森林生态系统经营的规划决策技术

刘延利 陈健 陈丽

摘 要：支撑森林生态系统经营的规划决策技术方法主要包括：计算机和“3S”技术、检査法、森林类型多样性最大覆盖模型、森林多目标经营规划和林分择伐空间结构优化分析等方法和技术。本文将介绍各项技术方法的内容和讨论其在森林生态系统经营中的支撑作用。

关键词：森林;生态系统;经营;规划;决策;技术

一、计算机和“3S”技术

“3S”是遥感（RS）、地理信息系统（GIS）、全球定位系统（GPS）的总称。它们是随着电子、通信和计算机等尖端学科的发展而迅速崛起的一批高新技术，三者有着紧密的联系在林业以及森林采伐规划设计上有着广泛的应用。

遥感是通过航空或航天传感器来获取信息的技术手段。利用遥感可以快速、廉价地得到地面物体的空间位置和属性数据。近年来，随着各种新型传感器的研制和应用，使得遥感特别是航天遥感有了飞速发展。遥感影像的分辨率大幅度提高，渡谱范围不断扩大，特别是星载和机载成像雷达的出现，使遥感具有了多功能、多时相、全天候能力。在森林经营作业中，遥感技术主要用于作业区区划、景观分类和规划以及大范围的经营活动的动态监测中。

地理信息系统是以地理坐标为控制点，对空间数据和属性数据进行管理和分析的技术工具。它的特点是，可以将空间特征和属性特征紧密地联系起来，进行交互方式的处理，结合各种地理分析模型，进行区域分析和评价。森林经营作业中，地理信息系统能够提供各种基础信息（地形、河流、道路等）和专业信息的空间分布，利用它的分析功能可以进行作业区划、道路、集运材、伐区作业、更新等的设计和决策。

目前，计算机和“3S”技术的研究十分活跃，它的应用也已产生非常显著的效益。显示了巨大的发展潜力。随着计算机软硬件技术水平的不断提高，“3S”技术将不断完善，并与决策支持系统、人工智能技术、多媒体等技术相结合，成为一门高度集成的综合技术，将在森林生态系统经营中开辟更广阔的应用领域。

二、检查法

检査法是一种集约经营的方法，它是通过定期的森林调查，观察森林结构、蓄积量和生长量的变化作为确定下一个经理期采伐量的依据。通过择伐作业使林分保持稳定、复杂的结构。最早提出检查法的是法国林学家顾尔诺，他于1863～1875年在朱罗村有林地中进行了检查法试验。后来又经瑞士林学家毕奥莱在瑞士纳沙台尔州的特拉威尔峡谷的公有林中，对检查法进行了毕生试验。在瑞士和北欧许多地方一直持续至今，森林资源的连续清查和其他定期调查都是在此基础上发展起来的。它的经营思想目前仍有较高的指导意义。

一般认为，生物多样性包括基因多样性、物种多样性、生态系统多样性和景观多样性4个层次。究竟从哪个层次上来保护生物多样性才更有效，这是摆在我们面前的问题。传统的方法是保护稀有种和濒危种。但是，单纯保护某一个物种的作用是十分有限的。生物多样性保护最有效的途径不是对单个物种的保护，而是把生物多样性保护的空间尺度放在生态系统和景观水平。因为，在生物多样性保护中，较髙等级层次能兼容和限制低等级层次的行为。只有在位于高层次的整个生态系统和景观得以保护后，那些“不起眼”的物种才能得到保护。也就是说，生物多样性保护应当从高等级层次入手。

三、森林多目标经营规划技术

森林可持续经营要求实现森林经营的多个目标，但这些目标常常是相互冲突的，因此需要通过多目标规划来实现。森林经营规划主要在三个层次上进行：战略、战术和作业规划。在战略规划中确定长远的目标，侧重于实现超过十年的长期目标，景观规划主要在这个层次。如野生动植物栖息地，荒野保护，或木材采伐量指标。在这个水平上的主要决策，与大面积土地上较长规划期内的土地利用分配和投入产出的目标累计有关。当战略规划层次的可选经营方案很多时，经营决策者就会做出相关的所谓中间或战术计划。在这个层面的决策包括：规划详细的经营区或经营单位、道路建设、采运以及为缩短规划时限确定一个最优计划第三个层面是所谓的作业层次，涉及确定一个区域的森林土地利用计划，代表着短期的森林作业的问题，如采集、生产、采运、种植、病虫害防治、林火管理、以及道路建设和维护。

森林多目标规划问题通常包括建立目标函数、确定约束条件和利用优化算法求解结果三个步骤。森林多目标函数主要包括经济和商品生产、野生动植物生境、生物多样性、娱乐游憩和其他目标五大类别。森林多目标规划约束包括经济和商品生产、水流、碳贮存、森林结构、野生动植物、最大最小收获年龄和其他约束六大类别。优化方法已经成功应用到森林规划方面，使用优化方法建立模型可以得到森林可持续经营的最佳决策方案。线性规划方程巳经无力处理空间约束和理想空间条件问题。现在应用比较广泛的箅法有人工神经网络、混沌优化、蒙特卡洛整数规划、模拟退火算法、遗传箅法、禁忌搜索算法等。

四、林分结构化经营技术

结构化森林经营是一套完整的、新的森林可持续经营体系，包括经营目标、理论基础、经营原则和经营方法与技术。之所以在“森林经营”前面冠以“结构化”，其用意在于强调“结构优化”，以區别于传统的森林经营。结构化森林经营在总结国际上现有森林经营理论与方法的基础上，汲取了德国近自然森林经营的原则，将培育健康稳定森林作为终极目标，创造性地以优化空间结构为手段，按照林分自然度和经营迫切性确定经营方向，对建群种竞争、林木格局、树种混交等进行有的放矢的调整。结构的重要性、可解析性和健康森林结构特征构成了结构化森林经营的理论基础。

五、林分择伐空间优化系统

林分空间结构决定了树木之间的竞争优势及其空间生态位，在很大程度上影响着林分生长、发育与稳定性。林分空间结构被认为是决定生境和物种多样性的重要因子。目前，林分空间结构分析已成为国际上天然林经营模拟技术的主要研究内容。

林分结构包括空间结构和非空间结构。空间结构主要包括：混交、竞争和林木空间分布格局3个方面。非空间结构包括：径级结构、生长量和树种多样性等。生态过程和干扰都影响林分结构。疏伐是对实施经营的林地最重要的干扰。采伐直接影响林分的空间结构和非空间结构，而空间结构的变化又产生对非空间结构的影响。合理的择伐是调整林分空间结构的手段，以便充分发挥森林的功能。

因此，在林分择伐规划中引入林分空间结构，建立林分择伐空间优化模型，旨在为林分择伐提供决策依据，以便在确定是否采伐某一空间位置上的林木时有充分的理由。由于林分空间结构包括多个方面。所以，择伐规划必然是多目标规划。在最优结构决定最优功能的假设前提下，采用非线性多目标整数规划建立模型。模型以林分空间结构为目标，以非空间结构（林分结构多样性、生态系统进展演替和采伐量不超过生长量为主要约束条件，使林分空间结构达到最优状态，以便最大限度地保持系统的结构完整性，充分发挥森林的多种功能。求解此模型可以获得最优采伐方案，包括最优采伐木信息和采伐前后森林结构的变化。从而为生态采伐中采伐木的选择提供了具有科学性和可操作性的技术和方法。

结 语

将以上思想和模型，采用面向对象程序设计方法，结合计算机技术，研制成林分择伐空间优化系统软件，成为择伐设计的有力工具。使用该软件，可以实现林分采伐方案的优化设计，提高采伐规划设计的科学性和技术水平。

参考文献

[1] 郭明、郭大有，森林分类经营的战略研究.林业勘查设计.2016.7

[2] 郭熙得主编，发展经济学经典论著选.中国经济出版社.2010.6。