Bamboo Knowledge Base
竹知識庫Growing bamboo in lieu of felling trees: a sustainable land restoration plan
field：Industry Info. / Date：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。
