基于模拟测算法的森林合理年伐量确定与应用.pdf

No.3FORESTRESOURCESMANAGEMENT第3期June20232023年6 月林业资源管理基于模拟测算法的森林合理年伐量确定与应用陈晶晶柴宗政（贵州大学林学院，贵阳550 0 2 5）摘要：森林合理年伐量的科学测算是优化森林结构和实现森林资源可持续发展的关键。以贵州省国有浪风关林场为例，采用模拟测算法确定马尾松用材林的合理年伐量，并与传统公式法进行对比。结果表明：1）基于模拟测算法确定30 a为马尾松用材林的最优经理期和轮伐期，合理年伐面积为19.8 8 hm，年伐蓄积为48 0 7.11m。2）在未来30 a的模拟经营过程中，龄组结构逐渐趋于稳定，中龄林和近熟林面积占比逐渐减小，幼龄林和成过熟林面积占比逐渐增大，模拟经营后的马尾松用材林成过熟林面积占比可稳定处于42.8 6%，龄组结构呈理想分布。3）与传统公式法相比，模拟测算法具有更加科学的测算机理、更加灵活的适应能力、更加精准的测算过程和更加客观的测算结果。采用模拟测算法来确定森林合理年伐量，能够为指导森林经营和实现森林资源的永续利用提供科学的参考依据。关键词：模拟测算法；传统公式法；森林合理年伐量；龄组结构中图分类号：S757.455文献标识码：A文章编号：10 0 2-6 6 2 2（2 0 2 3）0 3-0 146-0 7D0I:10.13466/ki.lyzygl.2023.03.020Determination and Application of Reasonable Annual ForestHarvesting Volume Based on Simulation Calculation MethodCHEN Jingjing,CHAI Zongzheng(College of Forestry,Guizhou University,Guiyang 550025,China)Abstract:The scientific measurement of reasonable annual harvesting volume of forests is the key tooptimize forest structure and achieve sustainable development of forest resources.In this study,based onthe forest resource survey data of Langfengguan state-owned forest farm in Guizhou Province,computersimulation was used to determine the reasonable annual harvesting amount of horsetail pine timber forestin this forest and compare it with the traditional formula method.The results showed that:1)the optimalmanagerial period and rotation period of 30 years were determined based on the simulation method,and thereasonable annual harvesting area was 19.88 hm and the annual harvesting volume was 4 807.11 m.2)During the simulation management in the next 30 years,the age group structure would be graduallystabilized,the proportion of middle-aged and near-mature forests would be gradually decreased,and theproportion of youngandover-mature forests would be gradually increased.After the simulated收稿日期：2 0 2 3-0 4-12；修回日期：2 0 2 3-0 5-31基金项目：国家自然科学基金项目（32 0 0 1314）；贵州省林业科研项目“马尾松中幼林近自然抚育关键技术研究”（黔林科合【2 0 2 2 38 号）；贵州大学培育项目近自然经营对马尾松群落植物功能性状调控机制”（贵大培育【2 0 19 38 号作者简介：陈晶晶（19 9 9-），女，贵州安顺人，硕士研究生，主要研究方向：林业生态。Email：j c h e n 19 9 9 16 3.c o m通讯作者：柴宗政（19 8 6），男，甘肃武威人，副教授，主要研究方向：森林经营与生态建模。Email：c h a i z z 12 6.c o m147陈晶晶等：基于模拟测算法的森手伐量确定与应用第3期management,the proportion of mature and over-mature forest area could be stabilized at 42.86%,and theage group structure would be ideally distributed.3)Compared with the traditional formula method,thesimulation method has more scientific measurement mechanism,more flexible adaptability,more accuratemeasurement process and more objective measurement results.The use of simulation to determine thereasonable annual forest harvesting volume can provide a scientific reference basis for guiding forestmanagement and realizing the sustainable use of forest resources.Key words:simulation calculation method;traditional formula method;reasonable annual forest harvestingvolume;age-group structure科学合理的森林年伐量测算是森林经营方案编制的关键，是森林限额采伐的基础，有助于实现森林结构优化、森林质量提升、森林资源的可持续经营和发展1-2 。使用公式计算年伐量的传统方法大多要求立地均匀且林分组成接近法正林（Normalforest）,而在现实中，森林受到人为干预和自然更新等多方面因素的影响，很难满足公式计算法严苟的要求，测算结果往往差异较大，很难反映经营单位森林资源的真实状况。近年来，随着计算机及信息技术的发展，通过计算机模拟优化算法来确定合理年伐量的方法逐步完善,确定结果也更加精准。周洁敏等3 以一般最优控制模型为理论基础，利用最优控制模型对森林采伐量进行合理计算。陈伯望等4 和Glover等5 对Tabu搜索法、线性规划、模拟退火算法和遗传算法等方法确定森林采伐量进行了对比研究。党永峰6 利用不同尺度的遥感数据构建数学模型估测森林采伐面积和采伐量。欧阳君祥等7 和戴其林等8 利用FMODS（Fo r e s t M o d e l i n g a n d O p t i mi-zationSystem，森林模拟优化系统）和FSOS（Fo r e s tSimulation and Optimization System，森林模拟优化模型）两种模型，对用材林主伐方案的年伐量进行了详细的计算分析，从而确定合理年伐量。这些研究充分考虑了森林环境和林分生长演化规律，为森林合理年伐量的确定提供了有效的理论依据和实践指导9 受森林资源状况变化等因素的影响，采用传统公式法确定合理年伐量存在单一性的缺点，其计算结果主观性较强，未能结合各龄组面积和蓄积的动态变化趋势对合理年伐量进行分析。本研究以贵州省国有浪风关林场为例，根据2 0 2 0 年贵州省森林资源调查数据，结合最优经理期面积和蓄积动态变化，与传统公式法计算的结果进行对比，采用模拟测算法确定该林场马尾松用材林的合理年伐量。同时，根据森林生长规律和国家森林采伐等相关政策，以现有森林资源状况为基础，对研究区的森林资源蓄积和采伐量进行合理估算，以期为实现森林资源的可持续发展提供科学依据)O1研究方法1.1研究区概况根据2 0 2 0 年贵州省森林资源调查数据，贵州省国有浪风关林场包括12 3个马尾松用材林小班，面积1042.62hm，蓄积17 546 9.2 6 m，马尾松用材林龄组分布不合理（表1），幼龄林面积小，主要为中龄林和近熟林，而成过熟林面积占比较大，表明该林场马尾松用材林可采伐量相对较大。由马尾松用材林林分在55a内蓄积的平均生长量和连年生长量的变化趋势图（图1)可知，在2 5a时，蓄积的平均生长量最大，表明此时马尾松用材林已达到数量成熟(）O1.2传统公式法目前，计算森林年伐量的传统公式法包括面积控制法和蓄积控制法（表2）。这两种方法的区别是计算途径有所不同，面积控制法需要先确定森林的年伐面积，然后根据年伐面积计算年伐蓄积，最终实现森林年伐量的调整。蓄积控制法可以用蓄积量或生长量有效控制采伐量，使采伐森林的年蓄积量保持恒定，并可通过调整森林产量进行优化，克服了面积控制法因森林动态变化而产生的不稳定性的缺点，调整现实林为法正蓄积状态，产量最大。传统公式法的8 个典型年伐量计算公式11-12】如表2 所示。148第3期林业资源管理表12 0 2 0 年贵州省国有浪风关林场马尾松用材林资源情况Tab.1 Resources states of Pinus massoniana timber forest in the state-owned Langfengguan forest farm in Guizhou Province in 2020龄级林龄/a面积/hm蓄积/m3林龄中值/a蓄积中值/m3幼龄林1 11158.021319.358519.63中龄林11 21241.8627 176.5341592.69近熟林2131231.7537801.61025160.643141381.2677930.84035211.12成熟林415119.685.696.11045245.70过熟林51 6010.253.571.23055268.49平均生长量连年生长量6420051525354555林龄/a图1贵州省国有浪风关林场马尾松用材林蓄积Fig.1 Stock volume for Pinus massoniana timber forest in thestate-owned Langfengguan forest farm in Guizhou Province1.3模拟测算法模拟测算法通过控制林分面积模拟森林的生长过程，以法正林理论为基础，利用系统控制理论，用计算机模型模拟测算法来估计合理年伐量，该模型用于模拟经理期内的森林生长、采伐和再造这一经营循环过程，在经理期或轮伐期，每年采伐相同的数量，不采伐低龄组的林分，只对成过熟林进行采伐，更新造林在采伐后一年内完成。通过模拟林分生长，经过一个经营管理期，将幼龄林、中龄林、近熟林、成熟林和过熟林的面积比例调整为2:1:1:2：114,使成熟和过熟林面积占比稳定在42.8 6%，从而达到比较理想的分布状态15。模拟测算法的具体模型原理和计算方法可参照周洁敏等16 的相关研究，计算流程如图2 所示。表2 传统公式法的年伐量计算公式Tab.2 The formula for calculating the annual felling volume by the traditional formula method类别测算方法代码公式区划轮伐法1S=F/u;E=Sxm成熟度法2S=（S成+Su)/a;E=（E成+E过)/a面积控制法第一林龄公式3S=(S证+S成+S)/2a;E=Sm第二林龄公式4S=（S$+S近+S成+S)/3a;E=Sm法正蓄积量法5E=Zw+(Vw-VN)/A;S=E/m数式平分法6E=Vw/u+Zw/2;S=E/m蓄积控制法洪德斯哈根公式7E=VwEn/Vn;S=E/m平均生长量法8E二ZZ;S=E/m注：S为年伐面积；E为年伐蓄积；F为经营总面积；S中，S近，S成，S过分别为中龄、近熟、成熟和过熟林的面积；a为龄级期的年数；u为轮伐期；m为成过熟林平均单位面积蓄积量；Zw为现实林连年生长量；Vw为现实林蓄积；V为法正蓄积；A为经理期；Z，为各龄级蓄积平均生长量。149陈晶晶等：基于模拟测算法的森林合合理年伐量确定与应用第3 期开始初始化计算采伐量增大采伐量大于否是否达到小于年度经理期调整目标减小采伐量是丫是模拟生长合理年伐量结束采伐量成过熟林是模拟采伐模拟更新图2模拟测算法流程图 1 6 Fig,2 Flow chart of simulation calculation method 161.4数据处理所有数据分析与制图均采用R语言，其中模拟测算法和传统公式法的计算通过自主编程实现，制图采用月ggplot2程序包。2马尾松用材林年伐量的确定2.1不同经理期合理年伐量的确定以经理期末成熟林和过熟林的面积占比稳定在4 2.8 0%为控制目标，利用模拟测算法分别模拟测算经理期为1 4 0 a时的马尾松用材林合理年伐面积（图3）和年伐蓄积，通过模拟测算，该林场马尾松用材林在经理期为1 5 a时，各龄组面积比率无法达到控制目标；最早在经理期为6 a时可达到控制目标，经理期为6 2 9 a时，合理年伐面积波动较大；经理期为6 a时年伐面积和年伐蓄积最大，分别为3 2.7 7 hm和7 9 2 2.5 6 m；经理期为2 5 a时，年伐面积最小，为1 8.3 9 hm，年伐蓄积为4 4 4 5.9 1 m；经理期为3 0 4 0 a时，年伐量趋于稳定，年伐面积为19.88hm,年伐蓄积为4 8 0 7.1 1 m。经理期为6 4 0 a时的马尾松用材林各龄组年伐面积及蓄积如图4 所示，从图4 可以看出，经理初期，过熟林最早被伐除；经理期为6 2 5 a时,经理期内无过熟林;经理期为2 6 4 0 a时，经理期末出现过熟林，此后一直存在，面积和蓄积按先增大后减小的趋势来回波动。幼龄林占比随着经理期的增大逐渐减小，中龄林占比逐渐增大，近熟林占比先减小后增大;经理期为3 0 4 0.a时，在经理期末，幼龄林、中龄林和近熟林占比保持稳定，面积均为1 9 8.8 3 hm，占比均为1 9.0 7%，蓄积分别为3 9 0 2.6 4，1 8 4 3 0.3 5，31940.25m，占比分别为2.4 7%，1 1.6 6%,2 0.2 1%，成过熟林总面积为4 4 6.3 3 hm，占比4 2.8 0%。从以上分析可知，马尾松用材林经理期为3 0 4 0 a时，面积和蓄积的变化均趋于稳定，因此，可将3 0 a作为马尾松用材林的最优经理期和主伐年龄。302622V1805610152025303540经理期/a图3马尾松用材林合理年伐面积的模拟测算结果Fig.3 Simulation results of reasonable annual cuttingarea for Pinus massoniana timber forest10075%/早幼龄林中龄林50近熟林成熟林过熟林2500610152025303540经理期/a(a)面积占比10075%/幼龄林中龄林50近熟林成熟林过熟林2500610152025303540经理期/a(b)蓄积占比图4龄组面积和蓄积占比随经理期变化图Fig.4 Change of area and volume proportion of age groupwith management phase150第3 期林业资源管理2.2最优经理期面积与蓄积分布由图4 和表3 可知，最优经理期设定为3 0 a时，年伐面积为1 9.8 8 hm，年伐蓄积为4 8 0 7.1 1 m。在经理期末（2 0 5 0 年），成过熟林面积占比由2 0 2 0 年的3 9.4 3%增加至4 2.8 0%，达到理想状态。从最优经理期（2 0 2 1 2 0 5 0 年）各龄组的面积和蓄积（图5）可知，幼龄林、成熟林和过熟林的占比明显提升，中龄林和近熟林的占比降低，各龄组的面积和蓄积分布更趋于合理。幼龄林在2 0 3 0 年时趋于稳定，中龄林在2 0 4 0 年时趋于稳定，近熟林在2050年时趋于稳定，2 0 5 0 年成熟林和过熟林的面积占比保持在4 2.8 6%，达到理想状态。表3 各龄组面积和蓄积占比Tab.3 Proportion of area and volume of each age group2020年2050年龄级面积/hm面积占比/%蓄积/m3蓄积占比/%面积/hm面积占比/%蓄积/m3蓄积占比/%幼龄林158.0215.151 319.360.86198.8319.0673.902.642.47中龄林241.8623.1927176.5317.71198.8319.06718 430.3511.66近熟林231.7522.2237 801.6124.63198.8319.06731940.2520.21成熟林400.9438.4583 626.9554.48399.8838.34691335.7957.78过熟林10.250.983.571.232.3346.454.45412.471.317.8910075%/幼龄林中龄林50近熟林成熟林过熟林2502020 202120252030 2035204020452050年份(a)面积分布10075%/早幼龄林中龄林50近熟林成熟林25过熟林02020202120252030 2035 204020452050年份(b)蓄积分布图5 220212050年各龄组的面积和蓄积分布趋势图Fig.5 Trend of area and volume distribution by age groupfrom2021to 20502.3合理年伐量确定方法比较用模拟测算法和8 种传统公式法测算经理期为30a时的合理年伐量，经测算，8 种传统公式法测算的年伐面积为1 0.5 8 1 0 4.6 9 hm，年伐蓄积为2558.2625311.35m，模拟测算法测算的年伐面积为1 9.8 8 hm，年伐蓄积为4 8 0 7.1 1 m，传统公式法测算的合理年伐量普遍大于模拟测算法的测算结果。根据年伐量模拟1 个轮伐期（3 0 a）内马尾松用材林的采伐过程，从森林可持续经营的角度看，模拟测算法结果更加科学合理，以经营期末成熟林和过熟林的面积占比稳定在4 2.8 6%为目标，最终达到最佳森林经营效果。以经理期1 0 a作为1 个阶段，分3 个阶段进行计算。2 0 2 0 年时马尾松用材林表4不同方法测算经理期为3 0 a时的马尾松用材林合理年伐量结果Tab.4 The results of different methods to calculate thereasonable annual harvesting volume of of the timberforest Pinus massoniana with a managerial period of 30 a年伐面积/年伐蓄积内容测算方法hm2m计算机模拟法模拟测算法19.884.807.11区划轮伐法34.767.371.45成熟度法41.118.719.82面积控制法第一林龄公式32.156817.19第二林龄公式29.496254.45法正蓄积量法32.717.908.77数式平分法33.708147.17蓄积控制法洪德斯哈根公式10.582.558.26平均生长量法104.6925.311.35151陈晶晶等：基于模拟测算法的森林合理年伐量确定与应用第3 期成过熟林有4 1 1.1 9 hm，模拟测算法在第3 个阶段完成，成过熟林面积达到4 2.8 6%；洪德斯哈根公式在第3 个阶段结束时，计算结果显示没有完成全部采伐，年伐面积过小；平均生长量法、成熟度法在第1个阶段时，计算结果表明全部采伐完，年伐面积过大;区划轮伐法、第一林龄公式、第二林龄公式、法正蓄积量法、数式平分法在第2 个阶段时，计算结果表明采伐完。综合比较，模拟测算法的结果是科学合理的，8 种传统公式法中，第二林龄公式测算方法的计算结果年伐面积为2 9.4 9 hm，与模拟测算法测算结果最为接近。3讨论与结论本文以2 0 2 0 年贵州省国有浪风关林场森林资源调查数据为基础，以马尾松用材林为研究对象，利用模拟测算法对不同经理期合理年伐量进行模拟，结合最优经理期时的面积与蓄积比例动态变化，与传统公式法比较，测算得出最优经理期和合理年伐量。测算结果显示，该国有林场马尾松用材林的最优经理期及轮伐期为3 0 a，合理年伐面积为19.88hm，年伐蓄积为4 8 0 7.1 1 m。在未来3 0 a中，通过模拟经营，将成熟林和过熟林面积比例调整至4 2.8 6%，达到理想状态；同时各龄组所占比例趋于稳定，面积和蓄积分布趋于合理。该方法自提出至现在已被广泛应用并取得较好的效果 1 7-1 8 ,通过模拟测算法确定森林合理年伐量，既能优化林分结构、提高森林质量，又能保持可利用林分资源的相对稳定，可以为森林可持续经营与发展提供科学指导。选用正确的年伐量计算公式或方法直接关系到计算结果的科学性和适用性 1 9 ，本研究选用8 种比较经典且使用频率较高的传统公式 2 0 ,与模拟测算法的合理年伐量结果进行比较。结果显示，采用传统公式法计算方法简单，但需林分具有均匀分布的龄级结构或接近法正林等特定条件，因此，适用性受森林资源动态变化特征的制约，如由于人为干扰、自然环境更新等诸多因素的影响，森林的林分空间分布不均，立地质量不均匀，无法满足传统公式法的前提条件。森林复杂的动态变化导致合理年伐量的确定要根据实际情况进行调整。同时，传统公式法可能会导致过度采伐，以及在轮伐期之前采伐未成熟林分的情况，不利于调整和合理优化林分的龄级结构 2 1 。模拟测算法可以在系统控制理论的基础上，长期模拟森林经营过程及森林资源的动态变化过程，获得的年伐量不是一个固定数值，并且模拟测算法充分考虑林分中龄组分布情况，可以科学合理的调节各个龄组年伐面积，测算结果更加客观可靠，可以适用于林分林龄结构不合理的森林经营单位，克服了传统公式法存在的局限性和随意性问题，能够为确定合理的年采伐量和采伐限额提供科学参考,科学地指导森林经营 2 森林合理年伐量的确定是一项复杂的工作，培育健康、稳定、优质、高效的森林资源更是一个长期的过程，应充分考虑森林的生长规律，对森林资源状况进行科学评价。根据经营单位的实际情况和经营能力，兼顾经济、生态和社会效益进行综合分析是确定森林合理年伐量一直遵循的原则和追求的目标，通过有效的森林资源管理，真正实现“越采越好、越采越多、青山常在、永续利用”2 3 参考文献：1 】孙艳蓉.辽宁省采伐限额编制合理年采伐量计算方法探讨 J.绿色科技,2 0 2 0(1 1):1 6 8-1 6 9.2 姜黎黎.辽宁省“十四五”森林合理年采伐量测算方法 J.内蒙古林业调查设计，2 0 2 1,4 4（3）：9-1 0.【3】周洁敏，彭松波.森林合理采伐量计算方法一一计算机模拟计算法研究 J.林业科技通讯，2 0 0 0（5）：1 2-1 5.4陈伯望，惠刚盈，GadowK.Tabu搜索法在森林采伐量优化问题中的应用 J.林业科学研究，2 0 0 3（1）：2 6-3 1.5 Glover F,Laguna M.Tabu search-modem heuristic techniques forcombinatorial problems J.Metaheuristics for Hard Optimization,2000,52(8):854-859.6】党永峰.基于尺度推绎法的森林采伐面积和采伐量估测J.林业资源管理，2 0 1 3（3）：1 2 9-1 3 3.【7】欧阳君祥，卢泽洋.森林经营单位合理年采伐量分析研究 J。林业资源管理，2 0 1 7（4）：3 0-3 6.8】戴其林，张超，商克容，等.利用森林模拟优化模型（FSOS）分析森林经营单位合理年伐量J.浙江农林大学学报，2 0 2 0,3 7(5):833840.9 谢小魁，苏东凯.“十二五”期间露水河林业局东升林场商品林合理年伐量测算 J.林业资源管理，2 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