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Factors influencing the spatial distribution of vegetation carbon density in karst landscapes of Northwest Guangxi:a case study based on radial basis function network model

基于RBFN的桂西北喀斯特区植被碳密度空间分布影响因素分析



全 文 :
摇 摇 摇 摇 摇 生 态 学 报
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摇 摇 第 猿源卷 第 员圆期摇 摇 圆园员源年 远月摇 渊半月刊冤
目摇 摇 次
中国景观生态学发展历程与未来研究重点 陈利顶袁李秀珍袁傅伯杰袁等 渊猿员圆怨冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
城市景观格局演变的水环境效应研究综述 黄摇 硕袁郭青海 渊猿员源圆冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
多功能景观研究进展 汤摇 茜袁丁圣彦 渊猿员缘员冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
空间形态受限型城市紧凑发展研究要要要以厦门岛为例 黄摇 硕袁郭青海袁等 渊猿员缘愿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
紫金山森林公园降温效应影响因素 闫伟姣袁孔繁花袁尹海伟袁等 渊猿员远怨冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
城市公园景观空间结构对其热环境效应的影响 冯悦怡袁胡潭高袁张力小 渊猿员苑怨冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
基于 韵宰粤的低丘缓坡建设开发适宜性评价要要要以云南大理白族自治州为例
刘焱序袁彭摇 建袁韩忆楠袁等 渊猿员愿愿冤
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生态安全条件下土地利用格局优化要要要以皇甫川流域为例 喻摇 锋袁李晓兵袁王摇 宏 渊猿员怨愿冤噎噎噎噎噎噎噎
新疆玛纳斯河流域 圆园园园要圆园员园年土地利用 辕覆盖变化及影响因素 刘金巍袁靳甜甜袁刘国华袁等 渊猿圆员员冤噎噎噎
基于 郧陨杂和 砸杂的赣江上游流域土地利用动态趋势分析 鲁燕飞袁彭摇 芳袁万摇 韵袁等 渊猿圆圆源冤噎噎噎噎噎噎噎
员怨缘源要圆园员园年三江平原土地利用景观格局动态变化及驱动力 刘吉平袁赵丹丹袁田学智袁等 渊猿圆猿源冤噎噎噎噎
基于斑块评价的三峡库区腹地坡耕地优化调控方法与案例研究 王永艳袁李阳兵袁邵景安袁等 渊猿圆源缘冤噎噎噎噎
贵州省山地鄄坝地系统土地利用与景观格局时空演变 李阳兵袁姚原温袁谢摇 静袁等 渊猿圆缘苑冤噎噎噎噎噎噎噎噎
中国西南地区土地覆盖情景的时空模拟 李摇 婧袁范泽孟袁岳天祥 渊猿圆远远冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
基于移动窗口法的岷江干旱河谷景观格局梯度分析 张玲玲袁赵永华袁殷摇 莎袁等 渊猿圆苑远冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎
基于植被覆盖度的藏羚羊栖息地时空变化研究 赵海迪袁刘世梁袁董世魁袁等 渊猿圆愿缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
西南峡谷型喀斯特坡地土壤微生物量 悦尧晕尧孕 空间变异特征 范夫静袁黄国勤袁宋同清袁等 渊猿圆怨猿冤噎噎噎噎噎
峡谷型喀斯特不同生态系统的土壤微生物数量及生物量特征 谭秋锦袁宋同清袁彭晚霞袁等 渊猿猿园圆冤噎噎噎噎噎
长三角地区土地利用时空变化对生态系统服务价值的影响 刘桂林袁张落成袁张摇 倩 渊猿猿员员冤噎噎噎噎噎噎噎
基于视觉廊道的青藏铁路沿线旅游动态景观评价 张瑞英袁席建超袁姚予龙袁等 渊猿猿圆园冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
基于 砸杂与 郧陨杂的农村居民点空间变化特征与景观格局影响研究 任摇 平袁洪步庭袁刘摇 寅袁等 渊猿猿猿员冤噎噎噎
生态系统保护现状及保护等级评估要要要以江西省为例 樊乃卿袁张育新袁吕一河袁等 渊猿猿源员冤噎噎噎噎噎噎噎噎
崇明东滩盐沼植被变化对滩涂湿地促淤消浪功能的影响 任璘婧袁李秀珍袁杨世伦袁等 渊猿猿缘园冤噎噎噎噎噎噎噎
基于气候尧地貌尧生态系统的景观分类体系要要要以新疆地区为例 师庆东袁王摇 智袁贺龙梅袁等 渊猿猿缘怨冤噎噎噎噎
黄土丘陵沟壑区景观格局演变特征要要要以陕西省延安市为例 钟莉娜袁赵文武袁吕一河袁等 渊猿猿远愿冤噎噎噎噎噎
不同干扰背景下农业景观异质性要要要以巩义市为例 张晓阳袁梁国付袁丁圣彦 渊猿猿苑愿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
山西高原草地景观的数量分类与排序 张先平袁李志琴袁王孟本袁等 渊猿猿愿远冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
山区夏季地表温度的影响因素要要要以泰山为例 孙常峰袁孔繁花袁尹海伟袁等 渊猿猿怨远冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
典型岩溶洼地土壤水分的空间分布及影响因素 张继光袁苏以荣袁陈洪松袁等 渊猿源园缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
基于移动窗口法的豫西山地丘陵地区景观异质性分析 李栋科袁丁圣彦袁梁国付袁等 渊猿源员源冤噎噎噎噎噎噎噎噎
桂西北喀斯特区域植被变化趋势及其对气候和地形的响应 童晓伟袁王克林袁岳跃民袁等 渊猿源圆缘冤噎噎噎噎噎噎
喀斯特与非喀斯特区域植被覆盖变化景观分析要要要以广西壮族自治区河池市为例
汪明冲袁王兮之袁梁钊雄袁等 渊猿源猿缘冤
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不同干扰背景下景观指数与物种多样性的多尺度效应要要要以巩义市为例
董翠芳袁梁国付袁丁圣彦袁等 渊猿源源源冤
噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
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石栎鄄青冈常绿阔叶林土壤有机碳和全氮空间变异特征 杨摇 丹袁项文化袁方摇 晰袁等 渊猿源缘圆冤噎噎噎噎噎噎噎
湘中丘陵区南酸枣阔叶林群落特征及群落更新 易摇 好袁邓湘雯袁项文化袁等 渊猿源远猿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
基于 砸月云晕的桂西北喀斯特区植被碳密度空间分布影响因素分析 张明阳袁王克林袁邓振华袁等 渊猿源苑圆冤噎噎噎
期刊基本参数院悦晕 员员鄄圆园猿员 辕 匝鄢员怨愿员鄢皂鄢员远鄢猿缘圆鄢扎澡鄢孕鄢 预 怨园郾 园园鄢员缘员园鄢猿远鄢圆园员源鄄园远
室室室室室室室室室室室室室室
封面图说院 空间发展受限城市的厦门要要要在我国城市化进程中袁中小城市在城镇体系建设中处于中间环节袁起到了联系大城市
和小城镇的作用遥 但是袁每个城市由于发展历史尧社会经济结构尧自然地理形态等因素的不同袁都有其发展的特性袁
这些问题都必须要因地制宜地去把握遥 例如袁厦门岛相对隔离袁没有多余的发展空间袁该城市以居住功能为主袁城市
功能较为单一袁公共服务功能和商业服务功能比例较小遥 研究这样紧凑型的城市发展必须要考虑该城市结构转换
的承受力袁周边社会经济环境以及居民的生活习惯等遥
彩图及图说提供院 陈建伟教授摇 北京林业大学摇 耘鄄皂葬蚤造院 糟蚤贼藻泽援糟澡藻灶躁憎岳 员远猿援糟燥皂
第 34 卷第 12 期
2014年 6月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol.34,No.12
Jun.,2014
http: / / www.ecologica.cn
基金项目:国家自然科学基金(31370484); 中国科学院西部行动计划项目(KZCX2鄄XB3鄄 10);中国科学院亚热带农业生态所青年人才领域前沿
项目(ISACX鄄LYQY鄄QN鄄1102); 中国科学院“西部之光冶人才培养计划一般项目
收稿日期:2013鄄08鄄06; 摇 摇 修订日期:2014鄄04鄄01
*通讯作者 Corresponding author.E鄄mail: kelin@ isa.ac.cn
DOI: 10.5846 / stxb201308062035
张明阳, 王克林, 邓振华, 刘会玉, 岳跃民, 段亚锋.基于 RBFN的桂西北喀斯特区植被碳密度空间分布影响因素分析.生态学报,2014,34(12):
3472鄄3479.
Zhang M Y, Wang K L,Deng Z H, Liu H Y, Yue Y M, Duang Y F. Factors influencing the spatial distribution of vegetation carbon density in karst
landscapes of Northwest Guangxi: a case study based on radial basis function network model.Acta Ecologica Sinica,2014,34(12):3472鄄3479.
基于 RBFN的桂西北喀斯特区植被
碳密度空间分布影响因素分析
张明阳1,2, 王克林1,2,*, 邓振华3, 刘会玉4, 岳跃民1,2, 段亚锋1,2
(1. 中国科学院亚热带农业生态研究所 亚热带农业生态过程重点实验室, 长沙摇 410125;
2. 中国科学院环江喀斯特生态系统观测研究站, 环江摇 547100;
3. 国家电网湖南省电力公司东江水力发电厂, 资兴摇 423403; 4. 南京师范大学地理科学学院, 南京摇 210046)
摘要:在 2010年植被碳密度空间分布结果的基础上,通过 13 个环境因子的 1377 个样点数据,建立径向基函数网络 (Radial
Basis Function Network, RBFN) 模型,对桂西北喀斯特区植被碳密度空间分布的影响因素进行了初步探讨。 研究结果显示:对
该区植被碳密度空间分布影响最为重要的前 4位为地类、森林类型、林种和植被类型 4 个因子,其标准化重要性分别在 50%以
上;其次为石漠化程度、腐殖层厚度、面积等级、植被总覆盖度和土层厚度 5个因子,其标准化的重要性分别在 15%—30%;影响
最小的是坡位、坡度、坡向和海拔 4个地形因子,其标准化重要性仅 2%—11%。 研究表明地形因子对植被碳密度空间分布影响
有限,更为重要的是土地类型、森林类型、林种和植被类型等可通过人为活动改变的因素,因此生态环境移民、退耕还林等石漠
化治理措施对植被碳密度空间分布具有重要影响。
关键词:桂西北; 喀斯特; 植被碳密度; 影响因素; 径向基函数网络模型
Factors influencing the spatial distribution of vegetation carbon density in karst
landscapes of Northwest Guangxi: a case study based on radial basis function
network model
ZHANG Mingyang1,2, WANG Kelin1,2,*,DENG Zhenhua3, LIU Huiyu4, YUE Yuemin1,2, DUANG Yafeng1,2
1 Key Laboratory of Agro鄄ecological Processes in Subtropical Region, Institute of Subtropical Agriculture, Chinese Academy of Sciences, Changsha
410125, China
2 Huanjiang Observation and Research Station for Karst Ecosystems, Chinese Academy of Sciences, Huanjiang 547100, China
3 Hunan Dongjiang Hydroelectric Power Plant, State Grid Corporation of China, Zixing 423403, China
4 College of Geography Science, Nanjing Normal University, Nanjing 210046, China
Abstract: Karst landscapes in Southwest China may be an important carbon sink after the implementation of ecological
engineering. The carbon pool in vegetation plays a more important role in the ecosystem carbon budget than that in shallow
soils with a limited carbon savings. However, due to the special nature of the geological settings of the Karst region, the
spatial distribution of vegetation has a three鄄dimensional characteristics of discontinuity and fragmentation, which results in
the difficulty in obtaining the belowground section of vegetation. This study examined the influencing factors on spatial
distribution of vegetation carbon density in the karst area of northwest Guangxi, China, based on 1377 samples of 13
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environment factors investigated in 2010 and the model of radial basis function network. The results show that: the four most
important impact factors on the spatial distribution of vegetation carbon density are land type, forest type, forest category
and vegetation type, and the significance of standardization above 50% for all of these factors; The second group of
important impact factors are rocky desertification degree, humus layer thickness, size class, overall vegetation cover and soil
thickness, and the significance of standardization is about 15%—30%; The least important factors on the spatial
distribution of vegetation carbon density are location, slope, aspect and elevation, and the importance of standardization is
only 2%—11%. Our study indicates that, and land type, forest type, forest category and vegetation type changed by human
activities are the predominant factors in controlling the spatial distribution of vegetation carbon density, and the impact of
topographic factors on are limited. This study suggests that the eco鄄environment immigration, returning farmland to forests,
rocky desertification control measures have positive impacts on the spatial distribution of vegetation carbon density.
Key Words: Northwest Guangxi; karst; vegetation carbon density; impact factors; radial basis function network model
摇 摇 植被碳储量是估算陆地生态系统与大气间温室
气体 CO2交换量的关键因子,并成为多个重大科学
计划的研究主题[1鄄2]。 我国西南喀斯特区土层浅薄、
土壤总量少,植被碳占碳库的比重远远高于其它类
型区,其植被碳储蓄的时空变异特征及其主要影响
因素成为喀斯特区域碳循环研究中迫切需要解决的
科学问题[3鄄5]。 同时,20世纪 90年代以来,随着国家
八七扶贫计划及西部大开发战略的实施,通过实施
退耕还林(草)、封山育林、生态移民等措施,西南喀
斯特区退化生态系统的恢复重建取得了一定的成
效[6鄄8]。 随着石漠化综合治理试点工程的启动,研究
喀斯特区植被固碳效应对评价石漠化综合治理的效
益具有重要的科学意义。 我国不少学者对西南喀斯
特区的碳循环进行了相关研究[9鄄12],但绝大部分限
于生态系统尺度的植被碳储蓄空间分异特征分析,
较少涉及区域植被碳储蓄空间分布及其影响因素探
索[13鄄14]。 因此,探讨喀斯特区域植被碳储蓄空间分
布特征及其主要影响因素分析,不仅能为喀斯特区
域碳储量估算和石漠化治理的效益评价提供科学参
考,而且能为更好地理解喀斯特区域植被碳储量空
间分布特征和生态系统管理提供科学依据。
径向基函数网络(Radial Basis Function Network,
RBFN)模型是近年来被广泛应用于分类研究的人工
神经网络模型之一[15鄄17],是利用具有局部隆起的径
向基函数来做逼真或分类,相对于其他的神经网络
方法,除了具有一般神经网络的优点(如多维非线性
映射能力、泛化能力、并行信息处理能力等),还具有
很强的聚类分析能力,学习算法简单方便等优点。
本文以进行了大量生态移民与退耕还林的桂西北典
型喀斯特区为例,在 2010 年植被碳密度空间分布结
果的基础上,通过 13 个环境因子 1377 个样点数据,
建立径向基函数网络模型[15鄄17],对植被碳密度空间
分布主要影响因素进行初步探索,以期为深入了解
喀斯特区植被碳储蓄空间分布及石漠化治理提供科
学参考与理论基础。
1摇 研究区概况
桂西北地处广西西北、云贵高原南麓,介于 104毅
29忆—109毅09忆E,23毅 41忆—25毅 37忆N 之间 (图 1) [18]。
总面积 6.94万 km2,包括广西河池市 11个县(市)和
百色市 12个县市。 属中亚热带南缘季风气候,年均
气温 19.5益,年均降水 1000mm,时空分布不均。 以
山地、峰丛洼地为主,山区面积比例大(百色和河池
分别 30%和 59%)。 海拔为 2000 多米至 100 多米,
呈西北向东南降低。 喀斯特地貌广为发育,由西向
东地貌类型主要为中山、低山和峰丛洼地。 成土母
岩主要有石灰岩、紫色岩等。
2摇 数据与方法
2.1摇 资料来源
主要数据是 2010年林业清查数据(来源于中南
林业勘测设计院),具体做法是采用系统抽样的方
法,在五万分之一的地形图上,按照 6 km 伊 8 km 的
网格进行机械布点,以每个网格的西南交叉点为基
准点布设 25.82 m伊25.82 m的正方形固定样地,每个
样地面积 0.0667 hm2。 本区 1444 个样地,剔除非林
地共有 1377 个样地数据。 数据包括海拔、坡向、坡
度、植被类型、林种、地类、植被覆盖度、土壤厚度、腐
3743摇 12期 摇 摇 摇 张明阳摇 等:基于 RBFN的桂西北喀斯特区植被碳密度空间分布影响因素分析 摇
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殖质、石漠化程度、优势树种、胸径、林业蓄积等 60 多项因子。
图 1摇 研究区域地理位置[18]
Fig.1摇 Location in the study area
摇 摇 软件主要有地理信息系统软件 ARCGIS 9.3 和
统计软件 MATLAB7.01。 ARCGIS9.3 主要用于植被
碳密度的空间分布分析,MATLAB7. 01 主要用于
RBFN模型运行。
2.2摇 研究方法
2.2.1摇 植被碳储量及其密度
植被碳储蓄主要是采用材积源生物量法和已经建
立的回归方程[19鄄20],计算生物量,然后通过植被含碳量
即含碳率获得。 植被碳密度为单位面积的植被碳储量。
具体计算和转换方法详见已发表论文基于林业清查资
料的桂西北植被碳空间分布及其变化特征[21]。
2.2.2摇 RBFN原理介绍及其训练算法
RBFN( Radial Basis Function Network)由输入
层、隐含层和输出层组成三层前向式网络,各层有多
个神经元,相邻两层单元之间单方向连接,通过径向
基算法来获得隐层权值、确定最终输出值的多层前
向监督式网络[15鄄17](图 2)。 其中:Xk为输入层(k =
1, 2, …,N),V j为隐含层( j = 1, 2, …, L),Oi为输
出层( i = 1, 2, …, M)。 C jk = (C j 1, C j 2, …, C jn)、
S j分别表示隐含层单元基函数的中心和宽度,N、L、
M分别表示输入、隐含和输出单元的数量。 N 和 M
同输入维数和输出维数相一致,而 L 采用构造人工
神经网络结构或对网络结构进行修改,使之与具体
问题相适应来确定隐单元数。
图 2摇 径向基函数网络(RBFN)模型结构图
Fig.2摇 The model structure of Radial Basis Function Network
(RBFN)
X1: 输入层 1; X2: 输入层 2; X3:输入层 3; X4:输入层 4 ; V1:
隐含层 1; V2: 隐含层 2; V3: 隐含层 3; V4: 隐含层 4; Qi: 输出
层 j;C jk: 隐含层单元基函数中心; S j: 隐含层单元基函数宽度;
Wij: 隐含层单元与输出层单元之间的连接权重
若给定的输入模型式为 Xuk ,u = 1,2,…,p(p 为
输入模式数),则有隐含单元和输出单元:
Vuj = Ruj /移
L
k = 1
Ruj
Ruj = exp - 0.5移
N
k = 1
Xuk - C jk
S
æ
è
ç
ö
ø
÷
é
ë
êê
ù
û
úú
j
Qui =移
L
j = 1
W jiVuj
式中, Ruj 、 Vuj 都是径向对称非线性函数,称 Ruj 为
Gauss型径向基函数, Vuj 为归一化径向基函数。
4743 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 34卷摇
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隐含层是固定不变的非线性变换。 C jk、S j、Wij需
通过学习和训练确定,具体分 3 步进行计算:
第一步摇 确定基函数的中心 C jk,思路是利用一
组输入来计算 L伊N个 C jk,使 C j尽可能均匀地对数据
抽样,在数据密集点 C j也密集,这种方法称为“K鄄均
值聚类法冶,是无监督学习法。
第二步摇 确定基函数的宽度 S j。 基函数中心 C j
训练完成后可求归一化参数。 最常用的是令它们等
于基函数中心,与子样本集中样本模式之间的平均
距离,即:
S j =
1
M 移u沂兹j移
N
k = 1
Xuk - C( )jk
2
第三步摇 确定从隐含层单元到输出层单元的联
接权值 Wij 。 若设相应于 Xui 的期望输出值为 Yui ,通
常误差测度标准是平方误差最小,即在基函数确定
后,ES是 Wij 的函数,用最小二乘法求解:
ES = 0.5移
P
u = 1

M
i = 1
YMI - Q( )mi
2
2.3摇 影响因素指标
植被碳密度空间分布影响因素分析,遵循代表
性、简明性和可获性原则,选取 13个指标。
(1)海拔 摇 研究区样点海拔高程范围为 92—
1876 m。
(2)坡向摇 分为 9个坡向,北(338毅—22毅),东北
(23毅—67毅),东(68毅—112毅),东南(113毅—157毅),南
( 158毅—202毅), 西 南 ( 203毅—247毅), 西 ( 248毅—
292毅),西北(293毅—337毅),无坡向(坡度<5毅),代码
分别为 1、2、3、4、5、6、7、8和 9。
(3)坡位摇 分为 6 个坡位,脊(山脉分水线及其
两侧各下降垂直高度 15m 的范围),上(从脊部以下
至山谷范围内的山坡三等分后的最上等分部位),中
(三等分的中坡位),下(三等分的下坡位),谷(汇水
线两侧的谷地,若样地处于 2 部位中出现的局部山
洼,也按山谷记),平地 (处在平原和台地上的样
地),代码分别为 1、2、3、4、5和 6。
(4)坡度摇 研究区样点坡度为 0—80毅。
(5)土层厚度 摇 研究区样点土层厚度范围为
1—180 cm。
(6)腐殖层厚度 摇 研究区样点腐殖层厚度为
0—35 cm。
(7)植被总覆盖度摇 研究区样点植被总覆盖度
为 10—100%。
(8)地类摇 即土地类型,根据土地覆盖特征和利
用状况综合划定类型,包括林地和非林地 2 个一级
地类,其中林地划分 8 个二级地类,12 个三级地类。
研究区地类主要有乔木林、竹林、灌木林、未成林造
林地、采伐火烧迹地、无立木林地、宜林荒地、耕地、
牧草地、未利用地。
(9)植被类型摇 有自然植被和栽培植被两大类,
针叶林、阔叶林、灌丛和灌草丛类型,具体有暖性针
叶林、暖性针阔混交林、落叶阔叶林、常绿落叶阔叶
混交林、常绿阔叶林、竹林等。
(10)石漠化程度摇 石漠化指在热带、亚热带湿
润和半湿润地区岩溶极其发育的自然背景下,受人
为活动的干扰,使地表植被遭受破坏,造成土壤严重
侵蚀,基岩大面积裸露,砾石堆积,地表呈现似荒漠
化景观的土地退化乃至土壤消失的现象。 研究区石
漠化程度有无石漠化、潜在、轻度、中度和重度石漠
化,其评定标准详见广西森林资源连续清查复查操
作细则淤。
(11)林种摇 23 个亚林种(水源涵养林、水土保
持林、国防林、风景林、用材林、薪炭林、果树木、原材
料林、药用林、其它经济林等),标准详见广西森林资
源连续清查复查操作规则淤。
(12)森林类型摇 主要有生态公益林和商品林两
个类别,生态公益林细分为国家公益林和地方公益
林,商品林主要有用材林、薪炭林和经济林。
(13)面积等级摇 根据样地所确定的地理外延的
连片面积大小确定,即地类连片面积大小,面积等级
分为 7 类:面积<1 hm2为 1 类,1—4.9 hm2为 2 类,
5—9.9 hm2为 3类,10—19 hm2为 4类,20—49 hm2为
5类,50—99 hm2为 6 类,>100 hm2为 7 类。 研究区
地类面积等级 1—7均有分布。
3摇 分析结果
3.1摇 模型运行概况
RBFN模型运行情况较为理想。 在 1377 个总样
本中,有效样本有 1297个,其中有 74.3%(964个)用
来训练,25.7%(333个)用来测试。 由于检验样本与
测试样本中的一个或多个个案有未出现在训练样本
5743摇 12期 摇 摇 摇 张明阳摇 等:基于 RBFN的桂西北喀斯特区植被碳密度空间分布影响因素分析 摇
淤 广西森林资源连续清查第七次复查操作细则
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中的因素或因变量,因而排除这些个案,本研究因此
而排除样本数 80个。
本研究中 FRBN 模型输入层为 13 个影响因子,
输出层有植被碳密度、影响因素标准化重要性及错
误函数(表 1)。 隐藏层单位数经训练最后确定为
516个,激活函数采用的是 softmax,错误函数是平方
和。 模型训练平方和错误为 312.205,测试平方和错
误为 103.278,说明本研究通过 FRBN 模型来分析植
被碳密度空间分布的影响因素,其运行结果比较理
想,运行结果可行和适用。
表 1摇 模型运行的网络信息
Table 1摇 The network information of model processing
层次 Layer
具体信息 Information
项目 Item 内容 Content
输入层 Input layer 因子 1海拔
2坡向
3坡位
4坡度
5土层厚度
6腐殖层
7植被总覆盖
8地类
9植被类型
10石漠化程度
11林种
12森林类型
13面积等级
单位数 516
隐藏层 Hidden layer 单位数 5*
激活函数 Softmax
输出层 Output layer 因变量 Total_c(植被碳密度)
单位数 1
尺度因变量的重标
度方法 标准化
激活函数 恒等
错误函数 平方和
摇 摇 * 由检验数据标准确定:隐藏单位的"最佳"数量为检验数据中
产生最小错误的单位
表 2摇 影响因素重要性及其排序
Table 2摇 The significance and order of impact factors
影响因素
Impact factors
重要性
Significance
标准化
重要性 / %
Standard
significance
排序
Sequences
海拔 Altitude 0.007 2.3 13
坡向 Aspect 0.016 5.5 12
坡位 Slope position 0.029 10.2 10
坡度 Slope 0.018 6.3 11
土层厚度 Soil thickness 0.036 12.6 9
腐殖层 Humus layer 0.046 16.3 6
植被总覆盖 Vegetation coverage 0.036 12.6 8
地类 Land type 0.285 100.0 1
植被类型 Vegetation type 0.110 38.6 4
石漠化程度
Degree of rocky desertification 0.077 27.0 5
林种 Vegetation species 0.148 51.9 3
森林类型 Forest type 0.152 53.2 2
面积等级 Area grade 0.041 14.4 7
3.2摇 模型运行结果
研究区在 1377 个样本数据的基础上,通过
RBFN模型分析结果显示,在选取的 13 个植被碳密
度空间分布影响因素中,重要性排序为:地类>森林
类型>林种>植被类型>石漠化程度>腐殖层厚度>面
积等级>植被总覆盖度>土层厚度>坡位>坡度>坡向
>海拔(表 2)。 排前 4 位的地类、森林类型、林种和
植被类型因子,其标准化重要性分别在 50%以上;其
次的石漠化程度、腐殖层厚度、面积等级、植被总覆盖
度、土层厚度 5 个因子,其标准化重要性分别在
15%—30%;影响贡献最小的 4个地形因子,其标准化
重要性仅在 2%—11%(图 3)。 研究表明地形因子对
植被碳密度空间分布的影响有限,更为重要的是土地
类型、森林类型、林种和植被类型等可通过人为活动
改变的因素,因此生态环境移民、退耕还林等石漠化
治理措施对植被碳密度的空间分布应具有重要影响。
图 3摇 影响因素的重要性
Fig.3摇 The significance of impact factors
6743 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 34卷摇
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摇 摇 同时,研究区植被碳密度与环境因子的相关性
进行了分析,在 13 个影响因子中,与植被碳密度在
0.01 水平上显著相关的高达 12 个,只有一个因子
(坡度)在 0.05 水平上显著相关(表 3)。 其中土层
厚度、腐殖层、植被覆盖度、林种、森林类型、海拔和
面积等级与植被碳密度成正相关,在一定程度说明
植被碳密度的空间分布受这些环境因素影响,且是
正向的影响。 坡向、坡位、地类和石漠化程度与植被
碳密度成负相关,石漠化程度越高植被碳密度越低;
而坡向、坡位、地类与植被碳密度的负相关结果,与
代码表示有很大关系,结果显示,坡向高代码的西
坡、西北坡,坡位高代码的谷和平地,地类高代码的
草地,植被碳密度相对较低。 峰丛洼地广为分布的
广西喀斯特区植被普遍具有中上坡高、而下坡和低
海拔的洼地少的空间分布特征[22鄄24]。
表 3摇 植被碳密度与环境因子的相关性
Table 3 摇 The correlation of vegetation carbon density and
environmental factors
影响因素
Impact factors
相关性
Correlation
显著性
Significant
数量
Number
海拔 Altitude 0.202** 0 1377
坡向 Aspect -0.072** 0.007 1377
坡位 Slope position -0.160** 0 1377
坡度 Slope 0.065* 0.016 1377
土层厚度 Soil thickness 0.323** 0 1377
腐殖层 Humus layer 0.348** 0 1377
植被总覆盖 Vegetation coverage 0.246** 0 1377
地类 Land type -0.374** 0 1377
植被类型 Vegetation type -0.089** 0.001 1377
石漠化程度
Degree of rocky desertification -0.205
** 0 1377
林种 Vegetation species 0.305** 0 1377
森林类型 Forest type 0.236** 0 1377
面积等级 Area grade 0.155** 0 1377
摇 摇 **在.01 水平(双侧)上显著相关,*在 0.05 水平(双侧)上显
著相关
3.3摇 其它方法分析结果对比
为进一步验证 RBFN 分析结果,采用因子分析
与典范对应分析方法进行初步对比分析。
因子分析中虽然 Kaiser鄄Meyer鄄Olkin (KMO)度
量为 0.797,Bartlett 的球形度检验结果表明数据可以
作主成分分析 (近似卡方为 96064. 574, df 为 78,
Sig.为0),但方差特征值不够理想,前 4 个主成分累
积方差仅为 68.837%(表 4),结果表明仅做主成分分
析不太理想,应采用一定的方法对所有因素分析。
表 4摇 影响因子的方差特征值
Table 4摇 Variance eigenvalues of impact factors
成份
Ingredient
合计
Total
方差 / %
Variance
累积 / %
Cumulative
contribution
1 地类 Land type 4.402 33.865 33.865
2 森林类型 Forest type 2.327 17.897 51.762
3 林种 Vegetation species 1.178 9.064 60.825
4 植被类型 Vegetation type 1.041 8.011 68.837
5 石漠化程度
Degree of rocky dsertification 0.863 6.641 75.478
6 腐殖层 Humus layer 0.774 5.952 81.430
7 面积等级 Area grade 0.547 4.207 85.637
8 植被总覆盖 Vegetation coverage 0.513 3.948 89.585
9 土层厚度 Soil thickness 0.441 3.390 92.975
10 坡位 Slope position 0.349 2.688 95.663
11 坡度 Slope 0.298 2.290 97.953
12 坡向 Aspect 0.161 1.239 99.192
13 海拔 Altitude 0.105 0.808 100.000
图 4摇 影响因素的典范对应分析(CCA)排序图
Fig.4 摇 The ordination diagram of impact factors through the
method of CCA
典范对应分析方法(CCA)是基于单峰模型和对
应分析发展而来的一种排序方法,又称环境约束对
应分析或多元直接梯度分析,可以直观地看出他们
之间的关系[25]。 本研究将其应用于植被碳密度与
环境条件关系研究,从而进一步验证 RBFN 分析结
果。 分析得到,前 4 个排序轴特征值分别 0. 337,
0郾 102,0.042和 0.019,总特征值为 0.641。 相关性分
别达 0.975,0郾 915,0.938和 0.868。 表明环境因子与
植被碳密度相关性强,却非某一因素起绝对优势(图
7743摇 12期 摇 摇 摇 张明阳摇 等:基于 RBFN的桂西北喀斯特区植被碳密度空间分布影响因素分析 摇
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4)。
4摇 结论与讨论
本研究基于 1377个样本数据,对桂西北影响植
被碳密度空间分布的 13 个因子通过 RBFN 模型进
行了分析,研究表明,对植被碳密度空间分布的影响
最为重要的是土地类型、森林类型、林种和植被类型
等可通过人为活动改变的因素(标准化重要性分别
在 50%以上),因此生态环境移民、退耕还林等石漠
化治理措施对植被碳密度的空间分布具有重要
影响。
研究结果得出的植被碳密度空间分布影响因素
的重要性排序是可信的。 研究区植被碳密度空间分
布大致表现为西部高中东部低,北部高南部低。 西
部植被碳密度集中在 26—36 t / hm2,中东部植被碳
密度集中在 25—30 t / hm2。 这种分布趋势,与植被
净第一性生产力 NPP 的空间分布相符(西部植被覆
盖度均值超过 60%,NPP 均值超过 1000g / m2;北部
和东部 NPP 部分区域均值在 100g / m2以下) [25鄄26]。
而且,广西石漠化面积居全国第 3 位,在 10 个市 76
县(市、区)均有分布[23]。 主要分布于广西桂中偏西
和桂西南地区,如平果、大化、都安、马山、巴马、东
兰、凤山、德保、田东县[23],这些县分布在本研究区
的中东部和南部。
据 2005年石漠化监测调查结果,平果县石山区
面积 156486.70 hm2,其中石漠化地 83366.67 hm2,潜
在石漠化地 14860 hm2,通过努力,平果县生态环境
有了较大改观,全县植树造林和封山育林 45333.33
hm2,其中封山育林 23793.33 hm2 [8]。 说明该区生态
环境治理人工调控措施效果显著,区域生态环境好
转。 同时,前期研究结果显示:在 20 世纪 90 年代,
尤其是在 1993—2002年,广西进行了大规模的生态
环境移民(约 49133户和 232705 人),地处典型喀斯
特区、石漠化显著的平果和东兰,单位面积生态服务
功能显著增加[25]。 这些前期研究结果再次验证了
土地类型、森林类型、林种和植被类型等可通过人为
活动改变的因素对区域植被空间分布的重要性,同
时间接表明生态环境移民、退耕还林等石漠化治理
措施对植被碳密度的空间分布具有重要影响。
本文虽通过 RBFN对桂西北喀斯特区植被碳密
度的影响因素进行了初步探索,但更为全面和准确
的喀斯特区植被碳密度空间分布驱动机制,将依赖
于更多因素加以考虑及更广泛的区域对比研究。
致谢:感谢中国科学院亚热带农业生态研究所徐宪
立研究员对本文写作的帮助。
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9743摇 12期 摇 摇 摇 张明阳摇 等:基于 RBFN的桂西北喀斯特区植被碳密度空间分布影响因素分析 摇
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蕴陨哉 允蚤灶憎藻蚤袁 允陨晕 栽蚤葬灶贼蚤葬灶袁 蕴陨哉 郧怎燥澡怎葬袁 藻贼 葬造 渊猿圆员员冤
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蕴陨哉 允蚤责蚤灶早袁 在匀粤韵 阅葬灶凿葬灶袁 栽陨粤晕 载怎藻扎澡蚤袁 藻贼 葬造 渊猿圆猿源冤
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阅蚤泽贼则蚤糟贼袁 郧怎葬灶早曾蚤 在澡怎葬灶早 粤怎贼燥灶燥皂燥怎泽 砸藻早蚤燥灶 宰粤晕郧 酝蚤灶早糟澡燥灶早袁 宰粤晕郧 载蚤扎澡蚤袁 蕴陨粤晕郧 在澡葬燥曾蚤燥灶早袁 藻贼 葬造 渊猿源猿缘冤噎噎噎噎噎
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藻增藻则早则藻藻灶 遭则燥葬凿造藻葬增藻凿 枣燥则藻泽贼 再粤晕郧 阅葬灶袁 载陨粤晕郧 宰藻灶澡怎葬袁 云粤晕郧 载蚤袁 藻贼 葬造 渊猿源缘圆冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
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遭葬泽藻凿 燥灶 则葬凿蚤葬造 遭葬泽蚤泽 枣怎灶糟贼蚤燥灶 灶藻贼憎燥则噪 皂燥凿藻造 在匀粤晕郧 酝蚤灶早赠葬灶早袁 宰粤晕郧 运藻造蚤灶袁阅耘晕郧 在澡藻灶澡怎葬袁 藻贼 葬造 渊猿源苑圆冤噎噎噎噎噎噎噎
园愿源猿 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 猿源卷摇
叶生态学报曳圆园员源年征订启事
叶生态学报曳是由中国科学技术协会主管袁中国生态学学会尧中国科学院生态环境研究中心主办的生态学
高级专业学术期刊袁创刊于 员怨愿员年袁报道生态学领域前沿理论和原始创新性研究成果遥 坚持野百花齐放袁百家
争鸣冶的方针袁依靠和团结广大生态学科研工作者袁探索生态学奥秘袁为生态学基础理论研究搭建交流平台袁
促进生态学研究深入发展袁为我国培养和造就生态学科研人才和知识创新服务尧为国民经济建设和发展服务遥
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迎能反映现代生态学发展方向的优秀综述性文章曰研究简报曰生态学新理论尧新方法尧新技术介绍曰新书评价和
学术尧科研动态及开放实验室介绍等遥
叶生态学报曳为半月刊袁大 员远开本袁圆愿园页袁国内定价 怨园元 辕册袁全年定价 圆员远园元遥
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编辑部主任摇 孔红梅摇 摇 摇 执行编辑摇 刘天星摇 段摇 靖
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第 猿源卷摇 第 员圆期摇 渊圆园员源年 远月冤
粤悦栽粤 耘悦韵蕴韵郧陨悦粤 杂陨晕陨悦粤摇渊杂藻皂蚤皂燥灶贼澡造赠袁杂贼葬则贼藻凿 蚤灶 员怨愿员冤摇灾燥造郾 猿源摇 晕燥郾 员圆 渊允怎灶藻袁 圆园员源冤
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