基于VBA的杉闊混交人工林林分擇伐空間結構分析

賴阿紅，游 航，周新年，3*，

巫志龍1，3，周成軍1，3，鄭長仙2，盧秀琳1

(1.福建農林大學 交通與土木工程學院，福州 350002；2.福建省建甌市林業局，福建 建甌 353100;3.國家林業局杉木工程技術研究中心，福州 350002)

林分空間結構是指森林群落內立木在林地上的分布格局及其在空間結構上的排列方式，反映林木之間樹種、分布與大小等空間關系?？臻g結構決定林木之間的競爭勢及其空間生態位，在很大程度上決定林分穩定性、發展可能性和經營空間大小[1]。現代森林經營提倡“近自然林業”經營方法，創建或維持最佳的森林空間結構。而擇伐更接近森林的自然干擾體系，更能代表近自然經營的發展和執行，擇伐的循環利用能使林分結構和組成更趨向均勻[2]。

合理的擇伐能調整林分空間結構，利用林分空間參數可以確定合理的擇伐木，但由于樣地林分數據資料繁多，林分空間參數計算過程復雜，傳統的人工計算或是利用Excel用戶界面編寫公式進行計算，其耗費時間長、準確率低，而優化林分需要對林分空間參數進行循環計算分析，其工作量巨大，因此在優化調整林分空間結構中造成較大困難。VBA(Visual Basic for Application)是一種新的宏語言，Excel VBA通過編寫代碼命令和過程來操作工作表或單元格等對象，操作簡便[3]。譚緒泉等研究表明基于Excel VBA開發的林分空間結構自動計算編程，能大大節約林分空間結構計算分析時間，提高計算結果的準確性，可以分空間結構計算分析時間，提高計算結果的準確性，可以作為林分空間結構進一步分析的依據[4]。但譚緒泉等的研究中在空間參數計算時并未考慮到邊界效應，且只進行結構分析，并未針對擇伐下林分空間結構的調整進行全面分析。現利用Excel VBA建立林分擇伐空間分析系統，在現實林分空間結構分析基礎上，通過設置擇伐參數，確定合理擇伐木，優化林分空間結構，以實現林分的近自然經營。

1 林分空間結構參數模型

林分空間結構主要包括混交、競爭和林木空間分布格局3個方面。根據近自然林業經營的思想和森林演替的一般規律，認為復雜的林分結構是在混交度、大小比數和角尺度三者之間相互聯系、相互轉化、相互制約的動態過程中形成的，利用基于相鄰木空間關系的林分空間結構量化分析方法，能夠有效調整林分空間結構[5-6]。

混交度(Mi)定義為與參照樹i最近的4株相鄰木中與參照樹不屬同種的個體所占的比例，反映不同樹種組成及其空間配置情況[1]，用公式表示為：

(1)

式中：Vij是一個離散性的變量，當參照樹i與第j株相鄰木不為同種時，Vij=1，否則，Vij=0。

Mi=0表示參照樹i周圍的4株相鄰木與參照樹均屬同一樹種；Mi=1則表示參照樹i的周圍n株相鄰木與參照樹屬不同樹種。Mi=0.00、0.25、0.50、0.75和1.00，代表樹種的隔離程度分別是零度、弱度、中度、強度和極強度混交。

一般采用的大小比數(Ui)是指胸徑大小比數，定義為胸徑大于參照樹的相鄰木占4株最近相鄰木的比例，是反映樹木大小分化程度的一種指標[7]，用公式表示：

(2)

式中：kij為離散變量，若參照樹i的胸徑比相鄰木j小，kij=1；否則kij=0。

大小比數量化了參照樹與相鄰木的競爭關系，Ui越小，說明參照樹i的胸徑大于相鄰木的胸徑，所以參照樹更占優勢。Ui有5種取值：0.00、0.25、0.50、0.75和1.00，分別表示參照樹處于優勢、亞優勢、中庸、劣態、絕對劣態[8]。

角尺度描述4株最近相鄰木圍繞參照樹的均勻性，通過比較任意2株最近相鄰木之間的夾角(小角α)，與均勻分布時的標準角α0(α0=72°)來分析樹木的分布狀況[9]。角尺度被定義為α小于標準角的個數占4個夾角的比例，用公式(3)表示：

(3)

式中：Zij為離散變量，當相鄰木之間的夾角α1小于標準角α0時，Zij=1，否則Zij=0。

參照樹角尺度的取值有5種：0.00、0.25、0.50、0.75和1.00，分別代表4株相鄰木環繞參照樹呈現很均勻、均勻、隨機、不均勻和非常不均勻分布。林分平均角尺度大于0.517時為團狀分布，小于0.475時為均勻分布，角尺度取值為[0.475，0.517]時呈隨機分布。

2 林分空間結構分析系統

林分空間結構分析系統，包括林分空間參數自動化計算及林分擇伐優化2部分。運用Excel VBA實現自動判斷與參照樹最近的4株相鄰木，對其進行分析比較，得出參照樹的空間結構參數即混交度、大小比數以及角尺度3個空間參數，分析現實林分空間結構。按混交程度、大小分化程度、水平分布格局的優化調整方案，合理選定擇伐木，計算擇伐蓄積量，判斷擇伐強度是否滿足要求，從而實現林分擇伐空間結構優化?；贓xcel VBA建立的林分擇伐空間分析系統用戶界面，如圖1所示。

圖1 林分空間結構分析系統用戶界面

2.1 林分空間結構自動計算

林分結構分析利用到的立木數據主要因子包括立木編號、樹種、胸徑、樹高、單株蓄積量、X坐標及Y坐標，如圖1所示。林分結構參數自動計算的主要程序是通過林分立木的坐標判斷與中心木最近的4株相鄰木，包括判斷邊界木。由于Excel表格中可以通過錄制宏的方式將Excel中的操作過程以代碼的方式自動記錄并保存下來，而在編輯器中通過手工編寫宏語言，因此可以通過對一次操作進行記錄并進一步編寫代碼完成命令。例如判斷單株立木的相鄰木位置，其主要代碼為：

…….

For i = 4 To rownum

dtx=Abs((Cells(3，6).Value)-(Cells(i，6).Value))

dty=Abs((Cells(3，7).Value)-(Cells(i，7).Value))

dis=Sqr((dtx)^2+(dty)^2)

Cells(i，8).Value=dis

Next i

Selection.Sort Key1：=Range(“H3”)，Order1：=xlAscending，Header：=xlGuess，_

OrderCustom：=1，MatchCase：=False，Orientation：=xlTopToBottom，SortMethod _

：=xlPinYin，DataOption1：=xlSortNormal

…….

需要注意的是，在利用樣地資料計算林分空間參數時，標準樣地外的林木個體可能是標準樣地內立木的最近相鄰木，因此處于樣地邊界的立木有可能受邊界效應的影響[10]。為校正邊界效應，本研究采用第4鄰體距離判定法[11]處理邊界木，減少邊緣效應對空間分布的影響，提高參數計算結果的準確性，即計算標準樣地空間參數時，如果第4株相鄰木(參照樹的4株相鄰木中離參照樹距離最遠的立木)大于參照樹到標準地4條邊的最小垂直距離，那么認為該參照樹可能會受邊界效應的影響，因此與該樹相關的信息不參與數據計算，但參照樹可作為林分中其余立木的最近相鄰木參與計算。由于第4鄰體距離判定需要根據樣地面積數據判定，因此可以通過InputBox對話框輸入林分樣地長寬獲取參數。

a=InputBox(“請輸入樣地長”，“輸入林分樣地面積”)；

b=InputBox(“請輸入樣地寬”，“輸入林分樣地面積”)。

2.2 林分擇伐空間結構調整

采伐林分中任何一株立木，其空間結構都會隨之發生變化。因此，林分擇伐空間結構優化的實質是合理確定采伐木，以便在獲取木材并保持非空間結構的同時，導向理想的空間結構[12]。原始林分空間結構是森林經營的方向，對于人工林空間結構而言，林分空間結構優化經營按照森林演替一般規律調整林分空間結構，加速人工林林分向天然林的結構特征發展[8，13]。合理地采伐能夠調整林分空間結構，研究表明，弱度和中度擇伐更有利于大徑材的培育[14]，考慮到盡量減少對森林的干擾，本研究采用大面積、低強度擇伐，每次采伐強度不超過總蓄積量的20%。

優化林分空間結構時應綜合考慮林分混交程度、樹種的大小分化程度和林木水平分布格局，選擇分析結果中所有角尺度、混交度和大小比數取值不滿足森林演替一般規律的單木成為可能性最大的采伐木。在擇伐強度不超過規定的前提下，進行采伐模擬，計算林分伐后的空間結構參數，與伐前林分的空間結構參數進行比較，進一步優化林分伐后空間結構，確定采伐木，再次計算伐后的林分空間結構，如此循環，最終達到趨于理想的林分空間結構。林分擇伐空間結構優化流程如圖2所示。

圖2 林分擇伐空間結構優化流程

3 應用實例

以杉闊混交人工林為例，運用基于VBA的林分擇伐空間結構優化系統，進行擇伐前后林分空間結構對比分析。該試驗林位于福建省建甌市墩陽林業采育場47林班8大班40小班，試驗地自然地理概況詳見文獻[15]。試驗林為18 a生杉闊混交人工林，郁閉度大于0.7。在試驗區選取具有代表性的典型地段，設置了16塊標準地(20 m×20 m)，對樣地內所有DBH>5 cm的每株樹木進行編號掛牌，同時進行每木檢尺調查，記錄樹木的種名、胸徑、樹高、枝下高、冠幅和坐標等指標，本文以12號樣地為算例。該林分樣地共有129株林木，總蓄積量3.701 m3，其中杉木(Cunninghamialanceolata)61株，蓄積量為1.880 m3；馬尾松(Pinusmassoniana)1株，蓄積量0.016 m3；木荷(Schinasuperba)65株，蓄積量1.767 m3；苦錐2株，蓄積量0.038 m3。

運行林分擇伐空間結構分析系統，林分部分計算結果見表1。由程序自動計算結果顯示，該標準樣地共有45株立木(其中杉木22株，木荷21株，苦錐2株)可能受邊界效應影響，故林分中實際參與混交度、大小比數及角尺度計算的參照樹共84株立木。該樣地現實林分伐前的平均混交度為0.56，平均大小比數為0.46，平均角尺度為0.8。

表1 樣地空間參數計算結果(部分)

現實林分伐前平均角尺度為0.8，呈團狀分布，則該林分格局優化的目的是將林分從團狀分布向隨機分布調整，需要降低林分的平均角尺度，設定優化模塊中的角尺度取值為>0.5，即將角尺度取值為0.75和1.00的單木作為采伐的初選木；林分在混交方面的均質性是不同樹種之間的充分隔離[15]，因此設置混交度限制值為0.75；設置大小比數限制值為0.5，經角尺度和混交度選擇后的備伐木中選擇所有Ui>0.5的立木作為最終的采伐木。在Excel用戶界面彈出的InputBox對話框中設置角尺度、混交度及大小比數限制值分別為0.50、0.75和0.50，運行林分擇伐空間結構分析系統，初步確定12株采伐木為：9(2)、24(1)、35(2)、44(1)、45(1)、47(2)、65、76、77(2)、88(2)、97(1)和97(2)，總蓄積量為0.309 m3，擇伐強度為8.34%，滿足采伐強度低于20%的要求，可進一步對林分空間結構進行調整。對初步確定的12株立木進行模擬采伐，計算和分析伐后的林分空間結構參數，與伐前的林分空間結構參數比較。對伐后林分空間再進行多次調整，確定最終14株采伐木，如圖3所示。擇伐強度為9.5%，不會造成林分空間結構的劇烈變化。

圖3 最終采伐木

對擇伐前后林分空間結構進行對比分析，圖4(a)顯示了優化前后林分平均角尺度及其分布的變化，伐后林分的平均角尺度由0.80變為0.72，林分的水平分布格局更為均衡，角尺度數值更接近隨機分布取值范圍。圖4(b)顯示了林分平均混交度及其分布的變化，伐后林分的平均混交度由0.56變為0.62，林分整體混交程度加強。圖4(c)顯示伐后林分大小比數則由0.46增長為0.47。林木個體生長的優勢程度得到提高。由此可見，擇伐后林分的空間結構得到了一定程度的優化。

圖4 林分擇伐前后參數變化

4 結論與討論

森林經營是林業發展的永恒主題，其原理是遵從自然規律進行既定目標的森林結構調整[16]。天然林分結構是林業經營的方向，對于人工林而言，應按照森林進展的一般規律對林分空間結構進行調整，使之趨于天然林分結構?；谙噜從娟P系的林分結構參數能夠調整林分空間結構，但由于參數計算過程復雜，而林分調整需要對參數進行反復計算，因此林分空間結構分析研究很多[17-19]，而關于林分結構優化調整研究卻寥寥無幾。在Excel中可以用VBA編寫代碼來代替復雜的公式，也可以用VBA代碼自動進行很多重復性的操作，因此本研究建立基于Excel VBA的林分空間結構優化系統，該系統主要包括林分空間參數自動計算分析及林分擇伐優化兩部分，利用Excel VBA對混交度、大小比數和角尺度3個空間結構的數學模型進行編碼實現參數自動化計算，通過對話框函數根據優化原則設置擇伐參數的取值，進行模擬采伐實現林分空間結構的優化。以杉闊混交人工林為例，運行林分空間結構優化系統，經過系統調整后林分平均角尺度趨向隨機分布，林分混交程度加大，同時林分的大小分化程度也得到了一定提高，杉闊混交人工林空間結構趨于合理。結果表明，基于Excel VBA的林分空間結構優化系統，能進一步解決由于空間結構參數計算耗費時間長，準確率低而導致林分分析優化困難的問題，有利于實現林分近自然經營。

林分空間結構優化不可能通過一次優化解決所有的問題，調整過程應循序漸進，應定期定量地對林分空間結構進行調整，且確保每次調整力度不會造成森林結構的劇烈變化，通過多次調整優化林分空間結構，使之趨于天然林的空間結構特征。在調整過程中，本文采用第4鄰體距離判定法處理邊界木問題，雖然該處理方法能較大程度減少邊緣誤差，較真實地反應林分空間結構特征，但第4鄰體距離判定法仍造成了一部分數據的丟失，可能造成計算結果存在誤差。此外，林分擇伐空間結構分析系統處于初步設計階段，其外部界面及內部程序功能仍需要進一步完善，使其更好地在林業經營中發揮作用。

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