基于BP神经网络的荒漠啮齿动物群落对气候变化滞后响应

摘要

全球气候变化（整体变暖，局部变冷）强烈影响着生态系统的结构，物种的生长、繁殖与分布。气候变化导致沙漠更加干旱，强烈影响了荒漠动植物的生存、分布及格局。人类生产活动的干扰，严重影响了动植物的生存，使相同物种在不同干扰生境中对气候变化的响应发生了变化，使物种与环境、物种与物种的关系更加复杂。神经网络模型是基于人脑对信息进行学习，建立模型，作出判断的数学模型，是一种非线性分析方法，能够模拟多个系统相互耦合形成新系统后的动态规律，实现对未来变化趋势的预测。
　　本文利用BP神经网络模拟阿拉善荒漠不同人为干扰下啮齿动物群落对气候变化的响应规律，利用2006～2014年每年4～10月啮齿动物捕获量数据与当地2003～2014年气象数据，研究啮齿动物群落与气候变化耦合形成耦合系统的动态规律，揭示啮齿动物对气候变化的滞后效应及滞后时间，建立BP神经网络模型，对啮齿动物群落优势种及多样性进行预测。结果表明：
　　1、利用BP神经网络建立的阿拉善荒漠啮齿动物群落优势种数量、组成物种数量预测模型，不同时间尺度建立的模型存在差异，预测效果也不同。
　　6年时间尺度较9年时间尺度预测效果好的模型有8个，依次为：轮牧群落组成物种、禁牧三趾跳鼠、禁牧群落组成物种、过牧三趾跳鼠、轮牧子午沙鼠、轮牧三趾跳鼠、开垦群落组成物种和禁牧五趾跳鼠，拟合优度依次为0.9353＞0.8895＞0.8564＞0.8290＞0.8247＞0.8121＞0.7960＞0.7090，隐含层节点数依次为16、18、19、18、1、20、11、7。
　　9年时间尺度较6年时间尺度预测效果好的模型有6个，依次为：轮牧五趾跳鼠、过牧群落组成物种、开垦子午沙鼠、禁牧子午沙鼠、过牧五趾跳鼠、过牧子午沙鼠，拟合优度依次为0.9034＞0.9008＞0.8517＞0.8474＞0.8296＞0.8046，隐含层节点数依次为24、23、11、4、8、28。
　　2、预测效果最好的多样性指数模型有10个，6年时间尺度有6个，9年时间尺度有4个。
　　6年时间尺度比9年时间尺度预测效果好有6个，依次为：轮牧辛普森指数、轮牧—过牧梯度Jaccard指数、过牧—禁牧梯度Sorenson指数、开垦—过牧梯度数量属性cody指数、开垦—过牧梯度数量属性Jaccard指数、过牧—禁牧梯度数量属性Sorenson指数模型，隐含层节点数依次为7、8、3、16、8、3。
　　9年时间尺度比6年时间尺度预测效果好的有4个，依次为：轮牧香农-维纳指数、轮牧均匀性指数、开垦—过牧梯度二元属性cody指数、轮牧—过牧梯度数量属性Bray-Curitis指数模型，隐含层节点数依次为1、7、17、23。
　　3、不同人为干扰生境中啮齿动物群落优势种、组成物种数量对气候变化存在滞后效应，不同时间尺度的滞后时间存在差异。
　　6年时间尺度下：三趾跳鼠在轮牧干扰下对气候变化响应的滞后时间为12个月，过牧滞后1个月；五趾跳鼠在轮牧干扰下滞后24个月，过牧干扰下滞后24个月，禁牧干扰下滞后2个月；子午沙鼠在开垦、轮牧干扰下滞后2个月，过牧干扰下滞后12个月；群落组成物种在开垦干扰下滞后2个月，轮牧干扰下滞后2个月，过牧干扰下滞后3个月，禁牧干扰下滞后12个月。
　　9年时间尺度下：三趾跳鼠在轮牧干扰下滞后2个月，过牧干扰下滞后1个月，禁牧牧干扰下滞后2个月；五趾跳鼠在轮牧干扰下滞后2个月；子午沙鼠在开垦、过牧、禁牧干扰下滞后12个月，轮牧干扰下滞后2个月。群落组成物种在开垦干扰下滞后36个月，过牧滞后2个月，禁牧干扰下滞后36个月。
　　4、啮齿动物群落多样性对气候变化存在滞后效应，在不同时间尺度，不同人为干扰下，滞后时间存在差异。
　　6年时间尺度下：香农—维纳指数在轮牧、禁牧干扰下对气候变化响应的滞后时间为3个月，过牧干扰下滞后1个月；pielou均匀性指数在轮牧干扰下滞后12个月，过牧干扰下滞后2个月，禁牧干扰下滞后1个月；辛普森指数在轮牧干扰下滞后24个月，过牧干扰下滞后3个月，禁牧干扰下滞后1个月。
　　9年时间尺度下：香农—维纳指数在轮牧干扰下滞后1个月、过牧干扰下滞后2个月，禁牧干扰下滞后12个月；pielou均匀性指数在过牧干扰下滞后2个月，禁牧干扰下滞后36个月；辛普森指数在轮牧干扰下滞后12个月，过牧干扰下滞后1个月，禁牧干扰下滞后3个月。
　　5、不同人为干扰影响了啮齿动物群落对气候变化的响应，β多样性指数对气候变化存在滞后效应，滞后时间在不同人为干扰生境梯度上存在差异，不同时间尺度上表现出来的滞后时间也不同。
　　6、数量属性的β多样性指数考虑了个体数量在生境梯度上变化趋势的信息，而二元属性数据夸大了稀有种的作用，数量属性数据有效克服了二元数据的缺点。同时模拟二元属性cody、Jaccard、Sorenson指数的数量属性P-cody、P-Jaccard、P-Sorenson指数在不同环境梯度物种多样性变化与气候变化滞后响应的网络模型中进行了尝试，在开垦—过牧梯度上6年尺度的拟合优度达到了0.9076、0.9258；9年尺度，拟合优度达到了0.8973，取得了理想的效果。

目录

声明

1 前言

1.1 气候变化对生态系统的影响

1.2 放牧干扰对生态系统的影响

1.3 耦合效应和滞后响应概述

1.4 不同放牧干扰下啮齿动物群落对气候变化的滞后响应

1.5 人工神经网络学习算法理论

1.6 研究目的和意义

2 研究区概况与研究方法

2.1 研究区自然概况

2.2 研究方法

2.3 BP神经网络

3.1 2003～2014年气候变化

3.2 不同放牧干扰啮齿动物群落结构及物种组成

3.3 啮齿动物优势种对气候变化的响应及预测研究

3.4 啮齿动物群落α多样性对气候变化的滞后响应及预测研究

3.5 不同生境梯度二元属性β多样性对气候变化的滞后响应及预测研究

3.6 数量数据β多样性指数对气候变化的滞后响应及预测研究

4 讨论

4.1 个体数量对气候变化和放牧干扰的响应

4.2 多样性测度方法及对气候变化的响应

4.3 滞后效应

4.4 BP神经网络

5 结论

致谢

参考文献

作 者 简 介