種竹子代替砍樹:永續的土地恢復方案


領域:產業資訊 / 日期:2018-07-10

作者:台灣竹會 林雋雅

2016年全球人口74億、GDP 76兆美元,據聯合國糧食及農業組織(FAO)估計,2030年全球人口將成長達到82億、GDP達到100兆美元。隨著人口成長、經濟發展以及環保材料的推廣使用,木材需求量將日益增加。然而,目前全球人工林可供應的木材不足需求量的30%,因此溫帶森林、熱帶森林仍持續面臨砍伐壓力。在供不應求的市場中,必須尋找非樹木、無砍伐森林的纖維替代來源;同時,對於已遭砍伐或干擾退化的土地,亦需要經濟上可行的土地恢復方案。

一、竹材作為木材替代方案

竹林生長快速,能更新循環,永續經營,且竹材、竹纖維可用於製造大多數以木材、木纖維為原料的產品。竹產品為全球最重要的非木質林產品之一,竹材生產被視為極有潛力的木材替代方案。而竹材作為木材替代品的應用方式可大致分類如下:

1. 日用

竹製家具如桌椅、櫥櫃、床架。生活用品如竹製容器、廚具、枕頭、抱枕、扇子、童玩。生產用具如農用斗笠、棚架,漁獵用竹弓箭、陷阱、蝦籠、魚簍。交通工具如轎子、竹筏。

2. 紙漿

竹子有長纖維,可代替木材作為紙漿原料,所生產的竹紙品質與木漿紙相當。

3. 建築

在亞洲、非洲和南美洲,竹子是許多國家的主要建築材料之一,竹材具備堅韌、輕量、彈性等特質,可運用在房屋各部份,如柱子、屋頂、牆壁、地板、橫樑和桁架。進一步將竹子製成複合板材,則可有效消除竹桿不均質、桿件個體差異等因素造成材料品質不一的問題。竹複合板材具有良好的剛性、耐久性,能廣泛應用在現代建築中,從結構材料到地板、屋頂、隔板、門窗等。

4. 竹炭

傳統生活裡竹子作為燃料,是木炭或煤的替代品。現代運用高溫炭化技術燒製成竹炭,質地密緻多孔、比表面積大,具有吸附、調濕及蓄熱保溫等機能,發展出許多用途。例如除臭、清潔飲用水、烹飪、沐浴、改善土壤、調節室內濕度、保持蔬果和鮮花的新鮮度、導電等。(Chaowana 2013)


圖四、臺中烏日華德福大地實驗教育機構校舍(大藏聯合建築師事務所)

由竹材的應用可見,竹材有與木材相似的特性(例如長纖維、非均質、非等向性),同時也有不同於木材的性質(例如竹桿中空、有竹節、輕量、富彈性、高澱粉含量),這些特性讓竹材不僅可作為木材替代品,更能發展出多元的應用,然也因為部分性質的差異,導致人們無法直接用木材加工技術來進行竹材加工,而需要技術的研發改良。

二、竹材特性

了解竹材有哪些不同於木材的性質,有助於確立技術研發目標。巨觀而言,竹桿中空、有節,管壁的纖維成整齊垂直排列,水平向收束則完全由竹節提供。竹節的密度比節間大,技術面而言,可能磨損加工設備、造成膠合不易等。整枝竹桿呈現不均質狀態,不均質可從竹桿直徑、竹壁厚度、節間長度來描述,竹桿直徑大致隨著高度遞減,在竹頭端(約離地高度1/3以下)的直徑變化較小;竹壁厚度隨著高度快速變薄,但在尾端(約離地高度2/3以上)的變化較小;隨著節數(接近地面為第一節)增加,節間長度先增後減,意即中段的節間較長,兩端節間較短(節較密)。材料密度方面,竹材密度介於0.4~0.9g/cm3,整體而言大於硬木,但竹桿密度是不均質的,密度由竹桿內部向外部、由竹頭向末梢增加,竹節密度較高、節間密度較低。因此,竹複合材料的密度也相對不均勻(與木複合材料相較之下)。尺寸穩定性方面,竹子的尺寸穩定性比木材更好,是作為複合材料原料的有利條件,然而就像木材一樣,竹子在不同方向的尺寸收縮度不同。收縮和密度有關係,密度高收縮度低,切向收縮大約是徑向收縮的一半,縱向收縮則相對很小。

圖五、四種竹種高度的巨觀特徵變化(a)節間長度(b)直徑(c)竹桿壁厚度
(資料來源:Bamboo: An Alternative Raw Material for Wood and Wood-Based Composites(Chaowana, 2013))

微觀來說,竹桿由薄壁組織、導管、纖維組成,觀察竹桿橫剖面可以發現薄壁組織和導管在竹桿內側分布較多,竹桿外側則有較多的纖維。垂直面而言,竹頭部分薄壁組織較多,越往高處纖維比例越高。竹纖維的長度約2-4毫米,與軟木相當,所以被視為紙漿原料的替代品。竹桿內外覆蓋有特殊的保護層,外側表皮細胞上有蠟質層,具疏水性,因此不利於黏著劑的塗佈;內側則有厚壁細胞層,同樣不利黏著。製作複合板材的過程中,黏著劑是否容易附著與竹材表面的潤濕性(wettability)、pH值、緩衝能力有關。潤濕性(wettability)可用接觸角(Contact angle)來度量,接觸角是液體界面接觸固體表面而形成的夾角,接觸角大潤濕性差。竹桿外壁潤濕性較差,竹桿內壁潤濕性較好。竹桿接近竹頭端的潤濕性較好,越往末端潤濕性越差。由於潤濕性差異,適用於木料膠合的黏著劑無法直接適用於竹材膠合,而需調整配方,例如使用表面張力較低的黏著劑、或增加其他幫助親合的成分。此外,竹材pH值偏酸,與多數木材相似,然其緩衝能力強,因此在需要改變pH值讓樹脂固化的方法中,竹材需要使用大量的酸催化劑。

就組成成分而言,竹材主要由纖維素、半纖維素、木質素構成,佔總質量90%以上。微量成分有樹脂、丹寧、蠟和無機鹽。竹子的化學成分與硬木相似,但含有較多由二氧化矽、鈣、鉀等無機礦物組成的灰分,會對加工機械產生不利影響。竹子含有澱粉、醣類、脂肪和蛋白質。澱粉是真菌和昆蟲喜歡的食物,因此竹子內大量澱粉的存在將使竹子容易受到真菌和昆蟲的侵襲,導致竹材結構受破壞而耐用性降低、使用壽命縮短。因此,竹材需要加工處理以降低澱粉含量、增加抗蟲、抗菌力。

機械性質方面,竹子與木材同樣都是非均質、非等向性材料,因此其機械性質不穩定,會受到微觀結構、竹桿高度、竹桿生長位置,竹桿密度、竹桿水分含量等多因素影響。大抵而言,竹子比木材有更強的抗彎強度、縱壓強度,且在平行紋理方向強度最高,其斷裂模數(MOR)和彈性模數(MOE)高,特別適合做為定向纖維板。另一方面,竹子的抗剪強度與木材相似。由於竹纖維的平行排列,竹桿很容易加工成片狀、條狀,有利於進一步製成合板、集成材等,其成品有良好力學性質、尺寸穩定等優點,已被廣泛運用在建築結構、裝飾、地板等。(Chaowana 2013)


表一、竹子的力學性能
(資料來源:Bamboo: An Alternative Raw Material for Wood and Wood-Based Composites(Chaowana, 2013))

由上述竹材巨觀及微觀特性,可知以竹材替代木材可能面臨的技術問題,將需研發切割加工技術,以解決原材料不均質、加工設備耗損等問題,也需研發竹材膠合技術,以及竹材防蟲防腐技術,而各項技術皆需同時以節能、環保為目標,如此創造之綠色竹產業才能永續經營。

三、土地恢復方案

竹子主要分布在東亞、南亞、非洲中部、南美洲,自古是熱帶、亞熱帶地區人們生活中常用的材料。竹子生長快速、循環不息,食、衣、住、行、育、樂都可見到竹子的蹤跡,竹林可作為住家圍籬,而住家附近的竹林提供生活所需的竹材,竹桿既是日用品的素材也是燃料,竹筍可以食用,竹籜、竹葉可當包裝材,全株都可利用。然而在工業發展後,石化產品、鋼筋水泥等材料取代了竹材,竹子離開了常民的生活。反倒是全球環境問題日益嚴重的情況下,竹子受到歐美市場的注意,以環保材料的新姿態回歸生活應用,其中一個應用方向即是作為木材替代品,竹材由於纖維特性,可用於製造多數以木材為原料的產品。

竹林具有固碳、水土保持的功能,更重要的是可以持續提供纖維,取代或減輕天然林砍伐的需求。而竹林種植土地,可選在因人為干擾而退化的土地上。全球森林資源歷經人類長久開發,留下滿目瘡痍的土地,土地恢復是當前國際努力的目標。竹林生命力堅韌,在已砍伐、退化的森林土地上種植竹林,可恢復土地生產力,加以適當的竹林管理可以創造良好的生態環境,土地恢復的同時,也減輕森林開發的壓力。

竹材產量與品質以及土地恢復方案的可行性,都與竹林管理與伐採有密切關係。人工林為了經營管理方便,多為同齡林。但竹子由於生活史以無性繁殖為主的特性,竹林為異齡林,意即一片竹林同時有各年齡的竹子,有新生的竹子、成熟的竹子、老的竹子。竹子隨著竹齡成熟,直徑雖然不會增長,但竹管壁的紮實度會增加,結構性變強,而後隨著竹子漸漸變老,其結構又將逐漸衰退。因此,在以竹材品質為主要考量的情況中,最佳的伐採方式是擇伐,僅將成熟的竹桿採收,並進行適當疏伐管理,如此將有利竹林的永續生產。而伐採的季節也會影響竹材的品質。竹子含有大量澱粉,澱粉是真菌和昆蟲喜歡的食物,因此竹材的澱粉含量與耐久性有密切關係。竹桿內的澱粉很難加工去除,所以若能在伐採時選擇竹桿澱粉含量較低的季節(竹桿內澱粉含量在筍期過後降到最低),將有助於增加竹材耐用性。

竹材是全球最重要的非木質林產品之一,由竹林管理、竹材伐採到竹材處理、加工,在傳統技術經驗的基礎上,研發新技術方法,提升竹材料品質、耐用、強度,降低生產損耗,並確保生產流程友善環境,是值得持續努力的方向。

四、永續產業評估

竹子主要產地在亞洲、南美洲,考量環境永續性,需評估從產地到消費者之間生產、加工、運輸等過程中對環境產生的影響;考量經濟價值,則須檢視竹林的單位面積生產量與其他人工林相比是否有競爭力。生命週期評估(Life Cycle Assessment)指評估一項產品從生產、使用到廢棄或回收再利用等不同階段所造成的環境衝擊,包括能源使用、資源耗用、污染排放等部分。方法有兩個基本步驟,羅列能源使用、資源耗用、污染排放清單,分析後以單一指標作為代表。以「Eco-costs 2007」為其中一種單一指標,將資源單位用量、污染排放量換算為金額(防止環境影響所需花費),再進行加總計算。


圖六、Eco-costs 2007的計算結構
(資料來源:The sustainability of bamboo products for local and Western European applications. LCAs and land-use(Vogtlander et al., 2010))

Vogtlander等人於2010年研究,以中國產孟宗竹運送歐洲鹿特丹港再轉運倉庫為例,說明在產地應用原竹材料具有環境永續價值;然而若將竹桿運輸到歐洲,將因運輸距離長而失去環保意義,而若能在產地將原竹材料加工製成膠合板(plybamboo)或重壓板(Strand Woven Bamboo ,簡稱SWB)再進行運輸,則可降低運輸過程的環境成本,同時促進產地的產業經濟發展。相較於原產在熱帶的闊葉樹木材(FSC認證材料),無論使用原竹或加工後的竹材都更環保,然而,在歐洲仍以就地使用當地樹木材更具永續性。(Vogtlander et al., 2010)

臺灣是竹類原生地,六大經濟竹種提供多樣的竹材料選擇,以在地竹材替代部分進口木材、鋼材等,是應積極發展的方向。