绥宁县用材林林龄结构优化研究

刘敏杰

(中南林业科技大学， 湖南 长沙 410004)

绥宁县用材林林龄结构优化研究

刘敏杰

(中南林业科技大学， 湖南 长沙 410004)

针对绥宁县用材林林龄结构现状，应用系统动力学原理对用材林林龄结构优化进行建模，通过计算预测在不同采伐模式下用材林蓄积保有量和出材量的变化，从而找出最优的采伐模式。结果表明：用材林最优采伐模式即轮伐期为40年，择伐周期为15年，择伐强度为30%，抚育间伐周期为15年，抚育强度为15%。在这种优化模式下，到2025年绥宁县用材林蓄积保有量将达到10186848m3，出材量将达到249006m3，使用材林发展达到生态效益和经济效益兼顾的最优状态。

用材林； 系统动力学； 林龄； 采伐模式； 结构优化

系统动力学是一种将定量与定性相结合的综合推理与分析的解决问题的研究方法。利用系统动力学的原理、方法与理论来对实际系统进行分析预测，划分系统层次与子块，对系统的结构进行分析，确定局部与总体的反馈机制，从而建立起数学模型与概念模型彼此联系的规范的系统动力学模型，然后在专家群体的帮助下借助计算机模拟技术，定量与定性的对经济、社会系统问题进行研究，从而进一步做出合理决策。人们基于系统动力学理论创建了专用语言与软件，在系统动力学的逐渐发展与应用过程中，各种仿真模拟软件也越来越成熟。DYNAMO是系统动力学的计算机模拟语言，PD—plus，STELLA，VENSIM，POWERSIM等都是现在常用的DYNAMO软件。本文针对绥宁县2010年用材林林龄结构现状，运用系统动力学的方法，通过建立模型，运用系统动力学计算机软件VENSIM预测模式下15年内绥宁县用材林资源发展趋势，利用统计对比方法评价各模式下用材林森林资源发展的优劣，以期对绥宁县用材林森林资源结构优化进行有效研究，得出绥宁县用材林森林资源配置的最优方案[1-3]。

1 研究区概况

绥宁县位于湖南省西南部，地理位置为东经109°48′—110°32′，北纬26°16′—27°08′，地处云贵高原东侧边缘山地，系南岭八十里大南山北麓和雪峰山脉南麓的交汇地带。本区地质结构和岩性组合比较复杂，外力作用明显，表现出以山地为主，兼有丘陵岗地和溪谷平原多种地貌类型，属中亚热带季风湿润气候，其特点是四季分明，气候温和，雨量充足，光照适宜，无霜期长，小气候明显，年均气温16.7℃。成土母岩母质以砂岩母质为主，占全县总面积的55.2%，占山地面积的56.5%；板、页岩母质占总面积的26.3%，占山地面积27.7%；花岗岩母质占总面积的15.7%，占山地面积14.6%。此外还有少量的石灰岩母质、河流冲积母质、第四纪红土母质及紫色砂砾岩母质。

2 绥宁县2010年用材林林龄结构现状

根据2010年绥宁县林业局的统计资料，绥宁县用材林中分林组林龄结构详见表1。

从表1可以看出，中龄林面积偏小，只占整个用

表1 用材林林龄结构Tab.1 Theagestructureoftimberforest用材林各龄组面积蓄积林分类型林分合计幼龄林中龄林面积(hm2)蓄积(m3)面积(hm2)蓄积(m3)面积(hm2)蓄积(m3)杉木70640.4573842024142.94202137390.7684720马尾松2988430318464806.6681921289.5123869用材林各龄组面积蓄积近熟林成熟林过熟林面积(hm2)蓄积(m3)面积(hm2)蓄积(m3)面积(hm2)蓄积(m3)9772.7117166124589.926837354744.270640.412326.6136917710619.11375791842.229884

材林面积的8.63%，通过实地调查分析原因是绥宁县在采伐中针对中龄林有很大面积的采伐，这是一种极不合理的采伐方式，因此本文模型中皆伐和择伐只针对成过熟林，这才是合理的采伐方式[4]。

3 用材林结构优化研究

3.1仿真流程图

仿真流程图如图1。

图1 仿真流程图Fig.1 The simulation flow chart

3.2计算方程

3.2.1 主要方程

(1) 皆伐蓄积量计算方程:

Vjf=(Vc+Vj)/U+(Zc+Zj)/2

(1)

其中Zc=Vc·Pc;Zj=Vj·Pj;

(2) 择伐蓄积量计算方程：

Vxf=((Vc+Vj)·Q)/T+Vc·Pc/2

(2)

(3) 皆伐、择伐面积计算方程:

S择=(S成+S近)/T

(3)

S皆=(S成+S近)/U

(4)

(4) 抚育间伐蓄积量计算方程:

V年=S年·m3/hm2·Q

(5)

其中S年=Sxf/Jfq

3.2.2 状态变量方程 能计算状态变量(或称积累变量)的方程称为状态变量方程，其中状态变量是指所有能在系统内进行累积变化的变量。

(1) 蓄积量(积累变量)计算方程：

Vk+1n,m=Vkn,m·(1+Pm)

(6)

(2) 生长量计算方程:

Zk+1n,m=Vkn,m·Pm

(7)

式中:Zk+1n,m——k+1时刻n·m阶生长量矩阵。

(3) 蓄积进界计算方程。

森林资源结构系统中蓄积进界，主要指包括各林龄蓄积经过抚育或自然生长后向其它林龄蓄积转移的蓄积量。蓄积进界的数学方程：

V=V保留·P

孙子在后文中提出“兵之所加，如以碫投卵者，虚实是也”。他认为在战争中最有效的方法就是集中优势火力，针对对方的薄弱环节进行攻击。因此在战争中应当着眼于全局，审时度势，通过调动、牵制敌人，科学的部署自身力量，分散对方的兵力，集中自己的兵力，造成局部的以众击寡的态势。在这里，合众并不是单纯数量的集中，更重要的是质量的集中；不是兵力兵器的集中，而是战斗力的凝聚；不是多多益善，而是善于调度，在短时间内形成优势。在战场上，形势往往瞬息万变，战机抓不住，弱势就会得到支援而成为强势。所以应当抓住战机，一击致命。

(8)

(4) 抚育后生长量计算方程:

Z抚育=V保留·(10%+P)

(9)

(5) 抚育后蓄积量计算方程:

V进界=V保留·(1+10%+P)

(10)

3.2.3 辅助方程 辅助方程就是帮助建立速率(变化率)的方程。

(1) 消长蓄积量计算方程:

(11)

(2) 木材产量(出材量)计算方程:

Vc=VF·Pc

(12)

3.3参数估计

依据绥宁县近年森林资源统计数据，同时收集全县相关资料，如专家经验、调度数字和生产部门等，按建模步骤的需要，分别应用数据。

3.3.1 林木生长进界率 进界率如表2。

表2 用材林生长进界率Tab.2 Theingrowthparameteroftimberforest(%)项目幼龄林—中龄林中龄林—近熟林近熟林—成熟林成熟林—过熟林 杉木组10152025 马尾松组6101420

3.3.2 树木材积生长率 根据《湖南省主要林分类型净生长率表》并参照2009年各县的湖南省林业资源统计表中的林木生长率，采用综合分析、对比研究、加权平均等数学方法，分龄组确定树木的生长率(见表3)。

表3 用材林树木材积生长率Tab.3 Thevolumegrowthrateoftimberforest(%)项目幼龄林中龄林近熟林成熟林过熟林杉木组0.12680.09120.06790.06010.0522马尾松组0.10040.07120.05780.05470.0533

3.3.3 采伐蓄积出材率 依据绥宁县近年关于出材率的统计数据，通过综合分析、统计对比、加权平均等数学方法，确定用材林出材率(见表4)。

表4 用材林采伐蓄积出材率Tab.4 Theoutturnpercentageoftimberforest(%)项目幼龄林中龄林近熟林成熟林过熟林杉木组065707580马尾松组055606570

3.4不同模式的设置

本文根据皆伐的轮伐期、择伐的择伐周期和择伐强度以及抚育间伐的采伐周期和抚育强度，设置五种不同模式，其中模式二是绥宁县现用的采伐模式。具体模式见表5。

各模式下通过采伐周期可以决定采伐面积，采伐面积的改变可以调整林龄结构，而皆伐和择伐只针对成过熟林，抚育间伐只针对幼林龄和中林龄，这种合理的采伐方式保证了研究的可行性。

表5 用材林采伐模式Tab.5 Thecuttingpatternsoftimberforest模式轮伐期(年)择伐周期(年)择伐强度(%)间伐周期(年)间伐强度(%)模式一2052055模式二3010251010模式三4015301515模式四5020352020模式五6025402525

4 计算结果与分析

4.1不同模式下用材林的蓄积量和出材量

通过建立的模型，设置好相关的公式和参数后，在系统动力学专业软件Vensim6.5 PLE(Ventana Simulation Enviroment Personal Learning Edition)中运行，得出各模式下绥宁县用材林2010—2025年蓄积量和出材量的计算结果(见表6)。

表6 不同模式下用材林2010—2025年蓄积量和出材量Tab.6 Thevolumeandoutturnoftimberforestunderthedifferentcuttingpatternsin2010—2025(m3)年份模式一模式二模式三模式四模式五蓄积量出材量蓄积量出材量蓄积量出材量蓄积量出材量蓄积量出材量20108770266219522877026621952287702662195228770266219522877026621952220118893830329283891589923208589358981646418951500131713896563410976120128905353339846905154624364890914211751779127062142237914028211932320138915718349702917742125421192366571847139292937151490930394012796520149011342358356929266026401193722961938369447902159955945818513553320159097707366381939821327322494979442024769591540167521960704114238920169176276373950949385128162496135792102119725898174256974839314857420179248839380908958017728922697121272170639849266180379988063915425720189314077386363965564629634998034512232169960624186004100055341592802019936811339157697220313028499889840228776100676111910371010717616373620209416810396542977699930898899645382336451015425919549510212424167298202194585084010659823984314788100302362378041022961719928010297429170083202294941704046259860243319991100838642415891029214220253610373053172297202395201954071889886799324756101302182447471034667420410510434311173753202495405604083449902497329025101658482473111038471220522510485597181335202595547964089989912818332621101868482490061040656821181010527659184897

4.2不同模式间用材林蓄积量的变化

从图2可以看出，由模式一到模式五，用材林总蓄积量是不断增加的，但增加幅度越来越慢，这是因为随着采伐周期的加长，成过熟林的面积会不断增加，但成过熟林生长率低于幼龄林和中龄林的生长率，这样总的蓄积量的增长是呈现降低趋势的。每一种模式下，蓄积量都会随着时间增长，但增长幅度同样随着模式的变化而减小，这是因为用材林面积固定的情况下，在一定时期内蓄积量的增长幅度会随着时间推移而减小。

4.3不同模式间用材林出材量的变化

从图3可以看出，由模式一到模式五，出材量的值在不断变小，因为采伐周期的加长，相应采伐面积就会减小，所以随着时间的延续，出材量会越来越小，但每种模式下出材量还是会增加，只是越往后面的模式，出材量增加的幅度就越小，这是因为随着蓄积量增长幅度的缩小，对应的采伐面积增长幅度也在缩小，相应的出材量幅度也会随之缩小。每种模式下的出材量随着时间而增加，但幅度也在缩小，是因为蓄积量增长幅度的缩小而影响。

图2 不同模式间用材林2010—2025年蓄积量的变化Fig.2 The volume change of timber forest under the different cutting patterns in 2010—2025

图3 不同模式间用材林2010—2025年出材量的变化Fig.3 The outturn change of timber forest under the different cutting patterns in 2010—2025

5 讨论

模式一和现有采伐模式二虽然能在预测的15年时间内使出材量达到最大，但相应的蓄积量却是同时期各模式中最小的。模式四和模式五虽然能在预测的15年时间内使蓄积量达到最大，但相应的出材量却是同时期各模式中最小的。因为对用材林森林资源结构优化的目的不只是出材量最大化的经济最优化，还得是蓄积量最大的生态最优化，所以结合图表根据现实需要，本文认为选第三种模式来经营用材林是最优方案。同时通过采伐方式的调整，也会使绥宁县用材林林龄结构达到最优状态[5-6]。

[1] 孙玉军.可持续发展林业的理论与方法[M].哈尔滨:黑龙江科学技术出版社，1996：32-33.

[2] 姜孟霞.林业结构与调整的初步研究[J].林业经济，1992(3):19-23.

[3] 王洪斌,姚德民.系统动力学在森林工业发展战略研究中的应用[J].林业科学,1986,22(3):333-336.

[4] 周国林，谭慈琴.世界森林可持续经营发展近况、趋势及我国的原则[J].世界林业研究，1997 (2):1-7.

[5] Kijima K.Generalized landseape theory:Agentl based application alliance formations in civil aviation industry[J].Joumal of Systems Science and Complexity，2001， 14(2):113-123.

[6] 陈祥伟，胡海波.林学概论[M].北京：中国林业出版社, 2005.

(文字编校：张 珉， 杨 骏)

TheagestructureoptimizationoftimberforestinSuiningCounty

LIU Minjie

(Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, China)

In view of the status quo of age structure of timber forest in Suining County, the principle of system dynamics was used to model for the age structure optimization. The changes of volume and outturn of timber forest under the different cutting patterns were calculated to find out the optimal cutting pattern. The results showed that, the optimal cutting pattern was the rotation period for 40 years, the selective cutting cycle for 15 years, the selective intensity for 30%, the thinning cycle for 15 years, and the thinning intensity for 15%. Under this pattern, the volume of timber forest could achieve 10186848 m3and the outturn could reach 249006 m3in 2025, which could realize the optimum combination between ecological benefit and economic benefit.

timber forest; system dynamics; stand age; cutting pattern; structure optimization

2012-04-17

2012-05-23

湖南省林地保护专项(2011A03)。

刘敏杰(1983-)，男，湖南省绥宁县人，硕士研究生，主要从事森林可持续经营方面的研究。

S 75

A

1003-5710(2012)03-0053-05

10. 3969/j. issn. 1003-5710. 2012. 03. 014