森林管理对动物生境影响的模拟研究——以小兴安岭友好林业局为例

理解森林管理对野生动物生境的累积效应，需要对不同森林管理预案作出预测、分析和评价。本文，以小兴安岭友好林业局为研究区，利用空间直观景观模型LANDIS模拟其在6种森林管理预案—无采伐、皆伐、择伐I（禁伐区不采伐，限伐区和商品林区每10年采伐面积分别为5%和10%）、择伐II（限伐区和商品林区10%和15%）、造林I（采伐同择伐I，伐后人工更新）和造林II（采伐同择伐II，伐后人工更新）下200年内的森林景观变化。在查阅文献、野外考察和咨询相关专家的基础上，以GIS为平台，构建有着不同生境需求的3种动物：松鼠（Sciurus vulgaris）、马鹿（Cervus elaphus）和花尾榛鸡（Bonasa bonasia）在景观尺度上的生境适宜度指数（Habitat suitability index, HSI）模型，利用Arc的宏语言AML（Arc Macro Language）将LANDIS的输出结果与3种动物的HSI模型相结合，借助生境单元和类水平（Class level）上的景观指数（结合度指数等）评价动物生境，以反映不同森林管理预案对动物生境的影响。研究结果表明： 1）对于LANDIS的模拟结果而言，不同森林管理预案往往导致不同的森林演替动态：无采伐和2造林方案下，森林逐渐向成、过熟林演替，且造林方案显著增加了营林树种的分布面积；择伐I和择伐II下，由于成、过熟林被采伐，森林向后期演替的速度较为缓慢，而皆伐下，中、幼龄林的比重较大。定性而言，对于偏好早期演替的动物而言，皆伐下的生境适宜性较高；对于偏好中、后期演替森林的动物而言，2种择伐方案下生境适宜性较高；对于偏好后期演替的动物而言，无采伐和2造林方案下生境适宜性较高。 2）对于松鼠，无采伐和2造林预案下的生境单元和适宜生境（HSI≥0.5）结合度指数较高，适宜生境的平均斑块面积较大，表明这3种预案下的生境适宜性较高，而2择伐预案由于移去了大量成、过熟林，导致松鼠生境适宜性的下降，对于皆伐，尽管采伐量比2择伐预案的小，由于其不利于针叶林的天然更新，对松鼠的生境破坏更为严重。 3）对于马鹿，皆伐和2造林预案下的生境单元和结合度指数较高，而无采伐下的生境单元和结合度指数整体上又小于2择伐预案下的，这表明，适当的干扰反而利于提高马鹿的生境适宜性，因为，若没有这些采伐、造林等干扰活动，森林的郁闭度会随着树冠的封闭而逐渐加大，下层的许多不耐荫的树种就会消失或减少，降低马鹿的食物来源。 4）对于花尾榛鸡，若不考虑营林活动对其干扰，2造林预案下的生境单元和结合度指数较高，其次为无采伐预案，而皆伐和2择伐方案下较低，这表明，单纯的采伐的将减小花尾榛鸡的生境适宜性。 生态系统是一复杂的系统，因此，不可能存在适于所有动物的森林管理预案，对于管理预案的选择取决于管理者多方面（经济、生态和社会）的权衡。本文是将LANDIS与HSI相结合模拟评估森林管理预案对动物生境影响的一次尝试，研究结果表明了这一方法的实用性。尽管这一方法存在一定的局限性，但利用这一方法，能够可视化和量化结果，并比较不同森林管理预案，从生物多样性保护出发，为森林管理提供决策支持。最后，需要声明的是，本研究侧重方法的探讨，作为实际应用，还需要大量的野外工作来验证HSI模型。

长白山森林资源变化动态与景观格局预测

长白山区是东北地区重要的生态功能区，多年以来由于不合理的森林经营导致了森林质量明显下降，生态功能显著退化。因此，分析森林资源变化动态及其影响因素，明确人类活动对森林资源的影响，并提出合理的经营方案，对该区森林资源保护和恢复具有重要意义。本文以具有典型代表性的露水河林业局为研究对象，以1987，1995和2003三期森林资源二类调查资料为主要数据来源，利用ARCGIS、ARCVIEW和FRAGSTATS等软件为技术手段，分析该局资源变化、景观特征及格局变化及其与人为干扰的关系；同时以2003年森林资源二类调查数据为基础，应用景观空间直观模型LANDIS，设定5种不同的采伐预案：对照（无采伐）、方案I（一般公益林和商品林每十年分别采伐总面积的5%和10%+天然更新）、方案II（一般公益林和商品林每十年分别采伐总面积的10%和15%+天然更新）、方案Ⅲ（采伐同方案I+人工更新）和方案Ⅳ（采伐同方案II+人工更新），模拟未来300年森林景观变化，以揭示在不同的经营方案下森林资源的长期演替动态及空间分布特征，结果表明： 1.森林资源的质量发生了显著变化。过去16年间该区森林覆盖率增加了6.9%，但是森林蓄积量下降了60.58万m3；成、过熟林面积持续增加，中龄林面积急剧减少；1987年到1995年该区森林蓄积减少了110万m3，而1995年到2003年间森林蓄积增加了49.7万m3，这些表明1995年到2003年森林经营措施更有利于森林恢复。但中、幼龄林在16年间面积、蓄积持续减少，近年来采伐的主要是中龄林，说明成、过熟林面积的增加是以牺牲中龄林为代价的。 2.森林景观破碎化程度加剧。过去的16年间景观异质性程度加大，景观斑块内部的连通性增强。而景观类型的斑块数、边界密度、蔓延度逐渐增加，散布并列指数、多样性指数和均匀度等指数在逐渐的降低。1987年到2003年斑块数增加了979块，同时最大斑块占景观面积比例逐渐下降，1987年为28.7%，2003年减少到12.7%；由于经营方式变为采阔保针，大量采伐阔叶树种补植针叶树种，景观基质由1987年的阔叶混交林，转变为1995年后的混合景观基质；在斑块水平上阔叶混交林的平均斑块面积下降最多，边界分割程度最高，这表明天然次生林类型受人类干扰最大；从景观指数变化趋势看景观破碎化在1995年到2003年的变化趋势较1987年到1995年的变化趋势有所减缓。 3.LANDIS模型对5种不同的森林管理预案模拟结果表明：无采伐和低强度择伐+人工造林方案到模拟后期不同程度的增加了成、过熟林面积，更有利于增加森林质量和维护森林景观的完整性。人工造林与不造林相比，造林方案显著增加了造林树种的分布面积；造林方案下造林树种的分布面积、成、过熟林面积较其它预案要高，因此，用原始阔叶红松林中的关键种造林，有利于森林结构的优化及向阔叶混交林景观的转化，促进森林质量的提高和景观的恢复。

1987年大兴安岭特大火灾后北坡森林景观生态恢复评价

通过空间直观景观模型(LAND IS)来探讨大兴安岭北坡1987年特大森林火灾后,在目前这种恢复方案下以及完全依靠天然更新下森林景观的长期动态,通过对比研究来评价目前所采取的恢复措施是否能够有效地恢复森林资源。研究结果表明:1987年大火后所采取的恢复措施可以在很大程度上增加针叶树种在该区所占的比例,而相应地降低阔叶树种的比重。由于在目前的恢复措施下,不仅大面积地种植针叶树种,同时也采伐了大量的成、过熟林,使落叶松和樟子松的蓄积量在开始阶段不仅没有增加,反而有大幅度的下降。但最终,所更新的幼苗逐渐成材,落叶松和樟子松的蓄积量逐渐超过天然更新下的。在演替前期,白桦的蓄积量在这2种模拟方案下相差不大;而在演替后期,白桦在天然更新方案下的蓄积量要高于在目前恢复措施下的蓄积量。另外,物种在不同的区域的变化动态又有较大的差异。在重度火烧区,由于人为种植大量的针叶树种,使它们所占的面积比例明显高于完全依靠天然更新下其在重度火烧区所占的比例;而阔叶树种则相反,在完全依靠天然更新方案下所占的面积百分比明显高于在目前恢复方案下的比例。而在未火烧和轻中度火烧区,由于火后人为采伐大量的落叶松和樟子松,使这2个树种在该区所占的比例在开始100多年里要低于完全依靠天然更新下的比例,随后逐渐高于天然更新下所占的比例,但相差不大;阔叶树种则正好相反。另外,目前恢复方案不仅极大地改变了主要物种在该区所占的比例,而且还明显的影响了它们的空间分布格局。

1987年大兴安岭特大火灾后不同管理措施对落叶松林的长期影响

采用空间直观景观模型(LANDIS)模拟了3种不同经营措施(假设1987年未发生特大火灾,完全依靠天然更新(M1);1987年特大火灾发生后依靠天然更新(M2)和火灾后采取目前森林经营措施(M3))下图强林业局落叶松及其成过熟林300年的动态变化.结果表明:林业局整体水平上,M1和M3方案下落叶松林面积占森林总面积的比例明显高于M2方案.M3方案下落叶松面积比例开始时低于M1方案,但由于大规模的人工更新,随后迅速增加,约100年后赶上M1方案.不同经营措施对落叶松面积百分比影响较大,并对其年龄结构有显著影响.M1方案下落叶松成过熟林面积比例明显高于M2方案;而在M3方案下,由于火后10年大规模的森林采伐,落叶松成过熟林的面积比例锐减,随后逐渐增加,但需要近100年才能达到并超过其他2种方案.此外,在火烧区和未火烧区,落叶松及其成过熟林在不同经营措施下的变化趋势存在明显差异.

1987年特大火灾后不同树种种植比例对大兴安岭森林景观的长期影响

应用空间直观景观模型(LANDIS)模拟了1987年大兴安岭北坡图强林业局特大森林火灾后在目前种植强度下,不同落叶松和樟子松种植比例(100%落叶松(P1)、70%落叶松和30%樟子松(P2)、50%落叶松和50%樟子松(P3)、30%落叶松和70%樟子松(P4)、100%樟子松(P5))以及完全依靠天然更新(P0)条件下森林景观的长期动态变化.结果表明,在演替的前期、中期和后期,不同种植比例均对落叶松、樟子松和白桦有显著影响;落叶松所占的面积百分比随时间的推移均呈上升趋势,而樟子松则相反;在各种植预案下,落叶松和樟子松的面积百分比均高于天然更新预案的比例,随着落叶松种植比例的增加,落叶松的多度也相应增加;樟子松在该区所占的面积百分比也随其种植比例的增大而增加.白桦在天然更新预案下所占的面积百分比明显高于种植预案下所占的比例;而不同落叶松和樟子松种植比例也对白桦面积有较大影响,樟子松种植的比例越大,白桦所占的面积百分比越高,说明落叶松比樟子松有更强的竞争能力.但P2、P3和P4预案下,落叶松和樟子松的面积所占比例相差不大,但要高于完全种植落叶松(P1)或樟子松(P)所占的比例.

不同森林管理方案对森林景观长期影响的模拟研究

理解森林景观的动态变化对于制定合理的森林管理措施和恢复规划有着重要的现实意义。应用空间直观森林景观模型(LANDIS)模拟小兴安岭友好林业局在当前天保工程方案下(P1)、自然演替方案下(P2)以及采伐后完全依赖天然更新方案下(P3)森林景观的动态变化。模拟结果表明:不同的森林管理方案对树种分布面积百分比、空间格局和年龄结构有显著的影响。与其他两个方案比较,当前天保工程方案(P1)可以显著增加造林树种(红松、落叶松和蒙古栎)面积,提高树种的聚集程度,减小白桦所占面积,但是在模拟的前50年,人工更新造林措施使得幼龄林所占面积百分比显著增加,而成过熟林的增加以及建立合理的林龄结构仍需很长的时间。

不同森林管理预案对松鼠生境的影响

应用空间直观的森林景观干扰演替模型(LANDIS)模拟了2000—2200年间小兴安岭友好林区4种森林管理预案(无采伐、皆伐、择伐Ⅰ和择伐Ⅱ)下的森林景观变化,并结合景观尺度的生境适宜度指数(HSI)模型评估了不同管理预案对研究区松鼠生境的影响.结果表明:研究期间,无采伐下松鼠适宜生境面积的增幅最快,而勉强适宜生境的降幅最快;皆伐下,松鼠适宜生境面积的增幅最慢,而勉强适宜生境的后期降幅最小;择伐Ⅰ下松鼠适宜生境面积的增幅高于择伐Ⅱ,而其勉强适宜生境面积的降幅低于择伐Ⅱ.整体而言,松鼠生境最优化的管理方案依次为无采伐、择伐Ⅰ、择伐Ⅱ和皆伐.

不同森林管理预案下友好林业局森林景观的动态变化

Knowledge about cumulative effects of forest management alternatives on forest landscape is required to make forest management decision. In this paper,a spatially explicit landscape model,LANDIS,was applied to simulate forest landscape changes in 200 years under four management alternatives (no cutting,clearcutting,selective cutting I and II) in Youhao Forestry Bureau located in Small Khingan Mountains. APACK was used to calculate distribution area of the representative species and species age cohort for six species. The results showed:1) timber harvest decreased area percentage of representative conifer species,Pinus koraiensis,Picea koraiensis and Picea jezoensis,Larix gmelinii to some extent compared to no cutting. The most influencing cutting mode for the area percentage of Tilia amurensis and Quercus mongolica was selective cutting II,followed by selective cutting I and clearcutting. To the contrast,the change of area percentage of Betula phatyphylla was contrary to the management alternatives; 2) As to species age cohort composition,timber harvest significantly changed age structure,that is,it decreased over-matured age cohort of representative species,and increased seedling and middle-age cohort (B. phatyphylla was not included,because its area percentage of over-mature age cohort was the highest under clearcutting than other three scenarios).

不同针阔树种造林比例下小兴安岭森林景观的动态模拟

采用空间直观森林景观模型(LANDIS)模拟了不同针、阔树种造林比例(P1,100%阔叶树;P2,70%阔叶树、30%针叶树;P3,50%阔叶树、50%针叶树;P4,30%阔叶树、70%针叶树;P5,100%针叶树)和采伐后完全依赖天然更新(P6)6种预案下2001—2201年小兴安岭友好林业局森林景观的动态变化.结果表明:人工更新造林措施可以有效地促进研究区森林资源的恢复,但单一营造针叶树的预案会使其阔叶树的面积百分比低于P6预案,而单一地营造阔叶树会导致该预案下针叶树的面积百分比低于P6预案;随着针叶树种造林比例的增加,针叶树(红松和落叶松)所占面积比例随之增加;随着阔叶树种造林比例的增加,阔叶树(蒙古栎)所占面积亦随之增加;人工更新造林措施减少了研究区白桦的分布面积.不同的造林措施不仅改变树种所占的面积百分比,还影响其空间格局:随着针叶树种造林比例的增加,针叶树(红松和落叶松)的聚集度指数随之增加;随着阔叶树种造林比例的增加,阔叶树(蒙古栎)的聚集度指数随之增加;人工更新造林措施对白桦的聚集度指数无明显影响.

大兴安岭森林景观在不同火干扰及人工更新下的演替动态

该文应用LANDIS模拟大兴安岭图强林业局森林景观1987年特大火灾后,在不同的火干扰条件(不模拟火、火烧轮回期为150年和325年)和不同人工更新方式(完全自然更新、种植落叶松和种植樟子松),3×3种(共9种)模拟方案下300年的动态变化.研究结果表明:火烧轮回期为150年条件下的火烧明显比火烧轮回期为325年方案下的火烧频繁,总的过火面积也多,但前者以轻度火为主,后者以重度火为主.而人工更新下(无论是种植落叶松还是种植樟子松)过火面积要高于自然更新下的过火面积.造林树种的不同对火也有较大的影响,种植樟子松方案下的过火面积相对较大.不同火干扰条件不仅会影响森林主要物种组成面积,而且还会造成其年龄结构的巨大差异.一般而言,火烧轮回期长有利于低耐火性物种,火烧轮回期短有利于高耐火性物种.但如果物种具有很强的种子扩散和定居更新能力,无论该物种的耐火性高还是低,火烧轮回期短则更利于该物种的生存,但幼龄林所占的比重较大.不同的种植更新方案对于森林物种有显著的影响,可以明显地增加所种植的物种在该区所占的比例.

呼中林业局森林采伐方式对森林景观格局的长期影响

采用空间直观景观模型(LANDIS)模拟了大兴安岭地区呼中林业局在无采伐和同一采伐量下皆伐、二次渐伐和择伐共4种方案下森林景观300年的长期动态变化。结果表明,与无采伐方案相比较,采伐使落叶松和云杉的分布面积减小,樟子松、白桦的分布面积增大;择伐对本区分布面积最大的2个树种———落叶松和白桦的影响最小。采伐改变了树种年龄结构,降低了过熟林的相对面积;相对于皆伐而言,渐伐和择伐时降低的程度较大。各种采伐方式间落叶松和云杉的聚集度差异较小,白桦和樟子松的聚集度则存在显著差异。

火控制政策对大兴安岭森林景观、可燃物动态及火险的长期影响

大兴安岭50年来严格的火控制政策已经极大地改变了自然火格局,同时也改变了森林的物种组成和年龄结构。理解大兴安岭森林对长期火控制的响应是制定森林可持续发展的依据之一。本文应用LANDIS模型模拟了大兴安岭森林景观对自然火(1950年以前)和灭火(1950年以后)的长期响应(300年)。结果表明:灭火显著增加了落叶松面积,增加其过熟林面积,减少其幼龄林面积;同时也显著减少白桦面积,减少其幼龄林面积;灭火延长火烧轮回期,火烧次数减少,灾难性火灾发生的机率增加,火险在模拟的50年内迅速上升到高火险等级。在自然火格局下,火险在整个模拟过程中保持较低的等级。所以如果现行的高强度灭火政策继续实施的话,必须要制定大范围的可燃物管理措施(计划火烧、粗可燃物处理等),以降低灾难性火灾发生的机率。计划火烧加粗可燃物去除将成为可燃物管理和森林可持续经营的首选措施。如何评价大兴安岭地区可燃物处理措施的效果,在保持木材生产和生态作用稳定的条件下,最大程度地降低火险也是亟待解决的问题。

空间直观景观模型在呼中林区土壤侵蚀预测研究中的初步应用

土壤通用流失方程 (USLE)已被广泛应用于大尺度的土壤侵蚀预测 .在以往的土壤侵蚀研究中 ,由于只能获得静态的植被图 ,土壤通用流失方程只能用于土壤侵蚀的静态估算 .空间直观景观模型能在大尺度上模拟植被动态 ,为土壤通用流失方程提供动态的植被因子 ,从而使土壤侵蚀的动态模拟成为可能 .本研究结合空间直观景观模型LANDIS和土壤通用流失修正方程 ,以大兴安岭呼中林区为研究区 ,动态地模拟未来 6 5 0年内有采伐和无采伐预案下的土壤侵蚀量 ;同时以无火无采伐预案下的土壤侵蚀为对比值 .结果表明 ,土壤侵蚀量随时间变化呈周期性的波动 ,其波动程度在无火无采伐预案下最小 ,而在有火无采伐预案下最大 ;采伐对土壤侵蚀的影响没有火对土壤侵蚀的影响在空间上表现得明显 ,但是其累积效果则比火的影响强 ;降低采伐所产生的裸露土能有效降低年平均土壤侵蚀量 ,但是对土壤侵蚀动态变化的影响不明显 ;虽然采伐增加使平均土壤侵蚀量增加 ,但是也同时使土壤侵蚀的年际变化更趋于平稳 .

空间直观森林景观模型空间不确定性的地统计学模拟

为了用尽可能小的蒙特卡罗模拟样本来反映模型模拟结果中的不确定性,把拉丁超几何体采样引入地统计随机模拟的LU分解算法.首先把拉丁超几何体采样与普通随机采样在LU分解算法中的表现进行比较,然后把基于拉丁超几何体采样的LU分解法应用于空间直观森林景观模型LANDIS的模拟.结果表明,与普通随机采样相比,拉丁超几何体采样能捕获更多的不确定性,特别是在蒙特卡罗模拟次数较少时.LANDIS模型的模拟结果表明,由地统计学随机模拟所引入的不确定性在象元尺度上随模拟时间增加而增加,但是在景观尺度上并没有受很大影响.这表明由地统计学随机模拟所参数化的LANDIS模型可用于大时空尺度森林景观变化的预测

模拟不同森林可燃物处理对大兴安岭潜在林火状况的影响

大兴安岭林区50年来实施的森林防火政策导致森林火烧轮回期延长,可燃物累积,所以需要将森林可燃物的管理纳入到森林防火政策中。本研究构建10种可燃物处理预案,5种为计划火烧预案(PB02,PB04,PB06,PB08,PB10),另5种为机械清除+计划火烧预案(PR02,PR04,PRP6,PR08,PR10,用无处理预案(notreat)作对照。采用空间直观森林景观模型LANDIS,从火烧面积、不同强度火烧面积和林火强度动态特征来说明不同可燃物处理预案的长期效果(300年)。结果表明,计划火烧虽然可以减少总火烧面积,但随着处理面积的增加,减少幅度不大,对于降低高强度火烧面积效果不显著;机械清除+计划火烧可以有效地减少火烧面积,降低火烧强度[将高强度火(4、5级)降低为低强度火(1、2级)]。建议森林可燃物处理必须长期进行,以达到降低林火强度、减少灾难性火灾发生的机率的目的。