耦合林分结构的低密度生态风景林模拟补植优化

刘 健，项 佳，余坤勇，杨素萍，张今朝，赵秋月

(1.福建农林大学林学院/3S技术与资源环境优化利用福建省高校重点实验室，福建福州350002；2.三明学院，福建三明365000)

风景林是以维护自然风光和提供游憩娱乐场所为主导功能的特种用途林[1]。随着风景林内涵的延伸，出现了生态风景林的概念。生态风景林是符合风景林设计要求的具有专门防护功能的林种，即兼有防护功能的风景林，是城市森林的重要组成部分，也是生态公益林的一种特殊成分。合理的森林结构是生态风景林更好发挥景观效益和生态效益的前提[2-4]。林分结构理论广泛应用于森林结构研究[5-6]，通过分析树木在林分中的组成、生长和分布状态，表征林分特征，量化评判林分优化、更新的标准。依据林分结构指标优化风景林经营现状，是突破当前风景林偏理论定性调整局限的研究重点，对于丰富当前生态风景林研究中关于树种配置、景观评价[7-9]方面研究具有重要意义。 由于受到相关经营理念影响，当前生态风景林主体处于未封山育林的一刀切状态，相关部分更新不良、林分密度较低的风景林林分，树木竞争压力相对较小，生长空间、营养元素并未得到充分的利用，所引发的现象之一则是较大的林窗会减少乔冠层对强降水的拦截作用，更易发生水土流失等自然灾害。因而，针对特定的林分现状，探索切实可行的营建技术，是改善当前风景林森林资源经营、提升森林资源价值及文化挖掘的重要所在。低密度林分，可通过补植的方式人工促进天然更新，以提高林分密度、改善林分空间结构、提升生态风景林的防护性和观赏性。Voronoi 图、Delaunay 三角网分析空间结构单元是当前森林经营改造中重要的量化技术，结合GIS领域的空间分析技术来模拟林分空间配置，在不破坏当前林相的前提下，可以为定量补植研究提供技术指导[10-12]。

金丝湾森林公园属于生态公益林，位于城市近郊，不仅对调节城市小气候发挥着重要的作用，而且直接服务于城市居民回归自然、休憩游玩的精神需求。但森林公园内，尤其是低密度风景林树种结构单一、色彩单调严重限制了其生态和景观效益的最大发挥。为提升金丝湾森林公园中低密度生态风景林稳定性和可观赏性，营造林分结构稳定、季相多变、景色优美的风景林，亟需配合合理的补植方案调整林分、优化林相。为此，本文将基于林分空间结构的定量原则，确定三明金丝湾福建省级森林公园中低密度生态风景林的补植优化方案，并通过GIS量化、模拟方案的实施，为金丝湾森林公园的健康经营管理和林相优化改造提供理论和技术支持。

1 研究区概况

金丝湾森林公园位于福建省三明市梅列区陈大国有林场(117°33′9″E～117°37′19″E，26°18′32″N～26°20′44″N)，占地积达151.7 km2，距离三明市区约12 km，地处武夷山中部，海拔在189～698 m。该地区属于中亚热带，具有海洋性和大陆性气候特点，气候温润，雨量充足，年均温为19.7 ℃，年均降水量1 586.2 mm。地带性土壤为酸性岩红壤、黄壤、棕黄壤等，土壤腐殖质层较厚，含水量较高。植被类型为典型常绿阔叶林，主要乔木树种为米槠(Castanopsiscarlesii)、闽粤栲(Castanopsisfissa)、马尾松(Pinusmassoniana)、杉木(Cunninghamialanceolata) 和木荷(Schimasuperba)等，林下灌木层以华山姜(Alpiniachinensis)、冬青(IlexL.)等为主，草本层以蕨类(Fern)和散穗黑莎草(Gahniabaniensis)等为主。

2 研究方法

2.1 样地调查

选择金丝湾森林公园中的低密度风景林作为研究区，设置25.82 m×25.82 m的标准样地，调查标准地内的立木空间结构，并记录标准地群落类型、海拔、坡位、坡向和林分郁闭度、密度等因子。调查过程中，对占林分主体且对林分景观影响较大的乔木(胸径≥5 cm，树高≥5 cm)进行每木检尺，逐株编号，记录每株乔木的种类、胸径、树高、健康情况及坐标位置等信息。标准地基本情况见表1。

表1 标准地基本情况

2.2 分析方法

2.2.1 林分结构分析方法 从树种组成、直径特征两方面分析林分非空间结构。通过不同树种密度、断面积、相对多度、相对显著度分析林分树种组成特征；以2 cm为径阶步长，采取负指数分布及q值理论对标准地林木直径进行整化从而探讨直径分布规律。

设置2 m的缓冲区，缓冲区内的林木只以相邻木作处理，采用n=4组成的空间结构单元分析研究区空间结构特征：① 描述林木个体空间分布格局的角尺度(W)、②描述树种空间隔离程度的混交度(M)、③描述树木大小分化程度的大小比数(U)。参数计算方法见文献[13-15]。

2.2.2 补植林木株距 确定必要的林木补植间距，可以避免人为造成树木竞争力的增加。补植林木间距的含义：假设林木是均匀分布在单位面积上，那么每株林木分配的面积就是固定的，因此研究用公式(1)计算补植林木间距(l)。

(1)

式中：l为补植林木间距(m)；S为样地面积(m2)；dopt为每公顷适宜林分株数。

3 结果与分析

3.1 补植前林分结构特征

标准地由4种树种组成(表2)，米槠无论是从相对多度还是相对显著度都占有绝对优势，其断面积为2.40 m2/hm2，林分密度(555株/hm2)同样也是最大的。杉木和木荷的相对多度分别为25%和6%，次于米槠。由于树种组成简单，且常绿阔叶树占大部分，树干主要呈褐色，林内呈现单一的绿色，缺乏观叶、观花树种，色彩单调，季相变化小。

表2 标准地林分树种组成的数量特征

标准地内直径分布结构的株数-径阶分析结构如图1所示，标准地内直径分布范围从6～44 cm，分布曲线倒J型趋势不明显，采用负指数函数对林分直径分布进行拟合，计算得到林分q值为1.152，直径株数分布稍超过合理范围[13]。按照小径组(6～12 cm)、中径组(14～24 cm)、大径组(26～36 cm)和特大径组(38 cm以上)的划分标准,标准地中径组林木株数比例最大，占总林木株数的52.73%，大径组林木株数比例为14.55%，小径阶只占21.82%，特大径组林木株数比例最小，为9.09%,不利于维持风景林林群落演替的稳定性。

图1 标准地直径分布特征Fig.1 Diameter grades structure distribution of standard plot

从林木水平分布格局、树种空间隔离程度和林木大小分化程度3个方面计算标准地的林分空间结构参数(表3)，可知标准地平均角尺度为0.57，超出随机分布的取值范围[0.475，0.517]，表现为聚集分布，表明标准地林木水平分布格局总体上不够合理；平均混交度为0.22，混交情况差，零度混交和弱度混交频率之和达到77%；林分大小比为0.50，接近中庸状态。

表3 标准地林分空间结构分布状况

综合分析，当前该低密度风景林林分结构存在以下问题：林分密度及郁闭度低；树种组成简单、景观结构单一、色彩配置较差；小径阶分布不足，林木更新能力差；林木水平分布格局呈聚集分布、整体混交度差。林分现状不利于区位生态和景观需求的充分发挥。因此，制定针对性的补植方案是优化当前经营现状的重点。

3.2 补植优化方案

3.2.1 补植优化目标 研究区属于生态公益风景林，林分调整的方向即实现林内休憩与生态耦合一体的功能效益最大化。因此，从经营和景观的角度综合考虑优化方向，参考课题组前期相关研究结论[16-18]，针对当前林分现状，围绕树种组成、色彩配置、直径结构、林分密度和空间结构5个方面细化补植目标。

(1)树种组成。针对研究区乔木层树种单一的问题，林分经营时，应采用针阔混交搭配，在保证优势树种优势度不降低的情况下，保留其他伴生树种，丰富林分树种组成。使用十分法表示树种组成系数时，系数够1成的林木至少为3种[19]。

(2)色彩配置。原有米槠、木荷、马尾松、杉木等树种搭配色彩丰富度较低，景观韵律难以形成。考虑到森林公园风景林的景观美学价值[20]，树种选择上应尽量提高林分美景度，依树种季节、物候而变换不同的色彩和季相，提高林分景观质量。

(3)直径分布。异龄混交复层林的理想林木直径结构应呈反“J”型分布，小径阶的林木株数比例较大，随着径阶的增长，林木株数急剧下降，达到一定程度时，林木株数逐渐平稳[21]，研究拟定林木径阶比例为小径木(6～12 cm) ∶ 中径木(14～24 cm) ∶ 大径木(>36 cm)=5 ∶ 3 ∶ 2。

(4)林分密度。林分密度不仅影响林木的生长和质量，而且影响森林美景度。结合课题组前期针对顺昌阔叶混交林的合理密度研究和我国《生态公益林建设技术规程》的指导规范，认为研究区林分合理密度在1 190～1 335株/hm2为宜[22]。对于研究区林分密度过小的区域，采取抚育补植的方式提高林分密度，促进林分密度趋向经营的目标密度。

(5)空间结构。参照艾婧文等[17-18]研究结论，生态风景林水平分布格局的调整方向应将林木由非随机分布调向随机分布，使角尺度W介于随机分布区间[0.475,0.517]时林分美景度值最高；以混交度为0、0.25、0.5的林木作为主要调整对象，提高林分混交度至中度混交以上；经营优势树种的中大径木的大小比数U<0.5，使在竞争中处于优势地位。

3.2.2 补植优化技术 (1)补植方式。补植改造技术主要视林分内林隙的大小和分布而定，林隙面积较小、分布较均匀的林分可以均匀补植；林隙面积大、分布不均匀的林分可采取局部补植。依据研究区林分内林隙的大小与分布特点，可以综合采用局部点状、均匀补植对研究区内所留林窗进行补植。

(2)补植树种。补植树种的选择应该根据生态公益林的具体林种、立地条件、实际林分状况特征，遵循“适地适树”的原则。可以采取混交林的树种搭配方式，在阔叶林林内套种其它树种，改善林分结构；选择抗虫害能力强、景观效果好的树种营造生态风景林；考虑林相、季相的变化，优先考虑春季观花树种及秋季观叶树种，合理搭配不同明度和色系的树种，建议补植含笑(Micheliafujianensis)、杜英(Elaeocarpusdecipiens)、南酸枣(Choerospondiasaxillaris)、榆树(Ulmuspumila)等乡土树种，达到四季色彩斑斓的景观效果。研究区适宜补植树种如表4。

表4 研究区补植树种

(3)补植间距。补植间距的确定可以调整林分内林木竞争情况，合理的补植间距是为了避免人为造成树木竞争力的增加。课题组前期研究结果表明[22]常绿阔叶林补植林木间距为2.23～2.9 m，根据生态公益林米槠等树种的初植密度计算出补植林木间距为2.36～3.51 m，研究区实际林分密度计算出的林木间距也介于此区间。结合我国相关造林技术规定，确定研究区补植林木间距>3 m为宜。

图2 风景林补植位置确定流程Fig.2 Flow chart of determination of replanting position of scenic forest

(4)补植位置。将研究区相对坐标导入GIS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，统计各林木生长空间面积，采用ArcGIS栅格分析模块中的克里格插值(Kriging)方法，根据每一株林木坐标位置和Voronoi图的面积进行插值，采用K-均值聚类算法，将林木生长空间划分为4级，利用ArcGIS重分类功能划分为不适宜、较适宜、中度适宜和最适宜区，补植木位置应该选在较适宜等级以上的区域。依照“见缝插针”的原则，补植林木间距>3 m，且尽量使补植木与最近四株林木角度以72°为佳(4株相邻木不挤在同一侧，呈“梅花状”分布)。具体补植位置确定流程如图2。

3.3 补植后林分结构特征

首先通过卫生伐除去研究区的枯死木、病害木、干扰木以及歪倒木，清理林下藤灌。其次基于研究区林木Voronoi图(图3)和各林木生长空间的统计结果，确定研究区林木生长空间(APA)分布等级为(0，13.37]，(13.37，21.84]，(21.84，32.64]和>32.64四级，重分类划分后得到补植区适宜性等级图(图4)，依据方案中补植方式、补植树种、补植间距等最终确定补植林木位置，见图4。

图3 标准地林木Voronoi图Fig.3 The Voronoi diagram of trees (standard plot)

图4 标准地补植区Fig.4 The replanting area of standard plot

图5 标准地经营前后空间结构参数频率分布Fig.5 Spatial structure parameter distribution of standard plot

4 结论与讨论

研究定位于城市边缘生态公益林中低密度风景林，详细探讨了补植技术在优化低密度林分中的应用。首先，满足公益林经营性要求的同时考虑景观林的异质性和自然性，即耦合林分结构特征与景观色彩配置评价林分经营现状；其次，确定符合补植要求的林木，并利用Voronoi图、Delaunay三角网精准化补植位置，最后通过评判模拟补植后林分因子的变化，验证补植方案的可行性。整体表明：研究区补植前林分密度为821株/hm2，与黄清麟等人探讨的福建中亚热带的天然阔叶林1 200株/hm2左右的理想林分密度相差较大[23]；树种组成结构达到7米槠2杉木1木荷+马尾松，树种单一，色彩单调，森林美景度较差，与旗峰森林公园生态风景林存在的问题类似[24]；林分郁闭度为0.5，直径分布结构比例2.2 ∶ 5.3 ∶ 2.5，小径木林木比例严重不足，侧面反映出林分更新不足，郁闭度较低；角尺度达到0.57，属于聚集分布；混交度仅为0.22，已有的风景林[25-26]研究相比金丝湾森林公园低密度风景林的林分水平空间分布状况略差。从补植方式、补植树种、营造方式以及补植位置4方面模拟补植后，优化效果明显：林分密度更加接近理想的林分密度标准；径阶分布更加合理；林分角尺度、混交度、大小比数变化分别为-12.28%、109.09%、22%，且通过补植乡土树种，增强了森林季相变化在景观中的异质性。变化原因在于准确定位补植点后，林隙得到极大改善，小径阶和不同乡土树种的补充配置，使得乔木层层次更加丰富、形态和色彩变化更加明显。

生态风景林多位于城市边缘、森林公园和风景区，国内已有对其规划设计基本原则和技术方法的研究侧重从植物类型和景观格局的理想配置角度提出优化经营理论，且优化对象为较笼统的低效林。如宋琪[27]、陈凯[4]、王威[28]等人都在风景林的经营评价和优化方面进行了一定的探索，但所提出的优化对策偏于定性，且针对特殊林分现状未作深入探讨，研究提出的补植调整方案在量化补植技术和效果上更为客观，在特定风景林的经营改造中具有一定实用参考价值。生态风景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，本研究仅对低密度林分经营中补植技术提出讨论，后期还需综合生态疏伐、择伐措施进一步完善不同林分生态风景林优化经营关键技术。