基于结构化森林经营的天然异龄林空间优化经营模型研究
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摘要
天然异龄林具有十分重要的生态、经济和社会价值。本研究以结构化森林经营为基础,利用各种结构参数的技术手段,在林分水平上通过计算机优化调整森林的空间结构,促进天然林更加健康和稳定,最终实现可持续发展。研究拓展了空间结构量化分析方法的分析范围,提出了基于结构化森林经营理论的空间结构优化经营模型(SSOM),将计算机模拟的天然异龄林优化方案与实地优化方案进行了比较,并用林分状态分析方法对优化经营方案进行了评价。取得如下结论:
(1)提出两个新的空间结构参数参数——林木开阔比数和密集指数,使用修正的林分混交度描述树种空间隔离程度。通过比较林木之间高差和水平距离的关系,提出描述林分中高大乔木光环境的“林木开阔比数”,其取值从小到大,分别对应于完全遮挡、遮挡、中等开阔、开阔和非常开阔的5个光环境等级;研究通过比较参照树和其最近相邻木的冠幅与水平距离的关系,提出描述林分空间利用程度的“密集指数”,其取值越大说明林木对空间的利用程度越高;林分的修正混交度结构单元取值等级清楚、含义明确,同时包含空间结构单元的树种数,除了明确表达林分中的树种空间隔离程度,还能够体现林分的树种多样性。
(2)通过计算机进行优化经营时,分析经营措施的优先性,构建计算机经营规则。依据结构化森林经营培育健康稳定森林的总体目标和原则,以及指标与林分空间结构优化或健康的关系密切程度,提出结构优化中的经营优先顺序应是:林木健康>顶极树种优势度>林分空间分布格局>树种混交程度>林木成熟度。在具体经营中,并不是对所有因子都进行调整,而是根据具体林分经营迫切性的分析评价结果,有针对性地对不符合健康稳定标准的林分指标按照这个先后顺序逐一调整。采伐优先性在指导林分的空间结构优化经营时,使经营更加快速和有效。
(3)基于结构化森林经营的林分空间优化经营模型的构建,应以格局、顶级树种和主要伴生树种中大径木的优势程度、树种混交程度等空间结构优化为目标,以健康稳定的森林结构特征为约束,以局部穷举为优化算法,以目标函数取得最小值为标志,获得有限域内的最优林分空间结构。目标函数中的树种混交程度以修正混交度代替原来的混交度,在约束条件中以树种优势度代替树种大小比数,同时加入健康林木比例限制、格局限制、空间利用程度限制和郁闭度限制,以便更好地使经营采伐在保证林分健康稳定的前提下,优化其空间结构。
(4)研究认为水曲柳-红松针阔天然混交林林分的经营迫切性为一般迫切。应用混交度、角尺度、林木大小比数、树种优势度、密集指数、开阔比数、多样性指数、直径分布、郁闭度以及其他统计参数,详细分析了位于吉林蛟河的水曲柳-红松针阔天然混交林林分的空间结构和非空间结构状态,并对该林分进行经营诊断,认为该林分的近自然度评价为次生林,由经营迫切性评价结果可知,这一类东北阔叶红松天然异龄林的结构优化经营方向首先是提高顶级树种的优势度,或者说进行竞争调节,降低顶极树种的竞争压力;其次是对达到目标直径的大经木进行适当采伐;另外注重保护更新,提高林分更新幼苗的数量和质量。
(5)通过实地经营和模型经营两种方式对林分进行结构优化,并对优化经营进行效果分析,评价结果表明:两种优化方案都能够实现经营目标:在保持林地连续覆盖、保护林分的树种多样性和结构的稳定性的前提下,降低顶极树种的竞争压力、提高顶极树种的优势度,同时在一定程度上调整树种组成,并取得一定数量的木材;另外,两者各有自己的适用范围,模型经营能够利用结构优化目标函数从整体上控制空间结构的优化效果,在满足全部约束的情况下,实现经营目标,并利用完整的空间结构信息,摸索空间结构优化的规律;经营者的实地经营能够利用前者得到的规律,在没有定位数据的大规模经营时,根据单株林木所处小环境的具体情况,制定更有针对性的经营措施。
Natural uneven-aged forest has very important ecological, economical and social value. Experienced all sorts of unreasonable management and interference, it need so long time to recover to a healthy and stable state if only rely on the power of nature. Therefore the advanced management need to be operate on to promote the optimization and sustainable development of Natural uneven-aged forest.
This research discussed how to optimize the stand spatial structure using computer, in order to promote the Natural uneven-aged forest to realize the sustainable development, with the aid of structure-based forest management and all kinds of spatial structure parameters. In this study, Spatial Structure Optimization Model (SSOM) is established, and SSOM software is programming. The management plans of Natural uneven-aged forest, came from management model and forester, are evaluated.
In this research, the mean mingling value of stand contains the species number in structure unit after parameter modification, keeping the original class definition of structure unit, which explain the species mixing without confusion, and illustrate the species diversity and isolation degree simultaneously. Two new parameters are established, one is Open Comparison, which explain the light environment with the ratio of two neighbor’s horizontal distance and hight difference, the other is Open-Close index, which explain sparsity or crowdedness of the trees crown layer with the ratio of two neighbor’s horizontal distance and their crown width.
The target of SSOM is spatial structure optimization, signed by the objective function got the minimum value, under the spatial structure and non- spatial structure constraint, and using partial exhaustive method.
Analyzing the priority order of management measures, the computer management rules have been established. According to the overall goals and principles of structure-based forest management, the priority order of management urgency factors is: tree health > Climax Species Dominance> stand distribution pattern> the species diversity> stand species composition> tree maturity.
The conditions of natural China Ash-korean pine forest, including spatial and non-spatial structure information, located in the northeast Jilin Jiaohe were evaluated by kinds of index, such as the Mingling, Uniform Angle Index, Neighborhood Comparison, Species Dominance, Open-Close index, Open Comparison, species diversity, diameter distribution, Canopy density, and so on. Management consulting results showed the mentioned forest is a secondary forest, and its management urgency is in the Middle Urgency. The management direction is to improve the Climax Species Dominance, cutting some big trees appropriately and taking care natural regeneration.
Management results showed both of the field management and SSOM management had achieved the management goals of spatial structure optimization, that means the Climax Species Dominance improved, their pressure of competition reduced, and the composition of species adjusted to a certain extent, and the continuous canopy maintained, at the same time the species diversity and structure stability of stanf protected, at last a certain number of wood obtained. Each management methods have their own business scope. To satisfy all constraints, SSOM controls spatial structure in the the whole situation and achieves the optimization objectives. Furthermore, it can use the complete information of forest spatial structure to explore the spatial structure optimization rules, which can be used by forester to formulate the corresponding operation per trees, in large-scale non- position-data field management.
(1)提出两个新的空间结构参数参数——林木开阔比数和密集指数,使用修正的林分混交度描述树种空间隔离程度。通过比较林木之间高差和水平距离的关系,提出描述林分中高大乔木光环境的“林木开阔比数”,其取值从小到大,分别对应于完全遮挡、遮挡、中等开阔、开阔和非常开阔的5个光环境等级;研究通过比较参照树和其最近相邻木的冠幅与水平距离的关系,提出描述林分空间利用程度的“密集指数”,其取值越大说明林木对空间的利用程度越高;林分的修正混交度结构单元取值等级清楚、含义明确,同时包含空间结构单元的树种数,除了明确表达林分中的树种空间隔离程度,还能够体现林分的树种多样性。
(2)通过计算机进行优化经营时,分析经营措施的优先性,构建计算机经营规则。依据结构化森林经营培育健康稳定森林的总体目标和原则,以及指标与林分空间结构优化或健康的关系密切程度,提出结构优化中的经营优先顺序应是:林木健康>顶极树种优势度>林分空间分布格局>树种混交程度>林木成熟度。在具体经营中,并不是对所有因子都进行调整,而是根据具体林分经营迫切性的分析评价结果,有针对性地对不符合健康稳定标准的林分指标按照这个先后顺序逐一调整。采伐优先性在指导林分的空间结构优化经营时,使经营更加快速和有效。
(3)基于结构化森林经营的林分空间优化经营模型的构建,应以格局、顶级树种和主要伴生树种中大径木的优势程度、树种混交程度等空间结构优化为目标,以健康稳定的森林结构特征为约束,以局部穷举为优化算法,以目标函数取得最小值为标志,获得有限域内的最优林分空间结构。目标函数中的树种混交程度以修正混交度代替原来的混交度,在约束条件中以树种优势度代替树种大小比数,同时加入健康林木比例限制、格局限制、空间利用程度限制和郁闭度限制,以便更好地使经营采伐在保证林分健康稳定的前提下,优化其空间结构。
(4)研究认为水曲柳-红松针阔天然混交林林分的经营迫切性为一般迫切。应用混交度、角尺度、林木大小比数、树种优势度、密集指数、开阔比数、多样性指数、直径分布、郁闭度以及其他统计参数,详细分析了位于吉林蛟河的水曲柳-红松针阔天然混交林林分的空间结构和非空间结构状态,并对该林分进行经营诊断,认为该林分的近自然度评价为次生林,由经营迫切性评价结果可知,这一类东北阔叶红松天然异龄林的结构优化经营方向首先是提高顶级树种的优势度,或者说进行竞争调节,降低顶极树种的竞争压力;其次是对达到目标直径的大经木进行适当采伐;另外注重保护更新,提高林分更新幼苗的数量和质量。
(5)通过实地经营和模型经营两种方式对林分进行结构优化,并对优化经营进行效果分析,评价结果表明:两种优化方案都能够实现经营目标:在保持林地连续覆盖、保护林分的树种多样性和结构的稳定性的前提下,降低顶极树种的竞争压力、提高顶极树种的优势度,同时在一定程度上调整树种组成,并取得一定数量的木材;另外,两者各有自己的适用范围,模型经营能够利用结构优化目标函数从整体上控制空间结构的优化效果,在满足全部约束的情况下,实现经营目标,并利用完整的空间结构信息,摸索空间结构优化的规律;经营者的实地经营能够利用前者得到的规律,在没有定位数据的大规模经营时,根据单株林木所处小环境的具体情况,制定更有针对性的经营措施。
Natural uneven-aged forest has very important ecological, economical and social value. Experienced all sorts of unreasonable management and interference, it need so long time to recover to a healthy and stable state if only rely on the power of nature. Therefore the advanced management need to be operate on to promote the optimization and sustainable development of Natural uneven-aged forest.
This research discussed how to optimize the stand spatial structure using computer, in order to promote the Natural uneven-aged forest to realize the sustainable development, with the aid of structure-based forest management and all kinds of spatial structure parameters. In this study, Spatial Structure Optimization Model (SSOM) is established, and SSOM software is programming. The management plans of Natural uneven-aged forest, came from management model and forester, are evaluated.
In this research, the mean mingling value of stand contains the species number in structure unit after parameter modification, keeping the original class definition of structure unit, which explain the species mixing without confusion, and illustrate the species diversity and isolation degree simultaneously. Two new parameters are established, one is Open Comparison, which explain the light environment with the ratio of two neighbor’s horizontal distance and hight difference, the other is Open-Close index, which explain sparsity or crowdedness of the trees crown layer with the ratio of two neighbor’s horizontal distance and their crown width.
The target of SSOM is spatial structure optimization, signed by the objective function got the minimum value, under the spatial structure and non- spatial structure constraint, and using partial exhaustive method.
Analyzing the priority order of management measures, the computer management rules have been established. According to the overall goals and principles of structure-based forest management, the priority order of management urgency factors is: tree health > Climax Species Dominance> stand distribution pattern> the species diversity> stand species composition> tree maturity.
The conditions of natural China Ash-korean pine forest, including spatial and non-spatial structure information, located in the northeast Jilin Jiaohe were evaluated by kinds of index, such as the Mingling, Uniform Angle Index, Neighborhood Comparison, Species Dominance, Open-Close index, Open Comparison, species diversity, diameter distribution, Canopy density, and so on. Management consulting results showed the mentioned forest is a secondary forest, and its management urgency is in the Middle Urgency. The management direction is to improve the Climax Species Dominance, cutting some big trees appropriately and taking care natural regeneration.
Management results showed both of the field management and SSOM management had achieved the management goals of spatial structure optimization, that means the Climax Species Dominance improved, their pressure of competition reduced, and the composition of species adjusted to a certain extent, and the continuous canopy maintained, at the same time the species diversity and structure stability of stanf protected, at last a certain number of wood obtained. Each management methods have their own business scope. To satisfy all constraints, SSOM controls spatial structure in the the whole situation and achieves the optimization objectives. Furthermore, it can use the complete information of forest spatial structure to explore the spatial structure optimization rules, which can be used by forester to formulate the corresponding operation per trees, in large-scale non- position-data field management.
引文
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