基于林木特征和经济指标天然次生林单木优化

丰绪霞 王剑锋

(1.东北林业大学图书馆，黑龙江 哈尔滨 150001；2.黑龙江省孟家岗林场，黑龙江 哈尔滨 150001)

林分结构决定林分功能，通过对林分结构的优化可以实现林分格局更加合理，加速林分的演替进程，从而提升森林质量。林分结构分为非空间结构和空间结构，传统的非空间结构指标主要包括树种组成、直径和树高分布、蓄积量等，空间结构主要依托相邻木的位置关系，基于3结构参数(混交度、大小比、角尺度)来描述[1]。

单木最优化经营决策应该说是自然资源管理中规模最小的决策，也是森林经营和规划决策中最基础的决策。森林经营和规划决策包括4个水平上的决策:即林木、林分、森林和景观。各层次水平方面的决策规模和范围依次增大,但各相邻层次之间相互联系，较小规模和较低层次水平的决策是上一层次决策的基础[2]。

1 研究区概况及资料收集

1.1 研究区概况

本研究选择东北林业大学帽儿山试验林场为研究区域。帽儿山实验林场位于黑龙江省尚志市西部，距哈尔滨市100km左右，座落于127°30′～127°34′E，45°20′～45°25′N之间[3]，南北长30km，东西宽20km，总面积26496hm2，共划分10个森林经营施业区、151个林班。

帽儿山属长白山系张广才岭支脉西部的小岭余脉，境内平均海拔高381m，地势由南向北逐渐增高，面积加权平均坡度14.0°，属低山丘陵缓坡地形。本林区属大陆性气候，四季较为分明，年平均气温2.8℃，无霜期120～140d,年降水量723.8mm，年蒸发量1093.9mm,年平均相对湿度70%。该区植被属于长白山植物区系，是由地带性顶级植被阔叶红松(Pinuskoraiensis)林经人为干扰破坏后形成的较典型的东北东部天然次生林。暗棕壤土类在本林区属地带性土壤。

该地区次生林类型多样而具有代表性，主要包括:蒙古栎林、杨树林、白桦林、杂木林等;人工林有樟子松林、落叶松林、落叶松-水曲柳混交林等。

1.2 资料收集

本研究复测固定样地位于帽儿山实验林场跃进施业区2林班21小班。林分起源为天然林，该林分在历史上经过人工反复采伐，形成次生残破林相，后经演替形成了珍贵阔叶天然次生林。2007年7-8月对样地进行布设，并进行了GPS定位，样地面积大小为50m×30m，样地用5m×5m的相邻格网进行调查，以每个格网为调查单元。每木调查因子包括树种、胸径、树高、死枝高、活枝高、冠幅、坐标和林木状态等。2007年林分树种组成为5胡2色1黄1白1榆+水，平均胸径为14.7cm，平均树高9.7m，蓄积量为120.2m3/hm2，每公顷株数1120株。2012年7-8月对设立的天然次生林固定标准地进行了复测，并对标准地内的进界林木和枯死林木进行了调查。5年间固定样地自然死亡林木株数12株，进界林木株数17株。2012年林分树种组成为6胡1黄1色1榆1白+水，平均胸径为15.7cm，平均树高11.2m，蓄积量为146.8m3/hm2，每公顷株数1153株。2次调查前后固定样地的基本信息及统计量见表1、表2。

表1 2007年固定样地林木基本特征

表2 2012年固定样地复测林木基本特征

2 研究方法

2.1 空间结构参数

本文采用国际上目前较为通用的反映空间结构状况3个指标:混交度(M)、大小比(U)、角尺度(W)来描述林木和林分空间结构状态[4]。并采用董灵波、刘兆刚等构建的林分空间结构指数(FSSI)和林分空间结构距离(FSSD)进一步分析和评价天然次生林林分空间结构的状态和动态变化[5-6]。

3个空间参数的计算公式如下：

(1)混交度：

(2)大小比：

(3)角尺度：

以固定样地调查数据为基础，在计算林木空间结构参数时，以每株参照树相邻最近的4株相邻木组成基本的空间结构单元[7-8]。本研究根据数据调查的情况,计算时为了消除处于林分边缘树木的系统影响，采用简单的边缘校正方法，划出5m宽的界限设置缓冲区。

林分空间结构指数(FSSI)和林分空间结构距离(FSSD)计算公式如下：

(4)林分空间结构指数

式中：FSSI为林分空间结构指数，0≤FSSI≤100；M为林分平均混交度(%)；U为林分平均大小比(%)；W为林分平均角尺度(%)；0≤M，U，W≤100

(5)林分空间结构距离

式中：FSSD为林分空间结构距离，0≤FSSD≤150；M为林分平均混交度(%)；U为林分平均大小比(%)；W为林分平均角尺度(%)

2.2 林木经济价值最优化

林木经营问题的最优解是留存该株林木的边际成本等于采伐这株林木的边际收入。边际成本由投资收益率来表示，而边际收入由林木的价值增长率表述。

林木价值增长率公式如下：

式中：vn：林木斯末价值；v0：林木斯初价值；n：调查间隔期；p：林木价值增长率。

因此为使一株林木价值最优化，如果从经济价值角度出发，林木是继续保留还是确定采伐，具体操作就是比较该林木的价值增长率与林木所有者预设的投资收益率大小关系：

当P>I(预设的收益率)时，保留该林木；当P

3 结果与分析

3.1 林分空间结构特征及动态变化

采用winkless2006 软件进行2期林分自然生长空间结构分析[9],缓冲区带宽设为5m, 2次调查前后固定样地核心区各树种的空间结构参数特征及变化见表3。

从表3中可以看出, 林分空间结构指数与林分空间结构距离2次调查前后林分平均水平空间结构指标变动不大,林分整体上处于随机分布,平均混交度和大小比数相比有所降低,反映林木的水平分布格局的平均角尺度更趋向于随机分布。从林分组成的主要树种来看，调查前后树木分布格局处于随机分布，混交度有所增强，大小比降低，胡桃楸在林分中所占的主导地位进一步增强，这与前述中树种组成所占的比例增加是一致的。主要伴生树种色木和榆树是株数比例最大的2个树种，但从林木特征来看，大部分为小径阶林木。调查前后色木空间分布格局由团状分布转为均匀分布, 平均混交度有所降低，主要原因是新进界的林木大多为色木，新进界的色木大多分布在径阶较大的色木周围，林木株数由每公顷313株增加到每公顷393株。榆树株数调查前后没有变化,林木的空间分布格局因此也没有发生变化,仍然为团状分布, 随着林木的自然生长,平均混交度增加,大小比数降低, 林分空间结构指数有所增强。珍贵硬阔树种黄菠萝在调查前后株数稍有增加，林木株数并不多，但径阶较大，在林分树种组成中占1成，超过了色木在林分组成中的比例，呈团状分布。先锋树种白桦在群落演替后期所占比例并不大，调查前后株数没有变化，在林分中属于极强度混交，由于色木等其它进界木的出现，使原来白桦空间格局由均匀分布转为随机分布。落叶小乔木暴马丁香，由于径阶较小，虽然有一定数量比例林木，但大多处于次林层，调查前后有部分枯死，混交度进一步增强，大小比有所降低，空间分布格局由均匀分布转为团状分布。水曲柳株数在林分中所占的比例较小，只有3株林木，由于在其附近的较小林木死亡，导致其分布格局由随机分布变为团状分布。总体来看，随着林分的自然生长，林分空间分布格局更趋向于随机分布，珍贵阔叶树叶胡桃楸、黄菠萝、水曲柳在林分组成中所占的比例越来越大，随着次生植被的发展，中生系列的群落在自然恢复演替的过程中，次生林分或收敛于以硬阔为主的林分[10]。

表3 调查前后各主要树种林分内空间结构参数特征

3.2 单木经济价值最优化

收集了2007、2012年研究区域各主要树种径级、长级平均立木价格及各主要树种材种出材率表。根据各主要树种平均胸径和树高查二元材种出材率表，确定出各主要树种的平均材种出材率，再乘以平均立木价格，得到2007、2012年2期调查前后单木平均价值，并按增长率公式计算各主要树种的价值增长率。调查前后各主要树种单木平均价值及价值增长率见表4。

表4 调查前后各主要树种单木平均价值及价值增长率

从表4可以看出，价值增长率较高的树种分别是胡桃楸、水曲柳、椴树、黄菠萝，均大于5%，其他树种的价值增长率均小于4%。如果预设的价值增长率为4%，则这些树种均在采伐范围之内[11-13]。

4 结论

通过2期林分调查数据可以较好地掌握林分空间结构的动态变化，以及林分的自然生长对目标树的影响，林分空间结构指数和林分空间距离2个指标可以很好地说明前后2期的空间格局的变化。如果目标树在生长的过程中，空间结构指数变小或空间结构距离变大，则表示该目标对在生长过程中受到竟争木的影响，需进行适度经营。从2期调查数据来看，胡桃楸林分空间结构指数从87.8增长到88.5，林分空间距离从25.3减少到22.1，说明该树种生长良好，不需要对其空间格局进行人为干预，而另一珍贵阔叶目树树种黄菠萝林分空间指数从84.2减少到81.2，林分空间距离由26.9增加到35.5，说明该树种在生长过程中空间格局由于受到竟争木的影响，生长受到影响，需进行格局优化。

在对林木格局进行优化的过程中，结合单木价值增长率可从另外一个角度反映单木经营的必要性和准确性，以保证林分空间格局优化时，采伐的林木从经济角度上讲是否可行。