基于结构方程模型的城郊森林公园林分空间结构评价

为探索优化林分空间结构的有效措施,以太原森林公园为研究对象,以水平空间结构、垂直空间结构和竞争空间结构为一阶因子,以林分空间结构为二阶因子,依据传导机制建立结构方程模型,对指标赋权,并基于样地实测数据,对太原森林公园林分空间结构进行综合评价。结果表明,林分空间结构评价结构方程模型的平均适配度指数(χ^(2)/df)为1.285,近似误差均方根(RMSEA)为0.046,增值适配度指数CFI、TLI和NFI分别为0.986、0.973和0.941,各拟合指数均符合适配度参考值,可满足研究需要。林分空间结构评价体系中,3个准则层因子,即水平、垂直和竞争空间结构的权重分别为0.352、0.347和0.301,水平和垂直空间结构为影响林分空间结构的关键因素。研究区各样地林分空间结构综合得分为0.31~0.78,集中在Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ等级;处于不同等级的样地数量表现为Ⅳ等级(7块)>Ⅲ等级(6块)>Ⅱ等级(1块)。林分空间结构主要受水平和垂直空间结构影响;为改善整体林分空间结构,应采取单株采伐抚育、抚育间伐和多树种补植等措施。

基于结构方程模型的大兴安岭北部天然林林下草本物种多样性驱动力分析

林下草本层植物在森林群落结构稳定性的调节和生态功能的发挥上具有非常重要的作用,是森林生态系统不可或缺的组成部分。以大兴安岭北部天然林为研究对象,运用结构方程模型探究气候、土壤和林分空间结构等环境因子对林下草本物种多样性的相对重要性,并探讨影响因子之间存在的复杂关系对林下草本物种多样性的影响机理。结果表明,从整体上来看,气候、土壤和林分空间结构对林下草本物种多样性均有较强的影响作用,其中气候的影响强度最大,土壤次之,林分空间结构的影响作用最小。从中介效应上来看,气候变化会导致土壤和林分空间结构发生变化,进而影响林下草本物种多样性,除此之外,还发现林分空间结构的改变,也会导致土壤性质发生变化,进而影响林下草本物种多样性。从影响系数上来看,影响林下草本物种多样性的驱动因子因各影响因素的不同而存在差异,年均降水、有机碳含量、混交度是分别表征气候因子、土壤因子、林分空间结构影响林下草本物种多样性的主导因子。在大兴安岭林区开展林下草本物种多样性保护及修复工作时,可适当调整混交度,维持合理的林分结构,并综合考虑改善土壤养分的森林经营方案。

基于空间结构优化的长白落叶松人工林分间伐模型构建

【目的】构建一整套林分空间结构优化的评价方法,以此为基础建立林分间伐模型,以期为森林抚育经营提供科学的间伐方案。【方法】以长白落叶松人工林为研究对象,将林木调查因子树高、胸径、冠幅标准化计算后,加权到Delaunays三角网中并确定林分空间竞争单元,计算样地角尺度、大小比数、密集度、开敞度、竞争指数、混交度这6个林分空间结构参数并使用熵权法赋予各参数权重,结合乘除法思想对其进行多目标规划,进而计算出林分空间评价指数(SEE)与林分空间评价等级(SET)。以SEE为基础构建林分均分间伐模型(该模型可以选定林分中空间结构较差的林木并让其较为均匀地分布在林分中)并将其应用到实际样地中。在露水河林业局东升林场设立了20块面积为0.06 hm^(2)的落叶松人天混林分的正方形样地,利用样地数据分析间伐前后6个林分空间结构参数、SEE、SET、林冠投影图的变化以验证模型的合理性。【结果】将SEE应用到调查林分中发现,20块样地SEE均值为0.138~0.216,SET分布在1级和2级,其中85%的样地属于1级,15%的样地属于2级,根据SET的定义可以判定该林分质量较差,需要进行优化。以评级指数最低的z17号样地为例,对均分间伐模型进行应用后发现,各林分空间结构参数均往优的方向发展,且样地SET从1级提升到2级。【结论】以加权Delaunays三角网为基础,结合乘除法与熵权法思想所构建的林分均分间伐模型,改善了同类模型所存在的缺陷,可以显著优化林分空间结构,对于林分生长与收获预估模型构建具有重要的参考意义。

基于地统计模型的林分蓄积量空间异质性研究

基于云南省昭通市大关县天星镇林分二调数据,以林分蓄积量作为因变量,将郁闭度、平均胸径、平均海拔和坡度作为自变量,采用最小二乘法模型(OLS)和地理加权回归模型(GWR),对林分蓄积量的空间效应进行分析。结果表明:1)距离在6 075 m以内,林分蓄积量在总体上呈现出显著的空间自相关性,且随距离的增大自相关性逐渐减小最后趋于稳定;2)随着间隔距离的增加,基台值逐渐减小,块金值逐渐增加,在距离达到6 075 m时趋于稳定;3)平均胸径、郁闭度和平均海拔与林分蓄积量呈现出正相关性,而坡度与林分蓄积量具有负相关性;4)GWR模型的R2(0.73)和预测精度P(0.60)均大于OLS模型R2(0.34)和预测精度P(0.54)。林分蓄积量在空间尺度上具有异质性,且GWR模型能很好地描述林分蓄积量的空间异质性,采用合理的经营方式以促进林木胸径、郁闭度的生长,同时考虑海拔和坡度的影响,从而促进林分蓄积量的增长。

基于Voronoi图的林分空间模型及分布格局研究

以南洞庭湖龙虎山次生林为研究对象,建立林分Voronoi图模型,通过该模型表示林分空间结构特征,提取林木空间量化信息。在此基础上,引入变异系数量化Voronoi多边形面积的变化率,将林木空间格局分析转化为计算Voronoi图变异系数,并将计算结果与角尺度作相关性比较。结果表明:林分Voronoi图模型能准确表达林木邻接关系、相邻木距离及角度、空间密度等重要空间信息;大尺度取样时(76m以上),变异系数趋于稳定,林分整体空间格局呈接近随机分布的轻度聚集;Voronoi图变异系数和角尺度存在显著的正相关关系,进一步说明本研究格局分析方法的可行性和有效性;受多种因素影响,乔木层主要树种在不同发育阶段的空间格局表现出强烈的时间和空间动态特性,且小径木多为聚集分布,大径木呈轻度聚集或随机分布。基于Voronoi图的林分空间模型及格局分析方法,从空间上表征林木的生长繁育特性、种内种间关系、资源及环境分布特征,为计算几何方法应用于林分空间经营提供了新的思路。

基于Hegyi改进模型的红树林空间结构竞争分析

选择包含树木大小、距离和空间分布等多方面的信息的竞争模型对林分结构分析和优化经营起着重要的作用。在Hegyi模型(1974)的基础上,通过分析其优劣研究该模型的改进方法,并应用于广东湛江红树林林分的空间结构分析和优化模型的建立。实例研究表明,改进的竞争模型除保留包含树木大小、距离和空间分布等多方面的信息及简单直观,容易测算,便于应用等特征外,其模型分析数值范围在经营目标中更易于表达,增加了相邻木的空间结构单元信息,使林木竞争关系的描述有了进一步扩展,同时消除了与胸径和距离计算单位的依赖性和相关性,能更好地描述林木间的竞争关系。

赣南马尾松林分多功能经营空间结构优化模型研究

以赣南飞播马尾松林为对象,通过对30个标准地的调查与样品测试,分析大小比数(U)、混交度(M)、角尺度(W)、开敞度(K)、空间密度(D)等空间结构指数及林分各功能大小;从林分尺度上利用多目标规划技术,分别建立以不同功能为主导的经营空间结构模型,采用顺序线性规划法求解理想空间结构的模式和综合指数。结果表明:以固碳、水源涵养、生物多样性保护、木材生产4个单项功能为主导及以生态功能为主导、整体功能最优的6种多功能经营模式的理想空间结构综合指数分别为0.78、0.78、0.90、0.68、0.97、0.93,其空间结构模式f(U,M,W,K,D)的理想值分别为{0.50,0.45,0.61,0.22,0.36}、{0.54,0.66,0.51,0.18,0.61}、{0.44,0.53,0.54,0.29,0.46}、{0.54,0.52,0.53,0.17,0.65}、{0.44,0.66,0.48,0.29,0.51}、{0.52,0.66,0.61,0.23,0.29};在拟合林分功能与空间结构关系模型的基础上,多目标规划技术是构建林分尺度上多功能经营空间结构模式的有效方法,不同功能为主导的理想空间结构模式可为其经营目标空间结构调整措施的制订提供科学依据。

林分择伐空间结构优化模型研究

提出了林分择伐空间结构优化的建模方法 ,突破以功能优化为目标的或称功能优化模型的建模思想局限性 ,并建立了林分择伐空间结构优化模型。该模型集成现代森林经理学理论、生物多样性保护与信息技术 ,并成功地与检查法相结合。模型属非线性多目标整数规划 ,目标函数是基于混交、竞争和空间分布格局的空间结构 ,非空间结构作为主要约束条件。MonteCarlo法是模型求解的可行方法。以吉林省汪清林业局金沟岭林场的一个固定样地为例 ,用本模型进行择伐规划 ,得到具有空间位置信息的最优采伐方案。

基于空间数据库的林分生长模型的研究

将林分作为研究对象,以森林二类调查数据和相关图形为基础数据资料,选择林分生长模型,运用ScanIn地图矢量化软件系统进行专业的矢量化,借助于GIS相关软件建立属性数据库与图形数据库并运用ID连接,用二次开发语言VB编程开发功能,形成林分经营管理空间数据库,力求实现计算机分析、预测功能的更准确、更切实、更科学。同时,将此思路付诸于现实林分管理中,为科学地管理森林、经营森林、规划森林提供有效的帮助。

虚拟森林场景的构建

解决了构建符合林分结构规律的虚拟森林场景的两个关键问题 :①森林空间数据的分析与仿真 ,主要研究林分中树木各特征因子如树高、胸径在林分空间位置上的分布状况 ;②在森林空间数据给定的情况下 ,采用交互式参数建模方法构建三维几何树模型 。

基于GM(1,1)的天然次生林空间结构预测

【目的】系统地分析已有天然次生林林分空间结构数据,通过灰色模型预测天然次生林林分空间结构各指标未来的发展趋势,对天然林经营具有十分重要的意义。【方法】以湖南大围山自然保护区典型次生林为研究对象,依据结构化森林经营理论,选取了混交度、竞争指数、角尺度、空间密度指数、开阔比数、大小比数、林分综合均质性指数作为天然次生林林分空间结构合理性评价与预测的量化指标,构建了基于GM(1,1)的天然次生林林分空间结构灰色预测模型。模型将2008年林分空间结构各指标的平均值作为初始值,并在研究区设置了面积为20 m×20 m的5个研究样地(M1,M2,M3,M4,M5),利用保护区2008-2018年典型样地林分空间信息,预测了研究区调研样地2019年-2021年林分空间结构各指标未来的变化趋势。【结果】利用精度检验机制对该模型的精确度进行了有效性检验,检验结果表明,所有指标预测合格概率P合=71.43%,良好的概率P良好=22.86%,优的概率P优=5.71%,表明该预测模型符合精度检验要求。【结论】样地未来3 a各指标整体变化尺度不大,林分空间结构基本稳定。从各指标在2008-2018年时空上的变化规律来看,各样地林分平均竞争指数、平均大小比数及平均空间密度指数是影响林分均质性指数的关键指标。

基于结构方程模型分析林分空间结构对草本物种多样性的影响

林分空间结构的改变直接影响林下草本物种的多样性。以针叶纯林、针阔混交林和常绿阔叶林为研究对象,采用结构方程模型研究了林分空间结构对林下草本物种多样性的影响,并探讨了林分水平空间结构,垂直空间结构以及林木竞争态势对林下草本物种多样性的影响的相对重要性。结果表明,林分水平空间结构对林下草本的物种多样性指数和物种均匀性指数均存在极显著的影响(P<0.001),影响系数高达0.96和0.89,对林下草本物种丰富度存在显著影响(P<0.01),影响系数为0.22;林分垂直空间结对林下草本丰富度和物种均匀性指数均存在极显著的影响(P<0.001),影响系数分别为0.86和0.43,对林下草本物种多样性指数存在显著影响(P<0.01),影响系数为0.16;林木竞争指数与林下草本丰富度和物种多样性指数也均存在极显著的影响(P<0.001),但影响系数较小,分别为-0.47和-0.30,而对林下草本物种均匀性指数未达到显著影响作用(P>0.05),影响系数仅为-0.04。整体上看,林分水平空间结构、垂直空间结构和林木竞争态势均对林下草本物种多样性有较强的影响作用,但从影响系数看,林分水平空间结构的影响作用最大,垂直空间结构次之,林木竞争态势的影响作用最小。因此,欲维持或改善林下草本物种多样性,应采取调整林分水平空间结构为主,垂直空间结构调整为辅,并适当降低林木竞争程度的综合经营措施。

水源涵养林多功能经营结构优化模型初探

从林分空间结构、树种结构和林木健康状况三个方面筛选7个因子,应用非线性多目标规划法确定水源涵养林多功能经营结构优化目标,定义目标函数-林分空间结构均质性指数,以林分树种多样性和空间结构等为约束条件建立水源涵养林多功能经营结构优化模型。以择伐和补植为优化的经营措施,对南洞庭湖湿地区域现实次生林典型林分进行空间结构优化实践。结果表明,通过模型的空间结构优化和调整,研究林分的空间结构得到了明显的改善,且树种多样性和林分健康状况并未降低。说明建立的优化模型能较有效地指导水源林多功能经营和林分结构优化以及生态系统的稳定,且实际使用方便,可操作性强,对保护和恢复水源林生态系统具有重要的现实意义。

毛竹林空间结构优化调控模型

以浙江省天目山国家级自然保护区少受干扰的毛竹林为研究对象,基于GIS空间分析功能,建立毛竹林空间结构优化调控模型。模型目标是空间结构,非空间结构作为主要约束条件,模型属非线性整数规划,采用MonteCarlo法求解。模型求解得到最优采伐方案,此方案对毛竹林空间结构进行优化调控,使林分空间结构目标函数值比伐前提高32.6500%,最大限度地改善林分空间结构,又不破坏非空间结构,可作为制定采伐计划的依据。

目标树经营对杉木人工林林分空间结构的影响

为探究目标树经营对杉木人工林林分空间结构的改善效果,在3个林龄(8、12、21 a)的杉木人工林中分别设置3块标准地,选取4个空间结构参数(角尺度、大小比数、开敞度和竞争指数)与胸径因子构建单木综合评价指标模型来确定目标树、干扰木和一般木,通过模拟采伐干扰木,计算并分析间伐前后林分空间结构参数的变化。结果表明,林分空间结构单元多以1株中心木和5~6株近邻木构成;林龄为8、12和21 a的杉木人工林样地的干扰木数量分别占林分的33.93%、31.80%、11.20%;3个林龄各样地林木均为随机分布,林木分化明显,生长空间不足,竞争压力较大。经目标树抚育模拟间伐干扰木后,林龄为8、12和21 a的杉木人工林样地大小比数和竞争指数的平均值均降低,林木间竞争压力减小,竞争优势地位提升;林龄为8、12 a的杉木人工林样地角尺度和开敞度的平均值均增大,林木空间分布格局越来越优,生长空间大幅增加,而林龄为21 a的杉木人工林样地的改善程度不明显。

熵权-云模型法在环洞庭湖区林分空间结构评价中的应用

【目的】为综合评价林分空间结构,迫切需要构建林分空间结构指标体系、科学对指标权重赋值以及解决定量指标与定性评价结果之间的不确定性映射问题。【方法】在环洞庭湖内的大围山自然保护区、龙虎山国有林场、芦头国有林场等3个区域各设置固定研究样地5块。构建了由全混交度、大小比数、开阔比数、角尺度与交角竞争指数5个指标组成的评价指标体系;采用熵权法客观计算评价指标的权重,基于云模型方法综合评定林分空间结构评价等级,并将评价结果与基于乘除法原理的林分空间结构指数法进行比较。【结果】就单个指标而言,除1个样地的指标等级处于第2级(Ⅱ)到第5级(Ⅴ)外,其他样地的指标全部分布在第2级(Ⅱ)到第4级(Ⅳ)之间,且以第3级(Ⅲ)居多,占到了全部等级的52%,而第2级(Ⅱ)与第4级(Ⅳ)占到了全部等级的46.7%,说明绝大多数指标等级处于中间等级。就综合评价结果来看,全部样地的林分空间结构的评价等级为第3级(Ⅲ)与第4级(Ⅳ)两个等级,其中第3级(Ⅲ)占到了全部样地的2/3,说明环洞庭湖区森林林分空间结构整体比较合理,处于中等偏上等级。【结论】熵权-云模型法的应用为科学评价林分空间结构提供了一种新思路与方法,实现了评价指标与评价等级之间的不确定性映射,其评价结论比基于乘除法原理的林分空间结构指数法方法更加客观准确。

桉树人工林抚育间伐优化模型

为提升人工林林分结构的稳定性,本研究提出一种实际操作性强的抚育方法,以期为林分结构优化提供新思路.采用乘除法结合角尺度、开敞度、竞争指数、大小比数和材积等5个结构参数提出评价指数.以评价指数最优为目标,对林地进行栅格化处理,建立林分栅格间伐模型.使用C语言编制间伐模型计算机程序,并以桉树人工林为例,对模型进行验证.结果表明:评价指数可量化描述林分空间结构的稳定性,并可作为指标比较间伐方案的优劣;3年生林分适合(15%,20%]的间伐强度,4和5年生林分适合(20%,25%]的间伐强度;3~5年生林分使用林分随机间伐模型的效果与林分栅格间伐模型相差不大,后者的操作更为简便;采用林分栅格间伐模型输出的间伐方案可减少林木竞争压力,增加林木生存空间,林分评价指数提高46.85%~67.57%,显著提高林分结构的稳定性.

基于结构方程模型的杉木公益林林分空间结构评价

【目的】综合评价杉木公益林林分空间结构,确定不同龄组林分空间结构现状,为制定精准可行的林分空间结构优化和经营措施提供理论依据。【方法】以湖南省平江县芦头实验林场杉木公益林为研究对象,基于30块样地实测数据,采用4株木法确定林分空间结构单元,选取全混交度、角尺度和空间密度指数作为内生潜变量水平空间结构的观测变量,林层指数、开敞度和交角竞争指数作为内生潜变量垂直空间结构的观测变量,以林分空间结构为外生潜变量,构建林分空间结构评价结构方程模型,模型输出的路径系数通过归一化处理确定各指标权重,在此基础上对林分空间结构进行综合评价。【结果】1)林分空间结构评价结构方程模型的卡方自由度比值(χ^(2)/df)为1.708,介于1~3之间,比较拟合指数(CFI)、非正规化拟合指数(NNFI)和递增拟合指数(IFI)分别为0.944、0.924和0.946,均大于0.90,各拟合指数均符合适配参考值,模型整体适配度良好;2)内生潜变量水平空间结构、垂直空间结构的权重分别为0.5229、0.4771,对外生潜变量林分空间结构的影响大致相同,空间密度指数所占权重最高,是影响林分水平空间结构的关键因素,开敞度和交角竞争指数所占权重相等,是影响林分垂直空间结构的关键因素;3)杉木幼龄林、中龄林和近熟林的综合得分分别为0.3781、0.4526和0.3775,3个龄组的林分空间结构等级处于Ⅱ、Ⅲ等级。总体来看,研究区杉木公益林林分空间结构未达到理想状态,林分空间结构较差,树种混交程度低,接近零度混交至弱度混交状态,林分拥挤程度中等,林木透光条件一般,林层结构单一,但林木间竞争强度较弱,且空间分布格局较好,处于均匀至近似随机分布状态。【结论】林分水平空间结构和垂直空间结构均是影响林分空间结构的关键因素,空间密度指数是影响林分水平空间结构的最重要因素,开敞度和交角竞争指数是影响林分垂直空间结构的最重要因素,为改善研究区整体林分空间结构,应采取多树种补植和单株抚育间伐的综合经营措施。研究区3个龄组杉木生态公益林林分空结构评价结果较客观地反映了林分空间结构现状,采用结构方程模型对林分空间结构进行评价是科学合理的,可为林分空间结构评价提供一个全新的思路。

东北地区落叶松人工林生物量转换与扩展因子空间自回归模型

【目的】基于东北地区落叶松人工林森林资源连续清查固定样地数据,探讨生物量转换与扩展因子(BCEF)的最优模型形式,建立落叶松人工林BCEF空间自回归模型,为生物量精准估算提供模型支撑和依据。【方法】选择多种模型形式建立BCEF普通回归模型,从中选择拟合效果最好的模型,运用空间误差模型(SEM)和空间滞后模型(SLM)2种空间自回归方法重新拟合模型,采用决定系数(R^(2))、均方根误差(RMSE)和相对均方根误差(rRMSE)对模型进行评价,使用莫兰指数(MI)检验各变量和BCEF模型残差的空间自相关性。【结果】1)BCEF存在明显的空间自相关性,空间距离较小时,同一省内的落叶松人工林BCEF属性相似,随着空间距离增大,各省之间的BCEF属性差异逐渐体现出来,最终趋向随机分布;2)在普通回归模型中,异速生长模型、对数模型和双曲线模型拟合效果较好,不同自变量对应的最优模型形式不同;林分平方平均直径(Dg)是解释能力最高的变量,以Dg为自变量的有效模型的R^(2)在0.945~0.958之间;其次是林分平均高和蓄积量,其有效模型的R^(2)在0.60以上;林分平均年龄的解释能力略低,其有效模型的R^(2)仅0.50左右;林分断面积(BA)和密度(N)对BCEF的解释能力较差,R^(2)均不超过0.50;以Dg为自变量的普通回归模型的残差存在明显空间自相关性;3)以Dg为自变量的双曲线空间自回归模型最优,且SEM优于SLM,与对应普通回归模型相比,SEM的R^(2)提高3%,RMSE和rRMSE分别降低33%和35%,模型残差的MI不超过0.02,可较好消除空间自相关性。【结论】双曲线是BCEF最稳定的模型形式,Dg是解释BCEF的最优变量,建议采用以Dg为预测变量的双曲线函数空间误差模型估算BCEF。

Discussion on Spatial Optimization Modeling of Water Resource Conservation Forests and Management Practice of Forest Functions

According to the unification principle of system structure and system function of the Water Resource Conservation Forests,seven factors were selected from stand spatial structure,trees structure and healthy of woods,the multifunction management optimization model target was confirmed by using nonlinearity multi-objective programming approach, and the target function-stand spatial structure homogeneity index was defined to establish spatial optimization models with restraining conditions set up in diversity of stand structure and spatial structure.The spatial structure of available typical stand in the wet land area in southern Donting Lake was optimized by means of selective cutting and reinforcement planting.The results showed that the spatial structure was improved obviously and trees diversity and stand health were not weakened.It’s suggested that the established optimization model can effectively guide multifunction management,stand structure optimization and the steadiness of ecological ecosystem and it is convenient and operable in practice,and it’s very important to protect and recover ecosystem of Water Resource Conservation Forests.