董佳音 馬 亮 李 琨

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)理學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010051）

草原生態(tài)系統(tǒng)在自然狀態(tài)下處于一種動(dòng)態(tài)平衡，鼠類作為該生態(tài)系統(tǒng)中的一員，對(duì)維持生態(tài)系統(tǒng)平衡發(fā)揮著不可或缺的作用。其種群數(shù)量隨著生態(tài)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)平衡變化而消長，正常情況下，鼠類適度啃食牧草對(duì)草原生態(tài)系統(tǒng)是有利的[1]。但是長期過度放牧、亂墾亂采等人類活動(dòng)嚴(yán)重破壞了草原生態(tài)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)平衡，加劇了草原鼠害的發(fā)生。據(jù)內(nèi)蒙古草原信息網(wǎng)統(tǒng)計(jì)，內(nèi)蒙古自治區(qū)草原上共棲息著50多種鼠類，大量害鼠不僅啃食剛返青的牧草，阻礙了牧草正常生長，極大地減少了草場生物單產(chǎn)，與牲畜形成爭草之勢，還因其嚴(yán)重的盜洞行為，破壞了土層結(jié)構(gòu)和牧草根系，造成草場大面積退化、沙化，導(dǎo)致草地生態(tài)系統(tǒng)失衡[2]。因此，對(duì)草原鼠害的研究非常必要。

草原鼠害具有暴發(fā)性、遷移擴(kuò)散性、發(fā)展蔓延快、破壞力強(qiáng)、控制難度大等特點(diǎn)。傳統(tǒng)人工調(diào)查是過去常用的方法之一，即由工作人員采用一定的調(diào)查方法進(jìn)行大面積地毯式調(diào)查。常用調(diào)查方法有堵洞盜洞法、定面積捕盡法、夾夜（日）法和洞口系數(shù)法。以上調(diào)查方法需要大量地面工作為支撐，耗時(shí)耗力[3]。針對(duì)草原鼠害重點(diǎn)發(fā)生區(qū)，探索新型防治技術(shù)、召集更多力量積極參與滅鼠防災(zāi)工作是未來草原鼠害防治的必然趨勢。因此，建立一個(gè)具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的草原鼠害預(yù)警模型來預(yù)測草原鼠害發(fā)生面積，不僅可以節(jié)省大量人力財(cái)力，還可以為內(nèi)蒙古自治區(qū)預(yù)防草原鼠害提供一定的科學(xué)依據(jù)和模型支持。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

科爾沁右翼前旗（以下簡稱科右前旗）位于內(nèi)蒙古自治區(qū)東北部，其東部與扎賚特旗等相鄰，南連吉林省白城市，北部和阿爾山市相連，西靠錫林郭勒盟東烏珠穆沁旗，西北部與蒙古國接壤。科右前旗總面積1.7萬km2，可利用草場83.16萬hm2，屬大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，其地勢呈北高南低的趨勢[4]，南北部年均氣溫相差2.8℃，年均降水量相差7.6 mm[5]。該旗鼠害的優(yōu)勢鼠種是東北鼢鼠，東北鼢鼠為不冬眠鼠，冬季深居于洞內(nèi)，有時(shí)也會(huì)到地面覓食、尋偶。其活動(dòng)具有明顯的季節(jié)性，春季開始活動(dòng)，4—6月為主要繁殖期，9—10月進(jìn)行覓食和越冬食物儲(chǔ)備，每日早、晚活動(dòng)頻繁。該鼠具有怕光、怕風(fēng)的習(xí)性，洞口打開后會(huì)及時(shí)堵洞[6]，除繁殖季節(jié)外一般均獨(dú)居。

1.2 試驗(yàn)方法

本文采用土丘計(jì)數(shù)法統(tǒng)計(jì)種群密度。首先，利用定面積捕盡法統(tǒng)計(jì)鼠數(shù)，選取1 hm2的樣方，在樣方內(nèi)沿著洞道以10 m為間隔（視具體鼠洞土丘分布而定）探查洞道，并將發(fā)現(xiàn)的洞口挖開，經(jīng)過24 h后，檢查并統(tǒng)計(jì)東北鼢鼠的封洞效果，有封洞情況的鼠洞為有效鼠洞，將捕鼠器安置于有效鼠洞處，捕獲東北鼢鼠后，在原洞道內(nèi)一般不必再重復(fù)布置器械；但是在繁殖之前、產(chǎn)幼崽之后會(huì)出現(xiàn)一洞多鼠的情況，此時(shí)仍采用開洞封洞法觀察一段時(shí)期，防止漏捕，直至捕盡為止[7]。其次，統(tǒng)計(jì)樣方內(nèi)的土丘群數(shù)量（土丘群由不同數(shù)量的土丘或者龜裂紋組成，有時(shí)密集成片，有時(shí)排列成行，為了方便計(jì)算，若只有一個(gè)土丘或龜裂紋，亦記作一個(gè)土丘群），計(jì)算土丘群系數(shù)，計(jì)算公式如下[8]：

1.3 數(shù)據(jù)來源

本文使用的氣象數(shù)據(jù)來自國家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺(tái)上的中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)（https：//data.cma.cn/site/index.html）。

2 結(jié)果與分析

2.1 建立模型

先用2009—2019年的數(shù)據(jù)建立模型，之后再用2018—2019年鼠害發(fā)生面積進(jìn)行模型檢驗(yàn)。由圖1可知，前一年鼠害相對(duì)較輕時(shí)，后一年會(huì)有些許上升，如2012年、2014年、2016年等。由此可見，前一年鼠害發(fā)生面積對(duì)第2年的發(fā)生面積并無決定性影響。東北鼢鼠整個(gè)生長過程中，只有成年階段才有較強(qiáng)的抵御外界不利氣象條件的能力，在這之前極易受到氣象條件的影響。由此推測，草原鼠害發(fā)生面積與氣象條件有密切聯(lián)系。在以下研究中所用的氣象數(shù)據(jù)均以旬為單位，10 d為1旬，每月1—10日為上旬，11—20日為中旬，21—30日為下旬，對(duì)于天數(shù)不足30 d或者超過30 d的月份，下旬則以該月月底為準(zhǔn)。

2.2 灰色關(guān)聯(lián)度分析

灰色關(guān)聯(lián)度分析法是一種以灰色系統(tǒng)為基礎(chǔ)的動(dòng)態(tài)灰色過程，是根據(jù)元素之間發(fā)展趨勢的相似或相異程度來衡量元素間關(guān)聯(lián)度的一種方法。對(duì)于兩個(gè)系統(tǒng)之間的元素，其隨時(shí)間或不同對(duì)象而變化的關(guān)聯(lián)性大小的量度稱為關(guān)聯(lián)度。若兩個(gè)因素變化的趨勢具有一致性，即同步變化程度較高；反之，則同步變化程度較低?；疑P(guān)聯(lián)度分析法具體步驟如下。

（1）構(gòu)造初始化數(shù)列，并對(duì)其進(jìn)行無量綱處理，選取其中一個(gè)數(shù)列為基準(zhǔn)數(shù)列：

式中，k 表示時(shí)刻，x0（k）表示因素 x0在 k 時(shí)刻的觀察值。

設(shè)另有m個(gè)比較數(shù)列：

（2）進(jìn)行關(guān)聯(lián)系數(shù)計(jì)算，其公式如下：

本文用Matlab軟件編程實(shí)現(xiàn)對(duì)所選氣象因子關(guān)聯(lián)度的計(jì)算，分析結(jié)果如表1所示?？梢钥闯?，6個(gè)氣象因子的關(guān)聯(lián)度均＞0.5，即6個(gè)氣象因子與草原鼠害發(fā)生面積之間均具有相關(guān)性，且其相關(guān)性從大到小排序依次為年均氣溫、年日照時(shí)數(shù)、年均最大風(fēng)速、年均相對(duì)濕度、年降水量、9月溫雨系數(shù)。

表1 灰色關(guān)聯(lián)度分析結(jié)果

2.3 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是由大量簡單的處理單元（以下簡稱神經(jīng)元）廣泛連接而成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其主要以自組織、自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)、優(yōu)良的容錯(cuò)性和非線性逼近能力等優(yōu)點(diǎn)在各類研究中廣受關(guān)注。在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型中應(yīng)用最多的模型是誤差反向傳播模型，即BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型[9]。因此，本文基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，以年降水量、年均氣溫、年日照時(shí)數(shù)、年均相對(duì)濕度、年最大風(fēng)速和9月溫雨系數(shù)等6個(gè)氣象因子為變量，結(jié)合草原鼠害發(fā)生面積建立BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型。

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型一般由輸入層、隱含層和輸出層（以下分別簡稱為一、二、三層）組成。其中，輸入層的個(gè)數(shù)由需要解決的問題和數(shù)據(jù)表示方式確定，輸出層的個(gè)數(shù)則由類別模式來確定。以3層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型為例，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型具體算法如下：

（2）初始化網(wǎng)絡(luò)，即給出BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值和閾值。因?yàn)檩斎氲囊蜃訑?shù)和隱含層的個(gè)數(shù)都為6，所以一、二層之間的權(quán)值｛ωij｝為6×2的0～1之間的隨機(jī)數(shù)矩陣，二、三層的權(quán)值｛ωij｝為 6×1 的 0～1 之間的隨機(jī)數(shù)矩陣。同理可給出閾值｛Bij｝，并選擇單級(jí)S函數(shù)作為激勵(lì)函數(shù)。

（3）計(jì)算二層的輸入和輸出。設(shè)X為一層輸入樣本O1=X，則二層神經(jīng)元的輸入為一層所有神經(jīng)元的值和閾值的和，也即 I2=ωij×X+Bij×ones。 又因激勵(lì)函數(shù)為單級(jí) S 函數(shù)，即，故二層神經(jīng)元的輸出為。

（4）計(jì)算三層的輸入和輸出。這與二層情況類似，即 I3=ωik×O2+Bjk×ones。此外，也通常約定三層神經(jīng)元是線性函數(shù)，則O3=I3。

（5）計(jì)算能量函數(shù)E。其作用在于當(dāng)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的誤差達(dá)到預(yù)定值時(shí)即可停止訓(xùn)練。設(shè)輸出樣本為 Y，則 E=Σ（Y-O3）3。

（6）層與層之間的權(quán)值和閾值調(diào)整量。一、二層之間：

（7）加上調(diào)整量后的權(quán)值和閾值，即 ω′jk=Δωjk+ωjk，B′jk=ΔBjk+Bjk。

此外，由響應(yīng)函數(shù)f（x）的特性可知，節(jié)點(diǎn)輸出值在0～1之間。因此，還需要對(duì)訓(xùn)練樣本進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，利用等比變換法將BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入和輸出值都限制在區(qū)間（0，1）內(nèi)，再輸入網(wǎng)絡(luò)。至此已完成了對(duì)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練，之后開始對(duì)2018—2019年的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測。由R語言軟件編程計(jì)算可得2018—2019年預(yù)測結(jié)果分別為262.609 1、239.250 3。

2.4 模型檢驗(yàn)

為檢驗(yàn)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的預(yù)測結(jié)果，將2018—2019年相應(yīng)氣象因子代入BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型中，結(jié)果見表2?？芍?，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的相對(duì)誤差在9%以下，即該模型精度在91%以上，預(yù)測效果良好。

表2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型檢驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)論

本文首先利用灰色關(guān)聯(lián)度分析法，篩選出了與草原鼠害發(fā)生面積具有相關(guān)性的氣象因子。基于所選氣象因子，使用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)科右前旗草原鼠害發(fā)生面積進(jìn)行預(yù)測。從模型擬合精度來看，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的精度高達(dá)91%以上。此預(yù)測模型可為內(nèi)蒙古自治區(qū)預(yù)防草原鼠害提供一定科學(xué)依據(jù)。