桉树人工林抚育间伐优化模型

许晓东, 莫晓勇, 邓海燕, 江 瑶, 刘丽婷

(1.华南农业大学林学与风景园林学院，广东 广州 510642；2.江西省林业科学院，江西 南昌 330013)

森林生态系统是陆地上最重要的生态系统[1-2]，如今人工林已成为森林生态系统的重要组成部分，在林木产品供给与生态系统服务方面发挥着重要作用[3].据第八次全国森林资源清查结果显示，我国人工林面积达0.69亿hm2，位居世界首位，但我国人均森林面积少，且人工林的生产力较低，可利用资源少，急需提升人工林的质量及其多种生态系统服务功能[4].

提高森林质量，即遵循自然规律和生态学原则对林分结构进行优化.通过结构化森林经营能不断优化林分分布格局、大小空间配置和林木竞争状况等[5].如今结构化森林经营理论和技术的研究已经十分成熟，并被广泛应用于天然林和人工林的研究中[6-10]，成为了现代森林经理学研究的热点.结构化森林经营解决了结构单元的问题[11]，以与林木空间位置有关的结构参数构建林分空间结构体系[12]，主要包括大小比数、角尺度、混交度、竞争指数和开敞度等[13-17].

科学合理的抚育间伐有利于改善林木质量，促进林木生长，优化森林空间结构，促进森林稳定健康演变等[18-20].然而，森林抚育间伐中关于采伐木的确定，传统方法是通过人为判断林木的生长状况以确定采伐与否[19,21]，易受主观因素影响且难以最大程度优化林分结构.近年来得益于森林结构化经营的发展，研究出了可通过坐标定位的方法确定采伐木[18,20,22]，大大避免了森林抚育间伐中的主观因素带来的误差.但采伐前需对间伐面积内所有林木进行调查定位，耗费成本高.关于森林抚育，现多根据“伐小留大，伐劣留优”等原则，人为确定采伐木.基于此，本研究以纪家林场桉树人工林为例，基于结构化经营理论，提出适用性强且便于采伐木确定的间伐模型及实际操作性强的森林抚育方法，旨在为桉树人工林结构化调控及其他人工林林分结构优化提供技术依据，为森林质量提升提供新方法.

1 研究区概况

纪家林场(109°42′—110°23′E，20°26′—21°11′N)位于广东省雷州半岛，属南亚热带湿润性季风气候，土壤为浅海沉积物砖红壤.林地年平均气温22 ℃，最高气温38.9 ℃，最低气温1.4 ℃，年降雨量1 711.6 mm，相对湿度84%，干、湿季节明显，5—9月为雨季，占年降雨量的80%以上，10月至翌年4月为旱季，年蒸发量达1 762.9 mm.林地热带风暴较为频繁，每年受台风或热带风暴袭击2～3次，最大风力可达12级以上.

基本经营措施：全垦整地，深30 cm左右，并施基肥；种植后的前4年每年除杂一次，前3年每年施一次追肥；台风后对苗木进行扶正，对严重的风害木进行清理.

2 研究方法

2.1 样地设置

选取纪家林场1～5年生尾巨桉无性系DH32-29纯林，每个林龄用典型取样法设置6块样地，共30块样地(20 m×20 m)，样地概况如表1所示.测量样地内每株树木的X、Y坐标及其树高、胸径.数据分析时统一换算样地相对坐标，缓冲区为3 m.

2.2 林分评价指数

林分内所有单木的角尺度、开敞度、竞争指数和大小比数等的算术平均值即为林分相应指标值，如林分竞争指数即为林分内所有单木竞争指数的平均值.林木各个参数间相互影响，使得林分的各个参数同时达到最大值是不可能的.林分结构强调的是整体目标最优[23].采用乘除法[24]对各个林分结构参数进行多目标规划.

单木角尺度的最佳取值为0.5，仅在计算评价指数时，对单木角尺度的值进行转换.即单木角尺度值减去0.5，并取绝对值，此时转换后的单木角尺度最优值为接近0的最小值.根据乘除法的基本思想，竞争指数和角尺度以取小为优，开敞度则取大为优.综合5个子目标，确定评价指数的计算公式如下:

式中：g为间伐后得到的保留木；W(g)、U(g)、UCI(g)、K(g)和V(g)分别为间伐后的林分角尺度、大小比数、竞争指数、开敞度和平均单株材积；σW、σV、σUCI、σK和σV分别表示林分角尺度、大小比数、竞争指数、开敞度和材积的标准差.

2.3 Monte Carlo方法

所有单木都有角尺度、竞争指数、开敞度、大小比数和材积等5个指标值.求解评价指数的最大值，即通过间伐，使保留木的角尺度接近0.5，竞争指数和大小比数尽量小，开敞度和平均单株材积尽量大.评价指数公式中存在大量变量，且变量之间相互影响，难以用穷举法求值.采用Monte Carlo法求解，即应用许晓东等[20]的林分间伐模型.本研究对该模型进行改进，把模型运行结束的条件改为“是否连续运行n次无更优解”，更精确地控制运算次数(本研究的n值取10 000时可以达到稳定效果)，记为林分随机间伐模型.模型的流程图见1A，使用C言语编制计算机程序.

表1 样地概况Table 1 General condition of the plots

2.4 林地栅格化处理

中心树的树高、胸径与角尺度、竞争指数、开敞度、大小比数和材积等5种参数值主要受邻木的影响，受距离较远的林木影响较小.因此，可在采伐前选取典型样地，把样地分为面积大小一致按方阵排列的方形栅格再进行分析.把方形栅格的边长、栅格内采伐木的特征及数量作为变量，穷举所有组合进行模拟间伐，最终确定方形栅格的边长、每个栅格内采伐木的特征及数量.模型的计算机程序见图1B，使用C语言编程，记为林分栅格间伐模型.

3 结果与分析

3.1 林分空间结构

1～5年生桉树人工林各空间指标(图2)显示：4年生林分被台风严重破坏，多为萌芽林，其他林分生长期间受台风影响较小；1～5年生林分的角尺度均小于0.475，林木呈均匀分布；1年生林分的竞争指数最小，2～5年生林分的竞争指数相差不大；开敞度的差异较大，1年生林分的开敞度最大，3年生林分的开敞度最小，此时林木生长空间最为不足.

3～5年生桉树人工林林木胸径、树高与各结构参数的相关性见表2.表2显示，胸径、树高与大小比数、竞争指数、开敞度、材积呈极显著相关(P<0.01).其中，单木的胸径、树高均与大小比数、竞争指数呈负相关，与材积呈正相关；胸径与开敞度呈正相关，树高则与开敞度呈负相关.

在实际间伐作业中，与角尺度、开敞度、竞争指数、材积等指标相比，比较林木胸径和树高的难度较小.结合各参数的相关性与指标测量难度，在林分栅格间伐模型中，以小胸径和低树高作为采伐木的特征.

表2 林木胸径、树高与各种林分结构参数的相关性1)Table 2 Correlations between DBH, tree height and other stand structural parameters

1)显著性(双尾)P值<0.01时，表示差异极显著，以**表示.

3.2 模型应用

以3～5年生的桉树人工林为例，把间伐强度作为变量，运行林分随机间伐模型进行模拟间伐，各间伐强度区间内最优方案评价指数的提高幅度如图3所示.通过间伐可以提高林分结构的稳定性，间伐强度与林分结构整体提高效果呈正相关.过大的间伐强度对林分总生物量的影响较大，因此，本研究在小间伐强度(小于25%)的范围内选择拐点.根据图3中的拐点，3年生林分选择(15%,20%]的间伐强度较为合适，4和5年生林分选择(20%,25%]的间伐强度较合适.通过林分随机间伐模型得到的间伐方案记为间伐方案1.

检验林分栅格间伐模型时，同样以3～5年生的桉树人工林为例子，列举栅格边长为1～8 m，栅格内砍伐1，2，3…株胸径(树高)最小林木的所有组合.选择以林分随机间伐模型确定的最优间伐强度区间,在该间伐强度区内，通过林分栅格间伐模型得到的最优间伐方案(优化效果最佳的组合)，记为间伐方案2.

两种间伐方案的间伐比例及间伐前后林分结构的变化见表3和表4.通过两种间伐模型输出的间伐方案均可通过X、Y坐标精确定位采伐木.其中，通过林分栅格间伐模型得到的间伐方案2也可通过栅格边长长度(可转化为若干行/列)、栅格内采伐木株数及特征确定采伐木(见表4备注).

表3 采伐前后林分结构的变化Table 3 Changes in stand structure after and before thinning

表3显示，3～5年生林分采取两种间伐方案均能提高林分评价指数.其中，3年生林分使用间伐方案2的效果更佳，4和5年生林分使用间伐方案1的效果更佳，评价指数的提高幅度分别比使用间伐方案2的高4.61%和3.93%，相差较小.采用间伐方案2进行间伐后，3年生林分的评价指数提高了67.57%，角尺度、大小比数和开敞度分别提高了23.56%、10.45%和5.02%，竞争指数下降了6.00%；4年生林分的评价指数提高了46.85%，其中，角尺度和竞争指数的变化较大，角尺度提高了16.67%，竞争指数下降了12.57%；5年生林分的评价指数提高了48.74%，其中，角尺度和平均单株材积分别提高了11.28%和3.74%，竞争指数下降了11.78%.而3～5年生林分采用间伐方案1间伐后，林分评价指数分别提高了55.51%、51.46%和52.67%.总体上看，使用间伐方案1与间伐方案2的效果相差不大，但使用间伐方案2的操作更为简便.

表4 两种间伐方案比较Table 4 Comparisons on 2 types of thinning schemes

4 讨论

4.1 评价指数

本研究从角尺度、开敞度、竞争指数、大小比数和材积等5个结构参数，从空间分布格局、林木生长空间、林木竞争压力，大小差异程度和林木材积量等5个方面构建评价指数，更精确量化描述了林分结构的稳定性，并以间伐后评价指数最大为目标，制定间伐方案.综合各个林分指标参数建立评价指数，以评价指数表示林分整体结构的优劣则更为全面[5].如吕忠爽等[25]以混交度、大小比数和角尺度等8个林分空间结构参数构建采伐指数；吕勇等[26]选取林木的混交度和大小比数等6个指标，进一步提出“间伐指数”；肖欣等[27]综合了大小比数、混交度和角尺度等参数，引入林分空间结构指数；惠刚盈等[28]提出基于单位圆的林分状态分析方法.上述研究为解决参数的综合评价问题提供了不同思路.林分各结构参数之间密切相关，探索林分结构参数间的关系有利于解决参数综合评价问题，是未来研究的发展方向之一[29-30].

4.2 林分间伐模型

林分间伐模型具有灵活性，可根据造林目的控制间伐强度，增添或减少林分结构指标对间伐模型进行调整.若培育的最终目标是异龄混交林，可以结合抚育间伐和补植耐阴树种来增大林分混交度.本研究主要提出林分栅格间伐模型，模型输出的间伐方案适用于林地较平整的林分.林分栅格间伐模型需要把林地分为边长一致方阵排列的栅格，对行间距固定的人工林则更为方便，通过林分栅格间伐模型确定栅格边长后，把若干行(列)作为栅格处理.模型所需的数据可通过调查典型样地获得，不需要对林分内所有林木进行调查.根据典型样地林分结构的分析结果，选取测量简易的指标作为采伐木的特征，通过林分栅格间伐模型输出间伐方案.

单独使用林分栅格间伐模型无法确定是否接近最大程度的优化林分结构.林分随机间伐模型通过大量样本比较，最终得出接近最优解的近似解及最合适的间伐强度区间.故在合适的间伐强度区间内得到林分栅格间伐模型输出的间伐方案后，还需与林分随机间伐模型输出的间伐方案进行比较，以确定是否接近最优间伐方案.若林分随机间伐模型的优化效果远高于林分栅格间伐模型，即林分栅格间伐模型输出的间伐方案效果远低于最优间伐方案，此时则不适合使用林分栅格间伐模型.在实际作业前，应选取林分典型样地，进行模型验证后再实施抚育间伐.

5 结论

通过林分空间结构参数能更准确地描述林分空间结构特征.本研究以角尺度、开敞度、竞争指数、大小比数和材积等5个结构参数建立评价指数，通过评价指数可更全面地量化描述林分结构的稳定性，并以评价指数为指标，反映间伐措施对林分结构的影响，比较间伐方案的优劣.

本研究的两种间伐模型均适用于桉树人工林.选择适宜的间伐强度，通过两种间伐模型输出的间伐方案均可以提高林分的评价指数，说明合理的间伐措施可以优化林分结构，提高林分质量.其中，采用林分栅格间伐模型输出的间伐方案间伐后，可减少林木竞争压力，增加林木生存空间，林分评价指数提高了46.85%～67.57%，显著提高林分结构的稳定性，且采用林分栅格间伐模型以确定采伐木的方法简便.如对试验地的桉树人工林进行抚育间伐时，可通过若干行(列)确定栅格，比较树高以确定采伐木，实际操作性强.