基于馬爾可夫法的小良林地資源利用狀態(tài)預(yù)測

基于馬爾可夫法的小良林地資源利用狀態(tài)預(yù)測

1林地利用趨勢預(yù)測的必要性21世紀(jì)，隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對保護(hù)和生態(tài)工程提出了更高的要求。水土保持治理已由單純的防護(hù)型治理轉(zhuǎn)向開發(fā)型治理。廣東茂名小良水保站一直以水土保持作為立站之本,那么如何在保護(hù)生態(tài)修復(fù)、防止開發(fā)性水土流失的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步發(fā)展小良經(jīng)濟(jì)是一個值得研究的新課題。我們都知道,林地既是一種重要自然資源,也是構(gòu)成陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分。在這個系統(tǒng)中,由于人類的干涉或自然力的作用,局部范圍內(nèi)林地資源的利用狀態(tài)是處在動態(tài)變化之中,即發(fā)生著經(jīng)常性的相互轉(zhuǎn)化,并且局部狀態(tài)的變化必將對系統(tǒng)整體的穩(wěn)定性造成了極大的影響。隨著我國經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展,掠奪式的林地經(jīng)營必將造成新的水土流失。針對這一開發(fā)性水土流失在經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中的“瓶頸”制約,對林地利用趨勢的預(yù)測,不僅是制訂林業(yè)生產(chǎn)長遠(yuǎn)規(guī)劃和生產(chǎn)決策的首要問題,也是發(fā)展經(jīng)濟(jì)長遠(yuǎn)規(guī)劃必須解決的課題。本文應(yīng)用馬爾可夫法的分析理論,根據(jù)茂名小良水保站林地資源類型的樣地變化資料,建立馬爾可夫模型,對小良水保站林地資源利用狀態(tài)的發(fā)展趨勢進(jìn)行預(yù)測,為小良林業(yè)生產(chǎn)決策和發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)提供科學(xué)的依據(jù)。2小良水寶站基本結(jié)構(gòu)2.1全站概況及氣象區(qū)小良水保站位于廣東省茂名市電白縣小良鎮(zhèn)西南部的沿海臺地上,東經(jīng)110°54′18″,北緯21°27′49″。全站面積288.87hm2,海拔最高處為36m。該地屬熱帶北緣海洋性季風(fēng)氣候區(qū),年平均氣溫為23℃,年平均降雨量1442mm,雨量分布極不均勻,大部分集中于6～8月,有明顯的干濕季之分,年平均蒸發(fā)量為2100mm。土壤大部分是發(fā)育于花崗巖土質(zhì)上的多礫黏質(zhì)磚紅壤,頂級植被為熱帶季雨林。2.2水土流失現(xiàn)狀小良水保站于1957年建站以來一直進(jìn)行著生態(tài)修復(fù)方面的研究和實踐。據(jù)考證,在100年前,該地曾是一片熱帶季雨林,后來由于人類活動不斷干擾,原始森林已破壞殆盡,地表土層大部分已遭嚴(yán)重破壞,水土流失嚴(yán)重,土地肥力非常低,生態(tài)環(huán)境極其惡劣。小良就是在這樣的光裸地上進(jìn)行的生態(tài)修復(fù)。在第一階段是建立先鋒植物群落,以耐旱耐瘠的桉樹和馬尾松為主。在人工撫育下,桉林具有較高的成活率,其本上固定了水土,在一定程度上改善了生態(tài)環(huán)境。但由于保水固土的效果一般,在第二階段也就是80年代,一部分桉林被斑塊式地改造為闊葉混交林。目前,這些混交林具有了地帶性森林——熱帶季雨林的特征,具有強(qiáng)大的生態(tài)調(diào)節(jié)功能。在第三階段即90年代,開荒種果成為一個熱點投資方向,大面積伐林種果建立龍眼、荔枝等經(jīng)濟(jì)林區(qū),不但沒有帶來經(jīng)濟(jì)上的大收益,反而造成了環(huán)境的惡化,出現(xiàn)開發(fā)性水土流失。最近,桉樹林又被砍伐,種植小樹苗,水土流失有加重趨勢。據(jù)實驗觀測,目前,在人工混交林區(qū)植被覆蓋率達(dá)85%,年平均水土流失量僅為18.69t/km2,水土流失基本得到控制。但仍要加強(qiáng)人工治理,注重保護(hù),充分發(fā)揮其生態(tài)的修復(fù)能力。而在桉樹林區(qū),植被覆蓋率達(dá)45%,林下植被缺乏,仍有水土流失現(xiàn)象產(chǎn)生,年平均水土流失量為1232.91t/km2,最近桉樹被大量砍伐,植上小樹苗,水土流失加劇。其他經(jīng)濟(jì)林區(qū),植被覆蓋率低,約為10%～15%,水土流失仍很嚴(yán)重,生態(tài)環(huán)境不容樂觀。那么小良水保站如何正確對待傳統(tǒng)性水土流失與開發(fā)性水土流失的關(guān)系,老的水土保持林更新及改造以及提高生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能等問題;如何以水土保持為立站之本,對混交林、桉樹林、經(jīng)濟(jì)林這三種主要林地類型狀態(tài)變化進(jìn)行動態(tài)模型預(yù)測,尋求一個穩(wěn)定狀態(tài);下面運(yùn)用馬爾可夫法進(jìn)行分析,預(yù)測及建立穩(wěn)定的小良林業(yè)生態(tài)水土保持樣地,為小良的環(huán)境教育與生態(tài)旅游帶動經(jīng)濟(jì)的發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)和保障。3馬爾可夫分析的應(yīng)用3.1馬爾可夫鏈預(yù)測的特點馬爾可夫分析是俄國數(shù)學(xué)家馬爾可夫建立的一種分析隨機(jī)過程的方法。它研究對象是事物的狀態(tài)和狀態(tài)的轉(zhuǎn)移。通過對各種不同狀態(tài)初始占有率及狀態(tài)之間轉(zhuǎn)移概率的研究,來確定系統(tǒng)發(fā)展的趨勢,從而達(dá)到對未來系統(tǒng)的預(yù)測目的。它實際上是一種主要用復(fù)雜系統(tǒng)的預(yù)測和控制數(shù)學(xué)模型。應(yīng)用馬爾可夫過程進(jìn)行預(yù)測具有三個特點:(1)預(yù)測期系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)保持不變。(2)系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率保持不變。(3)狀態(tài)轉(zhuǎn)移僅受前一狀態(tài)影響,即馬爾可夫過程的無后效性。由于馬爾可夫鏈預(yù)測是根據(jù)變量目前狀態(tài)來預(yù)測未來如何變化的分析方法,它不需要連續(xù)的歷史資料,而僅需要最近或現(xiàn)在的動態(tài)資料預(yù)測未來。因此,在現(xiàn)代化企業(yè)管理、生態(tài)環(huán)境保護(hù)和生物科學(xué)研究等領(lǐng)域都經(jīng)常應(yīng)用這種方法進(jìn)行分析與預(yù)測,為科學(xué)地決策提供依據(jù)。3.2馬爾可夫模型的構(gòu)建3.2.1人工森林群落樣本的選擇林地資源利用系統(tǒng)的狀態(tài)實際上表現(xiàn)為各個地塊所屬的林地種類或樹種。小良水保站自建站利用“植被改造自然”的方法建立多樣性的人工森林群落樣板來改善生態(tài)環(huán)境。目前,小良水保站全站面積288.87hm2,其中林地面積約占93%,人工林主要為混交林、桉樹、經(jīng)濟(jì)林三種類型。而其他道路用地、居民區(qū)、光板地、水庫等土地類型樣點少且綠地面積少。因此,為計算和分析方便,將其列為非林地用地,不計算在內(nèi),這樣僅保留三種林地利用狀態(tài)。3.2.2桉樹林種植混交林的情況為了建立林地利用狀態(tài)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)移概率矩陣,利用對小良水保站監(jiān)測的關(guān)于2004年林地資源的調(diào)查資料:混交林53.33hm2①、桉樹林80hm2①、經(jīng)濟(jì)林135.60hm2①,分別占林地總面積的19.8%、29.8%、50.4%,以此作為初始狀態(tài)。由于目前桉樹林區(qū)、經(jīng)濟(jì)林區(qū)仍存在水土流失現(xiàn)象,因此在2004年小良水保站的規(guī)劃報告中,小良水保站將建成新型水土流失控制試驗區(qū)、現(xiàn)代復(fù)合農(nóng)林業(yè)示范區(qū)、科研與環(huán)境教育區(qū)、用材區(qū)等多個林業(yè)功能區(qū),使混交林、桉樹林、經(jīng)濟(jì)林三種林地資源的比重發(fā)生動態(tài)變化。通過對林地資源在未來兩年(即2006年)內(nèi)的動態(tài)變化資料的調(diào)查估算,可得到以下矩陣②:矩陣第一行表示原來種植混交林的林地仍有46.67hm2種植混交林,另有6.67hm2轉(zhuǎn)向經(jīng)濟(jì)林;第二行表示原來種植桉樹林的有21.87hm2轉(zhuǎn)向種植混交林,有53.13hm2仍種植桉樹林,另有5hm2轉(zhuǎn)向經(jīng)濟(jì)林;第三行表示有20hm2的經(jīng)濟(jì)林轉(zhuǎn)向種植混樹林,有1.33hm2轉(zhuǎn)向種植桉樹林,有114.27hm2仍種植經(jīng)濟(jì)林?；旖涣骤駱淞纸?jīng)濟(jì)林[混交林桉樹林經(jīng)濟(jì)林46.6706.6721.8753.135.0020.001.33114.27]混交林桉樹林經(jīng)濟(jì)林??????混交林46.6721.8720.00桉樹林053.131.33經(jīng)濟(jì)林6.675.00114.27??????矩陣第一列表示種植混交林的林地有46.67hm2是原來的混交林,有21.87hm2是桉樹林轉(zhuǎn)移來的,有20hm2是經(jīng)濟(jì)林轉(zhuǎn)移來的,第二列與第三列含義相似。將第一行除以行合計數(shù)53.34即得從2004～2006年混交林的轉(zhuǎn)移概率,同樣第二行除以80、第三行除以135.60,即得桉樹林和經(jīng)濟(jì)林的轉(zhuǎn)移概率,通過計算,得到系統(tǒng)狀態(tài)的轉(zhuǎn)移概率為:Ρ=[46.67/53.340/53.346.67/53.3421.87/8053.13/805/8020/135.601.33/135.60114.27/135.60]=[0.87500.1250.2730.6640.0630.1470.0100.843]P=???46.67/53.3421.87/8020/135.600/53.3453.13/801.33/135.606.67/53.345/80114.27/135.60???=???0.8750.2730.14700.6640.0100.1250.0630.843???3.3造林地碳類型利用概率測算結(jié)果根據(jù)現(xiàn)在各種林地資源的占有率及轉(zhuǎn)移概率矩陣,便可預(yù)測以后林地資源利用的動態(tài)變化及均衡狀態(tài)下各林地資源利用狀態(tài)的占有率情況。若以S1表示2004年小良水保站各林地資源利用占有率,S2表示2006年各林地資源利用占有率,則有:S2=S1?Ρ=(0.1980.2980.504)[0.87500.1250.2730.6640.0630.1470.0100.843]=(0.3290.2030.468)S3=S2?Ρ=(0.3290.2030.468)[0.87500.1250.2730.6640.0630.1470.0100.843]=(0.4120.1400.448)S4=S3?Ρ=(0.4650.0970.438)S2=S1?P=(0.1980.2980.504)???0.8750.2730.14700.6640.0100.1250.0630.843???=(0.3290.2030.468)S3=S2?P=(0.3290.2030.468)???0.8750.2730.14700.6640.0100.1250.0630.843???=(0.4120.1400.448)S4=S3?P=(0.4650.0970.438)以此類推,可求得S5S6S7……由上面計算可知,混交林的占有率將不斷增長,而桉樹林的占有率不斷下降,經(jīng)濟(jì)林占有率變化幅度較小,基本上處于穩(wěn)定狀態(tài)。但這種狀態(tài)不是無止境地沿著這一趨勢變化下去的,因為轉(zhuǎn)移概率矩陣P為正規(guī)概率,故存在均衡點,使系統(tǒng)達(dá)到平衡。設(shè)均衡狀態(tài)時混交林、桉樹林、經(jīng)濟(jì)林這三種類型利用占有率分別為SM=(X,Y,1-X-Y),根據(jù)固定點特征SΜ?Ρ=SΜ(X?Y?1-X-Y)[0.87500.1250.2730.6640.0630.1470.0100.843]=(X?Y?1-X-Y)∴{0.875X+0.273Y+0.147(1-X-Y)=X0.664Y+0.001(1-X-Y)=Y解得X=0.55Y=0.0131-X-Y=0.437即混、桉、經(jīng)三種林地資源利用占有率分別為55%、1.3%、43.7%時,則林地系統(tǒng)處于一個穩(wěn)定狀態(tài)。如果按初始概率矩陣進(jìn)行預(yù)測,可以求得:S13=(0.549,0.015,0.436)S14=(0.55,0.014,0.436)。即經(jīng)過13個狀態(tài)的動態(tài)①數(shù)字來源于茂名小良水保站;②矩陣數(shù)字來源于《茂名市小良水土保持試驗推廣站總體規(guī)劃報告》,2004年。變化,約26年的時間,小良各林地資源趨于穩(wěn)定,小良生態(tài)系統(tǒng)將達(dá)到平衡,按目前的經(jīng)營方式和管理水平大約在2030年才能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。從預(yù)測的結(jié)果也可以看出,桉樹林逐漸被混交林取代,使混交林面積不斷上升,以帶來強(qiáng)大的生態(tài)調(diào)節(jié)功能,而經(jīng)濟(jì)林基本穩(wěn)定,略有所下降,將有效地促進(jìn)小良經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,隨著小良建設(shè)規(guī)劃不斷突出環(huán)境保護(hù)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展兩條主線,小良生態(tài)環(huán)境質(zhì)量和生態(tài)潛力將有所提高。4生態(tài)恢復(fù)目標(biāo)預(yù)測結(jié)果分析(1)對小良主要林地資源進(jìn)行林地利用狀態(tài)發(fā)展趨勢的分析預(yù)測,從中找到控制趨勢發(fā)展的關(guān)鍵所在,這對于合理利用林地資源,進(jìn)行小良生態(tài)系統(tǒng)規(guī)劃和循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展研究具有重大的價值和意義。(2)應(yīng)用馬爾可夫理論來分析,預(yù)測林地資源利用狀態(tài),具有資料來源容易、計算方法簡單的特點。但這一方法一般適用于短期預(yù)測,在較長期限的預(yù)測中,由于生產(chǎn)水平的提高,國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的方針、政策的變化,將可能使預(yù)測結(jié)果出現(xiàn)較大的偏差,因此,在長期預(yù)測中,為使預(yù)測的結(jié)果更為準(zhǔn)確,必須根據(jù)歷史資料對預(yù)測的基礎(chǔ)轉(zhuǎn)移概率進(jìn)行分析、找出其變化趨勢,并按照生產(chǎn)水平發(fā)展趨勢對其進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。(3)根據(jù)對小良主要林地資源類型的資料及所建立的數(shù)學(xué)模型的分析結(jié)果表明:小良水保站林地利用狀況在一定時期內(nèi),在現(xiàn)有的經(jīng)營方針和干擾條件下,總的發(fā)展趨勢將朝著合理的方向發(fā)展,并大約在2030年達(dá)到一個穩(wěn)定的狀態(tài)。但也存在部分不