[发明专利]基于结构动力学的草地生态承载力定量方法

说明书

技术领域

本发明涉及草地生态治理技术领域，具体涉及一种基于结构动力学的草地生态承载力定量方法。

背景技术

生态承载力是可持续管理和实践的重要概念，也是测度区域经济、社会和生态可持续发展的关键指标，其理论方法广泛应用于生态学、地理学、环境科学以及社会科学等交叉领域。由于生态承载力制约因素众多和时空条件复杂，学界尚未形成公认的生态承载力概念，总体上，对生态承载力的概念解析存在5种不同视角：一是种群生态学视角，生态承载力最早用于描述生态系统所能容纳的最大种群量。随后，Smaal、Hudak、David等也给出了类似的解释，认为生态承载力是在特定时间内、特定生态系统所能支持的最大种群数。也有学者将承载力区分为“经济承载力”和“生态承载力”，前者属于牧场管理学内涵，由动物种群生产力管理目标、动物质量和生境状态来表征；后者则是指无干扰条件下，种群与生境达到平衡时的种群数量。二是生态系统健康角度，认为生态承载力是在一定社会经济条件下，自然生态系统维持其服务功能和自身健康的潜在能力，也是在不危害生态系统前提下的资源环境承载能力。三是人类生态学角度，认为生态承载力是资源和环境对人类社会系统良性发展的一种强度和支持能力。四是生物适应性角度，认为生态承载力是自然系统调节能力的客观反映，是生物细胞、个体、种群和群体演化与环境相互作用、相互适应的结果。五是人文地理学视角，认为生态承载力是人地关系的反映，由生态活力、资源环境承载力和社会发展能力三要素所构成，也有学者用单位土地面积可承载的人口和经济规模来表达。根据生态系统类型和研究对象的不同，生态承载力衍生了水生态承载力、草地生态承载力、耕地生态承载力、城市生态承载力、综合生态承载力等相关概念，相应内涵也逐渐由单学科、单要素向多学科、多因子综合转变。尽管对生态承载力有不同的理解，但仍有认知共性，即生态承载力随着生态系统和社会经济发展水平的变化而变化，主要刻画自然生态系统对社会经济系统发展强度的承受能力以及自然生态系统的健康程度。在这里草地生态承载力主要指草地生态系统对社会经济发展强度的承受能力以及草地生态系统的健康程度。

目前，生态承载力研究方法尚处于探索阶段，主要有种群数量Logistic法、自然植被净第一生产力测算法、资源与需求差量法、综合评价法、生态足迹分析法、模型预估法(分类统计法、比较密度法、趋势外推法、限制因子法、线性规划法、系统动力学方法)等。生态系统的复杂性决定了生态承载力研究方法和手段的复杂性。一方面，应用于生态承载力的模型方法不是很多，特别是对于草地生态承载力研究具有普遍意义的模型方法还处于探索阶段。另一方面，综合考察人类活动和气候变化对草地退化和载畜量影响，或是基于压力因子、承压因子以及承压状况建立评价指标体系的研究相对较多，但以冻土变化作为生态承载能力重要驱动因子的研究极为少见。为了提高草地生态承载力研究的科学性和应用性，需加强草地生态承载力动态模拟研究，建立一套能反映其本质的模型体系，实现对草地生态承载力的测度、动态过程监控、情景预估和影响因素辨识。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种基于结构动力学的草地生态承载力定量方法，其具有明显的科学价值与现实意义，通过将结构动力学与草地生态系统在外在压力作用下的位移和荷载能力变化相结合，定量测度草地生态承载力及其动态变化，实现对草地生态承载力的测度、动态过程监控、情景预估和影响因素辨识，对其他资源、环境和社会经济系统承载力定量分析也有借鉴意义，是对生态承载力定量方法的一次创新，为承载力提升和区域可持续发展决策提供指导。

本发明的技术方案如下：

上述基于结构动力学的草地生态承载力定量方法，其具体包括：(1)指标体系构建及标准化处理，即从草地质量、阻尼、刚度和荷载这四个方面选取指标加以分析，并利用极差标准化方法对原始数据进行标准化处理，以消除数据量纲和指标变化变异造成的影响，使数据具有可比性；(2)外在压力作用位移计算，即根据质量矩阵、阻尼矩阵、刚度矩阵和荷载矩阵构建结构动力方程，再将结构动力方程转换为状态空间方程，利用各矩阵指标数据，借助Matlab软件时域分析lsim函数求解状态空间方程，得到草地在外在压力作用下的位移并将位移视为草地生态系统对荷载作用的响应；(3)草地荷载能力计算，即将质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵求和，再计算矩阵和的平均特征值，根据特征值的物理含义，将其视为草地生态系统的荷载能力；(4)利用草地荷载能力和作用位移结果，将草地生态承载力表达为荷载能力与作用位移的比值，即草地生态承载力定义为单位位移的荷载能力。