1、doi：10.11707/j.1001-7488.LYKX20210869基于光竞争截止系数的崇礼冬奥核心区华北落叶松人工林目标树抚育间伐模拟*张晓红1,2周超凡1,2张状1,2冯林艳1,2符利勇1,2张会儒2,3（1.中国林业科学研究院资源信息研究所北京 100091；2.国家林业和草原局森林经营与生长模拟实验室北京 100091；3.中国林业科学研究院华北林业实验中心北京 102300）c cc摘要：【目的】以崇礼冬奥核心区华北落叶松人工近熟林为研究对象，探讨目标树抚育间伐采伐木选择方法及其对林分空间结构的影响，为更加合理开展森林经营活动、促进人工林质量提升提供科学依据。【方法】设置并调查
2、6块面积0.09 hm2（30 m30 m）标准地，按125株hm2目标树密度，采用定性与定量指标相结合的方法标记目标树。基于树冠重叠和树冠光竞争高度构建采伐木选择指标，设置不同光竞争截止系数（c）模拟选择采伐木，分析采伐强度变化，运用角尺度、混交度、密集度、交角竞争指数、林层指数和综合空间结构指数分析不同c值下目标树和林分空间结构指标的变化。【结果】c取值在01之间时，株数采伐强度和断面积采伐强度在10%35%范围内变化，且呈随c值增大而降低的相同变化趋势。经模拟采伐后目标树空间结构得到优化，改善幅度随采伐强度增大而增大。综合空间结构指数在 值0.6时达到最大提升幅度45.50%，角尺度和密
3、集度在 值0.7时变化幅度最大，分别为17.93%和46.83%，其他空间结构参数在 值0.6时达到最大变化幅度。抚育间伐可同时优化林分空间结构，对林分树种隔离程度、林木透光条件和竞争水平均具有不同程度改善。【结论】基于树冠重叠和树冠光竞争高度的采伐木选择方法，可通过调整光竞争截止系数控制采伐强度。树冠光竞争截止系数可作为目标树经营采伐木选择的约束条件，但具体抚育对象和抚育方式须结合林分特征和作业要求而定。关键词：目标树经营；采伐木；光竞争截止系数；冬奥核心区；空间结构；抚育中图分类号：S750文献标识码：A文章编号：10017488(2023)02003010Simulation on Cr
4、op Tree Management Tending and Thinning of Larix principis-rupprechtiiPlantation in Chongli Winter Olympics Core Area Based on Coefficient of Light CompetitionZhang Xiaohong1,2Zhou Chaofan1,2Zhang Zhuang1,2Feng Linyan1,2Fu Liyong1,2Zhang Huiru2,3（1.Research Institute of Forest Resource Information T
5、echniques,CAF Beijing 100091；2.Key Laboratory of Forest Management and Growth Modeling,National Forestry and Grassland Administration Beijing 100091；3.Experimental Centre of Forestry in North China,CAF Beijing 102300）cccccAbstract：【Objective】Taking larch near-mature plantations(Larix principis-ruppr
6、echtii)in the core area of Chongli WinterOlympics as objects,this paper was carried out to discuss the selection method of target trees thinning and its effects on forestspatial structure in order to provide scientific bases for reasonable management activities making and plantation qualityimproveme
7、nt.【Method】Six sample plots with the area of 0.09 hm2(30 m 30 m)were set up and measured.125 tree hm2target trees were marked according to qualitative and quantitative indicators.Based on crown overlap and crown light competitionheight,the method of cutting trees selection was developed,which was us
8、ed to select cutting trees simulated in 6 sample plots bysetting different values of light competition coefficient().Changes on cutting intensity were analyzed while those of target treeand stand spatial structure indexes under different c values were analyzed by using angular scale,mingling,crowdin
9、g,intersectioncompetition index,storey index and comprehensive index.【Result】The cutting intensity of both tree number and basal areavaried from 10%to 35%when the value of ranged from 0 to 1,indicating the same trend of decreasing with the increase of valueof.The spatial structure of target trees wa
10、s optimized by simulated tending thinning,and the improvement increased along withthe increase of cutting intensity.The maximum increase of comprehensive spatial structure index was 45.50%when value of was0.6.The maximum improvement of angular scale and crowding were 17.93%and 46.83%,respectively,un
11、der value was 0.7,收稿日期：20211124；修回日期：20220119。基金项目：张家口市崇礼区森林防火综合体系建设无人机巡护监测系统（DA2020001）；基于无人机平台的荒漠植被信息提取和生物量动态计测（CAFYBB2019QD003）；国家自然科学基金面上项目（31971653）。*张会儒为通讯作者。第59卷 第2期林业科学 Vol.59，No.22023年 2 月 SCIENTIA SILVAE SINICAE Feb.，2023c while other spatial structure parameters reached the maximum improv
12、ement with the values of is 0.6.Thinning also optimized thespatial structure of stand,and improved the isolation degree of tree species,light transmission conditions and competition levelamong trees in different degrees.【Conclusion】The thinning intensity could be controlled by adjusting the coeffici
13、ent of lightcompetition using cutting trees selection method based on crown overlap and crown light competition height.The coefficient ofcanopy light competition could be used as a constraint for selecting cutting trees of crop tree management.However,the thinningobjects and thinning methods should
14、be determined according to the stand characteristics and operation requirements.Key words：crop tree management；cutting trees；coefficient of light competition；Winter Olympics core area；spatial structure；tending 目标树经营是一种通过降低邻木冠层竞争、增加目标树生长空间提高单株木质量的营林技术，可以看作一种特殊的抚育间伐，是实现近自然森林经营的重要 途 径（Pommerening et al
15、.，2019），选 择 目 标 树、伐 除干扰木是增加目标树生长空间的重要手段，也是目标树经营的核心。不同于下层间伐、上层间伐和机械间伐等常规抚育间伐，目标树经营的间伐对象是影响目标 树 生 长 的 竞 争 木、干 扰 木，不 涉 及 目 标 树 树 冠 以 下的 邻 木（Healy et al.，1999）。因 此，开 展 目 标 树 抚 育 间 伐研 究 对 合 理 制 定 人 工 林 近 自 然 经 营 措 施 具 有 重 要 意 义。当前，有关目标树抚育间伐研究主要集中在间伐对单木和林分的生长影响方面，结果发现目标树抚育间 伐 能 够 显 著 提 高 单 株 目 标 树 的 胸 径 定
16、 期 生 长 量 和材 积 定 期 生 长 量（Kochenderfer et al.，2001；宁 金 魁 等，2009；何友均等，2013；王懿祥等，2014；李婷婷等，2015；周 超 凡 等，2022），促 进 林 分 断 面 积 和 蓄 积 增 长，如 经过 目 标 树 抚 育 间 伐 的 美 国 北 方 黑 桦（Betula lenta）8年间 胸 径 定 期 生 长 量 和 材 积 定 期 生 长 量 约 为 对 照 目 标树的2倍（Schuler，2006），长 白 山 蒙 古 栎（Quercusmongolica）次 生林3年 间 林 分 断 面 积 和 蓄 积 定 期 生
17、长率约为对照样地的2.5和3.6倍（张晓红等，2020）。也有学者探讨目标树抚育间伐对林分结构的影响，结果发 现 目 标 树 抚 育 间 伐 能 够 在 短 期 内 改 变 林 分 密 度 和物 种 组 成（Zenner et al.，2008），调 整 垂 直 结 构，降 低 林木 竞 争 水 平（张 晓 红 等，2019；胡 雪 凡 等，2021），提 高林木种间隔离程度，使林分空间分布格局趋于随机分布（胡 雪 凡 等，2019），在 实 现 目 标 树 空 间 结 构 优 化 的同时，保证林分空间结构稳定（陈科屹等，2017）。以往研究主要对目标树的经营效果进行分析，较少 关 注 间 伐
18、 对 象，事 实 上，抚 育 间 伐 对 林 分 生 长 的 促进 作 用 和 对 结 构 的 改 善 程 度 与 间 伐 对 象（即 采 伐 木）选 择 密 切 相 关（Li et al.，2014；王 懿 祥 等，2014；张 晓 红等，2020）。常 规 抚 育 间 伐 以“除 小 留 大、除 密 留 稀、除 劣 留 优”的 原 则 选 择 采 伐 木（何 贤 勤 等，2014）；为精准选择采伐木，也有学者将林分空间结构参数引入林分采伐规则，通过构建林分间伐空间结构优化模型确 定 采 伐 木（汤 孟 平 等，2004；曹 小 玉 等，2017）。而 目标 树 经 营 以“伐 除 影 响
19、目 标 树 生 长 的 干 扰 木”为 原则 选 择 采 伐 木（陆 元 昌 等，2009），通 常 选 择 与 目 标 树树 冠 重 叠 的 竞 争 木 作 为 采 伐 木（Schuler，2006），实 际选 择 过 程 中 受 主 观 因 素 影 响 较 大（Pommerening et al.，2019）。Pommerening等（2021）曾 对 技 术 人 员 选 择 目标树和采伐木的情况进行分析，结果发现在目标树选择上技术人员具有极高一致性，但在采伐木选择上各不 相 同，这 说 明 采 伐 木 选 择 是 一 个 模 糊 过 程，为 了 使该 过 程 更 加 清 晰，减 少 主
20、观 因 素 影 响，需 要 发 展 一 种定量的采伐木选择方法。鉴于此，本研究以崇礼冬奥核心区华北落叶松人工近熟林为研究对象，探讨目标树 抚 育 间 伐 采 伐 木 选 择 方 法 及 其 对 林 分 空 间 结 构 的影 响，以 期 为 更 加 合 理 开 展 森 林 经 营 活 动、促 进 人 工林质量提升提供科学依据。1研究区概况研 究 区 位 于 河 北 省 张 家 口 市 崇礼2022年 冬 奥 核心 区（1152411530E，40524059N），地 貌 为 低山丘陵，地形东北高、西南低，海拔8002 100 m，坡度主 要 集 中在615。属 东 亚 大 陆 性 季 风 气 候
21、，年 均 降水量450500 mm，年 均 气温3.7，存 雪期150天 以上。土 壤 多 为 棕 壤 和 褐 土。森 林 植 被 类 型 以 天 然 次生 林 和 人 工 林 为 主，主 要 乔 木 树 种 有 华 北 落 叶 松、白桦（Betula platyphylla）、山杨（Populus davidiana）、油松（Pinus tabuliformis）等，灌 木 或 小 乔 木 树 种 有 山 杏（Prunus sibirica）、沙 棘（Hippophae rhamnoides）、虎 榛子（Ostryopsis davidiana）、毛 榛（Corylus mandshuric
22、a）等，华 北 落 叶 松 林 地 面 积约2.5万hm2，占 核 心 区 有 林地面积的57%。2研究方法 2.1标准地设置与调查2021年6月，在研究区选择立地条件相对一致的第2期 张晓红等：基于光竞争截止系数的崇礼冬奥核心区华北落叶松人工林目标树抚育间伐模拟 31 华 北 落 叶 松 人 工 林 林 分，设置6块 面 积 0.09 hm2（30 m30 m）的标准地，记录坐标、海拔、坡度和坡向。同年68月 对 标 准 地 进 行 本 底 调 查，检 尺 所 有 胸 径5 cm以 上 的 林 木 并 编 号，使 用 拓 普 康（TOPCON）全 站仪 进 行 每 木 定 位，激 光 测 距
23、 仪 测 量 树 冠 东、西、南、北4个方向的冠幅，取平均值。应用超声波测高器测量树高，记录树号、树种、胸径、树高和健康状况。沿标 准 地 对 角 线 每 间隔1 m设置1个 观 测 点，采 用 抬 头仰 望 法 计 算 标 准 地 郁 闭 度。林 龄 通 过 查 阅 森 林 资 源二 类 调 查 数 据 相 应 小 班 信 息 获 取。标 准 地 坐 标为11526221152628E，405338405352N，海 拔1 6721 784 m，坡度1723，坡 向 北 或 东 北，土 层 厚度35 cm，林 分 为 林龄3539年 的 近 熟 林。标 准 地 林分因子统计见表1。表 1标准
24、地林分因子统计Tab.1Basic stand characteristics on sample plots for Larix principis-rupprechtii plantation标准地号Plot code树种组成Composition oftree species株数Stem number/hm2郁闭度Canopy cover胸径DBH/cm 树高Height/m 冠幅半径Crown diameter/m最小Min.均值Mean最大Max.最小Min.均值Mean最大Max.最小Min.均值Mean最大Max.7L3B 1 622 0.83 5.3 15.8 25.7 5.1
25、 12.5 17.1 1.1 1.7 3.6 10L 1 556 0.82 5.2 17.0 25.7 5.1 13.5 18.1 1.0 1.6 2.3 9L1B 1 300 0.88 5.8 18.1 26.8 4.2 13.5 16.9 0.6 2.0 3.3 10L 1 622 0.83 5.0 14.7 23.7 5.2 13.0 14.6 0.9 1.7 2.5 8L2B 1 667 0.82 5.0 15.4 22.6 5.8 12.4 17.3 0.9 1.7 2.6 9L1B 1 233 0.85 5.0 16.7 29.4 3.7 13.1 20.6 0.9 1.9 3.1
26、L：华北落叶松 Larix principis-rupprechtii；B：白桦Betula platyphylla.2.2目标树选择Pi目标树经营将林木分为目标树、干扰树和一般林木，其中目标树指表现出促进实现经营目标的理想特征、能 够 应 对 各 种 干 扰 并 长 期 保 持 竞 争 力 的 林 木（陆元昌，2006）。当前，目标树选择尚未有统一标准和指标，通 常 选 择 生 活 力 旺 盛（有 良 好 生 长 趋 势 的 冠 形）、干形通直、无损伤和病虫害痕迹且位于主林层的林木作为目标树。本研究参考国内外相关研究，基于研究区华北落叶松人工林林分特征，制定潜在目标树选择标准如下：1）优势木
27、或亚优势木、无病虫害、无枯损，以 反 映 林 木 健 康 状 况；2）0.4树 高 胸 径 比（H/D）0.8（Pommerening et al.，2021）；3）胸径大小位于前30%（Gary，2007）；4）树冠偏斜度 1（朱宇等，2013）。Pi 树冠偏斜度 计算公式如下：Pi=jCRiE CRiWj+jCRiN CRiSjCLi。（1）CRiE、CRiW、CRiN、CRiS、CLi 式 中：分 别 为 林木i的东、西、北、南冠幅半径和平均冠幅半径。基于上述标准选择潜在目标树，并去除距离边界2 m（标准地林木冠幅半径均值为1.62.0 m）内的潜在目 标 树，结 合 标 准 地 实 地
28、 调 查，按照125株hm2的 目标树密度（石乐等，2017；尹海锋等，2019）标记目标树。目 标 树 基 本 因 子 统 计 见表2。各 标 准 地 均 选择11株林 木 作 为 目 标 树，平 均 胸径 21.223.2 cm，平 均 高14.315.2 m，冠幅半径均值1.92.4 m。2.3采伐木选择目 标 树 抚 育 间 伐 对 象 为 与 目 标 树 树 冠 重 叠 且 明显 影 响 目 标 树 生 长 的 竞 争 邻 木。树 冠 重 叠 是 一 个 三维 事 件，不 仅 要 考 虑 水 平 方 向，还 要 考 虑 垂 直 方 向（Wang et al.，2020），在 不 影
29、响 经 营 目 标 的 前 提 下，应尽可能保留目标树树冠以下的邻木（张晓红等，2016）。根 据 以 上 原 则，参考 Latham 等（1998）和 郑 景 明 等（2007）的森林群落垂直结构划分方法，本研究提出基于树冠重叠和树冠光竞争高度的采伐木选择方法。表 2目标树基本因子统计Tab.2Basic characteristics of crop trees for sample plots标准地号Plot code株数Stem number胸径DBH/cm 树高Height/m 冠幅半径Crown diameter/m最小Min.均值Mean 最大Max.最小Min.均值Mean 最
30、大Max.最小Min.均值Mean 最大Max.I 11 20.5 22.6 25.7 12.6 15.1 16.6 1.6 2.2 2.5II 11 20.8 22.8 25.7 13.8 14.9 15.5 1.8 1.9 2.2III 11 20.3 23.2 26.4 13.6 15.1 16.9 2.1 2.4 2.9 11 19.1 21.4 23.7 12.4 14.3 15.9 1.7 2.3 2.5 11 19.2 21.2 23.6 12.6 14.5 15.4 1.6 2.0 2.5 11 20.6 23.1 27.7 13.5 15.2 16.7 1.7 2.2 2.8
31、32 林业科学 59 卷 HcritHcritiLatham 等（1998）指出，林木光合作用主要发生在树 冠 中 上 部，树 冠 下 部 几 乎 不 发 生 光 合 作 用，树 冠 光竞 争 高 度 即为2部 分 的 分 界 高 度。当 邻木j的 树高Hj高于目标树i的树冠光竞争高度 时，邻木j会对目标树i的光合作用产生影响，其生长受限，此时邻木j为采伐对象。i jj HjHcritiHjHcriti基 于 以 上 理 论，标 记 采 伐 木 的 流 程 如 下：首 先 选择 与 目 标 树 树 冠 重 叠 的 邻 木 作 为 潜 在 采 伐 木；然 后根 据 潜 在 采 伐 木 树 高 与
32、 目 标树i树 冠 光 竞 争 高 度的 关 系 确 定 采 伐 木，若 大 于，则 被 标 记 为 采伐 木；最 后 对 标 记 的 采 伐 木 进 行 矫 正，若 标 记 的 采 伐木对象为目标树，则改标记为保留木。Hcriti树冠光竞争高度 计算公式如下：Hcriti=HCBi+c CLi。（2）HCBiCLiic式 中：、为 目 标 树 的 枝 下 高 和 平 均 冠 幅 半 径；为光竞争截止系数。ccccc郑 景 明 等（2007）以=0.4时 的 树 冠 光 竞 争 高 度 作为林层划分依据，本研究为探讨华北落叶松人工林目标 树 抚 育 间 伐 的 最 优 光 竞 争 截 止 系
33、数，将 取 值 范 围扩 大到01之 间，间隔0.1，即 树 冠 光 竞 争 高 度 在 目 标树的枝下高至树高之间变化；并按小于30%采伐强度的 值 分 析 目 标 树 和 林 分 空 间 结 构 指 标 的 变 化，以 判断 不 同 值 的 抚 育 间 伐 调 控 效 果，优 化 效 果 最 好 时 对应的 值即为最优光竞争截止系数。2.4空间结构指标计算采 用 空 间 结 构 综 合 评 价 指 数 和 各 空 间 结 构 指 标，分 析 采 伐 前 后 目 标 树 空 间 结 构 和 林 分 空 间 结 构 的 变化。空 间 结 构 综 合 评 价 指 数 参 照 曹 小 玉 等（20
34、17）提出 的 林 分 空 间 结 构 指 数（基 于 乘 除 法 对 全 混 交 度、开敞 度、林 层 指 数、Hegyi竞 争 指 数 和 角 尺度5个 指 标建 立 的 目 标 函 数），并 结 合 研 究 对 象 特 征 进 行 修 正。首 先，全 混 交 度 取 值 整 体 偏 小，对 于 物 种 组 成 简 单 的人 工 林，没 有 复 杂 的 物 种 空 间 结 构，使 用 简 单 混 交 度即 可 较 好 反 映 经 营 前 后 物 种 隔 离 程 度 的 变 化；其 次，开敞度使用距离和树高比值反映林木透光条件，与交角竞争指数表达内容有所重复，故采用通过树冠是否相 接 判 断
35、 林 木 生 长 空 间 是 否 充 足 的 密 集 度 代 替 开 敞度；最 后，使 用 取 值 范 围 有 限 的 交 角 竞 争 指 数 代 替 取值范围无上限的Hegyi竞争指数。空间结构综合评价指数（Q）计算公式如下：Q=(1+Mi)=M(1+Si)=S(1+aCIi)aCI(1+jWi 0:5j)jW 0:5j(1+Ci)C。（3）式中：Wi、Mi、Ci、Si和aCIi分别为林木i的角尺度、混交 度、密 集 度、林 层 指 数 和 交 角 竞 争 指 数；|W-0.5|、M、aCIC、S和 aCI为 角 尺 度距0.5的 距 离、混 交 度、密 集度、林 层 指 数 和 交 角 竞
36、 争 指 数 的 标 准 差。W（惠 刚 盈等，1999）、M（Pommerening，2002）、C（胡 艳 波 等，2015）、S（吕 勇 等，2012）和（惠 刚 盈 等，2013）的 计算公式和参数意义见参考文献。计 算 林 层 指 数 时 采 用 改 进 的 优 势 高 法 划 分 林 层（周 超 凡 等，2019）。调查3块0.09 hm2华 北 落 叶 松 近熟林样地，按100株hm2的要求取9株最高林木的平均 树 高 作 为 优 势 高，计 算 优 势 高 与 最 低 树 高（hmin）间的 极 差（Hdist），以hmin+2/3Hdist为 上 层 与 中 层 的 分 界
37、高度，hmin+1/3Hdist为 中 层 与 下 层 的 分 界 高 度。若 林 木 树高h hmin+1/3Hdist，则 划 分 为 下 层；若hmin+1/3Hdist h hmin+2/3Hdist，则 划 分为 上 层。经 实 地 调 查 和 计 算，本 研 究 林 木 优 势 高为20.8 m，最 低 树 高 设 置 在 胸 高 位置1.3 m，则 上 层 与 中层、中层与下层的分界高度分别为14.3 m和7.8 m。W M CaCI S因 标 准 地 面 积仅0.09 hm2，采用5 m缓 冲 区 的边 缘 矫 正 方 法 会 导 致 核 心 区 面 积 减 小 一 半 以 上
38、（0.05 hm2），损失林木较多，无法较好体现标准地的整体优化效果。8邻域平移法对整体平均状态的估计同样 较 优（Pommerening et al.，2006），且 所 有 林 木 均 可 参与 林 分 空 间 结 构 计 算，林 分 信 息 损 失 较 少，因 此 本 研究采用8邻域平移法进行边缘矫正，求算空间结构指标，并按标准地林木株数或目标树株数求算均值得到平 均 角 尺 度、平 均 混 交 度、平 均 密 集 度、平 均交 角 竞 争 指 数、平 均 林 层 指 数 等 林 分 或 目 标 树平均空间结构状态指标。采 伐 木 选 择、模 拟 采 伐 和 空 间 结 构 参 数 计
39、算 均在R语 言 中 完 成，使用ggplot2包 绘 图（R DevelopmentCore Team，2020）。限于篇幅原因，本研究只展示号标准地的林木分布。3结果与分析 3.1采伐强度基 于 树 冠 重 叠 和 树 冠 光 竞 争 高 度 的 采 伐 木 选 择方 法，按 光 竞 争 截 止 系数c不 同 取 值 模 拟 选 择 采 伐 木后，林分采伐强度变化见图1。c ccccc分析不同 值对应的林分采伐强度可知，取值 在01.0之 间 时，株 数 采 伐 强 度 和 断 面 积 采 伐 强 度 在10%35%范 围 内 变 化，且 呈 随 值 增 大 而 降 低 的 相 同变化趋势，即随 取值减小，目标树有更多相邻木被选为采伐木，采伐强度逐渐增大。=0时，株数采伐强度和 断 面 积 采 伐 强 度 均 最 大，分 别为34.0%和34.5%；=1.0时，株数采伐强度和断面积采伐强度最小，分别第2期 张晓红等：基于光竞争截止系数的崇礼冬奥核心区华北落叶松人工林目标树抚育间伐模拟 33
