森林生态系统服务多功能性:概念、指标和经营模拟模型

森林生态系统同时提供多种功能和服务的能力,被称为森林生态系统多功能性,可分为生态系统功能多功能性和生态系统服务多功能性。近年来,生态学领域对生物多样性与多功能性关系机理、多功能性驱动因子等进行了大量研究,这些研究持续成为热点。然而,这些研究成果在实际应用,尤其是在指导森林经营实践方面,尚显不足。森林经营一直以实现多种功能或服务的最大化为目标,但目前还缺乏与生态学中多功能性理论研究的有机联系,迫切需要将二者结合。本文对国际国内森林生态系统服务多功能性的概念、指标、评价方法、经营模拟和优化模型进行了综述,认为预测森林生态系统服务及多功能性、在森林经营单位层面实现多功能性最大化是将来的研究方向。因此,需要加强森林经营模型模拟研究,寻找减少不同服务间冲突、增加协同(即增加多功能性)的经营策略,回答森林经营和气候变化如何影响生态系统服务间的权衡和协调关系及其时空变化等理论和实际问题。

碳中和目标下中国森林碳储量、碳汇变化预估与潜力提升途径

增强森林固碳增汇功能是减缓大气二氧化碳浓度上升和全球气候变暖的重要手段,也是实现碳中和国家战略目标的有效途径。本研究基于文献分析法和模型模拟,系统阐述中国森林碳储量和碳汇现状、动态变化与潜力提升途径。根据国家森林资源连续清查数据测算的森林植被碳储量近5年平均年增长0.152 Pg(以C计),2000s—2010s中国陆地生态系统碳汇量约229.7 Tg·a^(-1)(以C计),其中森林植被(指乔木林)碳储量约增加150.6 Tg·a^(-1)(以C计),约占整个陆地生态系统植被碳汇量的65.6%。过去70年,中国森林已从碳源转变为逐渐增强的碳汇。在森林面积保持不变的情景下,相比2000s—2010s时段,2030年后现有乔木林的生物量碳汇将有所下降;如果森林面积未来持续增加,2030—2050年中国新增乔木林的碳汇量仍将呈增加趋势。在全球变化背景下,气候变化及其引发的风险(极端干旱与热浪事件、森林火灾、病虫害等)可能会削弱森林碳汇功能。为维持并提升森林碳储量和碳汇潜力,需要采取森林碳储与碳汇双增以及森林碳汇与木质林产品碳库协同提升的策略,从保碳、增碳、扩碳和碳资源化利用的汇转移4个途径对森林资源实施保护修复、精准绿化、科学经营与合理利用以及多时空尺度的优化布局,同时重视森林土壤碳库增汇的长期效应。在林业减缓和适应气候变化框架下,森林碳汇潜力提升未来研究重点是科学推进国土绿化适宜造林地和树种选择,森林经营增汇技术,森林碳储、碳汇协同提升与木质产品库的碳汇转移与存续的时空配置优化模式,森林土壤固碳增汇机制以及潜力研究,准确评估森林碳汇对实现国家碳中和目标的贡献及其时间表和路线图。

基于肢体动作交互的森林经营作业模拟研究

[目的]面向森林经营作业类型复杂多样的特点,针对目前经营作业模拟普遍存在的交互性较差,缺乏自然、真实感的交互体验,以及较难以处理频繁作业能力的问题,研建了一套基于肢体动作的森林经营措施作业的交互方法。[方法]构建一个基于沉浸式虚拟现实与可视化模拟系统CAVE2的森林仿真场景为交互对象,选择伐木、整枝和补植等用户侧交互性强的经营措施,分析森林经营措施作业过程中的肢体动作,将仿真场景中的经营工具与使用者的相对距离和角度变化与肢体动作进行映射,构建肢体动作交互模型,实现肢体动作控制经营措施的执行,达到森林经营作业的仿真模拟。[结果]本研究构建的肢体动作交互模型正确地映射到了森林经营措施中,单次作业成功率达到86%,交互评价良好率达到91%。肢体动作与经营工具相结合,便于森林经营模拟交互需求的拓展。[结论]基于肢体动作交互的森林经营作业仿真模拟,形象直观地表现了森林经营措施作业过程,有助于加深使用者对森林经营的理解,提高森林经营辅助决策水平。

基于双目视觉系统的幼龄格木生长因子测定

为实现幼木参数的无损、高效测定,以3年生幼龄格木(Erythrophleum fordii)为研究对象,对幼木参数的双目测定方法进行研究。先用RealSense D415双目相机获取52株格木的侧面图像对,并采用伽马校正与限制对比度直方图均衡化(CLAHE)算法对图像进行预处理操作;再通过改进半全局块匹配(SGBM)算法对左右视图进行匹配,根据三角测量原理对像素点进行空间映射,生成三维点云数据;最后,通过提取点云中关键点的坐标信息,实现对格木树高、冠幅与地径的测量。结果表明:预处理后图像对比度显著增强,不同灰度区域的过渡更加平滑,视差计算更加准确,匹配精准度得到提升。改进的SGBM算法较传统SGBM算法具有更优的匹配效果,获取的视差图更加平滑,视差连续性更强,得到的点云密度更高且噪点较少,对树高、冠幅、地径的测量误差更小,平均相对误差(Emr)分别为1.981%、2.459%、2.942%,平均绝对误差(Ema)分别为1.492 cm、1.567 cm、0.044 cm,均方根误差(Erms)分别为1.843 cm、1.914 cm、0.060 cm。总体而言,基于改进的SGBM算法的双目测定方法显著提升了幼龄格木参数的测定精度。

不同林龄华北落叶松优势木生长与空间结构的关联性

【目的】优势木的生长与其周围的相邻木密切相关,探究不同林龄林分中相邻木构成的空间结构特征对目标林木生长的影响,可以为调整空间结构进而激发林分生长潜力提供理论依据。【方法】选择27 a、37 a和46 a 3种不同林龄的华北落叶松人工林,分别设置面积为90 m×60 m、120 m×120 m和120 m×120 m的大样地,以优势木和其最近4株邻近木构建空间结构单元,计算每株优势木的角尺度、大小比数、混交度和密集度等指标,分析不同林龄中优势木在不同空间结构间的生长差异。【结果】优势木胸径和树高年均增长量均有显著的林龄差异,年均增长量随林龄增大而降低。在27 a林分的结构单元中,处于随机分布、优势、零度混交和密集状态的优势木占比最高,优势木平均胸径分别在角尺度为0.50、大小比数为0、混交度为0.75和密集度为1时最大,优势木平均树高分别在角尺度为0、大小比数为0、混交度为0.75和密集度为0.75时最大。在37 a的结构单元中,处于随机分布、优势、零度混交和非常密集状态的优势木占比最高,优势木平均胸径分别在角尺度为0.50、大小比数为0、混交度为0.5和密集度为0时最大,优势木平均树高分别在角尺度为0、大小比数为0、混交度为0.25和密集度为1时最大。在46 a的结构单元中,处于随机分布、优势、零度混交和稀疏状态的优势木占比最高,优势木平均胸径分别在角尺度为0.50、大小比数为0和密集度为0时最大,优势木平均树高分别在角尺度为0、大小比数为0和密集度为0时最大。【结论】水平分布格局、树种多样性、自身个体大小和树冠竞争影响优势木生长特征。在演替过程中,优势木朝着减小聚集程度和竞争压力的方向上发展,适当提升优势木的混交程度和保证优势木个体的生长优势利于其胸径和树高生长。在质量选择阶段,宜进一步选择生长好的优势木作为目标树,适当抚育采伐,优化结构单元,以人工促进天然更新等手段提升林分稳定性。在近自然阶段,应及时清理枯立木,通过人工促进天然更新和清除干扰木,继续优化空间结构。

基于光竞争截止系数的崇礼冬奥核心区华北落叶松人工林目标树抚育间伐模拟

【目的】以崇礼冬奥核心区华北落叶松人工近熟林为研究对象,探讨目标树抚育间伐采伐木选择方法及其对林分空间结构的影响,为更加合理开展森林经营活动、促进人工林质量提升提供科学依据。【方法】设置并调查6块面积0.09 hm^(2)(30 m×30 m)标准地,按125株·hm^(-2)目标树密度,采用定性与定量指标相结合的方法标记目标树。基于树冠重叠和树冠光竞争高度构建采伐木选择指标,设置不同光竞争截止系数(c)模拟选择采伐木,分析采伐强度变化,运用角尺度、混交度、密集度、交角竞争指数、林层指数和综合空间结构指数分析不同c值下目标树和林分空间结构指标的变化。【结果】c取值在0~1之间时,株数采伐强度和断面积采伐强度在10%~35%范围内变化,且呈随c值增大而降低的相同变化趋势。经模拟采伐后目标树空间结构得到优化,改善幅度随采伐强度增大而增大。综合空间结构指数在c值0.6时达到最大提升幅度45.50%,角尺度和密集度在c值0.7时变化幅度最大,分别为17.93%和46.83%,其他空间结构参数在c值0.6时达到最大变化幅度。抚育间伐可同时优化林分空间结构,对林分树种隔离程度、林木透光条件和竞争水平均具有不同程度改善。【结论】基于树冠重叠和树冠光竞争高度的采伐木选择方法,可通过调整光竞争截止系数控制采伐强度。树冠光竞争截止系数可作为目标树经营采伐木选择的约束条件,但具体抚育对象和抚育方式须结合林分特征和作业要求而定。

与年龄无关的马尾松优势高生长模型研究

[目的]通过构建与年龄无关的理论生长方程,用于预测在年龄未知或不是有效影响因子时的马尾松人工林优势高。[方法 ]基于常用的Hossfeld IV、Lundqvist-Kolf、Richards、Schumacher等4个理论生长方程,推导其不含年龄因子的差分形式,构建与地位指数相关的可变参数、与年龄无关的马尾松优势高模型。[结果 ]在4种基础理论生长模型中,以Richards模型建立的与年龄有关的马尾松人工林优势高生长模型效果最优。与年龄无关模型的拟合精度均高于与年龄有关模型的拟合精度,Richards模型和Korf模型差分形式建立的与年龄无关的马尾松人工林优势高生长模型效果最优。在引入地位指数时,Hossfeld模型的拟合精度提高效果最明显,且以设定k为可变参数时,建立与年龄无关的马尾松人工林优势高生长模型效果最优。[结论 ]在异龄林或年龄难以获得时,与年龄无关的理论生长模型能够预测优势高的生长,将地位指数与可变参数建立函数关系代入模型拟合后,模型精度提高,可以更好地应用于预测林分生长。

基于距离相关Hegyi指数的云冷杉天然林单木胸径生长模型

【目的】基于与距离有关的Hegyi种内和种间竞争指数,构建以期初胸径及Hegyi竞争指数为预测变量的云冷杉天然林单木胸径生长预测模型。【方法】使用2013年金沟岭云冷杉林3块1 hm2固定样地内实测数据,以非线性Logistic模型为基础模型,逐步引入期初胸径、种内和种间竞争指数,以探究竞争和生长对于单木胸径变化的影响,并利用非线性混合效应模型进行模型精度的提升。【结果】模型拟合结果显示:以期初胸径、种内Hegyi竞争指数、种间Hegyi竞争指数为预测变量,树种水平下随机效应作用在参数a_(0)、a_(2)、a_(3)上时,模型具有最优的拟合效果,且未出现异方差现象。建模数据的调整决定系数(R^(2)_(adj))、均方根误差(RMSE)、总相对误差(TRE)分别为0.5126、0.6071、3.6519%,利用检验数据对模型进行独立样本检验,检验数据的R^(2)_(adj)为0.5098,检验RMSE均为0.6242,检验TRE均为3.8831%,检验数据的残差分布未出现明显的异方差现象。【结论】云冷杉天然林中影响对象木胸径生长的因素包括单木大小因子与竞争因子。期初胸径对胸径生长的影响较大,为正向作用。竞争因子中,种内竞争和种间竞争均对单木胸径的生长具有明显的调控作用,为负向抑制作用。本文所构建的基于树种水平的非线性混合效应模型能够为研究区天然云冷杉林中对象木的胸径生长预测提供一定的理论基础以及技术参考。

海南热带雨林国家公园3种半天然林特征

为揭示海南热带雨林国家公园32年生杉木、34年生加勒比松和27年生马占相思3种半天然林特征,采用主要测树因子分析林分生长特征,运用重要值与生物多样性指标分析树种组成与多样性特征。结果表明:3种半天然林整体上均已是充分郁闭林分,乔木层均已经明显分异出2个亚层,直径分布均已表现为异龄林结构,林分密度分别为3600、2472和1540株·hm^(-2);灌木层林分密度分别高达8374、6828和9776株·hm^(-2);2500 m^(2)样地面积的乔木层树种丰富度分别为79、61和49,Shannon-Wiener指数分别为3.12、3.83和3.98;虽然乔木层优势种仍然为人工造林树种,但天然更新乡土树种重要值合计分别高达46.3%、54.0%和65.1%,其中乔木树种重要值占比分别高达87.1%、81.1%和93.1%;灌木层均为乡土树种天然更新林木,树种丰富度分别为137、113和91,Shannon-Wiener指数分别为4.66、5.25和3.89,其中乔木树种重要值占比分别为49.4%、54.8%和70.2%。3种半天然林都已是乔木层分异明显、乡土树种多样性异常丰富、异龄林结构特征明显的复层混交异龄林,天然更新乡土树种(80%以上为乔木树种)重要值合计已接近甚至是人工造林树种的2倍,其树种多样性高于30年生海南山地雨林皆伐伐后林和海南低地雨林残次林,乔木层和灌木层中均有不少珍贵或高价值乡土树种。

天然次生林碳储量生长模型与固碳能力驱动力研究

【目的】针对采伐干扰后天然恢复的次生林,建立其碳储量生长模型及对应的碳汇模型,分析不同因子对固碳能力的驱动作用,为固碳能力量化评价提供科学依据。【方法】基于吉林省第9次森林资源连续清查固定样地数据筛选出的111个采伐后形成的天然次生林样地数据,采用Richards理论生长方程,以样地平均木的碳储量为因变量,以样地平均年龄为自变量,通过对年龄分组和迭代算法建立碳储量分级生长模型,通过对碳储量分级生长模型中的年龄求导得到碳汇分级生长模型。采用决定系数(R2)和均方根误差(RMSE)评价模型拟合效果。以地理因子、地形因子、气候因子、土壤因子和林分因子为自变量,基于一般线性模型,引入定性和定量因子交互作用,分析固碳能力的驱动力。【结果】(1)天然次生林碳储量分级生长模型的R2为0.9656,RMSE为2.61 kg,具有很好的拟合优度。(2)各个分级碳汇量最大的年龄分别为8、10、13、17和29年,以1000株/hm2的密度计算,5年时间的阈值为1.84 t/hm2,到30年时增加到10.78 t/hm2,各级间的阈值随年龄的增加而增加。(3)一阶定性和一、二阶定量交互的模型对平均木碳储量的解释最高,R2为0.9192,与不含交互项的主效应模型相比,R2提高了0.0885。(4)对于平均木碳储量,地理因子(经度和纬度)、地形因子(海拔、地貌、坡向、坡位和坡度)、枯枝落叶层厚度、气候因子(年均气温、极端最低温度、湿度指数、无霜期天数)、土壤因子(土壤厚度)和林分因子(年龄和优势树种)等因子有显著性影响;对于不同立地分级20年时碳密度,地理因子(纬度)、地形因子(地貌、坡度和坡向)、气候因子(极端最高温度、最热月平均温度和湿度指数)、土壤因子(土壤类型和砾石含量)和林分因子(优势树种)等因子有显著性影响,而海拔和腐殖质厚度等变量存在于交互项中,其主效应并不显著。【结论】天然次生林不同等级的碳密度在不同的时间段,等级间的阈值不同,随着年龄的增加,各级间的阈值不断增加,但不同等级间碳储量的相对差距随着年龄的增加而减小。引入交互作用可以提高模型对森林固碳的解释程度。纬度等地理因子,坡度、坡向等地形因子,湿度指数等气候因子和优势树种等林分因子是影响天然次生林固碳能力因素的关键因子。

基于冠层图像的海南粗榧苗期生长状态无损监测方法研究

【目的】海南粗榧是国家重点保护植物,利用冠层图像无损估测叶绿素含量和生长状况,可对生长受限制的幼苗进行诊断预警,为精准管理提供参考。【方法】采用L9(34)正交设计和单因素设计,于2021—2022年在海口市云龙镇进行盆栽试验,试验材料为一年生粗榧幼苗。3个因素包括灌溉量(W)、透光率(S)和氮肥施用量(N),为使海南粗榧幼苗生长呈现较大差异,各因素水平相差较大,3个灌溉量分别为2500、5000、7500 mL;3个相对透光率分别为30%、10%、5%;3个氮肥施用量分别为0、5、10 g/plant。在幼苗处理一个月后开始测量幼苗基径、株高、冠长、侧枝长度和叶绿素相对含量,每两个月测定一次,共7次。采用Duncan法进行多重比较,比较结果差异显著性较低的为幼苗生长不适宜环境,记为0,否则记为1。每个处理选3株代表性幼苗获取冠层图像,然后进行图像分割,提取颜色特征参数作为自变量构建分类模型,以诊断该环境是否适宜生长。采用偏最小二乘回归(PLSR,partial least squares regression)和逐步回归(SR,stepwise regression)模型,同时将二分类转换为哑变量加入模型,估测叶绿素相对含量(SPAD)。【结果】光照(透光率)和灌溉量对海南粗榧幼苗的生长影响显著,氮肥用量影响不显著,且3个因素间无明显交互效应。海南粗榧生长过程中的SPAD值与各生长指标间呈显著正相关,与冠层图像中的颜色参数也呈显著相关。在低透光率和高灌溉量环境下海南粗榧生长发育迟缓,为不适宜生长环境。依据海南粗榧生长指标间的多重比较结果,将幼苗分别标记为不宜环境和适宜环境的幼苗样本。支持向量机(SVM,support vector machines)模型能较好的判别处于不宜环境下的幼苗(假阳性率为14%);PLSR和SR模型对SPAD值都有较好的估测效果,但PLSR模型较SR模型适应能力更强,且PLSR能更好的解决共线和降维问题;将二分类变量转换为哑变量加入PLSR模型,模型整体预测能力没有明显提高,但对处于不宜环境下的幼苗SPAD值的预测能力有明显提高,通过该模型反演不宜环境下幼苗冠层SPAD分布发现,在下部叶尖部位叶绿素相对含量最低,叶尖有黄化现象。【结论】海南粗榧幼苗生长的主要影响因素是透光率和灌溉量,光照和灌溉对下部叶尖处影响较大。冠层图像能较准确地诊断出幼苗生长状况,PLSR加哑变量模型能提高0类样本(生长在不宜环境下)SPAD值的预测能力,实现生长环境受限预警,为幼苗管理提供依据。

基于3-PG_(mix)过程模型的落叶松人工林生长过程表编制

【目的】编制落叶松人工林生长过程表,为落叶松人工林经营管理提供科学依据。【方法】以我国东北华北七省(市、区)——北京市、河北省、山西省、辽宁省、吉林省、黑龙江省和内蒙古自治区落叶松人工林为研究对象,基于第5~8次全国森林资源连续清查552块固定样地数据和气象数据,运用3-PGmix过程模型编制落叶松人工林不同立地等级生长过程表。【结果】通过校验得到4种落叶松人工林3-PGmix过程模型参数,林分各变量模型预测值与实测值一致性较高(R2在0.71~0.96之间),兴安落叶松、长白落叶松、华北落叶松和日本落叶松林分蓄积量的平均误差分别为5.70%、0.95%、4.70%和−4.56%,均方根误差分别为14.88、12.00、16.74和13.11 m3·hm^(−2)。编制的林分生长过程表能够描述林分平均胸径、平均高、株数密度、公顷蓄积量、公顷生物量以及蓄积量和生物量的公顷年均生长量和连年生长量等随林龄增加的动态变化规律,4种落叶松人工林生长过程存在差异,其原因是适生条件、物候期、生长期等生物学特性不同所致,结果具有一定的统计可靠性和生物合理性。【结论】3-PGmix过程模型模拟结果可用于编制落叶松人工林生长过程表,为生长过程表的编制提供一种新的方法。

长白山主要林分物种多度分布与性状分布的关系

【目的】探究长白山地区群落物种的多度分布格局及其驱动过程,以及多度分布与性状分布之间的关系,为当地森林经营与修复策略的制定提供理论依据。【方法】以长白山不同林分类型的3块5.2 hm2(次生山杨白桦林、次生针阔混交林、原始红松紫椴林)和1块5 hm2原始阔叶红松林固定监测样地为研究对象,通过采集样地内木本个体的6个关键功能性状(叶面积、比叶面积、叶片厚度、最大树高、叶片氮含量、叶片磷含量),分析样地的物种多度分布格局、功能性状分布格局以及二者之间的关系。【结果】不同林分类型中通过统计检验的模型种类各异,但所有最优模型均为统计模型。在性状分布格局中,最大树高、比叶面积和叶磷含量在4块样地均呈现正态分布。然而,功能性状分布格局转化得到的物种分布格局模型显示,尽管部分模型通过了统计检验,但与多度分布结果拟合度不高。【结论】在长白山地区,物种多样性的形成并非主要由随机过程驱动,而是受到竞争作用的显著影响,这决定了演替过程中群落物种组成的变化情况。虽然功能性状分布与物种多度分布之间存在一定的联系,但直接通过群落水平性状分布格局推断物种多度的方法尚不准确。

含竞争指标的广义可加混合效应树高-胸径模型

广义可加混合效应模型(GAMM)兼具参数模型与非参数模型的优点,同时适于处理多层次分组数据。通过运用广义可加混合效应模型模拟胸径及树高之间关系,加入竞争因子作为辅助变量,并与传统非线性混合效应模型进行比较,能够为建立树高曲线及提高模型精度提供新方法。根据吉林省汪清林业局金沟岭林场2块100 m×100 m次生混交林样地中的实测单木数据,按照7∶3比例随机划分建模与验证数据。随机效应设定为林木分级,辅助变量选择大于对象木胸高断面积之和(B_(AL))或简单竞争指数(Hegyi指数,H_(EG)),根据随机效应的设定位置共构建15个广义可加混合效应模型,对照模型以Logistic及Richard方程为基础模型,共构建6个非线性混合效应树高-胸径模型。结果表明:所有广义可加混合效应模型均能较好地描述自变量与树高之间的关系,决定系数(R^(2))为0.8897~0.8998,相对均方根误差(R_(RMSE))为17.87%~18.74%,平均绝对误差(M_(AE))为1.7881~1.8745 m,赤池信息量(A_(IC))为4120.42~4162.23,均优于相同自变量下的非线性混合模型,R^(2)平均提高0.005,相对均方根误差、平均绝对误差、赤池信息量分别平均降低0.46%、0.0587 m、41.49。对于验证数据的预测可以看出,模型5具有最小的预测相对均方根误差,为20.28%,同时具有最小的预测平均绝对误差,为2.1038 m。但部分广义可加混合效应模型的预测表现略差于非线性混合模型。综合考虑参数与非参数估计显著性、模型估计精度及预测能力,所有模型中的最优模型为模型5,即以B_(AL)为辅助变量,考虑唯一全局平滑函数并以具有相同扭曲程度的分组水平平滑函数为基础添加随机效应。竞争因子选择B AL作为辅助变量能够提升树高模型的精度,而选择Hegyi指数为辅助变量的促进效果不明显。研究建立的广义可加混合效应树高胸径模型相较于传统非线性混合效应模型具有更高的估计精度及预测效果,B AL适宜作为树高模型的辅助变量来反映林木竞争状况的影响。

基于林分潜在生长量的立地质量评价方法与应用

【目的】提出一种基于林分潜在生长量的立地质量评价方法,为精准提升森林质量提供可靠依据。【方法】首次严格定义潜在立地生产力概念,推导出潜在生产力和现实生产力的模型和计算方法,提出立地元素-林分元素-林分生长类型-现实生产力和潜在生产力模型-落实到地块的立地质量制图技术流程,并以吉林省针阔混交林为例,利用4期一类清查固定样地数据,基于林分潜在生长量的立地质量评价方法开展案例研究。【结果】影响吉林省林地立地质量的主要立地因子包括地貌、海拔、坡位、坡度、土壤类型和腐殖质层厚度;采用立地类型约束的树高生长分级法,将6个因子组合的立地类型分为5个等级,针阔混交林不同立地等级的林分平均高、断面积和蓄积量生长模型具有较好的生物学意义和统计可靠性,决定系数(R^2)分别为0.991 8、0.986 6和0.984 2; 5个立地等级的潜在蓄积生产力在3.6～5.8 m^3·hm^(-2)a^(-1)间,并给出了立地潜在生长量对应的合理林分密度。【结论】基于林分潜在生长量的立地质量评价方法适用于纯林和混交林,可以回答一定立地的最大生产力及现存林分通过密度调控可以提高多少生产力。

目标树抚育间伐对蒙古栎天然次生林生长的初期影响

【目的】探讨目标树抚育间伐对蒙古栎天然次生林林分和单木生长的影响,为更加合理地开展森林经营活动、促进天然次生林恢复和可持续经营提供科学依据。【方法】2013年8月,在吉林省汪清林业局塔子沟林场选择立地条件和生长情况基本一致的蒙古栎天然次生林,设置16块面积0.09 hm2(30 m×30 m)的样地开展目标树抚育间伐试验,根据间伐强度设计弱度(5%)、轻度(10%)、中度(20%)和对照4种处理,每种处理4次重复。基于2016年复测数据,比较分析不同抚育间伐强度对林分和单木生长的初期影响。【结果】经目标树抚育间伐3年后,间伐样地的林分断面积和蓄积定期生长率均显著高于对照样地,不同间伐强度间无显著差异;间伐样地的单木胸径和材积定期生长率均显著高于对照样地,且随间伐强度增加而增大,中度抚育间伐下蒙古栎和红松的单木胸径定期生长率分别是对照的1.51和1.67倍;抚育间伐可显著促进幼树、小树、中龄树的单木胸径和材积生长,对大径木无显著影响;目标树单木胸径和材积定期生长量均显著大于对照,且目标树胸径定期生长量是非目标树的1.28~1.32倍,目标树材积定期生长量是非目标树的2.13~2.69倍;随着目标树自由生长空间增加,目标树胸径和材积定期生长量增大。【结论】基于单株目标树的抚育间伐不仅可促进林分断面积和蓄积生长、降低枯损木平均胸径、增加进界木株数,而且能显著提高单木胸径和材积生长,特别是单株目标树生长。影响单株目标树生长的决定因素是目标树的自由生长空间。在蒙古栎次生林中选择蒙古栎、紫椴、水曲柳作为目标树时,适合开展4个方向的完整树冠释放活动,而选择林下红松作为目标树时,适合开展2~3个方向的不完整树冠释放活动。

中国森林经理学研究进展与展望

森林经理学是林学的重要组成部分,是研究如何有效组织森林经营活动的应用基础理论、方法、技术和工艺的一门科学,在林业建设中发挥着重要作用。森林经理学20世纪初从日本引入中国,逐渐形成了一个学科群,包括森林经理学、测树学、遥感和3S技术、信息管理和系统科学在森林经理中的应用等。本文从森林经营理论与技术模式、森林资源调查监测与管理、林业统计与森林生长收获模型、森林经营计划与优化决策、林业遥感技术与应用、林业信息技术应用6方面对中国森林经理学60多年来的研究进展进行综述。在森林经营理论与技术模式方面,提出人工林多功能经营和结构化森林经营技术体系,森林经营理论与技术处于森林可持续经营指导下的近自然经营、多功能经营等实践探索和理论验证阶段。在建立和完善中国森林资源连续清查体系过程中,森林经理学科的研究提供重要技术支撑。随着现代统计学方法的应用逐步深入,提出一套完整的建立相容性立木地上生物量模型方法。建立气候敏感的林分生长模型,将碳储量作为经营目标成为森林多目标经营规划研究的一项重要内容,以满足气候变化背景下的生长收获预测和适应性经营需要。遥感技术发展迅速,在森林参数定量反演方面,主要进展集中在激光雷达以及多模式遥感数据的综合反演技术等;无人机在森林调查中也开始得到应用;研制高分林业遥感服务平台和应用系统,促进自主高分遥感数据的应用。研发大量森林资源管理应用系统,实现包含遥感影像、地理信息、小班区划和林地属性信息的全国林地“一张图”管理。尽管中国森林经理学在上述方面均已取得显著进展,但存在尚未形成中国特色的森林经营理论与技术体系、森林经营基础研究薄弱、森林资源监测体系时效性差、缺乏森林经营的计划工具等问题,总体上处于“跟跑”地位。森林的多功能及其实现是森林经理学研究的严峻挑战,也是森林经理学发展的难得机遇,需要发挥多学科综合交叉研究与产学研相结合的优势,开展森林经营的理论研究、应用基础研究以及技术和工艺研究,以适应现代林业发展需求。

R程序包ForestStatTool在林学单木和林分因子统计中的应用

【目的】为了实现林学中单木和林分指标的快速、准确计算,开发了通用的R包ForestStatTool,并通过具体示例介绍其在单木和林分因子统计计算中的应用。【方法】在R语言环境中,编写了12个实用函数,涵盖重复标签处理、重复坐标处理、样地分割、空间结构指标计算、竞争指标计算、生物多样性指标计算和林分因子统计这7大类。以北京十三陵林场的侧柏纯林0.06 hm2圆形样地和吉林省汪清林业局金沟岭林场的云冷杉针阔混交林1 hm2方形大样地的数据为例,介绍了ForestStatTool包的主要功能及使用方法。【结果】ForestStatTool包通过分析各类样地数据,成功计算了林木的空间结构、竞争指数和生物多样性等指标。结果表明:ForestStatTool包可有效识别林木的空间分布特征,量化林木的竞争压力,并揭示了林分结构和多样性分布的特征;还能够满足大样地和复杂林分的快速统计分析需求,适用于多种林业应用场景。【结论】ForestStatTool包可方便、快速、准确地完成样地数据检查与预处理,并完成林学单木和林分因子的相关统计计算。ForestStatTool包可应用于森林经理、森林培育、森林生态等领域。

崇礼冬奥核心区华北落叶松人工林结构特征与优化模拟

【目的】以崇礼冬奥核心区华北落叶松人工林为研究对象,开展林分结构特征分析和空间结构优化模拟研究,为制定华北落叶松人工林结构调控措施提供科学依据。【方法】设置3块面积0.09 hm2(30 m×30 m)标准地,基于标准地调查数据分析林分结构特征,以空间结构最优为目标,采用乘除法对角尺度W、混交度M、密集度C、交角竞争指数UaCI和林层指数S共5个林分空间结构指标进行多目标规划,构建林分空间结构优化模型,对比模拟采伐前后林分空间结构的变化。【结果】3块标准地华北落叶松断面积比例达70%以上,白桦为伴生种,径阶分布在6~26 cm之间,均呈近似正态分布,树高分布呈非对称型单峰山状,且峰值均出现在14 m树高级。林分平均角尺度W、混交度M、密集度C、交角竞争指数UaCI和林层指数S分别为0.460、0.106、0.918、0.297和0.363,处于林木均匀分布、低度树种混交、高度树冠竞争和垂直结构分化较差的状态。模拟采伐后采伐强度均低于20%,林分空间结构目标函数值提升13.62%。在M、S分别提高21.17%和15.23%的同时,C、UaCI分别下降10.22%和5.19%。【结论】研究区华北落叶松人工林结构简单、树种单一,林木分化程度较弱,树冠竞争明显,整体表现出同龄纯林的特征。模拟采伐后林分树种隔离程度和林层分化提高,林分光照竞争压力得以缓解,采伐能够最大限度地优化林分空间结构,构建的空间结构优化模型可为华北落叶松人工林抚育间伐提供可行的方法参考。

碳中和愿景下森林碳汇评估方法和固碳潜力预估研究进展

碳中和愿景下,加强森林的固碳增汇功能是抵消和吸纳碳排放最经济和最有效的途径。精准评估森林碳汇和预估森林固碳潜力,有助于量化森林在应对气候变化和实现碳中和愿景中的贡献。然而,森林分布的广泛性、森林生态系统结构的复杂性以及评估数据的代表性不够和方法学的差异性,造成森林碳汇评估的结果普遍存在精度低、不确定性高的问题。在界定森林碳储量、碳汇和固碳潜力等基本概念后,从森林定义、评估时空尺度、碳库选择及其基本方法等方面阐述了森林碳汇评估的方法,分析各类方法的主要特征、主要问题、优势和不足;基于面积和生长假设情景,回顾了森林固碳潜力预估方法,重点分析了近10 a中国森林固碳潜力研究成果,预估到2030年和2060年,中国森林植被的年固碳潜力分别可达1.69亿t/a和1.48亿t/a左右的水平。最后,探讨了森林碳汇评估方法和固碳潜力预估的未来发展趋势,为不同时空尺度下森林碳汇评估和固碳潜力预估提供参考。