耦合美景度的生态风景林目标树法优化经营

2017-02-01艾婧文余坤勇张今朝赵秋月上官莎逸

林业资源管理 2017年6期

艾婧文,刘健,余坤勇,张今朝,赵秋月,上官莎逸

(福建农林大学,福州 350002)

生态风景林是指具有一定生态价值的,同时能够提供人们审美需要的一类森林景观[1-2]。随着我国经济的快速发展和人们生活水平的不断提高,人们对城郊森林的需求也越来越高,生态风景林则逐步开始承担部分的游憩功能,以此满足城市居民对森林的景观游憩、娱乐休闲及健身疗养的需求[3]。有关研究表明,生态风景林的建设可以提高森林覆盖率,在保障区域生态环境的同时,对提高人居生态环境质量和促进生态文明建设具有重要意义[4]。然而,当前的近郊森林普遍存在林分质量不高、林分结构不合理、林分层次单一垂直郁闭度少等问题。我国在《全国森林经营规划(2016—2050年)》中提出转变林业发展方式,实施森林质量精准提升工程,充分发挥森林的多功能性,合理构建多功能经营的生态风景林[5]。目标树法能够通过择伐邻近竞争木来降低冠层竞争,获得较大的生长空间来满足生长需求,进一步提升单木的直径生长量、蓄积生长量和树冠生长量,很好地提高林分经济效益和生态效益,是实现森林优化经营的一种重要方法和措施[6]。但是单一的目标树经营主体以木材成长为主要出发点,未能考虑风景林的景观质量。因此,将美景度评价方法纳入目标树经营策略中确定生态风景林的优化经营方案,能够实现生态风景林优化经营效果的有效量化与评价。

森林景观质量评价能够对生态风景林现状进行评估及未来发展趋势进行预估,是保护和合理利用森林景观资源的前提。美景度评价法,是景观评价中一种“视觉刺激—心理感知”的表现,其精准性、实用性和准确性在景观评价中得到了广泛认可[7]。森林景观美景度的评价主要从群落特征结构和林分空间结构角度进行探讨,其中李俊英[8]通过构建群落特征与美景度评价模型,得到乔木胸径、树高、通透性与美学质量评价呈正相关关系；邓送求[9]则分析得到林分密度和郁闭度对景观美学质量的负相关影响；俞晓凌等[10]从林分角度研究发现大小比数与美景度的正相关关系,角尺度的负相关关系。因此,在经营森林时,将美景度影响因子纳入考虑,能够在保证森林生态结构稳定的基础上提高景观美学价值。本文以福建三明市金丝湾森林公园的风景林为研究对象,调查和分析生态风景林林分和群落结构特征,选择和确定目标树,同时耦合林分景观因子构建多元线性回归模型,确定科学合理的生态风景林优化经营方案,并对经营前后的林分结构和景观状况进行评价分析,以期综合提高生态风景林的景观及生态效益,为生态风景林的优化经营提供参考。

1 研究区概况

金丝湾森林公园位于福建省三明市北部梅列区陈大国有林场内,毗邻瑞云山风景区,地理位置26°18′32″～26°20′44″N,117°33′9″～117°37′19″E。属于闽西武夷山脉中部的低山丘陵区,地势由西北向东南倾斜,海拔在200～500m之间,最高海拔约为690m。该区属于中亚热带季风气候,年均温约为19.7℃,年平均日照时数为1 812h,年均降雨量约为1 586mm,平均相对湿度为79%。土壤表现为典型地带性分布,类型主要是酸性岩红壤、黄壤、棕黄壤等,成土母质以花岗岩、流纹岩、火山岩山体为主。该区物种资源丰富,植被多由天然次生阔叶林、针阔混交林、经济林等组成。植物种类丰富,据调查,已鉴定的木本植物计96科320属500余种,松科(Pinaceae)、杉科(Taxodiaceae)、柏科(Cupressaceae)、壳斗科(Fagaceae)、红豆杉科(Taxaceae)。

2 研究方法

2.1 资料获取

2017年1月,在金丝湾森林公园的人促米槠林培育示范基地中,设置8块具有代表性的方形标准地(25.82m×25.82m),依次编号1～8,样地均与森林游憩步道缓冲距离大于5m。标准地林分是以米槠为优势树种的常绿阔叶林,龄组为近熟林,总共调查面积约为5 333.379m2。采用全站仪测设4个角点的坐标,对样方内胸径≥3 cm 的林木进行坐标定位及编号,统计乔木类型、胸径、枝下高、冠幅等信息,并按照顺序钉树牌。2017 年7月对样地内所有林木进行复测。

2.2 林分结构测定

林分结构指林分在自然生长的情况下,其内部所反映的趋于稳定的结构规律,由非空间结构及空间结构组成。非空间结构反映林木的基本情况不受林木空间位置的影响,主要包括胸径、树高、密度和树种多样性等。多样性指数计算公式如下[11-12]：

Margalef丰富度指数：

DM=(S-1)/log2N

Simpson多样性指数：

D=1-∑ni(ni-1)/N(N-1)

Pielou均匀度指数：

Jsi=(-∑Pilog2Pi)/log2S

式中：S为树种总数；N为各树种总数之和；ni为第i个树种的数量；Pi为第i个物种的相对多度,Pi=ni/N。

林分空间结构特征因子主要是反映群落林木在水平和垂直方向上的空间位置上的属性及其排列的空间关系,主要由林木空间分布格局、混交程度、大小分化等组成。为了消除边缘效应的干扰,采用八领域分析法在ArcGIS 10.1中复制样地文件和林木矢量文件到原样地的东、南、西、北、东北、东南、西北、西南8个方向,形成大样地。依据“1+4”模式进行在Winkelmass软件[13]计算得到大小比、角尺度、混角度等林分空间结构指标。混交度(M)是树种空间隔离程度的一种体现[14]；角尺度(W)主要是描述参照树周围相邻木的均匀性,反映林木分布状态情况[13]；大小比数(U)表示林木大小分化的程度[15],相关参数计算公式如下：

式中,当参照树i与第j株相邻木为不同种时,Vij为1,否则为0；n为相邻木株数。

式中,当参照树i与第j株相邻木的夹角<标准角时,Zij为1,否则为0；n为相邻木株数。

式中,当参照树i小于相邻木j时,Kij=0；否则,Kij=1。

2.3 林分景观评价

美景度评价法用数值大小来反映人们对自然美的感知和评价,国内外也将运用美景度值预测景观美学质量,构建景观要素与美景度值的线性关系。因此采用美景度评价法对金丝湾森林公园的林分景观质量进行前期评价。从样地的外侧沿着东西南北的4个透景线向中心获取照片(图1),图片在纵深层次和高深层次上能够包含样地内所有植物[16]。通过照片(幻灯片)为评价媒介[17],使用李克特7分制的评价尺度,即喜欢程度为很喜欢、喜欢、较喜欢、一般、不太喜欢、不喜欢、很不喜欢相应的赋值为3,2,1,0,-1,-2,-3,对金丝湾森林公园8个样地的32张照片进行景观美学评价[18],并采取z-score 标准化方法对每份问卷的评价值进行得分标准化[19]。

图1 森林公园森林景观取样示意

3 结果与分析

3.1 优化前林分结构

3.1.1林分结构

8个样地中林分密度最小的样地3为825株/hm2,最大的样地2为1 860株/hm2,平均林分密度为1 264株/hm2,样地植株的生长空间差异较大。8个样地的平均胸径在15.07～26.5cm区间,整体林分平均胸径为17.418cm,最大直径达50cm(表1)。进一步统计分析全林分小、中、大和特大径组株数比例分别为41.49%,36.72%,16.72%和5.07%,小径组林木比例最大,特大径组林木比例最少,株数比例呈下降趋势。金丝湾森林公园主要森林类型为常绿阔叶林,优势树种为米槠,全林分的平均Margalef丰富度指数、Simpson多样性指数与Pielou均匀度指数分别为1.353,0.528,0.594,与福建福州鼓山、福建建瓯天然米槠阔叶林群落相比[20],研究区林分树种种类不多,多样性偏低。

表1 林分结构综合评价Tab.1 Comprehensive evaluation of stand spatial structure

全林分树种混交度中等,样地5混交强度大能够达到0.6,植株间竞争较小,而样地3和样地6混交度较低,为0.260和0.300属于弱度混交；有研究指出当角尺度>0.517时为聚集分布[21],8个样地的水平分布呈聚集分布格局,这在一定程度上削减了林分对环境的适应能力；胸径大小分化较明显,参照树处于中庸生长状况。

3.1.2林分景观质量现况

2016年12月对金丝湾森林公园进行林相改造区域的原始林分进行照片拍摄及美景度评价。提取林冠轮廓线(X1)、树冠层次(X2)、树冠质地(X3)、林分格局(X4)、林分色彩(X5)5个项目的林分空间结构特征值作为影响要素分析(表2)。将提取的5个项目作为自变量,森林公园景观的标准化美景度值作为因变量,建立多元线性回归模型：

SBE=-0.158x1-1-0.181x1-2+0.172x4-1+0.346x4-2-0.178x4-3+0.023x5-2+0.759x5-3-0.057

林分空间结构特征值对金丝湾森林公园美景度的影响程度为林分色彩﹥林分格局﹥林木覆盖度。从林分色彩来看,色彩丰富度较高、色彩对比强烈的森林景观能够给人们带来美的享受,在常绿纯林中零星有异色树种点缀的森林也得到大众的普遍认可；从林分格局得分来看,均匀分布的得分值最高,其次为随机分布的林分结构,但差距不大,而人们不大喜爱聚集分布的森林景观。可见,人们比较偏爱整齐规律的森林景观,同时在统一的群落中兼有点缀的其他林分类型也能到观赏者的喜爱；从林木覆盖率来看,人们偏爱高林木覆盖率的森林景观,当评价照片中林木覆盖率低于10%时,对美景度值的负向影响能力更大。

表2 金丝湾森林公园景观要素分解表Tab.2 Landscape factors of JinSiwan Forest Park

结合林分结构和林分景观质量的现状分析,现有林分树种较少、林分分布过于聚集、林层景观杂乱、胸径大小分化较为明显,林分色彩较为单一,因此林分景观调整优化的目标为：林木覆盖率高,林分趋于均匀或随机分布(角尺度W≤0.517),林木大小分化合理,大小比处于中庸状态,林分景观色彩丰富,优势木生长势强,林分物种多样性进一步提高。

3.2 耦合美景度的生态风景林目标树优化经营策略的构建

结合林分景观优化调整目标,整体林分在近自然经营的基础上,采用动态森林演替方式改造林相(图2)。每隔一段时间将林下草灌层进行清理疏伐,结合景观层次需要的林分结构优化调整,构成“更新—生长—利用”的经营周期,即“梯度递进”原则。调整林分除可产生森林资源直接价值外,景观林的修复与层次建设,将极大提升森林休憩景观感受,并且产生良好的社会经济效益。

图1 动态森林演替方式

3.2.1目标树的选择

目标树在近自然培育高价值永久性森林林分中,有利于实现经营多功能目标,使其能够占据持续性的竞争优势[22]。在林分的景观改造中,以景观因子为主要考虑要素的目标树法进行林相改造,将林木姿态及色彩纳入目标树的首要判定指标。树木姿态变换形式多样和色彩季相变化明显,二者使树木富有动感美及感染力,也是主观感受最强的景观审美因子。因此将林木形态及色彩进行量化分解,分为7级(表3),景观优势较高的Ⅰ～Ⅲ级树木作为目标树的选取条件。林分景观价值中重要指标林分格局的判定,原始林分过于密集,从景观美学考虑,将角尺度W≤0.517的组团作为目标树的一个选择指标,并依据传统的目标树选择要求进行进一步筛选。

表3 景观价值定性因子分解表Tab.3 Factor decomposition of landscape value

理想的目标树需满足以下条件[6]：实生树种、树干通直、树冠健康且冠长不小于树高的1/4、生命力旺盛无明显病虫害及枯梢迹象、长势旺盛且位于主林层。选取每公顷中50～100株最高的林木树高平均值做为林分的优势高,上林层则为大于2/3优势高的位置；优势程度的选择依据惠刚盈的大小比数来确定,当U=0时,周边4棵相邻木对参照木构不成生长威胁,故目标树选择U=0的林木；林木的冠径比与林木增高潜力层反比,能够有效地反映林木增高潜力的大小。综合理想目标树选择条件及观赏价值得到目标树选择的标准(表4)。

3.2.2择伐木的选择

影响目标树生长的干扰木在近自然经营中需要进行砍伐,以此来保证目标树的生长。将样地林木的相对坐标导入ArcGIS 10.1中,利用分析工具(Anlysis Tools)中的创建泰森多边形(Create Thiessen Polygons)命令得到林木的Voronoi图(图3)。利用林木的树高、胸径、参照木与邻近木之间距离等基本信息,综合考虑水平及垂直方向对目标树的竞争,以此进行择伐木的选取。水平方向上的竞争关系CIc、垂直方向上的竞争关系CIh依照如下公式计算：

CIc=(CWi+CWj-Dij)/CWi

CIh=(Hi+Hj)/Hi

式中：CWi,CWj分别为目标树、邻近木的胸径；Hi,Hj分别为目标树、邻近木的树高；Dij为目标树i与邻近木j的距离。利用水平竞争指数及垂直竞争指数确定9个竞争等级(表5),第Ⅰ级表示竞争最为激烈,以此类推。依据竞争等级的影响效力,将竞争等级为Ⅴ—Ⅸ的林木定为择伐木。

表4 目标树选择标准Tab.4 The selection criteria of target tree

图3 样地3林木Voronoi图

竞争等级1/2

依据目标树的择伐方案于2017年1月进行择伐(表6),8个样地的择伐强度在5.217%～14.754%之间。基于目标树的生态公益林的经营效果的有效量化及评价是生态公益林优化经营的重要所在。针对择伐前后的林分结构及整体景观美学效果进行及时跟踪评价将为生态公益林的优化经营提供辅助决策。调查时间为2016年12月及2017年6月(择伐后半年)。

表6 经营方案Tab.6 Forest management plan

3.3 优化经营效应分析

根据Liocourt和Meyer的q值法则[23],林分直径在自然状态或者合理的人为干扰下,q值围绕特定的范围上下波动,如果研究区的林分q值落在1.2～1.5的区间上,则认为直径株数分布是合理的,否则认为不合理。从图4看出,研究区林分径阶分布较广,分布曲线呈倒J型,林木株数整体随着径阶增大而减小。采用负指数函数对林分直径分布进行拟合,拟合方程为y=220.5e-0.17x,拟合系数R2为0.932。利用负指数方程计算得到全林分q值为1.41,认为采用耦合美景度的目标树法经营措施,研究区林木直径分布较为合理,符合典型的异龄林直径分布特征。

图4 全林分径阶株数分布及负指数拟合图

3.3.1优化后林分结构分析

经营效果分别从非林分空间结构(干扰强度、直径分布、群落多样性)和林分空间结构(林木水平分布、混交度、大小比)等方面进行评价(表7)。

表7 择伐前后综合评价Tab.7 Comprehensive evaluation before and after selective cutting

全林分密度调整前为 1 255.622,1 139.430株/hm2,依据调整方案选取目标树62棵,经过抚育择伐林木62株,按择伐株数计算,择伐强度为9.253%,择伐强度较弱,属于轻度干扰。平均胸径由18.418减少到17.812,减少幅度为-3.290%,进一步统计分析选取的择伐木直径主要集中在中径组和大径组,全林分小、中、大和特大径组株数比例分别为45.066%,35.362%,14.309%和5.263%,直径分布趋近于理想状态小、中、大径阶的5∶3∶2。从物种多样性角度来看,择伐没有减少全林分的物种数,Margalef丰富度指数Dm,Simpson多样性指数D,Pielou均匀度指数Jsi均有所增长,增长幅度分别为4.493%,2.976%,3.000%。

择伐后,全林分空间结构参数为M=0.479,W=0.564,U=0.496,与伐前相比,混交度、角尺度、大小比变化分别为1.699%,-2.083%,-0.800%。混交度程度增大,林分的隔离程度较好,林分越趋于稳定。角尺度在择伐前后都属于聚集林分,但是改造后角尺度有适当地下降,林木分布有向随机分布发展的趋势；林分平均大小比基本维持在0.5,代表林木处于中庸,大小比数越小,目标树越有优势,采伐后并周围木对目标树的竞争有减小的趋势。

3.3.2景观质量分析

将两期的美景度值进行分析(表8),全林分的美景度值由-0.499增长到-0.046,增长幅度为90.788%,在目标树选择时对林木的色彩及姿态选择要求较高,对色彩杂乱的枝条、无培养的价值的树木进行砍伐,调节林分色调及色彩,在一定程度上增加了全林分的景观美学价值。但8个样地中2个样地有所下降。通过对样地3和样地6的景观要素进行分析,发现2个样地的林分密度分别为527.588,914.543株/hm2,林分覆盖率相对较低,而对其进行择伐进一步降低了林分覆盖率,从而影响了森林美学价值。景观格局对于美景度的影响也较为明显,中择伐前美景度值最低的样地4(-0.929)与样地8(-0.886)角尺度均大于0.6,林分接近聚集分布,择伐后林木生长空间增大,美景度值有较大的提升。

表8 8个样地不同情形下美景度值Tab.8 SBE values of 8 sample plots in JinSiwan Forest Park

注：“+”表示择伐后样地美景度值较择伐前有所提升,“-”表示表示择伐后样地美景度值较择伐前有所下降。

整体林分经过择伐调整后,林分空间结构得到良好的改善,物种的多样性相应的增长,说明研究制定的择伐方案合理有效。并且择伐后的林分美景度值大幅度提高,可见将美景度与目标树法相耦合的森林公园经营策略能够在保证生态价值的基础上,提升景观美学价值。

4 结论与讨论

当前针对生态公益林的景观改造,经营思想仍停留在用材林上,或者采用简单地“一刀切”、“只予不取”,并且较少考虑生态公益林的景观价值,同时,在现有技术条件下风景林的优化经营仍是一个难点。研究通过对金丝湾森林公园生态公益林优化经营,探讨了耦合美景度及目标树法对生态公益林进行景观改造的可能：首先,在林分景观改造前对林分结构和林分景观质量进行调查分析,并运用线性回归分析得出主要影响要素,其次,结合目标树法对林分进行优化经营,最后通过林分群落特征、林分空间及美景度值评判经营前后的生态及景观效益。

研究表明,择伐后的林分混交度、角尺度、大小比变化分别为1.699%,-2.083%,-0.800%,隔离程度较好,林分向随机分布、目标树生长优势提高的方向发展。通过择伐可以改变林木的空间关系、竞争态势和分布格局。择伐后样地物种多样性指数均有增加,Margalef丰富度指数、Simpson多样性指数、Pielou均匀度指数增长幅度分别为4.493%,2.976%,3.000%。变化原因在于择伐多为聚集的林木组团,增加了林分的透光性,改善林分卫生状况,促进了林下草灌生长。同时在择伐的过程中保留了部分的枯落物,这些枯枝落叶具有较好的生态效益,能够为微生物的生长提供场所及养分,有助于森林再生。通过改造方案的实施,对择伐前后的景观美学价值进行比较,全林分的美景度值由-0.499增长到-0.046,增长幅度为90.788%,调整后林分结构得到优化,说明研究提出的将传统目标树法与景观质量评价因子融合的优化调整技术可以定量地指导金丝湾森林公园进行生态风景林经营改造。

美景度评价将影响要素与评价值建立模型,能够较为准确地反应出森林景观的美学质量,并将重要影响因子作为目标树的选择标准进行经营管理,弥补了传统经营方式上缺乏景观评价的缺陷。虽然美景度评价法其可靠性及灵敏性得到普遍的认可,但是也存在模型不够通用的缺陷,将美景度评价所得的景观要素作为目标树选择一个重要指标,提高了模型的实用性,为生态风景林的改造提供新的思路。生态公益林的优化经营不是一次调整就可以达到最优的林分结构状态,而是一项循序渐进的过程,需要根据实际林分生长变化需要,不断调整林分经营对策。林分的生长及调整效果是一个长期的影响,目标树的生长量、物种多样性、林分空间结构变化以及整体林分景观效果需要做进一步的研究。

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