荒漠区生态退化与恢复措施的探究

徐路，朱家明，李美玲，程刚

(安徽财经大学a.金融学院；b.统计与应用数学学院,安徽蚌埠　233030)



荒漠区生态退化与恢复措施的探究

徐路a，朱家明b，李美玲a，程刚a

(安徽财经大学a.金融学院；b.统计与应用数学学院,安徽蚌埠233030)

[摘要]针对荒漠地区生态退化与恢复措施的问题，使用层次分析、隶属度函数、主成分分析等方法，探究荒漠地区生态退化与恢复问题.然后建立生态退化评价模型，得知过牧区处于半退化程度，轮牧区处于临界状态，开垦区处于退化程度.最后进行生态环境承载力和生态系统恢复补充指标分析，证明了荒漠地区处于半退化、退化等不同阶段时，是可以通过减少人为干扰，或者采用补充人工植被的方法来促使该地区的生态环境恢复正常.

[关键词]生态退化；隶属度函数；主成分分析；恢复方案；MATLAB

0引言

随着现代化的发展和社会科学技术的进步，人类活动的不断加剧，使得荒漠化现象愈发突出，已经成为当今全球主要的生态环境问题之一，而荒漠化在我国的生态环境问题之中是涉及当下以至未来的重点问题，荒漠化不仅危害到了生物生存的生态环境，影响生物多样性，而且威胁到了人类赖以生存的自然资源环境和社会经济的持续发展.目前，我国的荒漠化土地总面积已达到263.63万平方千米，约占国土面积的27%，而且仍以每年约2153平方千米的速度扩张.其形势十分严峻.荒漠化的治理工作，一般来说，包括三个方面：一、修复已经变成荒漠的地区生态环境；二、保护和防治正在荒漠化中的地区生态环境；三、提前做好措施，防范潜在的荒漠化威胁.荒漠地区生态系统的保护和恢复工作是防治荒漠化的主要过程之一，对我国的生态环境质量恢复起到积极影响.故而，研究人类活动对于荒漠地区生态退化的影响以及生态环境恢复措施的可行性，对于指导荒漠化地区生态系统的恢复工作与环境保护工作将起到重要现实意义.

1数据的获取及假设

数据来源于2015年第八届“认证杯”数学建模网络赛C题[1].为了便于解决问题，提出以下假设：1)自然因素对生态退化程度影响较小；2) 植被的类型主要考虑草本和灌木；3)不考虑一个月内的时间变化因素；4)测试所取的土地面积无差异；5)忽略瘟疫、地震等突发灾害对物种的多样性的偶然影响.

2荒漠区生态退化的程度分析

2.1生态退化指标评价模型

对西北某干旱区植物动物数据整理，按照过牧区、轮牧区、开垦区三种类型分别统计草本生物量、灌木生物量、动物生物量、各植物因子(高度、盖度、密度).对以上数据进行处理后，得到不同牧区7、10月份各指标的平均数，如下：

表1　过牧区、轮牧区、开垦区各指标处理数据

依据上表数据，得到影响荒漠地区生态退化的指标：草本生物量、灌木生物量、动物生物量、植被高度、植被盖度、植被密度.下面利用层次分析法建立生态退化指标评价模型：

(1)分析层次图

图1　递阶层次结构图

(2)评价指标权重

所选指标构成集合，即为因子集合，上文中各个指标层因子，即草本生物量，灌木生物量，动物生物量，植被高度，植被盖度，植被密度分别表示为U={u1,u2,u3,u4,u5,u6}，其中u1,u2,u3,u4,u5,u6，将这些因子分为两类，即U={U1,U2}，U1,U2分别表示生物丰富度，植被覆盖度，其U1={u1,u2,u3}，U2={u4,u5,u6}.合理赋予重要性指标度，利用MATLAB软件计算得各个评价指标的权重如下表：

表2　各个评价指标的权重

(3)建立指标分级与标准

对于评价的指标，我们建立V={v1,v2,v3,v4}，其中v1,v2,v3,v4分别表示严重退化，退化，临界状态，稳定，依据有关标准，参考相关文献资料，并且结合本文某西北地区设定下的相关情况，得出了以下评价标准：

表3　指标分级与标准

(4)建立隶属度函数

接下来，根据以上表格数据，建立隶属函数.为了计算简便，我们取分级区间的中间值，进行比较，结合本题的实际情况，不难发现，这些指标均为正指标，其计算公式为：

⑴当ui

⑶当ui>vi,5时，ri4=1，ri1=ri2=ri3=0.

先对数据加总求平均值处理后，可得到如下数据：

表4　过牧区、轮牧区、开垦区各项指标加总求和数据

将以上数据代入公式计算，可以得出以下隶属度矩阵：

其中R1、R2、R3分别表示过牧区、轮牧区、开垦区的隶属度矩阵，U表示各指标的权重矩阵.

对矩阵进行归一化处理：

B1=R1×U,B2=R2×U,B3=R3×U；

B1=(0.4324，0.3614，0.2078，0.0203)；

B2=(0.1236，0.5145，0.3460，0.0378)；

B3=(0.6509，0.3239，0.000，0.0471).

得出结论：①根据隶属度最优原则，过牧区处于半退化程度，轮牧区处于临界状态，开垦区处于退化程度.②根据以上计算结果，可以得出：过牧区，轮牧区，开垦区三种人类活动干扰之下，6个因素的取值范围，且三个区域退化程度大小：开垦区>过牧区>轮牧区.③由以上两个结论，可以得出，人类活动造成的荒漠地区生态退化的程度随着人类活动干扰程度的加深而加深.开垦区由于除草，开垦地面，进行农作物种植，对于区域内的原本的动植物生物量都是一个极大的干扰，因而处于退化程度；而过牧区因为过度放牧，其牧区放养动物对植物消耗量超越了该地区的植物资源的自动更新能力，即环境承载力小于人类活动的干扰程度.使得过牧区的生态退化进入半退化程度；最后，轮牧区将动物轮流放牧的措施，遵循了一定的自然规律，其牧区放养动物对植物消耗量基本适应该地区的植物资源的自动更新能力，即环境承载力接近于人类活动的干扰程度.因而轮牧区的生态退化处于临界状态.

3生态环境承载力指数模型

3.1研究思路

不同区域生态环境承载力不同，本模型通过对具有代表性的六个指标(草本生物量x1，灌木生物量x2，动物生物量x3，植被高度x4，植被盖度x5，植被密度x6)的权重分析，得出各指标对生态环境质量影响程度，再分别对过牧区、轮牧区和开垦区各项数据进行标准化处理，分析权重ui和xi之间的关系模型.

3.2模型求解

(1)对原数据进行标准化处理

采用均值法对数据进行无量纲处理，得下表：

表5　过牧区、轮牧区、开垦区各项环境承载力指标数据

(2)已知ui=(0.4778,0.2162,0.0785,0.0203,0.1827,0.0471)，建立生态环境承载力指数模型：

通过指数模型计算，得以下结果：

过牧区λ1=0.7147，开垦区λ2=0.9959，轮牧区λ3=1.3569；环境承载力指数大小：轮牧区>开垦区>过牧区.

(3)结果分析

人为干扰强度可以由原植被被改造程度来体现，因为人为干扰强度越强，地区植被被破坏的程度就越大，原食物链受到影响，越不利于生态系统的稳定.由此得出不同牧区人为干扰强度大小：过牧区>开垦区>轮牧区.当减少人为干扰时，就等于降低了人们对牧区原植被的消耗，则牧区的生态环境承载力就会变强，所以荒漠地区处于半退化、退化等不同阶段时，是可以通过减少人为干扰，或者采用补充人工植被的方法来促使该地区的生态环境恢复正常的.

4不同牧区生态系统恢复补充指标分析

4.1影响生态稳定的主要因素——主成分分析法

首先对不同牧区不同月份植物群落地上生物量的变动趋势进行分析，其中(x1：7月草本；x2：7月灌木；x3：10月草本；x4：10月灌木).

图2　过牧、轮牧、开垦区7和10月份植被群落地上生物量的变动趋势

⑴在过牧区7月份灌木地上生物量较高，变动幅度较大，而在7月份草本植物地上生物量很少，变化幅度微弱.同样在10月份草本植物和灌木植物地上生物量很低，变动幅度近似一致且稳定，且变化很小.经分析，我们选择7月份的数据.

⑵在轮牧区10月份灌木地上的植物生物量很高，变动幅度较大，灌木地上植物生物量在7月份次之，生物量较高，变动幅度较为平缓，而草本植物在7月份与10月份的地上生物量较低，变动幅度不明显.经分析，我们选择10月份的数据.

⑶开垦区10月份草本地上的植物生物量总体较高，变动幅度较大，7月份草本地上植物生物量次之，生物量较高，变动幅度较为平缓，而灌木植物在7月份与10月份的地上生物量较低，变动幅度不明显.经分析，我们选择7月份的数据.

4.2主成分分析法的结果

利用MATLAB软件分别对三个牧区的8个因素进行主成分分析，各牧区提取对分析结果起决定性的前n个主要因子，使得累积贡献率达到≥80%.结果如下表：

表6　不同人为干扰下各指标的主要成分

⑴草本达到稳定状态的量化方案为：

⑵灌木达到稳定状态的量化方案为：

其中，草本的高、盖、密为xi，以及其稳定状态指标为vi；灌木的高、盖、密为xj，稳定状态指标为vj.

表7　不同人为干扰下各指标的主要成分

结论：根据上表(即各指标生态恢复所需补充量)可以大致得出以下结论：

①对于过牧区来说，第一，需要使得该地区的灌木植物覆盖度最少提高3.18075个单位；第二需要提高该地区的草本生物量62.158个单位以上；第三，表中灌木高度的补充量为-2.102，即灌木的高度不需要补充.过牧区处于生态退化的半退化阶段，其生态环境的恢复需要减少人为干扰或者增加人工植被的补充量适中，因而灌木植物的覆盖度的增加要求并不高，而草本植物生物量的增加主要是想通过“草方格”等特色手段，抑制正在发生的荒漠化.这对于过牧区抑制荒漠化来说是十分适合的.

②对于轮牧区来说，第一，需要使得该地区的灌木植物覆盖度最少提高40.726个单位；第二需要提高该地区的草本生物量4.215个单位以上；第三，表中灌木高度的补充量为 7.4652.

③对于开垦区来说，第一，需要使得该地区的灌木植物覆盖度最少提高25.5965个单位；第二需要提高该地区的草本生物量119.008个单位以上；第三，表中灌木高度的补充量为0，灌木的高度也不需要补充.开垦区处于生态退化的退化阶段，生态退化严重，其要求的灌木密度甚至到达119.008，而对草木的高度要求也到了25.5965.

参考文献

[1]数据来源:2015年第八届“认证杯”数学中国数学建模网络挑战赛C题,http://www.tzmcm.cn/.

[2]周道玮,钟秀丽.干扰生态理论的基本概念和扰动生态学理论框架[J].东北师大学报(自然科学版)1996,28(1),90-96.

[3]王利清.不同干扰方式对荒漠植物与啮齿动物群落的作用[J].内蒙古农业大学学报, 2006,27(3).

[4]张福顺.不同干扰下荒漠啮齿动物群落格局动态及其敏感性研究[D].内蒙古:内蒙古农业大学,2005,5.

[5]杨桂元,朱家明.数学建模竞赛优秀论文评析[M].安徽:中国科学技术大学出版社,2013.

[责任编辑：房永磊]

Study on the Ecological Degradation and Restoration Measures of Desert Areas

XU Lua，ZHU Jia-mingb，LI Mei-linga，CHENG Gangb

(a. School of Finance;b. School of Statistics and Appl. MathAnhui University of Finance and Economics, Bengbu 233030, China)

Abstract：In this paper, based on the analysis of the problems of ecological degradation and restoration measures in desert areas, using the method of analytic hierarchy process, membership degree function and principal component analysis, the paper studies the ecological degradation and restoration of desert area. And establishment of ecological degradation assessment model, known pastoral areas in a semi degradation degree, rotational grazing area in the critical state, reclamation area is in the degree of degradation. Finally, the ecological environment carrying capacity and ecological system restoration index analysis, it is proved that the desert region in the different stages of semi degradation, degradation, can be reduced by man-made interference, or the use of artificial vegetation to supplement the ecological environment of the region to restore normal.

Key words：ecological degradation; membership function; principal component analysis; recovery plan; MATLAB

[中图分类号]O212

[文献标识码]A

[文章编号]1004-7077(2016)02-0048-06

[作者简介]朱家明(1973-)，男，安徽泗县人，安徽财经大学副教授，硕士，主要从事应用数学与数学建模的研究.

[基金项目]国家自然科学基金(项目编号：11301001).

[收稿日期]2015-12-21