耦合林分結構的低密度生態風景林模擬補植優化

劉 健，項 佳，余坤勇，楊素萍，張今朝，趙秋月

(1.福建農林大學林學院/3S技術與資源環境優化利用福建省高校重點實驗室，福建福州350002；2.三明學院，福建三明365000)

風景林是以維護自然風光和提供游憩娛樂場所為主導功能的特種用途林[1]。隨著風景林內涵的延伸，出現了生態風景林的概念。生態風景林是符合風景林設計要求的具有專門防護功能的林種，即兼有防護功能的風景林，是城市森林的重要組成部分，也是生態公益林的一種特殊成分。合理的森林結構是生態風景林更好發揮景觀效益和生態效益的前提[2-4]。林分結構理論廣泛應用于森林結構研究[5-6]，通過分析樹木在林分中的組成、生長和分布狀態，表征林分特征，量化評判林分優化、更新的標準。依據林分結構指標優化風景林經營現狀，是突破當前風景林偏理論定性調整局限的研究重點，對于豐富當前生態風景林研究中關于樹種配置、景觀評價[7-9]方面研究具有重要意義。 由于受到相關經營理念影響，當前生態風景林主體處于未封山育林的一刀切狀態，相關部分更新不良、林分密度較低的風景林林分，樹木競爭壓力相對較小，生長空間、營養元素并未得到充分的利用，所引發的現象之一則是較大的林窗會減少喬冠層對強降水的攔截作用，更易發生水土流失等自然災害。因而，針對特定的林分現狀，探索切實可行的營建技術，是改善當前風景林森林資源經營、提升森林資源價值及文化挖掘的重要所在。低密度林分，可通過補植的方式人工促進天然更新，以提高林分密度、改善林分空間結構、提升生態風景林的防護性和觀賞性。Voronoi 圖、Delaunay 三角網分析空間結構單元是當前森林經營改造中重要的量化技術，結合GIS領域的空間分析技術來模擬林分空間配置，在不破壞當前林相的前提下，可以為定量補植研究提供技術指導[10-12]。

金絲灣森林公園屬于生態公益林，位于城市近郊，不僅對調節城市小氣候發揮著重要的作用，而且直接服務于城市居民回歸自然、休憩游玩的精神需求。但森林公園內，尤其是低密度風景林樹種結構單一、色彩單調嚴重限制了其生態和景觀效益的最大發揮。為提升金絲灣森林公園中低密度生態風景林穩定性和可觀賞性，營造林分結構穩定、季相多變、景色優美的風景林，亟需配合合理的補植方案調整林分、優化林相。為此，本文將基于林分空間結構的定量原則，確定三明金絲灣福建省級森林公園中低密度生態風景林的補植優化方案，并通過GIS量化、模擬方案的實施，為金絲灣森林公園的健康經營管理和林相優化改造提供理論和技術支持。

1 研究區概況

金絲灣森林公園位于福建省三明市梅列區陳大國有林場(117°33′9″E～117°37′19″E，26°18′32″N～26°20′44″N)，占地積達151.7 km2，距離三明市區約12 km，地處武夷山中部，海拔在189～698 m。該地區屬于中亞熱帶，具有海洋性和大陸性氣候特點，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 樣地調查

選擇金絲灣森林公園中的低密度風景林作為研究區，設置25.82 m×25.82 m的標準樣地，調查標準地內的立木空間結構，并記錄標準地群落類型、海拔、坡位、坡向和林分郁閉度、密度等因子。調查過程中，對占林分主體且對林分景觀影響較大的喬木(胸徑≥5 cm，樹高≥5 cm)進行每木檢尺，逐株編號，記錄每株喬木的種類、胸徑、樹高、健康情況及坐標位置等信息。標準地基本情況見表1。

表1 標準地基本情況

2.2 分析方法

2.2.1 林分結構分析方法 從樹種組成、直徑特征兩方面分析林分非空間結構。通過不同樹種密度、斷面積、相對多度、相對顯著度分析林分樹種組成特征；以2 cm為徑階步長，采取負指數分布及q值理論對標準地林木直徑進行整化從而探討直徑分布規律。

設置2 m的緩沖區，緩沖區內的林木只以相鄰木作處理，采用n=4組成的空間結構單元分析研究區空間結構特征：① 描述林木個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(U)。參數計算方法見文獻[13-15]。

2.2.2 補植林木株距 確定必要的林木補植間距，可以避免人為造成樹木競爭力的增加。補植林木間距的含義：假設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)計算補植林木間距(l)。

(1)

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

3 結果與分析

3.1 補植前林分結構特征

標準地由4種樹種組成(表2)，米櫧無論是從相對多度還是相對顯著度都占有絕對優勢，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，林內呈現單一的綠色，缺乏觀葉、觀花樹種，色彩單調，季相變化小。

表2 標準地林分樹種組成的數量特征

標準地內直徑分布結構的株數-徑階分析結構如圖1所示，標準地內直徑分布范圍從6～44 cm，分布曲線倒J型趨勢不明顯，采用負指數函數對林分直徑分布進行擬合，計算得到林分q值為1.152，直徑株數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)的劃分標準,標準地中徑組林木株數比例最大，占總林木株數的52.73%，大徑組林木株數比例為14.55%，小徑階只占21.82%，特大徑組林木株數比例最小，為9.09%,不利于維持風景林林群落演替的穩定性。

圖1 標準地直徑分布特征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個方面計算標準地的林分空間結構參數(表3)，可知標準地平均角尺度為0.57，超出隨機分布的取值范圍[0.475，0.517]，表現為聚集分布，表明標準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到77%；林分大小比為0.50，接近中庸狀態。

表3 標準地林分空間結構分布狀況

綜合分析，當前該低密度風景林林分結構存在以下問題：林分密度及郁閉度低；樹種組成簡單、景觀結構單一、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。林分現狀不利于區位生態和景觀需求的充分發揮。因此，制定針對性的補植方案是優化當前經營現狀的重點。

3.2 補植優化方案

3.2.1 補植優化目標 研究區屬于生態公益風景林，林分調整的方向即實現林內休憩與生態耦合一體的功能效益最大化。因此，從經營和景觀的角度綜合考慮優化方向，參考課題組前期相關研究結論[16-18]，針對當前林分現狀，圍繞樹種組成、色彩配置、直徑結構、林分密度和空間結構5個方面細化補植目標。

(1)樹種組成。針對研究區喬木層樹種單一的問題，林分經營時，應采用針闊混交搭配，在保證優勢樹種優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時，系數夠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。考慮到森林公園風景林的景觀美學價值[20]，樹種選擇上應盡量提高林分美景度，依樹種季節、物候而變換不同的色彩和季相，提高林分景觀質量。

(3)直徑分布。異齡混交復層林的理想林木直徑結構應呈反“J”型分布，小徑階的林木株數比例較大，隨著徑階的增長，林木株數急劇下降，達到一定程度時，林木株數逐漸平穩[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量，而且影響森林美景度。結合課題組前期針對順昌闊葉混交林的合理密度研究和我國《生態公益林建設技術規程》的指導規范，認為研究區林分合理密度在1 190～1 335株/hm2為宜[22]。對于研究區林分密度過小的區域，采取撫育補植的方式提高林分密度，促進林分密度趨向經營的目標密度。

(5)空間結構。參照艾婧文等[17-18]研究結論，生態風景林水平分布格局的調整方向應將林木由非隨機分布調向隨機分布，使角尺度W介于隨機分布區間[0.475,0.517]時林分美景度值最高；以混交度為0、0.25、0.5的林木作為主要調整對象，提高林分混交度至中度混交以上；經營優勢樹種的中大徑木的大小比數U<0.5，使在競爭中處于優勢地位。

3.2.2 補植優化技術 (1)補植方式。補植改造技術主要視林分內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植；林隙面積大、分布不均勻的林分可采取局部補植。依據研究區林分內林隙的大小與分布特點，可以綜合采用局部點狀、均勻補植對研究區內所留林窗進行補植。

(2)補植樹種。補植樹種的選擇應該根據生態公益林的具體林種、立地條件、實際林分狀況特征，遵循“適地適樹”的原則。可以采取混交林的樹種搭配方式，在闊葉林林內套種其它樹種，改善林分結構；選擇抗蟲害能力強、景觀效果好的樹種營造生態風景林；考慮林相、季相的變化，優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，建議補植含笑(Micheliafujianensis)、杜英(Elaeocarpusdecipiens)、南酸棗(Choerospondiasaxillaris)、榆樹(Ulmuspumila)等鄉土樹種，達到四季色彩斑斕的景觀效果。研究區適宜補植樹種如表4。

表4 研究區補植樹種

(3)補植間距。補植間距的確定可以調整林分內林木競爭情況，合理的補植間距是為了避免人為造成樹木競爭力的增加。課題組前期研究結果表明[22]常綠闊葉林補植林木間距為2.23～2.9 m，根據生態公益林米櫧等樹種的初植密度計算出補植林木間距為2.36～3.51 m，研究區實際林分密度計算出的林木間距也介于此區間。結合我國相關造林技術規定，確定研究區補植林木間距>3 m為宜。

圖2 風景林補植位置確定流程Fig.2 Flow chart of determination of replanting position of scenic forest

(4)補植位置。將研究區相對坐標導入GIS中，利用分析工具(Anlysis Tools)中的創建泰森多邊形(Create Thiessen Polygons)命令得到林木的Voronoi圖，統計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，根據每一株林木坐標位置和Voronoi圖的面積進行插值，采用K-均值聚類算法，將林木生長空間劃分為4級，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，補植木位置應該選在較適宜等級以上的區域。依照“見縫插針”的原則，補植林木間距>3 m，且盡量使補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，呈“梅花狀”分布)。具體補植位置確定流程如圖2。

3.3 補植后林分結構特征

首先通過衛生伐除去研究區的枯死木、病害木、干擾木以及歪倒木，清理林下藤灌。其次基于研究區林木Voronoi圖(圖3)和各林木生長空間的統計結果，確定研究區林木生長空間(APA)分布等級為(0，13.37]，(13.37，21.84]，(21.84，32.64]和>32.64四級，重分類劃分后得到補植區適宜性等級圖(圖4)，依據方案中補植方式、補植樹種、補植間距等最終確定補植林木位置，見圖4。

圖3 標準地林木Voronoi圖Fig.3 The Voronoi diagram of trees (standard plot)

圖4 標準地補植區Fig.4 The replanting area of standard plot

圖5 標準地經營前后空間結構參數頻率分布Fig.5 Spatial structure parameter distribution of standard plot

4 結論與討論

研究定位于城市邊緣生態公益林中低密度風景林，詳細探討了補植技術在優化低密度林分中的應用。首先，滿足公益林經營性要求的同時考慮景觀林的異質性和自然性，即耦合林分結構特征與景觀色彩配置評價林分經營現狀；其次，確定符合補植要求的林木，并利用Voronoi圖、Delaunay三角網精準化補植位置，最后通過評判模擬補植后林分因子的變化，驗證補植方案的可行性。整體表明：研究區補植前林分密度為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]；樹種組成結構達到7米櫧2杉木1木荷+馬尾松，樹種單一，色彩單調，森林美景度較差，與旗峰森林公園生態風景林存在的問題類似[24]；林分郁閉度為0.5，直徑分布結構比例2.2 ∶ 5.3 ∶ 2.5，小徑木林木比例嚴重不足，側面反映出林分更新不足，郁閉度較低；角尺度達到0.57，屬于聚集分布；混交度僅為0.22，已有的風景林[25-26]研究相比金絲灣森林公園低密度風景林的林分水平空間分布狀況略差。從補植方式、補植樹種、營造方式以及補植位置4方面模擬補植后，優化效果明顯：林分密度更加接近理想的林分密度標準；徑階分布更加合理；林分角尺度、混交度、大小比數變化分別為-12.28%、109.09%、22%，且通過補植鄉土樹種，增強了森林季相變化在景觀中的異質性。變化原因在于準確定位補植點后，林隙得到極大改善，小徑階和不同鄉土樹種的補充配置，使得喬木層層次更加豐富、形態和色彩變化更加明顯。

生態風景林多位于城市邊緣、森林公園和風景區，國內已有對其規劃設計基本原則和技術方法的研究側重從植物類型和景觀格局的理想配置角度提出優化經營理論，且優化對象為較籠統的低效林。如宋琪[27]、陳凱[4]、王威[28]等人都在風景林的經營評價和優化方面進行了一定的探索，但所提出的優化對策偏于定性，且針對特殊林分現狀未作深入探討，研究提出的補植調整方案在量化補植技術和效果上更為客觀，在特定風景林的經營改造中具有一定實用參考價值。生態風景林的優化經營不是一次調整就可以達到最優的林分結構狀態，本研究僅對低密度林分經營中補植技術提出討論，后期還需綜合生態疏伐、擇伐措施進一步完善不同林分生態風景林優化經營關鍵技術。