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第1章 原 料

1.1 木材和非木材纖維資源

植物纖維是所有高等植物中最主要的結構要素。植物纖維由纖維素微纖絲構成，通常這些微纖絲內嵌于非纖維素多糖(半纖維素和果膠)和木素基質中。纖維素是自然界中最豐富的生物聚合物，存在于綠色植物和某些藻類的細胞壁中。微生物纖維素是由不同種類的細菌產生和分泌的(如醋酸桿菌、根瘤菌、假單胞菌等)。木材和棉花主要用于生產商用纖維素產品和紙漿。全球僅有約7%的原生纖維素漿是由非木材原料生產的(秸稈占46%，蔗渣占14%，以及竹子占6%)[1, 2]。中國是世界上較大的非木材紙漿生產國，而在歐洲、美國和加拿大，造紙工業幾乎全部采用木漿生產。受全球森林資源減少和木材短缺的影響，尋求可持續的發展方案成為必然。

用于工業用途的圓木大約僅占全球圓木產量的二分之一。2006年，全球木材的產量為35.4億m3，其中大約18.7億m3為薪柴(fuelwood)消耗，剩下的16.7億m3為工業木材消耗 [3]。圖1-1為全球圓木的產量和消耗量。

圖1-1 2006年世界圓木產量[3]

2006年，全球造紙工業共消耗工業圓木5.2億m3。此外，鋸材工業中大約產生了2.5億m3圓木當量(RWE)的木屑殘渣。另有7.5億m3的回用廢紙用作紙和紙板的生產原料。

在化學漿工業中，根據圓木材種和制漿工藝的不同，生產一噸紙漿要消耗3.7-5.6 m3的圓木。

在規劃投資新的制漿廠時，最重要的問題就是的原料供應。即使在最有利的條件下種植良的速生材種，也需要7500-8000萬公頃的森林面積或4倍于芬蘭現在的森林面積才能滿足全球對工業圓木的需求。然而，事實上在長時間內很難保障木材原料的供應。

世界森林資源正在逐漸減少。根據聯合國糧農組織(FAQ)報告，在2000年到2005年間每年大約有730萬公頃(凈值)的林地消失[4]。與先前的五年相比，2006年森林覆蓋率的降低趨勢有所減緩，但在2007年再次增加。森林覆蓋率降低的主要原因是非洲和拉丁美洲對薪柴(firewood)需求的增加以及畜牧業的發展。頗具矛盾的是，在歐洲等森林工業發達的富庶地區，森林覆蓋率卻是一直增加的。在拉丁美洲，相比該洲的其它地區，關閉造紙廠的地區森林覆蓋率已經增加。

通過對當前和未來的原料供需平衡分析發現，明確原料供應的復雜狀況是非常重要的。未來全球纖維供需平衡的發展將會與區域生產潛力和林地供應問題緊密的纏繞在一起。林地供應會與政治和經濟決策緊密聯系，并受區域政策和生物能源行業發展的影響。

全球主要有五個纖維供應區域，無論是較大的供應變化，還是可能不連續或過量的纖維供應，都會對全球產生重大影響。這五個區域包括：

-北美：生產原生木漿，供給和需求再生纖維紙漿；

-拉丁美洲：發展速生闊葉木人工林，供給闊葉木商品漿；

-中國：非木材制漿，進口再生纖維紙漿，生產和進口原生木漿；

-俄羅斯：原生木漿生產，特別是針葉木漿；

-東南亞：發展和供給闊葉木商品漿。

下面概述了兩類主要工業森林的形勢：北方針葉木為主的森林和人工林。

1.1.1 北方森林

北方森林構成了較大的陸地生物群落，在加拿大、俄羅斯和北歐國家，有些森林覆蓋面積可達到10億公頃(圖1-2)。芬蘭、瑞典、加拿大和俄羅斯是眾所周知的森林工業國家。本章簡要介紹了這些國家的整體森林資源以及目前木材原料的消耗情況。

加拿大的森林面積占世界森林面積的6%，其木材產量占世界木材總產量的7%。加拿大是世界上第二大木材生產國，其產量僅次于美國[4]。

然而，加拿大西部的森林目前正受到山松甲蟲的侵襲，迄今為止還沒有出現任何緩和的跡象。根據不列顛哥倫比亞(BC)當局的近期官方消息，蟲害破壞的森林面積約為135萬公頃。超過5億m3的北方森林已被破壞，而且在蟲害結束之前預計每年有0.8億m3的森林被破壞。據官方估算，到2013年不列顛哥倫比亞省80%的可售成年松樹將會死亡 [5]。

作為結果，木材的產量將會增加，事實上在中短期內已經增加，但從長遠來看，需要修改森林年度采伐限額(ACC)以減少木材產量。這已經在加拿大東部的部分地區實施。美國的科羅拉多也有松甲蟲侵害森林的報道。因此，在蟲害被控制之前，未來加拿大和美國西部一些州的針葉木供應仍然存在不確定性。

圖1-2 北方森林面積 [1, 2] [211]

俄羅斯巨大的針葉木森林資源無疑成為該國制漿工業引人注目的原料基地。俄羅斯的森林覆蓋面積約為全球森林覆蓋面積的22%，幾乎是加拿大或美國森林覆蓋面積的三倍。然而，目前這些針葉木森林并沒有得到充分的利用，其年產量大約僅為1.8億m3，占世界總產量的5%，因此對于增加木材供應仍有相當大的潛力。到2015年，隨著國內需求和國外貿易的增加，特別是與中國貿易的增加，俄羅斯增加兩到三個針葉木漿廠才可能滿足市場的需求。

然而，要利用這些森林資源，需要在基礎設施和林地上進行相當大的投資。盡管每年有2-3億m3的纖維資源未被利用，但這些森林大部分遠離已有基礎設施的地區，或是由難以利用的落葉和針葉材種構成。最主要的投入是維護現有的基礎設施，并增加森林采伐限額。此外，長期凍土層的消融對于道路的維護和施工增加了許多額外的困難。

由于過去不合理的森林采伐和人類活動，俄羅斯森林已經遭到了破壞。成年、品質針葉材種的比例已經減少，而低品質材種的比例已經增加。

1.1.2 人工林

人工林主要是通過種植或播種引進/本土的材種而建立的森林。根據FAO報道，2005年全球人工林的總面積是1.4億公頃，略低于世界森林總面積的4%。防護人工林的覆蓋面積達到3000萬公頃[4, 6]。

速生人工林，如年均增長量等于或高于12 m3/公頃的人工林，其全球種植面積約有2400萬公頃，其中40%是種植在拉丁美洲3。松樹和桉樹是最主要的種植材種，幾乎占所有速生材種的80%。由于速生人工林的生長周期快、產量高，其在森林工業中起到的作用遠比在森林面積中所占的比例重要。

采用人工林來滿足人類對工業圓木的需求是一種必然趨勢。如前所述，在條件下大約8000萬公頃管理得當的商業人工林就能滿足全球對工業纖維的需求。在拉丁美洲、非洲和亞洲的熱帶和亞熱帶區域，人工林有好的種植潛力。

拉丁美洲擁有世界上較大的商業人工林種植面積。目前在拉丁美洲和加勒比海地區擁有約1300萬公頃的人工林，其中大多是工業人工林[6]。該區域內的大多數森林工業依賴商業人工林來滿足纖維素供應，目前拉丁美洲已成為短纖維紙漿的主要供應基地。巴西、智利和阿根廷是最主要的供應國家。芬歐匯川集團(UPM)在佛萊本托斯建立了年產量為100萬噸的制漿廠，使得烏拉圭也成為主要的供應國家之一。巴西的人工林種植面積大約占拉丁美洲人工林種植面積的一半，其主要種植品種為桉樹(占63%)，松樹大約占36%。該區域內幾乎所有的人工林都是私人擁有，而且收獲的圓木主要用于木炭和造紙工業。

智利的人工林種植面積大約占拉丁美洲人工林種植面積的20%。受智利的地理位置影響，該國的人工林主要以桉樹為主(占69%)，松樹大約占24%。該國絕大部分的人工林圓木被加工成木片并出口。

阿根廷的人工林種植面積占拉丁美洲人工林種植面積的10%以上。其中松樹占59%，桉樹占27%，其它材種占16%。與其它拉丁美洲國家的人工林主要用于制漿工業不同，阿根廷的大多數人工林用于生產鋸材。

烏拉圭的人工林種植面積大約占拉丁美洲人工林種植面積的5-7%，其中桉木占72%，松木占27%。烏拉圭所有的人工林均為私人擁有。

中國擁有世界上較大的人工林種植面積，大約為4300萬公頃，包括人工防護林和商業人工林。在遭受1988年的洪災之后，中國開始采取強有力的措施保護原始森林并增加森林覆蓋率。目前為止，中國的森林覆蓋率已由原來的10%-13%增加到18%，其目標是到21世紀中葉增加到26%。中國其余的一些地方由于山地過多或沙漠化嚴重限制了森林生長，或土壤過于肥沃更適合用于農業生產。大約20%的中國人工林可以考慮商用，而且目前這一比例正在增加。

中國的造紙工業一方面需要平衡木材、非木材和再生纖維原料，另一方面也要平衡國內的和進口的纖維制品。中國計劃在國內建立世界規模的制漿廠已經引起了廣泛的關注，盡管用于計劃中的新增產能對國內木材的供應和成本之間存在不確定性影響。在中國南方，闊葉木制漿廠的發展將在一定程度上加速中國人工林的發展，但是部分新增的制漿產能可能要依賴進口木材。

在中國，是否適合建立新的非木材制漿廠取決于替代原料的供應、與進口紙漿相比新的非木材制漿生產線的成本競爭力、除硅技術的發展、以及當地的環境因素。在意識到部分預期增長的紙漿產量可以采用非木材纖維原料來滿足后，近來中國開始大力發展建立中等規模的非木材制漿生產線。當進口的再生纖維開始影響到二次纖維的供應時，這會為中國造紙工業提供更多的選擇自由。

由于金融危機，19世紀90年代后期東南亞制漿工業停止了快速增長，大多數亞洲公司的財務實力嚴重受損 [7]。市場的復蘇也沒有將該區域的投資活力提升到金融危機前的水平，但是很多以前宣布的工程項目仍然保留在日程上，可能未來會再考慮。即使這是短暫的喘息時間，該區域的制漿工業也出現了快速的發展，以至于速生人工林提供的木材僅滿足了三分之一的工業木材需求。天然林地繼續保持平衡。近期在速生闊葉木人工林上的投資將會對未來東南亞制漿工業的發展產生重要影響。

以歐洲和北美為代表的傳統森林工業國家，人工林在森林工業中起到重要的作用，但是很少考慮將人工林用于制漿工業，而是用于更好的森林實踐活動中。大多新建的人工林是用于生物能源生產。

非洲是具有良好生物潛力的新增人工林種植區。目前很多非洲國家正在通過森林工業和生物能源工業對潛在的人工林種植區進行評估。

1.1.3 非木材資源

通過對氣候變化以及轉變到無二氧化碳排放生產(CO2 neutral production)的前景進行廣泛而公開的辯論，給當前尋找造紙纖維的可替代資源帶來了啟發。尋求可持續的原料資源和轉化技術有助于增加生物燃料和綠色化學品的產量[8-10]。為了尋找用于造紙的可替代原料資源，已經進行了一些廣泛的調查 [11-15]。木質纖維素資源，如能源作物形式的木質纖維素資源，期待在燃料和能源市場變得更有競爭力。

通常植物纖維具有廣泛多樣的用途。對于非木材纖維最重要的轉化技術是將纖維紡織成制作衣服、麻布和網子的織物。目前為止，最重要的紡織纖維作物是棉花。其它用于紡織生產并具有商業前景的纖維作物有亞麻、大麻、苧麻和黃麻(表1-1)。

根據用途不同，商業上重要的植物纖維可以分成以下幾類：紡織纖維(棉花和軟纖維，如苧麻、黃麻、以及大麻等)；用于制作繩索的繩索纖維(硬纖維如劍麻、椰殼纖維、蕉麻、大麻、灰葉劍麻等)；刷子和墊子纖維；填充和裝飾材料(椰殼纖維、木棉)；造紙纖維(秸稈和竹子)；枝編工藝材料(拉菲草、竹子、蘆葦)。它們的商業價值取決于它們的長度、細度、強度和硬度。纖維細胞嵌入到周圍組織中會強烈的影響萃取的難易程度，從而決定纖維的商業價值和質量特性 [16, 17]。

表1-1 一些工業植物纖維的植物學說明

常用名 拉丁學名 科 纖維類型 細胞類型

亞麻 Linum usitatissimum 亞麻科(雙子葉植物綱) 韌皮纖維 初生韌皮部

苧麻 Boehmeria nivea 蕁麻科(雙子葉植物綱) 韌皮纖維 初生和次生韌皮部

大麻 Cannabis sativa L 大麻科(雙子葉植物綱) 韌皮纖維 初生和次生韌皮部

黃麻 Corchorus capsularis 椴樹科(雙子葉植物綱) 韌皮纖維 初生和次生韌皮部

洋麻 Hibiscus cannabinus 錦葵科(雙子葉植物綱) 韌皮纖維 初生和次生韌皮部

劍麻 Agave sisalana 龍舌蘭科(單子葉植物綱) 葉纖維 與維管束關聯

馬尼拉麻 Musa textiles 芭蕉科(單子葉植物綱) 莖纖維 與維管束關聯

椰子 Cocos nucifera 棕櫚科(單子葉植物綱) 果殼纖維 中果皮層

棕櫚葉纖維 Raphia Vinifera 棕櫚科(單子葉植物綱) 葉纖維 與葉基組織關聯的復雜混合物(拉菲草和纖維櫚)

棉花 Gossipium hirsutum G.barbadense 錦葵科(雙子葉植物綱) 種子纖維 毛狀物-表皮凸起(種子)

木棉 Ceiba pentandra 木棉科(雙子葉植物綱) 果實纖維 毛狀物-表皮凸起(種莢)

很多其它作物在當地用來制作繩索，用于捆綁東西、織網和編席(表1-2)。較粗糙的纖維可能用于制作刷子和編織品(席子)，或用來蓋屋頂。通常這些作物沒有很高的經濟價值，也不會進行更多的處理或加工來作為商品出售。

原則上紙張可以由任何植物纖維原料制作，包括很多一年生植物以及農作物或農業廢棄物，如棉花(棉籽絨)、大麻和亞麻、谷物秸稈、竹子、或蔗渣。大多數非木材纖維制漿出現在亞洲國家(中國、印度、伊朗和巴基斯坦)，這些國家木材資源缺乏，而且對紙制品需求量高。

用于造紙的非木材原料可以分成明顯的兩類 [18]。一類是為了生產特種紙產品專門種植的作物，具有很高的市場價值。如由蕉麻、大麻、亞麻和棉花的長纖維生產的紙漿來制作具有高強度的紙制品(保密紙、鈔票紙)和卷煙紙。另一類是農業糧食生產中產生的廢棄物。谷物秸稈(主要是小麥和水稻秸稈)和蔗渣是最重要的、目前仍在使用的此類原料[19]。

在過去的幾十年，竹子在傳統的造紙和箱板紙生產中基本上已經被淘汰，主要是由于對環境的影響以及產量規模相對較小。由于森林產品的短缺情況日益嚴峻以及木材價格的上漲，竹子和其它非木材原料在生產紙漿和高附加值產品上有很大的潛力，如用于溶解漿生產的再生紡織纖維或纖維素衍生物。

表1-2 全球一些不同用途的非木材纖維植物示例 [20-22]

種類 拉丁學名 所用部分 應用領域

黑麥 Secale cereale 莖 紙張

燕麥 Avena stativa 莖

大麥 Hordeum vulgare 莖

小麥 Triticum aestivum 莖

西班牙草 Stipa tenacissma 莖 紙張

茅草 Lygeum spartum 莖 繩索、紙張

沙拜 Eulaliopsis binate 莖 刷子

甘蔗 Saccharum officianarum 莖 紙張、刨花板

竹子 Phyllostachys heterocycla 莖 紙張、紡織、編織物

蘆葦 Phragmites arundinaceae 莖 蓋屋頂、編織物

蘆竹 Arundo donax 莖 編織物

象草 Miscanthus sinensis 莖 蓋屋頂

草蘆 Phalaris arundinaceae 莖 紙張

莎草 Cyperus elatus

Cyperus malaccensis