生态系统稳定性理论最初由植物生态学家MacArthur[1]和动物生态学家Elton[2]提出,自提出后,该邻域一直是研究热点,其定义包括生态系统所具有的抗外界干扰和外界干扰去除后恢复到自身结构和功能相对稳定状态的能力[3-4]。由于系统涉及因素广泛,层次关联复杂,生态系统稳定性的研究一直未能达成共识,国内外许多研究者多就其内涵与外延[5],以多样性理论[6]、冗余理论[7]为出发点,采用Shannon-Wiener指数、物种丰富度等作为稳定性度量因子[6,8-9],主要围绕森林[10-11]、湖泊[12]等自然生态系统和城市[13]、农田[14-15]、矿区[16-17]等具有人工与自然复合特点的生态系统进行稳定性评价,从生态系统结构和功能、物种多样性、遗传多样性、种群间的关系等方面进行探讨与研究。当前针对生态系统稳定性的评价方法总体有两大类。一类是通过专家对筛选的指标进行打分以确定权重,然后就确定的评价指标进行野外实地调查,以此来评价人工林生态系统稳定性。这类方法可操作性强,但对专家要求高,往往不同的专家对指标的确认权重差异很大。另一类是构建数字模型,采用概率统计的方法对生态系统稳定性进行研究,如生态环境指数模型[18]、动态测算模型[19]、Lyapunov函数模型等[20],但此类方法在建模时要量化某些特定因子比较困难。由于各研究者对于生态系统稳定性的概念和内涵莫衷一是,进而研究所建立的评价指标及体系也各有不同。目前,大多研究者主要针对天然林生态系统稳定性开展研究[21],较少涉及人工林,但随着我国人工造林面积逐渐增大,其生态系统能否达到理想抗性以及生物与非生物各要素间的动态平衡,有待进一步的探索研究[22]。
人工林生态系统是一个宏观、开放的系统,是由自然、经济、社会组成的多层次、多因素的复杂系统。它是由“森林自然子系统”和“森林社会经济子系统”共同构成,其中,森林自然系统是森林社会经济系统的载体,为森林社会经济系统提供生存和发展空间; 而“森林社会经济系统”中的“人”是整个森林自然系统的主体,决定着从“森林自然系统”获取资源的速度和数量,并通过发展规划、技术进步、因地制宜等来协调各子系统之间的关系; 在人为因素的干预下,系统内外因素经过变化、耦合,可能导致某些微小因素被放大,从而推动系统的演化发展,形成新的空间结构[23]。人工林这一结构特征符合耗散结构的特点,因此,可以借用耗散结构系统熵变来表征人工林生态系统稳定性强弱[24]。
熵理论是表征系统无序和混乱程度的一个定量参数,熵值越高,系统混乱程度越大,反之越低[25]。系统中各因子的离散程度可借助熵值来表征,熵值越小,某因子离散程度越小,确定性越高,信息效用越大,则该因子的权重就越大。与传统确权方法相比,熵值法能有效避免主观因素对权重计算带来的干扰[26],随着近几年熵理论量化算法运用成熟,使其在设计风险管理分析[27]、电力异常检测[28]、水结构时空变化演变[29]、城市生态演化发展等领域都取得了不错的效果。本研究将利用信息熵理论,结合多级模糊评价模型,从人工林生态功能及结构出发,通过建立符合当地情况的评价体系,开展对砒砂岩区典型人工林生态系统稳定性的评价研究,从而为砒砂岩区人工林生态系统保护及人工营林提供科学依据。
