1.引言
1.1.硏究背景与意义
素有"地球环境癌症"称号的砒砂岩区的水土流失情况十分严重，每年随水土侵蚀过程而进入黄河中下游的沉积泥沙大多来源于此。上世纪八十年代中期，随着原水利部部长钱正英同志"以开发沙棘资源，作为加速黄土高原治理的突破口"（折占平和王世平，2004)号召的提出，一系列治沙保土的生态建设工程在砒砂岩地区积极开展起来。尤以改善该地区植被覆盖率的沙棘生态建设工程为同类工程的重中之重。砒砂岩区广泛分布在我国山西、陕西和内蒙古的接壤地区，其核心区域的行政范围涉及内蒙古自治区的达拉特旗、杭锦旗、伊金霍洛旗、准格尔旗、东胜区、清水河县，陕西省的神木县、府谷县，山西省的河曲县、保德县，总面积达到了 1.67万(王愿昌等，2007)。其中，在内蒙古自治区鄂尔多斯巿的分布面积占全国砒砂岩总面积的三分之二左右。
由于砒砂岩自身特殊的结构性质，区内生物生长环境恶劣，植被覆盖度严重不足。经过水利专家多年以来的探索、比选和试验，最终选定兼具较高环境和经济效益价值的沙棘作为治理砒砂岩区水土流失的先锋树种。自1999年起，鄂尔多斯辖区内的准格尔旗、东胜区、达拉特旗、伊金霍洛旗和杭锦旗相继被我国水利部水土保持植物开发管理中心列入"沙棘生态工程"的项目种植区。经过数十年的持续建设和管理养护，有效面积总计达1328.36km2的人工沙棘林不仅改变了砒砂岩区大片面积寸土不生的恶劣状况，同时，通过植被特有的水文作用和生长特性还发挥着控制水土流失、净化空气环境、减洪固沙、保护生物多样性等一系列生态服务功能，对改善当地的生态环境状况和提高人民的生活水平起到了一定的推动发展作用。
近年来，人们愈加认识到陆地生态系统对于改善我们赖以生存的地球环境有着无法替代的重要作用，林业建设逐渐成为我国生态建设的主体，而由环境经济学与生态学结合衍生的生态经济学科，也将研究热点转移到生态系统服务功能的效益价值评价上来。因此，越来越多的学者和研究人员开始关注大量原生及人工植被林的生态服务功能效益评价，并通过一系列监测实验等技术手段，分别对各类人工林地生态系统的多项生态功能做出定性和定量的研究。但对于砒砂岩这个重要且特殊的区域，大规模的人工沙棘生态林的建设工作仅始于上个世纪九十年代末期，对其生态服务功能综合评价的研究工作十分鲜见。因此，为了考察沙棘生态工程数十年的建设成果以及曰后更好的发展，在对现有砒砂岩区人工沙棘林的分析研究基础上，选择从其最重要的水土保持服务功能这个角度，对己建沙棘生态工程有个准确的评价显得十分重要及必要。
1.2.研究意义
合理地评价区域水土流失综合治理的成效及生态建设工程所发挥的水土保持服务功能是一项重要工作。近年来，在研究植被水土保持功能评价方面，我国学者多集中于建立一套含有多评价指标的指标体系和确立各指标权重的基础上（韦红波等，2002),再运用模糊综合评价法、综合指数法、主成分分析法、灰色系统评价法等多项综合评价方法得到综合评价值。在实际应用中，这类型的综合评价问题所涉及的多指标与评价值之间存在十分复杂的非线性关系，传统的解决思路中存在两个难点：评价指标对综合值的贡献程度即权重带有一定的主观因素和人为干扰；.多个评价指标与一个或多个综合值的非线性关系难以用精准的数学模型得以表达。针对这两点，由大量简单的神经元互相连接所形成的非线性系统一一人工神经网络模型可以通过对大量输入样本的反复学习训练，根据数据的特点自行归纳问题的特征并得到相对客观的权重（楼文高和王延政，2003)，对于非线性问题的模式识别以及分类十分适用。
2.研究区概况与研究方法
2.1.研究区概况
鄂尔多斯是我国内蒙古自治区的一个地级市，位于其西南部，地理坐标为北讳37°35'-40°51',东经106°42'-111°27'(鄂尔多斯地图查询），从东至西长约四百千米，从南至北宽约三百四十千米，总面积八万六千余平方公里。海拔在八百五十米至两千二百米之间，属温带大陆性气候，年平均气温5.3°C-8.7°C，年水量为300mm-400mm，全年降水集中在七月到九月之间。区域内的主要水系有皇甫川、窟野河、秃尾河、孤山川等多条黄河支流。鄂尔多斯市全市境内具有平原、丘陵山区、沙地、高原和沙漠五大类型地貌，砒砂岩区总面积达1.1万余平方千米，超过其总面积的八分之一，主要分布在辖区内的准格尔旗、东胜区、达拉特旗、伊金霍洛旗和杭锦旗等地区。境内沟壑纵横，主要有裸露区、覆土区和覆沙区三大类型区，风蚀、水蚀、冻融侵蚀、重力侵蚀相伴发生，形成多项复合侵蚀，水土流失现象十分严重。该地植被稀疏，天然植被以禾本科iPoaceae).菊科、Compositae豆科iLeguminosae)等植物为主，人工植被以油(/a^w/z/o/Tw/s ) 、 /、棘(Hippophae rhamonides L) >丰宁条(Caragana korshinskiiKom)、 刺槐(Rohiniapseudoacacia L)为主。
3.GA-BP等级评价模型构建.............................. 29-57
3.1.输入输出指标的确定 ............................. 29-33
3.2.训练样本和测试样本的获取 ............................. 33-37
3.2.1.样本插值 ............................. 33-34
3.2.1.1.Linspace函数均匀插值 ............................. 34
3.2.1.2.Rand函数随机插值............................. 34
3.2.2.数据预处理............................. 34-37
3.3.网络拓扑结构及算法的确定 ............................. 37-40
3.3.1.输入输出层节点数的确定 ............................. 37
3.3.2.隐含层节点数的确定 ............................. 37-39
3.3.3.传递函数的确定 ............................. 39
3.3.4.算法及训练函数的确定 ............................. 39-40
3.4.遗传算法优化............................. 40-41
3.5.模型训练及仿真 ............................. 41-54
3.5.1.模型的训练............................. 42-52
3.5.2.模型的仿真测试............................. 52-54
3.6.模型应用及分析............................. 54-57
4.投影寻踪等级评价模型构建............................. 57-62
4.1.建立等级标准的PPE模型............................. 57-59
4.2.建立评价样本的PPE模型............................. 59-60
4.3.评价结果比较与验证............................. 60
5.结论与展望 ............................. 62-64
5.1.结论 ............................. 62-63
5.2.展望............................. 63-64
结论
植被建设措施是改善砒砂岩地区水土流失状况和恶劣的生态环境的重要技术手段，对该地区特征植物的水土保持功能进行深入研究，明确"沙棘生态工程"建设十年以来水土流失综合治理的成效，可为日后砒砂岩地区同类生态工程的持续开展和管理提供科学依据和有效建议。沙棘在沙漠和高寒山区的恶劣环境中能够较好地生存，尽管不是砒砂岩地区唯一能生长的植物，但却是当地生态建设中环保价值最高的植物之一。
本文结合人工神经网络技术和遗传算法，构建了一个拓扑结构为6-6-1的GA-BP等级评价模型。以鄂尔多斯市五个旗（区）的人工沙棘林为研究对象，对其水土保持功能进行综合评价研究，得到以下结论。
(1)相较传统的综合评价方法，BP人工神经网络技术与遗传算法的有效结合具有突出的优越性，能更好地解决基于权重的复杂非线性评价问题，在一定程度上克服了一般评价方法中权重确立的相当主观性，保证了评价结果的客观性。评价结果显示：2003年鄂尔多斯巿五旗（区）沙棘林的水土保持功能仅表现出少许的差异性，等级模型输出值均低于0.25，为V级。2009年五旗（区）沙棘林的水土保持功能综合等级值为东胜区（0.84， II级） >准格尔旗（0.63， III级） >伊金霍洛旗（0.59， III级）〉达拉特旗（0.55， III级）〉杭锦旗（0.29， IV级）。GA-BP等级评价模型在反复大量试验的基础上，选择适宜的参数和训练函数，精度较高，评价结果客观稳定，且网络泛化能力较高，具有一定的区域适宜性。该模型不仅可在我国晋陕蒙其他砒砂岩治理区日后沙棘生态工程的持续建设和管理中得到进一步运用，也可对砒砂岩区人工林建设过程中其他适宜植被的选择及其水土保持功能的评价研究提供参考方法。
(2)本文运用高维数据降维思想的投影寻踪技术建立了砒砂岩区沙棘水土保持功能评价的投影寻踪等级评价模型，以同一研究对象对GA-BP等级评价模型的研究成果进行验证比较。评价结果显示：2009年五旗（区）沙棘林的水土保持功能综合等级值为东胜区（1.63， II级） >准格尔旗（2.81， III级）〉伊金霍洛旗（2.90， III级） >达拉特旗（2.95， III级）〉杭锦旗（4.58， V级）。结果证明，运用两个等级评价模型的评价结果十分相似，且五个旗（K)的等级值排序均是一致的。两个等级评价模型的相互验证过程和结果，I正明了这两种综合评价方法在水上保持功能评价中均具有一定的科学性、有效性及可靠性。而且，基于投影寻踪等级评价模型中最佳投影方向的本质意义，可避免人为因素的影响，通过输入数据的特征自行归纳指标权重，可明确水土保持功能评价指标对综合评价等级值的影响程度。
(3)开展建设已经超过十年的"沙棘生态工程"在治理水土流失方面己初步取得一定的效果。鄂尔多斯市五旗（区）在种栴了总计1328.36km2人工沙棘林后，随着种植面积和建设管理水平的提高，十年间沙棘发挥的水土保持服务功能平均提高了两个等级，积极有效地遏制了砒砂岩区水土流失情况的恶化，给当地的生态环境带来了积极良好的改善作用，且尤以东胜区改善效果最为明显，这与当地的种植力度和管理水平相关，该地的经验值得周边地区学习和推广。