人工林經(jīng)營(yíng)中保持森林結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的探究

李 銳,李際平,張利利

(1.國(guó)家林業(yè)局中南林業(yè)調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)院,長(zhǎng)沙 410014 ；2.中南林業(yè)科技大學(xué) 林業(yè)系統(tǒng)工程實(shí)驗(yàn)室,長(zhǎng)沙 410004；3.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院亞熱帶林業(yè)實(shí)驗(yàn)中心,江西 分宜 336600)

人工林經(jīng)營(yíng)中保持森林結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的探究

李 銳1,李際平2,張利利3

(1.國(guó)家林業(yè)局中南林業(yè)調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)院,長(zhǎng)沙 410014 ；2.中南林業(yè)科技大學(xué) 林業(yè)系統(tǒng)工程實(shí)驗(yàn)室,長(zhǎng)沙 410004；3.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院亞熱帶林業(yè)實(shí)驗(yàn)中心,江西 分宜 336600)

采用小班水平上的劃分方法,將小班看做是林分中的“單木”,相鄰小班之間的邊緣效應(yīng)近似模擬了林分中“單木”與“單木”之間的空間位置關(guān)系,利用GIS構(gòu)建森林耦合體。通過復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)將之抽象化為森林耦合網(wǎng)絡(luò),利用已構(gòu)建的森林耦合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性模型,針對(duì)人工林的林學(xué)特征與經(jīng)營(yíng)方式,探究人工林經(jīng)營(yíng)中森林結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的優(yōu)化調(diào)控。研究結(jié)果表明:1)當(dāng)森林耦合體中存在面積較大的、林分質(zhì)量較差的小班時(shí),可將其更新為面積較小的小班,在小班上選擇性更新與周圍小班不同的樹種,使面積較大的小班逐漸演替為“混交”的面積較小的小班。這一過程平衡了面積較大的小班周圍介數(shù)分布,提高了森林結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。2)當(dāng)森林耦合體中存在林窗時(shí),可以在林窗中補(bǔ)植與周圍優(yōu)勢(shì)樹種不同的林木。這一過程降低了林窗周圍節(jié)點(diǎn)的介數(shù),平衡了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的介數(shù)分布,提高了森林結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。研究森林耦合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化,實(shí)際上就是解決小班如何在有限空間內(nèi)的合理布局,旨在為人工林經(jīng)營(yíng)過程中如何保持森林結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,同時(shí)又兼顧林業(yè)生產(chǎn)的可操作性提供一種新的思路。

人工林經(jīng)營(yíng)；森林結(jié)構(gòu)；森林耦合網(wǎng)絡(luò)；節(jié)點(diǎn)數(shù)；介數(shù)；穩(wěn)定性

0 引言

森林的穩(wěn)定性影響著森林這一復(fù)雜巨大的多功能系統(tǒng),影響著林木之間的競(jìng)爭(zhēng)及能量、物質(zhì)交互,對(duì)林分中的物種多樣性起著重要的作用。但如何從整個(gè)森林的角度來研究森林的穩(wěn)定性,目前還沒有一個(gè)較為系統(tǒng)的方法。人工林是森林重要林分類型之一,尤其是處在重要生態(tài)區(qū)位公益林中的人工林。但是大面積的人工林存在一個(gè)很大的風(fēng)險(xiǎn),人工林會(huì)隨著時(shí)間的推移,其林分質(zhì)量愈發(fā)變差,即人工林具有生物學(xué)上的不穩(wěn)定性。尤其是南方的杉木林,其樹種結(jié)構(gòu)單一、生物多樣性低下,若遇極端氣候條件則病蟲害嚴(yán)重,森林結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性會(huì)降低[1-3]。而南方森林中又存在大量的人工林,如何在人工林的經(jīng)營(yíng)過程中,提高森林結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,已成為當(dāng)前林業(yè)工作者亟須解決的一個(gè)問題?，F(xiàn)有的研究往往都是從局部森林考慮,以單木作為研究對(duì)象,通過林分空間結(jié)構(gòu)指數(shù)角尺度、混交度和大小比數(shù)等對(duì)林分空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,采用間伐和合理補(bǔ)植補(bǔ)造的方式降低林木競(jìng)爭(zhēng),使林分趨向平均化,以此來提高林分結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性[4-5]。但針對(duì)實(shí)際生產(chǎn)來說,在經(jīng)營(yíng)人工林時(shí)不僅僅要考慮生態(tài)價(jià)值,其經(jīng)濟(jì)價(jià)值也是衡量人工林的一個(gè)重要指標(biāo)。對(duì)于達(dá)到成熟齡的人工林,一般情況下,處理方式就是對(duì)其進(jìn)行皆伐；對(duì)于中齡林,進(jìn)行間伐時(shí)也是憑實(shí)際的經(jīng)驗(yàn)來操作。在人工林中幾乎不可能做到對(duì)林木的屬性因子和空間位置關(guān)系進(jìn)行全部調(diào)查,然后再對(duì)其進(jìn)行計(jì)算來優(yōu)化調(diào)控。因而,林分的空間結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整大多數(shù)還是停留在局部小范圍,在森林工區(qū)或是森林管護(hù)站這一大面積的范圍內(nèi)很難系統(tǒng)地實(shí)施。

本文在研究森林結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性時(shí)采用小班水平上的劃分方法,將小班看做是林分中的“單木”,其相鄰小班之間的邊緣效應(yīng)[6-8]近似模擬林分中“單木”與“單木”之間的空間位置關(guān)系,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)小班的“混交”模式。利用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)[9-11]將之抽象化為森林耦合網(wǎng)絡(luò)[12-13],網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)代表現(xiàn)實(shí)林分中相對(duì)應(yīng)的小班。利用已構(gòu)建森林耦合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性模型,針對(duì)人工林的林學(xué)特征和經(jīng)營(yíng)方式,探究模型的優(yōu)化調(diào)控。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的調(diào)控一定程度上反映了小班水平上的調(diào)控,其意義近似于傳統(tǒng)林分空間結(jié)構(gòu)研究中“單木”的調(diào)控。研究森林耦合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化,并通過優(yōu)化的結(jié)果提出人工林的經(jīng)營(yíng)措施。其實(shí)施對(duì)象為小班,在實(shí)際生產(chǎn)中既增強(qiáng)了調(diào)控的可操作性又兼顧了森林結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

1 材料與方法

1.1基于鄰接關(guān)系構(gòu)建森林耦合網(wǎng)絡(luò)

以湖南省桃源縣森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),在林相圖中利用GIS將未成林林地、無立木林地、宜林地、苗圃地和非林地小班刪除,構(gòu)成內(nèi)部小班具有連續(xù)性,即每個(gè)小班至少有一個(gè)小班與之相連,同時(shí)外部具有阻隔性,即整體與整體之間沒有小班相連的耦合體[14]。這與物理學(xué)中的耦合作用是類似的。在物理學(xué)中,耦合作用是指兩個(gè)或兩個(gè)以上的電網(wǎng)絡(luò)或電路元件的輸入與輸出之間存在緊密配合而且會(huì)相互影響,并通過相互作用從一側(cè)向另一側(cè)傳輸能量的現(xiàn)象。耦合體中的每個(gè)小班代表現(xiàn)實(shí)林分中的“單木”。本研究遵循先易后難的原則,對(duì)于小班與小班之間的邊緣效應(yīng)暫不考慮,默認(rèn)相鄰小班之間的邊緣效應(yīng)都極顯著。

針對(duì)所選的森林耦合體,利用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)工具Pajek將之抽象化為森林耦合網(wǎng)絡(luò)。在耦合網(wǎng)絡(luò)中,每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都對(duì)應(yīng)小班的幾何中心,每一條邊都表示小班之間的相互連接關(guān)系,小班之間的邊緣效應(yīng)都極顯著,默認(rèn)為節(jié)點(diǎn)之間的邊權(quán)都為1,這樣能很好地表示小班與小班之間的空間位置關(guān)系,也便于計(jì)算。

1.2選取與網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性相關(guān)的指數(shù)

網(wǎng)絡(luò)指數(shù)介數(shù)主要是描述節(jié)點(diǎn)對(duì)于信息流動(dòng)的影響力,描述能量和物質(zhì)流經(jīng)該點(diǎn)的可能性。若該點(diǎn)的能量流和物質(zhì)流相應(yīng)增大,反映在網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)上,即為介數(shù)的增大。利用介數(shù)即可確定節(jié)點(diǎn)的能量、物質(zhì)負(fù)載程度,一定程度上表征節(jié)點(diǎn)的重要程度[15-17],即可篩選出整個(gè)耦合體中最為關(guān)鍵的小班。

假設(shè)網(wǎng)絡(luò)具有n個(gè)節(jié)點(diǎn),則節(jié)點(diǎn)x的介數(shù)定義為:

(1)

式中:gik為節(jié)點(diǎn)j和節(jié)點(diǎn)k之間的最短路徑數(shù),gik(x)為節(jié)點(diǎn)j與節(jié)點(diǎn)k之間經(jīng)過節(jié)點(diǎn)x的條數(shù),(n-1)(n-2)/2為任意兩節(jié)點(diǎn)的連線經(jīng)過節(jié)點(diǎn)x最大可能節(jié)點(diǎn)的介數(shù)。傳統(tǒng)林分空間指數(shù)計(jì)算時(shí),都以中心木為對(duì)象,計(jì)算范圍為中心木及周圍的鄰近木,并且鄰近木數(shù)量不同,對(duì)最后的結(jié)果也有差異。而利用網(wǎng)絡(luò)介數(shù),則可以計(jì)算整個(gè)網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)對(duì)該中心節(jié)點(diǎn)的影響,這樣所得的結(jié)果無需再考慮節(jié)點(diǎn)重要程度的范圍。

1.3確定與網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性相關(guān)的模型

以節(jié)點(diǎn)數(shù)為150個(gè)左右的網(wǎng)絡(luò)為例(方便計(jì)算和推演),統(tǒng)計(jì)不同介數(shù)范圍內(nèi)的累計(jì)節(jié)點(diǎn)數(shù),構(gòu)建累計(jì)節(jié)點(diǎn)數(shù)與介數(shù)中值(介數(shù)范圍內(nèi)取中值,計(jì)算回歸方程)回歸方程組。分析累計(jì)節(jié)點(diǎn)數(shù)分布與網(wǎng)絡(luò)崩潰閾值之間關(guān)系,構(gòu)建累計(jì)節(jié)點(diǎn)數(shù)在介數(shù)范圍內(nèi)分布的理想方程,再利用遞推法構(gòu)建不同介數(shù)范圍內(nèi)節(jié)點(diǎn)數(shù)分布的理想方程,構(gòu)建好的方程[17]如下式所示:

(2)

k取到無窮小的正值時(shí),方程g(x)曲線無限趨向于一條直線,即對(duì)于一個(gè)耦合網(wǎng)絡(luò)來說,不同介數(shù)范圍內(nèi)節(jié)點(diǎn)數(shù)分布曲線越趨向于一條直線,人工林耦合網(wǎng)絡(luò)越穩(wěn)定。實(shí)際上最理想的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該是在三維空間下每個(gè)點(diǎn)都和其周圍最短路徑的點(diǎn)相連,并且最短路徑也是相同的,每個(gè)點(diǎn)都是相同的連接狀態(tài)。然而,這樣的網(wǎng)絡(luò)是不存在,因此k永遠(yuǎn)也不可能為0,其方程g(x)永遠(yuǎn)也不可能為一條直線,只能是無限趨向直線。

1.4網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性模型優(yōu)化

通過對(duì)(2)式的分析,發(fā)現(xiàn)要使網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,實(shí)際上就是要使網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)分布更加均勻,每個(gè)點(diǎn)與之周圍相連點(diǎn)的數(shù)量不應(yīng)過多,也不應(yīng)過少,最理想的狀態(tài)是讓每個(gè)點(diǎn)都有相同數(shù)量的點(diǎn)與之相連。結(jié)合林學(xué)特征及人工林經(jīng)營(yíng)的需要,設(shè)計(jì)兩種優(yōu)化方案。

1)將面積大、林分質(zhì)量差的小班更新為若干個(gè)面積小的小班。當(dāng)耦合體中存在面積較大、林分質(zhì)量較差的小班時(shí),將面積大的小班更新為若干個(gè)面積小的小班,其更新的小班面積應(yīng)與整個(gè)耦合體中小班的平均面積大致相同。

2)將林窗更新為小班。當(dāng)耦合體中存在林窗時(shí),通過補(bǔ)植補(bǔ)造的方式將林窗更新為小班。

2 結(jié)果與分析

2.1將面積大 林分質(zhì)量差的的小班更新為若干個(gè)面積小的小班

1) 由于早期人工造林條件和經(jīng)濟(jì)條件受限,南方人工林小班中以杉木林為主,結(jié)構(gòu)單一,特別是杉木的二代、三代林分質(zhì)量較差。對(duì)于這類面積較大的小班,對(duì)其更新為若干個(gè)面積小的小班,以平衡網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)介數(shù)的分布。如圖1所示,在一個(gè)未優(yōu)化的森林耦合體-1中,小班1,2,3,4(紅色)是面積較大、質(zhì)量較差的杉木三代純林,由于面積較大,與周圍接觸的小班數(shù)也較多,抽象化到網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的介數(shù)也較高。將此類小班進(jìn)行更新,保留生長(zhǎng)情況良好的區(qū)域,對(duì)更新的區(qū)域重新區(qū)劃,這一過程會(huì)增加小班數(shù)。為排除節(jié)點(diǎn)數(shù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響,最大程度地減小節(jié)點(diǎn)數(shù)對(duì)模型的干擾,在保證耦合體外形基本一致的情況下去除外圍的小班(藍(lán)色),以保證整個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后節(jié)點(diǎn)數(shù)還是一致的[18]。在對(duì)大面積的小班區(qū)劃的過程中(圖2),1號(hào)小班原為杉木三代純林,將此小班更新為杉木、松木、闊葉樹、灌木、竹林和經(jīng)濟(jì)林,在原小班中形成新小班“混交”模式。

圖1 未優(yōu)化的森林耦合體-1

圖2 對(duì)1號(hào)小班進(jìn)行更新

2)將優(yōu)化前后的森林耦合體抽象化為網(wǎng)絡(luò)(圖3、圖4),網(wǎng)絡(luò)總節(jié)點(diǎn)數(shù)都為128。圖3中31號(hào)節(jié)點(diǎn)(藍(lán)色)代表1號(hào)小班,其節(jié)點(diǎn)介數(shù)為0.259 9,在對(duì)其重新區(qū)劃后,節(jié)點(diǎn)變?yōu)閳D4中的20,22,23,26,28,29和35號(hào)節(jié)點(diǎn)(藍(lán)色),節(jié)點(diǎn)介數(shù)分別為0.047 1,0.005 0,0.023 7,0.006 4,0.006 9,0.033 7和0.168 6,這一過程降低了1號(hào)節(jié)點(diǎn)的介數(shù),將其重要程度分散到其他節(jié)點(diǎn)上了。其他2,3,4號(hào)小班同上。對(duì)優(yōu)化前和優(yōu)化后的兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)分別計(jì)算節(jié)點(diǎn)的介數(shù),發(fā)現(xiàn)優(yōu)化前后介數(shù)為0的節(jié)點(diǎn)數(shù)相差不大,但在0.01～0.15的介數(shù)范圍內(nèi),優(yōu)化后的節(jié)點(diǎn)數(shù)分布更加均衡,且優(yōu)化前介數(shù)的最高值為0.275 6,優(yōu)化后則為0.219 6。

圖3 未優(yōu)化的森林耦合網(wǎng)絡(luò)-1

圖4 優(yōu)化后的森林耦合網(wǎng)絡(luò)-1

3)根據(jù)介數(shù)的范圍確定節(jié)點(diǎn)數(shù),在坐標(biāo)中確定散點(diǎn),擬合曲線如圖5所示。優(yōu)化后曲線的“頭”要低于優(yōu)化前的曲線,而“尾”則相對(duì)于優(yōu)化前的要短且高。兩條曲線與當(dāng)k=1×10-20的理想曲線g(x)相比時(shí),優(yōu)化后的擬合曲線顯然要更接近理想曲線,說明該森林耦合體經(jīng)過小班劃分后,其結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。分析其原因:在圖3的網(wǎng)絡(luò)中,由于小班節(jié)點(diǎn)31,79,87,101號(hào)的節(jié)點(diǎn)介數(shù)較高,當(dāng)能量、物質(zhì)在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中循環(huán)流動(dòng)時(shí),小班周圍的能量、物質(zhì)流經(jīng)面積較大的小班概率較高,其能量、物質(zhì)的負(fù)載也較大,此類小班更為重要,一旦受到攻擊,整個(gè)網(wǎng)絡(luò)崩潰的可能性也會(huì)更高；在圖4的網(wǎng)絡(luò)中,將面積大的小班節(jié)點(diǎn)變?yōu)槿舾蓚€(gè)面積小的小班節(jié)點(diǎn),降低了單個(gè)節(jié)點(diǎn)的介數(shù),當(dāng)能量、物質(zhì)循環(huán)流動(dòng)時(shí),流經(jīng)單個(gè)小班的概率會(huì)降低,減小了小班的重要程度,因此當(dāng)小班受到攻擊時(shí),網(wǎng)絡(luò)崩潰的可能性也會(huì)降低。

圖5 森林耦合體優(yōu)化前和優(yōu)化后結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性對(duì)比-1

2.2將林窗更新為小班

1)當(dāng)人工林達(dá)到成熟林后,一般情況下就會(huì)對(duì)其進(jìn)行采伐,早期的采伐都是以皆伐為主,在采伐后由于各種條件受限,并沒有對(duì)一些小班進(jìn)行造林更新或是在造林失敗后未對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)植補(bǔ)造,因此會(huì)在整個(gè)森林耦合體中形成林窗。在森林耦合體中將林窗更新為小班實(shí)際上就是在森林耦合網(wǎng)絡(luò)中增加內(nèi)部節(jié)點(diǎn)數(shù),以平衡網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)介數(shù)的分布。如圖6所示,在一個(gè)未優(yōu)化的森林耦合體-2中,白色區(qū)域1,2,3,4(白色)是林窗,抽象化到網(wǎng)絡(luò)中此位置無節(jié)點(diǎn),考慮到立地質(zhì)量與造林成本,對(duì)此營(yíng)造灌木林,以求盡量保持水土。這一過程會(huì)增加小班數(shù),為排除節(jié)點(diǎn)數(shù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響,所采取的技術(shù)方法同“2.1”節(jié)“1)”中所述的去除外圍小班(藍(lán)色)。在對(duì)1號(hào)林窗進(jìn)行優(yōu)化的過程中(圖7),將白色的區(qū)域上更新為高山杜鵑,而周圍的小班為杉木成熟林、闊葉幼齡林、杉木幼齡林、松木幼齡林、竹林和經(jīng)濟(jì)林,形成小班“混交”模式。

圖6 未優(yōu)化的森林耦合體-2

圖7 對(duì)1號(hào)林窗進(jìn)行更新

2)將優(yōu)化前后的森林耦合體抽象化為網(wǎng)絡(luò)(圖8、圖9),網(wǎng)絡(luò)總節(jié)點(diǎn)數(shù)都為139。圖9中33,51,78,113號(hào)節(jié)點(diǎn)(黑色)代表更新后的小班。以113號(hào)節(jié)點(diǎn)為例,在優(yōu)化后，113號(hào)節(jié)點(diǎn)周圍的102,104,111,118,119,123,129號(hào)節(jié)點(diǎn)優(yōu)化前的介數(shù)分別為0.006 5,0.000 4,0.004 7,0.044 2,0.003 1,0.101 1,0.091 1,優(yōu)化后各節(jié)點(diǎn)的介數(shù)為0.004 2,0.000 3,0.002 7,0.039 6,0.002 1,0.099 8,0.088 7,相對(duì)于優(yōu)化前,介數(shù)都降低了,113號(hào)節(jié)點(diǎn)介數(shù)為0.014 0,實(shí)際上,在合理的位置增加內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)就是局部范圍內(nèi)平衡節(jié)點(diǎn)介數(shù)的分布。其他2,3,4號(hào)林窗同上。對(duì)優(yōu)化前和優(yōu)化后的兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)分別計(jì)算節(jié)點(diǎn)的介數(shù),發(fā)現(xiàn)優(yōu)化前后介數(shù)為0和介數(shù)在0～0.02之間的節(jié)點(diǎn)數(shù)基本保持一致,在0.2～0.15的介數(shù)范圍內(nèi),優(yōu)化后的節(jié)點(diǎn)數(shù)分布更為平均,并且在相對(duì)的范圍內(nèi)節(jié)點(diǎn)數(shù)更為集中,介數(shù)大的節(jié)點(diǎn)數(shù)變得更少,介數(shù)的最高值降低了0.01。

圖8 未優(yōu)化的森林耦合網(wǎng)絡(luò)-2

圖9 優(yōu)化后的森林耦合網(wǎng)絡(luò)-2

3)根據(jù)介數(shù)的范圍確定節(jié)點(diǎn)數(shù),在坐標(biāo)中確定散點(diǎn),擬合曲線如圖10所示,優(yōu)化后曲線的“頭”與優(yōu)化前的基本保持一致,而“尾”則相對(duì)于優(yōu)化后要短,說明在耦合體內(nèi)部增加小班,對(duì)耦合體邊緣產(chǎn)生的影響較小,主要是對(duì)耦合體的內(nèi)部小班進(jìn)行了優(yōu)化,使得網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)介數(shù)分布均衡。兩條曲線與當(dāng)k=1×10-20的理想曲線g(x)相比時(shí),優(yōu)化后的擬合曲線較優(yōu)化前要更接近理想曲線,說明對(duì)森林耦合體的林窗進(jìn)行更新后,其結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定,但效果不如區(qū)劃小班效果明顯。分析其原因:在圖8的網(wǎng)絡(luò)中,當(dāng)能量、物質(zhì)在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中循環(huán)流動(dòng)經(jīng)過林窗附近時(shí),由于林窗的不連通性,使得能量、物質(zhì)多分流到林窗附近的小班,造成這些小班的負(fù)載較高,小班節(jié)點(diǎn)介數(shù)也較高,當(dāng)網(wǎng)絡(luò)受到攻擊時(shí),若是隨機(jī)移除這些節(jié)點(diǎn),網(wǎng)絡(luò)更容易崩潰；在圖9的網(wǎng)絡(luò)中,在林窗位置增加了小班,使得能量、物質(zhì)流經(jīng)此小班時(shí),將之分流,降低網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的介數(shù),減小小班的重要程度,得以提升網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。優(yōu)化效果不明顯則是因?yàn)榱执懊娣e較小,對(duì)其整個(gè)耦合體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響本身就很小,若是面積較大,且對(duì)林窗再進(jìn)行重新區(qū)劃更新,則耦合體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性提升就會(huì)較高。

圖10 森林網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化前和優(yōu)化后結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性對(duì)比-2

3 結(jié)論與討論

3.1結(jié)論

森林耦合體是一個(gè)相對(duì)于外部較為封閉,但是內(nèi)部又是開放的空間。當(dāng)能量、物質(zhì)在耦合體中循環(huán)流動(dòng)時(shí),遇到面積較大的小班或是林窗都會(huì)影響周圍小班能量、物質(zhì)的負(fù)載,從而對(duì)整個(gè)耦合體的能量、物質(zhì)流產(chǎn)生影響。根據(jù)研究區(qū)的特點(diǎn),從探索森林結(jié)構(gòu)優(yōu)化配置和人工林經(jīng)營(yíng)方式出發(fā),針對(duì)人工林提出以下經(jīng)營(yíng)措施:

1)當(dāng)森林中存在面積較大的、林分質(zhì)量較差的小班時(shí),可將之更新為面積較小的小班,在局部區(qū)域中形成一種小班的“混交”模式。例如研究區(qū)人工林以杉木為主,部分小班經(jīng)過采伐后由于地理位置、經(jīng)濟(jì)等因素并沒有對(duì)其進(jìn)行更新,產(chǎn)生了很多的杉木次生林,這類小班往往面積較大,且質(zhì)量較差,很容易受到病蟲害的襲擾。對(duì)于這類小班,考慮次生林的生長(zhǎng)情況,對(duì)其重新區(qū)劃:生長(zhǎng)情況良好的杉木,對(duì)其上層林冠進(jìn)行改造,使上層更新為杉木次生林冠,給予保留；生長(zhǎng)情況較差的杉木,對(duì)其采伐并植苗更新為其他樹種幼齡林；生長(zhǎng)中庸的杉木,對(duì)其進(jìn)行撫育間伐,即使其保留杉木次生林冠,同時(shí)采取人工誘導(dǎo)的措施培育有前途的闊葉鄉(xiāng)土樹種,最終形成“混交”狀態(tài)下的森林耦合體。

2)當(dāng)森林中存在林窗:a.若林窗的面積較小時(shí),對(duì)于立地條件較好的林窗,可以在小班中補(bǔ)植更新與周圍優(yōu)勢(shì)樹種不同的林木,在管理方面,則著重注意補(bǔ)植成活率；對(duì)于立地條件一般或是較差的林窗,從經(jīng)濟(jì)的角度考慮,建議營(yíng)造灌木林。b.若林窗的面積較大時(shí),可以考慮先將林窗重新區(qū)劃,然后再根據(jù)地理位置與經(jīng)濟(jì)條件進(jìn)行更新造林,營(yíng)造與周圍樹種不同的幼齡林。

3.2討論

在構(gòu)建森林耦合網(wǎng)絡(luò)的過程中,將相鄰小班之間的邊緣效應(yīng)認(rèn)為是極顯著的,網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)之間的權(quán)重默認(rèn)為1。但在現(xiàn)實(shí)林分中,小班與小班之間的邊緣效應(yīng)是有大有小的。在以后的細(xì)化研究中應(yīng)先計(jì)算不同小班之間的邊緣效應(yīng),再將邊緣效應(yīng)歸一化處理,這樣計(jì)算介數(shù)才更為精準(zhǔn)。

在研究森林結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性優(yōu)化過程中,主要是靠增加特定位置的小班起作用的,實(shí)際上小班的變化往往總是伴隨著小班個(gè)數(shù)和小班節(jié)點(diǎn)介數(shù)的雙重變化,如何將小班個(gè)數(shù)與小班節(jié)點(diǎn)介數(shù)相結(jié)合構(gòu)建森林耦合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定模型也是下一步要研究的問題。

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ExplorationofStructureStabilityOptimizationaboutPlantationLandscapefromPerspectiveofComplexNetwork

LI Rui1,2,LI Jiping2,ZHANG Lili3

(1.CentralSouthForestInventoryandPlanningInstituteofStateForestryAdministration,Changsha,410014;2.CentralSouthUniversityofForestry&TechnologyLaboratoryofForestrySystemsEngineering,Changsha,410004;3.SubtropicalExperimentalCenterChineseAcademyofForestry,Fenyi336600,China)

Using the dividing method of sub-compartment level,the sub-compartment is treated as “individual tree”,the sub-compartment as stand between adjacent sub-compartment stands in the edge effect approximately simulates “individual tree” and “individual tree” space position relation，GIS is used to build the forest coupling system.Through complex coupling network,the network was abstracted into the forest to build and use forest coupling network structure stability of the model.In view of the plantation forestry characteristics and mode of operation,the optimization of the structure stability of the plantation management is explored.The results were as follows:(1)As the forest coupling system exists in the larger area and quality of sub-compartment which can be updated to a small area is poor,selective update in sub-compartment with the surrounding sub-compartment of different tree species can be made,and the sub-compartmentes with larger area are gradually changed into the area of the “mixed” smaller sub-compartmentes.This is a process that balances the betweenness distribution around the sub-compartmentes with larger area,improving the forest structure stability.(2)When the forest forest gap exist,in the coupling system,replanting can be made in forest gap and the advantage species around different trees used,the process reduces the forest window around the node betweenness,balances the betweenness of the entire network distribution,improving the forest structure stability.Study on coupling network structure optimization was actually how to solve a small forest in the limited space within the reasonable layout,aimed at for the plantation management in the process of how to keep the forest structure stability,at the same time,both the maneuverability of the forestry production to provide a new train of thought.

plantation management,forest structure,forest coupled network,number of vertices,betweenness,stability,optimize

S757

A

1002-6622(2017)05-0028-07

10.13466/j.cnki.lyzygl.2017.05.006

2017-07-28；

2017-09-23

國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目“森林景觀小班耦合網(wǎng)絡(luò)特性與結(jié)構(gòu)優(yōu)化機(jī)理研究”(31470642)

李銳(1991-),男,湖北鐘祥人,助工,主要從事森林經(jīng)理和森林資源監(jiān)測(cè)方面的研究。

Email:522125761@qq.com

李際平(1957-),男,湖南醴陵人,教授,博導(dǎo),主要從事森林經(jīng)理方面的研究。Email:lijiping@vip.163.com