可持續(xù)發(fā)展視角下荒漠區(qū)動(dòng)植物關(guān)系的研究

張玉麗,朱家明，何　玉，陳　瑩

(1.安徽財(cái)經(jīng)大學(xué) 金融學(xué)院,安徽 蚌埠 233000;2.安徽財(cái)經(jīng)大學(xué) 統(tǒng)計(jì)與應(yīng)用數(shù)學(xué)學(xué)院,安徽 蚌埠 233000)

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可持續(xù)發(fā)展視角下荒漠區(qū)動(dòng)植物關(guān)系的研究

張玉麗1,朱家明2，何玉1，陳瑩1

(1.安徽財(cái)經(jīng)大學(xué) 金融學(xué)院,安徽 蚌埠 233000;2.安徽財(cái)經(jīng)大學(xué) 統(tǒng)計(jì)與應(yīng)用數(shù)學(xué)學(xué)院,安徽 蚌埠 233000)

摘要：針對(duì)荒漠區(qū)動(dòng)植物關(guān)系，運(yùn)用殘差分析法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，構(gòu)建綜合評(píng)價(jià)、微分方程模型探討人類(lèi)活動(dòng)對(duì)荒漠生態(tài)退化的影響程度以及環(huán)境的自我恢復(fù)能力，得到人類(lèi)活動(dòng)對(duì)荒漠生態(tài)退化的影響程度以及生態(tài)恢復(fù)的量化實(shí)施方案。最后根據(jù)模型結(jié)果，得到影響荒漠區(qū)退化速度和自我恢復(fù)能力的因素。

關(guān)鍵詞：荒漠區(qū)；模糊綜合評(píng)價(jià)；微分方程模型

習(xí)近平總書(shū)記在亞洲博鰲論壇年會(huì)中指出：綠色發(fā)展和可持續(xù)發(fā)展是當(dāng)今世界的時(shí)代潮流?；哪畢^(qū)生態(tài)系統(tǒng)由于其自身的脆弱性，受環(huán)境的影響退化程度尤為嚴(yán)峻?？沙掷m(xù)發(fā)展要求經(jīng)濟(jì)與人口、資源、環(huán)境、社會(huì)以及內(nèi)部各個(gè)階層的協(xié)調(diào)。荒漠植被是由超旱生的灌木、半灌木或半喬木為主組成的稀疏植被類(lèi)型[1]。當(dāng)前荒漠區(qū)主要表現(xiàn)為植被覆蓋度降低，植物種類(lèi)貧乏，生物多樣性減少，草地鼠蟲(chóng)害發(fā)生猖獗、草地退化、沙化嚴(yán)重，生態(tài)防護(hù)功能大大削弱?；哪畢^(qū)退化對(duì)人類(lèi)社會(huì)發(fā)展、生態(tài)文明建設(shè)產(chǎn)生較大的影響，如何進(jìn)行荒漠區(qū)的治理已經(jīng)成為亟待解決的問(wèn)題[2]。

由于人為干擾對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響，如何通過(guò)減少人為干擾、增加植被種植等一系列阻止退化進(jìn)程的措施便成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。付和平運(yùn)用景觀生態(tài)學(xué)的方法[3]，從不同區(qū)位上各種嚙齒動(dòng)物與植物的相關(guān)關(guān)系以及環(huán)境因子對(duì)動(dòng)植物分布角度進(jìn)行研究，用主成分分析法對(duì)動(dòng)物群落組成與干擾度之間的關(guān)系進(jìn)行分析，只是籠統(tǒng)地而不是具體確定各因子的影響關(guān)系。孫國(guó)鈞提出生態(tài)系統(tǒng)功能與物種多樣性相關(guān)性較小而與物種群落組成有關(guān)，但并未給出量化研究[4]。在殘差分析的基礎(chǔ)上運(yùn)用MATLAB軟件對(duì)數(shù)據(jù)預(yù)處理，建立模糊綜合評(píng)價(jià)模型。本文的創(chuàng)新在于兼顧了各影響因子選擇的主觀性，量化分析人類(lèi)活動(dòng)對(duì)荒漠區(qū)退化程度的影響。由于修復(fù)速度是時(shí)間的函數(shù)，運(yùn)用微分方程探討生態(tài)環(huán)境的自我恢復(fù)能力能很好地反映生態(tài)環(huán)境自我調(diào)節(jié)能力，通過(guò)對(duì)比生態(tài)退化速度與環(huán)境自我恢復(fù)速度，為維持生態(tài)平衡提出建議。

1數(shù)據(jù)的獲取及假設(shè)

數(shù)據(jù)來(lái)源于第八屆“認(rèn)證杯”數(shù)學(xué)中國(guó)網(wǎng)絡(luò)挑戰(zhàn)賽,為保證文章嚴(yán)謹(jǐn)性，特提出假設(shè):1)嚙齒動(dòng)物百夾捕獲率的高低可以近似衡量該地區(qū)動(dòng)物數(shù)量的多少[5]；2)取樣期間沒(méi)有發(fā)生嚴(yán)重的自然災(zāi)害,天氣對(duì)于動(dòng)植物生物量的影響忽略不計(jì)；3)只有不同的干擾影響嚙齒動(dòng)物生物量，不考慮其他因素的影響；4)取樣時(shí)期內(nèi)，植物和嚙齒動(dòng)物生物量為均勻減少，不存在短期較大的波動(dòng)；5)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)抽取的樣本是隨機(jī)的，不存在人為因素的干擾并且個(gè)別數(shù)據(jù)的剔除不會(huì)對(duì)分析結(jié)果產(chǎn)生較大影響；6)不存在人為干擾的情況下，長(zhǎng)期生態(tài)穩(wěn)定水平將會(huì)處于一個(gè)固定的水平，不隨時(shí)間而改變。

2生態(tài)退化程度的綜合評(píng)價(jià)

2.1研究思路

由于數(shù)據(jù)來(lái)源均為實(shí)驗(yàn)所得，試驗(yàn)的隨機(jī)性可能會(huì)導(dǎo)致樣本數(shù)據(jù)與實(shí)際值的偏離，所得數(shù)據(jù)的可靠性較低，影響模型的準(zhǔn)確性。由于缺少評(píng)價(jià)生態(tài)退化程度的具體模型，且模糊綜合評(píng)價(jià)能夠解決量化的、模糊的評(píng)價(jià)問(wèn)題，因此，綜合分析附件中的數(shù)據(jù)，運(yùn)用MATLAB、EXCEL軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，運(yùn)用多元線(xiàn)性回歸、殘差分析對(duì)偏差較大的數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除。然后根據(jù)篩選的指標(biāo)，建立人類(lèi)活動(dòng)與生態(tài)退化之間的關(guān)系，通過(guò)建立相對(duì)隸屬度矩陣，利用變異系數(shù)法求得影響生態(tài)退化各因子的權(quán)重，綜合上述分析建立模糊綜合評(píng)價(jià)模型，評(píng)估人類(lèi)活動(dòng)對(duì)荒漠區(qū)退化程度的影響。

2.2數(shù)據(jù)處理

2.2.1數(shù)據(jù)的篩選

依據(jù)生物量與植物高度、蓋度、密度因素存在的線(xiàn)性相關(guān)性，建立多元線(xiàn)性回歸模型，利用方差最小化的原理，通過(guò)MATLAB軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除，圖1為過(guò)牧區(qū)7月份數(shù)據(jù)的篩選。

圖1　異常數(shù)據(jù)篩選

2.2.2符號(hào)的說(shuō)明

設(shè)ui為第i個(gè)指標(biāo)，i=1,2,…,9；aij為過(guò)牧區(qū)、輪牧區(qū)和開(kāi)墾區(qū)對(duì)生態(tài)退化的影響方案；wi為第i個(gè)指標(biāo)的權(quán)重；Fj為第j個(gè)方案的綜合得分；y為生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定水平。

2.3模型的建立

問(wèn)題要求建立數(shù)學(xué)模型求荒漠區(qū)退化能力的評(píng)價(jià)體系，在得出權(quán)重的基礎(chǔ)上，通過(guò)使用相對(duì)優(yōu)屬度模糊矩陣評(píng)價(jià)的方法來(lái)進(jìn)行求解，相應(yīng)步驟如下:

設(shè)有u=(u1,u2,u3)時(shí)待評(píng)價(jià)的n個(gè)方案集合，u=(u1,u2,u3)是評(píng)價(jià)因素集合，將u=(u1,u2,u3)中的每個(gè)方案用u=(u1,u2,u3)中的每個(gè)因素進(jìn)行衡量，得到一個(gè)觀測(cè)值矩陣

其中：u=(u1,u2,u3)表示第u=(u1,u2,u3)個(gè)方案關(guān)于第j項(xiàng)評(píng)價(jià)因素的指標(biāo)值。

2.3.1模糊效益型矩陣

2.3.2生態(tài)退化程度評(píng)價(jià)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)。

建立相對(duì)偏差模糊矩陣

綜上所述可求出各指標(biāo)權(quán)重見(jiàn)表1。

2.5結(jié)果分析

經(jīng)計(jì)算可知：F1=0.358 9,F2=0.565 9，F(xiàn)3=0.499,由于F1

表1　各指標(biāo)權(quán)重

3生態(tài)環(huán)境的恢復(fù)速率

3.1研究思路

生態(tài)環(huán)境在受到輕度外來(lái)干擾時(shí)，具有一定的自我恢復(fù)能力，恢復(fù)速度可以通過(guò)建立微分方程模型進(jìn)行模擬。然而生態(tài)環(huán)境的恢復(fù)能力與外界影響的相對(duì)強(qiáng)度決定了環(huán)境的穩(wěn)定性?；哪畢^(qū)生態(tài)退化的過(guò)程是逐漸變化的過(guò)程,當(dāng)荒漠區(qū)生態(tài)狀況達(dá)到一定的水平,即y=y0時(shí)，生態(tài)水平保持在一個(gè)穩(wěn)定的水平[7]。生態(tài)水平與多種因素有關(guān),根據(jù)問(wèn)題中所給數(shù)據(jù)可知,生態(tài)水平與植物的高度、蓋度、密度以及植物和動(dòng)物的生物量有關(guān)。由于題目未明確指出所采集樣本點(diǎn)屬于何種退化的類(lèi)型，因此，只能通過(guò)查閱相關(guān)資料得到生態(tài)退化狀況的標(biāo)準(zhǔn)[8]。結(jié)合對(duì)生態(tài)退化速度分類(lèi)，建立微分方程，求出不同退化程度下，植物高蓋密等特點(diǎn)對(duì)生態(tài)環(huán)境自我恢復(fù)能力的作用。

3.2研究方法

在沒(méi)有人為干擾下，生態(tài)穩(wěn)定水平應(yīng)該保持在一個(gè)穩(wěn)定的水平。假設(shè)y表示生態(tài)穩(wěn)定水平[9]，在沒(méi)有人為干擾下生態(tài)穩(wěn)定水平應(yīng)該表示為：y=y0。影響生態(tài)穩(wěn)定水平的最主要因素包括環(huán)境的自我恢復(fù)能力以及環(huán)境的退化程度，建立模型為

(1)

式中：f(x)表示生態(tài)環(huán)境的自我恢復(fù)能力，它與多種因素相關(guān)，分別為x1,x2，…，xn。C表示生態(tài)環(huán)境退化的速度，它與多種因素相關(guān)，但由于其變化較為穩(wěn)定，因此，在這里做常數(shù)處理，對(duì)于不同的荒漠區(qū)退化程度的分類(lèi)，如表2所示[10]。

表2　生態(tài)退化速度

3.3模型的求解

生態(tài)環(huán)境的自我恢復(fù)能力的影響因素主要包括:植物的高度X1、蓋度X2、密度X3以及植物的生物量X4和動(dòng)物的生物量X5,[11]不難看出，生態(tài)環(huán)境的自我恢復(fù)能力與X1,X2,X3,X4成正比，與X5成反比，根據(jù)問(wèn)題2求得的權(quán)重見(jiàn)表3。

表3　七月份和十月份影響因素權(quán)重

根據(jù)以上結(jié)果可以得到f1七月份、f2十月份生態(tài)環(huán)境的自我恢復(fù)能力模型分別為

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，七月份生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定性y1和十月份生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定性y2的模型為

3.4結(jié)果分析

無(wú)論七月還是十月，生態(tài)系統(tǒng)的自我恢復(fù)能力都主要取決于植物的生物量，且與植物生物量正相關(guān)，而與動(dòng)物的生物量負(fù)相關(guān)，且植物的高度對(duì)生態(tài)環(huán)境修復(fù)能力的促進(jìn)作用低于蓋度、密度因素。因此，通過(guò)對(duì)模型的分析求得增加人工植被或者減少人為干擾能夠?qū)崿F(xiàn)生態(tài)的恢復(fù)，并且增加人工植被的基礎(chǔ)上側(cè)重蓋度和密度的大小而非高度，能起到明顯促進(jìn)效果。

根據(jù)所建立的微分方程模型可以看出，在人為影響一定的情況下，只需要確定生態(tài)穩(wěn)定性的初始水平，并根據(jù)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)穩(wěn)定性模型，采取增加植物的生物量等改進(jìn)措施，當(dāng)生態(tài)環(huán)境自我調(diào)節(jié)能力上升到一定程度，生態(tài)環(huán)境的自我調(diào)節(jié)機(jī)制便能夠承擔(dān)當(dāng)前的環(huán)境壓力并維持生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定。具體的生態(tài)環(huán)境的調(diào)節(jié)能力效果如圖2所示。

圖2　生態(tài)穩(wěn)定水平

通過(guò)模型一的生態(tài)環(huán)境退化程度可以看出人類(lèi)活動(dòng)對(duì)生態(tài)退化程度具有較大的影響，特別是開(kāi)墾區(qū)的生態(tài)環(huán)境嚴(yán)重退化，其次是過(guò)牧區(qū)，最后是輪牧區(qū)，而三種人類(lèi)活動(dòng)主要影響當(dāng)?shù)刂参锏纳锪?，這與生態(tài)穩(wěn)定性模型所得結(jié)論：植物生物量對(duì)生態(tài)穩(wěn)定性的影響最大的結(jié)果一致，植物生物量對(duì)于生態(tài)環(huán)境具有極其重要的影響。因此，要保持經(jīng)濟(jì)以及生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展可以通過(guò)退耕還林、還草、增加植物的生物量等方式促進(jìn)生態(tài)的恢復(fù)。

4結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)荒漠區(qū)動(dòng)植物關(guān)系的研究，得到開(kāi)墾區(qū)干擾對(duì)荒漠的退化程度強(qiáng)于過(guò)牧區(qū)和輪牧區(qū)。人類(lèi)活動(dòng)對(duì)荒漠退化程度最為明顯。這是因?yàn)槿祟?lèi)對(duì)荒漠地區(qū)的開(kāi)墾與開(kāi)發(fā)完全破壞當(dāng)?shù)厣镦湥参锷锪康臏p少導(dǎo)致環(huán)境的自我恢復(fù)能力降低，通過(guò)七月和十月份生態(tài)退化程度的對(duì)比可以得到季節(jié)會(huì)對(duì)生態(tài)穩(wěn)定性造成一定的影響，但主要因素仍是動(dòng)植物的生物量。由微分方程模型得到當(dāng)前生態(tài)環(huán)境可以通過(guò)增加植被和減少人為干擾的方式解決，通過(guò)采取量化措施提高生態(tài)環(huán)境的自我恢復(fù)能力，便能夠在維持當(dāng)前人為壓力的同時(shí)保證生態(tài)環(huán)境的穩(wěn)定性。加強(qiáng)生態(tài)文明建設(shè)，提高生態(tài)及環(huán)境的可持續(xù)能力，建設(shè)環(huán)境友好型經(jīng)濟(jì)發(fā)展道路。

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[責(zé)任編輯：郝麗英]

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

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11301001); 安徽財(cái)經(jīng)大學(xué)教研項(xiàng)目(acjyzd201429)；省級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目(201510378470)

作者簡(jiǎn)介：張玉麗(1992-)，女，本科生，研究方向：金融學(xué).

中圖分類(lèi)號(hào)：X171.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1671-4679(2016)03-0047-05