李宇昊

(國家林業(yè)局調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)院, 北京 100714)

基于標(biāo)準(zhǔn)林的森林撫育診斷決策系統(tǒng)初步研究

李宇昊

(國家林業(yè)局調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)院, 北京 100714)

森林撫育診斷決策系統(tǒng)以撫育經(jīng)營小班為對象，根據(jù)森林演替規(guī)律，依據(jù)森林經(jīng)營技術(shù)規(guī)程和研究成果，生成樹種結(jié)構(gòu)和空間結(jié)構(gòu)理想化的標(biāo)準(zhǔn)林，通過對比分析現(xiàn)有林與標(biāo)準(zhǔn)林因子的差異，診斷決策現(xiàn)有林“是否需要撫育”及“如何撫育”。 以松江河林業(yè)局前川林場(sjq31-1)小班和神農(nóng)架林區(qū)徐家莊林場廟坪村(xjmp-2)小班作為對象，開展診斷林分結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀的研究。結(jié)果表明：FTDDSS具有生成標(biāo)準(zhǔn)林、診斷林分樹種組成和空間結(jié)構(gòu)及提出森林撫育決策意見的能力，可以作為開展森林撫育設(shè)計(jì)決策的輔助工具。

森林撫育；標(biāo)準(zhǔn)林；診斷決策；林分因子；培育模式；林分結(jié)構(gòu)

快速準(zhǔn)確判斷和決策林分“是否需要撫育”及“如何撫育”，是提高森林撫育質(zhì)量和效率的關(guān)鍵，也是林業(yè)生產(chǎn)需要解決的關(guān)鍵問題。目前，我國已經(jīng)制定了幾十余個(gè)針對不同區(qū)域、主要森林類型和主要樹種的森林經(jīng)營技術(shù)規(guī)程，為開展森林經(jīng)營提供了技術(shù)依據(jù)。在森林經(jīng)營決策方面，國內(nèi)開展了大量研究，董乃鈞[1]提出了構(gòu)建森林經(jīng)營決策支持系統(tǒng)的設(shè)想，謝小魁等[2]開發(fā)了森林經(jīng)營決策支持系統(tǒng)，李際平等[3]研發(fā)了杉木人工林林分經(jīng)營專家系統(tǒng)原型；石小云等[4]利用森林模擬與數(shù)據(jù)庫技術(shù)，研發(fā)了森林經(jīng)營決策模擬系統(tǒng)。此外，國內(nèi)專家學(xué)者針對我國主要森林類型和樹種的經(jīng)營技術(shù)方法進(jìn)行了大量研究，為我國開展森林撫育決策研究積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。但在森林經(jīng)營方面，還存在理論抽象、技術(shù)復(fù)雜、指標(biāo)繁多、實(shí)施成本高、操作難等問題，在一定程度上制約了森林撫育工作。

隨著信息技術(shù)在林業(yè)的廣泛應(yīng)用，森林資源管理和決策的技術(shù)手段有了長足發(fā)展。為加快森林撫育工作，2009年國家正式啟動(dòng)了中央財(cái)政森林撫育補(bǔ)貼工作，森林撫育工作有了長期穩(wěn)定的資金和政策保障，我國開展綜合性森林撫育應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)具備了基礎(chǔ)條件。本文針對森林撫育技術(shù)中存在的問題，以現(xiàn)有技術(shù)體系和研究結(jié)果為基礎(chǔ)，開展標(biāo)準(zhǔn)林培育模式、林分診斷因子，簡化指標(biāo)因子的研究，提出基于標(biāo)準(zhǔn)林的診斷決策思路和方法，探索構(gòu)建符合我國林業(yè)生產(chǎn)實(shí)際的森林撫育診斷決策系統(tǒng)，以期為森林撫育技術(shù)進(jìn)步創(chuàng)新思路。

1 FTDDSS概述

1.1 系統(tǒng)原理

現(xiàn)代醫(yī)學(xué)通過對比人體生理標(biāo)準(zhǔn)值與檢查值，診斷病情和決策治療，而森林撫育診斷決策系統(tǒng)(Forest Tending Diagnostic and Decision Support System，簡稱FTDDSS)的運(yùn)行原理與之相似。FTDDSS以經(jīng)營小班為診斷對象，通過對比分析標(biāo)準(zhǔn)林與現(xiàn)有林因子的差異，診斷現(xiàn)有林分存在的問題，決策撫育措施。

1.2 標(biāo)準(zhǔn)林

標(biāo)準(zhǔn)林是由FTDDSS按照一定規(guī)則生成的理想化的林分，是診斷現(xiàn)有林分的參照系。根據(jù)天保工程區(qū)劃、森林類別[5]和林分起源，將標(biāo)準(zhǔn)林分為8種類型，按照幼齡林、中近齡林和成過熟林三個(gè)階段確定標(biāo)準(zhǔn)林的經(jīng)營模式(詳見表1)。對于特殊森林類型，應(yīng)單獨(dú)規(guī)定其標(biāo)準(zhǔn)林培育模式。

1.3 診斷因子

根據(jù)FTDDSS的技術(shù)要求，從常規(guī)森林資源調(diào)查因子、技術(shù)規(guī)程指標(biāo)和科研成果中選擇“公認(rèn)度高、普遍使用、易于調(diào)查、能夠準(zhǔn)確表達(dá)林分現(xiàn)狀”的因子指標(biāo)作為診斷因子，其中：立地類因子包括地理位置、林業(yè)區(qū)劃、林種[6]、起源、齡組[7]、海拔、坡度、生態(tài)脆弱性、生態(tài)重要性[8]、土壤厚度、降雨量11個(gè)因子；屬性因子包括樹種組成[9]、平均樹高、平均胸徑、林干形態(tài)[10]4個(gè)因子；結(jié)構(gòu)類因子包括喬木垂直結(jié)構(gòu)、林木水平結(jié)構(gòu)[11]、樹種結(jié)構(gòu)和林齡結(jié)構(gòu)4個(gè)定性因子，表示林分結(jié)構(gòu)特征。

表1 標(biāo)準(zhǔn)林培育模式林業(yè)區(qū)劃林種起源培育目標(biāo)幼齡林中近齡林成過熟林天保工程區(qū)非天保工程區(qū)防護(hù)林用材林防護(hù)林用材林人工鄉(xiāng)土樹種為主的純林或混交林鄉(xiāng)土樹種為主的復(fù)層混交林鄉(xiāng)土樹種為主的復(fù)層異齡混交林天然鄉(xiāng)土樹種為主的純林或混交林鄉(xiāng)土樹種為主的復(fù)層異齡混交林地帶性頂級(jí)森林 人工鄉(xiāng)土用材樹種為主的純林或混交林鄉(xiāng)土用材樹種為主的復(fù)層混交林鄉(xiāng)土用材樹種為主的復(fù)層混交林天然鄉(xiāng)土樹種為主的純林或混交林鄉(xiāng)土樹種為主的復(fù)層混交林鄉(xiāng)土樹種為主的復(fù)層混交林人工適生樹種為主的純林或混交林適生樹種為主的復(fù)層混交林適生樹種為主的復(fù)層異齡混交林天然鄉(xiāng)土樹種為主的純林或混交林鄉(xiāng)土樹種為主的復(fù)層混交林鄉(xiāng)土樹種為主的復(fù)層異齡混交林人工適生優(yōu)質(zhì)用材樹種為主的林分適生優(yōu)質(zhì)用材樹種為主的林分適生優(yōu)質(zhì)用材樹種為主的復(fù)層林分天然鄉(xiāng)土用材樹種為主的純林或混交林鄉(xiāng)土用材樹種為主的混交林鄉(xiāng)土用材樹種為主的復(fù)層混交林

1.4 診斷依據(jù)

診斷依據(jù)包括技術(shù)規(guī)程、研究成果和政策規(guī)定3種類型，其中：技術(shù)規(guī)程主要包括現(xiàn)行森林經(jīng)營相關(guān)的11個(gè)國家標(biāo)準(zhǔn)、41個(gè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和地方標(biāo)準(zhǔn)，其適用性遵守《中華人民共和國標(biāo)準(zhǔn)法》規(guī)定；研究成果包括森林撫育經(jīng)營相關(guān)的著作和論文，著作包括森林經(jīng)營相關(guān)書集和圖冊等，論文以林業(yè)類中文核心期刊和省部級(jí)期刊為主，包括理論研究、技術(shù)方法應(yīng)用實(shí)踐等；政策規(guī)定包括《森林撫育檢查驗(yàn)收辦法》(林造發(fā)[2012]136號(hào))《森林撫育作業(yè)設(shè)計(jì)規(guī)定》([2012]191號(hào))等相關(guān)政策文件及管理規(guī)定。

2 系統(tǒng)應(yīng)用

2.1 研究區(qū)及小班概況

以林分結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜的天然林為研究對象，選擇吉林省松江河林業(yè)局和湖北省神農(nóng)架林區(qū)作為試驗(yàn)區(qū)。松江河林業(yè)局位于長白山西麓松江河畔，127°12′—127°50′E，41°44′—42°21′N，平均海拔760～1000 m。植被類型主要為針闊混交林，樹種有紅松(P．koraiensis)、蒙古櫟(Q.monglica)、水曲柳(F.mandshurica)、黃波羅(P.amurensis)、胡桃楸(mandshurica)、山槐(Maackiaamurensis)、白樺(B.platyphylla)、楓樺(Betulacostata)、山楊(P.davidiana)、落葉松(L.olgensis)、紅皮云杉(PiceaKoraiensis)、臭冷杉(Abiesnephrolepis)、白牛槭(Acermandshurica)等。神農(nóng)架林區(qū)位于秦巴山脈東端的神農(nóng)架山系，110°03′05″—110°33′50″E，31°21′20″—3l°36′20″N，總面積為70 467 hm2，是一個(gè)以亞熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)和珍稀動(dòng)植物為主要保護(hù)對象的自然保護(hù)區(qū)。植被類型主要為常綠闊葉林、常綠落葉闊葉混交林、落葉闊葉林，典型植被有宜昌楠(PhoebeZhennanyichang)、青岡(Cyclobalanopsisglauca)、川釣樟(Linderastrychnif-Oliavar.hemsleyana)、米心水青岡(Fagusengleriana)、青岡(Cyclobalanopsisglauca)、銳齒槲櫟(Quercusalienavar.acutiserrata)、四照花(Cronusjaponicavar.chinensis)、巴山冷杉(Abiesfargesii)、杜鵑(Rhododendronsimsii)等。

選擇松江河林業(yè)局前川林場31林班1小班(sjq31-1)和神農(nóng)架林區(qū)徐家莊林場廟坪村2小班(xjmp-2)作為應(yīng)用地塊。sjq31-1小班先后于1968年、1982年和2003年進(jìn)行過不同強(qiáng)度的擇伐，樹種組成由原先的紅松闊葉混交林逐步演替為以白樺為主的闊葉混交林，由于歷次采伐后沒有及時(shí)更新，針葉樹逐漸退出林分，林分水平分布不均勻。xjmp-2小班海拔高度1 800 m左右，為伐后次生林，實(shí)施天保工程后被劃為防護(hù)林(詳見表2)。

表2 撫育小班立地因子小班代號(hào)林業(yè)區(qū)劃林種起源海拔/m齡組坡度/(°)生態(tài)脆弱性生態(tài)重要性土壤厚度/cm降雨量/mmsjq31—1天保工程區(qū)防護(hù)林天然890中2一般比較重要40800xjmp-2天保工程區(qū)防護(hù)林天然1800幼26比較脆弱比較重要301000

2.2 生成標(biāo)準(zhǔn)林

確定經(jīng)營模式。根據(jù)小班立地因子，對照表1確定sjq31-1的經(jīng)營模式為“鄉(xiāng)土樹種為主的復(fù)層異齡混交林”，xjmp-2的經(jīng)營模式為“鄉(xiāng)土樹種為主的純林或混交林”。

生成sjq31-1標(biāo)準(zhǔn)林。根據(jù)診斷依據(jù)，確定小班應(yīng)為針闊混交紅松林[12-14]，樹種組成比例為“2紅2冷(云)2白1椴1榆1水1雜”[15]，林分株數(shù)密度為930～2 010株/hm2，平均樹高為9～12 m，平均胸徑12～16 cm[16-17]。林木干形應(yīng)為全林直立或零星彎曲，且林木分布較均勻[18-20]。

生成xjmp-2小班標(biāo)準(zhǔn)林。根據(jù)診斷依據(jù)確定小班應(yīng)為銳齒槲櫟林幼林，主要樹種有銳齒槲櫟、米水青岡、華山松和糙皮樺等，林分株數(shù)密度為2 000～3300株/ hm2，平均胸徑4～10 cm左右，林分水平結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出輕微團(tuán)狀分布[21-23]，垂直結(jié)構(gòu)為單層[24]。

2.3 對比分析

對比標(biāo)準(zhǔn)林和現(xiàn)實(shí)林的診斷因子，分析對比項(xiàng)因子存在的差異，對比結(jié)果用匹配或不匹配表示。由表3可知，jsq31-1小班的樹種組成、樹干形狀、垂直結(jié)構(gòu)、水平結(jié)構(gòu)和林齡結(jié)構(gòu)共6項(xiàng)因子不匹配，林分中白樺樹種比重過大，且樹種混交度較低，林分空間結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，局部林相殘破，據(jù)此可以判斷該小班需要采取間伐、造林等人工干預(yù)措施來改善林況；xjmp-2僅有株數(shù)密度與標(biāo)準(zhǔn)林不匹配，現(xiàn)有林株數(shù)密度略高于標(biāo)準(zhǔn)林取值上限，該小班進(jìn)行撫育的必要性不大。

2.4 診斷決策

sjq31-1診斷結(jié)果。由表3可知，sjq31-1小班為伐后天然次生林，林內(nèi)價(jià)值較高的針葉樹和闊葉樹被完全采伐，由于沒有及時(shí)更新，林分天然更新為以白樺為主的闊葉混交林，樹種組成中針葉樹比例偏低，缺少建群樹種和伴生樹種。從樹干形態(tài)結(jié)果來看，林內(nèi)有較多彎曲、傾斜、叢生木，林木生長狀況不良。從林分的空間結(jié)構(gòu)來看，林分無更新層，呈團(tuán)狀分布，無明顯林層結(jié)構(gòu)，下層無更新幼樹。針對這些問題，應(yīng)在林冠下或林隙內(nèi)營造紅松、云杉、冷杉等針葉樹，并在透光度較高的林窗、林隙內(nèi)營造水曲柳、胡桃楸、白樺等喜光闊葉樹，培育形成均勻覆蓋的復(fù)層異齡針闊混交林。根據(jù)《森林撫育規(guī)程》(GB/T15781)[25]，采取間伐措施將過密林團(tuán)的郁閉度降低到0.6左右，伐除影響其它目標(biāo)樹生長的不良木。

xjmp-2小班診斷結(jié)果。由表3可知，xjmp-2小班除現(xiàn)有林株數(shù)密度略高于標(biāo)準(zhǔn)林取值上限以外，其它因子與標(biāo)準(zhǔn)林匹配，由于該小班屬于生態(tài)比較脆弱的林分，不宜進(jìn)行大強(qiáng)度撫育施工，可采取低強(qiáng)度撫育間伐，降低局部過密林團(tuán)密度。

表3 標(biāo)準(zhǔn)林因子與對比分析診斷因子sjq31—1xjmp—2標(biāo)準(zhǔn)林因子[12-20]現(xiàn)實(shí)林因子對比結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)林因子[21-24]現(xiàn)實(shí)林因子對比結(jié)果樹種組成以紅松等針葉樹為主的針闊混交林。2紅2冷(云)2白1椴1榆1水1雜7白1雜1落1榆不匹配銳齒槲櫟、米水青岡、華山松、糙皮樺等為主要建群樹種,四照花、麻櫟、中華柳為伴生樹種6水青岡1華山松1四照花1中華柳1軟闊匹配密度/(株數(shù)/hm2)930～20101053匹配2000～33003350不匹配平均樹高/m9～128不匹配無數(shù)據(jù)6匹配平均胸徑/cm12～1612匹配4～1010匹配樹干形態(tài) 全林直立或零星彎曲較多彎曲、傾斜、叢生木不匹配 全林直立或零星彎曲 全林直立或零星彎曲匹配 垂直結(jié)構(gòu)復(fù)層單層不匹配單層單層匹配水平結(jié)構(gòu)均勻或隨機(jī)團(tuán)狀不匹配輕度團(tuán)狀隨機(jī)匹配樹種結(jié)構(gòu)混交混交匹配混交聚集混交匹配林齡結(jié)構(gòu)異齡同齡不匹配同齡同齡匹配

3 應(yīng)用實(shí)現(xiàn)

利用人工檢索資料、引用數(shù)據(jù)、對比分析的效率很低，只有實(shí)現(xiàn)FTDDSS診斷分析的自動(dòng)化，才能滿足實(shí)際應(yīng)用的需要，必須對FTDDSS進(jìn)行信息化改造，實(shí)現(xiàn)診斷因子數(shù)字化、依據(jù)信息化和診斷決策程序化。張會(huì)儒[26]等提出了森林資源信息分類和編碼的原則和方法，可在此基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化。

3.1 因子數(shù)字化

對于密度、土壤厚度等量化因子，可直接用數(shù)量表示。對于非量化因子，如：垂直結(jié)構(gòu)等，可用“1”代表復(fù)層結(jié)構(gòu)，“0”代表單層結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)定性表述的數(shù)字化。此外，立地因子中，應(yīng)用“地理坐標(biāo)”代替“地理位置”，使因子與地理位置關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的地理信息化，是FTDDSS具備基于地理空間位置的數(shù)據(jù)庫核對查詢功能。

3.2 依據(jù)信息化

要對技術(shù)規(guī)程的規(guī)定條款做信息化處理，使之成為可以檢索引用的知識(shí)型數(shù)據(jù)庫，如《森林撫育規(guī)程》規(guī)定“郁閉度0.7以上的人工林幼齡林中進(jìn)行透光伐”，可用“66”代表郁閉度，其數(shù)值直接用0.7，則“66,0.7”代表“林分郁閉度為0.7”；用“18”代表起源，用“2”代表人工林，則“18,2”代表“林分起源為人工林”；用“68”代表齡組，用“1”代表幼齡林，則“68，1”代表“齡組為幼齡林的林分”；用“69”代表撫育方式，用“1”代表透光伐，則“69,1”為透光伐撫育方式。“郁閉度0.7以上的人工林幼齡林中進(jìn)行透光伐”條款信息化后為“66,0.7；18,2；68，1；69,1”。政策規(guī)定和研究成果相關(guān)內(nèi)容可照此處理。

3.3 診斷決策程序化

利用軟件程序?qū)崿F(xiàn)診斷決策系統(tǒng)的邏輯運(yùn)行，包括生成標(biāo)準(zhǔn)林、對比分析和診斷決策3個(gè)步驟。需要建立診斷因子和診斷依據(jù)數(shù)據(jù)庫，利用軟件自動(dòng)生成標(biāo)準(zhǔn)林。通過自動(dòng)對比分析現(xiàn)有林和標(biāo)準(zhǔn)林因子，生成分析報(bào)告，并提交量化的林分撫育迫切性指數(shù)。根據(jù)分析報(bào)告，制定撫育方式，并提出施工參考量化指標(biāo)，系統(tǒng)運(yùn)行邏輯程序見圖1。

圖1 FTDDSS運(yùn)行邏輯程序

4 結(jié)論與討論

FTDDSS診斷決策的關(guān)鍵在于林分狀況因子的選擇和量化，生成標(biāo)準(zhǔn)林并與之進(jìn)行對比，從而診斷林分撫育的需求和強(qiáng)度。本研究表明，F(xiàn)TDDSS能夠根據(jù)林分的樹種組成和空間結(jié)構(gòu)特征，依據(jù)技術(shù)規(guī)定和研究成果，遵循森林地帶性分布規(guī)律和演替規(guī)律，生成理想化的標(biāo)準(zhǔn)林，通過與現(xiàn)有林因子比較研究，判斷林分的樹種組成和空間結(jié)構(gòu)的合理性，提出撫育技術(shù)措施。這種根據(jù)林分空間結(jié)構(gòu)診斷決策森林撫育的方法，符合森林空間結(jié)構(gòu)調(diào)整是森林經(jīng)營活動(dòng)的本質(zhì)[27]這一基本規(guī)律。同時(shí)TDDSS將生態(tài)脆弱性和生態(tài)重要性作為診斷因子，通過控制撫育方式和強(qiáng)度，形成了簡單有效的風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避機(jī)制。

目前，F(xiàn)TDDSS提出的決策意見還是略顯簡單概要，受到技術(shù)規(guī)程和研究成果的限制，無法生成個(gè)別地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)林樹種組成的參考比例，而僅能生成優(yōu)勢樹種和伴生樹種，這還有賴于技術(shù)規(guī)程和研究成果的不斷豐富。實(shí)踐表明只有實(shí)現(xiàn)FTDDSS診斷分析的自動(dòng)化，才能滿足森林撫育的實(shí)際應(yīng)用的需要?？芍鸩皆黾恿炕臻g結(jié)構(gòu)因子，如林分的混交度、大小比數(shù)、角尺度、林層高度等，增加系統(tǒng)的量化評(píng)價(jià)內(nèi)容，提高診斷決策的直觀度和精度，從而提高系統(tǒng)診斷的自動(dòng)化和決策結(jié)果的可操作性。

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PreliminaryResearchontheFTDDSSBasedonStandardForest

LI Yuhao

(Academy of Forest Inventory and Planning, State Forestry Administration,Beijing 100714,China)

Tending and management subcompartment was taken as objects, by Using the FTDDSS, a standard forest with ideal structures of tree species and space was generated based on the succession rules of forest and the current technical regulations, research results and policies. Through the contrastive analysis of the differences between standard forest factors and existing forest factors, the FTDDSS would decide whether the existing forest need tending and how to tend. Viewed from the present application, the FTDDSS can serve as an auxiliary tool to carry out forest tending design and with the ability to diagnose the species composition and space structure of stand, and to put forward the tending decisions and opinions.

forest tending；standard forest；diagnosis and decision；factor；cultivation mode；stand structure

2014-04-30

2014-05-19

李宇昊(1979-)， 男，陜西西安人，工程師，主要從事森林資源調(diào)查和森林經(jīng)營工作。

S 753.5

A

1003-6075(2014)02-0005-05