林业科学  2006, Vol. 42 Issue (增刊1): 163-166   PDF    
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国红, 陆元昌, 雷相东, 洪玲霞.
Guo Hong, Lu Yuanchang, Lei Xiangdong, Hong Lingxia.
海南省白沙县加勒比松林森林发展类型设计及虚拟实现
Study on Forest Development Type of Pinus caribaea in Baisha County, Hainan Province
林业科学, 2006, 42(增刊1): 163-166.
Scientia Silvae Sinicae, 2006, 42(增刊1): 163-166.

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收稿日期:2005-07-12

作者相关文章

国红
陆元昌
雷相东
洪玲霞

海南省白沙县加勒比松林森林发展类型设计及虚拟实现
国红 , 陆元昌 , 雷相东 , 洪玲霞     
中国林业科学研究院资源信息研究所 北京 100091
关键词: 加勒比松    近自然经营    森林发展类型    LMS    林分可视化    
Study on Forest Development Type of Pinus caribaea in Baisha County, Hainan Province
Guo Hong, Lu Yuanchang, Lei Xiangdong, Hong Lingxia     
Research Institute of Forest Resources Information Techniques, CAF Beijing 100091
Abstract: Forest development type (FDT) is an expectation pattern for forest management object. Based on investigation data and reference to other stands data in the similar environment, FDT of Pinus caribaea in Baisha County, Hainan Province was designed. Accordidng to the condition of forest stand, itwas the object to transform pure coniferous stand to close to nature stand with the structure of coniferous broadleafed mixed forest. On the other hand, visualization of FDT by LMS (landscape management system), was performed for management Pinus caribaea in future.
Key words: Pinus caribaea    close to nature forest management    forest development type (FDT)    LMS    stand visulization    

随着林业从以木材生产为中心到以生态建设为中心的转变, 森林经理学的理论和技术需要从原有的木材永续利用为目标的体系向以森林生态系统可持续建设和恢复为目标的体系改革和发展(陆元昌等, 2004)。近自然森林经理计划作为一种以兼顾森林的自然特征和为社会提供产品和服务为目标的经营措施在德国、奥地利、法国等国家得到了广泛应用。森林发展类型(forest development type, FDT)是潜在天然森林植被及其演替进程与森林培育的经济需求和技术可行性相结合的一种森林培育导向模式(Anonymous, 2004)。作为森林培育的工具, 是根据林分现有自然条件, 结合林业的经营需求预测制定出来的一种目标模式, 在整个森林经理计划中具有重要意义。

由于森林经营在时间和空间上的长期性和复杂性, 那些与经营实施相关的效果很难在真实世界中直接观测出来(Uusitalo et al., 2001)。而虚拟现实技术能够联系环境变化的影响, 评价森林的视觉效果(Junji et al., 1999), 在描述森林的结构特征, 判断森林景观的质量、林分状态及在森林经营各层面上都有较强的优势, 为解决此类问题提供了可视化的途径。目前森林经营的可视化软件主要有法国的GREENLAB、美国的LMS、德国的BINWINPRO等。

本文以海南省白沙黎族自治县加勒比松(Pinus caribaea)林为研究对象, 在对其他相关林分进行参考的基础上, 结合针叶纯林存在的问题, 为这一林分制定了近自然化改造的森林发展类型, 并利用虚拟森林经营软件LMS, 直观、具体地把2种林分的森林发展类型表现出来。

1 研究区概况

海南省白沙黎族自治县(白沙县)位于黎母山脉中段西北麓、南渡江上游; 19°8′—19°11′N、109°25′—109°27′E, 海拔340~590 m; 东邻琼中、南接乐东、西连昌江、北抵儋州; 总面积为2 117.73 km2; 属热带季风性气候, 高温多雨, 光热充足, 全年日照2 056 h以上, 年平均气温21.9℃~23.4℃, 年平均降雨量1 725 mm。白沙县地形为东南高, 西北低, 山地面积占41.9%。

2 方法和数据 2.1 外业调查及数据参考

加勒比松被认为是松属中长的最快的树种, 喜光, 耐干旱、贫瘠, 抗风力强, 适应性强(朱志松等, 1984; 王永义等, 1996)。在种源地最大直径可达100 cm, 树高可达45 m, 适合在酸度(pH=4.3~6.5)沙质土壤到沙粘土中生长(Vozzo, 2002)。

外业调查数据采集于2005年3月, 共设置3个天然次生林固定样地, 8个加勒比松林固定样地, 面积均为30 m×30 m。对每块样地进行每木检尺调查、郁闭度调查、目标树及干扰树调查、生物多样性调查、幼树更新调查、土壤状况调查。

经过调查和分析得到试验区加勒比松林的具体情况:加勒比松纯林, 1999年造, 株行距1.5 m×1.5 m, 林分平均胸径20 cm, 平均树高14 m, 林分自2003年始经过数次割脂, 割脂强度为50%, 林下植被较少, 偶有天然更新的阔叶树种, 主要为五叶茶(Akebia quinata)、厚皮树(Lannea coromandelica)等, 灌木和草本主要有鱼腥草(Houttuynia cordata)、凤尾蕨(Pteris multifida)、五节芒(Miscanthus floridulus)等。从演替阶段来说处于建群阶段, 从近自然度上来说属于人工造林的先锋群落森林。林地海拔400 m左右, 土壤为山地黄棕壤, 土壤贫瘠。

为了解本地区天然植被情况, 本次还调查了同一地区、立地条件相同情况下天然次生林的情况, 还参考海南省霸王岭(地跨白沙县、昌江县)南亚松(Pinus latteri)天然林的林分状况(黄清麟等, 2002)。其中天然次生林, 从森林演替阶段来说处于建群阶段, 树种丰富, 多达30多种, 全部为阔叶树种, 主要树种有中平(Macaranga denticulata)、厚皮树、大花第伦桃(Dillenia turbinata)、黄毛晞木(Aralia decaisneana)等, 主要为热带地区建群阶段树种, 层次丰富, 林下阔叶树种幼苗较多。南亚松天然针阔混交林中, 混交了银柴(Aporosa chinensis)、余甘子(Phyllanthus embalica)、黑格(Albizzia odoratissima)、厚皮树、白格(Albizzia procera)等树种, 从演替阶段来说属于蓄积生长阶段, 从近自然度上来说处于由顶级种和先锋种组成的过渡性森林群落阶段。表 1是加勒比松纯林、天然次生林和南亚松天然针阔混交林的具体林分因子特征表。

表 1 林分特征表 Tab.1 Information table of stands
2.2 森林发展类型设计原则

作为森林经理的重要任务, 森林发展类型设计的基本原则是(陆元昌, 2006) :1)目标林相研究和应用, 目标林相的制定取决于现有立地条件下经过较长时间才可实现的森林发展目标, 并且要能反映当时的森林结构; 2)根据演替地位和近自然分析资料把森林发展类型划归到与之最早相适应的天然森林群落, 并且特别强调所有参与混交树种的生长过程和对立地、营养物质、水分的需求和可能; 3)在相同的立地环境时根据不同的现有植被情况和经济需求, 努力通过树种和混交方式产生各种不同的森林结构形式, 它所给出的数据涉及到较高年龄的林分结构指标说明; 4)为生产木材提供的相关资料包括小径材、干材和优质材等3类材种可能达到的目标直径、为达到目标直径所需的生产周期、高峰生长期后林分保持的胸高断面积等技术参数; 5)生产目标必须遵循森林发展类型的立地类型和树种选择原则, 并提出森林抚育应该遵循的方法和程序; 6)分析生产目标与立地类型之间存在的距离, 并提出经过抚育的林分可能调整的次级目标, 特别是促进天然更新和目标树直径修改等问题。

3 经营目标分析及森林发展类型设计 3.1 经营目标分析和经营措施

研究区加勒比松纯林面临着生物多样性较少、土壤退化、风倒等问题。为了解决这一问题, 需对加勒比松进行近自然化改造, 建立针叶混交的稳定群落。图 1表示人工纯林近自然化改造的概念过程, 从图中可以看出针叶纯林的近自然化改造经历4个阶段:纯林阶段、改造阶段、过渡阶段和恒续林阶段。参考这一概念过程结合本地区天然次生林和南亚松天然针阔混交林的林分状况, 分阶段制定出林分抚育的措施。近自然森林经营林分施业体系是以单株林木为对象进行的目标树抚育管理体系。对加勒比松林的改造需要经过2次目标树选择和干扰树伐除, 表 2是加勒比松林改造阶段及经营措施表。

图 1 人工纯林近自然化改造的概念过程 Fig. 1 Conceptual process of pure coniferous stands' tansformation into close-to-nature structure
表 2 加勒比松林改造阶段及经营措施表 Tab.2 Transformation stages and management of Pinus caribaea
3.2 发展类型设计

上述经营措施的制定为加勒比松发展类型的确定提供依据, 以下是白沙县加勒比松发展类型的具体因子。

1) 模式林相  林分为复层林, 主导树种是加勒比松林, 混交部分黑格、白格; 次林层或林下层也分布有黑格和白格, 或由不同年龄的个体呈群团状镶嵌分布; 自然出现的伴生树种可能有黄毛晞木、木棉(Bombax malabaricum)、厚皮树、黑格、白格等阔叶树种。

2) 演替地位和近自然程度  林分是由乡土树种和外来树种混交的适地适树的林分类型, 处于由针叶林向天然针阔混交叶林过渡的类型, 适生于热带丘陵地区森林立地。在演替阶段晚期可表现出黑格、白格等阔叶树种占优势的林相。

3) 森林发展目标  木材生产:加勒比松林大径材, 目标胸径45 cm以上, 培育周期:40~50年; 加勒比松一般干材, 目标胸径25~35 cm左右, 培育周期:25~40年; 黑格、白格大径材, 目标胸径60 cm以上, 培育周期:60~80年。树种比例:加勒比松20%~30%;黑格、白格40%~50%;其它伴生树种20%~40%以下; 中间层和林下层附有厚皮树、黄牛木等树种。更新目标:黑格、白格60%~80%;厚皮树、黄牛木10%~30%;伴生树种10%~20%。混交型:加勒比松为均匀-群团状, 黑格、白格为单株-群状, 黄牛木、厚皮树为单株-群状; 或其他伴生树种最晚在40~60年间开始分化稀疏为单株分布。

4 林分可视化实现 4.1 LMS软件介绍

LMS (landscape management system)软件是美国华盛顿大学、USDA森林服务公司和耶鲁大学联合开发的一个强大的林业软件系统, 它具有森林景观层次的分析功能和自动进行林分级规划的功能。它包括多个功能软件, 在林分层次的可视化上主要是SVS (stand visualization system)软件。LMS、SVS软件在Washington大学森林资源多样性实验室(the college of forest resources silviculture laboratory)的网站上有免费下载(Nelson, 1999)。

4.2 LMS数据表录入和工程创建

为创建一个基本的LMS林分可视化工程, 至少需要提供2个*.csv格式的数据表:样地信息数据表(StandTable Worksheets)和样木信息数据表(Tree Inventory Worksheets)。根据这2个表结构, 结合外业调查所获得样木检尺数据计算相关因子, 并且按照上述的数据结构分别在EXCEL中录入数据表, 然后通过LMS的NEW PROFOLIO模块创建所需要的工程。

4.3 树木形态设计

在LMS软件包的一个软件SVS中具有树木设计功能模块Tree Designer, 如图 2所示, 这一模块可以根据树种类型(分为针叶树种和阔叶树种)、树冠比例、树冠半径、树木高度、树干分支等方面的信息创建所需要的不同树种的三维可视化图片。根据加勒比松和其他阔叶树种的真实特征创建出虚拟的形象, 按照模块的各种因子分别制作出本样地中所包含的树种。

图 2 SVS树木设计器 Fig. 2 SVS tree designer
4.4 发展类型模拟

在前面两步完成之后, 从LMS中的VIEW模块的Stand子模块中调出SVS软件, 可视化的林分就呈现出来。图 3ab分别是加勒比松现状模拟和发展类型设计模拟。

图 3 2005年加勒比松林现状(a)和发展类型设计模拟(b) Fig. 3 Actuality (a) and simulation of FDT (b) of Pinus caribaea in 2005
5 结论

确定加勒比松发展类型为以加勒比松占绝对优势、复层结构的热带针阔混交林, 并且制定相应时间轴上的初步的经营措施, 为加勒比松的经营提供导向性的依据。但是对于加勒比松林的更新规律、生长规律及采脂作业对多样性和生长的影响, 以及这种发展类型的实现情况还需要进一步研究。

虚拟现实技术应用于林业经营可以模拟作业对林分的影响、模拟林分不同时期的状态, 并且可以根据生长、稀疏等模型进行演替模拟, 但是由于缺乏经验模型和大量调查数据的支持, 还无法进行基于近自然经营措施的加勒比松林的演替模拟, 对于森林发展类型的模拟还停留在定性的阶段, 这些将在进一步的研究中完善。

参考文献(References)
黄清麟, 陈永富, 杨秀森. 2002. 海南霸王岭林区南亚松天然林乔木层结构特征研究. 林业科学研究, 15(6): 741-745. DOI:10.3321/j.issn:1001-1498.2002.06.017
陆元昌, Knut Sturm. 2004. 近自然森林经营的理论体系及其在幼龄林抚育改造中的实践. 中国造纸学报, 19(增刊): 285-289.
王永义, 陈坤荣. 1996. 加勒比松抗旱适应性研究. 西南林学院学报, 16(3): 129-134.
朱志松, 丁衍畴, 王观明. 1984. 加勒比松. 广州: 广东出版社, 1-3.
Anonymous. 2004.Langfristige Oekologischen Waldentwicklung : Richtlinie zur Baumatren wahl.Niedersaechsische Landesforsten, Hannover, 145-146
Langfristige Ökologische Waldbauplanung für die Niedersä chsischen Landesforsten, Band 1, Otto, 1991
Junji N, Kazuya S.1999. Virtual reality technology and its industrial applications: Control Engineering Practice, (7): 1381-1394
Nelson C E. 1999. Landscape Management System User' s Manual v.1. 7.1-2 http://ferm.mtu.edu/resources/lmsman.pdf
Uusitalo J, Orland B. 2001. Virtual forest management:possibilities and Challenges. International Journal of Forest Engineering, 12(2): 57-66. DOI:10.1080/14942119.2001.10702447
Vozzo J A. 2002. Tropical Tree Seed Manual. USDA Forest Service, 609-611