高密度人工纯林径级结构和植株分布的调控方法与流程

1.本发明涉及森林经营技术领域，具体涉及一种高密度人工纯林径级结构和植株分布的调控方法。


背景技术：

2.截至2021年，我国人工林面积7954.28万hm2，是世界上人工林面积最大的国家。我国人工林中有85％是纯林，由于造林初期缺乏相关理论和技术支撑，普遍存在初植密度较高的现象，大部分在2000-3000株/hm2，有些甚至更高；另外，人工林由于造林时间一致，导致年龄结构和径级结构的同一化程度很严重。随着人们对生态建设的重视，很多以用材为目的营造的林分被逐步划归到生态公益林，原有的经营抚育措施已不符合现有林分的功能定位。用材林以最大程度生产木材为目的，常见经营措施以“去弱留强”、“去小留大”、“目标树经营”为主，经营后给人以“整齐划一、径级一致”的观感；但这些经营措施明显忽略了作为生态公益林应以森林生态服务功能、生态系统稳定性、森林资源永续利用为主要目的的初衷。以河北省油松、落叶松林为例，大部分为上世纪六七十年代所造林分，这些都已进入成熟期，但普遍存在径级结构不合理、垂直层次不完整、天然更新能力差、难以形成异龄复层结构等问题。高密度人工纯林径级结构和植株分布的调控已经成为当前森林质量精准提升过程中面临的急需解决的问题。


技术实现要素：

3.鉴于技术问题，本发明提供一种高密度人工纯林径级结构和植株分布的调控方法，其解决了高密度人工纯林径级结构不合理的问题。
4.为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：
5.第一方面，本发明提供一种高密度人工纯林径级结构和植株分布的调控方法，所述调控方法包括：
6.s1、调查测定林分植株胸径分布并记录植株分布
7.对抚育林分植株测定胸径和记录其位置，以林分某一角为原点建立平面直角坐标系，各植株的位置以在该直角坐标系中的纵横坐标来记录，建立林分植株胸径和位置坐标数据库；
8.将测定的植株胸径分成若干径级，分别统计各径级的植株数量ni；
9.s2、确定各径级要求间伐的植株数量
10.根据林分所需的目标密度和现有密度计算出总间伐株数n；再按照间伐后各径级植株的剩余数量趋近于一致的原则，将总间伐数n分摊到各个径级，得到各径级需要间伐的植株数量mi，σm1→i＝n；
11.s3、确定各径级要间伐的目标植株，确定原则如下：
12.a、全部保留纯林中伴生的其他乔木树种，以促进林分演替过程中形成混交林；
13.b、将各径级所需间伐植株数量按照从大到小顺序排列，依次确定各径级间伐植
株；
14.c、从直角坐标系原点开始找出某径级植株中距离原点最近的一株，定为参照木，以参照木为圆心以r为半径画小圆，同时以为半径画大圆，大圆和小圆之间形成圆环区；按照该径级植株在小圆或圆环区的分布情况，分为以下三种判断结果：
15.c1、若该小圆上和小圆内有该径级的植株，但圆环区无该径级的植株，则保留参照木和小圆上或小圆内的1株，其余判定为待伐目标植株；
16.c2、若该小圆上和小圆内有该径级的植株，且圆环区有至少1株该径级的植株，则将参照木之外的小圆上和小圆内的植株全部判定为待伐目标植株；
17.c3、若该小圆上和小圆内没有该径级的植株，则跳过不处理；
18.接着，再从原点开始找出某径级植株中距离原点次近的一株定为参照木，参照木不能是已判定的待伐目标植株，重复c-c3的过程，以此类推直至该径级的树木都处理完毕；若先前被判定为保留植株，若在后续计算中被判定为待伐目标植株，则仍作为保留植株；
19.其中，r初始值根据下述公式计算：
[0020][0021]
式中，s为抚育林分面积，n
ileft
为该径级保留植株数量；根据判定的待伐目标植株总数和总间伐株数n的大小校正r值，使判定的待伐目标植株总数和总间伐株数n接近或相等。其中，接近是指判定的待伐目标植株总数和总间伐株数n相差不超过5株。
[0022]
根据本发明的较佳实施例，s1中，对抚育林分胸径≥2cm的乔木植株进行每木检尺，测定胸径。胸径过小(《2cm)的植株和非乔木植株对抚育林的结构几乎没有影响，故不测定其胸径，以节省人工和时间成本。
[0023]
根据本发明的较佳实施例，s1中，将测定的植株胸径分成4-10个径级；分级区间和分级数量可根据实际情况制定，分级区间以3-5cm为一级为宜；更优选，分级数量以4-7个为宜。
[0024]
例如，可以将植株胸径按照＜5cm、5-10cm、10-15cm、15-20cm、20-25cm、＞25cm分为6个胸径等级。
[0025]
根据本发明的较佳实施例，s2中，总间伐株数n的计算方法为：n＝(现有密度-目标密度)*s，其中s为抚育林分面积。
[0026]
根据本发明的较佳实施例，s2中，在统计得到各径级的植株数量ni后，按照各径级范围植株数量从大到小排序；在满足总间伐株数n的前提下，首先间伐植株数量第一径级，当间伐至该径级的剩余株数小于第二径级的株数时，转而间伐第二径级，使第二径级剩余株数和第一径级剩余株数相等；同步间伐第一径级和第二径级始终保持第二径级剩余株数和第一径级剩余株数相等，当间伐至第二径级剩余株数小于第三径级株数时，转而间伐第三径级，使第三径级剩余株数、第二径级、第一径级剩余株数均相等，同步间伐第一径级、第二径级和第三径级始终保持第一径级、第二径级和第三径级的剩余株数相等，以此类推，直到将总间伐株数n伐满；若最终出现不能使各径级剩余株数严格相等的情况时，则优先保留小径级的植株。
[0027]
通过上述方法，将总间伐株数n分摊到各径级，并且按照使间伐后各径级范围剩余
的植株数量趋于一致；在无法完全一致的情况下，则优先间伐大径级的植株。
[0028]
比如，若按照＜5cm、5-10cm、10-15cm、15-20cm、20-25cm、＞25cm分为6个径级范围，每个径级的植株数量分别是n1、n2、n3、n4、n5、n6，各径级间伐数为m1、m2、m3、m4、m5、m6，则需要满足m1+m2+m3+m4+m5+m6＝n，并且使各径级剩余株(n
i-mi)数接近相等(实现各径级株数均匀分布的态势)。
[0029]
根据本发明的较佳实施例，步骤s3的c1中，在保留小圆上或小圆内的1株植株时，优先则保留1株距离参照木最远的植株；如果距离相同，则保留与参照木胸径相差较大的植株。
[0030]
根据本发明的较佳实施例，步骤s3中，若按照c1-c2的规则判定的待伐目标植株的总数超出了步骤s2所分摊到各径级需要间伐的植株数量mi，则在计算的r值上进行减小校正，以减小校正的r值确定小圆和大圆，校正程度以按照c1-c2的规则判定的待伐目标植株的总数与步骤s2确定的各径级需要间伐的植株数量mi相接近为止；
[0031]
反之，若按照c1-c2的规则判定的待伐目标植株的总数不足步骤s2所分摊到各径级需要间伐的植株数量mi，则在计算的r值上进行增大校正，以增大校正的r值确定小圆和大圆，校正程度以按照c1-c2的规则判定的待伐目标植株的总数与步骤s2确定的各径级需要间伐的植株数量mi相接近为止。
[0032]
本发明的有益效果是：
[0033]
本发明从高密度人工纯林空间竞争激烈，径级结构不合理，垂直层次不完整，难以形成异龄复层结构等问题出发，通过测定林分径级及植株分布情况、划分胸径等级、确定各胸径等级间伐数量及间伐植株等一系列技术措施，有效解决高密度人工纯林径级结构调控问题。相较于传统的抚育经营法，林分的年龄结构、径级结构、垂直层次更合理，有助于形成异龄复层的林分结构和稳定可持续的森林生态系统，实现森林资源的永续利用。本发明在林分径级和植株分布情况调查后，即可实现计算机智能程序化处理和标定待伐植株位置(坐标)，无需人工判断，不仅可大量节约时间和人力，同时还能保证调控效果，避免人为凭经验处理带来的误差，提高调控效果的稳定性和可重复性；另外，本发明首次应用时建立的林分植株分布数据库可重复使用，之后抚育间伐只需测定胸径指标即可，有利于实现对同一林分长期跟踪监测和适时抚育，推进森林间伐方案数字化。
[0034]
本发明的方法通过计算机程序实现，在确定抚育间伐强度的基础上，通过林分每木检尺调查确定胸径和位置，以一定区间和数量划分胸径等级，按照保留植株均匀化原则将间伐数量分摊到不同径级，再按照空间分布均匀化原则确定各径级需要被间伐的目标植株，实践证明，本发明的方法可有效削弱径级同一化，增加林分垂直层次，促进林分天然更新，逐步形成异龄复层结构，对实现森林资源永续利用发挥重要作用。
附图说明
[0035]
图1为本发明径级调控时确定各径级的间伐株数流程图。
[0036]
图2为本发明在判定同一径级内待伐目标植株的三种判定情况。
[0037]
图3为本发明在判定同一径级内待伐目标植株的流程图。
[0038]
图4为本发明为同一径级判定间伐植株和保留植株分布示意图。
[0039]
图5为较佳实施例中经调查统计的油松人工林径级分布情况。
[0040]
图6为较佳实施例中经调查的油松人工林位置分布情况。
[0041]
图7为较佳实施例中经本发明方法调控后的油松人工林径级分布情况。
[0042]
图8为较佳实施例中经过计算机计算出来的油松人工林择伐植株(即间伐目标植株)分布情况。
[0043]
图9为较佳实施例中经过本发明的方法择伐后油松人工林植株分布情况。
[0044]
图10为对照例中经过本发明方法择伐后油松人工林径级结构调控前后对比。
[0045]
图11为对照例中经过本发明方法择伐(间伐)前后的油松人工林植株分布的比对图。
具体实施方式
[0046]
为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。
[0047]
本发明为了解决人工林年龄结构和径级结构的同一化程度严重的问题，挑出一套科学严谨的适于计算机处理的方法，依照计算机程序计算结果标定出待间伐的目标植株，有利于提高径级结构多样性，增加林分垂直层次，形成异龄复层结构，实现森林资源可持续。本发明的方法尤其适宜于生态公益林的经营管理。
[0048]
本发明的技术方案主要包括三步，第一步：获取待抚育林分植株数据：以林分某一角为原点建立直角坐标系，调查待抚育林分各单棵植株的胸径并记录其位置，将胸径按照不同大小分成若干径级。第二步、确定各径级间伐株数；根据林分所需的目标密度和现有密度计算出总间伐株数，并将这些间伐株数分摊到各径级，使间伐后各径级范围剩余的植株数量趋于一致；在无法完全一致的情况下，则优先间伐大径级的植株。第三步、判定各径级中的待伐目标植株和保留植株。最后，按照第三步所判定的待伐目标植株进行间伐，达到调控高密度人工纯林径级结构和植株分布的目的，使林分具有更合理的年龄结构、径级结构和垂直层次，有利于实现森林资源的持续性经营。
[0049]
方案详细说明和优选的具体实施方式如下：
[0050]
1、调查获取待抚育林分植株数据
[0051]
对待抚育林分胸径≥2cm的乔木植株进行每木检尺，测定胸径和位置。具体是以林分某一角为原点建立直角坐标系，在测定乔木胸径的同时，记录该乔木的位置坐标，获得林分植株胸径和位置坐标数据库。
[0052]
按照林分植株径级分布情况划分若干个胸径等级，比如以＜5cm、5-10cm、10-15cm、15-20cm、20-25cm、＞25cm分为6个胸径等级，分级区间和分级数量可根据实际情况制定，分级区间以3-5cm为宜，分级数量以4-7个为宜。分别统计各胸径等级的植株数量，从而确定林分径级分布情况。以直角坐标系的横纵坐标确定各径级植株的分布位置。
[0053]
2、确定各胸径等级间伐植株数量
[0054]
根据林分所需的目标密度和现有密度计算出总间伐株数n，按照采伐后各径级植株的剩余数量趋近于一致的原则，将总采伐数n分摊到各个径级的植株，其总体思路是通过间伐削弱植株数量较多的处于优势地位的径级范围，尽可能使各径级范围剩余植株数量接近一致，使不同径级实现均匀化分布调控，用计算式表示即：n
1-m1＝n
2-m2＝n
3-m3＝
……ni-mi。
[0055]
总间伐株数n的计算方法为：n＝(现有密度-目标密度)*s，其中s为抚育林分面积。现有密度为根据对抚育林的调查测定得到，目标密度为确定的参数，具体可以按照现有技术规程或根据实地调查研究来确定，或者根据水资源承载能力确定，例如可参照申请人在先专利申请公开号cn113919747a“一种基于林水关系的合理林分密度的确定方法”所记载的方法确定当前林分的合理密度。
[0056]
确定各径级的间伐株数的计算流程如图1所示(以6个径级范围为例)：图中n为间伐总株数；ni为第i径级株数，n1到n6按植株数量从大到小顺序排序；mi为第i径级间伐株数，各径级间伐数之和为n，即σm1→i＝n。其中，各径级范围和径级数量可根据实际情况制定。
[0057]
例如，可按照＜5cm、5-10cm、10-15cm、15-20cm、20-25cm、＞25cm分为6个径级范围，分别统计各径级范围的植株数量，再按照各径级植株数量从大到小排序，假设前述6个径级株数中＞25cm径级的株数n1最大、其次20-25cm径级的株数n2、然后15-20cm径级的株数n3、10-15cm径级的株数n4、5-10cm径级的株数n5、＜5cm径级的株数n6按照由大到小排序为n1》n2》n3》n4》n5》n6，那么在确定间伐数量时，在采伐总数满足n的前提下，首先从＞25cm径级的植株中确定间伐株数，当＞25cm径级的剩余株数小于20-25cm径级株数时，转而开始从20-25cm径级的植株中确定一定数量的间伐数，使20-25cm径级的剩余株数与＞25cm径级的剩余株数相等。此时，若采伐总数n还没有达到，则继续从＞25cm和20-25cm径级两个径级的植株中确定间伐数，在保持这两个径级剩余株数相等的前提下，比较剩余株数和15-20cm径级的株数，若剩余株数小于15-20cm径级的株数时，则开始从15-20cm的径级中确定间伐数，使15-20cm径级的剩余株数与前面采伐的两个径级的剩余株数保持相等。依次类推，直到各径级确定的间伐数之和等于总间伐株数n。此时由计算机程序输出各径级的间伐数mi。
[0058]
最终计算结果如出现小数，在优先保留小径级植株后取整。在无法完全一致的情况下，则优先采伐大径级的植株，保留小径级的植株后取整。
[0059]
3、确定各径级间伐的目标植株
[0060]
在确定各胸径等级间伐植株数量后，具体间伐哪些植株，通过以下程序进行。
[0061]
(1)对纯林中少量伴生的其他乔木树种，全部保留，有利于林分演替过程中形成混交林。
[0062]
(2)将各径级所需间伐植株数量按照从大到小顺序排列，依次确定各径级间伐植株。
[0063]
(3)从直角坐标系原点开始找出某径级植株中距离原点最近的一株o1，定为参照木，以参照木o1为圆心以r为半径画小圆，同时以为半径画大圆，大圆和小圆之间形成圆环区；按照该径级植株在小圆或圆环区的分布情况，分为以下三种判断结果：
[0064]
结合图2-3所示：
[0065]
第一种情况：若该小圆上和小圆内有该径级的植株，但圆环区无该径级的植株，则保留参照木和小圆上或小圆内的1株植株，其余判定为待伐目标植株。
[0066]
在这种情况下，在保留“小圆上或小圆内的1株植株”时，优先则保留1株距离参照木最远的植株；如果距离相同，则保留与参照木胸径相差较大的植株。
[0067]
第二种情况：若该小圆上和小圆内有该径级的植株，且圆环区有至少1株该径级的植株，则将参照木之外的小圆上和小圆内的植株全部判定为待伐目标植株；
[0068]
第三种情况：若该小圆上和小圆内没有该径级的植株，则跳过不处理。综上所述，
参照木总是被保留的植株。
[0069]
参照图3所示，接着再从原点开始找出某径级植株中距离原点次近的一株定为参照木o2，参照木o2不能是已判定的待伐目标植株，再次重复以参照木o2为圆心以r为半径画小圆，同时以为半径画大圆，大圆和小圆之间形成圆环区；再按照该径级植株在小圆或圆环区的分布情况分为三种判断结果进行判断，判断结束之后，再从原点开始找出某径级植株中距离原点第三近的一株定为参照木o3，按照前述方法以此类推直至该径级的树木都处理完毕。
[0070]
其中，r初始值根据下述公式计算：
[0071][0072]
式中，s为抚育林分面积，n
ileft
为该径级保留植株数量，等于n
i-mi；根据判定的待伐目标植株总数和总间伐株数n的大小校正r值，使判定的待伐目标植株总数和总间伐株数n接近或相等。其中，接近是指判定的待伐目标植株总数和总间伐株数n相差不超过5株。
[0073]
对r进行校正的方法为：考虑到实际操作中可能植株分布非常不均匀，很可能出现判定的待伐目标植株总数超出该径级计算出来的待伐株数mi，此时需要降低半径r，再次进行计算，直到判定的该径级待伐目标植株的总数与步骤s2确定的各径级需要间伐的植株数量mi相接近甚至相等为止；反之，若按照c1-c2的规则判定的待伐目标植株的总数不足步骤s2所分摊到各径级需要间伐的植株数量mi，则在计算的r值上进行增大校正，以增大校正的r值确定小圆和大圆，校正程度以按照c1-c2的规则判定的待伐目标植株的总数与步骤s2确定的各径级需要间伐的植株数量mi相接近甚至相等为止。
[0074]
图3中，s为待抚育林分面积，mi为第i胸径等级需要间伐植株数量，o直角坐标系原点，oi某一胸径等级植株，r判定距离，l其他植株与oi的直线距离，di候选间伐木，bi与oi距离最远的候选间伐木。凡是标定为保留木和间伐木的植株，不再作为oi进行相关判定，凡先前被标定为保留木的植株，在后续计算中被判定为间伐木，仍以保留木存在。
[0075]
参照图3所示方法判定待伐目标植株和保留植株，如图4所示，o1、o2、o3：r圆内1株或多株，圆环区内≠0株，o1、o2、o3判定为保留植株，r圆内其他植株全部判定为待伐目标植株。
[0076]
o4：r圆内多株，圆环区内＝0株，o4及距离最远植株b4判定为保留植株，其余全部判定为待伐目标植株。
[0077]
o5：r圆内0株，圆环区内≠0株，o5被判定为保留植株。
[0078]
o6：r圆内1株保留木b4，圆环区内≠0株，原本b4应被判定为待伐目标植株，但由于优先原则b4仍以保留植株存在，o6标定为保留植株。
[0079]
o7：r圆内0株，圆环区内＝0株，o7标定为保留植株。
[0080]
以下结合本发明的较佳实施例，对上述方案进行说明。
[0081]
本实施例在河北省小五台山国家级自然保护区实施，林分类型为油松人工林，试验地大小20m
×
40m。
[0082]
1、测定林分径级及植株分布情况
[0083]
对林分进行每木检尺，测定胸径、坐标及伴生乔木树种，确定林分现有密度1538
株/hm2，平均胸径14.8cm，伴生极少量华北落叶松幼树。按照＜5cm、5-10cm、10-15cm、15-20cm、20-25cm、＞25cm分为6个胸径等级，径级分布情况见图5，林分植株分布情况见图6。
[0084]
2、确定各胸径等级间伐植株数量
[0085]
(1)确定间伐总数量。间伐数量可根据林分所需的间伐强度和现有密度计算。此次实施例采用“一种基于林水关系的合理林分密度的确定方法”(申请号202111319698.x)确定当前林分的合理密度，从而确定总间伐数量。由于此实施例与前述专利实施例属于同一地区和同一林种，按照前述专利方法查询“不同雨量情况下油松林各径级经营密度表”，当前林分平均胸径14.8cm和当地年均降雨量500mm，合理密度为856-917株/hm2；由于当前密度较大，考虑到间伐强度较大，最终确定调控目标密度为900株/hm2。折算后试验林保留株数应为72株，当前株数123株，间伐总株数51株。
[0086]
(2)确定不同胸径等级间伐植株数量。林分共计间伐51株，按图1流程进行间伐径级的分配，结合图5所示，当前需要间伐的径级为5-10cm、10-15cm、15-20cm、20-25cm径级，分别择伐4、12、33、2株，共计51株，调控后不同径级分布结果如图7所示。
[0087]
3、确定各胸径等级间伐植株
[0088]
首先保留纯林中伴生的华北落叶松，按照植株确定流程依次筛选15-20cm、10-15cm、5-10cm、20-25cm四个胸径等级的间伐植株，筛选结果如图8所示。择伐后油松人工林各径级植株分布情况如图9所示。
[0089]
4、调控结果
[0090]
由图6和图9对比可见，密度1538株/hm2，平均胸径14.8cm的油松人工林调控为密度900株/hm2后，径级结构更为理想，各径级分布相对均匀，削弱了胸径15-20cm的绝对优势。密度和径级的调控有助于林下被压中小植株的存活，有助于森林形成复层结构，有助于较大胸径植株的采伐利用和大中小植株的更迭替换，对于促进森林资源可持续发展和平衡森林资源保护与利用有重要作用。
[0091]
对照例
[0092]
与上述试验同步，在同一地区试验了将密度838株/hm2，胸径19.2cm的油松人工林调控为密度588株/hm2，试验地大小20m
×
40m，径级结构调控结果如图10所示，植株分布调控结果如图11所示。调控后径级结构虽有所改善，但距离合理结构还有差距。主要原因是随着胸径增长，优势层林木占据了绝大多数的水热资源，林下中小径级被压木被逐步淘汰死亡，使径级结构更为集中，结构调控时选择保留植株的余地被压缩。由图10可见，径级主要集中于15-25cm，胸径10cm以下植株非常少，压缩了保留植株余地。同时，由于林分密度的自然下降，压缩了调控数量。两者相加造成现有的调控结果。由此可见，人工林径级结构调控应在合适时机及时进行，一旦错过时机，在优势层径级结构更为集中的情况下再进行调控，效果则差强人意。
[0093]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。