專利名稱：一種評(píng)估歷史時(shí)期湖泊水生植物適宜水位的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于水生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，涉及ー種以湖泊沉積物中孢粉硅藻組合帶為依據(jù)，利用數(shù)學(xué)建模評(píng)估歷史時(shí)期湖泊水生植物適宜水位的方法。
背景技術(shù)：
孢粉硅藻作為植物化石可以較好的保存在湖泊沉積物中，對(duì)反映歷史時(shí)期植被生長(zhǎng)狀況有很高的參考價(jià)值。不同植物對(duì)環(huán)境因子的適應(yīng)范圍不同，淡水湖泊植物適于生長(zhǎng)在低鹽度的條件下，而海洋植物則多為耐鹽物種。同理，不同植物對(duì)湖泊水位的響應(yīng)程度有所差異，可以通過(guò)生物量、多度、群落結(jié)構(gòu)等反應(yīng)。短時(shí)間內(nèi)湖泊水位的波動(dòng)對(duì)植物生長(zhǎng)狀況的影響并不顯著，但長(zhǎng)時(shí)間序列的水位信息有助于發(fā)現(xiàn)植物數(shù)量的變化規(guī)律。計(jì)算歷史時(shí)期湖泊水生植物的適宜水位可評(píng)估湖泊生態(tài)系統(tǒng)處于健康狀態(tài)所需的水文條件，通過(guò)監(jiān)測(cè)現(xiàn)代湖泊水位了解物種的生長(zhǎng)狀況，及時(shí)調(diào)配湖泊水量，對(duì)維持湖泊生態(tài)系統(tǒng)的物種多樣性起著重要作用。近十幾年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)孢粉硅藻與湖泊水文因子的關(guān)系進(jìn)行了較深入的研究。 國(guó)內(nèi)，有學(xué)者利用孢粉圖譜計(jì)算古氣溫指數(shù)和古降水指數(shù)，植物群概貌可以反映環(huán)境中具有該植物群生長(zhǎng)的氣溫和降水條件(羅倫德，1996)。有學(xué)者指出湖泊硅藻氧同位素可以反映古溫度、氣候干旱事件和大氣降水來(lái)源，同吋，湖泊硅藻氧同位素在沉積序列上的變化多反映了水文因素的作用，而不是溫度變化(漢景泰等，2006)。有學(xué)者利用典型對(duì)應(yīng)分析有效掲示了湖泊表層沉積硅藻種群與水環(huán)境的關(guān)系，在選取的水環(huán)境指標(biāo)中，水深、電導(dǎo)率、 Cl_、Mg2+、K+、pH值能夠有效解釋硅藻數(shù)據(jù)，同時(shí)分析表明水深和鹽度是影響硅藻分布的兩個(gè)重要環(huán)境要素梯度(羊向東等，2001)。國(guó)外，Kangur通過(guò)分析湖泊不同區(qū)域的沉積物發(fā)現(xiàn)孢粉的沉積速率隨著水位的增加而増大，同時(shí)孢粉的分布受到開(kāi)花期和湖泊地形因子的影響；Duthie等運(yùn)用加權(quán)平均和回歸模型建立了安大略湖表層沉積物硅藻群落和湖泊水位的關(guān)系，其相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.9 ;BrUgam等利用加權(quán)平均模型分析了密歇根湖硅藻群落組成隨水位變化的情況，研究表明硅藻群落中的浮游種指示高水位，而底棲種指示低水位。檢索發(fā)現(xiàn)計(jì)算現(xiàn)代湖泊生態(tài)補(bǔ)水的發(fā)明專利，申請(qǐng)?zhí)枮?01010182787. X，名稱為基于小波多尺度變換的湖泊生態(tài)補(bǔ)水技木，公開(kāi)號(hào)為CN1018M808A，它不儀通過(guò)運(yùn)用小波變換的多分辨率分析的優(yōu)異性能，很好的提取了水位在不同尺度上的信息，而且對(duì)主要尺度的小波系數(shù)重建，結(jié)合其他水文及生態(tài)數(shù)據(jù)，可以得出水文階段的劃分依據(jù)，確定包含豐枯水期的適宜水文階段，提出ー個(gè)同時(shí)考慮最小生態(tài)水位和年內(nèi)的水位波動(dòng)特征的湖泊生態(tài)補(bǔ)水方案。檢索發(fā)現(xiàn)計(jì)算歷史時(shí)期湖泊水位的發(fā)明專利，申請(qǐng)?zhí)枮?01010271505. 3，名稱為一種計(jì)算歷史時(shí)期湖泊水位的技木，公開(kāi)號(hào)為CN101908104A，它以湖泊沉積物中孢粉組合帶、典型理化指標(biāo)為依據(jù)，運(yùn)用主成分分析、灰色關(guān)聯(lián)、回歸的數(shù)學(xué)方法建立了抱粉、環(huán)境指標(biāo)與湖泊水位之間的關(guān)系。
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由此可見(jiàn)，我們可以借助數(shù)學(xué)模型建立孢粉硅藻物種和湖泊水位的關(guān)系，了解湖泊在歷史時(shí)期的植被生長(zhǎng)狀況及對(duì)水文條件改變的響應(yīng)，對(duì)于保護(hù)湖泊生態(tài)系統(tǒng)的物種多樣性具有非常重要的意義。

發(fā)明內(nèi)容
歷史時(shí)期水性植物適宜水位的評(píng)估包括三部分分析部分，建構(gòu)部分和擬合部分。 分析部分是運(yùn)用Kendall秩相關(guān)分析和典范對(duì)應(yīng)分析了解孢粉硅藻物種和水位的關(guān)系；建構(gòu)部分是以對(duì)水位敏感的孢粉硅藻種為基礎(chǔ)，運(yùn)用灰包預(yù)測(cè)反推歷史時(shí)期的湖泊水位；擬合部分是基于最小ニ乘原理，利用分段擬合曲線將孢粉硅藻和湖泊水位有機(jī)地結(jié)合起來(lái)； 根據(jù)擬合結(jié)果確定各孢粉硅藻物種的適宜水位區(qū)間，將各區(qū)間疊加，得到歷史時(shí)期水生植物的適宜水位閾值。


圖1歷史時(shí)期的湖泊水位圖2物種與湖泊水位的擬合曲線
具體實(shí)施例方式1)植物孢粉與水位的關(guān)系運(yùn)用示蹤法確定各沉積剖面層對(duì)應(yīng)年代，鑒別各剖面層孢粉和硅藻種類，孢粉數(shù)量及分布可以反映歷史時(shí)期植被生長(zhǎng)狀況，應(yīng)用Kendall秩相關(guān)系數(shù)分析歷史時(shí)期已知時(shí)間序列水位與水生濕生植物抱粉的關(guān)系。A、設(shè)定觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)(X” Yi)和(Xj, YP，如果ん-ん與ん-も有相同符號(hào)，則認(rèn)為變化方向一致，將一致的點(diǎn)對(duì)數(shù)目記為Μ，如果Xj-Xi與Yj-Yi有相反符號(hào)，則認(rèn)為變化方向不一致，將不一致的點(diǎn)對(duì)數(shù)目記為N其中)Ci和Xj表示某種孢粉在第i層和j層的數(shù)量，Yi和 Yj表示第i層和j層對(duì)應(yīng)的歷史時(shí)期記錄水位B、引入關(guān)系強(qiáng)度變量St，St = M-NC、Kendall秩相關(guān)系數(shù)τ = 2Sノ (η (n_l))，其中η表示觀測(cè)的沉積剖面層數(shù)2)硅藻與水位的關(guān)系硅藻，作為湖泊生態(tài)系統(tǒng)重要的浮游植物，對(duì)湖泊水位的波動(dòng)有較強(qiáng)響應(yīng)，運(yùn)用典范對(duì)應(yīng)分析探討硅藻與水位的關(guān)系，該過(guò)程通過(guò)Canoco軟件實(shí)現(xiàn)。Α、確定各沉積剖面層的排序值B、將剖面層的排序值與湖泊水位用回歸分析法結(jié)合起來(lái)，其回歸方程為Zj = b0+bUjZj代表第j個(gè)剖面層的排序值，b0為截距，b為剖面層與水位之間的回歸系數(shù)，Uj 代表水位在第j個(gè)剖面層的觀測(cè)值C、運(yùn)用剖面層的排序值加權(quán)平均求硅藻種的排序值
權(quán)利要求
1. 一種利用湖泊沉積物孢粉、硅藻組合帶推算歷史時(shí)期水生植物適宜生長(zhǎng)水位的方法，其特征在于運(yùn)用Kendall秩相關(guān)系數(shù)分析水生濕生植物孢粉與水位的關(guān)系，借助典范對(duì)應(yīng)分析探討硅藻與水位的關(guān)系，基于以上兩種分析選出水位敏感種，通過(guò)灰色預(yù)測(cè)法反推歷史時(shí)期的水位，利用非線性擬合建立孢粉硅藻組合帶與湖泊水位間的關(guān)系，從而計(jì)算歷史時(shí)期水生植物適宜生長(zhǎng)水位閾值，具體步驟如下1)植物孢粉與水位的關(guān)系運(yùn)用示蹤法確定各沉積剖面層對(duì)應(yīng)年代，鑒別各剖面層孢粉和硅藻種類，孢粉數(shù)量及分布可以反映歷史時(shí)期植被生長(zhǎng)狀況，應(yīng)用Kendall秩相關(guān)系數(shù)分析歷史時(shí)期已知時(shí)間序列水位與水生濕生植物孢粉的關(guān)系；A、設(shè)定觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)(Xi,Yi)和(Xp YP，如果X^Ci與I-Yi有相同符號(hào)，則認(rèn)為變化方向一致，將一致的點(diǎn)對(duì)數(shù)目記為Μ,如果X^-Xi與Y^-Yi有相反符號(hào)，則認(rèn)為變化方向不一致， 將不一致的點(diǎn)對(duì)數(shù)目記為N其中\(zhòng)和Xj表示某種孢粉在第i層和j層的數(shù)量，Yi和Yj表示第i層和j層對(duì)應(yīng)的歷史時(shí)期記錄水位B、引入關(guān)系強(qiáng)度變量St，St= M-NC、Kendall秩相關(guān)系數(shù)τ= 2St/(η (n_l))，其中η表示觀測(cè)的沉積剖面層數(shù)2)硅藻與水位的關(guān)系砷藻，作為湖泊生態(tài)系統(tǒng)重要的浮游植物，對(duì)湖泊水位的波動(dòng)有較強(qiáng)響應(yīng)，運(yùn)用典范對(duì)應(yīng)分析探討硅藻與水位的關(guān)系Α、確定各沉積剖面層的排序值B、將剖面層的排序值與湖泊水位用回歸分析法結(jié)合起來(lái)，其回歸方程為Zj = b0+bUjZj代表第j個(gè)剖面層的排序值，b0為截距，b為剖面層與水位之間的回歸系數(shù)，Uj代表水位在第j個(gè)剖面層的觀測(cè)值C、運(yùn)用剖面層的排序值加權(quán)平均求硅藻種的排序值ηYjZj χ Abundkj -Σ鳥(niǎo) Spk代表第k種硅藻的排序值，Abundkj代表第k種硅藻在第j個(gè)剖面層的豐富度，η代表剖面層的數(shù)目D、建立硅藻種與湖泊水位的對(duì)應(yīng)關(guān)系3)反推歷史時(shí)期的湖泊水位基于以上兩種分析，選出對(duì)水位敏感的孢粉和硅藻種，運(yùn)用灰色預(yù)測(cè)的方法推算歷史時(shí)期的湖泊水位Α、設(shè)有q個(gè)變量X1, x2, X3, . . , V對(duì)應(yīng)有q個(gè)原始數(shù)列彳 (1)，計(jì)(2)，...,λ· ]，1彡i彡q，其中η代表剖面層的數(shù)目，X1代表水位，x2, X3, . . . , Xq代表各孢粉和硅藻物種B、新數(shù)列的第一個(gè)數(shù)等于原始數(shù)列的第一個(gè)數(shù)，第二個(gè)數(shù)等于原始數(shù)列的第一個(gè)數(shù)加第二個(gè)數(shù)，第三個(gè)數(shù)等于原始數(shù)列的第一個(gè)數(shù)、第二個(gè)數(shù)和第三個(gè)數(shù)的和，依次做累加計(jì)算，得到新數(shù)列
全文摘要
本發(fā)明針對(duì)湖泊歷史時(shí)期物種生長(zhǎng)條件信息短缺的問(wèn)題，發(fā)明了一種以湖泊沉積物中孢粉、硅藻物種為依據(jù)，運(yùn)用Kendall秩相關(guān)系數(shù)、對(duì)應(yīng)分析、灰色預(yù)測(cè)、非線性擬合的數(shù)學(xué)方法建立孢粉、硅藻與湖泊水位之間關(guān)系的技術(shù)，可以計(jì)算水生植物適宜水位閾值，從而了解歷史時(shí)期湖泊生態(tài)系統(tǒng)的物種生長(zhǎng)狀況和水文條件，對(duì)維持湖泊生態(tài)系統(tǒng)的物種多樣性起著重要的指導(dǎo)作用。
文檔編號(hào)G06F19/00GK102567622SQ20111036668
公開(kāi)日2012年7月11日 申請(qǐng)日期2011年11月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月18日
發(fā)明者楊志峰, 郭通, 陳賀 申請(qǐng)人:北京師范大學(xué)