流量，包括计算隐流；c. 计算物质的质量2.2人工林作业物质流分析系统边界在人工林系统中，林木通过光合作用，消耗二氧化碳和水，形成生物质这些生物质 部分形成木质材料，部分形成非木质材料同时，在林木生长过程中，还需要从土壤中吸 收Ca、Mg、K、N、P等营养元素这些营养元素部分来源于自然界，如降雨、植物腐烂 等：部分来源于人工干预，如施肥、炼山等除林木生长消耗营养元素外，森林采伐作业 也会造成土壤营养元素的流失冏伐后剩余物质经过炼山处理或自然腐烂后有部分营养物 质回到土壤中所以，本文在对人工林进行物质流分析时主要解决以下两个方面的问题： 一是养分的流动；二是生物质的流动。
人工林物质流分析系统图如图2-4所示图2-4人工林作业物质流分析系统图Fig. 2-4 MFA system of plantation operations对系统中的主要过程说明如下：(1) 林木生长过程林木生长过程从造林开始达到可伐年限为止，中间经过几次抚育采伐这个过程主要 是林木从土壤中吸收养分、水分和从空气中吸收二氧化碳形成生物质不同的树种生长年 限不同，所形成的生物质数量和质量亦有所差异2) 采造过程此阶段为林木达到可伐年限后，采伐林木并加工成原木、原条、削片或其它剩余物质 此过程主要完成木材生物质的分解工作，即把立木的各部分生物质分解出来，便于不同行 业的利用同时，由于采造过程对林地的干扰，以及采伐一段时间内林地缺少植物覆盖, 从而导致土壤营养物质的流失这些物质会随降雨流到林区以外，从而不再能被林区内的 树木吸收虽然在整个环境中这些物质并没有丢失，但在本文所研究的人工林作业系统范 围内(见图2-4),可以认定这些物质流出系统以外需要说明的是，不同的林地条件和 不同的采造作业方式对土壤营养物质的流失影响不同3) 集运过程此过程包括两个阶段：集材和运材这一过程的主要目的是转移生物质，即把部分生 物质(主要为原木)转移到系统之外。
同时，由于修建集材道和运材道，也在不同程度上 造成土壤破坏，引起营养物质流失不同的集运方式对土壤营养物质流失的影响也有所不 同4) 剩余物质的利用伐后的剩余物质包括树枝、树叶、树皮、树根等一般情况下，树皮与原木一起运到 楞场后处理，树根留在土中自然腐烂对于树枝的处理方式有打碎作刨花板材料、薪炭材 料、炼山或堆腐等在国内人工林地区，很多采用炼山的处理方式，这样会有部分营养物 质流回土壤中，但也容易流失营养物质2.3营养元素物质流分析2.3.1林地中营养元素的来源土壤中含有大量的矿质元素，如Na、K、Ca、Mg、P、N等，这些元素是树木生长 所必需的营养物质讨论这些物质的來源，对理解营养元素在林区的流动有重要意义除 上壤中矿物质的长期风化作用外，这些营养元素主要来自以下几个方面：(1)降雨的作用大气中的降雨主要在两个方面为林区土壤提供营养物质：一是大气中直接含有的物 质，如N等随降雨流入林区中；二是由于降雨的淋溶作用，使附在林冠上的营养物质随 雨水流入土壤中，如K等N是降雨中含量最多的元素，但其能够直接被林冠吸收或吸附，故落在林区土壤中的 N元索明显降低K在降雨中含量较低，但其较易溶。