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毋庸置疑,数学规划领域的重大突破总是始于线形规划。提到线性规划算法,人们最先想到的是单纯形法和内点法。单纯形法是实际应用中使用最普遍的一种线性规划算法,而研究者们已证明在最坏的情况下单纯形法的计算复杂度是指数级的,内点算法的计算复杂度是多项式时间的。把两种算法相提并论,要么是这两种算法都已经非常完备,要么都有需改进之处。显然不属于前者,即两者都有需要改进之处。几十年来,研究者通过不断努力,在两种算法的计算上都取得相当的进展。
1数学模型
线性规划问题通常表示成如下两种形式:标准型、规范型。
设jj(2…,n)是待确定的非负的决策变量;认2…,n)是与决策变量相对应的价格系数;K2…mj=l2…n)是技术系数;b(i12…,m)是右端项系数;
线性规划是运筹学最基本、运用最广泛的分支,是其他运筹学问题研究的基础。在20世纪50年代
到60年代期间,运筹学领域出现许多新的分支:非线性规划(nonlinearprogranming、商业应用(crnxmereialpplieation、大尺度方法(laresealemeh-Qd)随机规划(stochasticPKgiamniig)、整数规划(ntegerprogramming)、互补转轴理论(amplmentaiyPivotheor)多项式时间算法(polynomialtjneagatm)等。20世纪70年代末,上述分支领域都得到了极大发展,但是却都不完善。而且数学规划领域中存在许多Nfkhard问题,如TP问题,整数规划问题等。这些问题的基本模型都可以写成线性规划形式,因此通过对线性规划算法的进一步研究,可以进一步启发及推动数学规划领域内其他分支的发展。
2边界点算法
由于单纯形法与基线算法都是在可行集的边界上取得最优值,故合称单纯形法与基线法为边界点算法。单纯形法是线性规划使用最早也是目前实际应用中最流行和求解新型规划问题最有效的算法之一。它实施起来相当简单特别对中小规模问题效果显著。单纯形法最早是由Damzg于1947年夏季首先提出来的。1953年Dantzig为了改进单纯形法每次迭代中积累起来的进位误差,提出改进单纯形法12。1954年美国数学家CELmH3针对对偶问题提出一种在数学上等价于用改进单纯形法求解的对偶线形规划。1974年CuretN41提出了求解一般线性规划问题的原对偶单纯形法,该算法与对偶单纯形法类似,但是原对偶单纯形法允许我们从一个非基础对偶可行解开始算法求解。
1972年Klee等举例证明了单纯形算法的时间复杂性有可能是指数型。1973年,Jeoslowoi和Zdeh7又分别进一步指出常用的对偶单纯形法、原一对偶单纯形法等都是指数级的。
这就让人们产生两个疑问:①是否存在单纯形法的某种改型,用它求解线性规划问题是多项式时算法。
对于问题①,研究者们对单纯形法采用了一系列改进技术如数据的预处理方法、更好的退化性处理、更好的局部价格向量计算、原一对偶最速下降边算法的应用、更快和更稳定的矩阵分解、更好的Cach存贮的应用、以及阶段1和阶段2的组合算法等。但是仍未能从理论上证明线形规划算法是多项式时间的。
近年来国内也出现了一批致力于线形规划算法研究的学者,但是国内学者的研究主要集中在对单纯形法的突破研究上,如基线法|8_'最钝角原理1111等。
最钝角及投影主元标算法都是针对单纯形算法存在退化现象就如何选择最优入基、离基做出的一系列研究及改进。退化现象是单纯形法一直以来需解决的难题,为了克服退化问题许多学者提出了有限主元规则:扰动法、字典序规则、Blad规则1171等,其中Bind规则由于其简单而备受关注,但是这些有限主元规则的实际应用方面并不令人满意,甚至都不能和Dantzg规则相比。1990年,潘平奇教授在文献[11]给出了线性规划问题最优基的一个启发式刻画特征:最钝角原理。最钝角原理是引人反映目标梯度与约束梯度夹角大小的“主元标”乍为确定变量进基优先性的依据,潘教授的数值试验11819表明此规则明显优于Bland规则。然而潘的方法仅适用于只含不等式约束的线性规划问题。为便于求解标准线性规划问题,许多学者在其基础上又提出了对偶主元标法。由于对偶主元标法是利用严格互补松弛来推导过度的,针对这一问题,又有学者提出了投影主元标法。
除此之外还有一系列最钝角原理在非人工变量两阶段算法1M21及亏基情况下的应用研究。这些研究表明,最钝角原理是克服单纯形法退化的一种有效方法。
基线算法的概念是1996年阮国桢教授提出来的1891,这种算法是单纯形法的发展,名字由来一方面是相对单纯形法(基点法)提出,另一方面是使用
基线算法的主要思想是:
其中疋FTX1;eRbERm为一个m阶单位矩阵。n是问题的维数,m是约束个数。把目标函数v=ff作为一个约束,看作参数。
Stef!以任意:>0所对应的变量作为进基变量,则x所在的列与单位矩阵一起构成了一个可行基B改写八=[N马,相应地改写X为[xrxo’,x为非基变量,x为基变量。于是方程组AX=[vb’可以写成Nx+Bx^Evl]’=a0+^0VStep求B1,以B1左乘,得B^1N^N+3B=B1[v]’=矿a0+B1⑷v
(2.1)
令a=B1a。,p=B-1仏则式(21河写作
Sep对任意巨{01,…,m},令aA^vs0
计算出当前基线表对应的可行值区间[J-”。若h
…,n-L贝IJv为最优值,或者转SteP4
Sep旋转基表,更新BaP旋转基表时通常只使用有限软上界行的负可旋主元。对于负可旋主元的选择主要实现方法有:最大负主元算法[221,行列最好主元算法[231,保硬主元算法[24251等。
基线算法操作简单迭代次数少,求解速度快。相对单纯形法来说,单纯形法最多能搜索与当前极点相邻的n个极点,而基线算法能搜索11个二维面,这是基线算法能够快速求解LP问题的关键所在。
发展至今,基线算法已有其对偶算法[271,群部分算法['目标规划[29301,锥上算法[311等一整套的理论基础和一系列具体的快速实现算法12632,围绕着是否存在着多项式的基线算法,在计算复杂度方面作深入的研究将对线性规划的发展具有十分深远的意义。
3割平面法
线性规划算法中割平面思想的应用主要是指椭球法。1979年Khanchiaii33!改进Yudin和Nan-
ovski等[34]为凸规划开发的椭球法,获得了一个求解线形规划的多项式时间算法:椭球法。对问题②做出了明确回答。不同于单纯形法从一个基础可行解开始迭代,椭球法的特点是求解过程的每一阶段都有一个以某一点为中心的椭球,迭代是从一个包含最优解的较大的椭球迭代到包含最优解的较小的椭球直至逼近最优解。
为线性规划问题式(1.2)的规模。其中,lg]是以2为底的对数,「?]表示刚刚大于括号值的整数。则椭球法的时间复杂度为OML)
Khachiar椭!球法的主要思想是:
根据线性规划的强对偶定理,线性规划问题式(1.2)可以转为下列求可行域问题:
2)从球开始,这个球大到包括式(3l1)的所有可行集X不断构造一系列椭球,第k次迭代的椭球为Ek检验椭球中心&是否满足约束条件;若满
足则停止,否则利用割平面球的半椭球$Ek=EH
{aTA构造新的椭球更新椭球Ek+1为包含半椭球的最小体积椭球。按照这种算法下去直到椭球中心位于目标集内,椭球中心即为问题式(31)的解;否则椭球体积太小以至不含问题式(31)的可行解。
由于Khachiarn椭球法从构造包含可行域的大
的椭球出发,初始椭球体积有可能是天文数字,而且KhanCir椭球法利用K-K-T条件将原规划问题转
化为可行域求解问题,扩大了求解规模的同时加入了等式约束,使得可行集体积为零。虽然求解时,对等式进行摄动,可行集体积仍然很小。初始椭球体积太大,最终椭球(包含可行集的最小椭球)体积又几乎为零,算法可能需要经过非常大的迭代步数才能收敛。而且如果对偶问题无界则原问题不可行,因此当计算结果无解时不能判断是原问题无界呢还是原问题不可行。
不少研究者从加大每次迭代后椭球缩小比出发,提出了许多KhanCirn椭球法的改进算法:深切害J(deepeus)35-37、替代切割(surrogatecuts)381、
平行切割(paUMeus)|39-411等。最新成果是杨德庄等人提出的新的椭球法142,其优点在于引入目标束不等式及目标不等式组成,与原椭球法相比一方面大大缩小了算法求解规模,另一方面扩大了可行集的体积。而且新算法中可行集切割及目标切割交替进行,加速了椭球体积的缩小。不过令人失望的是即使最好的椭球法实施在计算上都难以与已有的单纯形法相比。因此,实际中很少作为一般方法使用1431。
然而线性规划的其他解法如单纯形法、内点法都需要从一个基础解出发,然后确定迭代方向、迭代步长,因此每次迭代都需要计算目标函数和所有约束函数。而椭球法的计算则简单得多,理论上来说椭球法对于约束条件多的问题更有效。
4内点法
1984年KamarH441提出了一个比Khanchian法好的多项式时间算法的内点法,称为Kamaikar法。由于该法引用了非线性规划中的牛顿投影,因此又称K_aka牧影法。
K_aka袪的提出在线性规划领域具有极大的理论意义。与椭球法不同,这个新算法不仅在最坏情况下在时间复杂度上优于单纯形法,在大型实际问题中也有潜力与单纯形法竞争。
这一方法的提出掀起了一股内点法的研究热潮。鉴于Kamaka?法的难读性,一些研究学者?对Kamaika袪进行了适度的修改,使其简便易读。然而直接用该方法编程解题的测试表明,与目前基于单纯形法的商用软件相比,并没有明显的优势1491。因此很多研究者在Kamarka法的基础上深入研究并提出了各种修正内点法方法:仿射尺度法,对数障碍函数法,路径跟踪法算法等。
仿射比例调节法又分为原(Ptme)仿射比例调节法和对偶(Dua)方射比例调节法。原仿射比例调节法是从原问题出发,用一个仿射变换代替投影变换,把坐标系从一个非负象限不是单纯形)映射到其本身。该法1967年由前苏联学者Dkii5(0提出,但他的工作直到Bame1]等人再次研究该法后才被 法,另一方面作了完全的收敛性的证明。此外,1989年AdleP等发表了从原问题的对偶问题出发的对偶仿射比例调节法。
1986年G1531等人第一次把用于非线性规划的对数障碍函数法用于线性规划,并证明了对数障碍函数法和Kamarka投影法是等价的。以后的研究表明kamaikaf法实际上是广义对数障碍函数法的一个特殊情形。由于其计算方面的优越性,因此该法得到更多的研究和发展,该法也分为原对数障碍函数法和对偶对数障碍函数法。
原对偶(PrimaDua)各径跟踪法,实际上是原对偶障碍函数法,是MeidG19M541年提出的。他将包含对数障碍函数问题的障碍参数的唯一的最优解所构成的曲线称为一条路径或中心轨迹,当障碍参数趋近零时,中心轨迹的极限即为原问题的最优解。Kojma55'等最早(1987)提出收敛的算法,之后其他研究者对算法作了进一步的改进。为了找到起始可行解算法都要引进人工变量和附加约束条件,分别以适当的大数作系数和右端值,但算法对这些大数的选择很敏感易导致算法中数值的不稳定性。因此LustiTi等考虑使这些大数同时变为无穷大时坐标增量的“极限可行方向”该方向只改变了求最优解的方向,并不改变确定轨迹中心的方向,因而问题解法成为不可行问题原对偶牛顿法,其优点是对初始解不必引入人工变量。该法也可用类似形式应用于不可行原问题或对偶问题的方法中[57581。该法还便于处理有界变量问题。然而这个方法的计算复杂性尚未确知,没有一般收敛的算法的证明。此外,在方法的改进方面,出现了全面收敛不可行内点算法和预计改正法。
势函数下降法有基于Gezaga等人提出的原势函数下降法和Ye等人提出的原对偶势函数下降法,计算复杂性都达到较好指标。前者算法包含了两个搜索方向,且所有仿射变换方法都采用了最速下降方向。这方面的改进还有Kajmm等的原对偶势函数下降法等。由于上述势函数下降法的各种算法是基于一系列严格的可行解上,方法都要求说是难以做到的。显然直接采用不可行内点算法是最好的解决办法,因而Y,eTOdd和Misunol994年提
出了构建“齐次自对偶问题”的方法,该齐次自对偶问题的解则可以用Kajjna等的原对偶势函数下降法来解出。
在20世纪90年代内点法理论发展成一个相当成熟的原理。这一时期,对内点法理论的一个主要贡献来自YENesterov和八SNmirovski两位数学家[69。他们创建的Self-Cocrdant函数理论,使基于对数障碍函数的线性规划内点法很容易推广到更为复杂的优化问题上,如非线性凸规划、非线性互补、变分不等式、半定优化以及二阶锥优化等。目前自协调函数形式主要有:对数函数和商函数形式。
今天,内点法的研究热点主要转向于半定优化、半定互补、非凸优化及组合优化问题上。
5自协调函数理论
自协调函数可谓是线性规划算法研究的一个重大突破,也是我们后续研究的重点。自协调函数理论又名自协调障碍函数理论,为解线性和凸优化问题提供了多项式时间内点算法。根据自协调障碍函数的参数就可以分析内点算法的复杂性。
自协调函数定义:
一个凸函数fR-R对定义域内的任意x满足Lf"(x)<2f(x3/2,我们就称它为自协调函数。如果函数(Rn-R对于任意直线满足自协调条件,我们称函数§(9是自协调函数。
自协调函数理论的关键是算法的复杂性由自协调函数的两个参数决定,只要这两个参数可以推导出,则可求得算法的复杂性。
然而目前常用的自协调函数形式只有对数障碍函数形式:负对数函数:f=一Igx及负商函数加上负对数函数:f=xgx^lgP]。
最近CReas等m指出有些内核函数尽管没有全局自协调性,却能在局部自协调。而且,CR?s
部值 也可以较好的求得算法的复杂性。基于CRQ0S的思想,金正静等1711提出了一个局部自协调函数,其形式如下
自协调函数理论的提出,为我们分析算法复杂性带来了极大的便利。然而以上的自协调函数形式都要求核函数为正,这为我们的研究带来了极大的限制。那么自协调函数是否存在不要求核函数为正的形式为我们研究自协调函数提供了方向。
6结束语
除了边界点算法,椭球法,内点法,线性规划还有有效集法等经典算法、杨德庄教授的新算法及遗传算法,神经网络等求解线性规划的智能计算方法,有兴趣者可参看有关文献。
巴塞尔委员会2004年6月26日公布的新资本协议,延续了以资本充足率为核心、以信用风险控制为重点、突出强调国家风险的监管思路,着手从单一的资本充足充约束,转向依靠最低资本充足比率、外部监管和市场约束三个支柱的共同约束,进而提出了衡量资本充足比率的新思路和新,使资本充足率和各项风险管理措施更能适应当前市场的要求。巴塞尔委员会的阶段性成果既是一定时期内国际银行业风险管理经验教训的,同时也代表着银行业监管原则的发展趋势。
巴塞尔新资本协议对我国银行业正在谋求的国际化发展方向有着重大的。金融全球化的内在要求是监管标准的全球一致化,而的银行业没有达到新资本协议的要求,一旦进入国际市场,这将会使其在开拓业务和竞争中处于不利的地位。发达国家不会容忍达不到新资本协议要求的外国银行,其在本国开立的分行长期得到优惠;发达国家将来也不可能批准达不到新资本协议要求的外国银行,在本国新设机构;而且达不到新资本协议要求的银行难以得到国际认可的评级机构给予的较高评级结果,这对其在国际金融市场上的融资极为不利;中国的银行业需要引进信用风险控制技术,解决不良资产控制乏力的,同时也需要将操作风险纳入资本监管,提高管理水平。我们需要根据新资本协议所代表的国际银行业监管发展方向,来处理好我国金融放松管制与强化监管的关系,建立起适合中国国情的银行监管体系,防范和化解银行业风险,全面提高我国银行业的风险管理水平,提高我国银行业的国际竞争力。
二、当前我国银行资本监管中的不足
对照新资本协议,可以看出我国现阶段的银行资本监管与当代世界银行资本监管在以下四个方面存在着明显差距:
第一,立法严重滞后于国际银行业资本监管的发展步伐。1988年的巴塞尔资本协议要求各国在1992年底达到最低资本要求,可中国人民银行在1994年才提出资本充足率的规定,要求在1996年底实现,但措施不配套导致监管流于形式,直至银监会2004年2月公布《商业银行资本充足率管理办法》,才明确2007年1月1日达标;巴塞尔委员会要求在2006年底达到新资本协议的要求,但我国银监会主席刘明康表示:“至少在十国集团2006年实施新资本协议的几年后,我们仍将继续执行1988年的老协议。”
第二,立法和各项制度不配套,导致资本监管无法实现。由于立法上的缺陷,使得监管当局只对股份制商业银行进行资本监管,而对国有独资商业银行免于资本监管。
第三,立法缺乏前瞻性,没有为未来的风险监管留下可操作的法律空间。银监会《商业银行资本充足率管理办法》基本与1988年巴塞尔协议相符,虽然吸收了新资本协议有关监管和信息披露的规定,但没有将操作风险纳入资本监管范围预留空间,也没有为未来大型商业银行使用信用风险内部评级法留下空间。
第四,市场约束力度不够,对风险性的披露不足。虽然人民银行2002年公布了《商业银行信息披露暂行办法》,但我国银行的信息披露相对简单,并缺乏对投资者和市场的沟通,缺乏与之相匹配的定性和资本配置战略,在必要信息和建议信息的披露以及披露频率方面也放宽了条件,使得来自于市场的压力大大低于新资本协议的希望。
三、改进我国银行资本监管的几点建议
(一)第一支柱——运用内部评级法和建立操作风险资本金准备
1.衡量信用风险要优先考虑运用内部评级法。新资本协议在衡量信用风险的方法上提出了内部评级法和标准法两种方法,标准法对管理水平低下的银行在资本配置上给予了惩罚,不良贷款的风险权重由100%变为150%,而导致银行这一部分资产相应要增加50%的资本配置。我国银行的不良资产率高,银监会公布截至2003年6月末,国有独资商业银行的不良贷款余额为20070亿元,不良贷款率为22.19%。所以长期以来,我国是依靠政策资源来解决银行过高的不良资产。自1999年全国四大国有商业银行第一次剥离1.4万亿元不良资产后,中行和建行在2004年5月、6月又分二次剥离不良资产4757亿元,不良资产率很快接近了国际商业银行正常的标准线内。这种情况下,中行和建行上市后就能够将不良资产继续控制在正常的标准线以内吗?这无疑不是上市本身就能解决的问题,更不可能继续依靠政策来解决。形成中国银行业不良资产率高的诸多原因中,缺乏风险控制技术是一个重要原因,这也是我国监管上的重大缺陷。商业银行法实施后,人民银行先后颁布了《贷款通则》、《商业银行授权、授信管理暂行办法》、《商业银行实施统一授信制度指引(试行)》,银监会成立后颁布了《商业银行集团客户授信业务风险管理指引》、《商业银行授信工作尽职指引》等规章,商业银行在风险评估和管理方面进行了一系列改革,建立了内部统一授信、审贷分离、尽职调查、集体审议的授信审批制度,实现了客户经理报送项目材料、支行审核、授信部门审查、复查、贷审会委员表决的全过程控制。但商业银行的不良资产控制问题依然没有解决,有的银行就要求新发放贷款不良率超过1%的,行长下课。对商业银行新增授信产生了极大的压力,也使得一些很有盈利能力的不能获得银行的贷款支持,导致银行业务空间缩小,这反映了银行管理成本的高昂和银行体系市场化程度的低下。内部评级法是当代银行风险控制技术的最新进展。随着风险管理技术的发展,许多大型银行通过搜集大量内部数量模型建立的贷款决策系统,可以在客户输入必要的基本数据后,在几分钟内决定一些类型的贷款。20世纪90年代初,由J.P.摩根和主要国家的高层银行家、家和学术界人士组成的咨询小组在考查衍生品市场的基础上提出了评估市场风险的VaR法(Value at Risk)。巴塞尔委员会则在1996年1月公布的《关于资本协议市场风险补充规定的概述》中同意各家银行采用VaR等评估市场风险。很快,VaR模型这种风险控制技术被引到了信贷风险控制领域,1997年4月初,美国J. P. 摩根财团与其他几个国际银行——德意志摩根建富、美国银行、瑞士银行、瑞士联合银行和BZW共同,推出了世界上第一个评估银行信贷风险的证券组合模型。亚洲金融危机后,许多国际化银行在内部评级系统中引入了基于运筹学的模型技术,通过对国家、区域、行业、产品、客户和债项等方面的自由组合与交叉分析,使风险精度达到了一个崭新水平。巴塞尔委员会吸收了上述风险控制技术发展的最新成果,作为最新的监管原则列入新资本协议,在全球进行推广。
运用内部评级法是我们的必然选择。能够采用复杂技术的银行通常能够更为灵敏地反映银行内部风险变动及其所需的资本配置,因而在竞争中会占据更为主动的地位。所以,应当从政策上鼓励我国大型商业银行在信用风险管理中加快实施内部评级系统的运用,建议对资本充足率监管办法作相应修改和完善,制订专门的监管办法,允许条件成熟的大型商业银行在信用风险管理中使内部评级法。
2.建立操作风险资本金准备。操作风险是当前国际上银行风险管理的重要。巴塞尔委员会认为,操作风险是指由不完善或有的内部程序、人员及系统或外部事件所造成损失的风险。巴塞尔委员会在充分吸收成员国经验、教训和其前期相关文件精华的基础上,于1998年9月正式颁布了《银行机构的内部控制制度框架》,系统地提出了评价商业银行内部控制体系的指导原则,并为各国银行监管当局承认和接受,成为建立与评价银行内部控制制度最权威的依据。巴塞尔委员会在新资本协议中,将操作风险的衡量和管理纳入商业银行的风险管理中,要求商业银行为操作风险配置相应的资本金。
操作风险是我国银行风险管理的薄弱环节。我国的商业银行由过去长期计划体制下的专业银行转换而来。20世纪90年代中期以后,银行作为市场上的一个平等主体的地位逐步确立,银行的操作风险就越来越明显的显示出来。人民银行1997年5月了《加强商业银行内部控制的指导意见》和《关于进一步完善和加强商业银行内部控制建设的若干意见》,极大地推动了我国商业银行内部控制制度的建立。2002年9月人民银行了《商业银行内部控制指引》,对银行业务的各个方面的内部管理提出了要求,但由于我国商业银行在内部控制体系建设方面起步晚,缺乏经验,认识不清、制度不健全、运行机制不畅等现象仍然存在,导致有的商业银行被关闭,有的商业银行不断发生大要案件,如银行开平支行三任行长共同作案8年,侵吞银行资金4.83亿美元。国家审计署审计长李金华在2004年6月23日所作的《关于2003年度中央预算执行和其他财政收支的审计工作报告》披露,中国工商银行总行及21个分行违规发放贷款,违规办理票据承兑和贴现。同时发现各类案件线索30起,涉案金额69亿元。从以上问题暴露了我国商业银行在操作风险的管理上,存在着认识不足、内控制度不健全、内部组织结构不、风险控制手段不足、缺乏必要的事前和事中控制等一系列问题。但根本原因还是监管不力,银监会2004年2月公布的《商业银行资本充足率管理办法》没有将操作风险纳入资本监管范围,也没有为未来将操作风险纳入资本监管留下立法的空间,这就难以激励商业改进管理,提高操作风险管理水平。
因此,要尽快适应国际金融监管的最新发展趋势,要将操作风险纳入监管范围,监管机关应当要求商业银行分期建立操作风险的资本金准备。建议对资本充足率监管办法要作相应修改和完善,就大型商业银行和积极寻求国际化发展的银行实施操作风险的资本金准备,制订专门的监管办法,从政策上对操作风险的资本金准备给予鼓励。
(二)第二支柱——建立和完善统一的银行风险评级体系
新资本协议中第二支柱外部监管部分的关键,就是要建立一个全球一致的外部监管流程。中国银监会于2004年2月推出《股份制商业银行风险评级体系(暂行)》,对于我国银行风险监管来说有着重大意义。但它的严重缺陷就在于它只限于股份制商业银行,而把国有独资的四大国有商业银行排除在外,这样就使得商业银行风险评级成为二元结构,一部分股份制商业银行即11家已经上市的股份制商业银行和112家城市商业银行成为风险评级对象,接受监管当局的风险评级监管,而国有商业银行则免于评级和监管。所以,解决我国商业银行资本充足监管的关键是废除二元监管体系,国务院于2004年1月7日作出了建行中行改制上市的决定,建行和中行已经分别成立了股份制公司,迈出了实质性的一步,而工行和农行将于下一步择机上市,这无疑是非常正确的决策。下一步应当调整立法,取消有限责任公司这种商业银行的组织形式。我国1995年颁布《商业银行法》时,由于上没有突破禁区,容许商业银行以有限责任这种公司组织形式存在,直到2003年修改《商业银行法》时也未能废除,造成国有独资商业银行免于资本监管,这不能不说是我国金融立法上的一个失误。笔者建议及时修改《商业银行法》,明确设立商业银行以股份有限公司为限。
自然保护区是受特殊保护和管理的一类特殊的可靠性系统。本文从可靠性视角出发,利用冲击模型方法和MATLAB随机模拟技术,以贵州草海为例分析自然保护区系统的寿命行为和失效规律。分析结果表明:①20世纪50年代以前,草海系统受到的人为干预相对较少,可靠性长期保持相对稳定。以人类活动为主的冲击影响始于20世纪50年代末,对保护区生态功能产生了强烈干预。②在1958―1980期间,政府出于防涝减灾考虑的引流排水行为扮演了系统的主要冲击,对其可靠性产生了毁灭性影响。③在1980年之后的30多年里,周边农民出于造田增地需求的排水毁林自发性活动则形成草海保护区的新一轮冲击,并持续影响着系统的生态功能。④目前草海在调节气候、缓解灾害、保持生物多样性方面的生态功能已严重弱化。如果最近几十年的人为冲击模式不能得到有效缓解,保护区系统极有可能在近期内再次发生功能性崩溃。
关键词自然保护区;冲击模型;可靠性;寿命分布;草海
中图分类号O213.2;X36文献标识码A文章编号1002-2104(2017)05-0170-07DOI:10.12062/cpre.20170330
中国是世界上拥有自然保护区最多、覆盖国土面积最大的国家之一。我国于20世纪50年代中期开始建立自然保护区,对具有代表性的自然生态系统、珍稀濒危野生动植物物种的天然集中分布、有特殊意义的自然遗迹等进行特殊保护和管理,截至2010年,全国各种类型的自然保护区达到2 588个,总面积达到14 944万hm2[1]。半个多世纪以来,如何协调保护与发展之间的矛盾,在保护前提下实现自然保护区自然资源的有效管理,并寻求自然保护区科学研究与环境教育、生产与旅游的有机结合,一直是政府、实践者及研究者共同关注的核心问题。
1研究背景与文献综述
国内自然保护区的学术研究大致与自然保护的管理实践同步发展,在经历了传统研究阶段、探索定量研究手段与技术阶段之后,随着21世纪之初以社区共管、协议保护等为代表的一些新的国际模式的引入,不仅为我国自然资源保护管理模式的转变与创新积累了可贵的经验,也为相关领域的学术研究提供了新视角。纵观我国自然保护及自然资源管理的定量研究,2000年之前,较为常见的研究视角是以自然保护区建立的客观特征为主进行评价分析,主要包括计算综合评价指数[2]、生态质量综合评价[3]等。在此后的大约10年(2000―2010年)内,研究者或强调自然保护中管理的作用以及保护的综合效益,对保护区的生态、社会和经济效益进行评价[4-6];或关注自然资源利用与经济发展的关系,认为人类对自然资源的利用意味着对自然资源生产的投入[7],并应注意协调资源利用与保护之间的矛盾[8]。2010年之后的研究更为强调评价的整体性和系统性,例如,徐志刚等全面梳理了1998年以来我国生态建设工程及其相关政策的实施,并对其整体效果进行了系统评价[9]。
国外方面,自20世纪90年代以来,自然保护效果成为自然资源管理领域的研究重点。Norton以森林生态系统可持续发展概念为基础,强调管理在自然保护效果中的关键作用[10];进而,一些学者从森林生态系统的功能、稳定性和管理模式方面分别对自然保护效果进行了探讨[11-15]。Attiwill and Adams肯定了生态学家的作用,认为生态学家的贡献不仅在于森林知识推广与普及的提高,而且表现为对森林资源可持续发展的积极促进[16]。Johann、Bolland等人探讨了如何基于自然保护区的经济与社会结构来进行适当的资源管理与环境保护[17-18]。自2010年以来,生物多样性概念在国际范围逐步获得政府及学术界的认可,同时自然保护及自然资源管理过程中的公众参与也得到广泛认同。结合这一背景,Tian等、Zhang 等分别对湿地、森林生态类型的自然保护区管理效果进行了定量讨论[19-20];Garmendia and Stagl从社会学习中的规模、系统感知及行为模式等维度出发,分析了公众参与的社会学习及可持续性[21]。
本文依据可靠性理论,在我们近年研究的基础上[22-23],以贵州草海国家级自然保护区为例,分析自然保护区系统在人类行为影响下的可靠性问题。若从可靠性视角来看,自然保护区是一个承受包括人类活动因素在内的各类随机干扰的系统,当各种干扰影响累积到一定限度时,系统轻则结构功能受到影响、重则发生功能性崩溃,表现出可靠性系统的典型特征和演化规律,因此可利用冲击模型方法对其可靠性结构进行定量描述,并用寿命分布、失效概率等一系列概念揭示其可靠性演变规律,进而从不确定视角对自然资源管理特征进行描述与解释。
2自然保护区可靠性分析
2.1冲击模型
冲击模型(shock model)是可靠性理论(reliability theory)的内容之一,主要描述可靠性系统在随机冲击条件下的运行特征、失效行为、寿命分布规律等性质。所谓可靠性系统,是指在随机环境下运行并且承受来自环境的随机因素影响的一类系统,当影响效果超过一定限度时,系统性能丧失、发生失效并结束工作状态。这样的系统在现实中广泛存在,例如机械设备、电子装置、生命w、工程建筑及网络系统等。在可靠性理论中,这些随机影响因素被称为“冲击”,冲击的发生时间和影响效果都是随机的。
面临冲击影响,可靠性系统的失效机制具有不同类型。在早期的可靠性理论中,冲击模型具有两类经典的形式,分别称为累积冲击模型(cumulative shock model)和极端冲击模型(extreme shock model),用来描述系统的不同失效机制。在此基础上,一些研究者还依据各种可靠性现实背景建立了一些推广模型,如混合冲击模型(mixed shock model)、run-冲击模型及δ-冲击模型等,其中混合冲击模型可看作累积冲击模型与极端冲击模型两类失效机制的结合[24-28]。
具体而言,若用非负随机变量序列X1,X2,…表示逐次冲击的强度,随机计数过程{N(t);t≥0}表示冲击发生过程;设系统的承受水平为z>0,系统寿命(即系统失效之前正常运行的时间)为T。则对任意给定的某一时间t>0,累积冲击模型条件下的系统失效机制可表示为:
注意到“”左右两端的随机事件之间是等价关系,即系统在时刻t之前失效,当且仅当t之前发生的所有冲击的强度之和超过系统承受水平。于是在累积冲击条件下,系统寿命的分布函数(亦即系统在时间t前失效的概率)为:
相应地,极端冲击模型条件下的系统失效机制可表示为:
即系统在时刻t之前失效,当且仅当t之前来到的所有冲击中的最大强度超过系统承受能力。相应的寿命分布函数可表示为:
2.2自然保护区的可靠性特征
自然保护区是具有特定功能和目标的一类系统,在资源保护、生态保持及生物多样性维持等方面起着重要的作用。相关文献表明,影响自然保护区结构与功能的因素类型复杂,数量繁多,但主要归结为三类因素,即自然因素、生物性因素与人类行为。如关于草场类型的自然保护区,韦丽军等、董光荣等指出滥采、滥垦及滥牧等人类行为是草场退化的主要推动因素[29-30];而针对我国东北平原西部荒漠化的扩大,裘善文等通过分析强调了自然和人为的双重原因,自然原因包括物源与气候的变化,人为因素则包括超载过牧、滥垦滥伐及修建水库等[31]。森林类型自然保护区也具有类似结论,众多研究认为,起到关键影响作用的自然因素有气候、地形、光照等,生物性因素有外来物种、植物降解能力、植被退化、各类病虫害等,而人类因素则包括林木砍伐、林地开垦与林间采集、森林土地的不合理利用以及由工业发展导致的大气污染及酸雨等[32-36]。
显然,自然保护区功能及目标的实现,受到上述三类因素的强烈影响,并且三类影响都具有不确定性特征,其发生时间及影响程度都表现出明显的随机性。因此,如果将自然保护区看作一个具有特定结构的系统,将其改善环境、保持生态及维持生物多样性的能力看作系统的性能,而将三类影响因素看作是对系统的冲击,那么,自然保护区就是一类十分典型的可靠性系统,各类因素的干扰不仅导致系统的结构与功能受损,严重时甚至可能引发系统崩溃。从而,我们可以从可靠性这一新的视角出发,借用成熟的冲击模型方法描述自然保护区系统,以分析其失效机制和寿命特征,并获得有别于传统研究的启示与结论。
3草海自然保护区可靠性建模与分析
3.1背景分析
草海是贵州最大的高原天然淡水湖,中国著名的三大高原湖泊之一,位于云贵高原东部的乌蒙山麓、贵州西部的威宁彝族苗族回族自治县境内,由岩溶堰塞形成,是贵州草海国家级自然保护区的核心区域,湖盆面积约45 km2,湖水补给主要为天然降水和地下水。湖区拥有丰富的生物资源,包括高等水生植物37种、鱼类10余种、鸟类178种,其中包含国家重点保护动物27种,是国家一级保护动物黑颈鹤的主要越冬地。草海区域内的农户收入低、耕地少,长期以来主要靠捕捞水产、开垦湖区周边耕地维持生计。
上世纪50年代及以前,草海的水域面积长期保持在45 km2的规模,生态功能较为稳定。1958年,受国家政策和人口压力影响,贵州省威宁县政府决定实施大规模排水开垦和农田改造运动,使草海湖区面积急剧缩小到31 km2。1970年,当地为增加耕地再次进行大规模排水,致使草海水面锐减,仅两年即仅存5 km2。1980年,以粮食生产为中心的国家政策发生改变,政府决定实施引水蓄湖,恢复草海水域,1982年水域面积恢复到25 km2。随后,草海被列入贵州省自然保护区(1985年)并进而升级为国家级自然保护区(1992年)。1994年,针对草海自然保护区的国际开发计划开始实施,该计划由贵州省环保局、草海国家级自然保护管理局联合负责,并有多个国际保护组织参与。但是,在自然环境复原的过程中,随着人口的增加,当地农民出于生存与发展需要的过量渔业开发、湿地违法开垦等问题持续存在并更为严峻,生计、发展与保护之间的矛盾进一步尖锐化。在这种情况下,草海水域面积持续在20 km2的水平上徘徊(2010年为20.98 km2,2014年为19.80 km2),一直未能恢复到历史原有水平,草海自然保护区系统的生态功能则一直处于不稳定状态[37-41]。
3.2冲击模型建模
纵观草海湖区的历史和功能变迁,人类行为扮演着重要的角色,成为系统面临的主要威胁,如政府不当决策下的引流排水(1958―1980年期间)以及反思之后的蓄水复湖(1980年以后)、农民出于U大耕地需求的自发排水及毁林造田(1980年至今)等,在这一进程中,随着草海水域面积的变化,其生态系统的正常运行及在调节气候、缓解灾害、保持生物多样性等功能的实现不断受到影响,草海生态系统表现出明显的“引流排水水域面积减少湖泊功能丧失生态功能退化”的演化规律,因此可将之看作一个可靠性系统,其中以排水为主的人类活动构成了系统承受的关键冲击。
根据水域面积变化,草海生态系统的演化可分为三个阶段。第一阶段是上世纪50年代中期及以前,水域面积长期保持45 km2的水平,系统生态功能相对完整;第二阶段是50年代后期至70年代,系统遭受较强冲击,水域先是减少到31 km2(1958年),后再次减少到5 km2(1972年),湖区基本不复存在,草海生态功能丧失,系统处于崩溃状态;第三阶段是80年代以来,农民自发排水造田形成系统持续遭受中度冲击的局面,水域面积一直在20 km2的水平上徘徊(见表1)。
作为一个典型的湖泊-湿地类型生态系统,草海的生态功能依赖于蓄水量的大小。若将排水行为看作对系统的冲击,则排水量自然可以表示冲击强度(即冲击对系统的影响程度);由于现实中排水量无法精确测算,本文考虑用水域面积的减少量来代替。另一方面,上世纪50年代末至70年代,政府不当决策下的大规模排水曾一度导致草海系统发生崩溃。自80年代起,政府成立自然保护区并实施引水蓄湖,而农民排水造田的自发行为形成抗衡;在这个过程中,系统承受的冲击即为农民的排水行为,若排水量较小,其作用将被蓄水所抵消,从而对系统的影响不大。这意味着,只有很大规模的排水才可能造成系统生态功能的强烈破坏。基于这一特点,本文选取极端冲击模型来描述草海生态系统的可靠性机制;根据可靠性研究的思路,以下利用随机模拟技术来分析草海系统在人类排水干预下的可靠性特征,核心问题为系统寿命的分布规律。
根据极端冲击模型的结构 (3)、(4),结合文献 [24],以下对模型参数进行选取:
(1)冲击过程。可靠性理论中的冲击过程是一个随机计数过程,一般假设为Poisson过程;本文用来描述排水行为的时间规律。考虑到实际统计数据以年为单位,故将冲击过程的时间单位定为年;若现实中一年发生多次排水事件,可将之合并为一次,并将一年当中水域面积的总减少量处理为当年的冲击强度。这样,冲击来到过程{N(t);t≥0}可处理为发生速率μ=1的齐次Poisson过程。
(2)冲击分布。即冲击量的概率分布,描述排水行为导致水域面积减少的规律。由表1可见,上世纪80年代以来,草海水域面积一直保持在20 km2左右;与历史水平相比,相当于减少约25 km2。参照文献 [24],我们假设冲击强度X1,X2,…为相互独立的随机变量,共同服从于均值为λ=25的指数分布。
(3)系统承受水平。即系统对冲击的最大承受限度。考虑到草海水域面积的历史记录为45 km2左右,大规模排水曾使水域减少至5 km2(1972年),导致生态功能丧失,环境濒临崩溃;相应的净排水量为40 km2,故将系统维持正常功能的最大承受水平定为z=40。
3.3随机模拟结果与分析
根据模型结构 (3)、(4),利用MATLAB软件对草海生态系统的极端冲击模型进行随机模拟运算,模拟时间长度为10 000年(从2014年开始),模拟次数为10 000次。系统寿命分布的模拟结果及主要数字特征分别如图1、表2和表3所示。
由模拟结果可见:
第一,图1显示了模拟结果的频次分布,其中横轴表示时间(年),纵轴表示频次(次)。由于模拟次数很大,因此该图可作为系统寿命的近似分布。图中曲线的变化特征十分类似指数分布,与可靠性理论中极端冲击模型的寿命特征相当吻合。
第二,表2显示,10 000次模拟运算中,系统在未来5年内失效的模拟结果为4 927次,占49.27%;系统在未来〖CM(81.5mm〗5―10年内失效的模拟结果有2 477次,占24.77%。这两
种情况合计占到74.04%。目前条件下,系统能维持10―20年的频率为19.46%,维持20年以上的频率仅为6.50%。
第三,由系统寿命的随机特征所致,无法精确估计其失效时间,但由表3可见,系统寿命的均值和中位数均很小,分别为7.90年和6.00年。
综上,在人类活动干预下,目前草海系统的部分功能已经丧失,系统可靠性十分脆弱,形式极其严峻。如果80年代以来人类行为的冲击模式延续下去,那么草海水域面积将以大约74%的可能在未来10年内(2024年之前)缩减至极限,并使生态系统再次崩溃;而在当前冲击模式下,草海系统在未来20年内(2034年之前)保持相对稳定的可能性只有6.50%,维持30年(至2044年)的机会则微乎其微。
4结论与启示
自然保护区具有十分明确的可靠性特征,是一类典型的可靠性系统。通常情况下,自然因素、生物性因素与人类行为等几类要素以随机方式影响系统的运行,构成对系统的冲击。基于这一视角,本文以贵州草海国家级自然保护区为例,将对草海生态系统已到关键影响作用的人类活动作为主要冲击,利用极端冲击模型方法进行随机建模,结合现实调研数据进行MATLAB随机模拟,分析了自然保护区的寿命分布及可靠性演化规律。我们发现,在过去半个世纪里,出于防涝增地的政府行为(1958―1980年)和排水造田的农民自发活动(1980年以来)对草海生态系统产生了强烈的影响,并一度导致生态功能丧失、生态系统崩溃。由此所致,目前草海处于生态功能不够健全的脆弱状态;如果上述冲击模式延续下去,系统近期内发生功能性崩溃将是无法避免的结局(系统将以3/4的概率在10年内崩溃,维持20年的可能性极小)。
将自然保护区的运行于管理置于随机环境之下,引入可靠性理论与方法对其可靠性规律进行研究,体现了新视角、新方法、新结论的特点,并有助于拓展可靠性理论的应用领域。基于草海自然保护区最近几十年来人类行为影响的具体特征,本文尝试使用极端冲击模型描述其失效机制。在另一些条件下,其他模型可能更为合理。例如,若将人类砍伐行为考虑为森林生B类自然保护区系统的冲击因素,由于砍伐量在时间上具有累加性,且持续累加到一定程度可能导致森林生态系统出现故障,此时累积冲击模型将是合适的选择。又如考虑湖泊类自然保护区的排放污染问题,由于在一定时间内,多次较小规模排放的累加效应和一次大规模排放的单独效应均可能造成湖泊系统的失态恶化,故可选用混合冲击模型进行描述。另一方面,由于冲击模型关注的核心问题为系统的寿命行为,故使用该方法只能对自然保护区在一定冲击模式下的失效行为及寿命分布提供解释。若想获得现实的管理对策结论,则需要引入可靠性中的其他理论(如维修理论与方法)。这些方面将是我们在本文基础上继续探索的方向。
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作者简介:王琪,硕士,讲师,主要研究方向为风险管理。Email:。