李建軍，張會(huì)儒，王傳立，臧 顥，曹旭鵬

水源涵養(yǎng)林多功能經(jīng)營(yíng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型初探

李建軍1,2，張會(huì)儒2，王傳立1，臧 顥1，曹旭鵬1

（1.中南林業(yè)科技大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004；2.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院 資源信息研究所，北京 100091）

從林分空間結(jié)構(gòu)、樹種結(jié)構(gòu)和林木健康狀況三個(gè)方面篩選7個(gè)因子，應(yīng)用非線性多目標(biāo)規(guī)劃法確定水源涵養(yǎng)林多功能經(jīng)營(yíng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化目標(biāo)，定義目標(biāo)函數(shù)-林分空間結(jié)構(gòu)均質(zhì)性指數(shù)，以林分樹種多樣性和空間結(jié)構(gòu)等為約束條件建立水源涵養(yǎng)林多功能經(jīng)營(yíng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型。以擇伐和補(bǔ)植為優(yōu)化的經(jīng)營(yíng)措施，對(duì)南洞庭湖濕地區(qū)域現(xiàn)實(shí)次生林典型林分進(jìn)行空間結(jié)構(gòu)優(yōu)化實(shí)踐。結(jié)果表明，通過模型的空間結(jié)構(gòu)優(yōu)化和調(diào)整，研究林分的空間結(jié)構(gòu)得到了明顯的改善，且樹種多樣性和林分健康狀況并未降低。說明建立的優(yōu)化模型能較有效地指導(dǎo)水源林多功能經(jīng)營(yíng)和林分結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定，且實(shí)際使用方便，可操作性強(qiáng)，對(duì)保護(hù)和恢復(fù)水源林生態(tài)系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

水源涵養(yǎng)林；南洞庭湖濕地；林分空間結(jié)構(gòu)；均質(zhì)性指數(shù)；優(yōu)化模型

水源涵養(yǎng)林是河川、水庫(kù)、湖泊上游集水區(qū)內(nèi)大面積的天然林和人工林以及其他植被資源[1]，其主要功能是涵養(yǎng)水源、改善水質(zhì)和防止土壤侵蝕。洞庭湖濕地森林以防護(hù)林和水源涵養(yǎng)林為主，多年來，由于各種原因，洞庭湖濕地水源林植被面積急劇減少，天然次生林已相當(dāng)稀缺，不少適宜潮土和沼澤地生長(zhǎng)的水源林喬木和灌木樹種幾近滅絕，而速生楊樹等外來入侵樹種不斷入侵，植物群落類型正在以很快的速度由原生群落向單一人工群落演變[2]。如何從洞庭湖濕地水源林的空間結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系入手，研究重構(gòu)近自然水源林空間結(jié)構(gòu)，恢復(fù)生物多樣性，增加其涵養(yǎng)水源、改善水質(zhì)及為防風(fēng)防浪等主導(dǎo)功能，維持濕地森林生態(tài)系統(tǒng)的平衡和穩(wěn)定變得越來越重要。在此背景下，研究洞庭湖濕地水源林生態(tài)系統(tǒng)空間結(jié)構(gòu)優(yōu)化目標(biāo)和建立空間結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型具有重要的理論意義和實(shí)踐意義。

1 水源涵養(yǎng)林多功能經(jīng)營(yíng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化目標(biāo)的確定

在最優(yōu)結(jié)構(gòu)決定最優(yōu)功能的假設(shè)的前提下，本研究以林分空間結(jié)構(gòu)的混交、競(jìng)爭(zhēng)、空間分布格局優(yōu)化為主，結(jié)合反映林分樹種多樣性、林木健康狀況和系統(tǒng)穩(wěn)定等特征，篩選水源涵養(yǎng)林多功能經(jīng)營(yíng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的目標(biāo)參數(shù)，定義目標(biāo)的量化函數(shù)—林木均質(zhì)性指數(shù)。均質(zhì)性指數(shù)主要包括樹種優(yōu)勢(shì)特征(目的樹種特性指數(shù)[4])，林木生長(zhǎng)健康狀況(健康指數(shù)[4，8-9])，混交(混交度[5]、大小比數(shù)[6])，競(jìng)爭(zhēng)參數(shù)(改進(jìn)后的Hegyi(1974)競(jìng)爭(zhēng)指數(shù))[7-9]，空間分布格局(角尺度[5]、空間密度指數(shù)[4，9])。并應(yīng)用非線性多目標(biāo)優(yōu)化的乘除法[10]對(duì)七個(gè)被選指標(biāo)進(jìn)行多目標(biāo)規(guī)劃，經(jīng)0處理和數(shù)據(jù)變換后，得到林木均質(zhì)性指數(shù)定義為：

式(1)中：g=（g1， g2，…，gn）；M為混交度；U為大小比數(shù)；A為目的樹種指數(shù)；H為健康指數(shù)；ICI為單木競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)；D為空間密度指數(shù)；W為角尺度。

林分均質(zhì)性指數(shù)為林分內(nèi)所有林木林木均質(zhì)性指數(shù)的平均值：

式(2)中：g=（g1, g2, …，gn）；L(g)為單木均質(zhì)性指數(shù)；L為林分均質(zhì)性指數(shù)；N為林分內(nèi)林木株樹。

2 研究區(qū)及數(shù)據(jù)來源

南洞庭湖濕地是世界著名的內(nèi)陸湖泊濕地和國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū),被譽(yù)為“長(zhǎng)江明珠”， 位于洞庭湖西南，地跨 112°18′15″～ 112°56′15″′E，28°113′30″～ 29°3′45″N，濕地面積 1 680 km2，90% 以上在沅江市境內(nèi)，轄15個(gè)鄉(xiāng)、鎮(zhèn)、場(chǎng)，30萬人口。水體面積917 km2，由湘資澧沅四水和長(zhǎng)江三口匯流注入，水系復(fù)雜，河湖縱橫。試驗(yàn)調(diào)查林分位于南洞庭湖赤山島、明朗山和草尾鎮(zhèn)，選擇具有代表性的5種次生林林分，包括青椆、香樟混交群落，馬褂木、香樟混交群落，青椆、樟樹混交群落、青椆、樟樹、旱柳、白櫟以及構(gòu)樹、苦楝、楓楊混交群落等，并對(duì)。據(jù)調(diào)查，這些森林群落均是受過輕微干擾，經(jīng)過較漫長(zhǎng)的進(jìn)展演替后形成的天然次生林。

在選擇林分所處地段設(shè)立標(biāo)準(zhǔn)樣地，樣地面積為15 m×15 m，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)樣地內(nèi)胸徑大于5 cm的活立木逐株編號(hào)，以編號(hào)內(nèi)所有林木及其四周4株最近相鄰木為調(diào)查對(duì)象，并進(jìn)行每木檢測(cè)，檢測(cè)內(nèi)容包括樹種、胸徑、樹高、枝下高、冠幅、目的樹種特性指數(shù)、健康指數(shù)、角尺度、樹種多樣性指數(shù)(混交度)、大小比數(shù)以及調(diào)查木與相鄰木的距離11個(gè)指標(biāo)[4，9，11]。設(shè)置調(diào)查林分樣地邊界以外5 m范圍為緩沖區(qū)，對(duì)緩沖區(qū)內(nèi)的樹木不進(jìn)行檢測(cè)，只作為參照樹的相鄰木對(duì)象進(jìn)行研究[12]。調(diào)查樣地基本情況見表1。

表1 研究樣地概況Table 1 Survey of research plots

3 水源涵養(yǎng)林林分結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型

洞庭湖濕地水源涵養(yǎng)林林分結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型是擇伐與補(bǔ)植為經(jīng)營(yíng)措施對(duì)現(xiàn)有林分進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，以導(dǎo)向較理想的林分結(jié)構(gòu)為目標(biāo)。

3.1 擇伐優(yōu)化模型

3.1.1 目標(biāo)函數(shù)的確定

本研究將式(1)和式(2)作為林分空間優(yōu)化模型的目標(biāo)函數(shù)。以林木均質(zhì)性指數(shù)為整體目標(biāo)，以其組成的7個(gè)指標(biāo)和多樣性指數(shù)為約束條件。通過優(yōu)化經(jīng)營(yíng)，使優(yōu)化后的林分在混交、競(jìng)爭(zhēng)、空間分布格局、樹種優(yōu)勢(shì)特征和生長(zhǎng)健康狀況五方面的優(yōu)勢(shì)更加明顯[13,15-19]。

3.1.2 約束條件的設(shè)置

設(shè)置水源涵養(yǎng)林空間結(jié)構(gòu)優(yōu)化的約束條件，首先應(yīng)確保群落內(nèi)頂極群落樹種的數(shù)目不降低[4]。Shannon-Wiener指數(shù)是樹種多樣性的常用指標(biāo)[22]，其定義公式為：

Shannon-Wiener多樣性指數(shù)：

式(3)中：S是物種豐富度指數(shù)，Pi為種的個(gè)體數(shù)占群落中總個(gè)體數(shù)的比例，Pi= Ni/N，Ni表示第i種的個(gè)體數(shù)量, N為某一植被群落的總個(gè)體數(shù)量。B為物種多樣性指數(shù)。

林木健康狀況約束的目的是為了保持水源涵養(yǎng)林林木個(gè)體生長(zhǎng)狀況良好。健康指數(shù)[4,8,9]被定義為來調(diào)查樹木與周圍樹木比較的健康狀況的評(píng)價(jià)，其定義公式為：

式(4)中：n是最近鄰木株數(shù)；xij是健康指數(shù)變量。

根據(jù)以上分析，參考文獻(xiàn)4和文獻(xiàn)9，約束條件設(shè)置為：

(a) B(g)≥B0

(b) ICI(g)≤CI0

(c) M(g)≥M0

(d) D(g)≤D0

(e) A(g)≥A0

(f) W(g)≤W0

(g) U(g)≤U0

(h) H(g)≥H0

公式(a) 到(h)中：B(g)為優(yōu)化后樹種個(gè)數(shù)；B0為優(yōu)化前樹種個(gè)數(shù)；CI(g)為優(yōu)化后競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)；CI0為優(yōu)化前競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)；M(g)為優(yōu)化后混交度，M0為優(yōu)化前混交度；D(g)為優(yōu)化后空間密度指數(shù)；D0為優(yōu)化前空間密度指數(shù)；A(g)為優(yōu)化后目的樹種指數(shù)；A0為優(yōu)化前目的樹種指數(shù)；W(g)為優(yōu)化后角尺度；W0為優(yōu)化前角尺度；U(g)為優(yōu)化后大小比數(shù)；U0為優(yōu)化前大小比數(shù)；H(g)為優(yōu)化后健康指數(shù)；H0為優(yōu)化前健康指數(shù)。

本研究中，作為目標(biāo)函數(shù)的L(g)(林木均質(zhì)性指數(shù))取得最小值是優(yōu)化的目的[9]。圖1為水源林林分擇伐空間結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型。

圖1 水源林林分擇伐空間優(yōu)化模型Fig.1 Space optimization model of Mangrove forest stand for selective cutting

3.2 林分補(bǔ)植空間結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型

經(jīng)過林分擇伐空間優(yōu)化模型的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，可考慮在已經(jīng)過擇伐的采伐木位置和林木疏散地位置進(jìn)行補(bǔ)植，同時(shí)按照林分均質(zhì)性指數(shù)和約束條件確定補(bǔ)植的樹種和株數(shù)等[16,20-21]。其它約束條件與林分擇伐空間優(yōu)化模型中約束條件相同。

3.2.1 目標(biāo)位置的確定

補(bǔ)植的目標(biāo)位置同樣考慮目標(biāo)函數(shù)和約束條件。經(jīng)過擇伐后參照樹的空間結(jié)構(gòu)單元為補(bǔ)植的可選位置，同時(shí)，還應(yīng)考慮其它參照樹中均質(zhì)性指數(shù)最小或者林木聚集度低（水平距離最大、空間密度最?。┑目臻g結(jié)構(gòu)單元作為可選補(bǔ)植位置[4,9,21]。

3.2.2 目標(biāo)樹種的確定

根據(jù)均質(zhì)性指數(shù)的定義，并參考林木點(diǎn)結(jié)構(gòu)理論，補(bǔ)植的目標(biāo)樹種應(yīng)考慮林分樹種多樣性和空間結(jié)構(gòu)單元樹種隔離狀況，最好選擇與補(bǔ)植位置周圍樹木不同種，并且為頂級(jí)群落或優(yōu)勢(shì)樹種。

3.2.3 約束條件的設(shè)置

約束條件與擇伐模型一致，以保持補(bǔ)植后林分空間結(jié)構(gòu)、樹種多樣性和林木健康質(zhì)量不降低。約束條件的設(shè)置見林分擇伐空間優(yōu)化模型的公式(a)到 (h)。

3.2.4 模型建立

水源涵養(yǎng)林林分補(bǔ)植空間優(yōu)化模型模型以林木均質(zhì)性指數(shù)為目標(biāo)函數(shù)(見公式(1))。補(bǔ)植優(yōu)化模型如圖2所示。

4 應(yīng)用實(shí)例分析

按照?qǐng)D1和圖2兩個(gè)優(yōu)化模型的設(shè)計(jì)思想，以現(xiàn)實(shí)林分對(duì)其進(jìn)行檢驗(yàn)分析，檢驗(yàn)其實(shí)際應(yīng)用效果。實(shí)驗(yàn)林分Y1均質(zhì)性指數(shù)及各組成因子數(shù)據(jù)分布如表2所示。

選擇擇伐強(qiáng)度小于5%，補(bǔ)植株樹不超過2%。按照模型設(shè)計(jì)思想編制計(jì)算機(jī)程序，運(yùn)行后得到如下結(jié)果：

林分擇伐空間優(yōu)化確定序號(hào)為：31，60，74，150，3，146，72的樹木為采伐木。

確定林分空間結(jié)構(gòu)單元補(bǔ)植目標(biāo)位置在31號(hào)，74號(hào)，150號(hào)構(gòu)成的空間結(jié)構(gòu)單元，補(bǔ)植樹種分別為香樟、白櫟、苦櫧(補(bǔ)植樹胸徑均按5 cm計(jì)算)。優(yōu)化前后空間因子和均質(zhì)性指數(shù)變化如表3。

圖2 水源涵養(yǎng)林林分補(bǔ)植空間優(yōu)化模型Fig.2 Space optimization model for replanting of Mangrove forest stand

表2 林分Y1林木均質(zhì)性指數(shù)及影響因子分布Table 2 Homogeneous indexes and influencing factors distribution of different trees in stand Y1

續(xù)表2Cantinued table 2

表3 林分Y1擇伐、補(bǔ)植經(jīng)營(yíng)前后空間因子和均質(zhì)性指數(shù)變化Table 3 Changes of space factors and homogeneous index before and after selective cutting and replanting operation of Stand Y1

分析結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的Y1的林分均質(zhì)性指數(shù)由0.51增加到了0.536，增加了5.1%，說明了模型的優(yōu)良性，達(dá)到經(jīng)營(yíng)均質(zhì)性目標(biāo)的基本要求。分析各子目標(biāo)均按照模型設(shè)計(jì)的要求得到了相應(yīng)改善（見表3）。應(yīng)用本研究構(gòu)建的兩個(gè)優(yōu)化模型分別對(duì)研究區(qū)另外4個(gè)調(diào)查樣地進(jìn)行優(yōu)化經(jīng)營(yíng)，其目標(biāo)函數(shù)及約束條件在經(jīng)過模型求解后，均在不同程度得到了優(yōu)化。

5 結(jié)論與討論

根據(jù)結(jié)構(gòu)與功能統(tǒng)一原理，從林分空間結(jié)構(gòu)、樹種結(jié)構(gòu)和林木健康狀況三個(gè)方面選擇混交度、大小比數(shù)、競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)、角尺度、空間密度指數(shù)、目的樹種指數(shù)和健康指數(shù)7個(gè)指標(biāo)構(gòu)建林分空間結(jié)構(gòu)均質(zhì)性指數(shù)，并以均質(zhì)性為目標(biāo)，建立水源涵養(yǎng)林多功能經(jīng)營(yíng)空間結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型，以南洞庭湖濕地區(qū)域現(xiàn)實(shí)次生林典型林分為應(yīng)用實(shí)例，對(duì)比優(yōu)化經(jīng)營(yíng)前后均質(zhì)性指數(shù)及各子目標(biāo)均達(dá)到預(yù)期的效果，使水源涵養(yǎng)林林分空間結(jié)構(gòu)逐漸朝理想結(jié)構(gòu)狀態(tài)轉(zhuǎn)化，且模型所使用的參數(shù)易于檢測(cè)，可操作性強(qiáng)。森林系統(tǒng)及其結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜，模型可進(jìn)一步考慮包括水源涵養(yǎng)林群落演替及生境等方面的指標(biāo)因子。補(bǔ)植優(yōu)化模型的補(bǔ)植樹源(包括樹種結(jié)構(gòu)、年齡結(jié)構(gòu)、胸徑大小等)以及補(bǔ)植的具體位置的確定還應(yīng)作進(jìn)一步研究。

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Discussion on spatial optimization modeling of water resource conservation forests and management practice of forest functions

LI Jian-jun1,2, ZHANG Hui-ru2, WANG Chuan-li1, ZANG Hao1, CAO Xu-peng1
(1.School of Computer and Information Engineering,Central South University of Forest Science and Technology, Changsha 410004,Hunan, China; 2.Resource Information Research Institute, Chinese Forest-Science Research Academe, Beijing 100091, China)

According to the unification principle of system structure and system function of the Water Resource Conservation Forests,seven factors were selected from stand spatial structure, trees structure and healthy of woods, the multifunction management optimization model target was comfirmed by using the method of nonlinearity multi-objective programming approach, and the target function-stand spatial structure homogeneity index was deined to establish spatial optimization models with restraining conditions set up in diversity of stand structure and spatial structure.The spatial structure of available typical stand in the wet land area in southern Donting Lake was optimized by means of selective cutting and reinforcement planting.The results show that its spatial structure was improved obviously and trees diversity and stand health not be weaken.It’ s suggested that the established optimization models can guide multifunction management, stand structure optimization and the steady of ecosystem of Water Resource Conservation Forests effectively and it is convenient and operable in practice, that it’ s very important to protect and recover ecosystem of Water Resource Conservation Forests.

water resource conservation forests; southern Dongting lake wetland; spatial structure of stands; homogeneity index;optimization modeling

S757.1；TP18

A

1673-923X(2012)03-0023-06

2011-11-21

國(guó)家自然科學(xué)基金(31070568)；湖南省自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（10JJ2020）；湖南省教育廳重點(diǎn)科研項(xiàng)目（11A128）；林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目(201004002)

李建軍(1970—)，男,湖南沅江人，副教授，博士，主要從事森林經(jīng)理學(xué)、計(jì)算機(jī)應(yīng)用的研究；E-mail：lijianjun21@163.com

[本文編校：歐陽(yáng)欽]