耦合林分結(jié)構(gòu)的低密度生態(tài)風(fēng)景林模擬補(bǔ)植優(yōu)化

劉 健，項(xiàng) 佳，余坤勇，楊素萍，張今朝，趙秋月

(1.福建農(nóng)林大學(xué)林學(xué)院/3S技術(shù)與資源環(huán)境優(yōu)化利用福建省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建福州350002；2.三明學(xué)院，福建三明365000)

風(fēng)景林是以維護(hù)自然風(fēng)光和提供游憩娛樂場所為主導(dǎo)功能的特種用途林[1]。隨著風(fēng)景林內(nèi)涵的延伸，出現(xiàn)了生態(tài)風(fēng)景林的概念。生態(tài)風(fēng)景林是符合風(fēng)景林設(shè)計(jì)要求的具有專門防護(hù)功能的林種，即兼有防護(hù)功能的風(fēng)景林，是城市森林的重要組成部分，也是生態(tài)公益林的一種特殊成分。合理的森林結(jié)構(gòu)是生態(tài)風(fēng)景林更好發(fā)揮景觀效益和生態(tài)效益的前提[2-4]。林分結(jié)構(gòu)理論廣泛應(yīng)用于森林結(jié)構(gòu)研究[5-6]，通過分析樹木在林分中的組成、生長和分布狀態(tài)，表征林分特征，量化評(píng)判林分優(yōu)化、更新的標(biāo)準(zhǔn)。依據(jù)林分結(jié)構(gòu)指標(biāo)優(yōu)化風(fēng)景林經(jīng)營現(xiàn)狀，是突破當(dāng)前風(fēng)景林偏理論定性調(diào)整局限的研究重點(diǎn)，對(duì)于豐富當(dāng)前生態(tài)風(fēng)景林研究中關(guān)于樹種配置、景觀評(píng)價(jià)[7-9]方面研究具有重要意義。 由于受到相關(guān)經(jīng)營理念影響，當(dāng)前生態(tài)風(fēng)景林主體處于未封山育林的一刀切狀態(tài)，相關(guān)部分更新不良、林分密度較低的風(fēng)景林林分，樹木競爭壓力相對(duì)較小，生長空間、營養(yǎng)元素并未得到充分的利用，所引發(fā)的現(xiàn)象之一則是較大的林窗會(huì)減少喬冠層對(duì)強(qiáng)降水的攔截作用，更易發(fā)生水土流失等自然災(zāi)害。因而，針對(duì)特定的林分現(xiàn)狀，探索切實(shí)可行的營建技術(shù)，是改善當(dāng)前風(fēng)景林森林資源經(jīng)營、提升森林資源價(jià)值及文化挖掘的重要所在。低密度林分，可通過補(bǔ)植的方式人工促進(jìn)天然更新，以提高林分密度、改善林分空間結(jié)構(gòu)、提升生態(tài)風(fēng)景林的防護(hù)性和觀賞性。Voronoi 圖、Delaunay 三角網(wǎng)分析空間結(jié)構(gòu)單元是當(dāng)前森林經(jīng)營改造中重要的量化技術(shù)，結(jié)合GIS領(lǐng)域的空間分析技術(shù)來模擬林分空間配置，在不破壞當(dāng)前林相的前提下，可以為定量補(bǔ)植研究提供技術(shù)指導(dǎo)[10-12]。

金絲灣森林公園屬于生態(tài)公益林，位于城市近郊，不僅對(duì)調(diào)節(jié)城市小氣候發(fā)揮著重要的作用，而且直接服務(wù)于城市居民回歸自然、休憩游玩的精神需求。但森林公園內(nèi)，尤其是低密度風(fēng)景林樹種結(jié)構(gòu)單一、色彩單調(diào)嚴(yán)重限制了其生態(tài)和景觀效益的最大發(fā)揮。為提升金絲灣森林公園中低密度生態(tài)風(fēng)景林穩(wěn)定性和可觀賞性，營造林分結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、季相多變、景色優(yōu)美的風(fēng)景林，亟需配合合理的補(bǔ)植方案調(diào)整林分、優(yōu)化林相。為此，本文將基于林分空間結(jié)構(gòu)的定量原則，確定三明金絲灣福建省級(jí)森林公園中低密度生態(tài)風(fēng)景林的補(bǔ)植優(yōu)化方案，并通過GIS量化、模擬方案的實(shí)施，為金絲灣森林公園的健康經(jīng)營管理和林相優(yōu)化改造提供理論和技術(shù)支持。

1 研究區(qū)概況

金絲灣森林公園位于福建省三明市梅列區(qū)陳大國有林場(117°33′9″E～117°37′19″E，26°18′32″N～26°20′44″N)，占地積達(dá)151.7 km2，距離三明市區(qū)約12 km，地處武夷山中部，海拔在189～698 m。該地區(qū)屬于中亞熱帶，具有海洋性和大陸性氣候特點(diǎn)，氣候溫潤，雨量充足，年均溫為19.7 ℃，年均降水量1 586.2 mm。地帶性土壤為酸性巖紅壤、黃壤、棕黃壤等，土壤腐殖質(zhì)層較厚，含水量較高。植被類型為典型常綠闊葉林，主要喬木樹種為米櫧(Castanopsiscarlesii)、閩粵栲(Castanopsisfissa)、馬尾松(Pinusmassoniana)、杉木(Cunninghamialanceolata) 和木荷(Schimasuperba)等，林下灌木層以華山姜(Alpiniachinensis)、冬青(IlexL.)等為主，草本層以蕨類(Fern)和散穗黑莎草(Gahniabaniensis)等為主。

2 研究方法

2.1 樣地調(diào)查

選擇金絲灣森林公園中的低密度風(fēng)景林作為研究區(qū)，設(shè)置25.82 m×25.82 m的標(biāo)準(zhǔn)樣地，調(diào)查標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)的立木空間結(jié)構(gòu)，并記錄標(biāo)準(zhǔn)地群落類型、海拔、坡位、坡向和林分郁閉度、密度等因子。調(diào)查過程中，對(duì)占林分主體且對(duì)林分景觀影響較大的喬木(胸徑≥5 cm，樹高≥5 cm)進(jìn)行每木檢尺，逐株編號(hào)，記錄每株喬木的種類、胸徑、樹高、健康情況及坐標(biāo)位置等信息。標(biāo)準(zhǔn)地基本情況見表1。

表1 標(biāo)準(zhǔn)地基本情況

2.2 分析方法

2.2.1 林分結(jié)構(gòu)分析方法 從樹種組成、直徑特征兩方面分析林分非空間結(jié)構(gòu)。通過不同樹種密度、斷面積、相對(duì)多度、相對(duì)顯著度分析林分樹種組成特征；以2 cm為徑階步長，采取負(fù)指數(shù)分布及q值理論對(duì)標(biāo)準(zhǔn)地林木直徑進(jìn)行整化從而探討直徑分布規(guī)律。

設(shè)置2 m的緩沖區(qū)，緩沖區(qū)內(nèi)的林木只以相鄰木作處理，采用n=4組成的空間結(jié)構(gòu)單元分析研究區(qū)空間結(jié)構(gòu)特征：① 描述林木個(gè)體空間分布格局的角尺度(W)、②描述樹種空間隔離程度的混交度(M)、③描述樹木大小分化程度的大小比數(shù)(U)。參數(shù)計(jì)算方法見文獻(xiàn)[13-15]。

2.2.2 補(bǔ)植林木株距 確定必要的林木補(bǔ)植間距，可以避免人為造成樹木競爭力的增加。補(bǔ)植林木間距的含義：假設(shè)林木是均勻分布在單位面積上，那么每株林木分配的面積就是固定的，因此研究用公式(1)計(jì)算補(bǔ)植林木間距(l)。

(1)

式中：l為補(bǔ)植林木間距(m)；S為樣地面積(m2)；dopt為每公頃適宜林分株數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 補(bǔ)植前林分結(jié)構(gòu)特征

標(biāo)準(zhǔn)地由4種樹種組成(表2)，米櫧無論是從相對(duì)多度還是相對(duì)顯著度都占有絕對(duì)優(yōu)勢，其斷面積為2.40 m2/hm2，林分密度(555株/hm2)同樣也是最大的。杉木和木荷的相對(duì)多度分別為25%和6%，次于米櫧。由于樹種組成簡單，且常綠闊葉樹占大部分，樹干主要呈褐色，林內(nèi)呈現(xiàn)單一的綠色，缺乏觀葉、觀花樹種，色彩單調(diào)，季相變化小。

表2 標(biāo)準(zhǔn)地林分樹種組成的數(shù)量特征

標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)直徑分布結(jié)構(gòu)的株數(shù)-徑階分析結(jié)構(gòu)如圖1所示，標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)直徑分布范圍從6～44 cm，分布曲線倒J型趨勢不明顯，采用負(fù)指數(shù)函數(shù)對(duì)林分直徑分布進(jìn)行擬合，計(jì)算得到林分q值為1.152，直徑株數(shù)分布稍超過合理范圍[13]。按照小徑組(6～12 cm)、中徑組(14～24 cm)、大徑組(26～36 cm)和特大徑組(38 cm以上)的劃分標(biāo)準(zhǔn),標(biāo)準(zhǔn)地中徑組林木株數(shù)比例最大，占總林木株數(shù)的52.73%，大徑組林木株數(shù)比例為14.55%，小徑階只占21.82%，特大徑組林木株數(shù)比例最小，為9.09%,不利于維持風(fēng)景林林群落演替的穩(wěn)定性。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)地直徑分布特征Fig.1 Diameter grades structure distribution of standard plot

從林木水平分布格局、樹種空間隔離程度和林木大小分化程度3個(gè)方面計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)地的林分空間結(jié)構(gòu)參數(shù)(表3)，可知標(biāo)準(zhǔn)地平均角尺度為0.57，超出隨機(jī)分布的取值范圍[0.475，0.517]，表現(xiàn)為聚集分布，表明標(biāo)準(zhǔn)地林木水平分布格局總體上不夠合理；平均混交度為0.22，混交情況差，零度混交和弱度混交頻率之和達(dá)到77%；林分大小比為0.50，接近中庸?fàn)顟B(tài)。

表3 標(biāo)準(zhǔn)地林分空間結(jié)構(gòu)分布狀況

綜合分析，當(dāng)前該低密度風(fēng)景林林分結(jié)構(gòu)存在以下問題：林分密度及郁閉度低；樹種組成簡單、景觀結(jié)構(gòu)單一、色彩配置較差；小徑階分布不足，林木更新能力差；林木水平分布格局呈聚集分布、整體混交度差。林分現(xiàn)狀不利于區(qū)位生態(tài)和景觀需求的充分發(fā)揮。因此，制定針對(duì)性的補(bǔ)植方案是優(yōu)化當(dāng)前經(jīng)營現(xiàn)狀的重點(diǎn)。

3.2 補(bǔ)植優(yōu)化方案

3.2.1 補(bǔ)植優(yōu)化目標(biāo) 研究區(qū)屬于生態(tài)公益風(fēng)景林，林分調(diào)整的方向即實(shí)現(xiàn)林內(nèi)休憩與生態(tài)耦合一體的功能效益最大化。因此，從經(jīng)營和景觀的角度綜合考慮優(yōu)化方向，參考課題組前期相關(guān)研究結(jié)論[16-18]，針對(duì)當(dāng)前林分現(xiàn)狀，圍繞樹種組成、色彩配置、直徑結(jié)構(gòu)、林分密度和空間結(jié)構(gòu)5個(gè)方面細(xì)化補(bǔ)植目標(biāo)。

(1)樹種組成。針對(duì)研究區(qū)喬木層樹種單一的問題，林分經(jīng)營時(shí)，應(yīng)采用針闊混交搭配，在保證優(yōu)勢樹種優(yōu)勢度不降低的情況下，保留其他伴生樹種，豐富林分樹種組成。使用十分法表示樹種組成系數(shù)時(shí)，系數(shù)夠1成的林木至少為3種[19]。

(2)色彩配置。原有米櫧、木荷、馬尾松、杉木等樹種搭配色彩豐富度較低，景觀韻律難以形成?？紤]到森林公園風(fēng)景林的景觀美學(xué)價(jià)值[20]，樹種選擇上應(yīng)盡量提高林分美景度，依樹種季節(jié)、物候而變換不同的色彩和季相，提高林分景觀質(zhì)量。

(3)直徑分布。異齡混交復(fù)層林的理想林木直徑結(jié)構(gòu)應(yīng)呈反“J”型分布，小徑階的林木株數(shù)比例較大，隨著徑階的增長，林木株數(shù)急劇下降，達(dá)到一定程度時(shí)，林木株數(shù)逐漸平穩(wěn)[21]，研究擬定林木徑階比例為小徑木(6～12 cm) ∶ 中徑木(14～24 cm) ∶ 大徑木(>36 cm)=5 ∶ 3 ∶ 2。

(4)林分密度。林分密度不僅影響林木的生長和質(zhì)量，而且影響森林美景度。結(jié)合課題組前期針對(duì)順昌闊葉混交林的合理密度研究和我國《生態(tài)公益林建設(shè)技術(shù)規(guī)程》的指導(dǎo)規(guī)范，認(rèn)為研究區(qū)林分合理密度在1 190～1 335株/hm2為宜[22]。對(duì)于研究區(qū)林分密度過小的區(qū)域，采取撫育補(bǔ)植的方式提高林分密度，促進(jìn)林分密度趨向經(jīng)營的目標(biāo)密度。

(5)空間結(jié)構(gòu)。參照艾婧文等[17-18]研究結(jié)論，生態(tài)風(fēng)景林水平分布格局的調(diào)整方向應(yīng)將林木由非隨機(jī)分布調(diào)向隨機(jī)分布，使角尺度W介于隨機(jī)分布區(qū)間[0.475,0.517]時(shí)林分美景度值最高；以混交度為0、0.25、0.5的林木作為主要調(diào)整對(duì)象，提高林分混交度至中度混交以上；經(jīng)營優(yōu)勢樹種的中大徑木的大小比數(shù)U<0.5，使在競爭中處于優(yōu)勢地位。

3.2.2 補(bǔ)植優(yōu)化技術(shù) (1)補(bǔ)植方式。補(bǔ)植改造技術(shù)主要視林分內(nèi)林隙的大小和分布而定，林隙面積較小、分布較均勻的林分可以均勻補(bǔ)植；林隙面積大、分布不均勻的林分可采取局部補(bǔ)植。依據(jù)研究區(qū)林分內(nèi)林隙的大小與分布特點(diǎn)，可以綜合采用局部點(diǎn)狀、均勻補(bǔ)植對(duì)研究區(qū)內(nèi)所留林窗進(jìn)行補(bǔ)植。

(2)補(bǔ)植樹種。補(bǔ)植樹種的選擇應(yīng)該根據(jù)生態(tài)公益林的具體林種、立地條件、實(shí)際林分狀況特征，遵循“適地適樹”的原則?？梢圆扇』旖涣值臉浞N搭配方式，在闊葉林林內(nèi)套種其它樹種，改善林分結(jié)構(gòu)；選擇抗蟲害能力強(qiáng)、景觀效果好的樹種營造生態(tài)風(fēng)景林；考慮林相、季相的變化，優(yōu)先考慮春季觀花樹種及秋季觀葉樹種，合理搭配不同明度和色系的樹種，建議補(bǔ)植含笑(Micheliafujianensis)、杜英(Elaeocarpusdecipiens)、南酸棗(Choerospondiasaxillaris)、榆樹(Ulmuspumila)等鄉(xiāng)土樹種，達(dá)到四季色彩斑斕的景觀效果。研究區(qū)適宜補(bǔ)植樹種如表4。

表4 研究區(qū)補(bǔ)植樹種

(3)補(bǔ)植間距。補(bǔ)植間距的確定可以調(diào)整林分內(nèi)林木競爭情況，合理的補(bǔ)植間距是為了避免人為造成樹木競爭力的增加。課題組前期研究結(jié)果表明[22]常綠闊葉林補(bǔ)植林木間距為2.23～2.9 m，根據(jù)生態(tài)公益林米櫧等樹種的初植密度計(jì)算出補(bǔ)植林木間距為2.36～3.51 m，研究區(qū)實(shí)際林分密度計(jì)算出的林木間距也介于此區(qū)間。結(jié)合我國相關(guān)造林技術(shù)規(guī)定，確定研究區(qū)補(bǔ)植林木間距>3 m為宜。

圖2 風(fēng)景林補(bǔ)植位置確定流程Fig.2 Flow chart of determination of replanting position of scenic forest

(4)補(bǔ)植位置。將研究區(qū)相對(duì)坐標(biāo)導(dǎo)入GIS中，利用分析工具(Anlysis Tools)中的創(chuàng)建泰森多邊形(Create Thiessen Polygons)命令得到林木的Voronoi圖，統(tǒng)計(jì)各林木生長空間面積，采用ArcGIS柵格分析模塊中的克里格插值(Kriging)方法，根據(jù)每一株林木坐標(biāo)位置和Voronoi圖的面積進(jìn)行插值，采用K-均值聚類算法，將林木生長空間劃分為4級(jí)，利用ArcGIS重分類功能劃分為不適宜、較適宜、中度適宜和最適宜區(qū)，補(bǔ)植木位置應(yīng)該選在較適宜等級(jí)以上的區(qū)域。依照“見縫插針”的原則，補(bǔ)植林木間距>3 m，且盡量使補(bǔ)植木與最近四株林木角度以72°為佳(4株相鄰木不擠在同一側(cè)，呈“梅花狀”分布)。具體補(bǔ)植位置確定流程如圖2。

3.3 補(bǔ)植后林分結(jié)構(gòu)特征

首先通過衛(wèi)生伐除去研究區(qū)的枯死木、病害木、干擾木以及歪倒木，清理林下藤灌。其次基于研究區(qū)林木Voronoi圖(圖3)和各林木生長空間的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，確定研究區(qū)林木生長空間(APA)分布等級(jí)為(0，13.37]，(13.37，21.84]，(21.84，32.64]和>32.64四級(jí)，重分類劃分后得到補(bǔ)植區(qū)適宜性等級(jí)圖(圖4)，依據(jù)方案中補(bǔ)植方式、補(bǔ)植樹種、補(bǔ)植間距等最終確定補(bǔ)植林木位置，見圖4。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)地林木Voronoi圖Fig.3 The Voronoi diagram of trees (standard plot)

圖4 標(biāo)準(zhǔn)地補(bǔ)植區(qū)Fig.4 The replanting area of standard plot

圖5 標(biāo)準(zhǔn)地經(jīng)營前后空間結(jié)構(gòu)參數(shù)頻率分布Fig.5 Spatial structure parameter distribution of standard plot

4 結(jié)論與討論

研究定位于城市邊緣生態(tài)公益林中低密度風(fēng)景林，詳細(xì)探討了補(bǔ)植技術(shù)在優(yōu)化低密度林分中的應(yīng)用。首先，滿足公益林經(jīng)營性要求的同時(shí)考慮景觀林的異質(zhì)性和自然性，即耦合林分結(jié)構(gòu)特征與景觀色彩配置評(píng)價(jià)林分經(jīng)營現(xiàn)狀；其次，確定符合補(bǔ)植要求的林木，并利用Voronoi圖、Delaunay三角網(wǎng)精準(zhǔn)化補(bǔ)植位置，最后通過評(píng)判模擬補(bǔ)植后林分因子的變化，驗(yàn)證補(bǔ)植方案的可行性。整體表明：研究區(qū)補(bǔ)植前林分密度為821株/hm2，與黃清麟等人探討的福建中亞熱帶的天然闊葉林1 200株/hm2左右的理想林分密度相差較大[23]；樹種組成結(jié)構(gòu)達(dá)到7米櫧2杉木1木荷+馬尾松，樹種單一，色彩單調(diào)，森林美景度較差，與旗峰森林公園生態(tài)風(fēng)景林存在的問題類似[24]；林分郁閉度為0.5，直徑分布結(jié)構(gòu)比例2.2 ∶ 5.3 ∶ 2.5，小徑木林木比例嚴(yán)重不足，側(cè)面反映出林分更新不足，郁閉度較低；角尺度達(dá)到0.57，屬于聚集分布；混交度僅為0.22，已有的風(fēng)景林[25-26]研究相比金絲灣森林公園低密度風(fēng)景林的林分水平空間分布狀況略差。從補(bǔ)植方式、補(bǔ)植樹種、營造方式以及補(bǔ)植位置4方面模擬補(bǔ)植后，優(yōu)化效果明顯：林分密度更加接近理想的林分密度標(biāo)準(zhǔn)；徑階分布更加合理；林分角尺度、混交度、大小比數(shù)變化分別為-12.28%、109.09%、22%，且通過補(bǔ)植鄉(xiāng)土樹種，增強(qiáng)了森林季相變化在景觀中的異質(zhì)性。變化原因在于準(zhǔn)確定位補(bǔ)植點(diǎn)后，林隙得到極大改善，小徑階和不同鄉(xiāng)土樹種的補(bǔ)充配置，使得喬木層層次更加豐富、形態(tài)和色彩變化更加明顯。

生態(tài)風(fēng)景林多位于城市邊緣、森林公園和風(fēng)景區(qū)，國內(nèi)已有對(duì)其規(guī)劃設(shè)計(jì)基本原則和技術(shù)方法的研究側(cè)重從植物類型和景觀格局的理想配置角度提出優(yōu)化經(jīng)營理論，且優(yōu)化對(duì)象為較籠統(tǒng)的低效林。如宋琪[27]、陳凱[4]、王威[28]等人都在風(fēng)景林的經(jīng)營評(píng)價(jià)和優(yōu)化方面進(jìn)行了一定的探索，但所提出的優(yōu)化對(duì)策偏于定性，且針對(duì)特殊林分現(xiàn)狀未作深入探討，研究提出的補(bǔ)植調(diào)整方案在量化補(bǔ)植技術(shù)和效果上更為客觀，在特定風(fēng)景林的經(jīng)營改造中具有一定實(shí)用參考價(jià)值。生態(tài)風(fēng)景林的優(yōu)化經(jīng)營不是一次調(diào)整就可以達(dá)到最優(yōu)的林分結(jié)構(gòu)狀態(tài)，本研究僅對(duì)低密度林分經(jīng)營中補(bǔ)植技術(shù)提出討論，后期還需綜合生態(tài)疏伐、擇伐措施進(jìn)一步完善不同林分生態(tài)風(fēng)景林優(yōu)化經(jīng)營關(guān)鍵技術(shù)。