108 年 國立宜蘭大學森林暨自然資源學系碩士班《森林經營與利用》

森林經營的最終目的在於達成永續性的森林生產力與多樣化的生態、經濟、社會功能。具體而言，其目的可以從以下幾個面向來闡述：

1. 生產永續性木材及林產品: 這是森林經營最傳統也最核心的目標之一。透過合理的伐採、更新與撫育，確保森林能夠持續不斷地提供木材、紙漿、薪炭等資源，以滿足人類社會對建築、家具、能源等基本需求。同時，也包含非木質林產品如菇蕈、藥材、芳香植物等的可持續生產。
2. 維護與提升森林生態系功能: 森林不僅是木材的來源，更是重要的生態系。森林經營的目的是要維持森林的生物多樣性，保護瀕危物種及其棲地；調節水土，涵養水源，防止土壤侵蝕與洪水；淨化空氣，吸收二氧化碳，減緩氣候變遷；並提供野生動物棲息與遷徙的廊道。
3. 創造社會與文化價值: 森林具有豐富的社會與文化意涵。森林經營旨在提供休憩遊憩的空間，提升國民生活品質；保存森林文化景觀，傳承歷史記憶；並透過生態旅遊、森林教育等方式，增進公眾對森林的認識與情感連結。

森林經營的三大指導原則，通常是指：永續性 (Sustainability)、多目標性 (Multi-objective) 與 生態適應性 (Ecological Adaptation)。以下分別詳述之：

1. 永續性 (Sustainability)：

   • 核心概念: 這是森林經營最根本的原則，強調經營活動必須在不損害森林未來生產力、生態功能與社會價值的前提下進行。換言之，要滿足當代的需求，同時不犧牲後代子孫滿足其需求的能力。
   • 具體實踐:
     • 資源永續: 確保森林的生長量至少等於或大於伐採量，維持森林覆蓋率與總蓄積量。
     • 生態永續: 維護森林的生物多樣性、棲地品質、生態連結性，確保生態系統的健康與韌性。
     • 經濟永續: 確保經營活動能夠產生穩定的經濟收益，支持長期的經營投入，避免過度開發導致資源枯竭。
     • 社會永續: 尊重當地社區權益，提供社會大眾可接受的森林產品與服務，促進社會福祉。
   • 重要性: 永續性是森林經營長期有效性的基石，也是全球森林管理的重要共識。

2. 多目標性 (Multi-objective)：

   • 核心概念: 傳統森林經營多以木材生產為單一目標，但現代森林經營必須兼顧多樣化的需求與價值。森林的價值不僅體現在經濟層面，更包含生態、社會、文化、遊憩等多個面向。
   • 具體實踐: 經營計畫需要整合並權衡各種不同的目標，例如：
     • 經濟目標: 木材生產、非木質林產品採集、森林遊樂區開發。
     • 生態目標: 生物多樣性保育、水土保持、水源涵養、碳匯功能。

輪伐期（Rotation Period）是指從一次採伐更新後，到下一次進行採伐更新之間所經過的時期。這個時期是影響森林生產力、林木品質、生態功能以及經濟效益的關鍵因素。輪伐期的種類主要可以根據其訂定依據來劃分。

輪伐期之種類

1. 經濟輪伐期 (Economic Rotation)：

   • 定義: 以最大化森林經濟效益為目標所訂定的輪伐期。通常是指在該時期內，單位面積、單位時間的平均收益達到最大值。
   • 計算基礎: 考量到木材的生長速率、市場價格、經營成本（如撫育、採伐、運輸費用）、利率（資金的時間價值）等因素。
   • 概念: 旨在尋找一個「最佳」的採伐時機，使總價值（包括生長價值和現值）最大化。當木材的生長價值（即單位時間內增加的價值）等於或低於利息成本時，即為經濟輪伐期的終點。

2. 生物輪伐期 (Biological Rotation)：

   • 定義: 以最大化森林的生物生長量或生物生產力為目標所訂定的輪伐期。通常是指在該時期內，單位面積的總生長量（蓄積量）達到最大值，或年平均生長量達到最大值。
   • 計算基礎: 主要依據森林或單一樹種的生長曲線（蓄積量與年齡的關係圖）。
   • 概念: 關注森林的物理生產能力，旨在讓樹木生長到體積或材積最大的階段。

3. 技術輪伐期 (Technical Rotation)：

   • 定義: 以獲得特定尺寸、品質或用途的木材為目標所訂定的輪伐期。這個輪伐期是基於木材的物理性質、機械性質、加工需求以及市場上對特定規格木材的需求來決定的。
   • 計算基礎: 考量樹木的徑級、樹高、材積、材性（如強度、耐久性、紋理）、枝下高、木材紋理、有無缺陷等。
   • 概念: 旨在生產出最適合特定用途（如建築用材、家具用材、紙漿用材）的木材。例如，需要生產大徑級的優質家具材，則輪伐期必須足夠長。

木材的物理性質是評估其用途與加工性能的關鍵指標。以下是題幹所問三個重要物理性質的定義：

1. 木材容積密度數 (Volume Density) 或 基本密度 (Basic Density)：

   • 定義: 木材的密度通常是指其單位體積所含的木質（固體成分）的質量。在定義密度時，體積的測量基準很重要。
   • 容積密度數 (Volume Density)：通常是指木材在「絕乾狀態」下，其「含水率為某特定值（常為 12% 或 15%）時的體積」所對應的密度。此處的體積是考慮了木材內部的孔隙（細胞腔和細胞間隙）。
   • 基本密度 (Basic Density)：這是指木材在「絕乾狀態」下，其「飽水狀態（或稱綠材狀態，即含水率高於纖維飽和點）下的體積」所對應的密度。
     • 公式表達:
       $\rho_b = \frac{M_0}{V_w}$
       其中：
       $\rho_b$ = 基本密度 (Basic Density)
       $M_0$ = 木材絕乾質量 (Oven-dry mass)
       $V_w$ = 木材飽水狀態下的體積 (Volume at saturated condition)
   • 重要性: 基本密度被認為是更能反映木材固體成分比例的指標，因為在飽水狀態下，木材的體積最大，孔隙被水填滿，減少了測量上的變異性。它與木材的強度、硬度、收縮性等特性高度相關。

2. 木材乾量基準含水率 (Oven-dry Basis Moisture Content)：

   • 定義: 木材的含水率是指木材中水分的含量。乾量基準含水率是將木材中的水分重量，相對於木材「絕乾重量」的比例來表示。
   • 公式表達:
     $M = \frac{M_w - M_0}{M_0} \times 100\%$
     其中：
     $M$ = 乾量基準含水率 (Moisture Content on oven-dry basis)

原木製材是將原木加工成不同尺寸、形狀的木材產品的過程。其中，徑面板材 (Quarter-sawn lumber) 與弦面板材 (Plain-sawn lumber) 是兩種主要的鋸切方式，它們決定了木材紋理的外觀、尺寸穩定性以及使用上的特性。

一、徑面板材與弦面板材之製材方法

1. 弦面板材 (Plain-sawn lumber) / 平面鋸材 (Flat-sawn lumber)：

   • 製材方法: 這是最常見、最經濟的鋸切方式。原木被放置在鋸台上，鋸切方向大致垂直於木材的年輪。每次鋸切時，原木或木塊相對於鋸片的角度是變動的，通常是沿著原木的徑向進行多刀連續鋸切。
   • 特徵:
     • 紋理: 在板材的寬面上呈現出彎曲、波浪狀、或近似橢圓形的年輪紋理。
     • 生產效率: 鋸切速度快，損耗少，單位時間內可生產較多板材，因此成本較低。
     • 尺寸穩定性: 弦向收縮較大，容易發生翹曲、變形，尤其是在含水率變化較大的環境中。
     • 木材利用: 適合用於一般建築、包裝材、紙漿等。

2. 徑面板材 (Quarter-sawn lumber) / 徑向鋸材 (Quarter-cut lumber)：

   • 製材方法: 這種方法的關鍵在於將原木先沿徑向（通過髓心，與年輪大致垂直的方向）切割成四分之一扇形塊，然後再將這些扇形塊以年輪面近似垂直於鋸片的方式進行鋸切。簡單來說，就是讓鋸切面與年輪線大致成 90 度角。
   • 常見的鋸切方式:
     • 四分之一法 (Quartering Method)：原木先沿通過髓心的徑向切成四塊，每塊再分別鋸切。
     • 平行四分之一法 (Rift-sawn Method)：將原木切成四塊後，再將每塊的外側部分去掉，只取內側部分（年輪與鋸切面夾角大於 45 度）進行鋸切。
     • 半徑法 (Shatter-proof Method)：類似於平行四分之一法，但夾角要求更嚴格。
   • 特徵:
     • 紋理: 在板材的寬面上，年輪紋理呈現出直線狀、平行狀，與板面大致呈 90 度角。
     • 尺寸穩定性: 徑向收縮較小，因此尺寸穩定性高，不易翹曲、變形，不易開裂。
     • 木材特性: 由於年輪緊密排列，木材強度、硬度相對較高，表面耐磨性好，且不易受潮濕影響而變形。
     • 生產效率: 鋸切過程較為複雜，耗時長，損耗較大，因此成本較高。
     • 木材利用: 適合用於高品質的家具、地板、門窗、樂器、裝飾貼面等對尺寸穩定性和美觀要求較高的場合。

二、木材製材品目視分等之判別依據

木材製材品的目視分等（Visual Grading）是根據板材的表面缺陷（如節子、裂隙、彎曲、斜紋、蟲孔、變色等）的種類、大小、數量及其對材積的影響程度，來判定木材的等級。其目的在於將木材按照其適用性與價值進行分類，以便於市場交易和應用。判別依據通常涵蓋以下幾個方面：

木材的機械強度是指其抵抗外力作用而不產生永久變形或破壞的能力。多種因素會影響木材的機械強度，其中節、含水率、溫度和木理傾斜角是幾個最關鍵的變量。

1. 節 (Knots)：

   • 影響: 節子是木材中最常見的缺陷，對木材的機械強度有顯著的降低作用。
   • 機制: 節子是樹枝與樹幹交接處的木材，其木質纖維方向與周圍樹幹木材的纖維方向通常是垂直或斜交的。這種纖維方向的急劇變化，相當於在木材內部引入了應力集中點和弱點。當木材受力時，應力容易在節子周圍聚集，導致應力集中，降低了木材的抗彎強度、抗拉強度和抗壓強度。
   • 嚴重程度: 節子的尺寸越大、數量越多、位置越靠近受力區域，對強度的影響就越顯著。活節的影響通常小於死節，因為活節與周圍木材癒合較好。

2. 含水率 (Moisture Content, MC)：

   • 影響: 含水率對木材的機械強度有顯著影響，尤其是在含水率低於纖維飽和點 (FSP, 約 25-30%) 時。
   • 機制:
     • 高含水率 (> FSP): 在飽水狀態下，木材內部細胞腔充滿水分。水分的存在對木材的強度影響不大，因為細胞壁的纖維結構仍然是主要的承載部分。
     • 低含水率 (< FSP): 當木材乾燥，細胞腔內的水分減少，並開始從細胞壁排出時，木材的強度會顯著增加。這是因為水分的存在會削弱細胞壁內部的分子間作用力（如氫鍵），並導致細胞壁膨脹。水分的減少使得細胞壁結構更加緊密，分子間作用力增強，從而提高了木材的強度和硬度。
   • 結論: 木材在乾燥狀態下（低含水率）比在潮濕狀態下（高含水率）要強得多。例如，將含水率從 20% 降至 10%，木材的抗彎強度可能增加 20-30% 或更多。

3. 溫度 (Temperature)：

   • 影響: 溫度對木材機械強度的影響取決於溫度的高低和木材的含水率。
   • 機制:
     • 常溫範圍 (低於 100°C):
       • 低溫: 在較低的溫度下（如冰點以下），木材中的水分結冰，可能導致木材變脆，強度略有下降。