基于熵突變理論的林地生產(chǎn)力演變分析

余坤勇，邱祈榮，劉 健，許章華

(1 3S技術(shù)與資源優(yōu)化利用福建省高校重點實驗室，福建 福州 350002；2 福建農(nóng)林大學(xué) 林學(xué)院，福建 福州 350002；3 臺灣大學(xué) 森林環(huán)境暨資源學(xué)系，臺灣 臺北 10617；4 三明學(xué)院，福建 三明 365004)

基于熵突變理論的林地生產(chǎn)力演變分析

余坤勇1,2,3，邱祈榮3，劉 健1,2,4，許章華1,2

(1 3S技術(shù)與資源優(yōu)化利用福建省高校重點實驗室，福建 福州 350002；2 福建農(nóng)林大學(xué) 林學(xué)院，福建 福州 350002；3 臺灣大學(xué) 森林環(huán)境暨資源學(xué)系，臺灣 臺北 10617；4 三明學(xué)院，福建 三明 365004)

【目的】 結(jié)合環(huán)境脆弱性特征，判析林地生產(chǎn)力的演變狀況，為林地資源的優(yōu)化利用和森林資源經(jīng)營管理提供指導(dǎo)。【方法】 以福建永安市的林地為研究對象，分析1999年、2008年林地利用結(jié)構(gòu)信息熵、林地生產(chǎn)力等級熵的變化，探討林地生產(chǎn)力信息熵的內(nèi)涵，引入土壤侵蝕、土壤有機質(zhì)、植被凈第一性生產(chǎn)力(NPP)和歸一化植被指數(shù)(NDVI)作為林地生產(chǎn)力信息熵的影響因子，構(gòu)建林地生產(chǎn)力信息熵突變模型，分析林地生產(chǎn)力的突變可能性。【結(jié)果】 1999年、2008年福建永安市林地利用結(jié)構(gòu)信息熵分別為0.740 4和0.785 8，林地生產(chǎn)力等級熵分別為0.562 4和 0.546 8，在以脆弱度等級為步長的林地生產(chǎn)力演變中，1999年的林地生產(chǎn)力未發(fā)生突變，而2008年發(fā)生了突變。【結(jié)論】 1999-2008年10年間福建永安市注重脆弱性林地資源的保護，林地資源總體處于較高強度和較有序的開發(fā)利用狀態(tài)。

林地生產(chǎn)力；脆弱性；信息熵；突變理論

林地生產(chǎn)力是林地承載林木的重要基礎(chǔ)，是造林、營林的重要依據(jù)。長期以來，受木材資源需求量缺口、市場需求的經(jīng)濟刺激等因素影響，我國林業(yè)發(fā)展總體處于較粗放的經(jīng)營模式下，工業(yè)原料林大面積推廣，以“高投入”追求“高產(chǎn)出”成為當前林業(yè)經(jīng)營者的重要目標。大量的人工經(jīng)營經(jīng)濟活動和較為粗放的經(jīng)營方式，對林地質(zhì)量產(chǎn)生了較大影響，出現(xiàn)了林地土壤硬結(jié)、土壤結(jié)構(gòu)破壞、林木生長緩慢、單位面積蓄積量和林地生產(chǎn)力下降等林地質(zhì)量退化現(xiàn)象，這在杉木人工林生長上的反應(yīng)最為明顯，普遍存在一代不如一代的問題，極大地影響著我國林木產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，因此受到國內(nèi)學(xué)者的廣泛關(guān)注[1-4]。林地是一個受區(qū)域內(nèi)氣候、地質(zhì)、地形、各種動植物生長以及人為經(jīng)營等因素相互影響和作用的開放式系統(tǒng)，林地資源的開發(fā)利用方式及開發(fā)利用強度，是一個耗散結(jié)構(gòu)的整體對象，是與區(qū)域的經(jīng)濟、技術(shù)、人口壓力等耦合形成的系統(tǒng)而復(fù)雜的整體，具有結(jié)構(gòu)性、功能性的特征[5-6]。在不同的脆弱環(huán)境條件下，林地資源這種耗散性的開發(fā)利用過程產(chǎn)生了正或負效應(yīng)，加速了土地結(jié)構(gòu)和功能的演變，相同的林地利用方式可能誘發(fā)林地生產(chǎn)力演變的方向出現(xiàn)很大差異[7-9]。林地生產(chǎn)力的演變呈現(xiàn)出空間分布差異和時間上漸變的非線性變化過程，揭示森林經(jīng)營過程人為干擾、自然環(huán)境條件作用等因素對林地生產(chǎn)力演變可能的影響，對于指導(dǎo)森林經(jīng)營管理技術(shù)的科學(xué)制定及輔助適地適樹營林措施的正確實施具有重要意義。

“熵”是19世紀60年代德國物理學(xué)家克勞修斯從熱力學(xué)中提出的概念，以其特有的內(nèi)涵，為眾多科學(xué)領(lǐng)域的研究提供了量化方法，尤其是申農(nóng)和維納提出的信息熵，使得熵在數(shù)學(xué)形式上與統(tǒng)計物理學(xué)中的內(nèi)涵表達達到一致性，并廣泛地應(yīng)用于自然科學(xué)、社會科學(xué)等研究領(lǐng)域[10-11]。受林木成長和經(jīng)營過程人為干擾等的影響，林地土壤出現(xiàn)養(yǎng)分流出或流入現(xiàn)象，結(jié)果導(dǎo)致林地生產(chǎn)力下降或提升。林地生產(chǎn)力的水平高低可理解為良好、一般或貧瘠的狀態(tài)，反映了林地生產(chǎn)力受到干擾后從無序狀態(tài)經(jīng)歷突變后再達到有序穩(wěn)定的演化過程，這種過程是人類對林地資源開發(fā)利用的林地生產(chǎn)力的消耗過程，可用“熵”來表達。不論是在林地生產(chǎn)力提升還是下降的過程中，均存在著熵流現(xiàn)象，借助于熵信息理論，揭示林地生產(chǎn)力“熵”的演變過程，可為林地資源的優(yōu)化經(jīng)營提供量化依據(jù)[12-13]。但當前尚未見到將熵理論應(yīng)用于森林經(jīng)營管理尤其是林地生產(chǎn)力研究的相關(guān)報道，為此，本研究借助于熵及突變理論，探討福建永安市林地生產(chǎn)力信息熵的內(nèi)涵，研究林地生產(chǎn)力的演變，以期為森林資源經(jīng)營管理提供輔助決策。

1 研究區(qū)概況

永安市地處福建省閩中偏西，東經(jīng)116°56′～117°47′，北緯25°33′～26°12′，東西寬82 km，南北長約71 km，土地總面積294 110 hm2，素有“九山半水半分田”之稱，境內(nèi)群山疊擁，山地面積占全市面積的59%，達174 900 hm2，丘陵面積111 000 hm2，占全市土地面積的38%。擁有較早上市的永安林業(yè)(集團)股份有限公司，山地資源開發(fā)利用程度總體較高，是福建省重要經(jīng)濟區(qū)域及我國南方集體林重要改革試驗區(qū)和用材林重要產(chǎn)區(qū)。區(qū)域內(nèi)為亞熱帶季風(fēng)氣候，降雨量較為豐富，年均降雨量可達1 490～2 050 mm，雨水豐沛，日照時間長，年均氣溫可達14.3～19.2 ℃。

2 資料收集

2008年永安市二類調(diào)查固定樣地資料，1999年和2008年永安市林地利用類型專題信息圖(該專題信息圖的林地利用類型專題分為杉木林、馬尾松林、闊葉樹林、桉樹林、經(jīng)濟林、竹林、疏林地、灌木林地和其他林地等9類)，1999年和2008年永安市林地生產(chǎn)力等級專題圖、林地土壤侵蝕專題圖、土壤有機質(zhì)空間分布專題圖、歸一化植被指數(shù)(NDVI)專題圖、植被凈第一性生產(chǎn)力(NPP)專題圖，1999-2008年永安市林地生產(chǎn)力演變分布圖，以及永安市林地脆弱性量化空間分布專題圖，所有專題數(shù)據(jù)的柵格分辨率均為30 m。數(shù)據(jù)資料均由福建省科技計劃重點項目(2012N0003)和國家自然科學(xué)基金面上項目(40971043)提供。其中林地生產(chǎn)力等級專題圖通過坡度、坡向、海拔、土層厚度、土壤侵蝕、土壤有機質(zhì)、腐殖質(zhì)層、NPP 8個因子，參照傳統(tǒng)林地立地質(zhì)量等級，構(gòu)建數(shù)量化理論模型反演制作；林地土壤侵蝕專題圖根據(jù)USLE方程制作；土壤有機質(zhì)空間分布專題圖基于實地測量，并結(jié)合遙感技術(shù)采用替代法思維獲取，估測精度為81.20%；NDVI專題圖則是根據(jù)NDVI公式 ((近紅外波段-紅外波段)/(近紅外波段+紅外波段))直接由影像圖制作；NPP專題圖根據(jù)CASA模型(卡薩生物圈模型)反演獲取；林地脆弱性量化空間分布專題圖主要是選定降雨侵蝕因子、坡度、地形起伏度、土壤可蝕性K因子和人為干擾因子，通過模糊層次分析法確定各指標權(quán)重，結(jié)合綜合指數(shù)法反演獲取；1999-2008年永安市林地生產(chǎn)力演變專題圖則是由2008年的林地生產(chǎn)力專題圖和1999年的林地生產(chǎn)力專題圖通過比值處理獲取(柵格值大于1，生產(chǎn)力提升；小于1則生產(chǎn)力呈下降變化)，各專題圖的具體獲取過程詳見參考文獻[9]和[13-14]。

3 研究方法

3.1 林地生產(chǎn)力信息熵理論

依據(jù)Shannon熵公式，定義林地生產(chǎn)力的信息熵為“S”，即：

(1)

3.2 林地生產(chǎn)力信息熵突變模型的構(gòu)建

突變理論是由法國數(shù)學(xué)家雷勒·托姆于1972年提出來的，用于研究系統(tǒng)持續(xù)變化發(fā)展過程中不連續(xù)的突然變化現(xiàn)象，常見的模型有適于2個控制因素的尖點突變模型、3個控制因素的燕尾突變模型和4個控制因素的蝴蝶突變模型[15-17]，具體為：

尖點突變模型：

(2)

燕尾突變模型：

(3)

蝴蝶突變模型：

(4)

在這些突變模型中，x表達的是研究對象中某階段的狀態(tài)變量；F(x)則是狀態(tài)變量x的勢函數(shù)；參數(shù)a、b、c、d則是影響狀態(tài)的控制變量，在勢函數(shù)表達式中往往依據(jù)各控制變量對狀態(tài)變量的重要程度由大到小確定，其值可通過模型分解求得[16-18]。

人為干擾和林地資源所處的自然環(huán)境條件是森林經(jīng)營過程中林地生產(chǎn)力發(fā)生變化的2個重要影響因素，林地生產(chǎn)力的高低反映林地質(zhì)量的一種狀態(tài)，即用熵表示，因而林地生產(chǎn)力的突變模型符合尖點突變模型，即符合式(2)。此時，式中x為林地生產(chǎn)力的熵狀態(tài)變量。

3.3 林地生產(chǎn)力信息熵突變的內(nèi)涵

森林經(jīng)營過程中的林木撫育、采伐等人為經(jīng)營干擾措施未實施前，林地土壤各因子尚未發(fā)生變化，林地生產(chǎn)力系統(tǒng)處于無序性，對應(yīng)的熵值達到最大值。營林生產(chǎn)投入時，則因撫育施肥而使林地土壤出現(xiàn)養(yǎng)分流入，或由于林木采伐造成水土流失而出現(xiàn)養(yǎng)分流失等現(xiàn)象，導(dǎo)致影響土壤肥力的各屬性因子發(fā)生變化，破壞了林地生產(chǎn)力系統(tǒng)的無序性，系統(tǒng)的熵值降低，向非穩(wěn)定性方向發(fā)展，林地生產(chǎn)力則呈上升或下降趨勢。這種趨勢持續(xù)變化到一定程度時，林地生產(chǎn)力系統(tǒng)熵值將發(fā)生突變，如圖1所示。圖1頂部的曲面為林地生產(chǎn)力尖點突變模型的平衡曲面，自然環(huán)境條件和人為經(jīng)營干擾為圖中的控制面(即AB、CD面)，曲線體現(xiàn)了人為干擾和自然條件作用下，如林地生產(chǎn)力的突變流形和分叉集(圖1中從下葉到上葉或從上葉到下葉變化的褶皺位置)，林地生產(chǎn)力狀態(tài)從下葉到上葉或從上葉到下葉的變化，則表示林地生產(chǎn)力發(fā)生突變[13,17-18]。

圖1 林地生產(chǎn)力演變的尖點突變模型

3.4 林地生產(chǎn)力信息熵突變的判定

林地的環(huán)境脆弱性是在特定時空尺度和外界干擾影響下，環(huán)境自身條件所具有的敏感反應(yīng)和自恢復(fù)能力，體現(xiàn)了自然環(huán)境和人類經(jīng)濟行為共同作用的結(jié)果[19]。林地脆弱性可能誘發(fā)產(chǎn)生如山體滑坡類自然災(zāi)害和水土流失等負效應(yīng)，這些負效應(yīng)的發(fā)生反過來又影響著林地植被的覆蓋和林木生長，進而影響林地生產(chǎn)力的演變，是一個相互聯(lián)系、相互作用的運作過程。林地土壤侵蝕量、土壤有機質(zhì)含量的變化直接影響著林地土壤肥力，植被凈第一性生產(chǎn)力(NPP)、遙感影像的歸一化植被指數(shù)(NDVI)可較好地反映植被生長量和植被覆蓋狀況的變化，這些因素的變化可直接反映自然環(huán)境條件和人為經(jīng)營干擾影響下林地生產(chǎn)力發(fā)生變化的可能。為此，本研究選定土壤侵蝕、土壤有機質(zhì)、NPP、NDVI作為影響林地生產(chǎn)力信息熵的人為干擾和自然環(huán)境條件兩方面的作用因子，以環(huán)境脆弱性為步長y，依據(jù)式(2)構(gòu)建林地生產(chǎn)力信息熵突變模型，此時林地生產(chǎn)力的熵演變模型可用x=f(y)連續(xù)函數(shù)表達[20-21]。根據(jù)尖點突變模型理論可得圖1的分叉集方程，分別為：

(5)

Δ=8a3+27b2。

(6)

式中：s為圖1中林地生產(chǎn)力信息熵值的綜合體現(xiàn)；a、b值可通過模型求解，a=-6bs2，b=8s3。

依據(jù)尖點突變理論可知，式(6)Δ的取值可直接體現(xiàn)出林地生產(chǎn)力發(fā)生突變與否[22-23]，自然條件或人為干擾因子的坐標在圖1的分叉集內(nèi)時，即當Δ≤0時，林地生產(chǎn)力信息熵則可能跨越分叉集曲線，林地生產(chǎn)力發(fā)生突變，因而可將Δ≤0作為林地生產(chǎn)力是否發(fā)生突變的判定依據(jù)和條件。

4 結(jié)果與分析

4.1 永安市林地利用信息熵的變化

利用1999年、2008年永安市林地利用類型專題圖(圖2和圖3)，依據(jù)式(1)，得到兩期林地利用結(jié)構(gòu)及信息熵，結(jié)果見表1。

圖2 1999年福建永安市林地利用類型專題圖Fig.2 Forestland types distribution of Yongan City,Fujian Province in 1999

圖3 2008年福建永安市林地利用類型專題圖Fig.3 Forestland types distribution of Yongan City, Fujian Province in 2008

表1 1999年和2008年福建永安市林地利用結(jié)構(gòu)及信息熵Table 1 Forestland use structure and information entropy of Yongan City,Fujian Province in 1999 and 2008

注：*比重為各林地類型面積占總林地面積的比例。

Note:Percent is the value of each forestland type area accounted for the total of forestland area.

桉樹為短輪伐期的工業(yè)原料林，經(jīng)營時間要求相對較短，5～7年即可成材，經(jīng)濟效益顯著，10年間永安市桉樹林林地面積得到了較大幅度的發(fā)展，其面積占總林地面積的比例從1999年的0.89%增至2008年的5.76%，面積增幅最大。竹林面積比重從1999年的18.37%增加到2008年的22.70%，而杉木、馬尾松林面積則有一定的下降。永安市擁有全國首家以森林資源為主要經(jīng)營對象且已上市的永安林業(yè)(集團)股份有限公司大型企業(yè)，該公司經(jīng)營著12萬hm2的森林資源，主體森林資源經(jīng)營區(qū)位于永安市境內(nèi)，1999年至2008年該企業(yè)的業(yè)務(wù)發(fā)展和集約經(jīng)營技術(shù)的示范推廣，極大地推動了當?shù)亓值刭Y源的開發(fā)利用。同時，永安市作為全國林權(quán)制度改革的試點單位，較早地實施了“包山到戶”政策，相繼成立了農(nóng)村合作村社等經(jīng)營形式，林農(nóng)加大了對林地資源的開發(fā)利用，這些綜合因素促使永安2008年林地資源信息熵較1999年更高。結(jié)合表1可以看出，1999年永安市林地利用的信息熵為0.740 4，至2008年為0.785 8，總體上保持較高水平。

4.2 永安市林地生產(chǎn)力等級信息熵的變化

利用1999年、2008年4個等級的林地生產(chǎn)力等級專題圖(圖4和圖5)，統(tǒng)計兩個時期林地生產(chǎn)力不同等級的面積，計算林地生產(chǎn)力等級信息熵，結(jié)果見表2。

圖4 1999年福建永安市林地生產(chǎn)力等級專題圖Fig.4 Grade map of forestland productivity,Yongan City,Fujian Province in 1999

圖5 2008年福建永安市林地生產(chǎn)力等級專題圖Fig.5 Grade map of forestland productivity,Yongan City,Fujian Province in 2008

表2 1999年和2008年福建永安市林地生產(chǎn)力等級結(jié)構(gòu)及信息熵Table 2 Forestland productivity use structure and entropy of Yongan City,Fujian Province in 1999 and 2008

注：*立地生產(chǎn)力等級值越低，林地生產(chǎn)力越高。

Note:The lower grade of forestland productivity, the higher of the forestland productivity.

從表2可以看出，2008年永安市林地立地生產(chǎn)力Ⅰ、Ⅱ級比重有較大提升，兩者之和從1999年的46.16%提升到59.57%；但立地生產(chǎn)力Ⅲ級仍占較大比重。這從一定程度上說明，永安林業(yè)(集團)股份有限公司的營林技術(shù)及“高投入、高產(chǎn)出”的營林模式，使得林地生產(chǎn)力較前期有較大提高。根據(jù)相關(guān)研究理論，當一個系統(tǒng)中所有事物均有序出現(xiàn)或運行時，則這個系統(tǒng)的信息熵就低；這個系統(tǒng)越是不規(guī)整、無規(guī)則，則信息熵越高[16,24-25]。永安市林地生產(chǎn)力熵值從1999年的0.562 4下降到2008年的0.546 8，結(jié)合永安市1999-2008年林地的經(jīng)營利用變化可以看出，林地資源的林地生產(chǎn)力在向著更加有序、良好的方向發(fā)展。但從空間的分布狀態(tài)可以看出，雖然相當部分林地資源的生產(chǎn)力從較低向較高方向提升，但局部區(qū)域的林地生產(chǎn)力仍呈下降趨勢。這從某種程度上表明，人為干擾的“高投入”確實促使原本較低的林地生產(chǎn)力得到了有效提升，但由于受“高投入”和較高強度森林資源經(jīng)營的干擾，也使得某些原本較高的林地資源生產(chǎn)力呈下降狀態(tài)。

4.3 林地脆弱性對永安市林地生產(chǎn)力演變的影響

利用1999-2008年永安市林地生產(chǎn)力演變分布圖(該專題圖的像元灰度值定義為生產(chǎn)力演變值，像元灰度值大于1，表明林地生產(chǎn)力從1999年至2008年呈提升狀態(tài)，小于1為下降狀態(tài)，等于1為不變狀態(tài)，值越高表明林地生產(chǎn)力向越好的方向發(fā)展)和林地脆弱性量化空間分布圖(該專題圖的像元灰度值定義為林地脆弱度，像元灰度值越大，脆弱度高，反之亦然)(圖6和圖7)，隨機提取118個永安市的二類調(diào)查樣地(圖8)，通過樣地坐標提取各樣地的林地脆弱度值和林地生產(chǎn)力演變值，采用3倍標準差法去除異常值，剩余112個數(shù)據(jù)，結(jié)果見表3。

圖6 1999-2008年福建永安市林地生產(chǎn)力演變分布圖
Fig.6 Evolution of the forestland productivity of Yongan City,Fujian Province from 1999 to 2008

圖7 1999-2008年福建永安市林地脆弱度分布圖
Fig.7 Distribution of forestland fragility of Yongan City,Fujian Province from 1999 to 2008

表3 1999-2008年福建永安市林地生產(chǎn)力演變值與脆弱度Table 3 Evolution of the forestland productivity and the forestland fragility of Yongan City,Fujian Province from 1999 to 2008

續(xù)表3 Continued table 3

注：*EFP.林地生產(chǎn)力演變值。

Note：EFP.Evolution of the forestland productivity.

從表3可以看出，所提取的112個樣地的林地生產(chǎn)力演變值(EFP)最低為0.298 1，最高為1.346 1，所對應(yīng)的脆弱度值分別為0.285 1和0.718 9。二者的散點關(guān)系(圖9)表明，林地生產(chǎn)力演變值和林地脆弱度間具有一致的演變規(guī)律。整體可以看出，林地脆弱度高的地方，林地生產(chǎn)力向提升的方向發(fā)展；而脆弱度低的區(qū)域，林地生產(chǎn)力趨向下降的演變趨勢。二者的復(fù)相關(guān)系數(shù)達到了0.662 4，說明具有密切的相關(guān)關(guān)系，表明1999-2008年10年間，永安市在森林經(jīng)營管理過程中對脆弱度高的區(qū)域進行了良好保護，區(qū)域林地生產(chǎn)力向正效應(yīng)發(fā)展，林地資源經(jīng)營管理與利用水平整體上得到良好提升。

圖8 用于評價福建永安市林地生產(chǎn)力的118個樣地分布
Fig.8 Distribution of 118 samples used for evaluation of forestry productivity of Yongan City,Fujian Province

圖9 福建永安市林地生產(chǎn)力演變值與脆弱度的散點關(guān)系
Fig.9 Scatter between the forestland productivity evolution and the forestland fragility of Yongan City, Fujian Province

4.4 基于林地脆弱性的永安市林地生產(chǎn)力突變分析

根據(jù)表3和圖9可以看出，整體上永安市的林地生產(chǎn)力隨區(qū)域林地生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的增強而趨于提升，為此將永安市林地脆弱性值均分為10份，作為系統(tǒng)熵x=f(y)中的步長y。由于脆弱度在第10個等級的像元素較少，因此將9、10兩級并入一級，計為第9等級。通過遙感軟件的隨機點生成功能在每個等級中隨機產(chǎn)生20個點，記錄每個點的x、y坐標，共180個坐標，分別讀取各樣地的林地脆弱度值、1999年和2008年兩期的土壤侵蝕、土壤有機質(zhì)空間分布、NPP、NDVI 4個專題的信息值，并依據(jù)各因子對林地生產(chǎn)力的正負效應(yīng)，采用戒上型、戒下型2種函數(shù)，對所提取的林地生產(chǎn)力信息熵影響因子值進行標準化處理，消除各影響因子因單位不一和數(shù)量差異造成的影響。處理過程中的各指標隸屬度轉(zhuǎn)折點，采用各估測因子的最小值、最大值替代。其中，土壤有機質(zhì)、NPP、NDVI指數(shù)采用戒上型函數(shù)處理，土壤侵蝕強度采用戒下型函數(shù)處理。在此基礎(chǔ)上，將每個柵格單元中各因子的歸一化值除以同柵格單元的土壤侵蝕強度、土壤有機質(zhì)、NPP、NDVI 4個因子歸一化信息值和，作為各因子權(quán)重，依據(jù)式(1)計算出1999年和2008年兩期各樣地的林地生產(chǎn)力信息熵；并統(tǒng)計各脆弱等級步長上林地生產(chǎn)力信息熵的均值和脆弱度值的均值，構(gòu)建1999年和2008年永安市林地生產(chǎn)力信息熵與脆弱度的散點關(guān)系圖，結(jié)果見表4和圖10、圖11。

表4 福建永安市林地脆弱度等級對應(yīng)的生產(chǎn)力信息熵均值Table 4 The forestland productivity entropy corresponding to the forestland fragility of Yong an City,Fujian Province

圖10 1999年福建永安市林地生產(chǎn)力信息熵與脆弱度的散點關(guān)系Fig.10 Scatter between the forestland productivity entropy and the forestland fragility in Yongan city,Fujian Province,1999

圖11 2008年福建永安市林地生產(chǎn)力信息熵與脆弱度的散點關(guān)系Fig.11 Scatter between the forestland productivity entropy and the forestland fragility in Yongan city,Fujian Province,2008

由表4和圖10、圖11可以看出，1999年和2008年永安市的林地生產(chǎn)力信息熵值隨著脆弱度等級的變化有截然不同的演變方向。1999年林地生產(chǎn)力信息熵隨著脆弱度等級的提升而升高，而2008年林地生產(chǎn)力信息熵則隨著脆弱度等級的提升而降低。依據(jù)林地生產(chǎn)力信息熵突變模型的構(gòu)建理論，擬合各時期林地生產(chǎn)力信息熵尖點突變模型的4次多項式連續(xù)函數(shù)表達式，結(jié)果見式(7)、(8)，其復(fù)相關(guān)系數(shù)分別達到了0.986和0.957 3，表明模型擬合度高。

S1999=0.000 5S4-0.011 4S3+0.075S2-0.193 7S+0.972 5，R=0.986；

(7)

S2008=0.000 5S4-0.009 8S3+0.064 9S2-0.129 9S+0.772，R=0.957 3。

(8)

式中：S代表林地生產(chǎn)力信息熵值的階段變量，S1999和S2008分別代表柵格單元林地生產(chǎn)力信息熵值。根據(jù)式(5)和式(6)的計算過程，得到了1999年和2008年2個時期林地生產(chǎn)力在圖1中的分叉集方程(式(9)-(12))。

F(s)1999=s4-14.26x2+71.048x；

(9)

F(s)2008=s4-44.94x2-158.944x；

(10)

Δ1999=113 093.2；

(11)

Δ2008=-43 981.6。

(12)

依據(jù)尖點突變理論，Δ1999>0，表明1999年時永安市林地生產(chǎn)力是逐漸變化的，未發(fā)生突變；而Δ2008<0，表明2008年永安市林地生產(chǎn)力在不同脆弱性空間上發(fā)生了突變。結(jié)合永安市林業(yè)經(jīng)營現(xiàn)況分析可知，在20世紀90年代中期前，永安的林地資源主體是采育場(村)集體經(jīng)營。1999年時林地的開發(fā)利用程度高，但其集約經(jīng)營水平未能較好統(tǒng)一，未充分考慮林地利用過程中對不同生態(tài)區(qū)位的森林經(jīng)營技術(shù)需求，林地利用無序性較高，結(jié)合表4可知，林地生產(chǎn)力信息熵值為0.684 4～0.813 0，均值達到了0.775 8。而1996年上市的永安林業(yè)(集團)股份有限公司對當?shù)氐牧值刭Y源進行了有效的資源整合與示范經(jīng)營，極大地帶動和促進了區(qū)域林地資源較高強度的集約開發(fā)利用，促進了區(qū)域林地的優(yōu)化經(jīng)營，在永安林業(yè)的發(fā)展中發(fā)揮了重要作用；而且2000年永安市依據(jù)福建省生態(tài)公益林區(qū)劃及建設(shè)相關(guān)規(guī)程和要求，將符合生態(tài)區(qū)位的森林資源納入了生態(tài)公益林經(jīng)營范疇，有效地保障了區(qū)域生態(tài)安全，這部分區(qū)劃為生態(tài)公益林的區(qū)域，與本研究所應(yīng)用的脆弱性專題圖中脆弱度等級較高的區(qū)域具有一致性。“熵”是度量系統(tǒng)有序化程度的指標，簡單概括來說系統(tǒng)有序，熵就低；系統(tǒng)無序，則熵就高。區(qū)域森林資源區(qū)劃為生態(tài)公益林后，處于封山育林狀態(tài)，區(qū)域中影響林地生產(chǎn)力信息熵的土壤侵蝕強度、土壤有機質(zhì)、NPP、NDVI等因子處于穩(wěn)定狀態(tài)，這幾個因子的彈性變化相對穩(wěn)定，林地資源的開發(fā)利用趨向于穩(wěn)定的有序發(fā)展狀態(tài)。整體上，2008年林地生產(chǎn)力信息熵均值為0.748 3，比1999年林地生產(chǎn)力信息熵下降，說明永安市林地的利用向更有序的方向發(fā)展。從表4、圖11可以看出，2008年林地生產(chǎn)力信息熵隨著脆弱度的升高而下降，尤其脆弱度在第7等級時，林地生產(chǎn)力信息熵明顯下降，這與1999年至2008年間林地生產(chǎn)力演變值和脆弱度的變化(圖9)具有一致性，即在林地脆弱度越高的地方，林地生產(chǎn)力向越有序的提升方向發(fā)展。

5 討 論

“熵”值的變化體現(xiàn)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和有序性，簡單概括來說系統(tǒng)有序時熵就低，系統(tǒng)無序時則熵就高。從所分析的永安市林地利用結(jié)構(gòu)及生產(chǎn)力等級信息熵的變化可以看出，永安市林地利用信息熵總體處于較高水平。1999-2008年10年間，受永安林業(yè)(集團)股份有限公司資源擴張及經(jīng)營上“高投入、高產(chǎn)出”模式的影響，桉樹人工林得到了較大面積的推廣；同時作為全國林權(quán)制度改革的先行先試單位，永安市的林農(nóng)極大地加強了對分山到戶的山地資源的利用，促使其間永安市林地不僅得到了充分的開發(fā)，林地資源的使用方式與經(jīng)營模式也發(fā)生了較大變化，林地的開發(fā)利用結(jié)構(gòu)變化快，1999-2008年林地利用信息熵值呈上升趨勢。在20世紀90年代中期前，永安的林地資源主體是采育場或集體的分散經(jīng)營，在營林技術(shù)上無統(tǒng)一的指導(dǎo)或示范影響，各區(qū)域的林地生產(chǎn)力因開發(fā)利用水平不同存在著較大差異。但隨著林業(yè)科技水平的提升，受永安林業(yè)(集團)股份有限公司采取的集約經(jīng)營技術(shù)及2001年完成的永安市生態(tài)公益林區(qū)劃等因素的綜合影響，結(jié)合林地脆弱度與林地生產(chǎn)力演變值的關(guān)系分析可知，永安市整體上體現(xiàn)出脆弱性高的地方林地生產(chǎn)力向提升的方向發(fā)展，而脆弱性低的區(qū)域則林地生產(chǎn)力趨于下降，1999-2008年間永安市整體上注重了脆弱度高、生產(chǎn)力較低區(qū)域林地資源的保護。

在林地生產(chǎn)力信息熵模型的構(gòu)建中，引入了土壤侵蝕、土壤有機質(zhì)、NPP和NDVI作為影響林地生產(chǎn)力信息熵的影響因子，以脆弱度等級為步長，構(gòu)建了林地生產(chǎn)力信息熵突變模型，結(jié)果表明，1999年的林地生產(chǎn)力未發(fā)生突變，而2008年的發(fā)生了突變。結(jié)合永安市林業(yè)的發(fā)展歷程及現(xiàn)況整體分析可知，1999年時集約經(jīng)營水平未能較好統(tǒng)一，未充分考慮林地利用過程中對不同生態(tài)區(qū)位經(jīng)營技術(shù)的需求，林地利用無序性較高。1999-2008年間，由于永安林業(yè)(集團)股份有限公司對永安市林地資源進行了整合，帶動了區(qū)域營林的整體規(guī)劃和技術(shù)進步，以及受永安市生態(tài)公益林區(qū)劃的綜合影響，永安市整體很好地加強了對區(qū)域脆弱性高的林地和林地生產(chǎn)力水平較低區(qū)域的保護，同時也加強了對生產(chǎn)力較高區(qū)域林地資源的開發(fā)與利用強度，綜合結(jié)果則顯現(xiàn)出原生產(chǎn)力較低區(qū)域的林地生產(chǎn)力得到了一定的提升，而原生產(chǎn)力高的區(qū)域林地生產(chǎn)力反而降低，整體趨于較為均衡的發(fā)展，即林地生產(chǎn)力“熵”系統(tǒng)向著更為有序的方向發(fā)展，2008年的林地生產(chǎn)力等級結(jié)構(gòu)信息熵均值較1999年低。

本研究首次將熵突變理論引入林地生產(chǎn)力的演變分析，初步探討了林地生產(chǎn)力信息熵的構(gòu)成，并嘗試了模型的構(gòu)建和具體應(yīng)用，結(jié)論與實際相吻合。但林地資源是一個開放式系統(tǒng)，林地生產(chǎn)力的影響因素是動態(tài)變化的，環(huán)境脆弱性、林地生產(chǎn)力信息熵是多因素影響的結(jié)果。不論是脆弱性還是生產(chǎn)力的影響因素等，在自然環(huán)境和人為干擾作用下都是不斷變化的，若影響林地生產(chǎn)力的因素發(fā)生較大改變，則可能引發(fā)林地生產(chǎn)力發(fā)生突變，因而需要對林地生產(chǎn)力信息熵的適用性、動態(tài)性過程進一步研究，以更深入地揭示環(huán)境、資源與人的協(xié)調(diào)機制和發(fā)展規(guī)律，為人類的社會發(fā)展提供重要保障。

[1] 毛培利,曹幫華,田文俠,等.人工林生產(chǎn)力年齡效應(yīng)及衰退機理研究進展 [J].生態(tài)學(xué)報,2011,31(11):3208-3214.

Mao P L,Cao B H,Tian W X,et al.Advances in research on the mechanisms of age-related productivity decline of planted forests [J].Acta Ecologica Sinica,2011,31(11):3208-3214.(in Chinese)

[2] 許 寧,郭旭東,洪友堂,等.基于文獻分析的土地退化評價指標研究 [J].地理科學(xué),2008,28(3):425-430.

Xu N,Guo X D,Hong Y T,et al.Study on land degradation assessment indicators based on literature analysis [J].Scientia Geographica Sinica,2008,28(3):425-430.(in Chinese)

[3] 馬祥慶.杉木人工林連栽生產(chǎn)力下降研究進展 [J].福建林學(xué)院學(xué)報,2011,21(4)：380-384.

Ma X Q.A review for research of productivity decline in Chinese fir plantations after successive plantings [J].Journal of Fujian College of Forestry,2011,21(4)：380-384.(in Chinese)

[4] Jordi M V,Dirk V,Maurizio M.Tree height and age-related decline in growth in Scots pine (PinussylvestrisL.) [J].Oecologia,2007(4)：529-544.

[5] 徐新良,劉紀遠,莊大方,等.中國林地資源時空動態(tài)特征及驅(qū)動力分析 [J].北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報,2004,26(1):41-46.

Xu X L,Liu J Y,Zhuang D F,et al.Spatial-temporal characteristics and driving forces of woodland resource changes in China [J].Journal of Beijing Forestry University,2004,26(1):41-46.(in Chinese)

[6] 彭佳紅,王 華,鄒冬生,等.亞熱帶區(qū)域幾種典型人工林生態(tài)系統(tǒng)林地土壤質(zhì)量評價 [J].土壤通報,2010,41(1):93-99.

Peng J H,Wang H,Zou D S,et al.Soil quality assessment of forest stand in several typical plantation forest ecosystems in subtropical region [J].Chinese Journal of Soil Science,2010,41(1):93-99.(in Chinese)

[7] 王晗生.植被作用下土壤干化的反饋效應(yīng)及相關(guān)問題討論 [J].地理科學(xué)進展,2007,26(6):33-39.

Wang H S.Discussion on feedback effect of soil desiccation by vegetation and related issues [J].Progress in Geography,2007,26(6):33-39.(in Chinese)

[8] 陳立新,肖 洋.大興安嶺林區(qū)落葉松林地不同發(fā)育階段土壤肥力演變與評價 [J].中國水土保持科學(xué),2006,4(5):50-55.

Chen L X, Xiao Y.Evolution and evaluation of soil fertility in forest land inLarixgmeliniiplantations at different development stages in Daxing’anling forest region [J].Science of Soil and Water Conservation,2006,4(5):50-55.(in Chinese)

[9] 余坤勇,劉 健,黃維友,等.基于GIS技術(shù)的閩江流域生態(tài)脆弱性分析 [J].江西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2009,31(3):568-573.

Yu K Y,Liu J,Huang W Y,et al.A study on the ecological fragility in Minjiang Watershed based on GIS technology [J].Acta Agriculturae Universitatis Jiangxiensis,2009,31(3):568-573.(in Chinese)

[10] 王瑞燕.縣域尺度環(huán)境脆弱性演變及其土地利用覆蓋效應(yīng) [D].山東泰安:山東農(nóng)業(yè)大學(xué),2009.

Wang R Y.Environmental vulnerability evolution and effects of land use/cover changes at county level [D].Tai’an,Shandong:Shandong Agricultural University,2009.(in Chinese)

[11] 劉長征,李津京.突變級數(shù)法仿真在煤礦瓦斯風(fēng)險評價中的應(yīng)用 [J].計算機工程與應(yīng)用,2011,47(6):231-234.

Liu C Z,Li J J.Application of catastrophe progression method simulation in gas hazard assessment of coal mine [J].Computer Engineering and Applications,2011,47(6):231-234.(in Chinese)

[12] 龍 勤.基于熵的森林生態(tài)系統(tǒng)類型自然保護區(qū)協(xié)同與可持續(xù)研究 [D].昆明:昆明理工大學(xué),2011.

Long Q.Study on the forest ecosystem coordination and sustainability of the natural protection area based on entropy [D].Kunming:Kunming University of Science and Technology,2011.(in Chinese)

[13] 余坤勇.林地生產(chǎn)力演變遙感監(jiān)測研究 [D].福州:福建農(nóng)林大學(xué),2012.

Yu K Y.Monitoring on the forestland productivity evolution based on remote sensing [D].Fuzhou: Fujian Agriculture and Forestry University,2012.(in Chinese)

[14] 余坤勇,劉 健,許章華,等.福建永安市林地脆弱性遙感測定研究 [J].西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2012,40(12):49-56.

Yu K Y,Liu J,Xu Z H,et al.Remote sensing based fragilities of forestlands in Yong’an City,Fujian Province [J].Journal of Northwest A&F University:Nat Sci Ed,2012,40(12):49-56.(in Chinese)

[15] 李紹飛,馮 平,孫書洪.突變理論在蓄滯洪區(qū)洪災(zāi)風(fēng)險評價中的應(yīng)用 [J].自然災(zāi)害學(xué)報,2010,19(3):132-138.

Li S F,Feng P,Sun S H.Application of catastrophe theory to evaluation of flood risk in detention basin [J].Journal of Natural Disasters,2010,19(3):132-138.(in Chinese)

[16] 付成華,陳勝宏.基于突變理論的地下工程洞室圍巖失穩(wěn)判據(jù)研究 [J].巖土力學(xué),2008,29(1):167-172.

Fu C H,Chen S H.Study on instability criteria of surrounding rock of underground engineering cavern based on catastrophe theory [J].Rock and Soil Mechanics,2008,29(1):167-172.(in Chinese)

[17] 周亮廣,梁 虹.基于主成分分析和熵的喀斯特地區(qū)水資源承載力動態(tài)變化研究:以貴陽市為例 [J].自然資源學(xué)報, 2006,21(5):827-833.

Zhou L G,Liang H.A study on the evolution of water resource carrying capacity in Karst area based on component analysis and entropy [J].Journal of Natural Resources,2006,21(5):827-833.(in Chinese)

[18] 李博文,張德全,李 濤,等.生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力與其熵變線性關(guān)系的初步研究 [J].防護林科技,2002(2):17-19.

Li B W,Zhang D Q,Li T,et al.Study on linear relation of ecosystem productivity and its entropy change [J].Protection Forest Science and Technology,2002(2):17-19.(in Chinese)

[19] 王讓會,樊自立.塔里木河流域生態(tài)脆弱性評價研究 [J].干旱環(huán)境監(jiān)測,1998,12(4):218-223.

Wang R H,Fan Z L.Study on ecological vulnerability assessment in Tarim river basin [J].Arid Environmental Monitoring,1998,12(4):218-223.(in Chinese)

[20] 蘇 濤,王鵬新,劉翔舸.基于熵值組合預(yù)測和多時相遙感的春玉米估產(chǎn) [J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報,2011,42(1):186-192.

Su T,Wang P X,Liu X K.Spring maize yield estimation based on combination of forecasting of entropy method and multitemporal remotely sensed data [J].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2011,42(1):186-192.(in Chinese)

[21] 許傳華,任青文,李 瑞.圍巖穩(wěn)定的熵突變理論研究 [J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2004,23(12):1992-1995.

Xu C H,Ren Q W,Li R. Entropy catastrophe criterion of surrounding rock stability [J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2004,23(12):1992-1995.(in Chinese)

[22] 陳克亮,時亞樓,林志蘭,等.基于突變理論的近岸海域生態(tài)風(fēng)險綜合評價方法：以羅源灣為例 [J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報,2012,23(1):213-221.

Chen K L,Shi Y L,Lin Z L,et al.An approach for integrated assessment of eco-risk in coastal waters based on catastrophe theory:Taking Luoyuan bay as a case [J].Chinese Journal of Applied Ecology,2012,23(1):213-221.(in Chinese)

[23] 張端梅,梁秀娟,李欽偉,等.基于突變理論的吉林西部灌區(qū)地下水環(huán)境風(fēng)險評價 [J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報,2013,44(1):95-100.

Zhang D M,Liang X J,Li Q W,et al.Risk assessment of groundwater environment for irrigation district in western Jilin province based on catastrophe theory [J].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2013,44(1):95-100.(in Chinese)

[24] 常曉林,張美麗,楊海云,等.基于聯(lián)系熵的圍巖穩(wěn)定性評價研究 [J].巖土力學(xué),2010,31(1):99-101.

Chang X L,Zhang M L,Yang H Y,et al.Application of connection entropy to stability evaluation of adjoining rock [J].Rock and Soil Mechanics,2010,31(1):99-101.(in Chinese)

[25] 程東幸,劉大安.基于安全熵的邊坡穩(wěn)定性分析 [J].工程地質(zhì)學(xué)報,2010,18(6):851-856.

Cheng D X,Liu D A.Safety entropy based slope stability analysis [J].Journal of Engineering Geology,2010,18(6):851-856.(in Chinese)

Study on the forestland productivity evolution based on entropy catastrophe theory

YU Kun-yong1,2,3,CHIOU Chyi-rong3,LIU Jian1,2,4,XU Zhang-hua1,2

(1GeomaticsTechnology&OptimizeResourcesUtilizationKeyLaboratoryofFujianUniversities,Fuzhou,Fujian350002,China；2CollegeofForestry,FujianAgricultureandForestryUniversity,Fuzhou,Fujian350002,China；3SchoolofForestryandResourceConservationofNationalTaiwanUniversity,Taibei,Taiwan10617,China；4SanmingUniversity,Sanming,Fujian365004,China)

【Objective】 Mastering the forestland productivity evolution with the environment factors will provide guidance for the optimistic use of the forestland,the forest management. 【Method】 By analysing the forest using structure information and the forestland productivity hierarchical entropy in 1999 and 2008 with the help of the entropy theory,the concept of the forestland productivity entropy were discussed in this paper.The forestland productivity evolution in Yongan City were measured by the forestland productivity evolution model based on entropy catastrophe theory and the factors that effected the forestland productivity entropy:soil erosion,soil organic,NPP,NDVI.【Result】 Forest using structure entropy is 0.740 4 in 1999 and 0.785 8 in 2008,the forestland productivity hierarchical entropy is 0.546 8 in 1999 and 0.562 4 in 2008.According to the fragility grade as the measure factor,the evolution of the forestland productivity did not occur in 1999,but occurred in 2008.【Conclusion】 All these showed that the forestland resources in Yongan city were at a high degree of status and a state of order for development and utilization with the protection had been put on the high fragility of regional forestland from 1999 to 2008.

forestland productivity;fragility;entropy;catastrophe theory

時間:2015-10-13 08:46

10.13207/j.cnki.jnwafu.2015.11.011

2014-04-03

福建省科技計劃重點項目(2012N0003)；國家自然科學(xué)基金面上項目(40971043)；福建省水利廳科研基金項目

余坤勇(1980-)，男，福建仙游人，副教授，博士，主要從事3S技術(shù)應(yīng)用及資源統(tǒng)計分析研究。 E-mail:yuyky@126.com

劉 健(1963-)，男，福建福州人，教授，博士，主要從事3S技術(shù)應(yīng)用和森林可持續(xù)經(jīng)營研究。 E-mail:fjliujian@126.com

S718.55+6

A

1671-9387(2015)11-0071-11

網(wǎng)絡(luò)出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1390.S.20151013.0846.022.html