可持续发展视角下荒漠区动植物关系的研究

张玉丽,朱家明，何　玉，陈　莹

(1.安徽财经大学 金融学院,安徽 蚌埠 233000;2.安徽财经大学 统计与应用数学学院,安徽 蚌埠 233000)



可持续发展视角下荒漠区动植物关系的研究

张玉丽1,朱家明2，何玉1，陈莹1

(1.安徽财经大学 金融学院,安徽 蚌埠 233000;2.安徽财经大学 统计与应用数学学院,安徽 蚌埠 233000)

摘要：针对荒漠区动植物关系，运用残差分析法对数据进行预处理，构建综合评价、微分方程模型探讨人类活动对荒漠生态退化的影响程度以及环境的自我恢复能力，得到人类活动对荒漠生态退化的影响程度以及生态恢复的量化实施方案。最后根据模型结果，得到影响荒漠区退化速度和自我恢复能力的因素。

关键词：荒漠区；模糊综合评价；微分方程模型

习近平总书记在亚洲博鳌论坛年会中指出：绿色发展和可持续发展是当今世界的时代潮流。荒漠区生态系统由于其自身的脆弱性，受环境的影响退化程度尤为严峻。可持续发展要求经济与人口、资源、环境、社会以及内部各个阶层的协调。荒漠植被是由超旱生的灌木、半灌木或半乔木为主组成的稀疏植被类型[1]。当前荒漠区主要表现为植被覆盖度降低，植物种类贫乏，生物多样性减少，草地鼠虫害发生猖獗、草地退化、沙化严重，生态防护功能大大削弱。荒漠区退化对人类社会发展、生态文明建设产生较大的影响，如何进行荒漠区的治理已经成为亟待解决的问题[2]。

由于人为干扰对生态环境的影响，如何通过减少人为干扰、增加植被种植等一系列阻止退化进程的措施便成为当前研究的热点。付和平运用景观生态学的方法[3]，从不同区位上各种啮齿动物与植物的相关关系以及环境因子对动植物分布角度进行研究，用主成分分析法对动物群落组成与干扰度之间的关系进行分析，只是笼统地而不是具体确定各因子的影响关系。孙国钧提出生态系统功能与物种多样性相关性较小而与物种群落组成有关，但并未给出量化研究[4]。在残差分析的基础上运用MATLAB软件对数据预处理，建立模糊综合评价模型。本文的创新在于兼顾了各影响因子选择的主观性，量化分析人类活动对荒漠区退化程度的影响。由于修复速度是时间的函数，运用微分方程探讨生态环境的自我恢复能力能很好地反映生态环境自我调节能力，通过对比生态退化速度与环境自我恢复速度，为维持生态平衡提出建议。

1数据的获取及假设

数据来源于第八届“认证杯”数学中国网络挑战赛,为保证文章严谨性，特提出假设:1)啮齿动物百夹捕获率的高低可以近似衡量该地区动物数量的多少[5]；2)取样期间没有发生严重的自然灾害,天气对于动植物生物量的影响忽略不计；3)只有不同的干扰影响啮齿动物生物量，不考虑其他因素的影响；4)取样时期内，植物和啮齿动物生物量为均匀减少，不存在短期较大的波动；5)实验数据抽取的样本是随机的，不存在人为因素的干扰并且个别数据的剔除不会对分析结果产生较大影响；6)不存在人为干扰的情况下，长期生态稳定水平将会处于一个固定的水平，不随时间而改变。

2生态退化程度的综合评价

2.1研究思路

由于数据来源均为实验所得，试验的随机性可能会导致样本数据与实际值的偏离，所得数据的可靠性较低，影响模型的准确性。由于缺少评价生态退化程度的具体模型，且模糊综合评价能够解决量化的、模糊的评价问题，因此，综合分析附件中的数据，运用MATLAB、EXCEL软件对数据进行处理，运用多元线性回归、残差分析对偏差较大的数据进行剔除。然后根据筛选的指标，建立人类活动与生态退化之间的关系，通过建立相对隶属度矩阵，利用变异系数法求得影响生态退化各因子的权重，综合上述分析建立模糊综合评价模型，评估人类活动对荒漠区退化程度的影响。

2.2数据处理

2.2.1数据的筛选

依据生物量与植物高度、盖度、密度因素存在的线性相关性，建立多元线性回归模型，利用方差最小化的原理，通过MATLAB软件对数据进行剔除，图1为过牧区7月份数据的筛选。

图1　异常数据筛选

2.2.2符号的说明

设ui为第i个指标，i=1,2,…,9；aij为过牧区、轮牧区和开垦区对生态退化的影响方案；wi为第i个指标的权重；Fj为第j个方案的综合得分；y为生态系统的稳定水平。

2.3模型的建立

问题要求建立数学模型求荒漠区退化能力的评价体系，在得出权重的基础上，通过使用相对优属度模糊矩阵评价的方法来进行求解，相应步骤如下:

设有u=(u1,u2,u3)时待评价的n个方案集合，u=(u1,u2,u3)是评价因素集合，将u=(u1,u2,u3)中的每个方案用u=(u1,u2,u3)中的每个因素进行衡量，得到一个观测值矩阵

其中：u=(u1,u2,u3)表示第u=(u1,u2,u3)个方案关于第j项评价因素的指标值。

2.3.1模糊效益型矩阵

2.3.2生态退化程度评价模型

若Ft

2.4模型的求解

理想方案的u=(u1,u2,…,u9)=(2.03,1.31,6.8,4.83,15.83,2.39,0.35,5.86,7.78)。

建立相对偏差模糊矩阵

综上所述可求出各指标权重见表1。

2.5结果分析

经计算可知：F1=0.358 9,F2=0.565 9，F3=0.499,由于F1

表1　各指标权重

3生态环境的恢复速率

3.1研究思路

生态环境在受到轻度外来干扰时，具有一定的自我恢复能力，恢复速度可以通过建立微分方程模型进行模拟。然而生态环境的恢复能力与外界影响的相对强度决定了环境的稳定性。荒漠区生态退化的过程是逐渐变化的过程,当荒漠区生态状况达到一定的水平,即y=y0时，生态水平保持在一个稳定的水平[7]。生态水平与多种因素有关,根据问题中所给数据可知,生态水平与植物的高度、盖度、密度以及植物和动物的生物量有关。由于题目未明确指出所采集样本点属于何种退化的类型，因此，只能通过查阅相关资料得到生态退化状况的标准[8]。结合对生态退化速度分类，建立微分方程，求出不同退化程度下，植物高盖密等特点对生态环境自我恢复能力的作用。

3.2研究方法

在没有人为干扰下，生态稳定水平应该保持在一个稳定的水平。假设y表示生态稳定水平[9]，在没有人为干扰下生态稳定水平应该表示为：y=y0。影响生态稳定水平的最主要因素包括环境的自我恢复能力以及环境的退化程度，建立模型为

(1)

式中：f(x)表示生态环境的自我恢复能力，它与多种因素相关，分别为x1,x2，…，xn。C表示生态环境退化的速度，它与多种因素相关，但由于其变化较为稳定，因此，在这里做常数处理，对于不同的荒漠区退化程度的分类，如表2所示[10]。

表2　生态退化速度

3.3模型的求解

生态环境的自我恢复能力的影响因素主要包括:植物的高度X1、盖度X2、密度X3以及植物的生物量X4和动物的生物量X5,[11]不难看出，生态环境的自我恢复能力与X1,X2,X3,X4成正比，与X5成反比，根据问题2求得的权重见表3。

表3　七月份和十月份影响因素权重

根据以上结果可以得到f1七月份、f2十月份生态环境的自我恢复能力模型分别为

f1=0.176 2x1+0.261 9x2+0.217 4x3+

0.360 6x4-0.043 9x5,

f2=0.199 8x1+0.216 4x2+0.201 2x3+

(2)

(3)

因此，七月份生态环境稳定性y1和十月份生态环境稳定性y2的模型为

3.4结果分析

无论七月还是十月，生态系统的自我恢复能力都主要取决于植物的生物量，且与植物生物量正相关，而与动物的生物量负相关，且植物的高度对生态环境修复能力的促进作用低于盖度、密度因素。因此，通过对模型的分析求得增加人工植被或者减少人为干扰能够实现生态的恢复，并且增加人工植被的基础上侧重盖度和密度的大小而非高度，能起到明显促进效果。

根据所建立的微分方程模型可以看出，在人为影响一定的情况下，只需要确定生态稳定性的初始水平，并根据当地生态稳定性模型，采取增加植物的生物量等改进措施，当生态环境自我调节能力上升到一定程度，生态环境的自我调节机制便能够承担当前的环境压力并维持生态系统的稳定。具体的生态环境的调节能力效果如图2所示。

图2　生态稳定水平

通过模型一的生态环境退化程度可以看出人类活动对生态退化程度具有较大的影响，特别是开垦区的生态环境严重退化，其次是过牧区，最后是轮牧区，而三种人类活动主要影响当地植物的生物量，这与生态稳定性模型所得结论：植物生物量对生态稳定性的影响最大的结果一致，植物生物量对于生态环境具有极其重要的影响。因此，要保持经济以及生态环境的可持续发展可以通过退耕还林、还草、增加植物的生物量等方式促进生态的恢复。

4结束语

通过对荒漠区动植物关系的研究，得到开垦区干扰对荒漠的退化程度强于过牧区和轮牧区。人类活动对荒漠退化程度最为明显。这是因为人类对荒漠地区的开垦与开发完全破坏当地生物链，植物生物量的减少导致环境的自我恢复能力降低，通过七月和十月份生态退化程度的对比可以得到季节会对生态稳定性造成一定的影响，但主要因素仍是动植物的生物量。由微分方程模型得到当前生态环境可以通过增加植被和减少人为干扰的方式解决，通过采取量化措施提高生态环境的自我恢复能力，便能够在维持当前人为压力的同时保证生态环境的稳定性。加强生态文明建设，提高生态及环境的可持续能力，建设环境友好型经济发展道路。

参考文献

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[责任编辑：郝丽英]

Research on the relationship between animals and plants in the desert area from sustainable development perspective

ZHANG Yuli1,ZHU Jiaming2,HE Yu1,CHEN Ying1

(1.School of Finance,Anhui University of Finance & Economics,Bengbu 233000,China;2.School of Statistics and Applied Mathematics,Anhui University of Finance & Economics,Bengbu 233000,China)

Abstract：For the relationship between plants and animals on desert area,this paper uses the residual analysis to preprocess the data and build a comprehensive evaluation and differential equation model.Discussion is made on the resilience impact of human activities on the ecological degradation and the desert environment,and the impact of human activities on the desert ecosystem degradation and the quantization embodiment of ecological restoration.Finally,according to the model result,the factors are obtained of affecting the rate of degradation and self-resilience.

Key words：desert area; fuzzy comprehensive evaluation; differential equation model; MATLAB

DOI:10.19352/j.cnki.issn1671-4679.2016.03.012

收稿日期：2016-03-14

基金项目：国家自然科学基金资助项目(11301001); 安徽财经大学教研项目(acjyzd201429)；省级大学生创新项目(201510378470)

作者简介：张玉丽(1992-)，女，本科生，研究方向：金融学.

中图分类号：X171.1

文献标识码：A

文章编号：1671-4679(2016)03-0047-05