随机森林算法基本思想及其在生态学中的应用--以云南松分布模拟为例

通常来讲,生态学者对于解释生态关系、描述格局和过程、进行空间或时间预测比较感兴趣。这些工作可以通过模拟输出值(响应)与一些特征值(即解释变量)的关系来实现。然而,生态数据模拟遇到了挑战,这是因为响应变量和预测变量可能是连续变量或离散变量。需要解释的生态关系通常是非线性的,并且解释变量之间具有复杂的相互作用关系。响应变量和解释变量存在缺失值并不是不常有的现象,奇异值也经常出现在生态数据中。此外,生态学者通常希望生态模型即要易于建立又易要于解释。通常是利用多种统计方法来分析处理各种各样情景中出现的独特的生态问题,这些模型包括(多元)逻辑回归、线性模型、生存模型、方差分析等等。随机森林是一个可以处理所有这些问题的有效方法。随机森林可以用来做分类、聚类、回归和生存分析、评估变量的重要性、检测数据中的奇异值、对缺失数据进行插补等。鉴于随机森林本身在算法上的优势,将就随机森林在生态学中的应用进行总结,对建模过程进行概述,并以云南松分布模拟研究为例,对其主要功能特点进行案例展示。通过对随机森林的一般术语、概念和建模思想进行介绍,有利于读者掌握本方法的应用本质,可以预见随机森林在生态学研究中将得到更多的应用和发展。

安徽升金湖自然保护区湿地草本种子植物区系研究

对安徽升金湖湿地自然保护区的湿地草本植物区系进行了初步分析,研究表明,该区共有湿地草本种子植物59科173属275种,以禾本科(Gramineae)、菊科(Compositae)、莎草科(Cyperaceae)等为优势科,而以菱科(Trapaceae)、三白草科(Saururaceae)、茨藻科(Najadaceae)等为该植物区系的表征科;以蓼属(Polygonum)、苔草属(Carex)、蒿属(Artemisia)等为优势属,但属的组成较为分散,寡种属和单种属占总属数的97.69%,表明该区植物成分较为复杂,物种多样性指数较高。从分布区类型看,科以热带成分占明显优势(30.52%);属泛热带分布属最多(21.39%),北温带分布成分次之(13.87%),总体上温带成分(38.73%)略多于热带性成分(34.10%)。表明该植物区系地理成分复杂,过渡性明显,分布区类型多样,具有热带、亚热带与暖温带的多重性质,但以亚热带性质为主。

三峡库区森林凋落叶化学计量学性状变化及与分解速率的关系

凋落物分解是森林生态系统生物元素循环和能量流动的重要环节,其过程是植物与土壤获得养分的主要途径。为了量化凋落叶化学计量学性状变化过程对分解的影响及对凋落物-土壤生物化学连续体的深层理解,用凋落物分解袋法研究了不同林型各自凋落叶化学计量学性状变化及与分解速率关系,结果表明:林下各自凋落叶分解速率是马尾松林<栓皮栎林<马尾松-栓皮栎混交林,马尾松林、栓皮栎林、马尾松-栓皮栎混交林凋落叶分解50%和95%的时间分别是2.11 a和9.15 a,1.93 a和8.45 a,1.76 a和7.77 a;凋落叶分解过程中,化学计量学性状变化明显,分解450 d后马尾松-栓皮栎混交林碳释放最快,栓皮栎林最慢;3种凋落叶起始N含量是栓皮栎林最高,马尾松林最低,分解450 d后马尾松林、栓皮栎林和马尾松-栓皮栎混交林N含量分别增加了66.67%、44.91%和44.52%,而P含量分别释放了30.80%、38.89%和42.29%。凋落物不同化学计量学性状与分解速率关系不同,3种林型凋落叶分解速率均与N含量呈正相关(P<0.01),与C含量(P<0.01)、C/N比(P<0.01)呈负相关,与N/P比呈负二次函数关系(P<0.01),而P含量与3种林型关系不同,与栓皮栎林(P<0.01)和马尾松林(P<0.05)呈负线性关系,与马尾松-栓皮栎混交林呈负二次函数关系(P<0.05)。研究表明,不同林型凋落叶分解中的养分动态趋向利于分解变化,N、P养分动态是生态系统碳平衡和凋落物分解速率的主要因素,混交林中混合凋落物的养分迁移是分解相对较快的原因。

基于年轮分析的不同恢复途径下森林乔木层生物量和蓄积量的动态变化

基于树木年轮学与标准地调查法,研究了川西亚高山林区3种恢复森林类型生物量、蓄积量及生产力动态变化特征,旨在尝试年轮学在森林生长过程反演中的运用,并探索不同恢复模式下森林生物量和蓄积量的动态变化。结果表明,不同恢复类型发育至20年以后,均进入生长加速期,平均胸径间差异逐渐显著,人工云杉(Picea asperata)林胸径增长最快,明显高于天然恢复的次生桦木(Betula spp.)林和次生针阔混交林。在恢复过程中,次生针阔混交林一直保持最高的林分平均地上生物量与林分蓄积量,其地上平均生物量一直显著高于人工云杉林(p<0.05),在20年以后显著高于次生桦木林(p<0.05)。与人工云杉林相比,次生桦木林在25年前具有相对较高的生物量,而在25年之后则低于人工云杉林。在0-20年桦木林林分蓄积量略高于云杉林,而20年以后,云杉林蓄积量则超过桦木林。不同恢复类型的生产力大小对比显示,30年之前,次生针阔混交林>次生桦木林>人工云杉林,30年之后,针阔混交林生产力仍然最高,而人工云杉林则超过次生桦木林。川西林区次生针阔混交林恢复模式在生物量和蓄积量积累方面均具有显著优势。

不同采伐干扰方式对热带山地雨林谱系结构的影响

以海南岛热带山地雨林老龄林及经过择伐和皆伐后自然恢复约40年的次生林为研究对象,通过群落学调查和样地环境因子测定,分析不同干扰方式对群落组成及谱系结构的影响,探讨不同干扰方式下环境因素对群落谱系结构的影响。结果表明:历经40年的恢复,2种方式干扰后自然恢复次生林不同径级(1≤DBH<5 cm为幼树、5≤DBH<10 cm为小树、DBH≥10 cm为成年树)树种的丰富度已接近老龄林水平,其幼树、小树的多度显著高于老龄林,但其胸高断面积依旧显著低于老龄林;从老龄林、择伐后恢复的次生林到皆伐后恢复的次生林,群落幼树和总体的谱系结构由聚集转向发散,而成年树的谱系结构则恰好相反,小树的谱系结构基本上是随机的;在老龄林中,群落各个径级的谱系结构均随着海拔的升高由发散转向聚集;在择伐后恢复的次生林中,除成年树外,群落的谱系结构随土壤含水量的增加由聚集转向发散;在皆伐后恢复的次生林中,幼树的谱系结构随土壤有机质含量的增加由发散转向聚集,而小树和成年树的谱系结构则由聚集转向发散。

海南岛热带天然针叶林主要树种的空间格局及关联性

天然针叶林在热带地区虽较为少见,但其对维持热带地区的生物多样性和生境异质性具有特殊意义。在我国热带天然针叶林集中分布面积最大的海南霸王岭林区,作者选择伴生阔叶树种优势度不同的两种典型南亚松(Pinus latteri)天然林(简称纯林和混交林),采用点格局法分析了其林冠层、亚林层和林下层主要树种的空间分布格局及其关联性。结果表明:(1)纯林中林冠层的南亚松主要为聚集分布,混交林中在较小尺度上为聚集分布,在较大尺度上为随机分布。(2)纯林中亚林层树种在较小尺度上为聚集分布,在较大尺度上为随机分布,在混交林中主要为聚集分布。(3)纯林中林下层树种主要呈现为随机分布,而在混交林中主要为聚集分布。(4)随着尺度的增加,林冠层与其他两个层次的树种,在纯林中表现出从空间无关联到正关联的变化趋势,而在混交林中则表现出从空间无关联到负关联的变化趋势。(5)亚林层与林下层树种在各个尺度上都表现为空间正关联。由此可见,热带天然针叶林中优势种南亚松对伴生阔叶树种的分布格局具有重要影响。