劉敏杰

(中南林業(yè)科技大學(xué)， 湖南 長沙 410004)

綏寧縣用材林林齡結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

劉敏杰

(中南林業(yè)科技大學(xué)， 湖南 長沙 410004)

針對綏寧縣用材林林齡結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀，應(yīng)用系統(tǒng)動力學(xué)原理對用材林林齡結(jié)構(gòu)優(yōu)化進行建模，通過計算預(yù)測在不同采伐模式下用材林蓄積保有量和出材量的變化，從而找出最優(yōu)的采伐模式。結(jié)果表明：用材林最優(yōu)采伐模式即輪伐期為40年，擇伐周期為15年，擇伐強度為30%，撫育間伐周期為15年，撫育強度為15%。在這種優(yōu)化模式下，到2025年綏寧縣用材林蓄積保有量將達到10186848m3，出材量將達到249006m3，使用材林發(fā)展達到生態(tài)效益和經(jīng)濟效益兼顧的最優(yōu)狀態(tài)。

用材林； 系統(tǒng)動力學(xué)； 林齡； 采伐模式； 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

系統(tǒng)動力學(xué)是一種將定量與定性相結(jié)合的綜合推理與分析的解決問題的研究方法。利用系統(tǒng)動力學(xué)的原理、方法與理論來對實際系統(tǒng)進行分析預(yù)測，劃分系統(tǒng)層次與子塊，對系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進行分析，確定局部與總體的反饋機制，從而建立起數(shù)學(xué)模型與概念模型彼此聯(lián)系的規(guī)范的系統(tǒng)動力學(xué)模型，然后在專家群體的幫助下借助計算機模擬技術(shù)，定量與定性的對經(jīng)濟、社會系統(tǒng)問題進行研究，從而進一步做出合理決策。人們基于系統(tǒng)動力學(xué)理論創(chuàng)建了專用語言與軟件，在系統(tǒng)動力學(xué)的逐漸發(fā)展與應(yīng)用過程中，各種仿真模擬軟件也越來越成熟。DYNAMO是系統(tǒng)動力學(xué)的計算機模擬語言，PD—plus，STELLA，VENSIM，POWERSIM等都是現(xiàn)在常用的DYNAMO軟件。本文針對綏寧縣2010年用材林林齡結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀，運用系統(tǒng)動力學(xué)的方法，通過建立模型，運用系統(tǒng)動力學(xué)計算機軟件VENSIM預(yù)測模式下15年內(nèi)綏寧縣用材林資源發(fā)展趨勢，利用統(tǒng)計對比方法評價各模式下用材林森林資源發(fā)展的優(yōu)劣，以期對綏寧縣用材林森林資源結(jié)構(gòu)優(yōu)化進行有效研究，得出綏寧縣用材林森林資源配置的最優(yōu)方案[1-3]。

1 研究區(qū)概況

綏寧縣位于湖南省西南部，地理位置為東經(jīng)109°48′—110°32′，北緯26°16′—27°08′，地處云貴高原東側(cè)邊緣山地，系南嶺八十里大南山北麓和雪峰山脈南麓的交匯地帶。本區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)和巖性組合比較復(fù)雜，外力作用明顯，表現(xiàn)出以山地為主，兼有丘陵崗地和溪谷平原多種地貌類型，屬中亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候，其特點是四季分明，氣候溫和，雨量充足，光照適宜，無霜期長，小氣候明顯，年均氣溫16.7℃。成土母巖母質(zhì)以砂巖母質(zhì)為主，占全縣總面積的55.2%，占山地面積的56.5%；板、頁巖母質(zhì)占總面積的26.3%，占山地面積27.7%；花崗巖母質(zhì)占總面積的15.7%，占山地面積14.6%。此外還有少量的石灰?guī)r母質(zhì)、河流沖積母質(zhì)、第四紀紅土母質(zhì)及紫色砂礫巖母質(zhì)。

2 綏寧縣2010年用材林林齡結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀

根據(jù)2010年綏寧縣林業(yè)局的統(tǒng)計資料，綏寧縣用材林中分林組林齡結(jié)構(gòu)詳見表1。

從表1可以看出，中齡林面積偏小，只占整個用

表1 用材林林齡結(jié)構(gòu)Tab.1 Theagestructureoftimberforest用材林各齡組面積蓄積林分類型林分合計幼齡林中齡林面積(hm2)蓄積(m3)面積(hm2)蓄積(m3)面積(hm2)蓄積(m3)杉木70640.4573842024142.94202137390.7684720馬尾松2988430318464806.6681921289.5123869用材林各齡組面積蓄積近熟林成熟林過熟林面積(hm2)蓄積(m3)面積(hm2)蓄積(m3)面積(hm2)蓄積(m3)9772.7117166124589.926837354744.270640.412326.6136917710619.11375791842.229884

材林面積的8.63%，通過實地調(diào)查分析原因是綏寧縣在采伐中針對中齡林有很大面積的采伐，這是一種極不合理的采伐方式，因此本文模型中皆伐和擇伐只針對成過熟林，這才是合理的采伐方式[4]。

3 用材林結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

3.1仿真流程圖

仿真流程圖如圖1。

圖1 仿真流程圖Fig.1 The simulation flow chart

3.2計算方程

3.2.1 主要方程

(1) 皆伐蓄積量計算方程:

Vjf=(Vc+Vj)/U+(Zc+Zj)/2

(1)

其中Zc=Vc·Pc;Zj=Vj·Pj;

(2) 擇伐蓄積量計算方程：

Vxf=((Vc+Vj)·Q)/T+Vc·Pc/2

(2)

(3) 皆伐、擇伐面積計算方程:

S擇=(S成+S近)/T

(3)

S皆=(S成+S近)/U

(4)

(4) 撫育間伐蓄積量計算方程:

V年=S年·m3/hm2·Q

(5)

其中S年=Sxf/Jfq

3.2.2 狀態(tài)變量方程 能計算狀態(tài)變量(或稱積累變量)的方程稱為狀態(tài)變量方程，其中狀態(tài)變量是指所有能在系統(tǒng)內(nèi)進行累積變化的變量。

(1) 蓄積量(積累變量)計算方程：

Vk+1n,m=Vkn,m·(1+Pm)

(6)

(2) 生長量計算方程:

Zk+1n,m=Vkn,m·Pm

(7)

式中:Zk+1n,m——k+1時刻n·m階生長量矩陣。

(3) 蓄積進界計算方程。

森林資源結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中蓄積進界，主要指包括各林齡蓄積經(jīng)過撫育或自然生長后向其它林齡蓄積轉(zhuǎn)移的蓄積量。蓄積進界的數(shù)學(xué)方程：

V=V保留·P

孫子在后文中提出“兵之所加，如以碫投卵者，虛實是也”。他認為在戰(zhàn)爭中最有效的方法就是集中優(yōu)勢火力，針對對方的薄弱環(huán)節(jié)進行攻擊。因此在戰(zhàn)爭中應(yīng)當著眼于全局，審時度勢，通過調(diào)動、牽制敵人，科學(xué)的部署自身力量，分散對方的兵力，集中自己的兵力，造成局部的以眾擊寡的態(tài)勢。在這里，合眾并不是單純數(shù)量的集中，更重要的是質(zhì)量的集中；不是兵力兵器的集中，而是戰(zhàn)斗力的凝聚；不是多多益善，而是善于調(diào)度，在短時間內(nèi)形成優(yōu)勢。在戰(zhàn)場上，形勢往往瞬息萬變，戰(zhàn)機抓不住，弱勢就會得到支援而成為強勢。所以應(yīng)當抓住戰(zhàn)機，一擊致命。

(8)

(4) 撫育后生長量計算方程:

Z撫育=V保留·(10%+P)

(9)

(5) 撫育后蓄積量計算方程:

V進界=V保留·(1+10%+P)

(10)

3.2.3 輔助方程 輔助方程就是幫助建立速率(變化率)的方程。

(1) 消長蓄積量計算方程:

(11)

(2) 木材產(chǎn)量(出材量)計算方程:

Vc=VF·Pc

(12)

3.3參數(shù)估計

依據(jù)綏寧縣近年森林資源統(tǒng)計數(shù)據(jù)，同時收集全縣相關(guān)資料，如專家經(jīng)驗、調(diào)度數(shù)字和生產(chǎn)部門等，按建模步驟的需要，分別應(yīng)用數(shù)據(jù)。

3.3.1 林木生長進界率 進界率如表2。

表2 用材林生長進界率Tab.2 Theingrowthparameteroftimberforest(%)項目幼齡林—中齡林中齡林—近熟林近熟林—成熟林成熟林—過熟林 杉木組10152025 馬尾松組6101420

3.3.2 樹木材積生長率 根據(jù)《湖南省主要林分類型凈生長率表》并參照2009年各縣的湖南省林業(yè)資源統(tǒng)計表中的林木生長率，采用綜合分析、對比研究、加權(quán)平均等數(shù)學(xué)方法，分齡組確定樹木的生長率(見表3)。

表3 用材林樹木材積生長率Tab.3 Thevolumegrowthrateoftimberforest(%)項目幼齡林中齡林近熟林成熟林過熟林杉木組0.12680.09120.06790.06010.0522馬尾松組0.10040.07120.05780.05470.0533

3.3.3 采伐蓄積出材率 依據(jù)綏寧縣近年關(guān)于出材率的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，通過綜合分析、統(tǒng)計對比、加權(quán)平均等數(shù)學(xué)方法，確定用材林出材率(見表4)。

表4 用材林采伐蓄積出材率Tab.4 Theoutturnpercentageoftimberforest(%)項目幼齡林中齡林近熟林成熟林過熟林杉木組065707580馬尾松組055606570

3.4不同模式的設(shè)置

本文根據(jù)皆伐的輪伐期、擇伐的擇伐周期和擇伐強度以及撫育間伐的采伐周期和撫育強度，設(shè)置五種不同模式，其中模式二是綏寧縣現(xiàn)用的采伐模式。具體模式見表5。

各模式下通過采伐周期可以決定采伐面積，采伐面積的改變可以調(diào)整林齡結(jié)構(gòu)，而皆伐和擇伐只針對成過熟林，撫育間伐只針對幼林齡和中林齡，這種合理的采伐方式保證了研究的可行性。

表5 用材林采伐模式Tab.5 Thecuttingpatternsoftimberforest模式輪伐期(年)擇伐周期(年)擇伐強度(%)間伐周期(年)間伐強度(%)模式一2052055模式二3010251010模式三4015301515模式四5020352020模式五6025402525

4 計算結(jié)果與分析

4.1不同模式下用材林的蓄積量和出材量

通過建立的模型，設(shè)置好相關(guān)的公式和參數(shù)后，在系統(tǒng)動力學(xué)專業(yè)軟件Vensim6.5 PLE(Ventana Simulation Enviroment Personal Learning Edition)中運行，得出各模式下綏寧縣用材林2010—2025年蓄積量和出材量的計算結(jié)果(見表6)。

表6 不同模式下用材林2010—2025年蓄積量和出材量Tab.6 Thevolumeandoutturnoftimberforestunderthedifferentcuttingpatternsin2010—2025(m3)年份模式一模式二模式三模式四模式五蓄積量出材量蓄積量出材量蓄積量出材量蓄積量出材量蓄積量出材量20108770266219522877026621952287702662195228770266219522877026621952220118893830329283891589923208589358981646418951500131713896563410976120128905353339846905154624364890914211751779127062142237914028211932320138915718349702917742125421192366571847139292937151490930394012796520149011342358356929266026401193722961938369447902159955945818513553320159097707366381939821327322494979442024769591540167521960704114238920169176276373950949385128162496135792102119725898174256974839314857420179248839380908958017728922697121272170639849266180379988063915425720189314077386363965564629634998034512232169960624186004100055341592802019936811339157697220313028499889840228776100676111910371010717616373620209416810396542977699930898899645382336451015425919549510212424167298202194585084010659823984314788100302362378041022961719928010297429170083202294941704046259860243319991100838642415891029214220253610373053172297202395201954071889886799324756101302182447471034667420410510434311173753202495405604083449902497329025101658482473111038471220522510485597181335202595547964089989912818332621101868482490061040656821181010527659184897

4.2不同模式間用材林蓄積量的變化

從圖2可以看出，由模式一到模式五，用材林總蓄積量是不斷增加的，但增加幅度越來越慢，這是因為隨著采伐周期的加長，成過熟林的面積會不斷增加，但成過熟林生長率低于幼齡林和中齡林的生長率，這樣總的蓄積量的增長是呈現(xiàn)降低趨勢的。每一種模式下，蓄積量都會隨著時間增長，但增長幅度同樣隨著模式的變化而減小，這是因為用材林面積固定的情況下，在一定時期內(nèi)蓄積量的增長幅度會隨著時間推移而減小。

4.3不同模式間用材林出材量的變化

從圖3可以看出，由模式一到模式五，出材量的值在不斷變小，因為采伐周期的加長，相應(yīng)采伐面積就會減小，所以隨著時間的延續(xù)，出材量會越來越小，但每種模式下出材量還是會增加，只是越往后面的模式，出材量增加的幅度就越小，這是因為隨著蓄積量增長幅度的縮小，對應(yīng)的采伐面積增長幅度也在縮小，相應(yīng)的出材量幅度也會隨之縮小。每種模式下的出材量隨著時間而增加，但幅度也在縮小，是因為蓄積量增長幅度的縮小而影響。

圖2 不同模式間用材林2010—2025年蓄積量的變化Fig.2 The volume change of timber forest under the different cutting patterns in 2010—2025

圖3 不同模式間用材林2010—2025年出材量的變化Fig.3 The outturn change of timber forest under the different cutting patterns in 2010—2025

5 討論

模式一和現(xiàn)有采伐模式二雖然能在預(yù)測的15年時間內(nèi)使出材量達到最大，但相應(yīng)的蓄積量卻是同時期各模式中最小的。模式四和模式五雖然能在預(yù)測的15年時間內(nèi)使蓄積量達到最大，但相應(yīng)的出材量卻是同時期各模式中最小的。因為對用材林森林資源結(jié)構(gòu)優(yōu)化的目的不只是出材量最大化的經(jīng)濟最優(yōu)化，還得是蓄積量最大的生態(tài)最優(yōu)化，所以結(jié)合圖表根據(jù)現(xiàn)實需要，本文認為選第三種模式來經(jīng)營用材林是最優(yōu)方案。同時通過采伐方式的調(diào)整，也會使綏寧縣用材林林齡結(jié)構(gòu)達到最優(yōu)狀態(tài)[5-6]。

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[5] Kijima K.Generalized landseape theory:Agentl based application alliance formations in civil aviation industry[J].Joumal of Systems Science and Complexity，2001， 14(2):113-123.

[6] 陳祥偉，胡海波.林學(xué)概論[M].北京：中國林業(yè)出版社, 2005.

(文字編校：張 珉， 楊 駿)

TheagestructureoptimizationoftimberforestinSuiningCounty

LIU Minjie

(Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, China)

In view of the status quo of age structure of timber forest in Suining County, the principle of system dynamics was used to model for the age structure optimization. The changes of volume and outturn of timber forest under the different cutting patterns were calculated to find out the optimal cutting pattern. The results showed that, the optimal cutting pattern was the rotation period for 40 years, the selective cutting cycle for 15 years, the selective intensity for 30%, the thinning cycle for 15 years, and the thinning intensity for 15%. Under this pattern, the volume of timber forest could achieve 10186848 m3and the outturn could reach 249006 m3in 2025, which could realize the optimum combination between ecological benefit and economic benefit.

timber forest; system dynamics; stand age; cutting pattern; structure optimization

2012-04-17

2012-05-23

湖南省林地保護專項(2011A03)。

劉敏杰(1983-)，男，湖南省綏寧縣人，碩士研究生，主要從事森林可持續(xù)經(jīng)營方面的研究。

S 75

A

1003-5710(2012)03-0053-05

10. 3969/j. issn. 1003-5710. 2012. 03. 014