森林空间结构分析与优化经营模型研究

本研究以我国东北过伐林区吉林省汪清林业局金沟岭林场为研究区，从景观和林分两个层次探讨实现森林可持续经营的空间途径。研究方法包括：非线性多目标整数规划、GIS技术应用、TWINSPAN数量分类、混交分析、竞争分析、空间分布格局分析、贪心算法、Monte Carlo算法和面向对象程序设计等。主要研究结论包括理论和应用两个方面。 理论方面： (1)森林经营的空间途径基本框架包括森林景观和林分两个层次。在景观层次，经营目标是保持森林景观的完整性和稳定性。在林分层次，经营目标是保持森林生态系统的健康与活力。无论是大尺度景观，还是小尺度林分，空间优化经营模型必须建立在空间结构分析基础之上，贯穿以保护为主，利用为辅的可持续经营思想。 (2)点结构分析理论把林分空间结构分为林木点结构和林分整体结构。林木点结构是林分在空间的局部精细结构，林分整体结构由林木点结构组成，一般是林木点结构的平均数。点结构分析理论有可能把涉及森林经营的许多方面统一起来，成为一种有效的空间分析理论。 (3)空间结构优化的建模理论与方法，突破传统的功能建模思想局限性。基于该理论与方法，建立了林分择伐空间优化模型。模型集成现代森林经理学、近自然林业、可持续经营、生物多样性保护和信息技术等理论与手段，并成功地与检查法相结合，可操作性强。此类模型属非线性多目标整数规划，Monte Carlo法是求解的可行方法之一。 (4)最大覆盖模型被引入森林类型多样性保护地选择，贪心法是模型求解的一种可行方法。 (5)把先进的双向指示种TWINSPAN分类方法引入混交林分类，并找出混交林的演替序列与规律。表明，TWINSPAN同样适用于混交林的分类和排序，对混交林演替过程的时空梯度有一定指示意义。 (6)树种多样性混交度既考虑对象木与最近邻木之间的树种隔离，同时还考虑最近邻木相互之间的树种隔离，更能反映树种混交程度。 (7)从数学上证明，如果距离相等，相同胸径等级林木之间的竞争指数小于不同胸径等级林木间的竞争指数。指出不对称竞争可能是异龄林维持高稳定性的原因之一。 (8)与精确最近邻体分析相比，Ripley’s K(d)函数才可以分析所有距离尺度下的分布格局，是较好的分布格局分析方法。 (9)研究发现，Ripley’s K(d)函数还存在第4种边缘校正情形。经证明，在第4种情形下，传统的边缘校正必然导致权重偏大。本文提出改进校正的方法。 中文摘要 (10)空间分布格局的三种Monte Carlo检验方法中，基于最大胸径的Monte Carlo 检验法较好。 应用方面: (1)采用定量与定性相结合的方法把研究区森林分为3个森林类型组，22种森林类 型，分类结果对森林经营有一定指导意义。 (2)采用最大覆模型求得的森林类型多样性最大覆盖格局包括:31、37、39、48、 51、55和64林班，共7个林班。可作为选择森林类型多样性保护地的参考依据。 (3)根据对原始林20号样地的研究，林木的竞争指数随胸径的增大服从幂函数递减 关系。当胸径达到30.gcm以后，竞争指数较低，且变化很小，此前采取抚育措施是 有效的。林分中，除极木种内竞争指数最高之外，种间竞争比种内竞争激烈。针叶树 建群种的竞争能力比阔叶树弱。因此，采伐时应以调节种间竞争为主，伐除影响针叶 树生长的阔叶树，有利于系统的进展演替。 (4)用点结构分析理论分析原始林20号样地的林分空间结构特征。林分树种多样性 混交度M=0 .6619，树种隔离程度中略偏大;林分竞争指数CI二3.8046;林木呈随机 分布格局。’证实前人的研究结论，即大树(D)30.gcm)总的分布趋势是均匀分布。 小树(D<30.gcm)在小尺度(d<l .Zm)是聚集分布。大树与小树的关联性不明显。 针叶树种群有均匀分布趋势，阔叶树种群则有聚集分布趋势。 (5)求解林分择伐空间优化模型，得到原始林20号样地下一经理期的最优采伐方案， 最优采伐木包括88、102、93、 34、36、63、99、94、83、40、6、22、72、37、46 和86号，共16株树木。采伐量没有超过生长量，采伐强度仅为18.2471%;伐后的 空间结构均得到改善，并且未破坏非空间结构。该采伐方案为优化经营决策提供了精 确的空间信息，可作为科学经营的依据。 (6)林分空间结构分析与计算均由自行设计的软件SSSAS完成。