CN105184069B - 一种基于截留能力的油松林动态密度调控方法及系统 - Google Patents

一种基于截留能力的油松林动态密度调控方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于截留能力的油松林动态密度调控方法，包括获取待调控油松林的优势树高平均值、基准年龄、实际林龄、林分密度、用户输入的可修改林分密度、叶面积指数和森林最大截留能力之间的转化系数；根据优势树高平均值、基准年龄、实际林龄、林分密度、用户输入的可修改林分密度、叶面积指数和森林最大截留能力之间的转化系数通过预知模型计算与实际林分密度及可修改林分密度分别对应的森林截留能力；按照森林截留能力的最大值所对应的林分密度对油松林进行密度调控。本发明根据森林截留能力获取最优的林分密度，并以该最优林分密度对油松林进行动态调控，从而实现调控后的油松林可以达到最佳水源涵养功能。

Description

一种基于截留能力的油松林动态密度调控方法及系统
技术领域
本发明涉及一种基于截留能力的油松林动态密度调控方法及系统。
背景技术
林分密度是直接影响森林发挥固碳释氧、涵养水源、保护生物多样性等生态功能的关键因素之一。森林的水源涵养功能主要表现在森林具有调节径流量、削减洪峰、净化水质以及减缓土壤侵蚀等功能。林冠层将大气降水分配为林冠截留、树干茎流和林内降水三部分。大气降雨进入森林生态系统后首先通过林冠层进行水量分配。生长繁茂的林冠枝叶表面积大，而且枝叶形成多层次的林冠结构。
油松喜阴耐瘠薄，适应性强，生长良好，材质优良，是华北山地重要造林树种，主要分布于太行山、太岳山、吕梁山、五台山、恒山、中条山等，在涵养水源、保持水土、维护地区生态平衡和林业生产等方面起着重要作用。造林密度的大小对林木的生长、发育、产量和质量均有重大影响，进而影响油松林的水源涵养功能。因此合理调控油松林密度对最大化发挥森林的生态功能具有重要意义。目前多以传统造林目的来调控造林密度，而缺少进行密度调控的技术，如何合理调控以水源涵养功能为导向的油松林密度就是迫切需要解决的实际问题。
发明内容
本发明提供一种根据森林截留能力最大值对应的最优林分密度对油松林进行动态调控，从而实现调控后的油松林可以达到最佳水源涵养功能的基于截留能力的油松林动态密度调控方法。
本发明还提供一种基于截留能力的油松林动态密度调控系统。
一种基于截留能力的油松林动态密度调控方法，包括：
获取待调控油松林的优势树高平均值、基准年龄、实际林龄、林分密度、用户输入的可修改林分密度、叶面积指数和森林最大截留能力之间的转化系数；
根据优势树高平均值、基准年龄、实际林龄、林分密度、用户输入的可修改林分密度、叶面积指数和森林最大截留能力之间的转化系数通过预知模型计算与所述实际林分密度及可修改林分密度分别对应的森林截留能力；
按照所述森林截留能力的最大值所对应的林分密度对油松林进行密度调控。
优选的，所述预知模型为油松林截留能力、优势树高平均值、基准年龄、实际林龄和林分密度的关系模型。
优选的，所述根据立地指数、优势树高平均值、基准年龄、实际林龄、林分密度、用户输入的可修改林分密度、叶面积指数和森林最大截留能力之间的转化系数通过预知模型计算与所述实际林分密度及可修改林分密度分别对应的森林截留能力步骤具体包括以下子步骤：
根据优势树高平均值、基准年龄和实际林龄计算油松标准地的立地指数；
根据油松林截留能力与立地指数、林分密度的关系模型计算所述实际林分密度和可修改林分密度分别对应的森林截留能力。
优选的，所述油松林截留能力与立地指数、林分密度的关系模型为
其中，Y为森林截留能力，SI＝H平均·[1-EXP(-b·t基准)]c/[1-EXP(-b·t实际)]c，SD为林分密度，t基准为基准年龄，t实际为实际林龄，x为叶面积指数和森林最大截留能力之间的转化系数，d1、d2、d3、d4、d5、d6及b均为常数。
优选的，所述基准年龄为大于等于年最大平均成长量对应的林龄中能被5或10整除的任一数值。
一种基于截留能力的油松林动态密度调控系统，所述系统包括：
获取单元，获取待调控油松林的优势树高平均值、基准年龄、实际林龄、林分密度、用户输入的可修改林分密度、叶面积指数和森林最大截留能力之间的转化系数；
计算单元，根据优势树高平均值、基准年龄、实际林龄、林分密度、用户输入的可修改林分密度、叶面积指数和森林最大截留能力之间的转化系数通过预知模型计算与所述实际林分密度及可修改林分密度分别对应的森林截留能力；和
调控单元，按照所述森林截留能力的最大值所对应的林分密度对油松林进行密度调控。
优选的，所述预知模型为油松林截留能力、优势树高平均值、基准年龄、实际林龄和林分密度的关系模型。
优选的，所述计算单元，
根据优势树高平均值、基准年龄和实际林龄计算油松标准地的立地指数；
根据油松林截留能力与立地指数、林分密度的关系模型计算所述实际林分密度和可修改林分密度分别对应的森林截留能力。
优选的，所述油松林截留能力与立地指数、林分密度的关系模型为
其中，Y为森林截留能力，SI＝H平均·[1-EXP(-b·t基准)]c/[1-EXP(-b·t实际)]c，SI为立地指数，SD为林分密度，t基准为基准年龄，t实际为实际林龄，x为叶面积指数和森林最大截留能力之间的转化系数，d1、d2、d3、d4、d5、d6及b为常数。
优选的，所述基准年龄为大于等于年最大平均成长量对应的林龄中能被5或10整除的任一数值。
由上述技术方案可知，本发明基于所述森林截留能力于林分密度的关系，从而根据森林截留能力获取最优的林分密度，并以该最优林分密度对油松林进行动态调控，从而实现调控后的油松林可以达到最佳水源涵养功能。
附图说明
图1为本发明一实施例提供的基于截留能力的油松林动态密度调控方法的流程图；
图2为图1中根据第一预知模型计算与所述实际林分密度及可修改林分密度分别对应的森林截留能力的子流程图；
图3为本发明一实施例中基于截留能力的油松林动态密度调控系统的框图。
附图标记说明
获取单元1 计算单元2 调控单元3。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
图1示出了本发明一实施例提供的一种基于截留能力的油松林动态密度调控方法的流程图，该方法包括：
S1、获取待调控油松林的优势树高平均值、基准年龄、实际林龄、林分密度、用户输入的可修改林分密度和叶面积指数和森林最大截留能力之间的转化系数；所述可修改林分密度是根据经验人为选取较适合的几个林分密度。
S2、根据优势树高平均值、基准年龄、实际林龄、林分密度、用户输入的可修改林分密度、叶面积指数和森林最大截留能力之间的转化系数通过预知模型计算与所述实际林分密度及可修改林分密度分别对应的森林截留能力；
S3、按照所述森林截留能力的最大值所对应的林分密度对油松林进行密度调控。
本发明基于所述森林截留能力于林分密度的关系，从而根据森林截留能力获取最优的林分密度，并以该最优林分密度对油松林进行动态调控，从而实现调控后的油松林可以达到最佳水源涵养功能。
本文下面将多处用到理查德模型，理查德模型的原型为
y＝A·[1-exp(-b·(1-m)·t)]1/(1-m)
式中，A为叶面积指数最大值，b为常数，m为常数，t为林龄，为理查德模型进行相应要素替代得到下面基于理查德模型的各种模型。
本发明通过下述方法获得立地指数模型：
1)以待调控油松林自由生长未受损的优势木的优势高度和林龄建立油松林立地指数的导向曲线模型；
所述立地指数的导向曲线模型为优势木的优势树高随林龄的增长而变化的中央曲线。
选取以下7个常用模型进行拟合：
H＝a+b×lnt (1)
H＝a+b×t+c×lnt (2)
H＝α×EXP(-b/tc) (3)
H＝α×EXP[-b/(t+c)] (4)
H＝α×[1-EXP(-b×t)]c (5)
H＝α+b×EXP(-c×t) (6)
H＝α/[1++b×EXP(-c×t)] (7)
式中：H为优势树高；t为林龄；a、b和c为常数。
运用统计软件对上述模型(1)-(7)进行拟合，结果显示模型(5)即理查德模型的拟合度最高，所以采用式(5)即理查德模型作为油松林的导向曲线模型，则立地指数的导向曲线模型为
H＝α×[1-EXP(-b×t)]c (8)
2)根据所述立地指数的导向曲线模型，即式(8)，获取油松林标准地的相对优势树高理论模型yik
yik＝[1-EXP(-b·t实际)]c
其中，t实际为油松林标准地的实际林龄；
3)根据所述立地指数的导向曲线模型，即式(8)，获取油松林标准地的相应优势树高理论模型yok
Yok＝[1-EXP(-b·t基准)]c
t基准为油松林标准地的基准年龄；
4)已知调整系数、油松林标准地的相对优势树高理论值yik和相应优势树高理论值yok的关系模型为
ki＝yok/yik×100％ (9)
其中，ki为油松林第i块标准地的调整系数；
将所述相对优势树高理论模型和相应优势树高理论模型代入所述调整系数、油松林标准地的相对优势树高理论值yik和相应优势树高理论值yok的关系模型，即式9中，获得调整系数、基准年龄和实际林龄的关系模型为
ki＝[1-EXP(-b·t基准)]c/[1-EXP(-b·t实际)]c (10)
5)已知立地指数、优势树高平均值、基准年龄和实际林龄的关系模型为
SI＝ki×H平均 (11)；
将调整系数、基准年龄和实际林龄的关系模型，即式(10)，代入立地指数和调整系数的关系模型(11)，得到立地指数、优势树高平均值、基准年龄和实际林龄的关系模型(12)
SI＝H平均·[1-EXP(-b·t基准)]c/[1-EXP(-b·t实际)]c (12)
式中：H平均是油松林标准地的优势树高平均值。
此处，优势树高平均值是油松林一块标准地中各优势木的树高平均值(可通过调查计算获得)。
本方法最好综合考虑以下几个因素来确定所述基准年龄：
①材积与年平均最大生长量均最大时的林龄；
②超过该树种轮伐期一半；
③林分树高生长逐渐趋于稳定，且能反映林分生长立地的差异。
④按照原林业部颁发的《林业专业调查主要技术规定》中的规定选取大于等于年最大平均生长量对应的林龄(包括该年)，最好取能被5或10整除的任一数值，如年最大平均生长量对应的林龄是34，则基准年龄可为35、40或45等，也可以为40、45、50等。
对所述冠层叶面积指数、林龄、立地指数和林分密度的关系模型再参数化，并对林分乔木的叶面积指数最大值、生长速度和形状参数进行拟合，得到冠层叶面积指数、生长速度、形状参数和林龄的关系模型为
LA＝A·[1-exp(B·t)]C (14)
式中：LA为冠层叶面积指数，B为生长速度，C为形状参数。
用立地指数SI对叶面积指数最大值A进行再参数化，生长速度B与林分密度SD相关，所以用林分密度SD对生长速度B进行再参数化，并用立地指数SI对形状参数C进行再参数化，得到叶面积指数最大值A、生长速度B和形状参数C的再参数化表达式分别为
参数A的再参数化表达式为：
A＝f(SI)＝d1·SI+d2 (15)
参数B的再参数化表达式为：
B＝f(SD)＝d3·SD+d4 (17)
参数C的再参数化表达式为：
C＝f(SI)＝d5·SI+d6 (19)
式中：SI为立地指数，SD为林分密度，d1、d2、d3、d4、d5、d6为常数。
将式(15)-(20)分别代入模型(14)中进行拟合，得知拟合度最高的表达式分别为式(15)、(18)和(19)；
将式(15)、(18)和(19)代入所述冠层叶面积指数、生长速度、形状参数和林龄的关系模型(14)中，冠层叶面积指数、立地指数、林分密度和林龄的关系模型为
LA＝(d1·SI+d2)[1-exp(d3·SDd4·t)]d5·SI+d6 (21)
已知森林截留能力和冠层叶面积指数的关系为
Y＝LA·x (22)
式中，Y为油松林的截留能力，x为叶面积指数和油松林最大截留能力之间的转化系数；
将所述冠层叶面积指数与冠层叶面积指数、生长速度、形状参数和林龄的关系模型，即式(21)代入所述森林截留能力和冠层叶面积指数的关系式(22)中，并结合所述立地指数与优势树高平均值、实际林龄和基准年龄的关系模型，即式(12)，得到油松林截留能力与立地指数、林分密度的关系模型为
结合立地指数、优势树高平均值、基准年龄和实际林龄的关系模型，所以得到上述模型就相当于得到了油松林截留能力、优势树高平均值、基准年龄、实际林龄和林分密度的关系模型，该关系模型就是所述预知模型。
将各标准地的优势树高平均值、实际林龄、基准年龄、实际林分密度和可修改林分密度代入所述立地指数与优势树高平均值、实际林龄和基准年龄的关系模型，即式(23)中，计算其分别对应的森林截留能力；
按照所述森林截留能力的最大值所对应的林分密度对油松林进行密度调控。
参照图2，根据上述陈述，步骤S2、所述根据立地指数、优势树高平均值、基准年龄、实际林龄、林分密度、用户输入的可修改林分密度、叶面积指数和森林最大截留能力之间的转化系数通过预知模型计算与所述实际林分密度及可修改林分密度分别对应的森林截留能力步骤具体包括以下子步骤：
S21、根据立地指数、优势树高平均值、基准年龄和实际林龄的关系模型计算油松标准地的立地指数；
S22、根据油松林截留能力与立地指数、林分密度的关系模型计算所述实际林分密度和可修改林分密度分别对应的森林截留能力。
事实上，还可以直接油松林截留能力、优势树高平均值、基准年龄、实际林龄和林分密度的关系模型计算油松林截留能力。先计算立地指数，再计算油松林截留能力实现分步获取最终结果，可以减少单次计算的计算量。
本发明的上述模型均属于最优模型，利用本发明的模型计算各量计算量小，计算速度快，且结果精确。当然还可以采用其他模型取代上述各模型，在此不再赘述。
参照图3，一种基于截留能力的油松林动态密度调控系统，所述系统包括：
获取单元1，获取待调控油松林的优势树高平均值、基准年龄、实际林龄、林分密度、用户输入的可修改林分密度和叶面积指数和森林最大截留能力之间的转化系数；
计算单元2，根据优势树高平均值、基准年龄、实际林龄、林分密度、用户输入的可修改林分密度、叶面积指数和森林最大截留能力之间的转化系数通过预知模型计算与所述实际林分密度及可修改林分密度分别对应的森林截留能力；和
调控单元3，按照所述森林截留能力的最大值所对应的林分密度对油松林进行密度调控。
本发明基于所述森林截留能力于林分密度的关系，从而根据森林截留能力获取最优的林分密度，并以该最优林分密度对油松林进行动态调控，从而实现调控后的油松林可以达到最佳水源涵养功能。
优选的，所述计算单元：
根据立地指数、优势树高平均值、基准年龄和实际林龄的关系模型计算油松标准地的立地指数；和
根据油松林截留能力与立地指数、林分密度的关系模型计算所述实际林分密度和可修改林分密度分别对应的森林截留能力。
这样可以实现在计算油松林截留能力时，先根据立地指数、优势树高平均值、基准年龄和实际林龄的关系模型，再根据油松林截留能力与立地指数、林分密度的关系模型计算所述实际林分密度和可修改林分密度分别对应的森林截留能力。先计算立地指数，再计算油松林截留能力实现分步获取最终结果，可以减少单次计算的计算量。
优选的，所述预知模型为油松林截留能力、优势树高平均值、基准年龄、实际林龄和林分密度的关系模型；
优选的，所述油松林截留能力与立地指数、林分密度的关系模型为
其中，Y为森林截留能力，SI＝H平均·[1-EXP(-b·t基准)]c/[1-EXP(-b·t实际)]c，SD为林分密度，t基准为基准年龄，t实际为实际林龄，x为叶面积指数和森林最大截留能力之间的转化系数，d1、d2、d3、d4、d5、d6、b为常数。
本发明的上述模型均属于最优模型，利用本发明的模型计算各量计算量小，计算速度快，且结果精确。当然还可以采用其他模型取代上述各模型，在此不再赘述。
本发明对于根据最优林分密度对油松林进行动态密度调控依照下述标准：
(1)对油松的间伐应在非生长季进行；间伐应按照“留优去劣、留强去弱”的原则，伐除枯倒木、濒死木以及被压木，对于过密的林分，还可以考虑适量伐除部分中等木。
(2)保留油松、落叶松天然更新的实生幼树及不影响生长的灌木、藤蔓与草本，尽量保留天然侵入的其它树种；保留树冠上有鸟巢的、树干上或树下有小动物巢穴的树木；尽可能地保留林窗自然植被。
(3)对于实际林分密度接近最优林分密度的林分，可以以5～8年为间伐调整周期，分别制定各调整周期的适宜密度范围。
(4)对于实际林分密度大于最优林分密度的林分，应对其实施间伐等干预措施。以现有林分为基础，以4～6年为间伐调整周期，分别计算出调查时及各调整周期调整后的最优林分密度，以现有林分密度为基础，通过2～3个调整周期的调整，使其达到功能最优林分密度。
(5)对于实际林分密度与最优林分密度差距较大的林分，应选用3～5年为间伐调整周期进行调整，通过3～4个调整周期的调整，使其达到功能最优林分密度。每次间伐强度不超过总株数的40％，每次伐后保留郁闭度不小于0.5。
(6)对于实际林分密度小于最优林分密度的林分，应对其主要实施补植、人工促进天然更新等干预措施。对第一次间伐后的林分，根据林分内林隙的大小与分布特点，采用均匀补植或局部补植的方式补植其它树种，较小林隙宜补植蒙古栎、五角枫、元宝枫等耐阴树种，较大林隙也可补植白桦、山杨等阳性树种。使补植后形成不同树种镶嵌分布的混交群落，使其最终形成近自然的复层异龄混交结构。
下面以一个具体案例来说明本发明
以河北林场为例，选取2008-2009年样地资料。
1、标准地概况
于2008年7～8月和2009年7～8月在河北木兰林管局山湾子林场和北沟林场调查人工林标准地2块，具体情况见表1。
表1各标准地基本情况
2、最优林分密度的确定
(1)、最优林分密度的计算
1)将各标准地的林龄和优势树高分别代入式(12)，求得各标准地立地指数，结果见表2；
2)将各标准地的林龄、立地指数代入式(12)，得到以林分密度为自变量，以截留能力为因变量的一元非线性函数，求其在各林分密度(此处包括实际林分密度和可修改林分密度)时的Y值。
3)计算截留能力最大时的林分密度，即最优林分密度，结果见表2。
表2各标准地计算情况
3、结果分析
以2号标准地为例，对其各时期的林分密度动态进行规划调整。立地指数为9.07，林龄为17年的油松林最优林分密度为1040株·hm-2，而标准地现在的实际林分密度为1200株·hm-2，与理论密度相差不大，所以可以以5年为调整周期，分别制定各调整周期的适宜密度。
本领域普通技术人员可以理解：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权利要求所限定的范围。

Claims (6)

1.一种基于截留能力的油松林动态密度调控方法，其特征在于，包括：
获取待调控油松林的优势树高平均值、基准年龄、实际林龄、林分密度、用户输入的可修改林分密度、叶面积指数和森林最大截留能力之间的转化系数；
根据优势树高平均值、基准年龄、实际林龄、林分密度、用户输入的可修改林分密度、叶面积指数和森林最大截留能力之间的转化系数通过预知模型计算与所述林分密度及用户输入的可修改林分密度分别对应的森林截留能力；
按照所述森林截留能力的最大值所对应的林分密度对油松林进行密度调控；
所述根据优势树高平均值、基准年龄、实际林龄、林分密度、用户输入的可修改林分密度、叶面积指数和森林最大截留能力之间的转化系数通过预知模型计算与所述林分密度及用户输入的可修改林分密度分别对应的森林截留能力步骤具体包括以下子步骤：
根据优势树高平均值、基准年龄和实际林龄计算油松标准地的立地指数；
根据油松林截留能力与立地指数、林分密度的关系模型计算所述林分密度和用户输入的可修改林分密度分别对应的森林截留能力；
所述基准年龄为大于等于年最大平均成长量对应的林龄中能被5或10整除的任一数值。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预知模型为油松林截留能力、优势树高平均值、基准年龄、实际林龄和林分密度的关系模型。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述油松林截留能力与立地指数、林分密度的关系模型为
其中，Y为油松林截留能力，SI＝H平均·[1-EXP(-b·t基准)]c/[1-EXP(-b·t实际)]c，SD为林分密度，t基准为基准年龄，t实际为实际林龄，x为叶面积指数和森林最大截留能力之间的转化系数，d1、d2、d3、d4、d5、d6、b及c均为常数，t为林龄，H平均为优势树高平均值。
4.一种基于截留能力的油松林动态密度调控系统，其特征在于，所述系统包括：
获取单元，获取待调控油松林的优势树高平均值、基准年龄、实际林龄、林分密度、用户输入的可修改林分密度、叶面积指数和森林最大截留能力之间的转化系数；
计算单元，根据优势树高平均值、基准年龄、实际林龄、林分密度、用户输入的可修改林分密度、叶面积指数和森林最大截留能力之间的转化系数通过预知模型计算与所述林分密度及用户输入的可修改林分密度分别对应的森林截留能力；和
调控单元，按照所述森林截留能力的最大值所对应的林分密度对油松林进行密度调控；
所述计算单元，根据优势树高平均值、基准年龄和实际林龄计算油松标准地的立地指数；
根据油松林截留能力与立地指数、林分密度的关系模型计算所述林分密度和用户输入的可修改林分密度分别对应的森林截留能力；
所述基准年龄为5的整倍数的实际林龄。
5.根据权利要求4所述的油松林动态密度调控系统，其特征在于，所述预知模型为油松林截留能力、优势树高平均值、基准年龄、实际林龄和林分密度的关系模型。
6.根据权利要求4所述的油松林动态密度调控系统，其特征在于，
所述油松林截留能力与立地指数、林分密度的关系模型为
其中，Y为油松林截留能力，SI＝H平均·[1-EXP(-b·t基准)]c/[1-EXP(-b·t实际)]c，SI为立地指数，SD为林分密度，t基准为基准年龄，t实际为实际林龄，x为叶面积指数和森林最大截留能力之间的转化系数，d1、d2、d3、d4、d5、d6、b及c为常数，t为林龄，H平均为优势树高平均值。
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《杉木人工林立地指数方程的研究》;相聪伟;《中国优秀硕士学位论文全文数据库农业科技辑》;20110515(第05期);论文摘要、第40、64、67页 *
华北落叶松人工林叶面积指数与立地指数、密度、林龄关系模型研究;王雄宾等;《中国农学通报》;20150805;第31卷(第22期);论文第22页第2.2.2节 *
宁夏六盘山南侧华北落叶松人工林生态水文影响的密度效应评价;张晓蓓;《中国优秀硕士学位论文全文数据库农业科技辑》;20120815(第08期);论文摘要以及第57、61页 *
森林冠层水文研究进展;鲜靖苹等;《西北林学院学报》;20140515;第29卷(第3期);论文第98页第2.3节 *

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