基于标准林的森林抚育诊断决策系统初步研究

李宇昊

(国家林业局调查规划设计院, 北京 100714)

基于标准林的森林抚育诊断决策系统初步研究

李宇昊

(国家林业局调查规划设计院, 北京 100714)

森林抚育诊断决策系统以抚育经营小班为对象，根据森林演替规律，依据森林经营技术规程和研究成果，生成树种结构和空间结构理想化的标准林，通过对比分析现有林与标准林因子的差异，诊断决策现有林“是否需要抚育”及“如何抚育”。 以松江河林业局前川林场(sjq31-1)小班和神农架林区徐家庄林场庙坪村(xjmp-2)小班作为对象，开展诊断林分结构现状的研究。结果表明：FTDDSS具有生成标准林、诊断林分树种组成和空间结构及提出森林抚育决策意见的能力，可以作为开展森林抚育设计决策的辅助工具。

森林抚育；标准林；诊断决策；林分因子；培育模式；林分结构

快速准确判断和决策林分“是否需要抚育”及“如何抚育”，是提高森林抚育质量和效率的关键，也是林业生产需要解决的关键问题。目前，我国已经制定了几十余个针对不同区域、主要森林类型和主要树种的森林经营技术规程，为开展森林经营提供了技术依据。在森林经营决策方面，国内开展了大量研究，董乃钧[1]提出了构建森林经营决策支持系统的设想，谢小魁等[2]开发了森林经营决策支持系统，李际平等[3]研发了杉木人工林林分经营专家系统原型；石小云等[4]利用森林模拟与数据库技术，研发了森林经营决策模拟系统。此外，国内专家学者针对我国主要森林类型和树种的经营技术方法进行了大量研究，为我国开展森林抚育决策研究积累了宝贵经验。但在森林经营方面，还存在理论抽象、技术复杂、指标繁多、实施成本高、操作难等问题，在一定程度上制约了森林抚育工作。

随着信息技术在林业的广泛应用，森林资源管理和决策的技术手段有了长足发展。为加快森林抚育工作，2009年国家正式启动了中央财政森林抚育补贴工作，森林抚育工作有了长期稳定的资金和政策保障，我国开展综合性森林抚育应用系统建设具备了基础条件。本文针对森林抚育技术中存在的问题，以现有技术体系和研究结果为基础，开展标准林培育模式、林分诊断因子，简化指标因子的研究，提出基于标准林的诊断决策思路和方法，探索构建符合我国林业生产实际的森林抚育诊断决策系统，以期为森林抚育技术进步创新思路。

1 FTDDSS概述

1.1 系统原理

现代医学通过对比人体生理标准值与检查值，诊断病情和决策治疗，而森林抚育诊断决策系统(Forest Tending Diagnostic and Decision Support System，简称FTDDSS)的运行原理与之相似。FTDDSS以经营小班为诊断对象，通过对比分析标准林与现有林因子的差异，诊断现有林分存在的问题，决策抚育措施。

1.2 标准林

标准林是由FTDDSS按照一定规则生成的理想化的林分，是诊断现有林分的参照系。根据天保工程区划、森林类别[5]和林分起源，将标准林分为8种类型，按照幼龄林、中近龄林和成过熟林三个阶段确定标准林的经营模式(详见表1)。对于特殊森林类型，应单独规定其标准林培育模式。

1.3 诊断因子

根据FTDDSS的技术要求，从常规森林资源调查因子、技术规程指标和科研成果中选择“公认度高、普遍使用、易于调查、能够准确表达林分现状”的因子指标作为诊断因子，其中：立地类因子包括地理位置、林业区划、林种[6]、起源、龄组[7]、海拔、坡度、生态脆弱性、生态重要性[8]、土壤厚度、降雨量11个因子；属性因子包括树种组成[9]、平均树高、平均胸径、林干形态[10]4个因子；结构类因子包括乔木垂直结构、林木水平结构[11]、树种结构和林龄结构4个定性因子，表示林分结构特征。

表1 标准林培育模式林业区划林种起源培育目标幼龄林中近龄林成过熟林天保工程区非天保工程区防护林用材林防护林用材林人工乡土树种为主的纯林或混交林乡土树种为主的复层混交林乡土树种为主的复层异龄混交林天然乡土树种为主的纯林或混交林乡土树种为主的复层异龄混交林地带性顶级森林 人工乡土用材树种为主的纯林或混交林乡土用材树种为主的复层混交林乡土用材树种为主的复层混交林天然乡土树种为主的纯林或混交林乡土树种为主的复层混交林乡土树种为主的复层混交林人工适生树种为主的纯林或混交林适生树种为主的复层混交林适生树种为主的复层异龄混交林天然乡土树种为主的纯林或混交林乡土树种为主的复层混交林乡土树种为主的复层异龄混交林人工适生优质用材树种为主的林分适生优质用材树种为主的林分适生优质用材树种为主的复层林分天然乡土用材树种为主的纯林或混交林乡土用材树种为主的混交林乡土用材树种为主的复层混交林

1.4 诊断依据

诊断依据包括技术规程、研究成果和政策规定3种类型，其中：技术规程主要包括现行森林经营相关的11个国家标准、41个行业标准和地方标准，其适用性遵守《中华人民共和国标准法》规定；研究成果包括森林抚育经营相关的著作和论文，著作包括森林经营相关书集和图册等，论文以林业类中文核心期刊和省部级期刊为主，包括理论研究、技术方法应用实践等；政策规定包括《森林抚育检查验收办法》(林造发[2012]136号)《森林抚育作业设计规定》([2012]191号)等相关政策文件及管理规定。

2 系统应用

2.1 研究区及小班概况

以林分结构相对复杂的天然林为研究对象，选择吉林省松江河林业局和湖北省神农架林区作为试验区。松江河林业局位于长白山西麓松江河畔，127°12′—127°50′E，41°44′—42°21′N，平均海拔760～1000 m。植被类型主要为针阔混交林，树种有红松(P．koraiensis)、蒙古栎(Q.monglica)、水曲柳(F.mandshurica)、黄波罗(P.amurensis)、胡桃楸(mandshurica)、山槐(Maackiaamurensis)、白桦(B.platyphylla)、枫桦(Betulacostata)、山杨(P.davidiana)、落叶松(L.olgensis)、红皮云杉(PiceaKoraiensis)、臭冷杉(Abiesnephrolepis)、白牛槭(Acermandshurica)等。神农架林区位于秦巴山脉东端的神农架山系，110°03′05″—110°33′50″E，31°21′20″—3l°36′20″N，总面积为70 467 hm2，是一个以亚热带森林生态系统和珍稀动植物为主要保护对象的自然保护区。植被类型主要为常绿阔叶林、常绿落叶阔叶混交林、落叶阔叶林，典型植被有宜昌楠(PhoebeZhennanyichang)、青冈(Cyclobalanopsisglauca)、川钓樟(Linderastrychnif-Oliavar.hemsleyana)、米心水青冈(Fagusengleriana)、青冈(Cyclobalanopsisglauca)、锐齿槲栎(Quercusalienavar.acutiserrata)、四照花(Cronusjaponicavar.chinensis)、巴山冷杉(Abiesfargesii)、杜鹃(Rhododendronsimsii)等。

选择松江河林业局前川林场31林班1小班(sjq31-1)和神农架林区徐家庄林场庙坪村2小班(xjmp-2)作为应用地块。sjq31-1小班先后于1968年、1982年和2003年进行过不同强度的择伐，树种组成由原先的红松阔叶混交林逐步演替为以白桦为主的阔叶混交林，由于历次采伐后没有及时更新，针叶树逐渐退出林分，林分水平分布不均匀。xjmp-2小班海拔高度1 800 m左右，为伐后次生林，实施天保工程后被划为防护林(详见表2)。

表2 抚育小班立地因子小班代号林业区划林种起源海拔/m龄组坡度/(°)生态脆弱性生态重要性土壤厚度/cm降雨量/mmsjq31—1天保工程区防护林天然890中2一般比较重要40800xjmp-2天保工程区防护林天然1800幼26比较脆弱比较重要301000

2.2 生成标准林

确定经营模式。根据小班立地因子，对照表1确定sjq31-1的经营模式为“乡土树种为主的复层异龄混交林”，xjmp-2的经营模式为“乡土树种为主的纯林或混交林”。

生成sjq31-1标准林。根据诊断依据，确定小班应为针阔混交红松林[12-14]，树种组成比例为“2红2冷(云)2白1椴1榆1水1杂”[15]，林分株数密度为930～2 010株/hm2，平均树高为9～12 m，平均胸径12～16 cm[16-17]。林木干形应为全林直立或零星弯曲，且林木分布较均匀[18-20]。

生成xjmp-2小班标准林。根据诊断依据确定小班应为锐齿槲栎林幼林，主要树种有锐齿槲栎、米水青冈、华山松和糙皮桦等，林分株数密度为2 000～3300株/ hm2，平均胸径4～10 cm左右，林分水平结构呈现出轻微团状分布[21-23]，垂直结构为单层[24]。

2.3 对比分析

对比标准林和现实林的诊断因子，分析对比项因子存在的差异，对比结果用匹配或不匹配表示。由表3可知，jsq31-1小班的树种组成、树干形状、垂直结构、水平结构和林龄结构共6项因子不匹配，林分中白桦树种比重过大，且树种混交度较低，林分空间结构不稳定，局部林相残破，据此可以判断该小班需要采取间伐、造林等人工干预措施来改善林况；xjmp-2仅有株数密度与标准林不匹配，现有林株数密度略高于标准林取值上限，该小班进行抚育的必要性不大。

2.4 诊断决策

sjq31-1诊断结果。由表3可知，sjq31-1小班为伐后天然次生林，林内价值较高的针叶树和阔叶树被完全采伐，由于没有及时更新，林分天然更新为以白桦为主的阔叶混交林，树种组成中针叶树比例偏低，缺少建群树种和伴生树种。从树干形态结果来看，林内有较多弯曲、倾斜、丛生木，林木生长状况不良。从林分的空间结构来看，林分无更新层，呈团状分布，无明显林层结构，下层无更新幼树。针对这些问题，应在林冠下或林隙内营造红松、云杉、冷杉等针叶树，并在透光度较高的林窗、林隙内营造水曲柳、胡桃楸、白桦等喜光阔叶树，培育形成均匀覆盖的复层异龄针阔混交林。根据《森林抚育规程》(GB/T15781)[25]，采取间伐措施将过密林团的郁闭度降低到0.6左右，伐除影响其它目标树生长的不良木。

xjmp-2小班诊断结果。由表3可知，xjmp-2小班除现有林株数密度略高于标准林取值上限以外，其它因子与标准林匹配，由于该小班属于生态比较脆弱的林分，不宜进行大强度抚育施工，可采取低强度抚育间伐，降低局部过密林团密度。

表3 标准林因子与对比分析诊断因子sjq31—1xjmp—2标准林因子[12-20]现实林因子对比结果标准林因子[21-24]现实林因子对比结果树种组成以红松等针叶树为主的针阔混交林。2红2冷(云)2白1椴1榆1水1杂7白1杂1落1榆不匹配锐齿槲栎、米水青冈、华山松、糙皮桦等为主要建群树种,四照花、麻栎、中华柳为伴生树种6水青冈1华山松1四照花1中华柳1软阔匹配密度/(株数/hm2)930～20101053匹配2000～33003350不匹配平均树高/m9～128不匹配无数据6匹配平均胸径/cm12～1612匹配4～1010匹配树干形态 全林直立或零星弯曲较多弯曲、倾斜、丛生木不匹配 全林直立或零星弯曲 全林直立或零星弯曲匹配 垂直结构复层单层不匹配单层单层匹配水平结构均匀或随机团状不匹配轻度团状随机匹配树种结构混交混交匹配混交聚集混交匹配林龄结构异龄同龄不匹配同龄同龄匹配

3 应用实现

利用人工检索资料、引用数据、对比分析的效率很低，只有实现FTDDSS诊断分析的自动化，才能满足实际应用的需要，必须对FTDDSS进行信息化改造，实现诊断因子数字化、依据信息化和诊断决策程序化。张会儒[26]等提出了森林资源信息分类和编码的原则和方法，可在此基础上进行优化。

3.1 因子数字化

对于密度、土壤厚度等量化因子，可直接用数量表示。对于非量化因子，如：垂直结构等，可用“1”代表复层结构，“0”代表单层结构，从而实现定性表述的数字化。此外，立地因子中，应用“地理坐标”代替“地理位置”，使因子与地理位置关联，实现数据库的地理信息化，是FTDDSS具备基于地理空间位置的数据库核对查询功能。

3.2 依据信息化

要对技术规程的规定条款做信息化处理，使之成为可以检索引用的知识型数据库，如《森林抚育规程》规定“郁闭度0.7以上的人工林幼龄林中进行透光伐”，可用“66”代表郁闭度，其数值直接用0.7，则“66,0.7”代表“林分郁闭度为0.7”；用“18”代表起源，用“2”代表人工林，则“18,2”代表“林分起源为人工林”；用“68”代表龄组，用“1”代表幼龄林，则“68，1”代表“龄组为幼龄林的林分”；用“69”代表抚育方式，用“1”代表透光伐，则“69,1”为透光伐抚育方式。“郁闭度0.7以上的人工林幼龄林中进行透光伐”条款信息化后为“66,0.7；18,2；68，1；69,1”。政策规定和研究成果相关内容可照此处理。

3.3 诊断决策程序化

利用软件程序实现诊断决策系统的逻辑运行，包括生成标准林、对比分析和诊断决策3个步骤。需要建立诊断因子和诊断依据数据库，利用软件自动生成标准林。通过自动对比分析现有林和标准林因子，生成分析报告，并提交量化的林分抚育迫切性指数。根据分析报告，制定抚育方式，并提出施工参考量化指标，系统运行逻辑程序见图1。

图1 FTDDSS运行逻辑程序

4 结论与讨论

FTDDSS诊断决策的关键在于林分状况因子的选择和量化，生成标准林并与之进行对比，从而诊断林分抚育的需求和强度。本研究表明，FTDDSS能够根据林分的树种组成和空间结构特征，依据技术规定和研究成果，遵循森林地带性分布规律和演替规律，生成理想化的标准林，通过与现有林因子比较研究，判断林分的树种组成和空间结构的合理性，提出抚育技术措施。这种根据林分空间结构诊断决策森林抚育的方法，符合森林空间结构调整是森林经营活动的本质[27]这一基本规律。同时TDDSS将生态脆弱性和生态重要性作为诊断因子，通过控制抚育方式和强度，形成了简单有效的风险规避机制。

目前，FTDDSS提出的决策意见还是略显简单概要，受到技术规程和研究成果的限制，无法生成个别地区标准林树种组成的参考比例，而仅能生成优势树种和伴生树种，这还有赖于技术规程和研究成果的不断丰富。实践表明只有实现FTDDSS诊断分析的自动化，才能满足森林抚育的实际应用的需要。可逐步增加量化空间结构因子，如林分的混交度、大小比数、角尺度、林层高度等，增加系统的量化评价内容，提高诊断决策的直观度和精度，从而提高系统诊断的自动化和决策结果的可操作性。

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PreliminaryResearchontheFTDDSSBasedonStandardForest

LI Yuhao

(Academy of Forest Inventory and Planning, State Forestry Administration,Beijing 100714,China)

Tending and management subcompartment was taken as objects, by Using the FTDDSS, a standard forest with ideal structures of tree species and space was generated based on the succession rules of forest and the current technical regulations, research results and policies. Through the contrastive analysis of the differences between standard forest factors and existing forest factors, the FTDDSS would decide whether the existing forest need tending and how to tend. Viewed from the present application, the FTDDSS can serve as an auxiliary tool to carry out forest tending design and with the ability to diagnose the species composition and space structure of stand, and to put forward the tending decisions and opinions.

forest tending；standard forest；diagnosis and decision；factor；cultivation mode；stand structure

2014-04-30

2014-05-19

李宇昊(1979-)， 男，陕西西安人，工程师，主要从事森林资源调查和森林经营工作。

S 753.5

A

1003-6075(2014)02-0005-05