森林生态系统经营决策与自适应模型研究

论文摘要

森林生态系统经营概念始于上世纪九十年代初的美国,随后在美国国有林中实践,形成一些实用的理论和方法。我国也是上世纪末本世纪初开展这项工作,目前对森林生态系统经营概念没有形成共识,处于百花齐放的状态。国内开展了一些森林生态经营实证研究,但大多数是从群落演替和恢复措施上进行。然而森林生态系统经营的实质应该是以系统的结构调整为起点,建立起一个自适应机制,维持森林生态系统功能的完整性、持续性,维持生态系统长期健康稳定和持久的林地生产力。为此开展森林生态系统经营理论、技术和方法的研究,既是当前林业生产迫切需要解决的实际问题,也具有重要的理论和现实意义。本研究以GIS为数据平台,以功能价值方法对研究区内的森林生态系统进行评价；根据森林生态系统经营的特点,建立相适应的森林生态系统经营；以主成份分析法和聚类分析法,在分类经营的基础上,在景观尺度上对经营类型进行组织；应用Monte Carlo方法对森林生态系统中的林分结构和近自然经营单木技术进行模拟,为生态系统经营提供参考;应用协整技术,研究系统内林分因子之间的关系,建立它们的协整系统,从而建立因子之间的自适应模型；应用系统解析模型,建立森林生态系统经营的森林生态系统与自然、社会、人类之间的关系模型,为生态系统经营决策提供参考。应用影子价格法、模拟市场法、等效应相关替代法等对研究试验区的生态系统进行经济效益、社会效益、生态效益的综合评价。本研究试验区森林生态系统功能价值总量为46481万元,直接经济效益与间接经济效益之比为1：23。其0中生态价值为44008万元,社会价值为554万元,经济价值为1919万元。从工农业用生产方面考察本系统水资源的承载能力,本系统可提供的有效水资源17815348m3,可支撑的工业值10298万元,可支撑的粮食生产12470744kg。从CO2和SO2吸收方面考察本系统的消纳能力,可吸收二氧化碳144705875kg,折合328877000kg标准煤；可吸收二氧化硫364414kg,折合18221000kg标准煤。从直接经济效益与间接经济的比值说明本系统的结构比较合理,功能比较完善,生态功能价值比高。从研究森林生态系统经营的边界出发,在分类经营理论和景观生态学原理指导下,提出了森林生态系统经营的区划理论和方法。把本研究试验区的森林生态系统划分为2大类5个亚类。森林生态系统的经营原则：尽量保留现有森林景观类型原则、扩大当地顶极群原则、坚持分类经营,提高集约经营程度原则。本研究从森林生态系统经营的概念出发,根据森林生态系统经营的特点,提出了以近自然经营技术为基础的森林生态系统经营决策模型,应用Monte Carlo技术,在计算机进行模拟,并在实际系统中进行了检验,比较理想地达到决策目的,所提出的模型简单、可操作性强,不适为森林生态系统经营中较为理想的一种决策模型。把Monte Carlo方法应用在森林生态系统中的林分模拟和森林生态系统经营模拟,提出了模拟算法,并进行了实际模拟检验,为林业研究提供了一种新尝试。根据森林生态系统经营的目的,提出了基于近自然经营技术的经营决策因子：多样指数、角度尺、大小比、最小半径、目的性指数、健康指数、空间密度指数等,并指明了各因子的决策准则。根据森林生态系统经营中系统的特性,提出了两种决策模型,并在计算机上进行了模拟检验,能够很好地实现决策目的。这2种模型均是维持生态系统结构和功能持续为目的,以顶极群落为目标,以恢复系统的自然状态为出发点进行决策和调整。模型1实现森林生态系统内林木均匀自然分布,模型2实现森林系统内具有林窗便于林木自然更新的林木分布结构。林分是组成森林生态系统的基本单位之一,林分因子既是林分属性的刻画因子,同样也是森林生态系统属性的刻画因子。林分因子的变化影响森林生态系统的变化和发展。因此研究林分因子的规律对研究森林生态系统同样具有重要的意义。本研究应用协整理论,研究树高和胸径2个重要林分因子关系和变化规律,建立了基林分因子的自适应模型。研究结果表明：滞后阶数为1时,胸径和树高互为Granger原因,滞后阶数为2时,树高是胸径的Granger原因,但胸径不是树高的Granger原因,说明两者比较起来,树高的影响时间更长；在树高与胸径的协整模型中,ECi-1的系数是负的,这正是反馈调整的机理所在,ECi-1就实际值与模型值的差异,当ECi-1<0,表示结果偏小,需要对结果调整增大；ECi-1>0,说明结果偏大,需要对结果调整减小。说明森林系统中林分的协整系统模型具有自适应机制。森林林分的协整系统中,树高和胸径生长系数β1i和β2i系数符相反,前期胸生长有利于本期树高生长,前期的树高生长对本期的高生长不利。从模型分析也可以得到,胸径生长有得树高生长。所以在森林培育中,要更注重胸径的培育,在促进胸径生长的同时,促进树高的生长,最终达到整个林分的生长。森林生态经营系统是一非常复杂的系统,受众多因子影响,既有系统自身因子,又有系统之外的环境因子和社会经济因子,各因子交织在一起。为了研究这些因子复杂关系,建立了它们的解析结构模型。森林生态系统经营具有多个目标,包括经济目标、社会目标和生态目标,是森林生态系统经营因子解析模型的总目标层。解析模型的第一层（最底层）为工农业生产比值,第二层主要是气候环境因子,第三、第四层影响因子主要是经营集约程度因子、经营措施因子等。第五层为投入产出比因子,第六层为景观因子和生产力因子。本研究的主要创新点：（1）在森林生态系统经营中,提出了森林生态系统经营的边界和森林生态系统经营区划的原则和方法。（2）把Monte Carlo模拟方法用于森林生态系统林分的模拟和森林生态系统经营模拟,为林业研究方法提供了一种新的途径。（3）提出了森林生态经营决策定量因子及其确定方法,根据森林生态经营的概念,提出了两种类型的森林生态系统经营决策模型。（4）根据协整理论和方法,建立了森林生态系统经营中林分因子的自适应模型。（5）根据解析结构模型理论,构建了森林生态系统经营影响因子的定性关系模型。本研究的展望：森林生态系统经营研究是森林经营研究的热点和难点之一,森林生态系统经营的概念处于百花齐放,没有统一。其理论和技术也不完善,在生产实践中没有可行的方法。通过本研究,可以在理论和技术为森林生态系统经营提供一点借鉴,并为生产上提供一种可操作的方法。森林生态系统经营就是人们主动对森林生态系统调整和“干扰”,在森林生态系统经营中的采伐强度是一个重要的经营技术指标,决定了森林生态系统的调整强度和调整过程。如何确定采伐强度成为森林生态系统经营研究的重要内容。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 森林生态系统基础研究（FOREST ECOSYSTEM PRIMARY RESEARCH）
• 1.1.1 格局（Patterns）
• 1.1.1.1 生物格局（Biology Patterns）
• 1.1.1.2 环境格局（Environment Patterns）
• 1.1.1.3 景观格局（Landscape Patterns）
• 1.1.2 过程（Processes）
• 1.1.2.1 碳循环过程（Carbon recycling processes）
• 1.1.2.2 森林生态系统的养分循环过程
• 1.1.2.3 森林水文过程（Forest Hydrology Processes）
• 1.1.2.4 森林生物过程（Forest Biology Processes）
• 1.1.3 尺度（Scales）
• 1.1.4 格局与过程的关系（The relationships of Patterns and Processes）
• 1.2 森林生态系统区划（FOREST ECOSYSTEM REGIONALIZATION）
• 1.2.1 生态系统地域区划（ECOSYSTEM REGIONAL REGIONALIZATION）
• 1.2.2 生态系统生产力区划（Ecosystem Productivity Regionalization）
• 1.2.3 生态系统功能区划（Ecosystem Function Regionalization）
• 1.2.4 生态系统经济功能区划（Ecosystem Economic Function Regionalization）
• 1.2.5 森林生态系统经营区划（The Division For Forest Management）
• 1.3 森林生态系统评价（FOREST ECOSYSTEM ASSESSMENT）
• 1.3.1 生态系统稳定性评价（Ecosystem Stability Assessment）
• 1.3.2 生态系统健康评价（Ecosystem Health Assessment）
• 1.3.3 生态系统服务功能评价（Ecosystem Service Function Assessment）
• 1.3.4 森林生态系统可持续评价(Forest Ecosystem Sustainable Assessment
• 1.4 森林生态系统经营
• 1.5 森林生态系统研究手段的多样化和现代化
• 1.5.1 计算机为基础的信息技术和手段
• 1.5.2 研究模型（Models）
• 1.6 本研究问题的提出
• 1.7 本研究的基本内容
• 1.8 研究方法
• 2 森林生态系统评价
• 2.1 试验区基本情况
• 2.1.1 试验区自然概况
• 2.1.2 试验区社会经济发展情况
• 2.1.3 试验区森林资源
• 2.2 生态系统综合评价
• 2.2.1 生态效益
• 2.2.1.1 森林涵养水源效能与效益分析
• 2.2.1.2 森林固土保肥效能与效益分析
• 2.2.1.3 土壤改良功能与效益分析
• 2.2.1.4 森林大气净化功能与效益分析
• 2.2.1.5 森林多样性及其效益分析
• 2.2.1.6 森林的其它生态效益
• 2.2.2 社会效益
• 2.2.2.1 森林游憩功能与效益分析
• 2.2.2.2 森林为社会提供的就业机会与效益分析
• 2.2.3 经济效益
• 2.2.4 生态系统承载能力计算与评价
• 2.2.4.1 水资源承载力计算与分析
• 2.2.4.2 环境的消纳能力计算与分析
• 2.3 小结
• 3 森林生态系统经营区划
• 3.1 森林生态系统经营的边界
• 3.2 区划的原则
• 3.2.1 功能主导原则
• 3.2.2 功能完整性原则
• 3.2.3 可持续原则
• 3.2.4 功能与环境统一的原则
• 3.2.5 可操作性原则
• 3.2.6 科学性原则
• 3.2.7 综合性原则
• 3.3 区划方法
• 3.3.1 区划因子
• 3.3.1.1 自然因子
• 3.3.1.2 社会因子
• 3.3.1.3 经营因子
• 3.3.2 区划方法
• 3.4 区划组织
• 3.5 各区划类型的特点和经营措施、方式
• 3.5.1 森林生态系统经营的原则
• 3.5.1.1 尽量保留现有森林景观类型
• 3.5.1.2 扩大当地顶极景观类型
• 3.5.1.3 坚持分类经营,提高集约经营程度
• 3.5.2 经营类型的特点及经营措施
• 3.5.2.1 高集约经营程度的经济林系统经营类型
• 3.5.2.2 高集约经营程度的速生丰产林系统经营类型
• 3.5.2.3 一般用材林系统经营类型
• 3.5.2.4 水源涵养林经营类型
• 3.5.2.5 水土保持林经营类型
• 3.6 小结
• 4 森林生态系统经营决策模型研究
• 4.1 森林生态系统经营的基础理论
• 4.1.1 近自然森林经营概念
• 4.1.2 森林生态系统的近自然经营技术——单木技术
• 4.1.3 经营决策因子
• 4.1.3.1 多样性指数
• 4.1.3.2 大小比数
• 4.1.3.3 角度尺
• 4.1.3.4 健康指数
• 4.1.3.5 空间密度指数
• 4.1.3.6 目的树种特性指数
• 4.2 森林生态系统经营决策模型
• 4.2.1 经营决策因子的决策准则
• 4.2.2 经营决策模型
• 4.2.2.1 决策模型1——均匀分布模型
• 4.2.2.2 决策模型2——具有林窗分布特征决策模型
• 4.3 决策模型模拟检验
• 4.3.1 虚拟现实林分模拟
• 4.3.1.1 虚拟现实林分的模拟理论
• 4.3.1.2 虚拟林分的模拟方法
• 4.3.1.3 虚拟林分模拟结果与检验
• 4.3.2 虚拟林分的经营经营决策模拟
• 4.3.2.1 经营决策模拟算法
• 4.3.2.2 虚拟林分经营模拟结果分析
• 4.4 森林生态系统经营决策模型在现实林分中的应用与分析
• 4.5 小结
• 5 林分因子自适应模型研究
• 5.1 研究理论与方法
• 5.1.2 协整的概念
• 5.1.3 单位根检验
• 5.1.4 因果关系分析
• 5.1.5 协整检验
• 5.1.6 协整系统的建立
• 5.1.6.1 误差校正模型
• 5.1.6.2 协正系统模型的建立
• 5.2 林分因子自适应模型的建立
• 5.3 小结
• 6 森林生态系统经营中影响因子的解析结构模型
• 6.1 森林生态系统经营目的
• 6.2 森林生态系统的因素构成及生态系统的影响因子
• 6.2.1 确定影响因子的基础理论
• 6.2.1.1 可持续发展理论
• 6.2.1.2 层次—能级理论
• 6.2.1.3 控制论及反馈原理
• 6.2.2 森林生态系统经营影响因子
• 6.2.2.1 经营目标因子
• 6.2.2.2 社会因子
• 6.2.2.3 自然因子
• 6.2.2.4 经营因子
• 6.2.2.5 景观因子
• 6.2.2.6 系统生产力因子
• 6.3 研究的理论与方法
• 6.3.1 解释结构模型的基本概念
• 6.3.2 ISM的运算原理
• 6.3.2.1 系统结构的有向图表示法
• 6.3.2.2 有向图的矩阵表示方法
• 6.3.2.3 邻接矩阵的性质
• 6.3.2.4 可达矩阵
• 6.3.2.5 可达矩阵的层级分解
• 6.4 森林生态系统经营影响因子解析结构模型的建立
• 6.5 小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间的主要学术成果
• 致谢