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      森林景觀“斑塊耦合網絡”視角下森林經營的思考

      2015-02-24 20:48:29陳端呂李際平陳哲夫
      西北林學院學報 2015年5期
      關鍵詞:異質性尺度斑塊

      陳端呂,李際平,陳哲夫

      (1.湖南文理學院 資源環(huán)境與旅游學院,湖南 常德415000;2.中南林業(yè)科技大學,湖南 長沙410000)

      森林經營從廣義上講,指圍繞森林的一切經營活動[1]。森林經營受經濟環(huán)境、社會環(huán)境的制約,是森林與人類活動相互作用、相互聯(lián)系而構成的有機整體[2]。森林經營是—個長期的實踐過程,必須以系統(tǒng)的觀點建立科學的森林經營體系[3],其關鍵在于合理配置與規(guī)劃森林斑塊,通過空間結構優(yōu)化導向合理的森林經營。森林景觀“斑塊耦合網絡”,即以森林景觀斑塊作為調控節(jié)點,以斑塊間功能流作用關系作為網絡邊,構造反映斑塊及其相互耦合作用的網絡,是一種復雜網絡,也是景觀生態(tài)學中“景觀功能網絡”的拓展,充分考慮了林分、景觀和自然地理區(qū)域3個逐漸增大的可行尺度,從森林經營角度,有助于多角度地認識森林的系統(tǒng)性和復雜適應性特征,探討森林與環(huán)境及森林自身子系統(tǒng)的耦合機制,對森林可持續(xù)經營,實現(xiàn)傳統(tǒng)林業(yè)向現(xiàn)代林業(yè)轉變具有重要的指導意義[4-5]。

      1 森林經營理論與實踐進展

      森林經營的目的是培育健康的多功能森林生態(tài)系統(tǒng)。伴隨著人類對森林認識的不斷深化,森林經營思想與理念不斷地演變,從永續(xù)利用思想發(fā)展到森林可持續(xù)經營[6],經歷了從早期強調經營方法與森林經濟效益優(yōu)先,到注重森林生態(tài)效益、強調三大效益兼顧的轉變和發(fā)展過程[7]。

      在國外,德國學者曾提出法正林、近自然林業(yè)、森林多功能等經營理論,美國學者提出了“新林業(yè)理論”、“生態(tài)林業(yè)理論”和“生態(tài)系統(tǒng)經營理論”[8-10],加拿大的“可持續(xù)林地管理”、德國的“近自然森林經營”也先后提出。森林經營理論大體上可歸結為永續(xù)利用、森林多功能與森林可持續(xù)經營三個方面[11]。

      縱觀我國森林經營理論和實踐的演變發(fā)展,從單一永續(xù)利用到多目標持續(xù)利用,最終達到森林自然生態(tài)系統(tǒng)與社會系統(tǒng)的和諧[12-13],實現(xiàn)森林的可持續(xù)發(fā)展。圍繞廣泛的森林經營思想,先后有生態(tài)林業(yè)、林業(yè)二元結構、效益協(xié)同、現(xiàn)代林業(yè)、知識密集型林產業(yè)以及社會林業(yè)等理論的提出[14]。

      森林經營的歷史發(fā)展都逐步回歸到多視角的基礎上,即依據(jù)生態(tài)學的基本法則和社會經濟需求進行森林經營[15]。森林永續(xù)利用理論是當時傳統(tǒng)林業(yè)的理論基礎,但森林永續(xù)利用把森林作為封閉系統(tǒng)來考察。生態(tài)系統(tǒng)經營與近自然林業(yè)理論將森林作為開放的、完整的生態(tài)系統(tǒng)來研究,其中近自然林業(yè)理論強調按照森林自然規(guī)律來經營森林,而森林生態(tài)系統(tǒng)經營理論即從景觀和林分2個層次,著眼于生物多樣性、資源可持續(xù)性和經營的長期性。森林分類經營是基于森林多效益主導利用理論而實施的森林經營手段[16]。新林業(yè)理論從景觀生態(tài)學視角,以實現(xiàn)森林的經濟-生態(tài)-社會三大效益相互統(tǒng)一為經營目標。森林可持續(xù)經營理論通過保證有豐富的森林資源與健康的環(huán)境,滿足當代人及子孫后代的需要,將森林資源放在經濟、生態(tài)和社會更大的巨系統(tǒng)中考察[17]。森林可持續(xù)經營和林業(yè)可持續(xù)發(fā)展已成為共識的森林經營準則[18]。

      2 森林景觀“斑塊耦合網絡”的本質內涵與構成

      森林景觀是一個異質的復雜系統(tǒng),在不同的時空尺度下,通過內部組分的相互作用,其結構與功能構成了多個層次水平的等級體系[19]。對于森林景觀,以斑塊信息特征作為調控節(jié)點,以斑塊間相互作用大小作為網絡邊,提出了“斑塊耦合網絡”的概念。“斑塊耦合網絡”是代表“斑塊的耦合體”空間格局的骨架,有助于闡釋森林景觀的系統(tǒng)性和復雜性[20]。

      由于森林景觀的時空結構上表現(xiàn)為互相鑲嵌分布、結構與功能全方位交錯,表現(xiàn)為非線性、遠離平衡、混沌與分形[19]。斑塊作為景觀組分,受到來自斑塊自身與外部環(huán)境的影響,在斑塊之間存在著復雜的生態(tài)過程,是某種載于斑塊結節(jié)之間的連接上的流[21]。“斑塊耦合網絡”反映了景觀、斑塊關系,通過流的功能性邏輯映射出的空間組織關系,體現(xiàn)了斑塊間生態(tài)過程耦合作用,描述了景觀生態(tài)流的相互作用形式。

      斑塊耦合網絡主要研究發(fā)生在景觀、斑塊間多尺度的生態(tài)過程,是立足于森林經營的一種視角,從一種更廣更寬的角度考慮經營森林的穩(wěn)定性和綜合效益。森林景觀“斑塊耦合網絡”的本質,就是以林分為調控單元,研究斑塊耦合體的生態(tài)規(guī)律,剖析斑塊間的耦合機理,通過生態(tài)流的內部關聯(lián),使斑塊間形成耦合狀態(tài),呈現(xiàn)出對結構、功能和行為的不同程度調節(jié)和控制,進而實現(xiàn)森林景觀在特定時空與功能下的優(yōu)化[20]。

      3 森林景觀“斑塊耦合網絡”的森林經營實踐應用

      3.1 異質性經營

      異質性是景觀系統(tǒng)生態(tài)學變量在空間的變異程度或強度,表現(xiàn)為生態(tài)系統(tǒng)的斑塊性和環(huán)境梯度性[19]。森林本原是一種異質性景觀,由于植物的內因性演替[22-25]與環(huán)境的異質性,造成其生態(tài)位的時空異質性,決定了森林景觀的異質性[26]。

      森林經營的本質是維持和促進森林景觀異質性,提高景觀多樣性與穩(wěn)定性,實現(xiàn)森林的可持續(xù)經營,機制假說上可從“保險”假說與“冗余”理論進行解釋。“保險”假說表明物種豐富度高的系統(tǒng)對外界干擾更具“彈性”,物種豐富的系統(tǒng)抗干擾的能力強,而“冗余”理論認為,豐富的冗余類型組合可相互補充與替代,使系統(tǒng)對外界干擾更具“彈性”[27-28]。因此,斑塊異質性具有抗干擾的可塑性,有利于消除環(huán)境的干擾[29],異質性森林更具有穩(wěn)定性,但對于森林異質程度仍存在爭議[30]。目前森林經營決策采用定量的優(yōu)化決策方法較多,一般構造森林生長經營模型,用于優(yōu)化森林經營措施,在經營過程中同步調整并優(yōu)化各種森林結構[31]。以自然干擾、斑塊鑲嵌、和林隙動態(tài)為基礎的理論近年來在森林經營實踐中有著非常廣泛的應用[32]。至于景觀異質性程度達到什么標準,才能實現(xiàn)空間優(yōu)化規(guī)劃,進而合理地配置和規(guī)劃森林,達到森林系統(tǒng)結構穩(wěn)定性與功能優(yōu)化,卻是森林經營工作進一步研究的內容。

      景觀異質性在空間上具體體現(xiàn)為斑塊的鑲嵌體結構。景觀斑塊間復雜的生態(tài)流[33],進行著持續(xù)的相互作用,影響了景觀的時空格局與生態(tài)過程,這種生態(tài)流可能在林分層次并不考慮,但對景觀動態(tài)是至關重要,只有異質斑塊共存,并與環(huán)境相適應,才能實現(xiàn)景觀效益的最大化。森林景觀“斑塊耦合網絡”體現(xiàn)了景觀異質性的骨架,從節(jié)點、斑塊流路徑2個層次入手,進行森林經營效果的科學評價,從機理上探討森林經營的異質性標準,體現(xiàn)森林景觀“斑塊耦合網絡”的森林經營應用價值。從網絡節(jié)點的層次看,有的斑塊有利于森林協(xié)調穩(wěn)定與環(huán)境優(yōu)化,有的斑塊則削弱系統(tǒng)的功能發(fā)揮,導致森林退化。這似乎是林分層次的經營問題,但與傳統(tǒng)的林分經營不同,需要考慮整體網絡中的宏觀約束,森林整體性質依隨于其組分的屬性和構成。因此,營造什么樣的林分,使網絡節(jié)點規(guī)模最適度是森林異質性經營面臨的問題。從網絡邊的層次看,具有流動特性的源與匯及其傳遞路徑,隱含了景觀組分動態(tài)過程,如何適應合理安排林分空間狀態(tài)與林分數(shù)量,形成穩(wěn)態(tài)的流動鑲嵌與生態(tài)流的空間平衡格局[34],“斑塊耦合網絡”可進一步地揭示森林異質性景觀的穩(wěn)定機制。

      3.2 適應性經營

      從森林復雜適應性理論來看,森林斑塊通過感知環(huán)境,在結構與功能上改變自身以動態(tài)適應環(huán)境,甚至體現(xiàn)在主動改變環(huán)境方面,斑塊間生態(tài)流的流動與適應行為又對環(huán)境產生反作用,并對所依附的生態(tài)環(huán)境進行能動的改變,使得周圍環(huán)境更加適合自身的生存。森林景觀自組織結構,就是通過斑塊的“適應性”,不斷地趨向于維持自身的穩(wěn)定狀態(tài),或者在出現(xiàn)新環(huán)境狀況下選擇適合自身生存發(fā)展的新的有序狀態(tài)[35-36]。

      由于景觀形成過程在自然條件下是一種自組織,其相互作用涉及到斑塊異質性對景觀生態(tài)過程的改變,以及由此產生不同的生態(tài)效應[37]。合理的林分結構是充分發(fā)揮森林多種功能的基礎[38],這個觀點已成共識。林分斑塊具有自適應性特征,其行為規(guī)則的發(fā)展變化對整個系統(tǒng)的演變至關重要,但在人類干擾的條件下,局部的最優(yōu)化往往會犧牲森林整體效益,如法正林經營是一種景觀尺度的考慮,但宏觀上忽視了森林經營的外部環(huán)境,微觀上則忽視了林木個體與林分結構差異。因此,森林經營必須考慮在森林整體最優(yōu)化前提下的林分結構與功能協(xié)調。

      “適應性”斑塊將受到斑塊環(huán)境與邊緣效應的影響,眾多斑塊之間交換著復雜的生態(tài)流耦合維持總體可持續(xù)形態(tài)[39],結構功能和環(huán)境的融合匹配,在競爭環(huán)境下構建不斷的競爭優(yōu)勢[40]。通過森林景觀“斑塊耦合網絡”構建,從景觀宏觀涌現(xiàn)的特性中推斷出不同林分間及與環(huán)境的交互特性,反映了斑塊間的能量流、物質流和信息流等生態(tài)過程機制,體現(xiàn)了景觀斑塊間所存在的耦合作用[41]。因此,森林景觀“斑塊耦合網絡”前提下的森林適應性經營,隱含了森林景觀整體特征及景觀斑塊的適應性機制,是近自然經營與生態(tài)系統(tǒng)經營的完整結合,是森林系統(tǒng)功能與林分結構的最佳匹配狀態(tài),是一種森林的可持續(xù)經營。

      3.3 跨尺度經營

      森林是一種多層次結構[42]。不同層次的結構具有不同的功能,整體功能體現(xiàn)在系統(tǒng)中多層次結構的協(xié)調與適應。傳統(tǒng)的法正林、檢查法與森林生態(tài)系統(tǒng)經營理念,不同程度地體現(xiàn)了多尺度經營的思想[43],已有的森林經營實踐進行了區(qū)域、景觀、林分等多尺度觀測[44-47],但由于尺度效應與尺度推繹的不確定性,多尺度的結構特征難以揭示跨尺度機理,使跨尺度經營面臨眾多挑戰(zhàn)。

      森林景觀“斑塊耦合網絡”強調跨尺度的格局與過程的相互作用,表現(xiàn)為多層次結構功能的時空耦合,是系統(tǒng)結構與系統(tǒng)演化上最合理、最優(yōu)化的組織形式[48],為解決森林經營提供一定的理論基礎。在森林經營中,由于景觀作為經營的生態(tài)單元具有整體性和宏觀區(qū)域性[49-51],以森林景觀為核心層次,往下考慮景觀要素的組合,即解釋林分結構與機制,往上考慮環(huán)境異質性,它包含了2個方面的影響因子,即自然因子與人為因子。森林景觀多層次結構與生態(tài)功能及生態(tài)過程關系,體現(xiàn)在核心層次對高一層次的環(huán)境約束和低一層次的組分行為約束[52]。而森林景觀“斑塊耦合網絡”模型構成,映射了森林的等級結構,利于評估跨尺度的多層次經營,能夠從空間尺度上增強對經營理論的理解與實施[43]。因此,森林景觀“斑塊耦合網絡”視角下的森林經營,把森林生態(tài)功能置于景觀、林分等多尺度上表述,闡釋跨尺度的森林經營機制,有利于解釋森林經營的復雜性。

      4 現(xiàn)代森林經營對“斑塊耦合網絡”研究的啟示與展望

      4.1 現(xiàn)代森林經營的啟示

      森林經營是現(xiàn)代林業(yè)發(fā)展的永恒主題。由于森林系統(tǒng)的生態(tài)復雜性、人類干擾的不確定性、森林利用效益的多樣性,現(xiàn)代森林經營理論主要將森林看作有等級層次的復雜系統(tǒng),以人類為主體參與的、用開放的大系統(tǒng)經營森林資源,實現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)的效益最佳與最大化[53]。

      森林經營中,時空尺度與生態(tài)系統(tǒng)層次是密不可分的,在不同空間尺度上,森林景觀具有不同的格局、不同的動態(tài)過程與發(fā)展機制[54-55]。森林系統(tǒng)在小尺度上的相互作用具有局部性與可加性,但小尺度行為難以準確表達大尺度的整體行為。因此,要求我們在森林經營中利用森林的復雜性,維護林分的適應性與適度空間的異質性,保持景觀尺度優(yōu)化條件下的林分穩(wěn)定性的約束與調控。

      “斑塊耦合網絡”視角下森林經營需要考慮:(1)不局限于林分混交結構,注重林分(斑塊)類型的空間配置;(2)不局限于林分優(yōu)化,注重林分(斑塊)適應的景觀目標約束;(3)不局限于多尺度觀測試驗,注重跨尺度機理分析。

      4.2 森林景觀“斑塊耦合網絡”的研究展望

      4.2.1 “斑塊耦合網絡”的網絡特性 “斑塊耦合網絡”描述了森林景觀“斑塊耦合體”空間結構的骨架。由于森林系統(tǒng)的復雜性、環(huán)境的分異性與梯度性、人類干擾程度的差異性,在森林景觀中每一個斑塊的演替過程的影響機制不同,在現(xiàn)實的林地空間中形成各種不同的“斑塊耦合網絡”。

      到目前為止,給出的證據(jù)似乎說明無標度屬性、小世界屬性和高聚集屬性是網絡的一般屬性。那么,“斑塊耦合網絡”是何種類型的網絡,現(xiàn)實森林景觀、理想森林景觀的“斑塊耦合網絡”特性又如何,在斑塊耦合網絡模型中這些屬性意味著什么,哪些林學或生態(tài)學機制引起相應特征變化,有待于我們進一步的研究。同時,不能局限于復雜網絡的統(tǒng)計學特性,復雜網絡的評價指標是否可用于評價森林景觀“斑塊耦合網絡”,需要充分考慮統(tǒng)計學指標與森林景觀機制的相關性。

      4.2.2 森林景觀“斑塊耦合體”的生態(tài)學特性 森林景觀“斑塊耦合網絡”是對應“斑塊耦合體”的評價模型,其主要研究目的是從復雜網絡視角對森林景觀生態(tài)穩(wěn)定性或經營的可持續(xù)性進行評價,進而探討其內在機制。網絡結構度量是一個復雜問題,應從常規(guī)的復雜網絡分析思維模式中跳出來,“斑塊耦合網絡”是現(xiàn)實中生物復雜網絡的一種,隱含了森林景觀的生態(tài)學機制,具有普遍性,也有特殊性,必須注意物理網絡、社會網絡與生物網絡的機制差異,不能簡單地局限于物理網絡的研究模式。

      因此,“斑塊耦合網絡”研究,必須利用已有的林學研究成果,從斑塊耦合網絡結構、斑塊耦合體系統(tǒng)功能、耦合體環(huán)境因子等方面,運用復雜性科學與景觀生態(tài)學理論,研究森林景觀斑塊耦合網絡的拓撲特性及其與森林景觀格局指數(shù)之間的潛在關系,構建斑塊耦合網絡的拓撲特征與生態(tài)學特征的映射空間,從可持續(xù)經營理論的角度揭示斑塊耦合網絡耦合的整體屬性,真正實現(xiàn)斑塊耦合網絡研究的應用價值。

      4.2.3 森林景觀斑塊耦合網絡優(yōu)化 在森林經營過程中,對于森林景觀“斑塊耦合網絡”優(yōu)化,表達的是復雜網絡的演化問題。建立森林景觀斑塊耦合網絡邏輯結構與空間結構優(yōu)化模型,實質是保持森林生態(tài)系統(tǒng)的完整性、生境的多樣化和森林景觀動態(tài)的平衡[56]。分析網絡結構參量的調節(jié)效應,實質是森林景觀格局調控方案設計。因此,必須從斑塊耦合網絡結構中復雜網絡屬性與斑塊耦合體系統(tǒng)生態(tài)功能優(yōu)化的關系著手,揭示斑塊耦合網絡優(yōu)化的森林經營機制。

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