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    基于灰色神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的生態(tài)足跡動(dòng)態(tài)研究——以湖北省為例

    2013-08-29 09:32:12淡永利王宏志
    關(guān)鍵詞:足跡湖北省灰色

    淡永利 ,王宏志 ,周 洪 ,周 勇,黃 濤

    (1.華中師范大學(xué) 城市與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,武漢 430079;2.成都理工大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院,成都 610059;3.華中師范大學(xué) 實(shí)驗(yàn)室與設(shè)備管理處,武漢 430079)

    生態(tài)足跡(ecological footprint,EF)是20世紀(jì)90年代加拿大生態(tài)經(jīng)濟(jì)學(xué)家William 和他的博士生Wackernagel[1]提出的一種定量測度可持續(xù)發(fā)展程度的方法.由于該方法直觀綜合、操作簡單、指標(biāo)明確、可比性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),很快在世界各國得到了廣泛應(yīng) 用與深入研究[2-4].1999年徐中民、張志強(qiáng)等學(xué)者將該理論引入我國[4-5],大量學(xué)者使用該方法對(duì)各自關(guān)注的省市的生態(tài)可持續(xù)狀況進(jìn)行了評(píng)價(jià).當(dāng)前,研究范圍已由單一的生態(tài)研究擴(kuò)展到與生態(tài)相關(guān)的能源、區(qū)際貿(mào)易、土地利用和旅游等領(lǐng)域,研究層面既有宏觀的全球、國家、地區(qū)及城市等,也有微觀的校園、企業(yè)及個(gè)人等[6].

    但EF本身是一個(gè)靜態(tài)的指標(biāo),僅對(duì)某個(gè)時(shí)間點(diǎn)的狀況進(jìn)行分析評(píng)價(jià)和做出判斷,難以揭示生態(tài)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)變化特征.隨著這一不足的日益顯現(xiàn)[7-8],國內(nèi)外一些學(xué)者已經(jīng)開始了對(duì)EF的動(dòng)態(tài)變化及發(fā)展趨勢的研究,如傳統(tǒng)的回歸方法、灰色系統(tǒng)理論、時(shí)間序列分析、模糊數(shù)學(xué)理論、傳統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法等來預(yù)測區(qū)域未來的EF[9-15]并得到較好的預(yù)測結(jié)果.但組成生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的因素錯(cuò)綜復(fù)雜,單一理論的EF動(dòng)態(tài)研究結(jié)果在精度與可靠度上不甚理想[15],單一預(yù)測方法容易造成部分有用的信息丟失,降低預(yù)測能 力[15-16].Bates和Granger認(rèn)為組合預(yù)測方法(combination forecasting)將不同的單項(xiàng)預(yù)測模型進(jìn)行組合,能更有效的提高預(yù)測精確度和可靠度[17].

    基于上述思考,將灰色GM(1,1)模型與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行組合[18]——灰色神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型(GNNM)來對(duì)EF 的動(dòng)態(tài)發(fā)展進(jìn)行分析和預(yù)測研究,并以湖北?。?991年~2011年)為例對(duì)該方法進(jìn)行了驗(yàn)證,以期將EF方法較好地應(yīng)用于生態(tài)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)變化研究.

    1 原理和方法

    1.1 生態(tài)足跡原理與計(jì)量方法

    生態(tài)足跡指不斷地生產(chǎn)消費(fèi)人們所需要的資源和不斷地吸納產(chǎn)生的廢棄物所需要的生物生產(chǎn)性土地總面積,分為化石能源地、耕地、草地、林地、建筑用地和水域6大類生物生產(chǎn)性土地.

    生態(tài)足跡計(jì)量基于一個(gè)假設(shè)和兩個(gè)事實(shí):假設(shè)各類土地的使用屬性在空間上是互斥的;兩個(gè)事實(shí):①人類能夠估計(jì)自身消費(fèi)的大多數(shù)資源、能源及其所產(chǎn)生的廢棄物數(shù)量;②這些資源和廢棄物能折算成生產(chǎn)和消費(fèi)這些資源和廢棄物的生物生產(chǎn)面積[5].對(duì)區(qū)域生態(tài)足跡(EF)和生態(tài)承載力(ecological capacity,EC)進(jìn)行比較,如果EF大于EC,稱為生態(tài)赤字ED(ecological deficit);反之為生態(tài)盈余ER(ecological reserve).相關(guān)計(jì)算公式如下:

    式中,EF為區(qū)域生態(tài)足跡(hm2);N為總?cè)丝?;EFP為人均生態(tài)足跡(hm2/人);ai為第i種物質(zhì)人均占用的生物生產(chǎn)面積(hm2/人);rj為均衡因子;j為6大類生物生產(chǎn)性土地;ci為第i種物質(zhì)的人均消費(fèi)量(kg);pi為第i種物質(zhì)的平均生產(chǎn)能力(kg/hm2);EC為區(qū)域生態(tài)承載力(hm2);ECP為人均生態(tài)承載力(hm2/人);aj為可提供的人均生物生產(chǎn)面積(hm2/人);yj為產(chǎn)量因子.

    1.2 灰色人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

    20世紀(jì)80年代我國學(xué)者鄧聚龍首創(chuàng)的灰色系統(tǒng)理論,是一種研究少數(shù)據(jù)、貧信息不確定性問題的新方法[18].但它缺乏自學(xué)習(xí)、自組織和自適應(yīng)能力,且對(duì)非線性信息的處理能力較弱等,而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的“大樣本”、非線性優(yōu)化能力強(qiáng)、自適應(yīng)學(xué)習(xí)功能及信息利用率高等優(yōu)點(diǎn),可對(duì)灰色模型進(jìn)行補(bǔ)充修正[19],拓寬了灰色模型的應(yīng)用范圍.

    BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)修正GM(1,1)殘差值以提高模型的內(nèi)插擬合及外推精度[16].將EF 模型的EFP和ECP數(shù)據(jù)輸入GNNM 模型中作為時(shí)間序列,可預(yù)測分析EF模型的動(dòng)態(tài)趨勢.建立灰色神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的具體步驟如下:

    式中,-a為發(fā)展系數(shù),b為灰色作用量,可通過最小二乘估計(jì)得到.

    2 湖北省生態(tài)足跡動(dòng)態(tài)擬合分析

    2.1 湖北省1991年~2011年生態(tài)足跡動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)

    2.1.1 湖北省1991年~2011年生態(tài)足跡的計(jì)算 研究區(qū)數(shù)據(jù)主要來自《湖北省統(tǒng)計(jì)年鑒(1992年~2012年)》、《中國農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒》、《湖北省農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒》,耕地足跡所涉及的生物產(chǎn)品主要有:小麥、稻谷、薯類、大豆、棉花、油料、麻、糖等.根據(jù)湖北省各年份耕地實(shí)際保有面積和人口數(shù)據(jù),利用前述公式計(jì)算出歷年的人均生態(tài)足跡(EFP)、人均生態(tài)承載力(ECP)及人均生態(tài)赤字/盈余(EDP/EDR).公式中的均衡因子和產(chǎn)量因子沿用傳統(tǒng)的取值,其中均衡因子為耕地、建筑用地2.8,森林、化石能源地1.1,草地0.5,海洋0.2;產(chǎn)量因子取值為耕地、建筑用地1.66,森林0.91,草地0.19,水域1.0[21].得到表1和圖1.

    表1 湖北省1991年~2011年人均生態(tài)承載力及生態(tài)足跡/hm2·人-1Tab.1 The per capita EF and ecological carrying of Hubei province from 1991to 2011/hm2·Person-1

    圖1 湖北省1991年~2011年不同土地類型的人均生態(tài)足跡Fig.1 The per capita EF of different types of land in Hubei province from 1991to 2011

    2.1.2 湖北省1991年~2011年生態(tài)足跡的評(píng)價(jià)21年間湖北省人均生態(tài)足跡的凈增長為1.473hm2/人,而人均生態(tài)承載力增長緩慢,總的生態(tài)赤字逐年增大,21年增加了1.389hm2/人,湖北省資源消耗已遠(yuǎn)超過其資源承載力,生態(tài)環(huán)境狀況不容樂觀.

    人均生態(tài)足跡中建筑用地的增長速度最快(圖1),增幅度為91年的9.33倍,其次為水域、草地、化石能源地、耕地、林地,增幅分別為3.58倍、3.56倍、2.7倍、2倍、1.26倍,建筑用地的急劇增長與湖北省水利資源的開發(fā)及城市化規(guī)模的擴(kuò)張相吻合.而化石能源地、耕地、草地及水域在生態(tài)足跡的構(gòu)成中所占比重最大,2003年以后化石能源地的比重超過耕地,成為影響湖北省生態(tài)足跡構(gòu)成的最主要因素,歸因于工業(yè)規(guī)模的擴(kuò)大及私家車數(shù)量的增多所對(duì)能源消耗的壓力;飲食需求結(jié)構(gòu)的變化導(dǎo)致草地及水域的生態(tài)足跡也發(fā)生相應(yīng)的變化,湖北省雅稱“千湖之省”,居民生活對(duì)水產(chǎn)品的依賴較大,加大了水域的生態(tài)足跡;生物產(chǎn)品在生活消費(fèi)中比例的減小從而減慢了耕地足跡的增幅,但仍是影響生態(tài)足跡的重要因素.

    人均生態(tài)承載力的構(gòu)成中,耕地、林地所占比重最大,平均約占60.5%和20.8%,這兩類土地對(duì)生態(tài)環(huán)境的改善作用甚大.湖北省耕地面積1991年為345.846萬hm2,2011年為336.186萬hm2,21年間減少了9.660萬hm2,城鎮(zhèn)化建設(shè)用地的占用成為耕地流失的最主要原因,其次漁糧爭地現(xiàn)象、農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整、生態(tài)退耕還林和災(zāi)害毀田也是重要因素[22].

    2.1.3 湖北省1991年~2011年GDP 生態(tài)足跡的動(dòng)態(tài)分析 GDP生態(tài)足跡能夠反映一個(gè)地區(qū)居民生活水平的狀況,湖北省人均GDP 生態(tài)足跡逐年遞減(圖2),2011年相對(duì)于1991年GDP生態(tài)足跡的減少了91%.可見,資源利用效率在不斷的提高,人民生活質(zhì)量得到一定的改善.但湖北省各年份人均GDP生態(tài)足跡仍低于全國平均水平,各類生物生產(chǎn)性土地的利用效率相對(duì)全國仍較低.其次,化石能源地、耕地和草地的生態(tài)足跡在總的生態(tài)足跡中比重較大,影響湖北省整體的GDP 生態(tài)足跡發(fā)展趨勢,故對(duì)這3類土地的保護(hù)及對(duì)其生產(chǎn)力的提高極為重要.

    圖2 湖北省1991年~2011年人均GDP生態(tài)足跡Fig.2 The per capita EF of GDP in Hubei province from 1991to 2011

    2.2 生態(tài)足跡的灰色神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型動(dòng)態(tài)擬合及可靠度驗(yàn)證

    以湖北省人均生態(tài)足跡為研究對(duì)象,比較GM預(yù)測模型和組合模型的擬合精度.以平均相對(duì)誤差絕對(duì)值(MAPE)為評(píng)價(jià)指標(biāo),其值越小,表明模型預(yù)測精度越高.計(jì)算公式如7.

    其中,xi為真實(shí)值;為擬合值.

    2.2.1 數(shù)據(jù)內(nèi)插擬合驗(yàn)證 對(duì)1991年~2011年湖北省人均生態(tài)足跡數(shù)據(jù)進(jìn)行GM 模型預(yù)測,使用Matlab軟件計(jì)算,最小二乘估計(jì)得到發(fā)展系數(shù)-a=0.0399,灰色作用量b=1.1123,建立的GM 模型為:

    灰色預(yù)測理論表明-a<0.3 和MAPE<0.01時(shí),當(dāng)模型通過殘差檢驗(yàn)則可用于中長期預(yù)測[17].計(jì)算MAPE=0.0378,未能達(dá)到優(yōu)良標(biāo)準(zhǔn),所以采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型修正GM 的殘差序列,提高預(yù)測精度.

    選擇3-3-1網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),將e(0)(k-1),e(0)(k-2),e(0)(k-3)作為BP網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的輸入樣本,將e(0)(k)作為預(yù)測期望值(導(dǎo)師值)建立一個(gè)三層的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),基于Matlab軟件運(yùn)算.學(xué)習(xí)算法為LM 法(訓(xùn)練函數(shù)trainlm),傳遞函數(shù)為tansig和purelin,系統(tǒng)誤差設(shè)為0.000 01,學(xué)習(xí)速率為0.01,訓(xùn)練過程中誤差收斂良好[14].

    將BP網(wǎng)絡(luò)修正后的殘差值帶入公式6 得組合模型的內(nèi)插擬合結(jié)果(表2).計(jì)算可知組合模型的MAPE=0.0006,相對(duì)于GM 的0.037 8,內(nèi)插擬合的精度提高明顯.由此表明灰色神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型具有較強(qiáng)的內(nèi)插擬合能力.

    表2 湖北省1991年~2006年生態(tài)足跡擬合值/hm2·人-1Tab.2 Fitted data for The per capita EF of Hubei province from 1991to 2006/hm2·Person-1

    2.2.2 數(shù)據(jù)外推預(yù)測驗(yàn)證 將2007年~2011年的EFP殘差數(shù)據(jù)作為測試樣本,驗(yàn)證組合模型的外推預(yù)測能力.組合模型預(yù)測結(jié)果與單純的GM 模型預(yù)測結(jié)果比較,見表3.GM 模型的MAPE=0.0211,而組合模型的MAPE=0.0136,預(yù)測的精度提高0.75%,表明組合模型較單一灰色模型預(yù)測結(jié)果更優(yōu)良.

    比較兩種擬合模型如圖3,GM 模型在曲線彎曲處誤差較大,組合模型無論是內(nèi)插擬合(1991年~2006年數(shù)據(jù))還是外推預(yù)測(2007年~2011年數(shù)據(jù)),都對(duì)GM 模型起到均衡平滑的效果,與真值高度逼近.由此表明該組合模型在預(yù)測湖北省人均生態(tài)足跡中精確率高,可用于后續(xù)實(shí)際的預(yù)測.

    表3 湖北省2007年~2011年生態(tài)足跡預(yù)測精度對(duì)比/hm2·人-1Tab.3 Comparison of the prediction accuracy of the two models for EFP of Hubei province from 2007to 2011/hm2·Person-1

    圖3 預(yù)測結(jié)果比較圖Fig.3 Comparison of the predicated results made by the two prediction models

    3 湖北省生態(tài)足跡趨勢預(yù)測分析

    1991年~2011年湖北省生態(tài)足跡總體呈上升趨勢,1991年~2003年間人均生態(tài)足跡和生態(tài)赤字增長相對(duì)緩慢,2003年后快速增長,2007年略有回落,其后仍繼續(xù)增長.應(yīng)用GNNM 模型對(duì)湖北省未來生態(tài)足跡變化趨勢進(jìn)行預(yù)測(圖4),2012年~2020年湖北省生態(tài)足跡將繼續(xù)增加,預(yù)計(jì)到2020年 將 增 加 到3.659 hm2/人,是2011年 的1.43倍.而1991年~2020年湖北省生態(tài)承載力增長緩慢,資源利用效率和單位面積產(chǎn)量的不高是生態(tài)承載力增長緩慢的重要因素,耕地、林地面積的下降是生態(tài)承載力低下的決定因素.未來湖北省生態(tài)赤字將進(jìn)一步擴(kuò)大,預(yù)計(jì)2020年是2011年的1.55倍.生態(tài)赤字趨勢線與生態(tài)足跡增長曲線相吻合,化石能源地和耕地對(duì)生態(tài)足跡的貢獻(xiàn)率達(dá)42%和23%,將是生態(tài)赤字進(jìn)一步擴(kuò)大的決定因素.而未來經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,人民生活水平的提高,將消耗大量的資源能源,有限的資源存量將進(jìn)一步導(dǎo)致人地關(guān)系緊張,生態(tài)安全問題亟待解決.

    圖4 湖北省1991年~2020年人均生態(tài)承載力及生態(tài)足跡趨勢預(yù)測圖Fig.4 Trend of the per capita ecological carrying capacity and EF of Hubei province from 1991to 2020

    4 結(jié)論與建議

    應(yīng)用GNNM 模型對(duì)湖北省1991年~2020年生態(tài)足跡進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析和預(yù)測,表明:湖北省1991年~2011年人均生態(tài)足跡(EFP)持續(xù)增長,其中建筑用地的生態(tài)足跡增長最快,在未來9年內(nèi)仍將持續(xù)增長且速度加快,2003年后化石能源地EFP超過耕地穩(wěn)居第一,工業(yè)規(guī)模的擴(kuò)大仍將繼續(xù)加大.然而人均生態(tài)承載力(ECP)增長緩慢,人均生態(tài)赤字(EDP)將進(jìn)一步增大.生態(tài)足跡上升的決定因素為建筑用地的擴(kuò)張及對(duì)化石能源地需求的增加,生態(tài)承載力低下的決定因素為耕地和林地面積的下降,潛在的驅(qū)動(dòng)因子為城市化進(jìn)程的加快、不合理的經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)、資源利用效率較低及人口的快速增長等.

    GNNM 預(yù)測模型相對(duì)于單一灰色模型的內(nèi)插擬合和外推預(yù)測的精度更高,利用灰色GM(1,1)模型研究“部分信息已知,部分信息未知”的“小樣本”、“貧信息”的特征以及BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)良好的非線性函數(shù)逼近能力和不易陷入局部最優(yōu)解的特點(diǎn)來更好地解決小樣本數(shù)據(jù)的預(yù)測問題.因此,GNNM 模型能更精確的預(yù)測各年份生態(tài)足跡變化特征,拓寬了EF模型動(dòng)態(tài)研究領(lǐng)域.

    針對(duì)湖北省生態(tài)赤字不斷增長的主導(dǎo)原因,可從以下幾方面進(jìn)行調(diào)整:第一,湖北省人口總數(shù)從1991年的5512.33萬人增加到2011年 的6 164.10萬人,人口是生態(tài)足跡公式的重要因子,直接影響EF的最終結(jié)果值,高速的人口增長將進(jìn)一步加劇與資源之間的矛盾.因此,必須堅(jiān)決貫徹計(jì)劃生育政策,嚴(yán)格控制人口的過快增長;第二,耕地足跡在歷年生態(tài)足跡中所占比重較大,約占23%,直接影響總的生態(tài)足跡及生態(tài)赤字的大小.因此,嚴(yán)格實(shí)施土地開發(fā)整理項(xiàng)目,加強(qiáng)對(duì)耕地資源的管理和保護(hù),維持耕地資源動(dòng)態(tài)平衡,保護(hù)基本農(nóng)田,控制城鎮(zhèn)的盲目擴(kuò)張;第三,化石能源足跡對(duì)歷年生態(tài)足跡的貢獻(xiàn)率最大,約占42%,成為影響生態(tài)赤字?jǐn)U大的決定性因素.具體措施有加快開發(fā)清潔能源,減少對(duì)煤、石油、天然氣等化石能源的依賴.倡導(dǎo)合理消費(fèi),如減少小汽車、非必需品的消費(fèi)等.促進(jìn)高污染、高耗能產(chǎn)業(yè)型經(jīng)濟(jì)向無污染、低消耗且對(duì)生態(tài)環(huán)境危害較小的高新產(chǎn)業(yè)和環(huán)保產(chǎn)業(yè)過渡等,積極倡導(dǎo)“資源節(jié)約、環(huán)境友好”的兩型社會(huì)建設(shè).第四,較低的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平是生態(tài)承載力低下的一個(gè)重要原因,且湖北省各年份GDP 生態(tài)足跡低于全國平均水平,資源利用效率較低.因此,利用高新技術(shù)提高各類土地的生產(chǎn)率以擴(kuò)大各類土地的生態(tài)承載力,特別是草地和耕地的生態(tài)承載力.具體措施有提高耕地質(zhì)量、種植優(yōu)良牧草、保護(hù)高產(chǎn)田、推廣農(nóng)業(yè)科技等.

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