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大兴安岭天然次生林林木补植空间优化

王涛 董灵波 刘兆刚 张凌宇 陈莹

王涛, 董灵波, 刘兆刚, 张凌宇, 陈莹. 大兴安岭天然次生林林木补植空间优化[J]. 北京林业大学学报, 2019, 41(5): 127-136. doi: 10.13332/j.1000-1522.20190025
引用本文: 王涛, 董灵波, 刘兆刚, 张凌宇, 陈莹. 大兴安岭天然次生林林木补植空间优化[J]. 北京林业大学学报, 2019, 41(5): 127-136. doi: 10.13332/j.1000-1522.20190025
Wang Tao, Dong Lingbo, Liu Zhaogang, Zhang Lingyu, Chen Ying. Optimization of replanting space of natural secondary forest in Daxing’anling Mountains of northeastern China[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2019, 41(5): 127-136. doi: 10.13332/j.1000-1522.20190025
Citation: Wang Tao, Dong Lingbo, Liu Zhaogang, Zhang Lingyu, Chen Ying. Optimization of replanting space of natural secondary forest in Daxing’anling Mountains of northeastern China[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2019, 41(5): 127-136. doi: 10.13332/j.1000-1522.20190025

大兴安岭天然次生林林木补植空间优化

doi: 10.13332/j.1000-1522.20190025
基金项目: 国家重点研发计划项目(2017YFC0504103),黑龙江省森林可持续经营试验示范区建设项目(201522-2)
详细信息
    作者简介:

    王涛。主要研究方向:森林可持续经营。Email:376557961@qq.com 地址:150040 黑龙江省哈尔滨市香坊区和兴路26号东北林业大学林学院

    通讯作者:

    刘兆刚,博士,教授。主要研究方向:森林可持续经营。Email:lzg19700602@163.com 地址:同上

  • 中图分类号: S725.71

Optimization of replanting space of natural secondary forest in Daxing’anling Mountains of northeastern China

  • 摘要: 目的为优化林分空间结构,提高现有林分质量,加速森林生态系统恢复,加速大兴安岭地区森林群落向顶级群落演替,确定天然次生林林下补植树种和补植位置,为大兴安岭地区的森林经营提供理论支持和方法。方法本文以大兴安岭地区白桦纯林、落叶松白桦混交及针叶混交3种典型的林分类型为例,在次生林原有天然更新的基础上,利用Voronoi图进行空间单元确定和Voronoi结点边缘校正,并使用反距离插值使林木空间结构参数可视化,预测林分中未含林木区域的空间结构信息,将其作为补植依据,使用熵权法确定各空间结构参数权重,将各空间结构参数插值后图像进行加权叠加,以林分非空间结构为约束条件,优化林分空间结构为目标,探讨次生林林下补植树种和位置。结果(1)选取兴安落叶松为补植树种,各林型幼树补植数量分别为660、1 970、315。(2)补植后白桦纯林样地中白桦幼树幼苗混交度增加为0.52,其他树种幼树幼苗混交度增加为0.51;落叶松白桦混交林中白桦幼树幼苗混交度增加为0.84,其他树种幼树幼苗混交度增加为0.70;针叶混交林中白桦幼树幼苗增加为0.78,其他树种幼树幼苗混交度增加为0.50。(3)补植后各林型样地林下幼树幼苗Voronoi图多边形边数标准差分别为1.31、1.41、1.36,均处于随机分布状态。白桦纯林、落叶松白桦混交林及针叶混交林中落叶松幼树幼苗Voronoi图多边形边数标准差分别为1.27、1.40、1.37,均呈随机分布。结论采伐和补植是两种相反的空间优化方式,将林木空间结构参数进行反距离插值,可以预测林分中无林木区域的空间结构参数值,插值后的图像像元大小可以设定为补植幼树所需要的林地面积大小,依据林分空间结构的优化目标和补植数量的调控目标,提取样地未含林木区域空间参数值,进而确定补植的树种和位置。
  • 图  1  Voronoi结构单元

    1081、1082等数字代表单株林木编号。The number of 1081, 1082, etc. in the figure represent individual forest No.

    Figure  1.  Voronoi structural unit

    图  2  落叶松白桦混交林空间结构参数反距离插值

    Figure  2.  Spatial structure parameter IDW of mixed forest of Larix gmelinii and Betula platyphylla

    图  3  V-Heygi指数像元邻域窗口

    Figure  3.  Pixel neighborhood window of V-Heygi index

    图  4  V-Mi像元邻域窗口

    Figure  4.  Pixel neighborhood window of V-Mi

    图  5  V-Ui像元邻域窗口

    Figure  5.  Pixel neighborhood window of V-Ui

    图  6  V-Wi像元邻域窗口

    Figure  6.  Pixel neighborhood window of V-Wi

    图  7  各林型补植区域与补植位置

    Figure  7.  Replanting area and replanting position of each forest type

    图  8  补植前后空间结构参数值比较

    Ⅰ为白桦,Ⅱ为落叶松,Ⅲ为其他树种,Ⅳ林分空间结构参数,样地中白桦和落叶松以外的树种记为其他树种。Ⅰ is Betula platyphylla, Ⅱ is Larix gmelinii, Ⅲ is other tree species, and Ⅳ is the spatial structure parameters of forest stand. The tree species except Betula platyphylla and Larix gmelinii in the sample plot are recorded as other tree species.

    Figure  8.  Comparison of spatial structure parameter values before and after replanting

    表  1  各林型样地基本信息表

    Table  1.   Basic information of sample plots in each forest type

    林型
    Forest type
    树种组成
    Species composition
    海拔
    Elevation/m
    郁闭度
    Canopy density
    坡度
    Slope gradient/(°)
    土壤类型
    Soil type
    平均胸径
    Mean DBH/cm
    平均高
    Mean height/m
    白桦纯林
    Betula platyphylla forest
    10白桦Betula platyphylla
    5660.5 < 5暗棕壤
    Dark brown soil
    12.5 ± 4.213.3 ± 3.4
    落叶松白桦混交林
    Larix gmelinii and Betula platyphylla mixed forest
    6落叶松Larix gmelinii
    4白桦Betula platyphylla
    5460.7 < 5暗棕壤
    Dark brown soil
    13.1 ± 4.713.7 ± 3.5
    针叶混交林
    Larch coniferous mixed forest
    6落叶松Larix gmelinii
    2樟子松Pinus sylvestris var. mongolica
    1云杉Picea abies
    1白桦Betula platyphylla
    4570.66暗棕壤
    Dark brown soil
    10.5 ± 4.411.2 ± 2.9
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    表  2  各林型样地幼苗幼树信息统计表

    Table  2.   Statistical table of seedlings and saplings in sample plot of each forest type

    林分类型
    Forest type
    树种
    Species
    幼苗 Seedling (H ≤ 30.0 cm)幼树 Sapling (30.0 cm < H & DBH < 5.0 cm)
    地径
    Ground diameter/cm
    树高
    Tree height/cm
    密度/(株·hm2)
    Density/(plant·ha− 1)
    地径
    Ground diameter/cm
    树高
    Tree height/cm
    密度/(株·hm2)
    Density/(plant·ha− 1)
    白桦纯林
    Betula platyphylla forest
    白桦
    Betula platyphylla
    0.719.3631.5185.1802
    落叶松
    Larix gmelinii
    0.324.012.3212.6221
    山杨
    Populus davidiana
    1.8199.51 317
    落叶松白桦混交林
    Larix gmelinii and Betula platyphylla mixed forest
    白桦
    Betula platyphylla
    0.322.191.5172.8142
    落叶松
    Larix gmelinii
    0.316.842.3210.0129
    山杨
    Populus davidiana
    0.620.521.3151.2759
    落叶松
    Larix gmelinii
    0.622.1123.2274.61 013
    云杉
    Picea asperata
    0.315.45461.8117.6975
    针叶混交林
    Larch coniferous mixed forest
    白桦
    Betula platyphylla
    0.219.561.8295.3375
    樟子松
    Pinus sylvestris var. mongolica
    1.116.5491.6157.3141
    山杨
    Populus davidiana
    4.17.021.8234.059
    柳树
    Salix matsudana
    0.323.521.1123.7119
    柞树
    Quercus mongolica
    0.214.5220.535.03
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    表  3  空间结构参数计算公式及变量定义

    Table  3.   Calculation formula of spatial structure parameters and its significance

    空间结构参数
    Spatial structure parameter
    计算公式
    Formula
    变量定义
    Variable definition
    V-Hegyi指数
    V-Hegyi index
    $\scriptstyle {{\rm{CI}}_i = \sum\limits_{j = 1}^n {\frac{{d_j}}{{d_i L_{ij}}}} }$Lij为对象木i与竞争木j之间的距离;di为对象木i的胸径;dj为竞争木j的胸径;n为竞争木株数。Lij is the distance between the object tree i and the competition tree j; di is the DBH of the object tree i; dj is the DBH of the competition tree j; n is the number of competing trees
    V-混交度
    V-Mi
    $\scriptstyle {M_i = \frac{1}{n}\sum\limits_{j = 1}^n {v_{ij}} }$n为邻近木株数;当参照树i与相邻木j非同种时vij = 1;否则vij = 0。n is the number of adjacent trees; vij = 1 when the reference tree i is not the same as the adjacent tree j; otherwise vij = 0
    V-大小比
    V-Ui
    $\scriptstyle {U_i = \frac{1}{n}\sum\limits_{j = 1}^n {k_{ij}} }$n为邻近木株数;当参照树j的胸径小于中心木 i的胸径,kij = 1;否则kij = 0。n is the number of adjacent trees; when the DBH of the reference tree j is smaller than the DBH of the central tree i, kij = 1; otherwise kij = 0
    分布格局
    Spatial pattern
    SD = [1.264, 1.402]SD为Voronoi图多边形边数的标准差,当SD = [1.264, 1.402],林分呈随机分布;当SD < 1.264时,林分呈均匀分布;当SD > 1.402时,林分呈聚集分布。SD is the coefficient of variation of the number of polygons in the Voronoi diagram. When SD = [1.264, 1.402], the stands are randomly distributed; when SD < 1.264, the stands are evenly distributed; when SD > 1.402, the stands are aggregated distributed
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    表  5  各林型空间结构参数与补植幼树信息表

    Table  5.   Spatial structure parameters and replanting sapling information table for each forest type

    林分类型
    Forest type
    林分空间结构参数 Forest spatial structure index补植幼树 Replanting sapling
    V-Hegyi指数
    V-Heygi index
    V-混交度
    V-Mi
    V-大小比
    V-Ui
    分布格局
    Spatial pattern
    树种
    Species
    株数
    Tree number
    白桦纯林
    Betula platyphylla forest
    2.580.140.50随机
    Random
    兴安落叶松
    Larix gmelinii
    660
    落叶松白桦混交林
    Larix gmelinii and Betula platyphylla mixed forest
    3.130.410.50随机
    Random
    兴安落叶松
    Larix gmelinii
    1 970
    针叶混交林
    Larch coniferous mixed forest
    3.960.400.50聚集
    Aggregation
    兴安落叶松
    Larix gmelinii
    315
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    表  4  空间结构参数分级表

    Table  4.   Classification table of spatial structure parameters

    等级
    Grade
    V-Hegyi指数 V-Hegyi indexV-混交度 V-MiV-大小比 V-Ui
    取值区间
    Value range
    状态描述
    State description
    取值区间
    Value range
    状态描述
    State description
    取值区间
    Value range
    状态描述
    State description
    (0.00, 2.50]极弱度竞争
    Extremely weak competition
    0.00零度混交
    Zero mixture
    0.00优势
    Dominant
    (2.50, 5.00]弱度竞争
    Weak competition
    (0.00, 0.25]弱度混交
    Weak mixture
    (0.00, 0.25]亚优势
    Subdominant
    (5.00, 7.50]中度竞争
    Medium competition
    (0.25, 0.50]中度混交
    Medium mixture
    (0.25, 0.50]中庸
    Medium
    (7.50, 10.00]强度竞争
    Intensive competition
    (0.50, 0.75]强度混交
    Intensive mixture
    (0.50, 0.75]劣势
    Inferior
    (> 10.00)极强度竞争
    Extremely intensive competition
    (0.75, 1.00]极强度混交
    Extremely intensive mixture
    (0.75, 1.00]绝对劣势
    Absolute inferior
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-01-15
  • 修回日期:  2019-03-04
  • 网络出版日期:  2019-05-08
  • 刊出日期:  2019-05-01

大兴安岭天然次生林林木补植空间优化

doi: 10.13332/j.1000-1522.20190025
    基金项目:  国家重点研发计划项目(2017YFC0504103),黑龙江省森林可持续经营试验示范区建设项目(201522-2)
    作者简介:

    王涛。主要研究方向:森林可持续经营。Email:376557961@qq.com 地址:150040 黑龙江省哈尔滨市香坊区和兴路26号东北林业大学林学院

    通讯作者: 刘兆刚,博士,教授。主要研究方向:森林可持续经营。Email:lzg19700602@163.com 地址:同上
  • 中图分类号: S725.71

摘要: 目的为优化林分空间结构,提高现有林分质量,加速森林生态系统恢复,加速大兴安岭地区森林群落向顶级群落演替,确定天然次生林林下补植树种和补植位置,为大兴安岭地区的森林经营提供理论支持和方法。方法本文以大兴安岭地区白桦纯林、落叶松白桦混交及针叶混交3种典型的林分类型为例,在次生林原有天然更新的基础上,利用Voronoi图进行空间单元确定和Voronoi结点边缘校正,并使用反距离插值使林木空间结构参数可视化,预测林分中未含林木区域的空间结构信息,将其作为补植依据,使用熵权法确定各空间结构参数权重,将各空间结构参数插值后图像进行加权叠加,以林分非空间结构为约束条件,优化林分空间结构为目标,探讨次生林林下补植树种和位置。结果(1)选取兴安落叶松为补植树种,各林型幼树补植数量分别为660、1 970、315。(2)补植后白桦纯林样地中白桦幼树幼苗混交度增加为0.52,其他树种幼树幼苗混交度增加为0.51;落叶松白桦混交林中白桦幼树幼苗混交度增加为0.84,其他树种幼树幼苗混交度增加为0.70;针叶混交林中白桦幼树幼苗增加为0.78,其他树种幼树幼苗混交度增加为0.50。(3)补植后各林型样地林下幼树幼苗Voronoi图多边形边数标准差分别为1.31、1.41、1.36,均处于随机分布状态。白桦纯林、落叶松白桦混交林及针叶混交林中落叶松幼树幼苗Voronoi图多边形边数标准差分别为1.27、1.40、1.37,均呈随机分布。结论采伐和补植是两种相反的空间优化方式,将林木空间结构参数进行反距离插值,可以预测林分中无林木区域的空间结构参数值,插值后的图像像元大小可以设定为补植幼树所需要的林地面积大小,依据林分空间结构的优化目标和补植数量的调控目标,提取样地未含林木区域空间参数值,进而确定补植的树种和位置。

English Abstract

王涛, 董灵波, 刘兆刚, 张凌宇, 陈莹. 大兴安岭天然次生林林木补植空间优化[J]. 北京林业大学学报, 2019, 41(5): 127-136. doi: 10.13332/j.1000-1522.20190025
引用本文: 王涛, 董灵波, 刘兆刚, 张凌宇, 陈莹. 大兴安岭天然次生林林木补植空间优化[J]. 北京林业大学学报, 2019, 41(5): 127-136. doi: 10.13332/j.1000-1522.20190025
Wang Tao, Dong Lingbo, Liu Zhaogang, Zhang Lingyu, Chen Ying. Optimization of replanting space of natural secondary forest in Daxing’anling Mountains of northeastern China[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2019, 41(5): 127-136. doi: 10.13332/j.1000-1522.20190025
Citation: Wang Tao, Dong Lingbo, Liu Zhaogang, Zhang Lingyu, Chen Ying. Optimization of replanting space of natural secondary forest in Daxing’anling Mountains of northeastern China[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2019, 41(5): 127-136. doi: 10.13332/j.1000-1522.20190025
  • 大兴安岭林区是我国北方森林的主要分布区[1],黑龙江和嫩江两大水系的发源地、内蒙古呼伦贝尔大草原和松嫩平原的天然屏障,同时也是我国唯一的寒温带生物基因库,生态作用独特[2]。从20世纪初期开始,因大规模的采伐和利用,大兴安岭林区由原来的顶级植物群落退化演变成现在的次生群落[3]。次生林林分天然更新较差,生态功能弱,依靠自然更新较难更新成林[4]。如何提高现有林分质量,提高生态服务功能[5],促进生态系统的恢复,加速林分向顶级群落演替是当前急需解决的问题。

    林分空间结构是森林结构的重要组成部分,优化林分结构时,空间结构已成为森林经营者考虑的一个重要指标。采伐和补植是两种相反的空间优化方式。目前,已有学者对人工林补植的位置及空间优化[6]、补植的时间[7]、补植后的土壤分析[8]、带状改造[9]等进行探讨;基于采伐的林分空间优化方式也有大量报道,如择伐空间优化模型[10]、不同抚育强度对空间结构的影响[11]等;但天然次生林中,基于林分已有天然更新的林下补植空间优化还鲜有报道。

    本文以大兴安岭地区翠岗林场天然次生林为研究对象,选取白桦(Betula platyphylla)纯林、落叶松(Larix gmelinii)白桦混交林和针叶混交林3种典型的林分类型,以林分非空间结构为约束条件,以空间优化、加速林分生态恢复与演替为目标,探讨该地区天然次生林林下补植位置及树种选择,为提高大兴安岭地区林分质量,加速森林生态系统的恢复演替提供理论支持。

    • 研究区位于黑龙江省大兴安岭地区翠岗林场(123°41′ ~ 125°25′N、51°21′ ~ 52°10′E),始建于1967年,位于大兴安岭中部,寒温带大陆性季风气候,年均温− 1.3 ℃,极端低温− 47 ℃,极端高温37 ℃,年积温 < 1 600 ℃,无霜期85 ~ 130 d;降雨集中在7、8月,蒸发量为900 m。主要林分类型为白桦林、落叶松林、落叶松林与白桦为主的针阔混交林;主要乔木树种白桦、兴安落叶松、樟子松(Pinus sylvestris var. mongolica)、山杨(Populus davidiana)等;灌木层树种有笃斯越桔(Vaccinium uliginosum)、杜香(Ledum palustre)、兴安杜鹃(Rhododendron dauricum);地表草本有蕨类(Adiantum spp.)、莎草(Cyperus spp.)、舞鹤草(Maianthemum dilatatum)、地榆(Sanguisorba officinalis)等。

    • 本文以2017年大兴安岭地区翠岗林场设置的白桦纯林、落叶松白桦混交林、针叶混交林3块100 m × 100 m样地调查数据为原始数据,每个样地划分为100个10 m × 10 m调查单元。以胸径5.0 cm为界,胸径DBH ≥ 5.0 cm的林木层划定为乔木层,调查并记录乔木层每木树种、状态、胸径、树高、冠幅、以及位置坐标等信息;胸径DBH < 5.0 cm的林木划定为更新层,调查并记录更新层每木树种、状态、地径、胸径、位置、更新方式(实生和萌生)等;每个10 m × 10 m调查单元中设置2 m × 2 m的灌木调查样方和1 m × 1 m的草本调查样方,调查每个小样方中灌木和草本的种类、平均高、盖度等信息,并记录各林型样地的海拔、坡度、土壤类型等信息,各林型样地信息汇总如表1所示。根据大兴安岭更新造林术指标(DB2327/T010-2012),将H ≤ 30.0 cm的更新划定为幼苗,H > 30.0 cm且DBH < 5.0 cm划定为幼树,各林型样地幼苗幼树信息汇总如表2所示。

      表 1  各林型样地基本信息表

      Table 1.  Basic information of sample plots in each forest type

      林型
      Forest type
      树种组成
      Species composition
      海拔
      Elevation/m
      郁闭度
      Canopy density
      坡度
      Slope gradient/(°)
      土壤类型
      Soil type
      平均胸径
      Mean DBH/cm
      平均高
      Mean height/m
      白桦纯林
      Betula platyphylla forest
      10白桦Betula platyphylla
      5660.5 < 5暗棕壤
      Dark brown soil
      12.5 ± 4.213.3 ± 3.4
      落叶松白桦混交林
      Larix gmelinii and Betula platyphylla mixed forest
      6落叶松Larix gmelinii
      4白桦Betula platyphylla
      5460.7 < 5暗棕壤
      Dark brown soil
      13.1 ± 4.713.7 ± 3.5
      针叶混交林
      Larch coniferous mixed forest
      6落叶松Larix gmelinii
      2樟子松Pinus sylvestris var. mongolica
      1云杉Picea abies
      1白桦Betula platyphylla
      4570.66暗棕壤
      Dark brown soil
      10.5 ± 4.411.2 ± 2.9

      表 2  各林型样地幼苗幼树信息统计表

      Table 2.  Statistical table of seedlings and saplings in sample plot of each forest type

      林分类型
      Forest type
      树种
      Species
      幼苗 Seedling (H ≤ 30.0 cm)幼树 Sapling (30.0 cm < H & DBH < 5.0 cm)
      地径
      Ground diameter/cm
      树高
      Tree height/cm
      密度/(株·hm2)
      Density/(plant·ha− 1)
      地径
      Ground diameter/cm
      树高
      Tree height/cm
      密度/(株·hm2)
      Density/(plant·ha− 1)
      白桦纯林
      Betula platyphylla forest
      白桦
      Betula platyphylla
      0.719.3631.5185.1802
      落叶松
      Larix gmelinii
      0.324.012.3212.6221
      山杨
      Populus davidiana
      1.8199.51 317
      落叶松白桦混交林
      Larix gmelinii and Betula platyphylla mixed forest
      白桦
      Betula platyphylla
      0.322.191.5172.8142
      落叶松
      Larix gmelinii
      0.316.842.3210.0129
      山杨
      Populus davidiana
      0.620.521.3151.2759
      落叶松
      Larix gmelinii
      0.622.1123.2274.61 013
      云杉
      Picea asperata
      0.315.45461.8117.6975
      针叶混交林
      Larch coniferous mixed forest
      白桦
      Betula platyphylla
      0.219.561.8295.3375
      樟子松
      Pinus sylvestris var. mongolica
      1.116.5491.6157.3141
      山杨
      Populus davidiana
      4.17.021.8234.059
      柳树
      Salix matsudana
      0.323.521.1123.7119
      柞树
      Quercus mongolica
      0.214.5220.535.03
    • 本文使用Voronoi图进行空间结构单元的确定[12]。如图1所示,每个Voronoi多边形代表一株林木,一个空间结构单元由Voronoi多边形及与其相交或者有公共边的多边形组成,利用ArcGIS10.2软件构建各林型样地林木Voronoi图,使用Python构建ArcGIS工具条,提取样地林木的邻近木信息并计算各空间结构参数值;使用Voronoi结点法[13],对样地进行边缘校正。

      图  1  Voronoi结构单元

      Figure 1.  Voronoi structural unit

    • 目前应用的林分空间结构参数主要有3个,体现树种空间隔离程度的树种混交度,反应林木个体大小的大小比数,描述林木个体在水平方向上的分布格局的角尺度[14]。本文选取基于Voronoi图的V-Hegyi竞争指数来描述林木的竞争大小[15],选取基于Voronoi图的混交度和大小比描述林木的空间隔离程度和林木个体大小的混交程度[16],选取基于Voronoi图边数分布规律来描述林木个体在水平方向上的分布格局[17],各参数计算公式及变量的选定如表3所示。将计算得到的V-Hegyi指数、V-混交度和V-大小比进行分级,V-Hegyi竞争指数分级同V-混交度和V-大小比的分级过程,各空间结构参数分级结果如表4所示。

      表 3  空间结构参数计算公式及变量定义

      Table 3.  Calculation formula of spatial structure parameters and its significance

      空间结构参数
      Spatial structure parameter
      计算公式
      Formula
      变量定义
      Variable definition
      V-Hegyi指数
      V-Hegyi index
      $\scriptstyle {{\rm{CI}}_i = \sum\limits_{j = 1}^n {\frac{{d_j}}{{d_i L_{ij}}}} }$Lij为对象木i与竞争木j之间的距离;di为对象木i的胸径;dj为竞争木j的胸径;n为竞争木株数。Lij is the distance between the object tree i and the competition tree j; di is the DBH of the object tree i; dj is the DBH of the competition tree j; n is the number of competing trees
      V-混交度
      V-Mi
      $\scriptstyle {M_i = \frac{1}{n}\sum\limits_{j = 1}^n {v_{ij}} }$n为邻近木株数;当参照树i与相邻木j非同种时vij = 1;否则vij = 0。n is the number of adjacent trees; vij = 1 when the reference tree i is not the same as the adjacent tree j; otherwise vij = 0
      V-大小比
      V-Ui
      $\scriptstyle {U_i = \frac{1}{n}\sum\limits_{j = 1}^n {k_{ij}} }$n为邻近木株数;当参照树j的胸径小于中心木 i的胸径,kij = 1;否则kij = 0。n is the number of adjacent trees; when the DBH of the reference tree j is smaller than the DBH of the central tree i, kij = 1; otherwise kij = 0
      分布格局
      Spatial pattern
      SD = [1.264, 1.402]SD为Voronoi图多边形边数的标准差,当SD = [1.264, 1.402],林分呈随机分布;当SD < 1.264时,林分呈均匀分布;当SD > 1.402时,林分呈聚集分布。SD is the coefficient of variation of the number of polygons in the Voronoi diagram. When SD = [1.264, 1.402], the stands are randomly distributed; when SD < 1.264, the stands are evenly distributed; when SD > 1.402, the stands are aggregated distributed
    • 调整林分混交度,不是在现有林分树种配置基础上将林分中所有林木的混交度都调整为1,而是应该参照地带性植被顶级群落的树种组成和配置[18]。大小比是一个描述林木大小分化程度的指标,描述了空间结构单元中心木相比邻近木的直径大小优势度,理论上一个理想林分林木大小比是所有林木均为0,但这种情况不存在。发育成熟的顶级森林群落中,优势树种的总体呈随机分布格局,各优势树种也呈随机分布格局镶嵌于总体的随机格局中[19]。不同于采伐的空间优化方式,当样地中的部分林木成聚集分布聚集在一定区域时,补植无法通过“拿掉”的方式调整这部分区域的分布格局,但补植能使“插入”的林木呈现随机分布状态,使林分中处于随机分布的林木个数增加,整个林分更趋向于随机分布。故空间结构调控的主要约束条件为:

      $$ {\rm{CI}} < {\rm{C}}{{\rm{I}}_0} $$ (1)
      $$ M > {M_0} $$ (2)
      $$ U < {U_0} $$ (3)
      $$ {\rm{SD = }}\left[ {1.264,1.402} \right] $$ (4)

      式中:CI为补植后林分V-Hegyi竞争指数,CI0为补植前林分V-Hegyi竞争指数;M为补植后林分V-混交度,M0为补植前林分V-混交度; U为补植后林分V-大小比,U0为补植前林分大小比;1.264和1.402为林分呈随机分布时Voronoi图多边形边数标准差取值区间下限和上限,SD为补植后的林分Voronoi图多边形边数的标准差。

    • 根据大兴安岭更新造林技术指标,有健壮目的树种天然更新幼苗每公顷达6 000株以上或幼树达3 000株以上,且更新频度达到60 %以上为合格。本文补植以幼树为主,将3 000株幼树作为补植改造的数量调控目标,即在样地既有天然更新的基础上,补植后样地中的幼树数量大于3 000,补植后落叶松的更新频度达到60 %以上。

    • 各林型样地林分V-Hegyi指数、V-混交度、V-大小比数及空间格局如表5所示。表5知白桦纯林林分V-Hegyi指数最小,为2.58;V-混交度最小,为0.14,处于极弱度混交状态;林木总体上呈随机分布。针叶混交林林分V-Hegyi指数最大,为3.96,林木总体上呈聚集分布。落叶松白桦混交林林分V-混交度最大,为0.41,林木总体上呈随机分布。为加速白桦纯林、落叶松白桦混交林向顶级群落的演替,选取兴安落叶松为补植树种,各林型补植树种和数量如表5所示。

      表 5  各林型空间结构参数与补植幼树信息表

      Table 5.  Spatial structure parameters and replanting sapling information table for each forest type

      林分类型
      Forest type
      林分空间结构参数 Forest spatial structure index补植幼树 Replanting sapling
      V-Hegyi指数
      V-Heygi index
      V-混交度
      V-Mi
      V-大小比
      V-Ui
      分布格局
      Spatial pattern
      树种
      Species
      株数
      Tree number
      白桦纯林
      Betula platyphylla forest
      2.580.140.50随机
      Random
      兴安落叶松
      Larix gmelinii
      660
      落叶松白桦混交林
      Larix gmelinii and Betula platyphylla mixed forest
      3.130.410.50随机
      Random
      兴安落叶松
      Larix gmelinii
      1 970
      针叶混交林
      Larch coniferous mixed forest
      3.960.400.50聚集
      Aggregation
      兴安落叶松
      Larix gmelinii
      315

      表 4  空间结构参数分级表

      Table 4.  Classification table of spatial structure parameters

      等级
      Grade
      V-Hegyi指数 V-Hegyi indexV-混交度 V-MiV-大小比 V-Ui
      取值区间
      Value range
      状态描述
      State description
      取值区间
      Value range
      状态描述
      State description
      取值区间
      Value range
      状态描述
      State description
      (0.00, 2.50]极弱度竞争
      Extremely weak competition
      0.00零度混交
      Zero mixture
      0.00优势
      Dominant
      (2.50, 5.00]弱度竞争
      Weak competition
      (0.00, 0.25]弱度混交
      Weak mixture
      (0.00, 0.25]亚优势
      Subdominant
      (5.00, 7.50]中度竞争
      Medium competition
      (0.25, 0.50]中度混交
      Medium mixture
      (0.25, 0.50]中庸
      Medium
      (7.50, 10.00]强度竞争
      Intensive competition
      (0.50, 0.75]强度混交
      Intensive mixture
      (0.50, 0.75]劣势
      Inferior
      (> 10.00)极强度竞争
      Extremely intensive competition
      (0.75, 1.00]极强度混交
      Extremely intensive mixture
      (0.75, 1.00]绝对劣势
      Absolute inferior
    • 林木竞争指数、混交度和大小比反距离插值,同时考虑到补植幼树大小及幼树需要占据的空间,将反距离插值的像元大小设置为补植幼树所需要的占地面积的大小,即1 × 1,林分空间结构参数反距离插值结果如图2所示,以落叶松白桦混交林为例。

      图  2  落叶松白桦混交林空间结构参数反距离插值

      Figure 2.  Spatial structure parameter IDW of mixed forest of Larix gmelinii and Betula platyphylla

      插值后,空间结构参数图像呈现如图3 ~ 6所示的几类结果。如图3a所示,邻域窗口为3 × 3时,若中心像元为提取出的满足优化条件的像元,即该像元的竞争指数值小,但中心像元的邻接8像元竞争指数值均较大,或者图4a混交度值均较大、图5a大小比数值均较大,即满足条件的中心像元的邻接8像元竞争压力均较大、混交程度均较高和林木均处于劣势状态,则这个提取出的中心像元为不适合补植的像元。图3b ~ 3c,中心像元为提取出的满足优化条件的像元,但是邻接8像元中只有1个或2个像元的竞争指数值较小,则这个提取出的像元亦为不适合补植的点。图3d,中心像元为提取出的满足优化条件的像元,邻接8像元的竞争指数值均比中心像元大,但是和中心像元所处竞争压力处于相同等级,则该提取出的中心像元为适合补植的点。图3e,提取出满足优化条件的中心像元和邻接8像元的竞争指数值所处等级相同,即图3f,则该提取到的中心像元为适合补植点。图6f,3 × 3的邻域窗口均为满足空间优化条件的像元,按行按列的在这一部分区域插入补植点,补植的林木在此区域呈现均匀分布,违背空间优化目标。为保证图例的一致性,图456中3 × 3邻域窗口中的混交度、大小比和角尺度值均为乘以10之后的结果。

      图  3  V-Heygi指数像元邻域窗口

      Figure 3.  Pixel neighborhood window of V-Heygi index

      图  4  V-Mi像元邻域窗口

      Figure 4.  Pixel neighborhood window of V-Mi

      图  5  V-Ui像元邻域窗口

      Figure 5.  Pixel neighborhood window of V-Ui

      图  6  V-Wi像元邻域窗口

      Figure 6.  Pixel neighborhood window of V-Wi

      为突出中心像元和邻域像元像元值之间的等级差异,剔除几种不适合补植的图像像元,对插值后的图像进行拉普拉斯(Laplace)变换。使用熵权法确定各林型V-Hegyi指数、V-大小比、V-混交度的权重,并根据表4空间结构参数的分级标准将各林型反距离插值后的图像进行重分类后加权叠加。在补植区域内随机插入点,作为补植点。当提取到补植区域某个像元内已有天然更新时,标记为非补植点,导入补植点位置坐标信息,将补植点的信息输出。利用ArcGIS提取到的各林型补植区域如图7所示。

      图  7  各林型补植区域与补植位置

      Figure 7.  Replanting area and replanting position of each forest type

    • 计算得补植前后林下更新的空间结构参数比较如图8所示。由图8知,补植前各林型天然更新林分混交度分别为0.40、0.33、0.50,补植后各林型下层更新林分混交度分别为0.46、0.35、0.52,白桦纯林样地中白桦更新混交度增加为0.52,其他树种更新混交度增加为0.51;落叶松白桦混交林中白桦更新混交度增加为0.84,其他树种更新混交度增加为0.70;针叶混交林中白桦更新混交度增加为0.78,其他树种更新混交度增加为0.50。补植前各林型样地天然更新Voronoi图多边形边数标准差分别为1.40、1.46、1.38,补植前落叶松白桦混交林样地天然更新呈聚集分布状态,补植后各林型样地林下幼树幼苗Voronoi图多边形边数标准差分别为1.31、1.41、1.36,均处于随机分布的状态,白桦纯林林下落叶松幼树幼苗Voronoi图多边形边数标准差为1.27;针叶混交林林下落叶松幼树幼苗Voronoi图多边形边数标准差为1.40;针叶混交林中林下落叶松幼树幼苗的Voronoi图多边形边数标准差为1.37,均呈随机分布。

      图  8  补植前后空间结构参数值比较

      Figure 8.  Comparison of spatial structure parameter values before and after replanting

    • 采伐和补植是两种相反的空间优化方式,将林木空间结构参数进行反距离插值,可以预测林分中无林木区域的空间结构参数值,插值后的图像像元大小可以设定为补植幼树所需要的林地面积大小,依据林分空间结构的优化目标和补植数量的调控目标,提取样地未含林木区域空间参数值,进而确定补植的树种和位置。为排除插值后的几类不适合补植的图像像元,本文使用Python构建ArcGIS工具条对图像进行拉普拉斯变换。使用熵权法将插值后的图像进行加权叠加,选取兴安落叶松为补植树种,根据大兴安岭地区更新造林技术指标,确定各林型幼树补植数量分别为660、1 970、315。补植前各林型天然更新林分混交度分别为0.40、0.33、0.50,补植后各林型下层更新林分混交度分别为0.46、0.35、0.52,补植后各林型林下更新混交度增加。补植前各林型样地天然更新Voronoi图多边形边数标准差分别为1.40、1.46、1.38,补植前落叶松白桦混交林样地天然更新林分呈聚集分布状态,补植后各林型样地林下幼树幼苗Voronoi图多边形边数标准差分别为1.31、1.41、1.36,落叶松白桦混交林林下幼树幼苗由聚集分布调整为随机分布。

    • 林分结构包括非空间结构信息和空间结构信息,非空间结构包括林分的径级结构、年龄结构、树种组成等,空间结构参数在非空间结构特征的基础上加入了林木的空间属性,可以描述一个空间结构单元中中心木相对于邻近木的状态特征,如树种的隔离程度、直径的大小分化等。当前基于相邻木或最近邻体的林分空间结构研究发展较为完善,既有描述水平方向上的角尺度[20]、混交度[21],大小比[22]等空间结构参数,垂直方向上的林层指数[23],又有林分空间结构距离[14]。关于邻近木的个数选择和空间结构单元的确定众多学者亦使用了多种方法,有1株邻近木[24]、3株邻近木[25]、4株邻近木[21]、Voronoi确定空间结构单元[15]等,空间结构单元确定后的各空间结构参数值也已经得到了广泛的应用。

      补植是在无林木的林中区域进行,样地中无林木区域的空间结构信息该如何获取,并将其空间结构信息作为补植的依据,成为补植过程的关键。插值是根据有限的样本点数据来预测邻近地理点或区域的未知数据值[26]。在进行并插值的过程中,权重随着数据点和插值点之间距离的增加而减小,距离插值点越近的数据点的权重越大,对采样点的贡献越大[27]。本文使用反距离插值方法对林木的空间结构参数进行处理,目的将样地林木的空间结构参数可视化,并预测样地中无林木的空间结构参数信息,插值后可根据需要,灵活的提取图像中任意空间结构参数值的区域。同时插值亦是矢量图像转栅格图像的过程,栅格图像是由诸多像元组成的,每个像元储存着林木的空间结构参数值,像元大小的设定又可作为补植幼树所需要的占地面积。拉普拉斯是在高斯金字塔变化的基础上演变而来[28],通过求取高斯金字塔中每两层图像之间的差异而得到的[29],常用来凸显像元值等级之间的差异。

      在群落演替和恢复的过程中,天然更新代表着群落未来的植物类型、树种组成等方向,天然更新包括种子雨、种子萌发、幼苗建立与幼树生长几个阶段,每一个阶段都极易受到种间种内和环境条件的限制,幼苗和幼树的存活和转换是天然更新的关键阶段[30]。补植是天然更新的补充和延续,在演替阶段缺少了种子雨、种子萌发、幼苗建立几个阶段,加速了天然更新的进程[31],且补植过程是一种人为干扰的过程,可以更加合理的控制下层幼树的位置。研究表明,兴安落叶松在经过重度干扰后,会经历兴安杜鹃−白桦林、白桦−兴安落叶松林、兴安落叶松林这几个演替阶段,最后形成稳定的群落[32]。故本文选取兴安落叶松为补植树种,补植后白桦林和落叶松白桦混交林的白桦和其他树种的混交度增加,对白桦林向落叶松白桦混交林,落叶松白桦混交林向落叶松林的演替产生积极影响,进而加速大兴安岭地区天然次生林的恢复与演替。

      天然次生林的经营是一个长期综合的问题,为了提高次生林的林分质量和加速次生林森林生态系统的恢复和演替,本文选取了大兴安岭地区3种处于不同演替阶段的林分类型为研究对象,以补植数量为约束条件,以优化林分空间结构为目标,探讨不同林分类型的林下补植位置、数量的方法,为大兴安岭地区天然次生林补植空间优化提供理论支持和方法。

参考文献 (32)

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