第1章 原 料

1.1 木材和非木材纤维资源

植物纤维是所有高等植物中最主要的结构要素。植物纤维由纤维素微纤丝构成，通常这些微纤丝内嵌于非纤维素多糖(半纤维素和果胶)和木素基质中。纤维素是自然界中最丰富的生物聚合物，存在于绿色植物和某些藻类的细胞壁中。微生物纤维素是由不同种类的细菌产生和分泌的(如醋酸杆菌、根瘤菌、假单胞菌等)。木材和棉花主要用于生产商用纤维素产品和纸浆。全球仅有约7%的原生纤维素浆是由非木材原料生产的(秸秆占46%，蔗渣占14%，以及竹子占6%)[1, 2]。中国是世界上较大的非木材纸浆生产国，而在欧洲、美国和加拿大，造纸工业几乎全部采用木浆生产。受全球森林资源减少和木材短缺的影响，寻求可持续的发展方案成为必然。

用于工业用途的圆木大约仅占全球圆木产量的二分之一。2006年，全球木材的产量为35.4亿m3，其中大约18.7亿m3为薪柴(fuelwood)消耗，剩下的16.7亿m3为工业木材消耗 [3]。图1-1为全球圆木的产量和消耗量。

图1-1 2006年世界圆木产量[3]

2006年，全球造纸工业共消耗工业圆木5.2亿m3。此外，锯材工业中大约产生了2.5亿m3圆木当量(RWE)的木屑残渣。另有7.5亿m3的回用废纸用作纸和纸板的生产原料。

在化学浆工业中，根据圆木材种和制浆工艺的不同，生产一吨纸浆要消耗3.7-5.6 m3的圆木。

在规划投资新的制浆厂时，最重要的问题就是的原料供应。即使在最有利的条件下种植良的速生材种，也需要7500-8000万公顷的森林面积或4倍于芬兰现在的森林面积才能满足全球对工业圆木的需求。然而，事实上在长时间内很难保障木材原料的供应。

世界森林资源正在逐渐减少。根据联合国粮农组织(FAQ)报告，在2000年到2005年间每年大约有730万公顷(净值)的林地消失[4]。与先前的五年相比，2006年森林覆盖率的降低趋势有所减缓，但在2007年再次增加。森林覆盖率降低的主要原因是非洲和拉丁美洲对薪柴(firewood)需求的增加以及畜牧业的发展。颇具矛盾的是，在欧洲等森林工业发达的富庶地区，森林覆盖率却是一直增加的。在拉丁美洲，相比该洲的其它地区，关闭造纸厂的地区森林覆盖率已经增加。

通过对当前和未来的原料供需平衡分析发现，明确原料供应的复杂状况是非常重要的。未来全球纤维供需平衡的发展将会与区域生产潜力和林地供应问题紧密的缠绕在一起。林地供应会与政治和经济决策紧密联系，并受区域政策和生物能源行业发展的影响。

全球主要有五个纤维供应区域，无论是较大的供应变化，还是可能不连续或过量的纤维供应，都会对全球产生重大影响。这五个区域包括：

-北美：生产原生木浆，供给和需求再生纤维纸浆；

-拉丁美洲：发展速生阔叶木人工林，供给阔叶木商品浆；

-中国：非木材制浆，进口再生纤维纸浆，生产和进口原生木浆；

-俄罗斯：原生木浆生产，特别是针叶木浆；

-东南亚：发展和供给阔叶木商品浆。

下面概述了两类主要工业森林的形势：北方针叶木为主的森林和人工林。

1.1.1 北方森林

北方森林构成了较大的陆地生物群落，在加拿大、俄罗斯和北欧国家，有些森林覆盖面积可达到10亿公顷(图1-2)。芬兰、瑞典、加拿大和俄罗斯是众所周知的森林工业国家。本章简要介绍了这些国家的整体森林资源以及目前木材原料的消耗情况。

加拿大的森林面积占世界森林面积的6%，其木材产量占世界木材总产量的7%。加拿大是世界上第二大木材生产国，其产量仅次于美国[4]。

然而，加拿大西部的森林目前正受到山松甲虫的侵袭，迄今为止还没有出现任何缓和的迹象。根据不列颠哥伦比亚(BC)当局的近期官方消息，虫害破坏的森林面积约为135万公顷。超过5亿m3的北方森林已被破坏，而且在虫害结束之前预计每年有0.8亿m3的森林被破坏。据官方估算，到2013年不列颠哥伦比亚省80%的可售成年松树将会死亡 [5]。

作为结果，木材的产量将会增加，事实上在中短期内已经增加，但从长远来看，需要修改森林年度采伐限额(ACC)以减少木材产量。这已经在加拿大东部的部分地区实施。美国的科罗拉多也有松甲虫侵害森林的报道。因此，在虫害被控制之前，未来加拿大和美国西部一些州的针叶木供应仍然存在不确定性。

图1-2 北方森林面积 [1, 2] [211]

俄罗斯巨大的针叶木森林资源无疑成为该国制浆工业引人注目的原料基地。俄罗斯的森林覆盖面积约为全球森林覆盖面积的22%，几乎是加拿大或美国森林覆盖面积的三倍。然而，目前这些针叶木森林并没有得到充分的利用，其年产量大约仅为1.8亿m3，占世界总产量的5%，因此对于增加木材供应仍有相当大的潜力。到2015年，随着国内需求和国外贸易的增加，特别是与中国贸易的增加，俄罗斯增加两到三个针叶木浆厂才可能满足市场的需求。

然而，要利用这些森林资源，需要在基础设施和林地上进行相当大的投资。尽管每年有2-3亿m3的纤维资源未被利用，但这些森林大部分远离已有基础设施的地区，或是由难以利用的落叶和针叶材种构成。最主要的投入是维护现有的基础设施，并增加森林采伐限额。此外，长期冻土层的消融对于道路的维护和施工增加了许多额外的困难。

由于过去不合理的森林采伐和人类活动，俄罗斯森林已经遭到了破坏。成年、品质针叶材种的比例已经减少，而低品质材种的比例已经增加。

1.1.2 人工林

人工林主要是通过种植或播种引进/本土的材种而建立的森林。根据FAO报道，2005年全球人工林的总面积是1.4亿公顷，略低于世界森林总面积的4%。防护人工林的覆盖面积达到3000万公顷[4, 6]。

速生人工林，如年均增长量等于或高于12 m3/公顷的人工林，其全球种植面积约有2400万公顷，其中40%是种植在拉丁美洲3。松树和桉树是最主要的种植材种，几乎占所有速生材种的80%。由于速生人工林的生长周期快、产量高，其在森林工业中起到的作用远比在森林面积中所占的比例重要。

采用人工林来满足人类对工业圆木的需求是一种必然趋势。如前所述，在条件下大约8000万公顷管理得当的商业人工林就能满足全球对工业纤维的需求。在拉丁美洲、非洲和亚洲的热带和亚热带区域，人工林有好的种植潜力。

拉丁美洲拥有世界上较大的商业人工林种植面积。目前在拉丁美洲和加勒比海地区拥有约1300万公顷的人工林，其中大多是工业人工林[6]。该区域内的大多数森林工业依赖商业人工林来满足纤维素供应，目前拉丁美洲已成为短纤维纸浆的主要供应基地。巴西、智利和阿根廷是最主要的供应国家。芬欧汇川集团(UPM)在佛莱本托斯建立了年产量为100万吨的制浆厂，使得乌拉圭也成为主要的供应国家之一。巴西的人工林种植面积大约占拉丁美洲人工林种植面积的一半，其主要种植品种为桉树(占63%)，松树大约占36%。该区域内几乎所有的人工林都是私人拥有，而且收获的圆木主要用于木炭和造纸工业。

智利的人工林种植面积大约占拉丁美洲人工林种植面积的20%。受智利的地理位置影响，该国的人工林主要以桉树为主(占69%)，松树大约占24%。该国绝大部分的人工林圆木被加工成木片并出口。

阿根廷的人工林种植面积占拉丁美洲人工林种植面积的10%以上。其中松树占59%，桉树占27%，其它材种占16%。与其它拉丁美洲国家的人工林主要用于制浆工业不同，阿根廷的大多数人工林用于生产锯材。

乌拉圭的人工林种植面积大约占拉丁美洲人工林种植面积的5-7%，其中桉木占72%，松木占27%。乌拉圭所有的人工林均为私人拥有。

中国拥有世界上较大的人工林种植面积，大约为4300万公顷，包括人工防护林和商业人工林。在遭受1988年的洪灾之后，中国开始采取强有力的措施保护原始森林并增加森林覆盖率。目前为止，中国的森林覆盖率已由原来的10%-13%增加到18%，其目标是到21世纪中叶增加到26%。中国其余的一些地方由于山地过多或沙漠化严重限制了森林生长，或土壤过于肥沃更适合用于农业生产。大约20%的中国人工林可以考虑商用，而且目前这一比例正在增加。

中国的造纸工业一方面需要平衡木材、非木材和再生纤维原料，另一方面也要平衡国内的和进口的纤维制品。中国计划在国内建立世界规模的制浆厂已经引起了广泛的关注，尽管用于计划中的新增产能对国内木材的供应和成本之间存在不确定性影响。在中国南方，阔叶木制浆厂的发展将在一定程度上加速中国人工林的发展，但是部分新增的制浆产能可能要依赖进口木材。

在中国，是否适合建立新的非木材制浆厂取决于替代原料的供应、与进口纸浆相比新的非木材制浆生产线的成本竞争力、除硅技术的发展、以及当地的环境因素。在意识到部分预期增长的纸浆产量可以采用非木材纤维原料来满足后，近来中国开始大力发展建立中等规模的非木材制浆生产线。当进口的再生纤维开始影响到二次纤维的供应时，这会为中国造纸工业提供更多的选择自由。

由于金融危机，19世纪90年代后期东南亚制浆工业停止了快速增长，大多数亚洲公司的财务实力严重受损 [7]。市场的复苏也没有将该区域的投资活力提升到金融危机前的水平，但是很多以前宣布的工程项目仍然保留在日程上，可能未来会再考虑。即使这是短暂的喘息时间，该区域的制浆工业也出现了快速的发展，以至于速生人工林提供的木材仅满足了三分之一的工业木材需求。天然林地继续保持平衡。近期在速生阔叶木人工林上的投资将会对未来东南亚制浆工业的发展产生重要影响。

以欧洲和北美为代表的传统森林工业国家，人工林在森林工业中起到重要的作用，但是很少考虑将人工林用于制浆工业，而是用于更好的森林实践活动中。大多新建的人工林是用于生物能源生产。

非洲是具有良好生物潜力的新增人工林种植区。目前很多非洲国家正在通过森林工业和生物能源工业对潜在的人工林种植区进行评估。

1.1.3 非木材资源

通过对气候变化以及转变到无二氧化碳排放生产(CO2 neutral production)的前景进行广泛而公开的辩论，给当前寻找造纸纤维的可替代资源带来了启发。寻求可持续的原料资源和转化技术有助于增加生物燃料和绿色化学品的产量[8-10]。为了寻找用于造纸的可替代原料资源，已经进行了一些广泛的调查 [11-15]。木质纤维素资源，如能源作物形式的木质纤维素资源，期待在燃料和能源市场变得更有竞争力。

通常植物纤维具有广泛多样的用途。对于非木材纤维最重要的转化技术是将纤维纺织成制作衣服、麻布和网子的织物。目前为止，最重要的纺织纤维作物是棉花。其它用于纺织生产并具有商业前景的纤维作物有亚麻、大麻、苎麻和黄麻(表1-1)。

根据用途不同，商业上重要的植物纤维可以分成以下几类：纺织纤维(棉花和软纤维，如苎麻、黄麻、以及大麻等)；用于制作绳索的绳索纤维(硬纤维如剑麻、椰壳纤维、蕉麻、大麻、灰叶剑麻等)；刷子和垫子纤维；填充和装饰材料(椰壳纤维、木棉)；造纸纤维(秸秆和竹子)；枝编工艺材料(拉菲草、竹子、芦苇)。它们的商业价值取决于它们的长度、细度、强度和硬度。纤维细胞嵌入到周围组织中会强烈的影响萃取的难易程度，从而决定纤维的商业价值和质量特性 [16, 17]。

表1-1 一些工业植物纤维的植物学说明

常用名 拉丁学名 科 纤维类型 细胞类型

亚麻 Linum usitatissimum 亚麻科(双子叶植物纲) 韧皮纤维 初生韧皮部

苎麻 Boehmeria nivea 荨麻科(双子叶植物纲) 韧皮纤维 初生和次生韧皮部

大麻 Cannabis sativa L 大麻科(双子叶植物纲) 韧皮纤维 初生和次生韧皮部

黄麻 Corchorus capsularis 椴树科(双子叶植物纲) 韧皮纤维 初生和次生韧皮部

洋麻 Hibiscus cannabinus 锦葵科(双子叶植物纲) 韧皮纤维 初生和次生韧皮部

剑麻 Agave sisalana 龙舌兰科(单子叶植物纲) 叶纤维 与维管束关联

马尼拉麻 Musa textiles 芭蕉科(单子叶植物纲) 茎纤维 与维管束关联

椰子 Cocos nucifera 棕榈科(单子叶植物纲) 果壳纤维 中果皮层

棕榈叶纤维 Raphia Vinifera 棕榈科(单子叶植物纲) 叶纤维 与叶基组织关联的复杂混合物(拉菲草和纤维榈)

棉花 Gossipium hirsutum G.barbadense 锦葵科(双子叶植物纲) 种子纤维 毛状物-表皮凸起(种子)

木棉 Ceiba pentandra 木棉科(双子叶植物纲) 果实纤维 毛状物-表皮凸起(种荚)

很多其它作物在当地用来制作绳索，用于捆绑东西、织网和编席(表1-2)。较粗糙的纤维可能用于制作刷子和编织品(席子)，或用来盖屋顶。通常这些作物没有很高的经济价值，也不会进行更多的处理或加工来作为商品出售。

原则上纸张可以由任何植物纤维原料制作，包括很多一年生植物以及农作物或农业废弃物，如棉花(棉籽绒)、大麻和亚麻、谷物秸秆、竹子、或蔗渣。大多数非木材纤维制浆出现在亚洲国家(中国、印度、伊朗和巴基斯坦)，这些国家木材资源缺乏，而且对纸制品需求量高。

用于造纸的非木材原料可以分成明显的两类 [18]。一类是为了生产特种纸产品专门种植的作物，具有很高的市场价值。如由蕉麻、大麻、亚麻和棉花的长纤维生产的纸浆来制作具有高强度的纸制品(保密纸、钞票纸)和卷烟纸。另一类是农业粮食生产中产生的废弃物。谷物秸秆(主要是小麦和水稻秸秆)和蔗渣是最重要的、目前仍在使用的此类原料[19]。

在过去的几十年，竹子在传统的造纸和箱板纸生产中基本上已经被淘汰，主要是由于对环境的影响以及产量规模相对较小。由于森林产品的短缺情况日益严峻以及木材价格的上涨，竹子和其它非木材原料在生产纸浆和高附加值产品上有很大的潜力，如用于溶解浆生产的再生纺织纤维或纤维素衍生物。

表1-2 全球一些不同用途的非木材纤维植物示例 [20-22]

种类 拉丁学名 所用部分 应用领域

黑麦 Secale cereale 茎 纸张

燕麦 Avena stativa 茎

大麦 Hordeum vulgare 茎

小麦 Triticum aestivum 茎

西班牙草 Stipa tenacissma 茎 纸张

茅草 Lygeum spartum 茎 绳索、纸张

沙拜 Eulaliopsis binate 茎 刷子

甘蔗 Saccharum officianarum 茎 纸张、刨花板

竹子 Phyllostachys heterocycla 茎 纸张、纺织、编织物

芦苇 Phragmites arundinaceae 茎 盖屋顶、编织物

芦竹 Arundo donax 茎 编织物

象草 Miscanthus sinensis 茎 盖屋顶

草芦 Phalaris arundinaceae 茎 纸张

莎草 Cyperus elatus

Cyperus malaccensis