[發明專利]基于結構動力學的草地生態承載力定量方法

有效

• 申請號: 201611147202.4
• 申請日: 2016-12-13
• 公開（公告）號: CN106599576B
• 公開（公告）日: 2019-03-22
• 發明（設計）人: 方一平;朱付彪;邱孝枰
• 申請（專利權）人: 中國科學院;水利部成都山地災害與環境研究所
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 北京元本知識產權代理事務所 11308
• 代理人: 秦力軍

技術領域

本發明涉及草地生態治理技術領域，具體涉及一種基于結構動力學的草地生態承載力定量方法。

背景技術

生態承載力是可持續管理和實踐的重要概念，也是測度區域經濟、社會和生態可持續發展的關鍵指標，其理論方法廣泛應用于生態學、地理學、環境科學以及社會科學等交叉領域。由于生態承載力制約因素眾多和時空條件復雜，學界尚未形成公認的生態承載力概念，總體上，對生態承載力的概念解析存在5種不同視角：一是種群生態學視角，生態承載力最早用于描述生態系統所能容納的最大種群量。隨后，Smaal、Hudak、David等也給出了類似的解釋，認為生態承載力是在特定時間內、特定生態系統所能支持的最大種群數。也有學者將承載力區分為“經濟承載力”和“生態承載力”，前者屬于牧場管理學內涵，由動物種群生產力管理目標、動物質量和生境狀態來表征；后者則是指無干擾條件下，種群與生境達到平衡時的種群數量。二是生態系統健康角度，認為生態承載力是在一定社會經濟條件下，自然生態系統維持其服務功能和自身健康的潛在能力，也是在不危害生態系統前提下的資源環境承載能力。三是人類生態學角度，認為生態承載力是資源和環境對人類社會系統良性發展的一種強度和支持能力。四是生物適應性角度，認為生態承載力是自然系統調節能力的客觀反映，是生物細胞、個體、種群和群體演化與環境相互作用、相互適應的結果。五是人文地理學視角，認為生態承載力是人地關系的反映，由生態活力、資源環境承載力和社會發展能力三要素所構成，也有學者用單位土地面積可承載的人口和經濟規模來表達。根據生態系統類型和研究對象的不同，生態承載力衍生了水生態承載力、草地生態承載力、耕地生態承載力、城市生態承載力、綜合生態承載力等相關概念，相應內涵也逐漸由單學科、單要素向多學科、多因子綜合轉變。盡管對生態承載力有不同的理解，但仍有認知共性，即生態承載力隨著生態系統和社會經濟發展水平的變化而變化，主要刻畫自然生態系統對社會經濟系統發展強度的承受能力以及自然生態系統的健康程度。在這里草地生態承載力主要指草地生態系統對社會經濟發展強度的承受能力以及草地生態系統的健康程度。

目前，生態承載力研究方法尚處于探索階段，主要有種群數量Logistic法、自然植被凈第一生產力測算法、資源與需求差量法、綜合評價法、生態足跡分析法、模型預估法(分類統計法、比較密度法、趨勢外推法、限制因子法、線性規劃法、系統動力學方法)等。生態系統的復雜性決定了生態承載力研究方法和手段的復雜性。一方面，應用于生態承載力的模型方法不是很多，特別是對于草地生態承載力研究具有普遍意義的模型方法還處于探索階段。另一方面，綜合考察人類活動和氣候變化對草地退化和載畜量影響，或是基于壓力因子、承壓因子以及承壓狀況建立評價指標體系的研究相對較多，但以凍土變化作為生態承載能力重要驅動因子的研究極為少見。為了提高草地生態承載力研究的科學性和應用性，需加強草地生態承載力動態模擬研究，建立一套能反映其本質的模型體系，實現對草地生態承載力的測度、動態過程監控、情景預估和影響因素辨識。

發明內容

針對上述問題，本發明提出了一種基于結構動力學的草地生態承載力定量方法，其具有明顯的科學價值與現實意義，通過將結構動力學與草地生態系統在外在壓力作用下的位移和荷載能力變化相結合，定量測度草地生態承載力及其動態變化，實現對草地生態承載力的測度、動態過程監控、情景預估和影響因素辨識，對其他資源、環境和社會經濟系統承載力定量分析也有借鑒意義，是對生態承載力定量方法的一次創新，為承載力提升和區域可持續發展決策提供指導。

本發明的技術方案如下：

上述基于結構動力學的草地生態承載力定量方法，其具體包括：(1)指標體系構建及標準化處理，即從草地質量、阻尼、剛度和荷載這四個方面選取指標加以分析，并利用極差標準化方法對原始數據進行標準化處理，以消除數據量綱和指標變化變異造成的影響，使數據具有可比性；(2)外在壓力作用位移計算，即根據質量矩陣、阻尼矩陣、剛度矩陣和荷載矩陣構建結構動力方程，再將結構動力方程轉換為狀態空間方程，利用各矩陣指標數據，借助Matlab軟件時域分析lsim函數求解狀態空間方程，得到草地在外在壓力作用下的位移并將位移視為草地生態系統對荷載作用的響應；(3)草地荷載能力計算，即將質量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣求和，再計算矩陣和的平均特征值，根據特征值的物理含義，將其視為草地生態系統的荷載能力；(4)利用草地荷載能力和作用位移結果，將草地生態承載力表達為荷載能力與作用位移的比值，即草地生態承載力定義為單位位移的荷載能力。