桉樹人工林撫育間伐調控技術研究

許曉東，劉麗婷，鄧海燕，江 瑤，莫曉勇

（1.華南農業大學 林學與風景園林學院，廣東 廣州 510642；2.江西省林業科學院，江西 南昌 330013）

現代森林經營最有效的工作指南是量化描述林分結構[1]。林分結構分空間結構和非空間結構。相比起林分非空間結構，林分空間結構依賴于每株樹木的大小及空間位置[2]，量化林分結構特征[3]，能更準確反映經營措施對林分結構的影響[4]。單木的空間指標強調的是單木與其相鄰木分布格局、相對大小等的關系。而基于相鄰木關系的方法可以量化林木的微環境，優于點格局的方法[5]。經研究表明參照樹與其4株最近相鄰木組成的5株樹結構體[6]，描述林分空間結構效果最佳。

近年來關于林分結構的研究多集中在對林分空間的分析與優化。賀姍姍[7]運用Ripley’s K(d)函數和大小比數、角尺度等分析人工林的林分空間格局，研發出適用于我國的林分模擬原型系統。張建華[8]以京津冀地區分布的4種華北落葉松典型林分類型為研究對象，從樹種組成、直徑結構、角尺度、大小比數、混交度等方面分析，構建出最優林分類型，提出了華北落葉松典型林分的近自然經營技術。呂忠爽[9]等以大小比、角尺度等8個林分空間結構指標構建綜合采伐指數，通過對比各林分不同采伐強度的模擬采伐，篩選出各樣地最適宜的采伐強度。G Gao等[10]以角尺度、大小比數和混交度等指標分析經營措施對油松人工林空間結構的影響，經過間伐和補植等改造措施后發現開敞度和混交度的變化最大。曹小玉等[11]綜合開敞度、大小比數、交角競爭指數等6個子目標提出評價指數，并以評價指數值將杉木人工林劃分為5個評價等級?？梢娏址挚臻g結構參數可以精確描述天然林和人工林的林分空間結構特征，對分析、研究和調控林分結構具有重要作用。

近年來桉樹人工林集約經營強度日益加大，大面積桉樹純林引起的地力下降及其他諸多生態問題更為明顯[12]。對桉樹人工林的空間結構進行分析，提出改造措施以優化林分結構，是解決桉樹人工林地力衰退等諸多生態問題的技術措施之一。對桉樹人工林林分結構的研究多為直徑[13-14]，樹高分布[15]等非空間結構的研究。對桉樹人工林林分空間結構的研究鮮有報道[16]。因此，本研究以國營雷州林業局紀家林場1～5年生的桉樹人工林為研究對象，分析其空間結構特征，并提出間伐優化模型，為桉樹人工林內部結構調控，提高森林質量提供技術依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

紀家林場（109°42′～ 110°23′E，20°26′～21°11′N）位于廣東省雷州半島，屬南亞熱帶濕潤性季風氣候，土壤為淺海沉積物磚紅壤；年平均氣溫22 ℃，最高和最低氣溫分別為38.5 ℃和1.1 ℃；年降水量1 711.6 mm，相對濕度84%。

調查時間2017年6月，選取1～5年生尾巨桉無性系DH32-29純林，每個林齡抽取6塊樣地，共設置了30塊調查樣地，進行外業調查。

1.2 樣地設置

用典型取樣法設置樣地，每個調查樣地大小為20 m×20 m，以樣地的西南角作為坐標原點，測量該單元內每株樹木的X、Y坐標及其樹高、胸徑。數據分析時統一換算樣地相對坐標，緩沖區為3 m。具體樣地概況見表1。

1.3 研究方法

1.3.1 林分結構研究

以 Normal、Weibull、Gamma、對數正態、Logistic等經驗分布函數分別擬合林分直徑分布。并對擬合后的理論株數與實際株數作x2檢驗和kolmogorov-smirnov檢驗。分析不同林齡的桉樹人工林的大小比數、角尺度、開敞度、競爭指數等林分空間結構特征。

1.3.2 建立林分間伐模型

林內所有單木的大小比數、角尺度、開敞度、競爭指數和材積的算術平均值即為林分相應指標值。模型的建立采用乘除法[17]對各個空間結構參數進行多目標規劃。如：x是決策向量，當在m個目標f(x1)…f(xm)中，有k個f(x1)…f(xk)要求實現最大，其余f(xk+1)…f(xm)要求實現最小，同時所有目標f(x1)…f(xm)＞0，采用作為目標函數，結合了5個方面的目標函數值更能全面科學地定量描述林分結構與質量[18]。

在計算目標函數時，將角尺度Wi∈(0，1]范圍的所有數據同時減去0.5，并取絕對值，角尺度的所有數據取值范圍變為Wi∈(0，0.5]，最優值就是接近0的最小值。綜合5個子目標，確定目標函數Q(g)的計算公式如下：

式（1）中：g為間伐后的保留木。W(g)、U(g)、UCI(g)、K(g)和V(g)分別為間伐后的林分角尺度、大小比數、競爭指數、開敞度和平均材積。σw、σU、σUCI、σK和σV分別表示林分角尺度、大小比數、競爭指數、開敞度和材積的標準差。

表1 樣地概況Table1 General situation of the plots

采用Monte Carlo法解目標函數，限定采伐量（采伐木數量不超過采伐量）和運行次數（每次運行隨機選取采伐木，即采伐方案），每次運行后計算采伐后的目標函數值。比較所有采伐方案的目標函數值，取目標函數值最大的采伐方案作為最優解的一個近似解。把目標函數Q(g)的值作為評價指數Q，Monte Carlo法求解算法步驟如下（如圖1）：

1）輸入運行次數n，采伐量k；

2）計算林分各參數值：W，U，UCI，K，V；評價指數Q；

3）檢查運行次數是否達到n次，是轉第8步驟，否則轉第4步驟；

4）隨機選取采伐木，得到保留木向量，采伐量不超過k；

5）計算間伐后的參數值：W*，U*，UCI*，K*，V*；評價指數Q*

6）比較評價指數Q*＞Q？，是轉第7步驟，否則轉第3步驟；

7）W=W*，U=U*，UCI=UCI*，K=K*，V=V*、Q=Q*；轉第3步驟；

8）輸出林分各參數值：W，U，UCI，K，V；評價指數Q。

2 結果與分析

2.1 直徑結構

圖1 林分間伐模型流程Fig.1 Program flow of forest stand thinning model

由5種經驗分布函數分別擬合1～5年生的桉樹人工林株數—直徑分布，見表2。經卡方檢驗，1、2、3和5 a的桉樹人工林的株數—直徑分布呈正態分布（P＞0.05，可靠性95%）；kolmogorovsmirnov檢驗則顯示2、3和5 a的桉樹人工林的株數-直徑分布呈正態分布（可靠性95%）。綜合兩種檢驗方法， 1年生林分用Logistic分布擬合效果最佳，2、3和5年生林分用Normal分布擬合效果最佳。4年生桉樹人工林受到臺風破壞嚴重，對各分布函數的擬合效果均不佳。從兩種檢驗方法的P值看， Weibull和Logistic直徑分布擬合效果優于Gamma和對數正態擬合分布?？傮w上看，Normal分布更適合桉樹人工林直徑分布擬合，Weibull和Logistic分布次之。

1年生林分峭度＞0；2、3、4和5年生林分峭度＜0；1和2年生時林分偏度＜0，3和5年生時林分偏度＞0，表明1和2年生時林分大部分林木胸徑＜平均值，而3和5年生時林分大部分林木胸徑＞平均值。

2.2 林分空間結構

對各林齡的桉樹人工林空間結構參數進行統計，如表3所示，1～5年生的桉樹人工林的林分大小比數均接近0.5。各個林齡的林分中，5年生的林分單木大小比數值為1的比例最少，為0.153 1；5年生林分的大小比數最大。

表2 直徑分布擬合函數相關參數值Table2 Related parameters about fitting functions of diameter distribution

競爭指數方面，各林齡的林分競爭指數均小于0.2，且各林齡超過一半的單木林木競爭指數值0.2。1年生的林分競爭指數最小，2～5年生的林分競爭指數相差不超過8.51%。

從開敞度看，1年生林分的開敞度最大，2年生林分次之。3、4年生林分的林分開敞度均小于0.3，林木生長空間表現為不足，3年生林分開敞度小于0.2，林木空間表現為嚴重不足。

關于角尺度，1～5年生桉樹人工林的林分角尺度分別為0.243 9、0.250 0、0.218 6、0.300 0、0.251 6，均＜0.475，都表現為均勻分布。各個林齡中絕大部分單木角尺度取值0，0.25和0.5；較少單木角尺度為0.75，1～4年生的桉樹無角尺度為1的單木；5年生的桉樹中，只有0.98%的單木角尺度為1。

表3 各林齡空間結構參數值Table3 Spatial structural parameter values of stands with different ages

2.3 林分空間結構優化

1年生和2年生林分桉樹人工林林木競爭壓力相對較小，4年生林分受臺風影響較為嚴重，影響直徑分布擬合效果。故選取3年生和5年生的桉樹人工林為例，以Monte Carlo法解目標函數間伐模型對林分空間結構進行優化和結構調整?？刂崎g伐量小于等于總株數25%，強度中等[19]。

隨機選取數量小于等于總株數25%的采伐木進行模擬采伐，對比每次采伐方案的目標函數值Q，并保留Q值最大的采伐方案。當運行次數n大于5 000次時，3年生林分Q值基本穩定，且Q取得最大值。當運行次數n大于5 112次時，5年生林分Q值基本穩定，且取得最大值。以此時的Q值作為接近最優解的次優解。

3年生林分中最優采伐方案需采伐104株林木（可通過X，Y坐標精確定位），僅占總株數的19.81%。5年生林分最優采伐方案需采伐85株林木，占總株數的20.58%。3和5年生林分采伐前后林分結構方面的變化見表4、圖2。經卡方檢驗，伐后3、5年生的林分直徑分布均用Normal分布擬合效果更好。綜合2種檢驗方法，伐后3、5年生的林分直徑均呈正態分布。3年生林分伐后大小比數和競爭指數分別下降了2.22%和6.40%；角尺度和開敞度分別增加了21.08%和10.27%；其中角尺的變化幅度最大，增加了21.08%；其他方面，平均材積略有上升；總體目標函數值比伐前增加39.92%。伐后5年生林分大小比數、競爭指數和角尺度分別下降了1.90%、7.21%和0.42%；開敞度和平均單株材積增加了10.36%和0.59%；其中開敞度的變化幅度最大，總體目標函數值比伐前增加41.24%。

3 結論與討論

本研究從大小比數、角尺度、開敞度、競爭指數等空間結構參數分析1～5年生桉樹人工林的林分空間結構，以各經驗分布函數擬合林分非空間結構-直徑分布。根據林分各結構參數，對林分結構進行優化和結構調整，建立了林分間伐最優模型，最大限度改善林分結構。由于4年生桉樹人工林受到臺風破壞較嚴重，對各分布函數的擬合效果不佳。綜合χ2檢驗和kolmogorov-smirnov兩種檢驗方法，其他各林齡中，Normal分布擬合直徑分布的效果最佳，Weibull和Logistic分布次之；直徑結構呈Normal分布的理論株數對森林經營有一定指導意義[16]。從擬合的峭度和偏度看，1年生林分直徑分布比較集中，2、3和5年生林分直徑分布比較分散；1和2年生時林分大部分林木胸徑＜平均值，而3和5年生時林分大部分林木胸徑＞平均值。

表4 采伐前后林分結構變化Table4 Stand structure changes before and after harvesting

圖2 間伐前后林分直徑分布Fig.2 Diameter distribution of stands between before and after thinning

各林齡林分空間結構方面，1～5年生的桉樹人工林林木大小差異不明顯，其中5年生林分的林木大小差異相對最明顯；各林齡桉樹人工林都是同一無性系造林，林木間的差異較小。通過林分角尺度值表明，1～5年生桉樹人工林林木呈均勻分布，各個林齡中絕大部分單木位置呈均勻或隨機分布；人工林的造林方式決定了角尺度的初始值，林木呈均勻分布，這是區別于天然林的一個基本特征，隨著林分枯損或撫育間伐等經營措施，角尺度會產生一定變化。林木生存競爭壓力方面，1～5林齡的林木總體承受的競爭壓力均較小，其中1年生的林分競爭壓力最??；1年生林分還未郁閉，林木生長較少受到鄰木樹冠的上方遮蓋和側翼擠壓。2～5年生林分逐漸郁閉，林木生長受到鄰木影響，林木競爭壓力增加。林分開敞度情況與林分競爭壓力類似，1年生林分樹木生長空間很充足，隨著林木生長林分開敞度逐漸減小。林分郁閉度在3年生時達到最大值，而林分開敞度在3年生時達到最小值。說明此時林木的生長空間最不足。

關于林分空間結構的優化，首先結合大小比數、角尺度、開敞度等5個參數建立目標函數。并用林分間伐模型求解。本研究以3和5年生的桉樹人工林為樣本對象，通過林分間伐模型輸出最優間伐方案，采伐木數量各占總株數的19.81%和20.58%。通過該模型輸出的方案間伐，增加了林木生長空間，降低了林分競爭水平，使得林木的分布更為均勻，林分空間結構的穩定性得到明顯改善。伐后的3、5年生林分直徑分布均呈Normal分布，且經卡方檢驗，伐后3、5年生的林分直徑分布用Normal分布擬合效果更佳。

綜合各個空間指標參數建立目標函數，可通過評價指數定量描述林分的空間結構穩定性。通過Monte Carlo法，建立林分間伐模型，通過模型計算出的最大目標函數值的間伐方案，為優化人工林空間結構提供了新方法。間伐后空間結構更優的3和5年生林分直徑分布更接近Normal分布。林分結構穩定性與林分直徑分布的關系有待進一步研究。本次研究的林分間伐模型同樣適合具有生態意義的商品兼用林，通過中等或小強度間伐優化林分空間結構，提高林分結構穩定性。若培育的最終目標是桉樹異齡混交林，可以結合擇伐和補植耐陰樹種，來增大林分混交度和林分物種多樣性[20]。林分間伐模型具有靈活性，可控制采伐量，增添或減少空間結構指標重新定義目標函數。使用林分間伐模型運行所需數據較為繁雜，可以考慮結合無人機拍攝圖，航拍圖片數字化處理獲取基礎數據，再進行林分空間結構分析，從而減低成本，提高效率。