人工林经营中保持森林结构稳定性的探究

李 锐,李际平,张利利

(1.国家林业局中南林业调查规划设计院,长沙 410014 ；2.中南林业科技大学 林业系统工程实验室,长沙 410004；3.中国林业科学研究院亚热带林业实验中心,江西 分宜 336600)

人工林经营中保持森林结构稳定性的探究

李 锐1,李际平2,张利利3

(1.国家林业局中南林业调查规划设计院,长沙 410014 ；2.中南林业科技大学 林业系统工程实验室,长沙 410004；3.中国林业科学研究院亚热带林业实验中心,江西 分宜 336600)

采用小班水平上的划分方法,将小班看做是林分中的“单木”,相邻小班之间的边缘效应近似模拟了林分中“单木”与“单木”之间的空间位置关系,利用GIS构建森林耦合体。通过复杂网络将之抽象化为森林耦合网络,利用已构建的森林耦合网络结构稳定性模型,针对人工林的林学特征与经营方式,探究人工林经营中森林结构稳定性的优化调控。研究结果表明:1)当森林耦合体中存在面积较大的、林分质量较差的小班时,可将其更新为面积较小的小班,在小班上选择性更新与周围小班不同的树种,使面积较大的小班逐渐演替为“混交”的面积较小的小班。这一过程平衡了面积较大的小班周围介数分布,提高了森林结构稳定性。2)当森林耦合体中存在林窗时,可以在林窗中补植与周围优势树种不同的林木。这一过程降低了林窗周围节点的介数,平衡了整个网络的介数分布,提高了森林结构稳定性。研究森林耦合网络结构优化,实际上就是解决小班如何在有限空间内的合理布局,旨在为人工林经营过程中如何保持森林结构稳定性,同时又兼顾林业生产的可操作性提供一种新的思路。

人工林经营；森林结构；森林耦合网络；节点数；介数；稳定性

0 引言

森林的稳定性影响着森林这一复杂巨大的多功能系统,影响着林木之间的竞争及能量、物质交互,对林分中的物种多样性起着重要的作用。但如何从整个森林的角度来研究森林的稳定性,目前还没有一个较为系统的方法。人工林是森林重要林分类型之一,尤其是处在重要生态区位公益林中的人工林。但是大面积的人工林存在一个很大的风险,人工林会随着时间的推移,其林分质量愈发变差,即人工林具有生物学上的不稳定性。尤其是南方的杉木林,其树种结构单一、生物多样性低下,若遇极端气候条件则病虫害严重,森林结构稳定性会降低[1-3]。而南方森林中又存在大量的人工林,如何在人工林的经营过程中,提高森林结构稳定性,已成为当前林业工作者亟须解决的一个问题。现有的研究往往都是从局部森林考虑,以单木作为研究对象,通过林分空间结构指数角尺度、混交度和大小比数等对林分空间结构进行优化,采用间伐和合理补植补造的方式降低林木竞争,使林分趋向平均化,以此来提高林分结构稳定性[4-5]。但针对实际生产来说,在经营人工林时不仅仅要考虑生态价值,其经济价值也是衡量人工林的一个重要指标。对于达到成熟龄的人工林,一般情况下,处理方式就是对其进行皆伐；对于中龄林,进行间伐时也是凭实际的经验来操作。在人工林中几乎不可能做到对林木的属性因子和空间位置关系进行全部调查,然后再对其进行计算来优化调控。因而,林分的空间结构优化调整大多数还是停留在局部小范围,在森林工区或是森林管护站这一大面积的范围内很难系统地实施。

本文在研究森林结构稳定性时采用小班水平上的划分方法,将小班看做是林分中的“单木”,其相邻小班之间的边缘效应[6-8]近似模拟林分中“单木”与“单木”之间的空间位置关系,进而实现小班的“混交”模式。利用复杂网络[9-11]将之抽象化为森林耦合网络[12-13],网络中的每个节点代表现实林分中相对应的小班。利用已构建森林耦合网络结构稳定性模型,针对人工林的林学特征和经营方式,探究模型的优化调控。网络节点的调控一定程度上反映了小班水平上的调控,其意义近似于传统林分空间结构研究中“单木”的调控。研究森林耦合网络结构优化,并通过优化的结果提出人工林的经营措施。其实施对象为小班,在实际生产中既增强了调控的可操作性又兼顾了森林结构稳定性。

1 材料与方法

1.1基于邻接关系构建森林耦合网络

以湖南省桃源县森林资源二类调查数据为基础,在林相图中利用GIS将未成林林地、无立木林地、宜林地、苗圃地和非林地小班删除,构成内部小班具有连续性,即每个小班至少有一个小班与之相连,同时外部具有阻隔性,即整体与整体之间没有小班相连的耦合体[14]。这与物理学中的耦合作用是类似的。在物理学中,耦合作用是指两个或两个以上的电网络或电路元件的输入与输出之间存在紧密配合而且会相互影响,并通过相互作用从一侧向另一侧传输能量的现象。耦合体中的每个小班代表现实林分中的“单木”。本研究遵循先易后难的原则,对于小班与小班之间的边缘效应暂不考虑,默认相邻小班之间的边缘效应都极显著。

针对所选的森林耦合体,利用复杂网络工具Pajek将之抽象化为森林耦合网络。在耦合网络中,每一个节点都对应小班的几何中心,每一条边都表示小班之间的相互连接关系,小班之间的边缘效应都极显著,默认为节点之间的边权都为1,这样能很好地表示小班与小班之间的空间位置关系,也便于计算。

1.2选取与网络结构稳定性相关的指数

网络指数介数主要是描述节点对于信息流动的影响力,描述能量和物质流经该点的可能性。若该点的能量流和物质流相应增大,反映在网络指标上,即为介数的增大。利用介数即可确定节点的能量、物质负载程度,一定程度上表征节点的重要程度[15-17],即可筛选出整个耦合体中最为关键的小班。

假设网络具有n个节点,则节点x的介数定义为:

(1)

式中:gik为节点j和节点k之间的最短路径数,gik(x)为节点j与节点k之间经过节点x的条数,(n-1)(n-2)/2为任意两节点的连线经过节点x最大可能节点的介数。传统林分空间指数计算时,都以中心木为对象,计算范围为中心木及周围的邻近木,并且邻近木数量不同,对最后的结果也有差异。而利用网络介数,则可以计算整个网络范围内所有节点对该中心节点的影响,这样所得的结果无需再考虑节点重要程度的范围。

1.3确定与网络结构稳定性相关的模型

以节点数为150个左右的网络为例(方便计算和推演),统计不同介数范围内的累计节点数,构建累计节点数与介数中值(介数范围内取中值,计算回归方程)回归方程组。分析累计节点数分布与网络崩溃阈值之间关系,构建累计节点数在介数范围内分布的理想方程,再利用递推法构建不同介数范围内节点数分布的理想方程,构建好的方程[17]如下式所示:

(2)

k取到无穷小的正值时,方程g(x)曲线无限趋向于一条直线,即对于一个耦合网络来说,不同介数范围内节点数分布曲线越趋向于一条直线,人工林耦合网络越稳定。实际上最理想的网络应该是在三维空间下每个点都和其周围最短路径的点相连,并且最短路径也是相同的,每个点都是相同的连接状态。然而,这样的网络是不存在,因此k永远也不可能为0,其方程g(x)永远也不可能为一条直线,只能是无限趋向直线。

1.4网络结构稳定性模型优化

通过对(2)式的分析,发现要使网络的结构稳定,实际上就是要使网络中的节点分布更加均匀,每个点与之周围相连点的数量不应过多,也不应过少,最理想的状态是让每个点都有相同数量的点与之相连。结合林学特征及人工林经营的需要,设计两种优化方案。

1)将面积大、林分质量差的小班更新为若干个面积小的小班。当耦合体中存在面积较大、林分质量较差的小班时,将面积大的小班更新为若干个面积小的小班,其更新的小班面积应与整个耦合体中小班的平均面积大致相同。

2)将林窗更新为小班。当耦合体中存在林窗时,通过补植补造的方式将林窗更新为小班。

2 结果与分析

2.1将面积大 林分质量差的的小班更新为若干个面积小的小班

1) 由于早期人工造林条件和经济条件受限,南方人工林小班中以杉木林为主,结构单一,特别是杉木的二代、三代林分质量较差。对于这类面积较大的小班,对其更新为若干个面积小的小班,以平衡网络中节点介数的分布。如图1所示,在一个未优化的森林耦合体-1中,小班1,2,3,4(红色)是面积较大、质量较差的杉木三代纯林,由于面积较大,与周围接触的小班数也较多,抽象化到网络中节点的介数也较高。将此类小班进行更新,保留生长情况良好的区域,对更新的区域重新区划,这一过程会增加小班数。为排除节点数对网络结构稳定性的影响,最大程度地减小节点数对模型的干扰,在保证耦合体外形基本一致的情况下去除外围的小班(蓝色),以保证整个网络结构优化后节点数还是一致的[18]。在对大面积的小班区划的过程中(图2),1号小班原为杉木三代纯林,将此小班更新为杉木、松木、阔叶树、灌木、竹林和经济林,在原小班中形成新小班“混交”模式。

图1 未优化的森林耦合体-1

图2 对1号小班进行更新

2)将优化前后的森林耦合体抽象化为网络(图3、图4),网络总节点数都为128。图3中31号节点(蓝色)代表1号小班,其节点介数为0.259 9,在对其重新区划后,节点变为图4中的20,22,23,26,28,29和35号节点(蓝色),节点介数分别为0.047 1,0.005 0,0.023 7,0.006 4,0.006 9,0.033 7和0.168 6,这一过程降低了1号节点的介数,将其重要程度分散到其他节点上了。其他2,3,4号小班同上。对优化前和优化后的两个网络分别计算节点的介数,发现优化前后介数为0的节点数相差不大,但在0.01～0.15的介数范围内,优化后的节点数分布更加均衡,且优化前介数的最高值为0.275 6,优化后则为0.219 6。

图3 未优化的森林耦合网络-1

图4 优化后的森林耦合网络-1

3)根据介数的范围确定节点数,在坐标中确定散点,拟合曲线如图5所示。优化后曲线的“头”要低于优化前的曲线,而“尾”则相对于优化前的要短且高。两条曲线与当k=1×10-20的理想曲线g(x)相比时,优化后的拟合曲线显然要更接近理想曲线,说明该森林耦合体经过小班划分后,其结构更加稳定。分析其原因:在图3的网络中,由于小班节点31,79,87,101号的节点介数较高,当能量、物质在整个网络中循环流动时,小班周围的能量、物质流经面积较大的小班概率较高,其能量、物质的负载也较大,此类小班更为重要,一旦受到攻击,整个网络崩溃的可能性也会更高；在图4的网络中,将面积大的小班节点变为若干个面积小的小班节点,降低了单个节点的介数,当能量、物质循环流动时,流经单个小班的概率会降低,减小了小班的重要程度,因此当小班受到攻击时,网络崩溃的可能性也会降低。

图5 森林耦合体优化前和优化后结构稳定性对比-1

2.2将林窗更新为小班

1)当人工林达到成熟林后,一般情况下就会对其进行采伐,早期的采伐都是以皆伐为主,在采伐后由于各种条件受限,并没有对一些小班进行造林更新或是在造林失败后未对其进行补植补造,因此会在整个森林耦合体中形成林窗。在森林耦合体中将林窗更新为小班实际上就是在森林耦合网络中增加内部节点数,以平衡网络节点介数的分布。如图6所示,在一个未优化的森林耦合体-2中,白色区域1,2,3,4(白色)是林窗,抽象化到网络中此位置无节点,考虑到立地质量与造林成本,对此营造灌木林,以求尽量保持水土。这一过程会增加小班数,为排除节点数对网络结构稳定性的影响,所采取的技术方法同“2.1”节“1)”中所述的去除外围小班(蓝色)。在对1号林窗进行优化的过程中(图7),将白色的区域上更新为高山杜鹃,而周围的小班为杉木成熟林、阔叶幼龄林、杉木幼龄林、松木幼龄林、竹林和经济林,形成小班“混交”模式。

图6 未优化的森林耦合体-2

图7 对1号林窗进行更新

2)将优化前后的森林耦合体抽象化为网络(图8、图9),网络总节点数都为139。图9中33,51,78,113号节点(黑色)代表更新后的小班。以113号节点为例,在优化后，113号节点周围的102,104,111,118,119,123,129号节点优化前的介数分别为0.006 5,0.000 4,0.004 7,0.044 2,0.003 1,0.101 1,0.091 1,优化后各节点的介数为0.004 2,0.000 3,0.002 7,0.039 6,0.002 1,0.099 8,0.088 7,相对于优化前,介数都降低了,113号节点介数为0.014 0,实际上,在合理的位置增加内部网络节点就是局部范围内平衡节点介数的分布。其他2,3,4号林窗同上。对优化前和优化后的两个网络分别计算节点的介数,发现优化前后介数为0和介数在0～0.02之间的节点数基本保持一致,在0.2～0.15的介数范围内,优化后的节点数分布更为平均,并且在相对的范围内节点数更为集中,介数大的节点数变得更少,介数的最高值降低了0.01。

图8 未优化的森林耦合网络-2

图9 优化后的森林耦合网络-2

3)根据介数的范围确定节点数,在坐标中确定散点,拟合曲线如图10所示,优化后曲线的“头”与优化前的基本保持一致,而“尾”则相对于优化后要短,说明在耦合体内部增加小班,对耦合体边缘产生的影响较小,主要是对耦合体的内部小班进行了优化,使得网络节点介数分布均衡。两条曲线与当k=1×10-20的理想曲线g(x)相比时,优化后的拟合曲线较优化前要更接近理想曲线,说明对森林耦合体的林窗进行更新后,其结构更加稳定,但效果不如区划小班效果明显。分析其原因:在图8的网络中,当能量、物质在整个网络中循环流动经过林窗附近时,由于林窗的不连通性,使得能量、物质多分流到林窗附近的小班,造成这些小班的负载较高,小班节点介数也较高,当网络受到攻击时,若是随机移除这些节点,网络更容易崩溃；在图9的网络中,在林窗位置增加了小班,使得能量、物质流经此小班时,将之分流,降低网络节点的介数,减小小班的重要程度,得以提升网络结构稳定性。优化效果不明显则是因为林窗面积较小,对其整个耦合体的结构稳定性影响本身就很小,若是面积较大,且对林窗再进行重新区划更新,则耦合体结构稳定性提升就会较高。

图10 森林网络优化前和优化后结构稳定性对比-2

3 结论与讨论

3.1结论

森林耦合体是一个相对于外部较为封闭,但是内部又是开放的空间。当能量、物质在耦合体中循环流动时,遇到面积较大的小班或是林窗都会影响周围小班能量、物质的负载,从而对整个耦合体的能量、物质流产生影响。根据研究区的特点,从探索森林结构优化配置和人工林经营方式出发,针对人工林提出以下经营措施:

1)当森林中存在面积较大的、林分质量较差的小班时,可将之更新为面积较小的小班,在局部区域中形成一种小班的“混交”模式。例如研究区人工林以杉木为主,部分小班经过采伐后由于地理位置、经济等因素并没有对其进行更新,产生了很多的杉木次生林,这类小班往往面积较大,且质量较差,很容易受到病虫害的袭扰。对于这类小班,考虑次生林的生长情况,对其重新区划:生长情况良好的杉木,对其上层林冠进行改造,使上层更新为杉木次生林冠,给予保留；生长情况较差的杉木,对其采伐并植苗更新为其他树种幼龄林；生长中庸的杉木,对其进行抚育间伐,即使其保留杉木次生林冠,同时采取人工诱导的措施培育有前途的阔叶乡土树种,最终形成“混交”状态下的森林耦合体。

2)当森林中存在林窗:a.若林窗的面积较小时,对于立地条件较好的林窗,可以在小班中补植更新与周围优势树种不同的林木,在管理方面,则着重注意补植成活率；对于立地条件一般或是较差的林窗,从经济的角度考虑,建议营造灌木林。b.若林窗的面积较大时,可以考虑先将林窗重新区划,然后再根据地理位置与经济条件进行更新造林,营造与周围树种不同的幼龄林。

3.2讨论

在构建森林耦合网络的过程中,将相邻小班之间的边缘效应认为是极显著的,网络中节点之间的权重默认为1。但在现实林分中,小班与小班之间的边缘效应是有大有小的。在以后的细化研究中应先计算不同小班之间的边缘效应,再将边缘效应归一化处理,这样计算介数才更为精准。

在研究森林结构稳定性优化过程中,主要是靠增加特定位置的小班起作用的,实际上小班的变化往往总是伴随着小班个数和小班节点介数的双重变化,如何将小班个数与小班节点介数相结合构建森林耦合网络结构稳定模型也是下一步要研究的问题。

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ExplorationofStructureStabilityOptimizationaboutPlantationLandscapefromPerspectiveofComplexNetwork

LI Rui1,2,LI Jiping2,ZHANG Lili3

(1.CentralSouthForestInventoryandPlanningInstituteofStateForestryAdministration,Changsha,410014;2.CentralSouthUniversityofForestry&TechnologyLaboratoryofForestrySystemsEngineering,Changsha,410004;3.SubtropicalExperimentalCenterChineseAcademyofForestry,Fenyi336600,China)

Using the dividing method of sub-compartment level,the sub-compartment is treated as “individual tree”,the sub-compartment as stand between adjacent sub-compartment stands in the edge effect approximately simulates “individual tree” and “individual tree” space position relation，GIS is used to build the forest coupling system.Through complex coupling network,the network was abstracted into the forest to build and use forest coupling network structure stability of the model.In view of the plantation forestry characteristics and mode of operation,the optimization of the structure stability of the plantation management is explored.The results were as follows:(1)As the forest coupling system exists in the larger area and quality of sub-compartment which can be updated to a small area is poor,selective update in sub-compartment with the surrounding sub-compartment of different tree species can be made,and the sub-compartmentes with larger area are gradually changed into the area of the “mixed” smaller sub-compartmentes.This is a process that balances the betweenness distribution around the sub-compartmentes with larger area,improving the forest structure stability.(2)When the forest forest gap exist,in the coupling system,replanting can be made in forest gap and the advantage species around different trees used,the process reduces the forest window around the node betweenness,balances the betweenness of the entire network distribution,improving the forest structure stability.Study on coupling network structure optimization was actually how to solve a small forest in the limited space within the reasonable layout,aimed at for the plantation management in the process of how to keep the forest structure stability,at the same time,both the maneuverability of the forestry production to provide a new train of thought.

plantation management,forest structure,forest coupled network,number of vertices,betweenness,stability,optimize

S757

A

1002-6622(2017)05-0028-07

10.13466/j.cnki.lyzygl.2017.05.006

2017-07-28；

2017-09-23

国家自然科学基金面上项目“森林景观小班耦合网络特性与结构优化机理研究”(31470642)

李锐(1991-),男,湖北钟祥人,助工,主要从事森林经理和森林资源监测方面的研究。

Email:522125761@qq.com

李际平(1957-),男,湖南醴陵人,教授,博导,主要从事森林经理方面的研究。Email:lijiping@vip.163.com