基于林木分布格局的环洞庭湖典型阔叶林林分空间结构优化

摘要

森林资源不仅为我们提供了较多的林木产品，而且对于涵养水源、保育土壤、固碳释氧、净化环境、保护生物多样性、维持区域生态平衡等都具有不可替代的作用，对于保障生态安全具有十分重要的战略意义。我国亚热带有着世界上最为典型的阔叶林植被，其群落组成结构复杂，类型多样，在生物多样性保护和维持区域生态安全方面发挥重要作用。但由于长期经营活动、过量采伐而形成了大量的过伐林和次生林，导致其分布面积减少，现存森林结构出现了严重不合理，结构简单化、生物多样性降低和功能退化等系列生态问题，如何通过技术手段改善森林结构、恢复和重建亚热带常绿阔叶林群落已成为亟待研究的重要课题。 本文以环洞庭湖阔叶林群落为对象，在调查分析研究区典型阔叶林群落结构、空间格局、更新特征及其影响因子的基础上，分析了多种判别林木空间分布格局方法，提出了基于最优网格的林分分布格局评价方法，由此建立林分空间结构优化模型，并应用改进智能进化算法求解模型，提出了基于林木分布格局的林分空间结构优化方案，完善了林木空间分布格局参数描述和分析方法，为环洞庭湖以及我国南方中亚热带地带性阔叶林植被的重建和恢复、天然林保护和可持续经营提供理论依据。主要研究内容和研究结论如下: (1)环洞庭湖区典型阔叶林林分结构特征分析。以湖南芦头国有林场、湖南沅江龙虎山国有林场，长沙浏阳大围山自然保护区、长沙大山冲国有林场、湖南乌云界自然保护区的阔叶林次生林为对象。应用包括树种组成、树种多样性、林分直径结构、林分垂直结构等森林结构特征指标对典型天然阔叶林结构进行了分析，结果表明:调查直径大于5cm的1364株阔叶林群落立木各径级79.91％在5-20 cm之间，林分直径分布成反J型曲线，株数随径阶的增加而减少;树高小于10m林木株数最多，达761株，树高超过15m的林木株数只有281株;林分多样性指数差别性明显，simpson指数在0.383至0.791之间。 (2)在分析林分密度对林分生长的影响的基础上，基于林分内林木的平均冠幅，构建林分内理想的林木分布状态，提出了与林木树冠保持相对独立且与相邻木相切的林分密度确定方法。 (3)以南洞庭湖龙虎山国有林场和湖南大围山国家自然保护区调查林分数据为测试与验证数据，基于模拟数据及实际的林分数据，对比分析最近邻体法、角尺度法、Voronoi变异系数、Ripley'sL函数、双相关函数等5种方法在判定过程及方式上的差异性;从各研究方法原理出发，探讨各方法的统计学特征，从实验中找到各方法内核的共性和异性;研究各方法在评价不同面积、不同林分密度和不同聚集程度样地的空间分布格局时的优劣性及适应性，从而为选取最适宜的林木空间分布格局方法提供参考和依据。研究得到不同方法对同一林分及同一方法对不同特征林分空间分布格局的判定结果。 (4)将统计学、计算几何结合到林学和生态学中，在角尺度等多种判别林木空间分布格局方法的基础上，通过理想森林分布网格节点分析，提出了最优网格构建及基于最优网格林木分布格局均匀性评价方法—林分最优网格度，25个调查阔叶林林分最优网格度范围在32.0％到46.0％之间，环洞庭湖阔叶林空间分布格局均匀性较低，存在的林分空间结构不合理因素较多。这一结论较真实地反映了五个区域阔叶次生林资源现状。 (5)针对最优网格构建了环状分布指数。构建描述相邻木围绕参照树的均匀性来判定林木分布格局的环状分布指数，用以刻画林分内林木空间分布格局。经过研究区25个林分角尺度和环状分布指数的相关性检验，r在-0.509和-0.985之间。相关性分析说明，环状分布指数与角尺度在不同林分中均具有显著相关性，实例分析及与角尺度的相关性检验表明:环状分布指数模型客观和真实反映林木在水平地面的分布状况，是可释性强的格局分析指数，计算结果既可用均值也可用单个值的分布来表达，对复杂森林的空间结构有较强的解析能力，尤其适应于森林空间分布格局分析和空间结构调控，为实现林分空间结构定量调控提供了理论依据; (6)基于环状分布指数的森林结构调控方法研究。基于林分最优网格度分布格局均匀性评价和林木环状分布指数分析，从传统林分结构、林分空间结构、林分垂直结构三个层面构建了林分空间结构优化的目标结构，基于结构化森林经营思想建立了包括树种混交度、竞争指数、环状分布指数、林层指数、空间密度、开阔比数、大小比数7个指标的林分空间结构多目标调整优化模型。利用智能PSO算法的并行计算能力搜索林分空间的薄弱环节，地将林分多目标空间规划问题转化为粒子群体迭代寻优问题，实际应用结果表明，优化模型在结构调控前后，林分混交度、竞争指数、环状分布指数、空间密度指数、林层指数、开阔比数均得到了大幅度的改善，森林稳定性增强。 本文通过全面归纳总结国内外天然次生林空间分布格局方法，特别是在研究各参数的优缺点的基础上，从林木和林分两个尺度上提出了综合考虑最优网格林分分布格局评价方法和林木环状分布指数，解释了其林学和生态学的意义，为评价森林空间特征中存在的不合理性，确定合适的经营措施提供了理论依据，为提高天然林空间分布格局评判标准的合理性提供了思路和研究的方向。为森林经营的理想结构及其表达探索一条新途径。

目录

声明

摘要

1绪论

1．1研究背景与项目来源

1．2研究目的和意义

1．3．1森林空间结构研究

1．3．2天然林林分空间分布格局研究进展

1．3．3林分结构调整

1．4森林空间分布格局研究存在的问题

1．5研究内容与技术路线

1．5．1研究内容

1．5．2 技术路线

2研究地概况和研究方法

2．1研究区域概况与数据来源

2．1．1中南林业科技大学芦头实验林场

2．1．2长沙浏阳大围山自然保护区

2．1．3湖南沅江龙虎山国有林场

2．1．4湖南乌云界国家级自然保护区

2．1．5湖南省长沙县大山冲国有林场

2．2研究方法

2．2．1林分空间结构分析参数

2．2．2格局模型的选择参数计算

2．2．3林木大小多样性测度指数

3环洞庭湖典型阔叶林群落结构特征分析

3．1阔叶林群落特征结构分析

3．1．1优势树种的径级结构

3．1．2垂直结构

3．2调查样地阔叶林林分结构分析

3．2．1大国山自然保护区阔叶林林分结构分析

3．2．2龙虎山林场阔叶林林分结构特征分析

3．2．3大山冲林场阔叶林林分结构特征分析

3．2．4芦头实验林场阔叶林林分结构分析

3．2．5乌云界自然保护区阔叶林林分结构特征分析

3．3小结

4林木空间分布方法比较及研究样地格局分析

4．1林木分布格局方法评析

4．1．1五种林木空间分布格局研究方法

4．1．2模拟样地数据结果分析及五种分布格局方法评价

4．2研究区阔叶林群落空间分布格局分析

4．2．1不同方法下五个地区空间格局

4．2．2空间格局判定差异及结果评析

4．3小结与讨论

5林分最优网格空间分布格局与环状分布指数

5．1林木空间分布格局现有分析方法的局限性

5．2最优网格和环状分布指数林木空间分布格局分析方法

5．2．1林分密度与最适经营密度的确定

5．2．2林木水平分布最优网格构建

5．2．3林木环状分布指数

5．3最优网格和环状分布指数应用

5．3．1五个地区的最优网格空间分布格局分析

5．3．2最优网格林分空间格局评价

5．3．3环状分布指数分析及应用

5．4小结与讨论

6基于空间格局分析的森林空间结构优化调整

6．1基于空间格局分析的森林结构调整目标的定位

6．1．1结构优化调整原则

6．1．2森林结构优化方法

6．1．3森林结构优化调整的目标结构

6．2林分空间结构调整

6．2．1森林空间结构调整多目标数学模型

6．2．2调整算法及总体思路

6．3森林空间结构调整结果分析

6．3．1 MO-PSO模型测试

6．3．2结果分析

6．4小结

7结论与展望

7．1 主要结论

7．2主要创新点

7．3研究展望

参考文献

在读期间的学术研究

致谢