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精准林业年度报告(2020白皮书)

时间:2020-08-03     【转载】   来自:精准林业北京市重点实验室

中国木材保护工业协会   中国木结构产业联盟

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第八届中国木结构产业大会_副本1.jpg

(一)中国森林覆盖率报告

1、引言

       森林是陆地生态系统的主体,是国民经济和社会发展的物质基础,是维持生态平衡和改善生态环境的重要保障,在应对全球气候变化中发挥不可替代的作用。森林具有多种功能,既能固碳释氧、涵养水源、防风固沙、保持水土、保护物种和净化大气环境,又能为经济社会发展和人们生活提供木材、药材和食品等多种林产品,还为人类提供森林观光、休闲度假、生态疗养和传承文化的场所,是人类不可或缺的自然资源。

       林业是生态建设的主体,是经济社会可持续发展的一项基础产业和公益事业。随着我国经济的发展和人民生活水平的不断改善,林业的地位变得越来越重要。因此,对森林资源进行精准的监测与严格的管理,成了当前林业研究工作中的重点。为实现中国森林资源的经营管理和可持续发展,需要及时准确地掌握森林资源状况,通过对森林覆盖率的调查和整理有利于对森林资源状况的了解。

       多年来,我国投入巨额资金,加强森林生态系统、湿地生态系统、荒漠生态系统建设和生物多样性保护,全面实施退耕还林、天然林保护等重点生态工程,持续开展全民义务植树,大力发展林产工业,实现了森林资源和林业产业协调发展。2019年共完成造林706.7万公顷、森林抚育773.3万公顷,种草改良草原314.7万公顷。截至2020年3月,全国森林覆盖率已增加至22.96%。

       森林资源清查结果详实反映出我国森林资源发展变化的轨迹,以及林业建设和改革发展的重大转折。改革开放40年来,各级林业主管部门认真贯彻落实党中央、国务院关于林业建设的方针政策和重大决策部署,以森林资源为核心围绕林业发展的重大问题,不断深化集体林权制度改革,着力推进国有林区转型发展,全面实施天然林保护、退耕还林、三北防护林等重点生态建设工程,天然林资源得到有效保护,面积达到13867.77万公顷;人工林稳步发展,由改革开放初期的2219.17万公顷扩大到目前的7954.28万公顷,稳居世界首位;土地沙化面积由上世纪90年代末年均扩展3436平方公里转变为目前年均缩减1980平方公里,实现由“沙进人退”到“绿进沙退”的历史性转变。自上世纪80年代末以来,我国的森林面积和森林蓄积已连续30年保持“双增长”,成为全球森林资源增长最多的国家。逐步形成了国有林以天然林和公益林为主,集体林以人工林和商品林占多数的格局。森林采伐实现了由天然林为主向人工林为主的转变,森林生物量、碳储量和多种生态功能效益稳步提升。我国成为全球森林资源增长最多、最快的国家,生态状况得到了明显改善,森林资源保护和发展步入了良性发展的轨道。

2、森林覆盖率的调查方法

2.1第九次全国森林资源清查情况

       森林资源是自然资源的重要组成部分,世界各国都非常重视森林资源清查工作。我国于 1973~ 1976 年,以县为单位,开展了第一次全国森林资源清查。从第二次清查开始,采用国际上公认的“森林资源连续清查”方法,以省(区、市)为单位,按系统设置固定样地进行定期复查的方式,建立了全国森林资源清查体系。第九次清查于2014年开始,到2018年结束,历时5年,组织近2万名技术人员,实测固定样地41.5 万个,全面采用了遥感等现代技术手段,调查、测量并记载了反映森林资源数量、质量、结构和分布,以及森林生态状况和功能效益等方面的160 余项调查因子。

第九次清查与以往的清查相比存在以下四个亮点:一是科技先进。遥感、卫星导航、地理信息系统、数据库和计算机网络等技术的集成应用全面深化;二是结果精确。样地定位、样木复位、林木测量和数据采集精度大幅度提高;三是效率提高。外业调查效率和内业统计分析能力有效提升;四是创新发展。首次以样地样木为计量单元,统计出了全国林木生物量和碳储量,为监测森林生态服务功能迈出了可喜的一步。上海成功实现国家和地方森林资源监测一体化。天津开展平原区优化调查方法试点,提高了森林面积、森林覆盖率等数据的准确度,同时也提高了清查工作效率。

2.2第九次全国森林资源清查结果


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       第九次全国森林资源清查的森林覆盖率为22.96%,比第八次全国森林资源清查的森林覆盖率21.63%提高了1.33个百分点。这1.33%意味着全国森林面积净增1266.14 万公顷,比福建省的面积还要大。

       第九次全国森林资源清查结果表明:森林面积、蓄积持续增长,森林覆盖率稳步提高;森林结构有所改善,森林质量不断提高;天然林持续恢复,人工林稳步发展;生态状况趋向好转,生态服务能力增强。我国森林资源总体上呈现数量持续增加、质量稳步提升、功能不断增强的发展态势。

3、森林覆盖率问题

3.1中国及分省森林覆盖情况

      全国森林面积 2.2亿公顷,森林覆盖率 22.96 % 。活立木总蓄积 190.07 亿 立方米,森林蓄积175.60 亿立方米。天然林面积 1.40 亿公顷,人工林面积0.80 亿公顷。森林面积和森林蓄积分别位居世界第5 位和第6 位,人工林面积仍居世界首位。

       虽然我国森林面积和森林蓄积分别位居世界第5 位和第6 位,且森林资源呈现出数量持续增加、质量稳步提升、效能不断增强的良好态势。但是,我国依然是一个缺林少绿的国家,全国森林覆盖率22.96%,低于全球30.7%的平均水平,特别是人均森林面积不足世界人均森林面积的1/3,人均森林蓄积仅为世界人均森林蓄积的1/6。森林资源总量相对不足、质量不高、分布不均的状况仍然存在,森林生态系统功能脆弱的状况尚未得到根本改变,生态产品短缺的问题,依然是制约我国可持续发展的突出问题。其中我国林业发展的关键问题主要表现四点:一是增加森林面积难度加大;二是森林质量亟待提高;三是森林资源保护压力大;四是林产品供需矛盾仍然突出。

      这与全面建成小康社会、推进美丽中国建设的要求相比,仍然存在总量不足、质量不高、功能不强、发展难度大等问题。森林资源发展不充分、不平衡与人民群众对优质生态产品、优美生态环境不断增加的需求之间的矛盾十分突出,生态系统脆弱、生态产品短缺仍是生态文明建设的短板,制约着经济社会可持续发展和国家现代化进程。因此在当前和今后一段时期,要按照山水林田湖草系统治理的要求,加快推进国土绿化和生态修复进程,健全生态保护制度,严格森林资源监督管理,强化森林资源保护和科学经营,高质量高水平推进林业现代化建设,为决胜全面建成小康社会、建设生态文明和美丽中国提供良好生态保障。


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备注:

1.台湾省数据来源于《台湾地区第四次森林资源调查统计资料(2013年)》;

2.香港特别行政区的森林面积来源于《中国统计年鉴-2017》,为林地面积;

3.澳门特别行政区的森林面积来源于《澳门2011年统计年鉴》,为绿地面积,森林覆盖率指绿地面积占土地面积的比率。

3.2按国家人均森林面积为标准,中国及分省森林覆盖情况

       为进一步了解我国森林资源情况,为森林资源管理与经营提供科学、合理依据,实现森林质量高效提升,本报告统计整理了全国、各省市自治区以国家人均森林面积为标准时,全国及各省市自治区的森林覆盖率的变化情况,主要如下:

      现阶段我国人均森林面积为0.16公顷/人,全国可造林面积为4797.78万公顷,若要使全国各省、自治区、直辖市各辖区人均标准达到国家人均标准,全国实际造林面积应达到24919.77万公顷,即在现有森林面积22044.62万公顷的情况下还需造林2875.15万公顷,造林后全国最大森林覆盖率为25.89%,人均森林面积可达到0.18公顷/人。其中北京市、天津市、河北省、山西省、辽宁省、上海市、江苏省、浙江省、安徽省、山东省、河南省、湖北省、广东省、重庆市在各辖区内完全应用可造林面积之后仍达不到国家人均标准,湖南省、宁夏回族自治区在应用部分可造林面积之后可达到国家人均标准,内蒙古自治区、吉林省、黑龙江省、安徽省、福建省、江西省、广西壮族自治区、海南省、四川省、贵州省、云南省、西藏自治区、陕西省、甘肃省、青海省、新疆维吾尔自治区无需造林已达全国标准。


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备注:土地总面积、森林面积、森林覆盖率、各地区人口数据来源于国家统计局;

      可造林面积=迹地面积+宜林地面积-失败造林地面积;全国数据不含台湾省和香港、澳门特别行政区。

      按照国家标准人均森林面积计算可以得出,当对可造林地进行造林后,未达标准的各省市自治区的森林覆盖率均会有所提高,全国的森林覆盖率将提高2.93%,其中山西省的森林覆盖率将会提高最多,将在原基础上增加14.79%;其次为辽宁省的森林覆盖率提高6.94%,宁夏回族自治区森林覆盖率提高4.05%,河北省森林覆盖率提高3.56%,湖北省森林覆盖率提高3.3%;此外,由于自身地理地形限制的地方森林覆盖率将会提高较少,比如上海市森林覆盖率将会提高0.1%,北京市森林覆盖率将会提高0.1%,天津市森林覆盖率将会提高0.28%。

      通过整理分析各省、直辖市、自治区达到国家人均森林面积标准的森林覆盖率,有利于林业管理部门及时预测森林资源发展趋势,对制定林业发展规划和经营决策、实现森林资源精准经营、森林资源保护和生态环境的建设等具有重要意义。

4、中国森林盖率的限制及对策

       我国是一个森林资源丰富的国家,但是我国有接近14亿的人口,这也就造成森林资源基数大,但是人均森林面积少的状况,同时森林资源质量不高、地区分布不均的状况仍然存在;另外,农业、林业、工业、建设用地资源协调不合理,导致众多森林资源被破坏,使原本人均森林面积很少的境况变的更加严峻;众所周知树木的生长需要优越的地理环境,适宜的气候类型,但是我国拥有青藏高原、沙漠等多种不适合树木生长的大面积土地,这些土地在我国国土面积中占据很大的比例,严重限制了中国森林的分布,进而大大减低了森林覆盖率。

       基于以上问题,我们在大力发展经济的同时,应贯彻可持续发展战略,加大资源保护和生态修复力度,注重与自然的和谐共处,进行造林绿化,提高森林覆盖率;发展经济林,优化森林资源配置,加强防护林建设;以科技驱动发展,利用现代科学技术,以遥感为核心的高新技术发展及其应用,有利于构建天空地一体化、国家和地方一盘棋的森林资源监测评价体系,形成森林资源全过程、全覆盖、全要素的监测评价系统,实现森林资源定期调查向过程监测的转变。对我国的森林资源开展种质资源调查、3S观测分析等多种科学研究,加大对材料的创新力度;实施现代化管理,从森林经营、生态规划、森林保护政策制定等多方面入手,整合现有的资源,提高森林质量,以增强森林生态效益,从而科学地提高中国的森林覆盖率,实现人与自然和谐共生,造福子孙后代。

附图:(图片来源于第九次全国森林资源清查主要结果报告论证稿)



(二)五棵树法测定林分生长量的系统设计

1、引言

      新时代的中国正在努力规划和建设高标准的国家森林城市,但是城市林木的林分密度、林分离散程度和林分蓄积量等林分因子的调查存在着许多困难,首先,对小班标准样地的观测如果按传统每木检尺的方法会消耗大量的人力,财力和消耗大量时间,用此方法采集的数据性价比极低;而采用样地抽样统计调查的方法,则在标准样地的选择、树木观测量和林分因子统计量的计算和使用等许多方面存在着需要研究和建立统一标准的问题。本文以森林二类调查中小班林分因子测量为研究对象,对标准样地选择、影响林分因子的关键参数量测以及林分因子的计算等问题展开讨论,致力于研究性价比更高的标准样地林分因子调查方法。

       林分因子的调查方式有很多种,大致可以分实测法和目视法,实测法又分为全林实测法和局部实测法,全林实测就是将整个林分进行实地测量,局部实测就是只在局部进行有效的测量,之后将局部测量统计参数依样地所占比例推估小班林分因子。

       在实际的工作中,全林实测的方式较为困难,这是因为耗费的人力物力和财力较为巨大,仅仅是在特定的条件下才用全林实测的方式,比如说进行科学实验以及小范围的伐区调查。大范围的森林调查通常采用局部抽样实测的方式,测定小班调查因子。本文采用以一棵有代表性的树为中心,以其与周围林木分布的N-1棵树(N=5)的胸径和林木间距离这两个尺度的量测数据来研究林分因子的计算。旨在明确外业样地选择原则、减少外业数据采集时间,提高森林二类调查效率。

       通过对样地5棵树的胸径和距离的参数量测,结合一元材积模型推演林分蓄积量、树高、平均胸径、林分密度、林分蓄积量等样地林分调查因子。采用外业实地调查数据作为数据源,通过常用的样圆法和多边形算法,计算出5棵树样地内平均胸径、平均树高、蓄积量和密度等。这种方式大大的减少了内业计算量和外业数据采集时间,为森林资源二类调查提供了新的思路和方法。

2、微样地的观测与记录

       样圆法是以多边形或圆形样地法为基础衍生出的一种效能高、误差小、标准化的样地抽样调查方法,经过多年实践最终成型。样圆法的具体思路是:以一棵待观测树木为中心木,在其周围选取4棵观测木,测定所有树木的胸径值、中心木的树高、中心木的最远距离,从而计算林分平均胸径、林分密度、林分蓄积量等林分参数。下图1为N棵树(n=5)圆形样地观测示意图。


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图1  N棵树圆形样地观测原理图

2.1 样地选择和建立

样地选择的原则:

1.各个样点分布均匀,在不同的地形地势上都有布设;

2.样地选择具有代表性,能体现该地区树种的分布;

3.选择交通便利,利于监测的地方,方便连年观测;

4.要避开林缘、路边、人为干扰严重的地区,否则会给数据带来较大误差。

样地建立的步骤:

1.通常在开始微样地观测之前,准备好必要的工具,如测树胸径尺、红色喷漆、超站仪、记录笔、表格等仪器和其他野外调查用品。提前规划要进行观测树木的树种、数量、位置;

2.寻找一个较为笔直的树木为中心木,中心木的位置也即为样地中心,使用GPS对样地中心进行定位,并记录其坐标信息,通过自主研发的专业软件获取坡度、坡向、坡位和海拔数据并画出样地示意图;

3.按顺时针顺序选择离中心树最近的N-1棵树,对中心木和观测木高约1.3m处漆上红漆,如果植株1.3m以下有分枝,在最粗的分枝1.3m处漆上油漆,并测量其胸径和冠幅。利用自主研发的Android智能手机树高测量软件对中心木进行单片摄影树高测量;

4. 在样圆法中,一般将最后一棵树选为最远树木,中心木到最远树木的距离即为圆形微样地的半径,再利用超站仪获取距离。五棵树样地法中,需要在人工林是测定行间距x和竖间距y,天然林时测定与中心木的最近距离x和最远距离y,样地面积为2xy;

5.在五棵树样地法林分测量计算过程中,圆形样地将最远观测树计为0.5棵,多边形样地将边界树按照加权平均方法来计算棵树,进而计算出林分参数(林分平均胸径、平均树高、林分密度和林分蓄积量)。

3、林分因子的计算方法

3.1 一元材积模型

       由胸径和树高的一元模型和材积、胸径和树高的二元材积模型可得到胸径的一元材积模型。

    一元模型形式为:


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各参数结果如表1所示:

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表1 参数结果



二元材积模型形式为:

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各参数结果如表2所示:

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表2 参数结果




3.2 五棵树样地法的定义

      样圆法的样地为圆形样地如图1,将最后一棵树选为最远树木,中心木到最远树木的距离即为圆形微样地的半径,圆形样地将最远观测树计为0.5棵,由此可以得出林分因子的计算过程。

       五棵树样地法是以多边形或圆形样地法为基础衍生出的一种效能高、误差小、标准化的样地抽样调查方法,经过多年实践最终成型。五棵树样地法的具体思路是:以一棵待观测树木为中心木,在其周围选取4棵观测木,测定所有树木的胸径值、中心木的树高、在人工林是测定行间距和竖间距,天然林时测定与中心木的最近距离和最远距离,从而计算林分平均胸径、林分密度、林分蓄积量等林分参数。下图2为N棵树(n=5)圆形样地观测示意图。

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图2  N棵树多边形样地观测原理图

3.3 林分因子的计算

1)样圆法的林分因子计算

      林分的平均树高

      本文林分的平均树高采用的是理想中心木的树高H,可使用超站仪测量,也可以用一元模型通过胸径计算获得。

       林分的平均胸径

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(2)

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      林分密度

(3)中Dn为中心木到最远树木的距离,单位是m,N为林分密度,单位是株/公顷。

      林分蓄积量

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(4)式中,fj为推导形数,数据如表1所示,为di第 i 棵数木的胸径,单位是cm,H为中心树的树高,单位为m;Dn为中心木到最远株第N(N=5)棵的距离,单位是m;M为林分蓄积量,单位为/公顷。

2)五棵树样地法的林分因子计算

      五棵树样地法的基本思路是将样地中所选N(N=5)颗树,视为以一颗树为中心,N-1棵树构成的如图2所示多边形,中间树对样地统计量的贡献权值定为1,而位于多边形边上的树对样地统计量的贡献权以每颗树相邻边向多边形内张角与圆周角的比值定权,得到总贡献权值定为2。结合一元材积模型计算林分密度、平均胸径和蓄积量,计算公式推导如下:

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      式中,S 为多边形样地面积,单位为㎡,人工林中x,y、表示行间距和竖间距,天然林中x,y、表示与中心木的最近距离、最远距离。

林分密度是一种用于表征样地中一定面积内树木数量的疏密程度的指标,对林分的内部结构影响较大。在很大程度上决定了树木树高,树干干形及材积的生长状况。因此,合理的估计林分密度在森林经营管理中非常重要。依据公式(1)-(4)得出了林分密度()的表达式为:

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       林分蓄积量是衡量森林数量的重要指标,其标志着森林经营管理的效果。其中,材积是根据一元材积模型,即林分蓄积量()的估计值由结合一元材积模型材积求得,表达式为:

4、小班观测方法及流程

       团队已在全国建立微样地三千余个,大规模的数据分析会在后期展开。现以北京市海淀区八家村村北的一块人工林进行5棵树法的实验为例进行介绍,如图所示。

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      在已经选定好的林地小班内,选取出满足实验要求的5棵树作为林分的代表样地,采用超站仪和胸径尺获得的实测数据,同时记录树木的位置、B、L、H、坡度、坡向、坡位、土壤类型、厚度、郁闭度等。获取到的实测数据如表2所示。

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5、两种方法实验结果

      通过测量得到5棵树微样地的实测数据,并通过样圆法计算得出林分调查因子结果如表3所示。

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       通过五棵树样地法计算得出林分调查因子结果如表4所示。

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      计算出4块样地的平均林分信息与林分每木检尺对比,得出两算法的各平均林分信息的相对误差如表5所示。

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实验结果表明,样圆法的林分平均胸径误差为6.6%,林分密度相对误差为10.4%,林分蓄积量误差为9.9%。五棵树样地法的林分平均胸径误差为6.2%,林分密度相对误差为7.3%,林分蓄积量误差为6.1%.对于林分胸径、林分密度、蓄积量的测量也能够反映样地实际状况,证明了该方法具有较高的可行性。由于五棵树样地法涉及到每棵树木的权重,相对误差比样圆法更精确。

6、结论

(1)在全国建立的三千余个微样地中 ,选取符合实验要求的几组五棵树为标准地的样地进行调查,如北京市海淀区八家村村北的人工林中选取了符合实验要求的4组五棵树为标准地,利用超站仪和胸径尺测得树高和胸径等信息。

(2)通过样圆法和五棵树样地法计算出林分调查因子,快速精准地得到平均胸径、林分密度和林分蓄积量等林分因子。五棵树样地法计算相对简单,且误差较小。

(3)近几年来,林分调查因子测定技术日益发展成熟,五棵树样地法来提高林分观测效率,利用超站仪等按照五棵树样地法的原理对样地进行观测实验,并结合实验形数测定林分参数,实验拿出一小部分数据对五棵树样地法求算得林分因子进行验证,表明该方法可以代替每木检尺和样圆法,是一种高效率的求算样地林分因子的方法。

       综上所述,利用五棵树样地法进行林分因子的测定。此方法快速有效,可以作为森林二类调查的基础数据,为森林资源调查提供了新的思路与方法。


(三)森林精准经营设计与评价方法

1、导言

       林业产业是国民经济的基础产业,我国的林业发展模式向现代化不断迈进,现代林业科学管理模式以可持续发展为目标,对森林进行科学、合理、有序的经营,在满足森林可持续生长需求的前提下,充分发挥森林的经济、生态、和社会效益。

       就我国森林当前发展现状而言,传统的森林经营造林过程中存在以下问题:其一,是森林规划设计宏观、定性、超前,重理念、口号,现实中难以作业、实施,没有产生实在的经济、生态、社会效益;其二,在于森林调查基础研究不足,三十余年环境变化引起的树种生长预测不足,长期沿用一元材积表,仪器装备基本上没有普及性的进步;此外,森林经营具体技术方法研究十分软弱,缺乏长期实验数据,缺失长期定位、定点观测。

       为解决传统林业经营难题,精准林业应运而生,精准林业是一个面向全球国家、区域渐进实施森林可持续经营利用的一个进程。首先要从县域森林精准管理做起,从系统的各县域多龄级新型无林地造林依龄级均匀分布和各龄级、各类立地条件下的混交比、密度分布做起。森林精准经营理想目标是建立最优化混交、异龄、年度择伐收获的造林模式。这种经营模式在设计混交率上以生物多样性、近自然林、仿天然林、优先乡土树种为基本理念,按混交率配置各树种面积,按年龄均匀配置年度某树种的面积均匀分布和密度逐年递增分布,即实现森林理想分布。

       现代森林精准经营是以精准林业为依托,以生态学理论、最优化理论(AI)、最大密度理论为理论基础,以基础小班信息,如树木特征因子(胸径、树高)、土壤信息(土壤厚度h)、地理信息(经度L、纬度B、高程H、坡度 、坡向A、坡位P)、气候气象信息(降雨量R、温度T)、林分条件(郁闭度K、林分密度N)等为现实依据,基于森林生长模型,通过调控树种结构(混交比)、树龄结构(龄级差)、最佳密度结构以及最优利用模式等森林可经营调控的核心要素,完成森林经营的系统设计。旨在掌握精准的林木生长规律,寻求最优的密度分布、龄级(径阶)分布,通过互联网+3S+3R+AI+UMS、神经网络及机器学习等现代化技术,使各类森林产出最大的生态、经济、社会效益,并实现永续经营。综上,本章节对森林理想分布理论做了详细的阐述,并针对如何实现森林精准经营进行了四个部分的设计,分别为无林地营造理想林设计、纯林改造为理想林设计、理想林精准择伐与利用设计。

2、森林理想分布理论

1.概述

1.1森林理想分布目标

      所谓理想林,即通过数理统计及机器学习进行树木生长预测、树木密度分布获取,以科学精准的手段假设理想的林分分布状态,林分在理想分布状态时,在制定好经营目标和经营计划后,可实现永续经营,且在经营期间,林分年度生长量恒定、林分密度恒定、经营期恒定、混交比恒定、林分蓄积产出恒定,实现森林生产和利用的最大化价值。森林理想分布设计在获取森林小班地块基本属性的基础上,利用树木生长模型,建立树木生长时间表,计算各径阶密度理想分布状态,获取理想的收获量,最后,要通过理想林评价判断林分是否达到理想分布,最终实现永续经营。

1.2森林经营模式的比较

      传统的森林经营模式有法正林经营模式、小班检查法经营模式,而在实现林业现代化的进程中,小班精准经营模式实现了经营方法的更新迭代与优化。

      法正林具备能够实现严格永久平衡利用状态的森林,这种森林称严正的保续作业,也就是每一年有平衡的、固定的收获量。但法正林主要针对等面积地块同龄纯林,以皆伐为主要采伐方式, 产生了很大的局限性,对如何发挥林地的自然生产力注意不够。

      小班检查法经营模式每年调查连年生长量用来控制采伐量,用各径级蓄积比例来控制森林调整,但每年清查比较困难,因此用定期的平均生长量代替连年生长量。瑞士根据经验确定每隔6年调查一次。把经营对象划分为6部分,每年调查其中一部分。必须定期地进行全林每木调查,工作量大,作业面积受到限制。此外,把森林按林班作永久性区划,对达到一定胸径以上的林木按一定的径阶整化进行每木调查,由小到大排列,连续两次调查其排列顺序不变,工作量极大。并且检查法不测树高,因此材积计算只能使用一元材积表。

      森林小班精准经营模式是在科学的观测、规划与设计的基础上,以森林生长预测模型为依托,打造异龄混交林,调整优化混交比、龄级、径阶、密度等结构要素,精准采伐作业,收获木材,增大生长量,提升生态效益和效果。三种森林经营模式对比如下图所示:

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2. 森林理想分布结构设计

2.1理想树种混交比设计

      树种混交比是指各树种的株数占混交林总株数的百分比。混交比例在数量上的变化,与混交各树种种间关系的发展方向和混交效果有密切关系。混交树种所占的比例,应有利于主要树种生长为原则,宜依树种、混交类型及立地条件而有所不同。

      树种组成依据常见混交原则,主要树种占60%,混交树种占40%,或主要树种占70%,混交树种占30%或主要树种占80%,混交树种占20%为最佳,选取树种时注意适地适树。

2.2依枯损率推证林分特征参数

2.2.1树木生长周期计算

      在进行森林小班的理想分布模式论证时,为保障收获量符合预期,需要考虑林木的枯损率。将小班内的树木依径阶分为 5、15、25、35径阶。

       根据全国具体的森林资源状况,通过7000多个固定样地4期一类调查数据,将立地环境、地理位置等复杂信息划分为生长格局(立地)指数以及生长结构(地位级)指数,结合全国43种主导乔木树种组,研建中国主导乔木胸径生长模型2-1。

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(2-1)据此,建立中国主要乔木模型及生长时间表,并按以下公式计算生长周期:

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 (2-2)

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(2-3)


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2.2.2各径阶密度计算

      若△Ti5相等均为T时,则t10=2T,t20=4T,t30=6T,t40=8T时,可将密度公式简化为:

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       各径阶均速生长时密度及林分平均胸径如表2-1所示:

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       以上为纯林理想分布模式,依此可推证出异龄混交林结构的理想分布模式,推证过程如下:

(1)树种组成依据常见混交原则,主要树种占60%,混交树种占40%为最佳,选取树种时注意适地适树;

(2)分别计算主要树种和混交树种的生长周期;

(3)利用BP神经网络计算主要树种和混交树种的N35°;

(4)依据公式计算主要树种和混交树种各径阶密度;

(5)计算理想林分平均胸径及林分蓄积量和生长量。

       对森林小班内的树木 5、15、25、35径阶分别对应幼龄林,中龄林,近熟林,成熟林的林分密度,各径阶密度占比则有以下计算方法:

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 (2-6)

2.2.3其他林分特征参数计算

2.3 使用原则

森林理想分布理论运用的前提及原则如下:

(1)N05>N15>N25>N35;

(2)定义林分中有dmax≥37cm (特大径阶);

(3)择伐量≤择伐周期生长量△M;

(4)一次择伐量强度(针叶>30m3,阔叶>60m3)或采伐经济收获量大。

3.理想林评价

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      若0%≤△总≤ 10%则为优属于理想状态,0%≤△总≤ 20% 则为良属于比较理想状态,若0%≤△总≤ 30% 则为合格,由于理想林是建立在密度最大原则的基础上,若△总为负或>30% ,现实林分密度大于理想林分密度,则不合格。

3、无林地营造理想林设计

1.概述

       无林地是由于各种原因所造成的空旷而暂时又没有生长出树林的土地。无林地造林对于水土保持、防风固沙、净化空气、降噪降尘均有重要的意义。在适地适树的前提下配置适宜的混交比、设计最优初植密度、合理进行间伐并完成理想林综合评价是无林地营造理想林的关键环节。

2.技术路线

2.1无林地营造理想林时态设计

2.2 无林地营造理想林流程设计

       通过实地调查,获取立地因子信息,依据适地适树原则选择当地适宜树种,确定混交比例k,并计算各树种生长周期及适宜密度后,依据初始密度种植密度进行混交造林,造林面积比与密度比一致。在t15时刻时,平均胸径达到15径阶,间伐15径阶2kN05并补植2kN05相应树种;在t25时刻时,平均胸径达到25径阶,分别间伐15径阶和25径阶kN05并补植2kN05相应树种;在t35时刻,林分逐渐进入理想林经营状态,此时依据精准择伐原则,定期择伐大径阶,补植小径阶即可实现森林的永续经营。

      现假设有一宜林荒山荒地,经度115.45°、纬度38.26°、年降水量654.36mm、地貌中山、海拔 1650m、坡向东北坡、坡位中坡位、土壤褐壤、土壤厚度 83mm、腐殖质厚度 10mm、枯枝落叶厚度 6mm、植被总盖度 35,造林面积1亩,预计进行行列种植。

      树种选择参考乡土树种,附近树种为刺槐、柏木、栓皮栎、毛白杨等,本次造林选择刺槐和油松混交营造异龄混交林,混交比按照惯例主要树种刺槐60%,混交树种柏木40%。

       两树种生长时间表如下:

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       该地区两树种森林最大面积分别为:柏木:365株/公顷,刺槐:566株/公顷。计算可得当该小班达到森林理想分布状态是各树种的径阶密度情况,如表3-3所示:

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       依据无林地造林设计原理,计算可得,在考虑枯损率的条件下初始造林时刺槐种植密度为394株/公顷,柏木种植密度为181株/公顷。此时林各树种径阶分布,如表3-4所示:

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      5年时刺槐的平均胸径达到15cm,对其进行按列间伐,间伐强度197株/公顷,间伐后补植5cm的幼苗,补植幼苗197株/公顷,如表3-5所示:

微信图片_20200803112218.png

       8年时柏木的平均胸径达到15cm,对其进行按列间伐,间伐强度为90株/公顷,间伐后补植5cm的幼苗,补植幼苗90株/公顷,如表3-6所示:

微信图片_20200803112221.png

      10年时对刺槐15径阶25径阶进行按隔列间伐,15径阶间伐强度为99株/公顷, 25径阶间伐强度为99株/公顷,间伐后补植5cm的幼苗,补植幼苗197株/公顷,补植如表3-7所示:

微信图片_20200803112223.png

      16年时对柏木15径阶25径阶进行按隔列间伐,15径阶间伐强度为46株/公顷,25径阶间伐强度为44株/公顷,间伐后补植5cm的幼苗,补植幼苗90株/公顷,补植如表3-8所示:

微信图片_20200803112226.png

      15年时对刺槐进行择伐,并补植,以达到理想分布状态如表3-9所示:

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       24年时对柏木进行择伐,并补植,以达到理想分布状态如表3-10所示:

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无林地营造理想林流程图例展示如下:

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15cm间伐前后对比图

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25cm间伐前后对比图

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择伐经营后,理想林营造完成

2.3理想林评价

       经理想林评价,此时,该小班已完成理想营造,此后依据精准择伐理念进行经营,在外部环境不发生改变的情况下,可实现永续经营,树种密度、林分年生长量可保持稳定。

4、纯林改造为理想林设计

1.概述

理想的森林小班结构是异龄混交林模式,而不是同龄纯林,同龄人工纯林,要营造为仿天然(近自然)的异龄混交林。混交林可较充分地利用光能和地力,而纯林对外界空间利用显得不够充分,但这并不意味着纯林就不能很好地利用外界条件。其次,混交林可较好地改善林地的立地条件,表现在两方面:一是混交林所形成的复杂林分结构,有利于改善林地小气候,使树木生长的环境条件得到较大改善;二是混交林可增加营养物质的储备及提高养分循环速度,使林地土壤地力得到维持和改善。而纯林在改善林地立地条件方面不如混交林。再次,混交林可较好地促进林木生长,增加林地生物产量,增加林产品种类,维持和提高林地生产力,进而较好地发挥林地的生态效益和社会效益。此外混交林还可增强林木的抗逆性。

       在纯林营造理想林的实践中,一方面需满足混交面积比等于设计或调查的株数密度比。为增加生物多样性,应注意提倡多树种混交,多类型混交,立体混交。另一方面,龄级因为立地条件和地位级不同,同龄级在径阶上会差异很大,因此更确切的说,要引入全径阶(小、中、大、特大径阶)的森林为理想的森林造林模式。

2. 技术路线

2.1初始纯林调查

      在纯林改造之前,需对纯林进行初始调查,可采用的调查方法有电子角规测树以及四边形微样地等,测定小班树种组成,立地参数,生长指数,平均胸径,以及径阶现实密度。

2.2混交比与初始密度设计

      纯林改造为理想林混交比与初始密度设计原理与无林地营造理想林相同,树种组成依据常见混交原则,主要树种占60%,混交树种占40%,或主要树种占70%,混交树种占30%或主要树种占80%,混交树种占20%为最佳,选取树种时注意适地适树。同样的,基于森林小班基础信息、主要乔木生长模型及生长时间表,推算现有林分条件下的森林理想分布模式,得到理想的初始密度。

2.3纯林改造为理想林流程设计

       当小班内主要树种和混交树种平均胸径小于15cm时,与该小班树种理想分布进行比较,当现实分布与理想分布差异较大时,间伐并补植萌生混交树种及优势树种,第一次间伐在t15时强度以(N15*-2N15)*d15为基准并补植2N05的胸径为5cm的该树种,第二次间伐在t25时强度以N15*d25+N05*d15为基准并补植N05的胸径为5cm的该树种,第三次间伐在t35时强度以(N15-N35)*d35+(N05-N25)*d25+(N05-N15)*d15为基准并补植N05的胸径为5cm的该树种,则在t35后逐渐进入理想林状态。

       当现有纯林为15cm级时改造为理想林,各径阶间不同时态下的间伐密度计算如表4-1所示:

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       当小班内主要树种和混交树种平均胸径大于15cm小于25cm时,与该小班树种理想分布进行比较,当现实分布与理想分布差异较大时,间伐并补植萌生混交树种及优势树种,第一次间伐在t25时强度以(N25*-2N25)*d25为基准并补植2N05的胸径为5cm的该树种,第二次间伐在t35时强度以 (2N25-2N35)*d35+(2N05-2N15)*d15为基准并补植N05的胸径为5cm的该树种,第三次间伐在t05时强度以 N35*d35+(2N15-N25)*d25+(N05-N15)*d15为基准并补植N05的胸径为5cm的该树种,则在t05后逐渐进入理想林状态。

       当现有纯林为25cm级时改造为理想林,各径阶间不同时态下的间伐密度计算如下表所示:

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       当小班内主要树种和混交树种平均胸径大于25cm小于35cm时,与该小班树种理想分布进行比较,当现实分布与理想分布差异较大时,间伐并补植萌生混交树种及优势树种,第一次间伐在t35时强度以(N35*-N35)*d35为基准并补植3N05的胸径为5cm的该树种,第二次间伐在t05时强度以(3N05-2N15)*d15为基准并补植2N05的胸径为5cm的该树种,第三次间伐在t15时强度以(2N15-N25)*d25+(2N05-N15)*d15为基准并补植N05的胸径为5cm的该树种,则在t15后逐渐进入理想林状态。

       当现有纯林为35cm级时改造为理想林,各径阶间不同时态下的间伐密度计算如表4-3所示:

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2.4理想林评价

       人工纯林经过间伐与补植逐渐达到理想的异龄混交林模式,此时,与无林地营造理想林相同,需要对林分进行评价,判断该林分是否达到理想分布状态。

5、森林精准采伐与利用

1.概述

      通过无林地营造异龄混交林、人工纯林改造为混交异龄林,原本的荒山荒地与人工林逐渐达到森林理想分布模式,综合考虑货币时间价值,若要使森林收获最大的经济效益,则需要对森林进行精准采伐方案的设计。这里,我们主要介绍人工林皆伐与理想林精准择伐。为达到森林经济效益最大化,人工林皆伐与理想林择伐的关键问题在于采伐周期与择伐强度的设计。

2.技术路线

2.1理想林评价

      森林精准采伐利用设计是在森林实现理想分布的前提下进行的,因此需对现有林分进行评价,评价方法与标准参考森林理想分布的“理想林评价”部分。当林分达到理想林状态时,应综合考虑森林的货币时间价值,进行精准采伐利用设计。

2.2人工林最佳皆伐周期设计

       皆伐是进行林业采伐作业的重要要方式,尤其对于产量高、材质优的速生林而言.皆伐的周期与林地经营效益密切相关,关系到能否获取最大的经济效益,只有找到合适的皆伐周期,并在适当的周期内进行林业采伐,才能保证可观的林地经营效益.

       对于人工用材林来说,轮伐仍然是一种主要的森林经营方式。在一个轮伐期初投入苗木费C0,以后每年投入森林管护费C1,到第n年为一个轮伐周期,进行皆伐,当年投入采伐费C2,并收获伐木收益F,贴现率为r。其现金流量图如下:

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 图:5-1

       接下来,以保证年收益最大为目标,对轮伐期做如下推证:

森林年度收益关于时间t的函数图像如下:

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图:5-2

如图所示,第n年皆伐时收获最大经济效益。

2.3理想林择伐设计

       择伐是森林主伐方式之一。在预定的森林面积上定期地、重复地采伐成熟的林木和树群。择伐可使森林不断实现局部更新,地面始终保持森林覆被,因而形成的森林是异龄复层林,能充分发挥森林的生态效益。择伐后,林地上有林木庇护,可保持比较稳定的森林环境。

2.3.1择伐原则

在择伐的过程中,要遵循一定的择伐原则:

(1)在选择择伐对象时,要选择大径木(d>37cm)中竞争生长量最小者,或超过理想分布的小、中径阶为择伐对象木(目标树),即此时择伐工作量最小。

(2)一次择伐量强度为:针叶>30m3,阔叶>50m3或满足采伐径阶收获量最大

(3)择伐量要满足:择伐量≤择伐周期生长量∆M

     其中,在选择择伐木时,竞争生长量FSCG计算方法如下:

2.3.2择伐周期与最大年收益

      理想林择伐周期以收获最大经济效益为主要目的,计算方法同人工林轮伐周期,但理想林择伐周期以每五年为基本单元。择伐后的第一年投入苗木费C0,进行补植,以后每年投入营林费C1,第n年到达采伐周期,当年投入采伐费C2,并收获伐木收益F,贴现率为r。其现金流量图如下:

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  图:5-2

微信图片_20200803112314.png

2.3.3择伐强度与总择伐量

       首先,进行生长量∆M的计算,进而,通过计算得到择伐强度∆mk,最后计算总择伐量。计算公式如下:

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其中,S为小班面积。