广西喀斯特地区农地生态预警研究
作者：
黄志强;胡宝清;容溶;
机构：
广西师范学院;
中文关键词：
喀斯特地区;;农地石漠化;;生态预警
中文摘要：
指出了石漠化是喀斯特地区的农地生态灾害,其生态预警的逻辑过程是明确警义、寻找警源、分析警兆、预报警度和排除警患。预警指标体系的确立是整个生态预警工作的核心,是预警系统开展识别、诊断、预测等活动的前提,而建立预警指标体系需遵循科学的构建原则和筛选方法。以广西都安县为例,构建了基于人工神经网的农地石漠化预警,对该区农地的优化调控具有重要意义。
引文：
[1]广西岩溶地区石漠化综合治理规划编写组.广西壮族自治区岩溶地区石漠化综合治理规划(2006年-2015年)[R].南宁:广西岩溶地区石漠化综合治理规划编写组,2007.
[2]关文彬,谢春华,李春平.荒漠化危害预警原理与评价方法[J].北京林业大学学报,2003,25(3):79~83.
[3]黄锡富.以适用现代农业科技发展山地现代农业—关于广西喀斯特区农业重建与可持续发展研究[J].学术论坛,2007(6):87~91.
基金：
广西哲学社科基金项目(编号:11BJY017);;
广西教育厅项目(编号:201102ZD021);;
马克思主义与民族地区社会管理创新中心课题(编号:2014MSZ001)资助
小标题：
1 引言
2 喀斯特地区农地生态预警的逻辑过程
2.1 明确警义
2.2 寻找警源
2.3 分析警兆
2.4 预报警度
2.5 排除警患
3 农地石漠化预警指标体系
3.1 农地石漠化预警指标体系的确立
3.2 农地石漠化预警指标体系的结构
4 基于人工神经网的农地石漠化预警
4.1 基于人工神经网的农地石漠化预警的基本思路
4.2 广西都安县农地石漠化预警
光盘号：
AGRI1501
文献号：
0
中文刊名：
绿色科技
英文刊名：
Journal of Green Science and Technology
拼音刊名：
LVKJ
年：
2014
期：
10
CN：
42-1808/S
ISSN：
1674-9944
文件名：
LVKJ201410002
页：
7-11+14
分类号：
S181
专题代码：
B027;D043;
子栏目代码：
17;81;
全文：
1引言“警”是事物发展过程中出现的偏离正常状态的情况,也称警情。预警就是对某警情事先发出警报,是度量某种状态偏离预警线的强弱程度并发出预警信号的过程。喀斯特地区农地生态预警就是将预警的理论、方法应用到喀斯特农地领域中,结合岩溶生态学理论和农业生态系统理论,以信息技术为基础,利用各种技术措施和科技手段对喀斯特地区农地石漠化的数量、分布状况,演化程度等问题进行监测,并通过建立数学模型评价和分析各种指标或参数是否偏离农地正常值或期望状态,动态地掌握喀斯特地区农地变化状况和发展趋势,对喀斯特地区农地可能出现的不正常状况的时空范围及其危害程度时提出报告和警示,并提出优化调控的措施,以保证自然和社会生产生活的安全。2喀斯特地区农地生态预警的逻辑过程系统科学是区域喀斯特农地生态预警理论的奠基石,系统工程自然就成了解决预警问题的基本手段,为解决规模宏大、结构复杂、因素众多的大系统提供了一个统一的思想方法,其逻辑过程主要有:明确警义、寻找警源、分析警兆、预报警度和排除警患。2.1明确警义警义是指在农地石漠化发展过程中出现警情的含义,明确警义是喀斯特地区农地生态预警的起点。警义包括警素和警度,警素指构成警情的指标,也就是出现了什么样的警情;警度指警情处于什么状态,也就是它的严重程度。农地生态预警,就是要对农地石漠化出现的“危险点”或“危险区”作出预测,发出警报,减少或排除这种灾害损失,从而为喀斯特区农地优化调控提供决策依据。农地石漠化的本质是农用地的退化,因此,确定石漠化警素应该从土地特征入手,遵循完整性原则,即能完整地表现农地石漠化发生的成因、过程及其结果和本质。经过笔者长期的野外调查及其对文献的考究,对于喀斯特地区农地生态而言,基岩裸露率、植被覆盖率等不仅表现了石漠化的景观、成因、结果和本质,而且地面调查和遥感技术均较容易获得的信息是农地生态警情判别的理想指标,石漠化警情可根据上述4个指标的差异来确定。警度的确定通过警素来衡量,反映农地石漠化的发育程度,参考联合国的荒漠化的分级原则和国内石漠化的等级划分,笔者认为农地石漠化的发育程度可分为无、轻度、中度、强度等4个层次,如表1所示。表1喀斯特农地石漠化分类系统及涵义程度分级涵义及特征无石漠化无土壤侵蚀或者土壤流失不明显的耕地、林地、草地,植被覆盖度>60%成片的林、灌、草地和坡度<5°的农地,平均土厚>25cm以上,基岩裸露率<10%以下的山间、山前平地中的耕地、林地、草地等轻度石漠化土壤侵蚀较为明显,平均土厚<15cm,坡度>15°的耕地、草地,植被覆盖度35%~60%的林地,土被覆盖<35%,基岩裸露>35%,还可以耕种利用的农用地中度石漠化土壤侵蚀明显,植被覆盖度为20%~35%,坡度>20°的农地,基岩裸露36%~60%,平均土厚10cm,是农用价值上较难利用的各类耕地、林地、草地强度石漠化土壤侵蚀强烈,林地植被覆盖度<20%,坡度>25°,基岩裸露>61%,平均土厚<7cm的农用地类型利用分类指标和分类标准对广西地貌进行遥感解译,广西石漠化总面积为9.4万hm2,占总土地面积的3.96%,其中,轻度石漠化土地面积为500727hm2,占土地总面积的2.11%;中度石漠化土地面积为326117hm2,占土地总面积的1.38%;强度石漠化土地面积113156hm2,占土地总面积的0.48%。从石漠化强度分布来看,轻度石漠化占总石漠化面积的53.27%,约是总数的一半,中度石漠化占34.69%,强度石漠化占12.04%。从空间上看,石漠化土地主要分布在百色、河池、南宁和来宾等市,这4个市的石漠化面积约占广西石漠化面积的2/3,其中百色和河池分布面积最广,这主要是两市地处广西与贵州的接壤处,为云贵高原斜坡地带,以中高山为主,喀斯特地貌发育较强。其次是来宾市、柳州市、崇左市、桂林市,贺州市也有少量石漠化土地,其余的市县则几乎没有石漠化土地。与农地石漠化程度分级相对应的警情为无警(安全)、轻警、中警、重警等四级,对应0,1,2,3四级警度,分别表示农地石漠化处于不同的警情状态,如表2所示。表2农地石漠化警度标准警度警情指标特征0无警农地生态系统结构完整、功能健全,未出现生态系统退化的征兆,基岩裸露少几乎全部被林地、草地植被或土壤覆盖,能进行正常的农业生产活动,且农业生产力较高1轻警农地生态系统服务功能较为完善,生态环境较少受到破坏,生态景观组合合理,生态系统尚完整,功能尚好,一般人为干扰下可恢复,生态问题不显著,生态灾害不大,但农业生产力有所影响2中警农地生态服务功能已有退化,农地生态环境受到一定破坏,简单的农田生态系统结构有变化,农业生产力下降,但尚可维持基本的农业生产功能,受干扰后易恶化,农地生态灾害时有发生,生态问题显现3重警农业生产力严重下降,简单的农地生态系统服务功能严重退化,生态环境受到较大破坏,生态系统结构破坏较大,农业生产功能退化且不全,基岩大面积裸露,土被很少,自然灾害较多由此可知,这一阶段的主要任务是明确农地石漠化发展的现状,包括根据警素指标,划分区域农地石漠化的强度,从而明确农地石漠化发展的程度和范围。2.2寻找警源警源是警情产生的根源,从其生成机制看,警源可分为外生警源、内生警源两种。从警源的可控性而言,警源又可分为A类警源和B类警源。A类警源是指可控性较弱的警源,如喀斯特山区的自然条件、区域气候因素等;B类警源是指可控性较强的警源,如农地资源的合理配置等。寻找警源既是分析警兆的基础,也是排除警患的前提。不同警素的警源指标不同,即使同一警素,在不同的时空范围内,警源指标也不相同。因此,有必要针对具体警素寻根问底,直至找到问题的症结所在。农地石漠化产生的根源即农地石漠化的驱动机制。我们把农地石漠化放在喀斯特农业生态系统中,研究农地石漠化演变过程和成因机制,有利于喀斯特地区生态重建和农地可持续利用。一方面,碳酸盐岩广布、土层浅薄、地势崎岖、植被稀少,导致喀斯特山区生产条件差、环境脆弱;另一方面,该地区人口密度较大、人口素质低、人民生活水平低、特殊的民族文化心理等导致区域经济贫困,两者相互影响,人地矛盾尖锐,滥砍滥伐、陡坡开垦、过度放牧和粗放经营,最终造成水土流失,岩石裸露,生产力下降,形成农地石漠化的生态危机。从广西的情况来看,自然因素是基础,脆弱性的生态环境易于导致石漠化,而不合理的人类活动尤其是农业活动是广西石漠化快速发展的一个重要推动因子,正是这些复杂的因素共同作用于脆弱的喀斯特生态环境,使广西土地石漠化逐步恶化。根据石漠化监测结果,人为因素造成石漠化土地的面积1485032.5hm2,占石漠化土地面积的62.4%;自然因素导致石漠化土地的面积894047.8hm2,占石漠化土地面积的37.6%。监测显示,因灾害性气候和地质灾害引致石漠化面积65995.7hm2,占石漠化土地面积的2.8%;因其它自然因素导致石漠化面积828052.1hm2,占34.8%[1]。2.3分析警兆分析警兆是预警过程中的关键环节,也最为复杂,因为农地石漠化受各种各样复杂因子制约,其发展方向与表现特征各不相同。警情产生于警源,警源只有经过一定的量变和质变过程,才能导致警情的爆发。警情在爆发前总会有一定的先兆即警兆出现,警兆的确定既可以是定性的经验判断,也可以从警源分析入手[2,3]。警兆反映警素的变化状况,当警素异常变化接近和超越安全警戒点时,警兆就能反映这种变化,以提醒我们采取相应的安全措施,防止警情发生。警情从产生到爆发有一个生命周期,可称为警情的生命周期。而警情从一个阶段发展到另一阶段是一个从量变到质变的过程,伴随这一过程有着不同的警兆表现形式:在警情孕育期,尚无石漠化威胁诞生,这时不存在警兆;在潜伏期,农地资源风险出现,但大部分情况是合理风险,农地生态系统基本稳定,虽出现警兆,但不构成威胁,所以这时的警兆不易觉察,很容易被忽略;在发展期出现轻度石漠化,农地生态系统还算稳定,风险转化为一种直接威胁,开始对区域农地资源的开发利用产生负作用,这时警兆会明显增多,如果不加注意也容易被忽略;在爆发期呈现中度石漠化,农地生态系统变得不稳定,生态功能退化明显,灾害增多,警兆大量出现,警情变得紧急,这时的警兆是容易识别的,但如果忽视它而不采取果断措施,就会发生突变,农地资源危机就转化为灾难;进入休眠期,警情得到释放而下降,此时区域农地资源系统已被彻底破坏,导致重度石漠化的产生,农业生态系统的功能严重退化,基岩大面积裸露,恢复治理困难,多见于难利用土地。2.4预报警度预报警度是预警分析的核心,在确定农地石漠化的警情、警源和警兆指标后,必须根据警兆预测灾害未来可能发生的情况。对农地石漠化进行警度预报,就是通过分析农地石漠化警兆因子和石漠化警度之间的关系,对未来农地石漠化的发展状况进行预测。其中,预测的关键是如何确定警兆和警度的关系,最简单的办法就是利用回归分析方法,拟合警兆和警度的函数关系,然后根据已知值,预测未来农地生态危机的警度。此种方法简单易行,但所得结果并不是很精确。我们用神经网络模型对警兆和警度之间的关系进行拟合,而后根据训练好的网络,对警度进行预测。无论是何种方法,其结果都是得到未来农地石漠化发展的警度。这里需特别注意,将警度具体划分为几个等级并不是确定警度的关键,真正的关键在于确定某个预警指标是否有警即警限的确定。警限的确定一般是非常困难的,一方面,喀斯特地区生态系统是一个多层次、多要素和多功能的复杂系统,不仅要考虑农地石漠化自身的问题,而且要把其置于整个区域生态环境中进行分析;另一方面,警情的严重程度本身就是一个模糊概念,“正常”与“不正常”、“有警”与“无警”都没有明确的分界线,不仅与评价对象有关,而且与评价主体的价值观念密切相连。为此给出两条原则性意见:一是尽管确定警限和划分警度很困难,但还是能采取一些手段和方法加以解决,不过目前还没有一种“放之四海而皆准”的方法,这就要求针对不同的预警指标采取不同的确定方法,最好能综合采取多种方法加以确定;二是警限的确定和警度的划分是稳定性和动态性的统一,警限一旦确定应在一定时间尺度内保持相对稳定,但决不是一成不变的,要随着时间的推移、环境的变化、势态的发展、主次矛盾的转化而不断进行调整和修正。2.5排除警患根据警兆的变动情况,联系警兆的报警区间,参照警情的警限或警情等级,运用定性与定量的方法分析,一旦有“警”发生,通过警度预报系统分析“警”的大小。在预测的警度超过警限(上限)的时候,预警部门可通过传播媒体向群众发布农地生态危险警告,从而有的放矢地采取相应措施,排除警患,减小警度,防止警度的扩大,使农地生态系统在未来可预警的时段内保持正常状态,从而实现预警的最终目标。综上,明确警义是预警研究的前提;寻找警源是对产生原因的分析,是排除警患的基础;分析警兆是关联因素的分析,是预报警度的根基;预报警度是排除警患的根据;而排除警患是预警的目标所在。其预警逻辑实质是“果—因—果”分析方法的具体化,是一类典型的反馈控制系统。3农地石漠化预警指标体系3.1农地石漠化预警指标体系的确立预警指标体系的确立是整个生态预警工作的核心,是预警系统开展识别、诊断、预测等活动的前提,预警指标体系建立得科学合理与否在很大程度上直接决定了预警能否实现和成功。农地石漠化预警指标的类型很多,从空间尺度看,主要有宏观预警指标、中观预警指标和微观预警指标;从时间尺度看,主要有长期预警指标、中期预警指标和短期预警指标;从预警指标的内涵看,则主要有警情指标、警兆指标和警源指标。农地石漠化预警指标体系是一个复杂的大系统,指标的选择既要考虑到指标体系的完备性,又要考虑到指标间反映预警主体的非重复性,尽可能使所建立的指标体系为指标集中的最小完备集。因此,在指标的选择和构建时必须遵循以下原则:系统性和层次性相结合;完备性和独立性相结合;科学性和可比性相结合;定量和定性相结合;动态和静态相结合等。目前,关于农地石漠化预警指标主要存在两个问题,一是人们为了追求指标体系的完备性,不断提出新指标,从而使指标种类增多、数目增大;二是由于缺乏科学有效的指标筛选方法,多数依据评价者的经验选择指标,存在很大的主观性。因此,评价指标体系中普遍存在指标间的重叠,影响了评价的准确性和科学性。为了使指标体系能够满足建立原则,还需做进一步的指标筛选工作。筛选工作分为前期“一般指标体系”筛选和后期“具体指标体系”筛选。“一般指标体系”通常采用频度统计法、理论分析法、专家咨询法等,以满足科学性和完备性原则。频度统计法是对目前有关土地石漠化的成因、分布、评价等研究的报告、论文进行频度统计,选择那些使用频度较高的指标;理论分析法是对农地石漠化预警的内涵、特征进行综合分析,选择那些重要的发展特征指标;专家咨询法是在初步提出评价指标体系的基础上,征询有关专家意见,对指标进行调整。如此建立的指标体系即为“一般指标体系”。为了满足指标体系的完备性原则,“一般指标体系”往往较庞大,且指标间存在着冗余和重复。因此在“一般指标体系”筛选的基础上,还必须通过主成分分析和独立性分析等科学手段进行后期“具体指标体系”的筛选,选出那些内涵丰富、便于度量又相对独立的主导性指标作为农地石漠化监测和生态预警的指标,从而使指标体系更具可操作性,并在实际运用中不断加以调整和完善。3.2农地石漠化预警指标体系的结构农地石漠化的发生和发育具有很大的不确定性,其潜在危险性受多种条件控制。因而必须全面考虑农地石漠化本身和导致农地石漠化的各种因素及其各因素之间的相似性与差异性,进而选择一些相互联系的指标作为综合分析的依据。从总体上来说,地质、地形地貌、气候、水文、植被、降雨、农地利用类型和农业生产活动等都是控制各种灾害活动的基本条件。但是这些条件在不同类型和尺度范围的农地石漠化预警中的主次地位和所起作用不尽相同,所以其预警指标也各异。由于农地石漠化系统是一个动态的系统,根据农地石漠化预警的逻辑内容,预警指标分为三个层次:目标层(农地石漠化预警)—准则层—指标层。其中,准则层的石漠化预警指标至少应包括:农地石漠化警情指标集、警兆指标集和警源指标集。各指标体系之间并非各自独立,而是相互联系的。警情指标集包括植被覆盖率、基岩裸露率。植被覆盖率是区域内森林草地等的面积占土地面积的比率,是石漠化辨识的关键指标。植被是保持水土的重要因素,实践表明,在植被生长良好,植被覆盖度高的地区,水土流失较少,其生态系统就保持平衡,石漠化的发育程度低,随着植被覆盖率的减少,不仅会加剧水土流失,而且会使生态系统的稳定性降低,生态脆弱性增强。岩石的裸露作为石漠化即石质荒漠化的标志和表现形式,因此基岩裸露率是表现石漠化发育程度的最基本要素,是石漠化景观最明显的表现。各等级之间的界线可以结合植被覆盖率来划分。当土地利用为低覆盖草地时,土地已不能利用,景观近于裸露石山,裸岩率达80%以上。在典型喀斯特地区,林地下裸岩率较草地和耕地高,因此可以林地不适宜级的裸岩率作为不宜利用的界线。警兆指标集包括石漠化面积年增长率和石漠化强度扩大率。石漠化面积年增长率是指农地石漠化土地总面积每年增长的速度,反映农地石漠化的整体扩展速度,据此可从总体上把握农地生态的发展趋势。计算石漠化的增长速率,我们采用研究始末期的石漠化面积直接相减,差值除以初始面积和年数,称为面积速率;这种方法直观地反映了研究时间段内石漠化面积的增减。石漠化强度评价是指农地石漠化向同一方向发展的速度,即反映农地石漠化强度发展的快慢程度。警源指标集包括岩性、地貌、土壤类型、地表起伏指数、农业人口密度、农民人均GDP、土地垦殖指数和陡坡耕地率。一般来说,在不考虑人为因素影响的情况下,石漠化发生程度与岩性呈明显相关性,连续性碳酸盐岩石漠化发生率最高,程度较重;随着碳酸盐岩建造中泥质含量的增加,岩组中酸不溶物含量加大,成土速率加快,石漠化发生率呈下降趋势,程度也逐渐以轻度占优势。因此,碳酸岩盐为基岩的地方,发生石漠化的潜在可能性就越大,可以将岩石性质作为衡量农地石漠化警源的标志。陡峻破碎的地貌形态是农地石漠化形成的重要影响因素,喀斯特地区岩溶地貌发育,峰丛洼地、峰丛谷地的轻度、中度、强度石漠化发生率均大于其它类型的岩溶地貌,分析对应关系,主要由于峰丛洼地、峰丛谷地河谷深切,地形起伏大,土质疏松,土层浅薄,生态环境十分脆弱,而且有较大的坡度条件,利于土壤侵蚀的发生发育,在人类不合理农业生产活动下,植被极易遭受坡坏,并且这一部分土壤侵蚀一旦发生,就难以恢复,最终形成农地石漠化不同地貌分布特征。土壤的性质也是影响石漠化发育的重要条件,因为农地石漠化主要发生在石灰岩土上,粗骨土、新积土、红粘土偶有少量分布,砖红壤、火山灰土、砂姜黑土、滨海盐土、酸性硫酸盐土和水稻土几乎没有石漠化分布,这表明以碳酸岩为成土母质基本控制了土地石漠化的发育程度与分布。因此,我们考虑以土壤的性质作为农地石漠化的警源指标之一。地表起伏指数反应地形的起伏程度,是农地石漠化发育的重要标志。地表起伏大,其水土流失的可能性加大,石漠化的危险性就大。在自然要素背景中,农地石漠化与地形的关系还表现为在地形平坦的地区,农地石漠化的强度小,分布呈斑状,而在地形崎岖破碎的区域,农地石漠化多表现为中、强度且呈面状分布。人口的分布与区域的经济发展有很强的相关关系,人口密度大,其消耗的资源大,对环境的破坏就大,因此,人口密度是表征人口的基本因素。GDP是一个综合反映一个区域的经济实力的指标,经济实力的强弱与所处环境的自然条件密切相关,农地石漠化程度的高低反映其生态环境质量的好坏,故将区域内年GDP与农业总人口的比率作为一个指标。已开垦种植的耕地面积占其土地总面积的比率的高低与自然条件(地貌、水文、土壤)和经济条件密切相关,垦殖指数高反映种植业的比重大,但垦殖指数高并不代表土地利用合理,若是以毁林开荒为代价来增加土地面积就会造成生态环境的恶化,引起水土流失,加快农地石漠化的发展速度。所有坡耕地都有不同程度的水土流失,25°以上的坡地水土流失最为严重,石漠化农地主要由于人类过度垦殖从坡耕地演化而来的。陡坡耕地率指>25°的坡耕地面积占总耕地面积的百分比,反映人口对耕地的压力,陡坡耕地率越大,农地石漠化的危险性就越高。危险度等级之间界线参考人口密度界线来确定。采用石漠化强度指数来反映区域石漠化的发展状况,其值即为石漠化预警危险值。一个完整的石漠化预警指标体系还应包括指标阈值标准的确定,农地石漠化预警指标的标准体系是判定农地生态危机程度的标尺。我们采取国内外普遍采用的等级标准,根据实际情况将农地石漠化危险分成若干等级,判定农地石漠化现状隶属的级别。由于指标标准的选取具有模糊性,难以准确定量化,所以采用专家咨询法,充分利用专家的知识和经验,做出科学判断,利用石漠化强度指数来反应区域农地石漠化发展状况,这样既能保证判断的科学性,还能有效避免制定指标标准的主观性。根据上述石漠化预警警度和警情的划分,石漠化强度指数也分为4级,如表3所示。表3石漠化强度指数等级石漠化强度指数警情农地石漠化特征描述[0~1.0)无警石漠化面积为零。指在具有石漠化发育条件的喀斯特农用地,农地生态结构完整、功能健全,未出现生态系统退化的征兆,基岩全部被植被覆盖,生产力很高的土地[1.0~1.6]轻警轻度石漠化面积占石漠化总面积的50%以上,中度和重度石漠化面积所占比重较小。农地生态系统服务功能较为完善,生态环境较少受到破坏,生态系统尚完整,功能尚好,一般干扰下可恢复,生态问题不显著,生态灾害不大(1.6~2.3]中警轻度和中度石漠化面积占石漠化总面积的50%以上,重度石漠化面积比重较小。生态服务功能已有退化,生态环境受到一定破坏,生态系统结构有变化,但尚可维持基本功能,受干扰后易恶化,生态问题显现,生态灾害时有发生,但经人工调控可恢复(2.3~3]重警重度石漠化面积占石漠化总面积的50%以上。喀斯特农地生态系统服务功能严重退化,生态环境受到较大破坏,生态系统结构破坏较大,功能退化且不全,基岩大面积裸露,土被很少,自然灾害较多,恢复较为困难4基于人工神经网的农地石漠化预警4.1基于人工神经网的农地石漠化预警的基本思路人工神经网络模型是依据人脑基本功能特征,试图模仿生物神经系统的功能或结构而发展起来的一种新型信息处理或计算体系,是由大量简单神经元联接并按照一定的拓扑结构而组成的非线性复杂网络系统,以其并行分布处理、自组织、自适应、自学习和健全性与容错性等独特性能引起广泛关注,尤其在信息不完备情况下,在模式识别、方案决策、知识处理等方面具有很强的能力[1]。模型的研究是人工神经网络研究的主要方面之一,20世纪80年代至今,人工神经网络发展很快,人们设计出了近百种网络类型,代表性的网络有多层反向传播网络、自组织特征映射网络、径向基函数网络、自适应共振网络等。网络的算法也更加丰富,其中BP网络(Back-Propagation Network,BP)是在1985年由Rumelthart等人提出的反向传播算法的基础上发展起来的,是一种多层次反馈网络,是目前应用最广泛的一种模型。以下拟以BP模型为基础进行喀斯特地区农地石漠化预警分析。喀斯特农地石漠化过程是一个集非线型、开放性和动态性于一体的过程,影响农地石漠化的因素涉及资源环境、经济、社会等,二者存在非线性关系。基于人工神经网络模型自身的特点,可形成输入层—隐含层—输出层系统,输出层只有一个节点(图1),即为喀斯特地区农地石漠化预警分析结果,很容易满足喀斯特农地石漠化预警的要求。它的基本神经元在输入输出结构上是简单非线性的,而大量的神经元按一定的拓扑结构和学习方法所构成的神经网络能表现出丰富的特征。由于具有自组织、自学习的功能,可以对生态安全系统进行“辩识”,即通过系统的“输入”、“输出”,神经网络借助自学习功能,“辩识”出系统的结构,然后利用该结构进行预警。而且,人工神经网络设计灵活,可较逼真地模拟真实的社会经济系统,其结构可认为是真实系统的映射。基于人工神经网络的农地石漠化预警分析的基本思想是:选取具有代表性网格单元指标数据作为神经网络的学习样本,经网络学习记忆后,利用其相似输入产生相似输出的联想推理功能,以及“内插”的联想推理功能,将样本数据输入训练好的BP模型,再与规定的农地石漠化标准数据相比较,即可确定农地石漠化警度的等级。图1人工神经网络模型BP(Back Propagation)神经网络,即误差反传误差反向传播算法的学习过程,由信息的正向传播和误差的反向传播两个过程组成。信息从输入层经隐含层处理后传向输出层,如果在输出层得不到期望的输出,则输出层的希望输出与实际输出之间的误差信号反向传播,由输出层经隐含层逐层修正连接权,使得误差信号最小。将各网格指标数据输入训练好的神经网络模型,可得到农地石漠化预警结果数值,再将其与预警规定的农地石漠化预警标准相比较,即可确定农地石漠化的等级,用来对喀斯特土地石漠化进行警度预报,为下一步农业生态恢复与优化调控做准备。4.2广西都安县农地石漠化预警根据建立的基于人工神经网络的农地石漠化预警模型,对广西都安县的各项农地石漠化预警指标进行预测,其预警结果如表4所示。表4都安县各预警指标变化预测值都安县1977年1988年1999年2002年2005年2007年预测X1植被覆盖率0.554 0.330 0.272 0.270 0.268 0.294 0.238X2基岩裸露率0.288 0.425 0.470 0.467 0.465 0.418 0.375X3岩性0.941 0.941 0.941 0.941 0.941 0.941 0.941X4土壤类型0.890 0.890 0.890 0.890 0.890 0.890 0.890X5地表起伏指数0.690 0.690 0.690 0.690 0.690 0.690 0.690X6农业人口密度114.090 143.630 143.910 143.300 144.370 150.229 149.920X7人均耕地面积1.040 0.880 0.840 0.770 0.730 0.730 0.728X8土地垦殖指数0.126 0.208 0.223 0.079 0.226 0.076 0.224X9坡耕地指数0.037 0.138 0.144 0.148 0.151 0.144 0.146X10≥25°的坡地面积比0.675 0.675 0.675 0.675 0.675 0.675 0.675U农地石漠化强度指数1.000 1.357 1.618 1.710 2.731 1.763 2.197警度1 1 2 2 3 2 2警情轻警轻警中警中警重警中警中警由表4可以看出,1977~1988年都安县农地石漠化以轻度石漠化为主,农地生态系统服务功能较为完善,生态环境较少受到破坏,生态系统尚完整,功能尚好,生态问题不显著,生态灾害不大。从这段时间各乡镇的预警指标的变化可知,时段内都安县农业人口密度较小,人均耕地面积较多,从而对生态环境的干扰破坏较小,农地生态系统较为完整,只有在人口密度较大的安阳、高岭、澄江等乡镇出现了较为明显的农地石漠化警情。1999~2005年都安县农地石漠化状况呈加剧恶化的趋势,中度和重度石漠化面积占了全县土地总面积的绝大多数,尤其是2005年农地石漠化达到极度恶化状态,喀斯特农地生态系统服务功能严重退化,生态环境受到较大破坏,生态系统结构破坏较大,功能退化且不全,基岩大面积裸露,土被很少,自然灾害较多。该时段各乡镇人口增加显著,人均耕地面积呈下降趋势,该地区经济落后,贫困人口多,从而出现了滥砍乱伐、毁林开荒、陡坡开垦、过度放牧等不合理的农业生产活动,导致植被覆盖率下降,基岩大面积裸露的石漠化景观的出现[3]。人口过快增长超过了脆弱的喀斯特生态环境承载力,环境恶化又加剧了贫困,使人地矛盾十分突出,农业生产困难,形成“贫困→人口过度增长→陡坡开垦、毁林开荒(增加土地利用强度)→植被减少退化→水土流失加重→耕地质量下降→农地石漠化→加重贫困”的恶性循环。由于2005年以来石漠化治理工程的大规模实施,从而2007年之后都安县农地石漠化状况有所好转,但从石漠化预测警情分布可以看出,农地石漠化状况仍不容乐观,石漠化治理工作有待加强。广西喀斯特地区农地生态预警研究@黄志强$广西师范学院!广西南宁530001
@胡宝清$广西师范学院!广西南宁530001
@容溶$广西师范学院!广西南宁530001指出了石漠化是喀斯特地区的农地生态灾害,其生态预警的逻辑过程是明确警义、寻找警源、分析警兆、预报警度和排除警患。预警指标体系的确立是整个生态预警工作的核心,是预警系统开展识别、诊断、预测等活动的前提,而建立预警指标体系需遵循科学的构建原则和筛选方法。以广西都安县为例,构建了基于人工神经网的农地石漠化预警,对该区农地的优化调控具有重要意义。喀斯特地区;;农地石漠化;;生态预警[1]广西岩溶地区石漠化综合治理规划编写组.广西壮族自治区岩溶地区石漠化综合治理规划(2006年-2015年)[R].南宁:广西岩溶地区石漠化综合治理规划编写组,2007.
[2]关文彬,谢春华,李春平.荒漠化危害预警原理与评价方法[J].北京林业大学学报,2003,25(3):79~83.
[3]黄锡富.以适用现代农业科技发展山地现代农业—关于广西喀斯特区农业重建与可持续发展研究[J].学术论坛,2007(6):87~91.
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