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Comprehensive evaluation and risk assessment of grasshoppers’habitat based on a projection pursuit model

基于投影寻踪模型的草原蝗虫栖境评价及风险评估



全 文 :书犇犗犐:10.11686/犮狔狓犫20150504 犺狋狋狆://犮狔狓犫.犾狕狌.犲犱狌.犮狀
黄训兵,吴惠惠,秦兴虎,曹广春,王广君,农向群,涂雄兵,格希格都仁,贺兵,额尔登巴图,乌亚汗,张泽华.基于投影寻踪模型的草原蝗虫栖境
评价及风险评估.草业学报,2015,24(5):2533.
HuangXB,WuHH,QinXH,CaoGC,WangGJ,NongXQ,TuXB,Gexigeduren,HeB,Eerdengbatu,Wuyahan,ZhangZH.Comprehen
siveevaluationandriskassessmentofgrasshoppers’habitatbasedonaprojectionpursuitmodel.ActaPrataculturaeSinica,2015,24(5):2533.
基于投影寻踪模型的草原蝗虫栖境评价及风险评估
黄训兵1,吴惠惠1,秦兴虎1,曹广春1,王广君1,农向群1,涂雄兵1,
格希格都仁2,贺兵2,额尔登巴图2,乌亚汗2,张泽华1
(1.植物病虫害生物学国家重点实验室,中国农业科学院植物保护研究所,北京100193;
2.内蒙古自治区锡林郭勒盟镶黄旗草原工作站,内蒙古 锡林郭勒盟013250)
摘要:草原蝗虫发生与栖境存在紧密而复杂的关系,二者关系的研究是评估蝗灾发生风险的基础。本文分析了不
同栖境内蝗虫种群密度与21个植被特征参数的相关关系,利用投影寻踪模型进行了栖境评价及风险评估,并进行
模型验证。结果表明,低优参数植物生物量多样性对蝗虫种群密度影响最大,最佳投影向量a为0.6725;高优参数
禾本科生态优势度对亚洲小车蝗密度影响最大,最佳投影向量a为0.6547;样点植被投影特征值犣犻 与蝗虫种群密
度线性相关关系极显著(狔=48.861狓-18.937,犚=0.9509),犣犻 越大,栖境内植被越适合蝗虫的发生,蝗灾发生
的风险越高,根据犣犻值可预测不同栖境草原蝗虫的发生。投影寻踪模型评价不同植被条件下蝗虫的发生风险,可
以排除与数据结构和特征无关或关系很小变量的干扰,是一种更稳健实用的方法,对于蝗虫的监测预警具有重要
意义。
关键词:草原蝗虫;草原植被;投影寻踪模型;风险评估  
犆狅犿狆狉犲犺犲狀狊犻狏犲犲狏犪犾狌犪狋犻狅狀犪狀犱狉犻狊犽犪狊狊犲狊狊犿犲狀狋狅犳犵狉犪狊狊犺狅狆狆犲狉狊’犺犪犫犻狋犪狋犫犪狊犲犱狅狀犪
狆狉狅犼犲犮狋犻狅狀狆狌狉狊狌犻狋犿狅犱犲犾
HUANGXunBing1,WUHuiHui1,QINXingHu1,CAOGuangChun1,WANGGuangJun1,NONGXiangQun1,
TUXiongBing1,Gexigeduren2,HEBing2,Eerdengbatu2,Wuyahan2,ZHANGZeHua1
1.犛狋犪狋犲犓犲狔犔犪犫狅狉犪狋狅狉狔犳狅狉犅犻狅犾狅犵狔狅犳犘犾犪狀狋犇犻狊犲犪狊犲狊犪狀犱犐狀狊犲犮狋犘犲狊狋狊,犐狀狊狋犻狋狌狋犲狅犳犘犾犪狀狋犘狉狅狋犲犮狋犻狅狀,犆犺犻狀犲狊犲犃犮犪犱犲犿狔狅犳犃犵狉犻
犮狌犾狋狌狉犪犾犛犮犻犲狀犮犲狊,犅犲犻犼犻狀犵100193,犆犺犻狀犪;2.犌狉犪狊狊犾犪狀犱犠狅狉犽狊狋犪狋犻狅狀狅犳犡犻犪狀犵犺狌犪狀犵狇犻犡犻犾犻狀犵狌狅犾犲犿犲狀犵,犡犻犾犻狀犵狌狅犾犲犿犲狀犵013250,
犆犺犻狀犪
犃犫狊狋狉犪犮狋:Therearecloseandcomplexrelationshipsbetweengrasshopperoccurrenceandhabitatvegetation.A
comprehensiveanalysisoftheserelationshipswilprovideastablefoundationforriskassessmentsofgrasshop
perinfection.Grasshopperpopulationdensityand21vegetationparameterswereanalyzedinthesurveyon
whichthispaperisbased.Aprojectionpursuitmodelwasdevelopedandverifiedinordertoevaluatetherisks
ofgrasshopperinfection.Resultsshowedthatalowindexforplantbiomassdiversityhadthegreatestinfluence
ongrasshopperdensity,withthebestprojectiondirection犪at0.6725.Poaceaedominancewithahighindex
hadthegreatestinfluenceon犗犲犱犪犾犲狌狊犪狊犻犪狋犻犮狌狊density,withthebestprojectiondirection犪at0.6547.There
第24卷 第5期
Vol.24,No.5
草 业 学 报
ACTAPRATACULTURAESINICA
2015年5月
May,2015
收稿日期:20140522;改回日期:20140630
基金项目:公益性行业(农业)科研专项(201003079)和现代农业产业技术体系(CARS3507)资助。
作者简介:黄训兵 (1990),男,山东临沂人,在读硕士。Email:xunbingh@163.com
通讯作者Correspondingauthor.Email:zhangzehua@caas.cn
wasasignificantlinearrelationship(犘<0.01)betweentheprojectioneigenvalue(犣犻)andgrasshopperdensity
(狔=48.861狓-18.937,犚=0.9509).Theoccurrenceofgrasshopperscanbepredictedaccordingtotheprojec
tioneigenvalue(犣犻).Thebiggerthevalueof犣犻,thehighertheriskofgrasshopperoccurrence.Theprojection
pursuitmodelcanbeusedtoeliminatetheeffectofirrelevantvariables.Itsapplicationwilplayanimportant
roleinmonitoringandearlywarningfortheecologicalmanagementofgrasshoppers.
犓犲狔狑狅狉犱狊:grasshoppers;grasslandvegetation;projectionpursuitmodel;riskassessment
草原蝗虫发生与栖境内植被紧密相关,国内外学者已从能流模式、资源利用方式、共存机制等不同角度对蝗
虫与植物的关系做了研究[19]。草原植被生长势受季节及气候条件影响,导致蝗虫生存环境变化及生态位中心转
移[10]。典型对应分析(CAA)黑河流域13种蝗虫种群表明,按栖境植被可将蝗虫分为6个类群[1112],禾本科和菊
科植物对蝗虫种群空间分布的影响最大。通过冗余分析(RDA)及双重筛选逐步回归等方法分析内蒙古典型草
原蝗虫与植被群落结构的关系表明,植物特征参数变化导致蝗虫特征参数变化,优势种植物决定优势种蝗虫的存
在[13]。特别是最近有研究表明亚洲小车蝗(犗犲犱犪犾犲狌狊犪狊犻犪狋犻犮狌狊)趋向取食含氮量低的植物,喜欢栖居于以大针茅
(犛狋犻狆犪犵狉犪狀犱犻狊)为优势种的低氮草原类型[14],低氮草原类型更利于蝗害的发生。而对亚洲小车蝗食性及营养生
态位的研究发现,牧压增加引起的植被群落变化,导致亚洲小车蝗对克氏针茅(犛狋犻狆犪犽狉狔犾狅狏犻犻)的采食降低,增加
了对米氏冰草(犃犵狉狅狆狔狉狅狀犮狉犻狊狋犪狋狌犿)和星毛委陵菜(犘狅狋犲狀狋犻犾犾犪犪犮犪狌犾犻狊)的采食,亚洲小车蝗生态位变窄[15]。高
山草地毒杂草侵入能够改变植被结构和营养价值,以及蝗虫发生区域内的土壤理化特性和栖息生境,从而引起草
地蝗虫群落组成、数量和多样性的变化[16]。植被显著影响蝗虫种群[1718],对蝗虫发生起复杂而重要的生态效应。
蝗虫种群密度、生长和繁殖能力等受植被的显著影响,蝗害的发生与植被紧密相关[1920]。对亚洲小车蝗的食
性和食量的研究表明,亚洲小车蝗喜食禾本科植物,非喜食植物会负向影响其生长生殖状况[21],在禾本科中,与
含氮量高的羊草相比,含氮量低的针茅最利于亚洲小车蝗生长发育[14]。对蝗虫生长发育过程中取食植被的研究
表明,有些不喜食植被的存在有重要意义,与喜食植被混合能够促进蝗虫的生长发育[22],这可能与营养平衡和营
养稀释有关[2324]。蝗虫对栖境的选择是多方面的,各因子彼此联系,相互影响[11,18]。
以上研究从植被因子与蝗虫发生关系的不同角度进行了深入探索,但缺乏蝗虫栖境植被条件的综合评价模
型及不同植被条件下蝗虫发生风险评估的可靠方法。而随着对草原生态环境保护的重视[25],有必要建立栖境风
险评价模型来指导蝗害防控。因此,本研究在2011年、2012年草原蝗虫和植被调查的基础上,旨在提出基于遗
传算法的投影寻踪模型综合评价方法,并对方法的可靠性进行验证,以期实现植被综合评价及蝗虫发生的风险评
估,这一方法的实现对于草原蝗虫的监测预警、宜生区划分、生态治理等具有重要意义。
1 材料与方法
1.1 研究区概况
试验地位于内蒙古锡林郭勒盟镶黄旗,地理坐标:北纬42°15′-42°25′,东经113°45′-113°83′,海拔1300m。
该区域属中温带半干旱大陆性季风气候的典型草原,年降水量267.9mm,主要降水集中在夏季,平均气温3.1
℃,无霜期平均为120d左右,最大冻土深度154cm,土壤类型为栗钙土,调查区域内的气候背景相同,地势相对
平坦,2011和2012年草原蝗虫发生盛期分别选取了9和13块草原样地进行植被和蝗虫调查。
1.2 试验材料
样方框(1m×1m)、捕虫网、剪刀、纸袋、烘箱、电子天平(1/1000)、GPS定位仪等。
1.3 草原蝗虫与植被调查
植被调查采用五点取样法,每样地随机选取5个样点,以样方框取样,样点面积1m2,调查植物的种类、密
度、生物量等,详细方法见参考文献[2627]。
蝗虫数量调查以扫网的方式进行,避开样地内因微环境形成的不同植物结构,每样地重复5次,每次100复
网,已扫网区域不能重复进入,对每100复网中的蝗虫种类及数量(头/100网)进行统计。
62 草 业 学 报 第24卷
1.4 数据处理
1.4.1 植被群落特征参数分析  计算2011年9个样地植被的21个特征参数(表1),计算公式如下:
多样性指数公式(Shannon-Wiener指数)[13]:犎=-∑

犻=1
犘犻log2犘犻
均匀度指数(Pielou指数)[13]:犑=-


犻=1
犘犻ln犘犻
ln犛
植物生态优势度[13]:犆=∑

犻=1
(狀犻/狀)2
式中,犘犻=狀犻/犖,犻:第犻个物种;狀犻:第犻个物种的个体数;犖:所有物种个体数之和;犘犻:群落相对密度;犛:物种数
(即植被丰富度)。
将蝗虫种群密度及亚洲小车蝗密度同21个植被特征参数作相关性分析(SAS8.0),找出相关性较好的植被
特征参数作为评价指标,与蝗虫密度正相关的指标为高优指标,负相关的为低优指标,利用基于遗传算法的投影
寻踪模型[2832]进行数据处理(MatalabR2009b编程),得到投影特征值后与蝗虫种群密度作线性回归分析(SAS
8.0)。
2012年的实验数据作为模型的验证数据,计算由2011年数据相关性分析得到的高优和低优指标,之后利用
基于遗传算法的投影寻踪模型进行综合评价,并分析投影特征值与蝗虫种群密度关系。
1.4.2 基于遗传算法的投影寻踪综合评价方法  投影寻踪是一种处理多因素复杂问题的统计方法,其基本
思路是将高维数据向低维空间进行投影,通过低维投影数据的散布结构来研究高维数据特征[2932]。具体数据处
理过程为:
I)归格化处理。对相关性分析得到的植被低优指标和高优指标进行规格化处理,设狆个指标狀个样本集的
原始数据为(犡犻犼)狀×狆,对越大越优的评价指标(高优指标):
犢犻犼=
犡犻犼-min(犡犼)
max(犡犼)-min(犡犼)
(1)
对于越小越优的评价指标(低优指标):
犢犻犼=
max(犡犼)-犡犻犼
max(犡犼)-min(犡犼)
(2)
其中min(犡犼)、max(犡犼)分别为第犼个评价指标的最小值和最大值。
II)构造投影指标函数[Q(a)]。将规格化后的狆维数据{犢犻犼|犼=1,2,...,狆},综合成以犪={犪1,犪2,犪3,
…,犪狆}为投影向量的一维投影值犣犻。
犣犻=∑

犼=1
犪犼犢犻犼  (犻=1,2,3,…,狀) (3)
根据犣犻值进行排序,最理想的综合投影值的散布特征是局部投影点尽可能的密集,凝聚成若干点团,在整体
上投影点团之间尽可能分散,因此,投影指标函数可以表达成为:
犙狕=犛狕犇狕 (4)
其中,犛狕=


犻=1
狕犻-1狀
(∑

犻=1
狕犻[ ])2
狀槡 -1 ,犇狕=∑

犻=1


犼=1
(犚-狉犻犼)狌(犚-狉犻犼)。犛狕 为投影值犣犻的标准差,犇狕 为投影值犣犻的局
部密度,犙为投影指标函数。狉犻犼=|犣犻-犣犼|,犚为局部密度的窗口半径,一般取值为0.1。
狌(犚-狉犻犼)=
1,(犚-狉犻犼)≥0
0,(犚-狉犻犼)<





烎0
III)优化投影指标函数。当各植被指标值样本集一定时,投影函数Q只与投影向量a有关,即以下优化问
题:
目标函数:max犙(犪)=犛犣犇犣
72第5期 黄训兵 等:基于投影寻踪模型的草原蝗虫栖境评价及风险评估
约束条件:∑

犼=1
犪犼2=1 (5)
这是一个关于p维向量a的非线性的优化问题,本研究使用收敛性好、全局优化性能优和使用性强的基于实
数编码的加速遗传算法对该优化问题进行求解,求解过程采用 MatalabR2009b编程求解。
表1 植被特征参数与蝗虫总密度、亚洲小车蝗密度相关性分析
犜犪犫犾犲1 犜犺犲犮狅狉狉犲犾犪狋犻狅狀犪狀犪犾狔狊犻狊犫犲狋狑犲犲狀犮犺犪狉犪犮狋犲狉狆犪狉犪犿犲狋犲狉狊狅犳狏犲犵犲狋犪狋犻狅狀犪狀犱犵狉犪狊狊犺狅狆狆犲狉
犱犲狀狊犻狋狔犪狀犱犗.犪狊犻犪狋犻犮狌狊犱犲狀狊犻狋狔(2011)
特征参数
Character
parameters
调查样地编号Samplenumber
1 2 3 4 5 6 7 8 9
相关性分析Correlationanalysis
蝗虫总密度
Grasshopperdensity
相关系数
Correlation
coefficient(狉)
犘值
犘value
亚洲小车蝗密度
犗.犪狊犻犪狋犻犮狌狊density
相关系数
Correlation
coefficient(狉)
犘值
犘value
A 1.8702 0.8307 1.5721 1.3251 0.7775 1.6765 1.0885 1.8374 1.0905 -0.42699 0.2517 -0.47393 0.1975
B 0.1306 0.2766 0.1230 0.1516 0.1408 0.1022 0.1118 0.1234 0.1096 0.49765 0.1728 0.81453 0.0075
C 1.5655 0.7957 1.1786 0.7851 0.4652 1.3801 0.6209 1.7712 0.8213 -0.24365 0.5275 -0.24103 0.5321
D 1.6567 0.9223 1.5246 1.6890 1.4547 1.4846 1.6766 1.9858 1.2534 -0.82942 0.0057 -0.79046 0.0112
E 12 7 13 10 12 16 15 10 7 -0.71641 0.0299 -0.79384 0.0106
F 0.7526 0.4268 0.6129 0.5755 0.3128 0.6046 0.4019 0.7980 0.5604 -0.17264 0.6569 -0.20591 0.5951
G 49.4 37.2 21.4 39.4 49.2 46.2 42.8 36.6 39.7 -0.21956 0.5703 -0.09469 0.8085
H 0.0238 0.1467 0.0036 0.0018 0.0058 0.0337 0 0.0153 0.0286 0.68834 0.0404 0.88528 0.0015
I 0.0333 0 0.0513 0.0773 0.0904 0.0201 0.0674 0.0095 0.0004 -0.64594 0.0492 -0.58392 0.0498
J 0.0599 0.2437 0.0663 0.1060 0.1010 0.0595 0.0702 0.0640 0.0532 0.46870 0.2032 0.78244 0.0127
K 0.0366 0.0286 0.0239 0.0267 0.0177 0.0251 0.0106 0.0420 0 -0.42186 0.2581 -0.10876 0.7806
L 0.0041 0 0.0013 0.0039 0.0017 0.0013 0.0119 0.0023 0.0020 -0.38831 0.3017 -0.35600 0.3471
M 0 0.0034 0 0 0.0003 0.0013 0.0154 0.0003 0 -0.12814 0.7425 -0.05772 0.8827
N 0.0298 0.0007 0.0312 0.0149 0.0198 0.0317 0.0035 0.0146 0.0543 0.29583 0.4396 -0.12733 0.7441
O 16.553035.6690 2.0026 0.0586 1.675888.8070 0 9.708837.0620 0.32529 0.3930 0.21070 0.5863
P 9.9986 0 21.310012.950052.120018.868041.6680 2.5884 0.2552 -0.57255 0.1071 -0.59603 0.0491
Q 0.6357 0.6501 0.6768 0.8175 0.5048 0.6534 0.3762 0.9519 0.7881 0.15231 0.6957 0.15937 0.6821
R 0.1184 0 0 0.3089 0.1482 0.2179 0.4660 0.2300 0.1926 -0.44003 0.2359 -0.40705 0.2769
S 0.4522 0.2721 0.5280 0.4437 0.4330 0.4456 0.1932 0.5663 0 -0.70430 0.0342 -0.52844 0.1436
T 0 0 0 0 0 0 0.2879 0 0 -0.23587 0.5412 -0.21784 0.5734
U 0.4503 0 0.3197 0.1187 0.3686 0.1675 0.3532 0.2375 0.2726 -0.43066 0.2472 -0.63032 0.0688
V 17.6 77.0 26.0 12.5 6.2 16.2 9.0 4.4 82.2 - - - -
W 1.40 9.00 0 1.75 0 0 0.20 0.60 4.80 - - - -
 A:植物群落种类多样性Plantdiversity;B:植物群落优势度Plantcommunitydominance;C:植物垂直层次结构多样性Plantverticaldiversity;D:植
物生物量多样性Plantbiomassdiversity;E:植物丰富度Plantrichness;F:均匀度Plantevenness;G:植被盖度(100%)Vegetationcoverage;H:针茅生
态优势度犛狋犻狆犪犽狉狔犾狅狏犻犻dominance;I:羊草生态优势度犔犲狔犿狌狊犮犺犻狀犲狀狊犻狊dominance;J:禾本科生态优势度Poaceaedominance;K:菊科生态优势度
Asteraceaedominance;L:豆科生态优势度Leguminosaedominance;M:百合科生态优势度Liliaceaedominance;N:杂类草生态优势度Fobsdomi
nance;O:针茅生物量犛狋犻狆犪犮犪狆犻犾犾犪狋犪biomass(g/m2);P:羊草生物量犔犲狔犿狌狊犮犺犻狀犲狀狊犻狊biomass(g/m2);Q:禾本科生物量多样性Poaceaebiomass
diversity;R:豆科生物量多样性Leguminosaebiomassdiversity;S:菊科生物量多样性Asteraceaebiomassdiversity;T:百合科生物量多样性Liliaceae
biomassdiversity;U:杂类草生物量多样性Fobsbiomassdiversity;V:蝗虫总密度Grasshoppersdensity(Individual/100net);W:亚洲小车蝗密度犗.
犪狊犻犪狋犻犮狌狊density(Individual/100net).“犘<0.05”表示蝗虫总密度(或亚洲小车蝗密度)与植被特征参数显著相关。“犘<0.05”indicatedthatthe
correlationbetweengrasshopperdensity(or犗.犪狊犻犪狋犻犮狌狊density)andcharacterparametersofvegetationwassignificant.
82 草 业 学 报 第24卷
IV)利用得出的最佳投影向量犪犻求得各个样本点的投影值犣犻。若犣犻和犣犼 的取值接近,认为第犻个样本和
第犼个样本趋于同一类。若按犣犻值从大到小排序,可以将样本从优到劣进行排序。
2 结果与分析
2.1 蝗虫种群总密度和亚洲小车蝗密度与植被特征参数的相关性分析
蝗虫密度与21个植被特征参数的相关性分析表明(表1),蝗虫总密度(头/100网)与针茅生态优势度显著正
相关(犘<0.05),与栖境内植被丰富度、羊草生态优势度、植物生物量多样性及菊科生物量多样性显著负相关
(犘<0.05)。亚洲小车蝗密度与克氏针茅生态优势度及禾本科生态优势度显著正相关(犘<0.05),与栖境内植被
丰富度、羊草生态优势度、植物生物量多样性及羊草生物量显著负相关(犘<0.05)。相关性分析结果能够表明对
蝗虫密度存在正负显著影响的植被特征参数,是植被综合评价及风险评估研究的基础。
2.2 蝗虫种群栖境植被的综合评价
由表2可知,在所有植被特征参数中,低优指标植物生物量多样性对蝗虫总密度影响最大(最佳投影向量犪=
0.6725),即植被生物量多样性越大,蝗虫总密度越低,其他依次为低优指标植被丰富度(犪=0.4548)、高优指标针
茅生态优势度(犪=0.4118)、低优指标菊科生物量多样性(犪=0.4081)和低优指标羊草优势度(犪=0.3195)。通
过表3不同样地投影特征值可知,2号样地投影特征值犣犻最大,其次是9号样地,其他依次为样地6,1,5,8,7,4
和3,犣犻越大越适合蝗虫的发生。各样点蝗虫总密度与植被投影寻踪特征值的线性回归分析表明(图1),二者极
显著(犘<0.01)线性相关(狔=48.861狓-18.937,犚=0.9509),表明投影特征值能够很好地反映蝗虫栖境植被适
合蝗虫发生的程度,按照投影寻踪聚类的方法[31],9个样地可划分为两类,2和9号样地为I类,其余样地为II
类,I类区域较II类区域更适合蝗虫发生。
表2 蝗虫栖境内植被参数的最佳投影方向
犜犪犫犾犲2 犜犺犲犫犲狊狋狆狉狅犼犲犮狋犻狅狀犱犻狉犲犮狋犻狅狀狅犳狏犲犵犲狋犪狋犻狅狀狆犪狉犪犿犲狋犲狉犻狀犵狉犪狊狊犺狅狆狆犲狉狊犺犪犫犻狋犪狋(2011)
项目
Item
针茅优势度
犛.犽狉狔犾狅狏犻犻
dominance
植物生物量多样性
Plantbiodiversity
菊科生物量多样性
Biomassdiversity
ofAsteraceae
植被丰富度
Plantrichness
羊草优势度
犔.犮犺犻狀犲狀狊犻狊
dominance
最佳投影方向Thebestprojectiondirection(犪) 0.4118 0.6725 0.4081 0.4548 0.3195
表3 不同样地植被参数投影特征值
犜犪犫犾犲3 犘狉狅犼犲犮狋犻狅狀犲犻犵犲狀狏犪犾狌犲(犣犻)狅犳狏犲犵犲狋犪狋犻狅狀狅狀犱犻犳犳犲狉犲狀狋狊犪犿狆犾犲狆犾狅狋(2011)
项目Item
调查样地Samplenumber
1 2 3 4 5 6 7 8 9
投影特征Projectioneigenvalue(犣犻) 0.7515 2.1810 0.6181 0.6240 0.6487 0.7582 0.6415 0.6475 1.7568
2.3 亚洲小车蝗栖境植被的综合评价
由表4可知,对于亚洲小车蝗,高优指标禾本科生态优势度对其影响最大(投影向量犪=0.6547),禾本科优
势度越大,亚洲小车蝗密度越大,其他依次为高优指标针茅生态优势度(犪=0.4679)、低优指标羊草生物量(犪=
0.3969)、低优指标羊草生态优势度(犪=0.3865)、低优指标植被丰富度(犪=0.3371)和低优指标植物生物量多样
性(犪=0.1601)。由表5不同样地投影特征值犣犻可知,样点2投影特征值最大,依次为样地9,5,1,6,4,3,8和7,
犣犻值越大栖境植被越适合亚洲小车蝗的发生。各样点亚洲小车蝗密度与栖境内植被投影寻踪特征值犣犻的线性
回归分析表明(图2),二者极显著(犘<0.01)线性相关(狔=4.3324狓-1.3258,犚=0.9295),可见投影寻踪特征值
犣犻能够很好地反映栖境植被对亚洲小车蝗发生的适合度,评价亚洲小车蝗的发生。按照投影寻踪聚类的方
法[31],9个调查样地可分为两类,样地2为I类,其余样点为II类,I类植被栖境较II类更适合亚洲小车蝗发生。
92第5期 黄训兵 等:基于投影寻踪模型的草原蝗虫栖境评价及风险评估
2.4 基于投影寻踪模型的栖境风险评估及模型验证
图1 蝗虫总密度与栖境内植被投影特征值关系
犉犻犵.1 犚犲犾犪狋犻狅狀狊犺犻狆犫犲狋狑犲犲狀犵狉犪狊狊犺狅狆狆犲狉犱犲狀狊犻狋狔
犪狀犱狆狉狅犼犲犮狋犻狅狀犲犻犵犲狀狏犪犾狌犲(2011)
 
可靠性是衡量模型应用价值的重要因素,以2012年
调查得到的数据作为验证,计算由2011年数据分析得到
的低优和高优指标,利用基于遗传算法的投影寻踪模型
进行综合评价,分析投影特征值与蝗虫密度的关系(图3
和4),结果表明,蝗虫总密度与综合评价其栖境内植被
的特征值 犣犻线性相关关系极显著(狔=26.425狓-
9.4970,犚=0.8585),与2011年分析结果相同的是,
特征值犣犻很好地反映了栖境植被适合蝗虫发生的程度,
同样,亚洲小车蝗密度与其栖境内植被特征值也表现为
极显著线性相关(狔=6.6056狓-2.8964,犚=0.9087),
利用植被投影特征值可以对不同栖境内蝗虫的发生进行
风险评估,栖境植被投影特征值越大,蝗虫发生的风险越
大;投影特征值越小,蝗虫发生的风险越小,投影寻踪模
型表现了很好的适用性和可靠性。
表4 亚洲小车蝗栖境内植被参数的最佳投影方向(2011)
犜犪犫犾犲4 犜犺犲犫犲狊狋狆狉狅犼犲犮狋犻狅狀犱犻狉犲犮狋犻狅狀狅犳狏犲犵犲狋犪狋犻狅狀狆犪狉犪犿犲狋犲狉犻狀犗.犪狊犻犪狋犻犮狌狊犺犪犫犻狋犪狋(2011)
项目
Item
针茅优势度
犛.犽狉狔犾狅狏犻犻
dominance
禾本科优势度
Poaceae
dominance
植被丰富度
Plantrichness
植物生物量多样性
Biomassdiversity
ofplant
羊草优势度
犔.犮犺犻狀犲狀狊犻狊
dominance
羊草生物量
犔.犮犺犻狀犲狀狊犻狊
biomass
最佳投影方向Thebestprojectiondirection(犪) 0.4679 0.6547 0.3371 0.1601 0.3865 0.3969
表5 不同样地植被参数投影特征值(2011)
犜犪犫犾犲5 犘狉狅犼犲犮狋犻狅狀犲犻犵犲狀狏犪犾狌犲(犣犻)狅犳狏犲犵犲狋犪狋犻狅狀狅狀犱犻犳犳犲狉犲狀狋狊犪犿狆犾犲狆犾狅狋(2011)
项目Item
调查样地Samplenumber
1 2 3 4 5 6 7 8 9
投影特征Projectioneigenvalue(犣犻) 0.5609 2.4658 0.5278 0.5285 0.5629 0.5390 0.2941 0.5211 0.8512
图2 亚洲小车蝗密度与栖境内植被投影特征值关系(2011)
犉犻犵.2 犚犲犾犪狋犻狅狀狊犺犻狆犫犲狋狑犲犲狀犗.犪狊犻犪狋犻犮狌狊犱犲狀狊犻狋狔
犪狀犱狆狉狅犼犲犮狋犻狅狀犲犻犵犲狀狏犪犾狌犲(2011)
3 讨论
投影寻踪模型是处理多因素复杂问题的统计方
法,已广泛应用于水质评价、环境监测、灾情评估、水资
源评价等许多领域[3136]。与主成分分析等其他评价模
型相比,投影寻踪模型本身对数据和样本容量并无特
殊要求,且可以排除与数据结构和特征无关的,或关系
很小的变量的干扰,因而是一种更稳健实用的方
法[34,3637],同时,投影寻踪聚类模型能够有效地克服灰
色关联度计算值离散性不强、结果趋于均化的弱点,能
够有效地解决各类实际问题,是一种客观、准确、可靠
的综合评价模型,并表现出很好的适用性和稳定
性[34,3839]。本文利用基于遗传算法的投影寻踪模型,
对蝗虫栖境植被综合评价,分析了影响蝗虫发生的主
03 草 业 学 报 第24卷
图3 蝗虫总密度与栖境内植被投影特征值关系(2012)
犉犻犵.3 犚犲犾犪狋犻狅狀狊犺犻狆犫犲狋狑犲犲狀犵狉犪狊狊犺狅狆狆犲狉
犱犲狀狊犻狋狔犪狀犱狆狉狅犼犲犮狋犻狅狀犲犻犵犲狀狏犪犾狌犲(2012)
图4 亚洲小车蝗密度与栖境内植被投影特征值关系(2012)
犉犻犵.4 犚犲犾犪狋犻狅狀狊犺犻狆犫犲狋狑犲犲狀犗.犪狊犻犪狋犻犮狌狊
犱犲狀狊犻狋狔犪狀犱狆狉狅犼犲犮狋犻狅狀犲犻犵犲狀狏犪犾狌犲(2012)
要植被因子,投影特征值是植被综合评价的指数,与蝗虫种群密度呈显著线性相关,犣犻越大,蝗虫种群密度越大,
根据犣犻的大小能够对栖境内植被适合蝗虫发生的程度进行评估,通过数据验证,基于遗传算法的投影寻踪模型
能够可靠的评估栖境植被与蝗虫发生的关系。
植被与蝗虫之间存在着紧密而复杂的关系,植物不仅为蝗虫提供食料资源,也为蝗虫提供适宜的栖息
地[11,1920,40]。本研究表明低优指标植物生物量多样性对蝗虫种群的影响最大,主要是因为调查区域内以喜食禾
本科的亚洲小车蝗、毛足棒角蝗和宽须蚁蝗为主,植被生物量越分散,蝗虫发生密度越低,而作为高优指标的针茅
生态优势度越大,越利于蝗虫的发生。与颜忠诚和陈永林[2]、康乐等[4]研究结果一致的是禾本科对亚洲小车蝗的
发生影响最大,但是,在不同的禾本科植物中,针茅生态优势度作为高优指标,羊草生态优势度及羊草生物量作为
低优指标影响亚洲小车蝗发生,且二者中以针茅对亚洲小车蝗的影响最大,这与吴惠慧等[13]及Cease等[14]的研
究结果一致。
环境因子诸如气象因子、土壤类型、生态地理特征等影响蝗虫的发生[41],本研究只在同一区域内(气象因子、
土壤类型等一致)对不同栖境植被与蝗虫发生的关系进行分析与评价,而对不同区域内的研究,还要考虑气象因
子、土壤类型、地理环境等多种因素[41],在此基础上利用基于遗传算法的投影寻踪模型对蝗虫发生的不同区域生
境条件适合蝗虫发生的程度进行综合评价,对蝗害的发生进行风险评估需要做进一步的研究。另外,本文只通过
相关性分析获得影响蝗虫发生的植被低优指标和高优指标,而不同植被因子对蝗虫的发生存在间接或直接的复
杂影响,对于这些植被因子的深入研究和利害影响的深度挖掘,是植被条件综合评价及蝗虫发生风险评估进一步
研究的基础。
总之,利用基于遗传算法的投影寻踪模型及其得到的投影向量、投影特征值能够综合评价栖境植被适合草原
蝗虫发生的程度,能够准确、可靠地评估蝗虫发生风险,具有很好的适用性及应用价值。该综合评价方法的建立,
对于草原蝗虫的监测预警、宜生区划分及生态治理等具有重要的意义。
4 结论
基于遗传算法的投影寻踪模型能够对蝗虫栖境植被进行综合评价,评估植被条件适合蝗虫发生的程度。作
为低优指标的植物生物量多样性对蝗虫种群密度影响最大,作为最高优指标的禾本科生态优势度对亚洲小车蝗
密度影响最大,其中针茅生态优势度作为高优指标,羊草生态优势度为低优指标影响亚洲小车蝗的发生,且二者
中以针茅对亚洲小车蝗的影响最大。投影特征值犣犻与蝗虫密度极显著线性相关,犣犻值反映了植被对蝗虫发生
的适合度,根据犣犻值可推算、预测蝗虫的发生情况。利用投影寻踪模型对蝗虫栖境内植被进行综合评价方法的
建立,能够准确、可靠地评估蝗虫发生风险,具有很好的适用性及应用价值。
13第5期 黄训兵 等:基于投影寻踪模型的草原蝗虫栖境评价及风险评估
犚犲犳犲狉犲狀犮犲狊:
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33第5期 黄训兵 等:基于投影寻踪模型的草原蝗虫栖境评价及风险评估