全 文 ：应 用 生 态 学 报 年 ! 月 第 ∀ 卷 第 # 期
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= >? ≅ Α Β 过程在森林资源结构动态
预测中的应用 Χ
—以福建省南平地区的树种结构为例
陈建忠
徐福余 ’
周世勇 8福建省建阳县林业委员会 , 建阳 # ∀ ; Δ Δ9
8中国科学院沈阳应用生态研究所 , 沈阳 Δ Δ ∀9
【摘要】 根据马尔可夫决策过程理论和森林资源连续清查的固定样地调查资料 , 对南平
地区的树种结构进行了预测与调整 , 结果表明 , 按现状发展 , 针阔比例将日趋严重 , 并且毛
竹 、 经济林的占有率呈下降趋势 , 最终达到 以 杉木 ;Ε Φ Δ∀ Γ 、 马尾松 < Φ <# Γ 、 阔叶树
Φ Δ Γ 、毛竹 ∀ Φ # Γ 、经济林 ; Φ ;< Γ 、其它类 ;Ε Φ ! Γ的树种结构 Φ 经调整后稳定状态的
树种结构基本趋于合理 , 即各树种的占有率分别为杉木 Ε Φ !; Γ 、马尾松 # Φ ; Γ 、阔叶树
; < Φ Ε Γ 、毛竹 Δ Φ Ε Γ 、经济林 ∀ Φ ∀ Γ 、其它类 ; Φ ! ! Γ Φ
关镇词 森林资源结构 马尔可夫过程 转移概率
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6Μ > Β Μ Ο ϑ ? Μ Μ Ν ∴7 , Δ Γ , Τ Σ7 6∴ Νϑ> Ι Σ7ΦΛ Τ 5 6,Μ Ν Ι Μ Κ 、 ∴ 7 ∀ Φ # Γ , ΜΜ Α Κ Α Π ΗΜ ϑ ? Μ Μ Ν ∴ 7 ; Φ ; < Γ ,
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∀ Φ ∀ > Κ Ο ; Φ ! ! Γ ? Μ Ν 1Μ Μ ϑΗΒ Μ 67 Φ
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引 言
综观 国内外林业发展的趋势 , 现代林
业生产的 目的 , 不 只是简单地 为了木材及
林产品的生产 , 更重要的是注重 森林多种
效益的发挥 , 而森林资源结构是否合理 , 直
接关系到森林整体效益的发挥 , 科学合理
地调整森林资源结构 已成为林业生产活动
的当务之急 Φ 由于林业生产具有时间的长
期性 、空间的广裹性 、资源的可再生性和连
续性 , 经济生产过程与自然生长过程的交
错性以及效益的多样性等自身的特点 , 致
使森林资源结构的调整成为一项长期而又
艰 巨的任务 Φ 因此 , 正确地预测 与调整森
林资源的结构 , 为制定林业发展规划提供
可靠的依据 , 不仅是林业生产 活动中迫切
需要解决的问题 , 也是国土整治规划 , 国民
经济长期规划以及研究陆地生态平衡课题
迫切需要解决的问题 Φ
, 本文第二作者 Φ
# 年 ; 月 日收到 , 年 ∀ 月 # 日改回 Φ
# 期 陈建忠等 : =>? ≅ΑΒ 过程在森林资源结构动态预测中的应用 ; # #
马尔可夫过程 已应用于预测植被的演
替_Φ , ·‘· , 〕和土地利用变化_Ν 以及水资源系
统分析 _ ⎯ , 在林业上 , 研究林木生长竞争 、
林分年龄转移 、地类林种动态以及松毛虫
灾情同样取得 了较满意的效果 _Ν⎯ Φ 本文根
据马尔可夫决策过 程理论 , 利 用森林资源
连续清查的固定样地调查资料 , 探讨森林
资源结构动态 预测并作 出相应决策的方
法 , 并 以南平地 区为例 , 对该地区的树种结
构动态进行预测与调整 , 阐明应用效果 Φ
研究方法
资料整理
根据森林资源调查的有关规定和所要研究的
对象 , 如各地类面积动态的预测与调整 , 用材林各
龄组蓄积动态的预测与调整等问题 , 划分系统状
态 , 如各地类可划分为有林地 、疏林地 、灌木林地 、
未成林地 、苗圃地及无林地等 < 种状态 , 树种结
构可根据当地树种的分布情况和经营 目的进行划
分 , 本文应 用实例中划分 为杉木 、 马尾松 、 阔叶
树 、毛竹 、经济林和其它等 < 种状态 , 在样地选择
上需包含正常人为干扰的样地 , 然后统计两次调
查的各状态分布 Φ
; Φ ; 建立状态转移概率矩阵
将两次调查的各状态分布除以第 次调查的
样地总数 , 即得状态转移概率矩阵 , 可表示为; 。
状态 Δ Π 一 6
ΦΦ,口Χ,‘1ΔΔΔ,‘1
86 9
入16Ω知⋯
Π 一 6 , 一 , 。 1一 , 1, 一 ; 户一 : , 一 ,
; Φ # 预测模型的建立
根据马尔可夫随机过程理论 , 第 Κ 分期的转
移概率为 :
户。‘· , 一 艺户“ ‘一 , ’ · 户, , 8; 9
将各分期各状态的占有率乘以总面积 , 即得各分
期各状态面积 , 从而实现预测的目的 Φ
; Φ 稳定状态预测
如果随机过程的概率分布及数字特征均与时
间无关 , 随机过程就成为平稳过程 , 其状态就为稳
定状态 , 这时的转移概率称稳定 8或恒定 9状态转
移概率 , 也是各状态的最终占有率 Φ 根据马尔可夫
链的极限性质 , 即当 Κ α ΙΑ 时 , 尸” 趋近于唯一的极
限 矩阵 . , 其中所有各行均为 > , 一 8> 。 , > : , 由 ,
⋯ , > 。卜 , 9 Φ 即
Π 1?’ 8, 9 β > , 8! 9
式中 > , 满足下列各方程
、,声,矛只了、铆州孙 !
∀ # ! , ∃ , % , ⋯ , 明
&# ! , ∃ , % , ⋯ , , ∋
式中 , ∀ 、&分别表示转移概率矩阵的行 、列数 , (。即
为 ∀ 行 & 列的元素 ) 式 ∗% + 可用下列矩阵形式表示
( ‘ 一 尸” , 尸 ∗ , +
根据初始面积占有率矩阵 − ‘!+ 和第 . 分期的
转移概率矩阵 ( ∗. ’, 可计算出第 . 分期末的占有
率矩阵 − ‘” , 即
− ‘, , # − ∗ / +( ∗ , + ∗ 0 +
同理 , 第 ∋ 分期末的占有率矩阵公式为 1
− ∗ , + 2 − ∗ ! +( ∗ · , ∗ 3 +
或
− ‘, , # − ∗ , , ’( ∗ , + ∗ 4 +
∗ . ! +
式 ∗ 5+ 和 ∗ .!+ 的展开形式为
;# 应 用 生 态 学 报 ∀ 卷
> ” > 企 , ’ Φ Φ ⋯ , >一
1。 : 1。 :
1 , 1 6:
1 ; 1 : :
户、 一
1 , , 一 ,
1 Ξ, 一 , β 8> 。 , > : , > Ξ , ⋯ , > 一 8 9
一 : 。 1一 : 、 1一 , : ·一 Φ 1一 , 一 ,
> 6 χ > : χ ⋯ χ > Φ δ , β 6求解方程组即可得稳定状态时各状态的占有率Φ
; Φ ∀ 分析与调整
根据各分期及稳定状态森林资源结构的发展
趋势预测 , 分析森林资源结构按现状发展存在的
问题 , 结合本区域实际情况 , 提出调整的措施 , 并
按调整措施再预测 , 再分析 、再调整 、再预侧 , 最终
确定合理的调整措施 , 从而为制定林业发展规划
提供科学依据 Φ
# 应用实例
以南平地区 Ε # 年和 ; Ε Ε 年 < 块
衰 皿 各树种样地分布统计表
介目Μ & 2 肠ϑ?Η∴吐诬Δ Φ Α Λ ΝΦ Φ 16Μ 16Α ϑΝ ΑΛ ϑ限 Ν脚Ι 目ΜΝ
固定样地调查资料为例 , 这里仅对树种结
构动 态进行预测和调整 , 以评价此法的实
用性和可行性 Φ
# Φ 转移概率矩阵的构建及预测结果计算
根据森林资源调查有关规定 , 将树种
结构划分为 < 种状态 , 两次调查的各树种δ
样地分布见表 Φ
转移概率矩阵 1 “ ’由表 中各栏数除
以 Ε # 年调查时各状态的样地总数 , 即
杉 木
∃ 5 , 二动Θ 加Π Η>6> 九Μ亡‘汀> 扭
马尾松
1 Η”盯 ” ∗口 ‘
阔叶树
一 [? +Φ Ο 一 6Μ > Β Μ Ο
毛 竹
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经济林
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其 它
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马尾松
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阔叶树
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根据式 ∗ % + 、 ∗ 3 + 、 ∗ . . +即 可计算出
. 5 ≅ , 年至 % ! % , 年各分期 ∗ 以 3 年为 . 个
分期 +及稳定状态各树种的面积占有率 ∗表
% + )
# 期 陈建忠等 : =>? ≅ΑΒ 过程在森林资探结构动态预测中的应用
衰 ; 各分期各树种占有率该侧结果8Γ 9
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稳定状态Ν ; Ο 9∃Ι ϑ ; Ο证 % ≅ , ! 3 . 4。 4, . 5 。 ! . % ≅ 。 = .
,) % 预测结果分析
从表 % 可见 , 各树种占有率的动态趋
势有以下几个特征 1 ” 杉木 、马尾松 、阔叶
树在不同程度上均 呈上升趋势 , 且杉木增
长幅度最大 , 由 . 5 ≅ , 年的 .! ) =5 Π增加到
稳定状态的 %≅ ) !3 Π , 增加 了 . = ) %4 Π Θ而
马尾松增加了 3 ) 3% Π ) 阔 叶树为0 ) 35 Π )
% + 毛竹 、经济林和其它类在不同程度上呈
下降趋势 , 其它类下降最大 , 由 . 5 ≅ , 年的
0 5 ) 5 Π下降到稳定状态的%≅ ) =. Π , 下降了
%. ) . 5 Π Θ 而毛竹下降了 , ) ,4 Π , 经济林类
下降了 , ) ≅% Π ) ,+ 各树种 比例不合理现
象 日趋严重 , 针阔 比例由 . 5 ≅ , 年的 4 针 0
阔变化为稳定状态的 = 针 , 阔 ) 且毛竹 、经
济林类呈下降趋势 ) 显然 , 按现状 自由发
展的趋势与区域经济发展的要求和理想状
态的树种结构是很不适应的 , 需要对 目前
的森林经营状况进行适 当的调整 )
,) , 调整措施
分析第 ∃ 分期 ∗ . 5 ≅ , 一 . 5 ≅ ≅ 年 + 的转
移概率矩阵 ( “ ’可知 , 造成上述树种不合
理的主要 原因有 1 .+ 其它类转 为杉木 、马
尾松 、阔叶树的比例大 , 分别占 ≅ ) . . 、 3 ) 4.
和 5 ) .3 Π Θ 而转为毛竹 、经济林类 的仅占
8 !0 和 7· ≅ , Π ) %+ 杉木转为马尾松的占
= ) 4 5 Π , 转为阔叶树和毛竹的均为零 Θ马尾
松转为杉木的占 = ) 0≅ Π , 转为阔叶树 、毛
竹 、经济林均为零 Θ 阔 叶树转为杉 木的占
≅ ) 4 , Π , 转为马 尾松的为 . ) 0 写 , 转为毛
竹和经济林的分别 仅占 . ) 0 和 ! ) 5% Π Θ
毛竹转为杉木的占 % ) , ≅ Π , 转为阔叶树的
占 = ‘ . 0 Π Θ经济林转为杉木的占 . 0 ) %5 Π ,
转为阔叶树的 为 4 ) .% Π , 转为马尾松 、毛
竹的均为零 ) 由此可以看出 , 无论是 无林
地还是采伐迹地 , 用于发展杉木 、马尾松和
阔叶树的比重较大 , 而用于发展毛竹 、经济
林的比重则偏低 ) 为了控制 目前的发展趋
势 , 就必须对现有发展对象进行调整 , 使其
趋于合理 ) 调整的目标是要提高阔叶树 、毛
竹和经济林的比重 , 为此 , 采取如下调整对
策 1 ∃+ 对阔叶树林分由皆伐为主改为择伐
为 主 , 即将 阔 叶树转 至 杉 木 的 概 率 从
≅ ) 4 , Π降为 % ) ≅ ≅ Π , 阔叶树转至阔叶树的
概率从 ≅, ) 03 Π提高到 ≅5 ) %. Π ) %+ 对其
它类的无林地 , 增加毛竹 、经济林的比重 ,
降低杉木 、阔叶树的比重 , 即将其它类转为
经济林的概率从 ! ) ≅, 写提高到 0 ) =≅ Π , 转
为毛竹的概率从 . ) !0 Π 提高到 , ) .% Π , 转
为杉木的概率从 ≅ ) . 肠降低为 , ) 53 Π , 转
为阔叶树的概率从 5 ) .3 Π降为 = ) %≅ Π )
因而 , 调整后的转移概率矩阵为
;# < 应 用 生 态 学 报 ∀ 卷
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据此 , 再 按 式 ∗ % + 、 ∗ 3 + 和 ∗ . . + 计算
. 5 ≅ , 年至 % ! % , 年各分期及稳定状态各树
种 面积的占有率 ∗表 , + ) 从表 , 可以看出 ,
通过采取调整对策后 , 各树种占有率都有
不 同程度的增长 , 且阔叶树增长速度最快 )
在 稳定状态时 , 杉木 、马尾松 、 阔叶树 、毛
竹 、经济林分 别 占 . 3 ) = % 、 . , ) % 0 、 % 4 ) 5 3 、
. ! ) ≅ 0 和 3 , 0 3 Π , 其它类占 %0 ) = Π , 其树
种结构基本合理 )
构变化的结果来看 , 杉木、 尾松 、阔 口Ω树
0 结 论
0 ) . 从马氏链模型预测南平地区树种结
表 , 调整后各分期各树种占有率预测结果 ∗ Π +
的占有率逐渐增加 , 毛竹 、经济林和其它类
的占有率逐渐减少 , 这种变化可持续相 当
长时间 , 但最终可以达到一个相对稳定的
状态 , 即杉木 %≅ ) !3 Π , 马尾松 . 4 ) 4, Π , 阔
叶 树 % 5 , ! . Π , 毛 竹 3 ) 0 , Π , 经 济 林
% ) %4 Π , 其它 %≅ ) =. Π ) 这预示着按现状发
展下去 , 针阔比例不合理现象 日趋严重 , 由
. 5 ≅ , 年的 4 针 0 阔变化为稳定状态的 =
针 , 阔 , 毛竹和经济林下降较多 )
0 ) % 根据对南平地 区树种结构变化趋势
的预测结果分析 , 对现有树种结构进行适
Ξ Ο 9盛Ι , ( Φ Ι< ∀Ι ;∀/ ∋ Ω/ Φ /Ψ Ι Ζ [ ∀Ι < 阵 ΦΨ Ι ∋ ;绍 Ι ϑ / Ω ;理 Ι ϑ件Ι ∀Ι ϑ ∀ ∋ ϑ Ι Φ ∀Ο ∃ 伴 Φ ∀/ < ϑ Ο Ω; Ι Φ Ο < &Ζ ϑ ;∴ Ι ∋ ; ∗ Π +
年 度
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杉 木
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勿 ”‘尸时Ο ; Ζ
马尾松
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阔叶树
_ Φ / Ο < 一 ∃Ι Ο ⎯ Ι <
经济林
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, 留矛口 , 矛Ο ; Ξ Ι Ι Ν
毛 竹
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/∋一了!,<9∃八?7“7口Α>,?;了%七?飞月69/)。⋯⋯76..∋,!78?门:月9Ρ?“‘任几7份?,>一56自χΤ≅,曰>6!,月了7?宁Τ行了∋Μ内七∋4;了亡?,口,Τ7⋯,)介八匕及ΑΡ9)‘卜⊥≅ ) = .5 ) 30.! ) ! ≅
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有 率 分 别 为 杉 木 .≅ ) =% Π 、 马 尾 松
. , ) % 0 Π 、 阔叶树 % 4 ) 5 ≅ Π 、毛竹 . ! ) ≅ 0 Π 、
经济林 3 ) 03 Π 、其它类 %0 ) = Π )
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