多功能森林经营方案编制关键技术及辅助系统研究

谢阳生，陆元昌，雷相东，刘宪钊，王晓明，蔡道雄 ，国 红

（1.中国林业科学研究院 资源信息研究所，北京 100091；2.中国林业科学研究院 热带林业实验中心，广西 凭祥 532600）

多功能森林经营是以营建多功能森林为目标，采取有效而可持续的经营技术和综合措施，充分发挥森林的供给、调节、文化和支持等多种功能，实现森林功能最大化的一种森林经营方式。我国大部分经济发达地区人口稠密、生态环境脆弱，充分开发森林的多种生产和服务功能，是林业作为生产性服务行业转型发展的需求迫切[1]。原国家林业局2016年发布的《全国森林经营规划（2016—2050）》中，强调林业发展要以多功能森林经营理论为指导，要树立多功能森林经营的理念，进一步建立健全适应多功能森林经营要求、有利于培育健康稳定森林生态系统、协调一致的造林、抚育、低改、采伐和更新造林等森林经营技术标准体系[2]。这表明我国森林经营已经进入了多功能森林经营的阶段。

多功能森林经营需要多功能经营方案的支持才能逐步实现。原国家林业局在2010年分别发布了LY/T 2008—2012《简明森林经营方案编制技术规程》和LY/T2007—2012《森林经营方案编制与实施规范》，两个标准规范分别简明和详细的对森林经营方案的编案任务、编案深度、编案程序、编案方法和编案技术都做了规定[3-4]。森林经营方案是森林经营主体根据国民经济社会发展要求和国家林业方针政策编制的森林资源培育、保护和利用的中长期规划，以及对生产顺序和经营利用措施的规划设计[4]。森林经营方案编制技术是森林经营方案制定的基础和关键，对于规范森林经营工作，具有不可替代的作用。20世纪90年代以前，我国的森林经营方案基本上是森林采伐与收获调整方案[5-6]，没有考虑森林的总体功能和综合效益，也没有形成系统的森林经营方案编案技术。唐小平[7]在1995年对森林经营方案编制的技术进行了系统的总结，对编案主要阶段的功能模型进行了简单介绍。本世纪以来开始积极推进森林可持续经营，森林经营方案编制中，开始重视森林培育[8-9]，许多学者也开始在学术研究中引入多功能近自然的森林经营的理念并进行了部分实践[10-11]。原国家林业局也通过森林可持续经营试点，推动了森林经营方案的编制和实施工作[12]。中国林科院热带林业中心、海南岛东林场、福建漳平五一林场等3个经营单位分别在2011和2013年进行了森林经营方案编制，在3个经营方案中都涉及了多功能森林经营区划，这是我国多功能森林经营方案编制的起始。以上工作对多功能森林经营方案编制都做了有益的尝试，但在功能区划、森林经营类型组织、可持续的林分作业法、可持续采伐量控制与计算、生产功能与服务功能综合平衡的效益分析等森林经营方案编制的关键技术方面，多功能森林经营体现并不充分，尚未形成多功能森林经营方案编制的技术体系。因此，迫切需要研究和制定一套多功能森林经营方案编制的理论和技术体系，并提出实践应用的案例来支持我国现代林业的发展。

1 技术体系

多功能森林经营方案编制首先需要一套技术体系来支撑。如图1所示，技术体系包括关键技术、内容及支撑软件工具3个部分，其中关键技术部分由多功能森林经营区划、森林经营类型或作业法设计、可持续采伐量计算、投入产出分析及森林经营方案编制技术集成5个技术组成；在关键技术的支持下形成编制的内容，包括将经营单位区划成3类4种不同强度的经营区，按经营强度从低到高依次为：I生态公益林保护经营区：具有保护性质的功能区域，实行严格保护；II-1生态服务为主导功能的兼用林经营区：可进行经营性采伐的生态公益林区域；II-2林产品生产为主导功能的兼用林：可进行收获性采伐，但受一定条件和经营措施限制；III商品林集约经营区：不受特定功能限制的区域为纯用材生产区域。在森林经营模式设计技术的支持下，进行多功能森林作业法的设计，形成不同目标林相不同作业方式的各类森林作业法；通过生长及收获模型的建立，形成3类不同的森林模式：同龄林模型、相对同龄林模型和异龄林模型；在不同森林模式下进行生长动态与收获的全周期参数预估；在投入产出技术的支持下进行针对不同森林作业法及森林经营单位的多功能投入产出分析；集成以上技术，形成完整技术支持下的森林经营方案编制示范案例。在明确关键技术和内容后，需要编制一系列的软件工具进行支持，包括森林经营多功能区划工具、作业法设计工具、生长及收获模型工具、投入产出分析工具、最后集成为多功能森林经营方案辅助设计系统。

2 关键技术

2.1 多功能森林经营区划

图1 多功能森林经营方案编制技术体系Fig.1 Multi-functional forest management plan technical system

多功能森林经营区划是森林经营方案编制中的一个重要环节，它是对森林经营单位内分布的所有森林按给定的原则和标准划定其功能，区划的目的是实现多功能分级经营，即不同的森林功能对应不同的经营强度。本研究中的多功能森林经营区划中的“多功能”体现在除了分类经营的“生态公益林”和“商品林”，还多增加了一类“兼用林”，将森林划分为“生态公益林保护经营区、生态服务为主导的兼用林经营区、林产品生产为主导功能的兼用林经营区、商品林集约经营区”共4类经营区，这遵循了原国家林业局2016年发布的《全国森林经营规划（2016—2050）》中的内容。

多功能森林经营区划要遵循“可持续性原则、保护生物多样性、维持生态系统完整性 、保护水土资源、促进社区发展”等五项原则，同时以《森林资源规划设计调查技术规程》(GB/T 26424—2010)[13]等国家标准以及经营单位所在的地方性规划设计法规等为限制条件，研究地理信息系统技术支持下的分级量化和综合分类集成模式（图2）。将各区域的限制性条件，通过图和数据的方式表达出来，叠加进行分析，结合经营目标、树种特性、立地条件、作业技术等方面内容，实现这些因子及其关系的数量化和模式化的体系整合。

如表1所示，根据不同的经营单位所在区域先建立多功能区划的限制性条件知识库， 对区域中所包含的要素（湖泊、河流、居民点、道路、旅游区、自然保护区、古树等）进行分层的空间缓冲区分析，然后将所有条件进行叠加分析，并结合经营目标、树种特性、立地条件、作业技术将区域内小班进行分类，将每个小班归类到I生态公益林保护经营区：具有保护性质的功能区域，实行严格保护；II-1生态服务为主导功能的兼用林经营区：可进行经营性采伐的生态公益林区域；II-2林产品生产为主导功能的兼用林：可进行收获性采伐，但受一定条件和经营措施限制；III商品林集约经营区3类4种经营区中。

多功能森林经营区划的限制性条件，可根据各地不同的森林及地理情况，参考本地调查规程进行制定。图2为多功能森林经营区划技术流程与示意。

2.2 多功能森林作业法设计

森林作业法是针对具体林分根据经营目标和树种特征，从森林的建立、培育到采伐利用全部生产过程所采用的一系列技术措施的有机组合[14-15]。在森林经营方案编制中，完成区划以后，需要进一步把经营目的和森林生物学特性相同的小班组织成森林经营类型，按此类型提出与其经营目的相应的森林作业法，进行规划设计。森林经营类型又称作业级。陆元昌等[16]对森林作业法做了进一步定义：“针对特定立地的森林从建群到主伐收获的全过程，来确定各阶段的林学特征和需要执行的经营措施的计划性技术，包括发展类型、作业措施、周期计划等3个主要部分”。简单来说，森林作业法就是森林经营作业的工艺过程性集成。几十年来我国森林作业法的科学体系和实施技术一直是较为薄弱的部分，几乎都是以速生和单一树种人工林为目标的“皆伐作业”一枝独秀，尤其缺少异龄林的作业法。多功能森林作业法是考虑森林多价值发挥的林分作业技术措施集合。经过多年的理论探讨及技术实践，以中国林科院陆元昌研究员为首的研究团队提出了我国人工林多功能经营技术体系[17]及多功能森林经营规划的三级作业法体系（表2）。

图2 多功能森林经营区划技术Fig.2 Multi-functional forest management zoning technology

表1 多功能森林经营区划限制性条件知识库示例Table1 Example of restrictive conditions for multi-functional forest management zoning

多功能森林作业法：第一级，规范经营方式的作业法类型，按森林经营方式划分了7个类型，是以森林的经营强度和主导功能为主而区分的序列；第二级，规范森林类型或树种组成的作业法，是在区域或省级经营规划或设计中针对具体森林植被（树种）类型和区位功能需求对森林作业法的进一步细化设计，也是最重和最核心的作业法设计任务和技术，包含作业法名称、确定森林对象或适用条件、制定目标林相或发展类型、制定全周期培育过程表；第三级，小班森林类型的作业法，是将森林作业法落实到具体小班或林分的技术设计，以具体的小班（或林分）为对象，根据多功能经营目标、立地条件、当前状态等经营要素而选择制定的经营作业法，设计内容包括林分现状、目标林相、培育过程、当前经营措施设计等，是森林经营方案编制的关键环节。

表2 多功能森林经营三级作业法体系表Table2 Multi-functional forest management three-level silvicultural system

2.3 森林经营过程模型及参数估计

森林经营过程模型在本研究中定义为3种森林生长动态理论模型，分别是：同龄林模型、相对同龄林模型和异龄林模型。同龄林（even-aged forest）是指林分由一组年龄相似（树木个体的年龄相互之间差异不超过1.5个龄级），即在同一时段内定植的树木构成的林分[18]。其年龄结构特点是所有树木在同一时间被收获后再重新种植适应于立地生长条件的树种[18]。相对同龄林（two-aged forest 或称shelterwood），即在同龄林中具有一个同龄的更新层，被视作同龄林的一种变体。在相对同龄林树冠形成典型的两层结构[20]。相对同龄林一般是同一个树种，也有可能上层为一个树种，下层为另一个耐荫树种。异龄林（uneven-aged forest）是由年龄具有差异性的树木构成的林分，通常是由3个及以上龄级构成。异龄林通常采用择伐的方式经营。树木个体可以通过单株木择伐或群团状择伐等方式来采伐[21]。图3为3种森林模型在完整经营周期上的林分蓄积动态表达。

图3 同龄林、异龄林、相对同龄林在完整经营周期上的林分蓄积动态Fig.3 Stand accumulation dynamics of the even-aged forest, uneven-aged forest and two-aged forest in the whole forest management period

本研究分别针对同龄林、相对同龄林、异龄林3个森林生长动态理论模型，建立起各模型在林分发展各阶段的生长表达参数体系，计算各模型在其各自林分发育阶段的确认指标，并根据这些指标，评定各小班当前的林分发展阶段。生长参数体系的建立，主要是对3种底层模型在各自5个林分发展阶段上林分生长量、蓄积量、采伐损伤和采伐量的参数化，最终形成一个15阶的参数表体系（表3），表中I、V、D分别3种表示生长量、蓄积量、胸径在该阶段的参考值。在经营单位层面，则需要通过优化技术，实现可持续的年允许木材采伐量。

表3 3种森林生长动态理论模型在林分发展5个阶段的生长量参数体系Table3 The growth parameter system diagram of the five stages of forest stand development of three kinds of forest growth dynamics theoretical model

2.4 小班经营产量和效益评估

小班效益评估是多功能经营方案编制中的一个重要环节，本研究在造林、建群、抚育、主伐4个环节上规定各环节需要的成本投入，包括货币和人力成本的投入，并计算各环节可能的产出，包括物质、货币和效益3种形式的产出，最终形成一个4个作业环节3种形式产出的12阶投入－产出核算参数表体系（表4）。因为该投入－产出核算参数表体系在各底层模型的各林分发展阶段上均有差异，所以，在已知小班对应的底层模型和林分发展阶段的情况下，可以通过其对应的投入—产出参数核算表，实现针对小班经营的成本-收益定制化核算。

表4 经营投入-产出核算†Table4 Forest management input-output accounting chart

2.5 多功能森林经营方案编制系统集成

多功能森林经营方案编制中的以上技术方法需要在一个软件系统中实现和应用，采用辅助设计的方式，逐步的导出多功能经营方案。将多功能森林经营编案流程、编案内容、技术方案集成在一起就形成了多功能森林经营编案辅助设计系统。系统在“功能区划—作业法设计—效益分析评价”这个支撑森林经营方案的底层结构和算法模式的支持下，运用模型运算、数据统计、空间分析等技术方法，实现多功能森林经营方案的编制（图4）。

图4 多功能森林经营方案编制系统集成Fig.4 Multi-functional forest management plan system integration

3 应用案例

应用以上的技术方法和编案系统，进行了中国林科院热带林业实验中心（简称“热林中心”）的多功能森林经营方案编制。

热林中心位于广西凭祥市，21°57′47″～22°19′27″N，106°39′50″～ 106°59′30″E，主要承担我国热带、南亚热带林业科学研究与试验示范等任务。热林中心共有林地面积18 931.3 hm2，有林地、疏林地和灌木林地面积共为15 655.1 hm2，占区划总面积的68.29%。其森林经营存在的主要问题是马尾松和杉木纯林的面积比例偏大，导致病虫害易发和多发；马尾松纯林用于采脂不留优势木的粗放管理模式导致林分质量退化；集中连片多代连作针叶林的地段开始出现立地退化迹象；部分树种的轮伐周期较短，林地生产力未能充分利用等简单的经营现象。

根据规划区数据的收集及实地的调研，运用编案关键技术及编案辅助设计系统，对规划区进行多目标经营的规划和方案的编制。

首先对其功能进行了区划，将限制条件进行缓冲区制作及叠加分析得到见图5和表5。功能区划是对规划区内分布的所有森林按水源涵养和水土保持的必要性、景观游憩的可能性、生态服务和生产功能的可持续性、保护生物多样性、维持生态系统完整性以及维护社区发展可持续性等原则和标准来区分和划定不同林地空间功能特征的结果。

图5 规划区多功能区划界面Fig.5 Planning area multifunctional zoning interface

表5 规划区多功能区划Table5 Planning area multifunctional zoning chart

在多功能区划的基础上，对其森林进行了作业法设计，设计出符合不同功能区发展目标的森林经营类型（图6），并提出适合该类型的作业措施和方法。其经营类型包括马尾松同龄纯林皆伐作业法等13个类型（表6）。

在规划区作业法设计完成后，对作业法进行了分类，归类到3类森林经营的底层理论模型，参考前期在热林中心所做的胸径、树高等生长模型[22-24]及断面积、蓄积、损伤模型、自然枯损量以及林产品经济价值[25-27]的研究，对其生长—收获—价值进行了预估。同时根据规划区成本标准，树种价格等的录入获取，进行了资金的安排和年度概算。图7和表7为马尾松同龄纯林皆伐作业法经济收益核算。

图6 规划区作业法设计界面示例Fig.6 Planning area sivicultural system design interface example

表6 热林中心森林类型作业法设计Table6 Forest type silviculture regimes designed for the ECTF and their respective supporting growth model

图7 规划区投资概算与效益分析界面示例Fig.7 Planning area investment budget and benefit analysis interface example

最终根据以上各类数据生成规划区的经营方案文本。

图8 经营方案文本生成Fig.8 Forest management plan text generation

表7 马尾松同龄纯林皆伐作业法经济收益核算Table7 Economic benefit accounting of Pinus massoniana pure forest clearing operation method

4 结论与讨论

本研究从多功能森林经营方案编制技术体系入手，研究多功能可持续森林经营方案编制的理论和关键技术，包括多功能森林经营区划技术、森林作业法设计技术、可持续采伐量计算模型和分配技术、多功能森林经营的投入产出等，将“功能区划 - 作业法设计 - 效益分析评价”这个支撑森林经营方案的底层结构和算法模式串联起来，提出与经营目标和作业方法一致的结构化整体进程模型，并集成到软件系统中，形成多功能森林经营方案辅助设计系统。本研究首次较为完整的提出了多功能森林经营方案的技术体系，为多功能森林经营方案编制提供了技术规范及辅助工具，是多功能森林经营方案编制技术集成的有益尝试。同时对支持森林生态系统可持续经营管理、推进森林经营方案的编制和实施、确保编制成果的科学性和实用性都有重要的意义。

本研究后续还将解决的问题有：1）多功能森林经营方案编制技术体系已经形成，但是在各部分细节的模式化上还需要进一步完善，例如在森林作业法辅助设计中，还应细化林分当前状况评估的指标，提供更多的辅助设计信息；2）研究使用热林中心的数据进行试验，形成的同龄林、异龄林、相对同龄林全周期经营核心参数的估计尚不具有普遍的参考意义，下一步研究将此技术体系尽可能地应用于多个区域，进一步地完善参数体系。