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

发布时间：2020-04-11 00:15

【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己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。
【图文】：

林木,位置分布,格局

、替及其群落的稳定性状况。研究林分的垂直结构还有很多方法如树干分析法、目逡逑测分层盖度结合无标准地点一四分法等。郑景明等采用目测分层盖度结合无样地逡逑点一四分法取样对长白山红松阔叶林及其次生林进行了林分垂直结构多样性的逡逑测定研宄，还提出了垂直结构异质性指数为各小样方的垂直盖度指数的平均值，逡逑表示垂直方向上枝叶对林地的覆盖程度（＞。逡逑１．３．２天然林林分空间分布格局研究进展逡逑森林空间分布格局是指林木的配置状况或水平格局，有人称之为群落的二维逡逑结构％它表现为组成群落的各种植物或生活型在群落中的水平分布模式。其形逡逑成格局是由物种生态学特征、种间相互关系以及环境条件综合决定的，在构成群逡逑落的形态、功能和动态方面都具有重要作用ｕ。逡逑林木空间分布格局类型主要表现为３种形式：聚集分布、随机分布和均匀分逡逑布。逡逑Ｃｌｕ？丨＊丨邋夤逦Ｒａｎｄｏｍ邋＾１１逦Ｒｅｇｕｌａｒ逡逑0邋，，逦■邋■邋■逦ｏ逦ｉ逦ｏ邋逦逡逑ｆ＞．ｉ逦？？逡逑

空间分布模式,林木,林分

图１－２林分中不同大小的林木的不同空间分布模式逡逑Ｆｉｇｕｒｅ．邋１－２邋ＤｉｌＴｅｒｅｎｔ邋ｓｐａｔｉａｌ邋ｐａｔｔｅｒｎｓ邋ｏｆ邋ｔｒｅｅ邋ｓｉｚｅｓ逡逑图１－２为不同大小的林木从左到右由相互吸引，相互独立，相互排斥。即分逡逑别表示大树之间相互吸引，大树和小树间完全独立分布，大树和小树之间相互吸逡逑弓丨。红色的圆圈代表大树，黑色为小树。逡逑森林群落内林木呈随机分布时，林木个体在森林群落内的分布完全由机会决逡逑定，也就是每个个体的位置与其它个休的位置没有必然联系，个体分布是偶然的，逡逑这在自然界中并＋普遍，只是在生境条件对于很多种的作用相差＋大时，或某一逡逑主导因素呈随机分布时，才会引起种群个体的随机分布；其中，以种子繁殖的植逡逑物扩散到新地区的初期常呈随机分布。集群分布的种群极不均匀，常成群、成簇、逡逑成块或成斑点密集分布
【学位授予单位】：中南林业科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：S718.5

【参考文献】