發(fā)明涉及一種河流入海口鹽沼濕地底棲動(dòng)物橫斷面分層采樣的設(shè)計(jì)方法，屬于鹽沼濕地底棲動(dòng)物調(diào)查監(jiān)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

長(zhǎng)江口鹽沼濕地是河口生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，其與陸地、海洋生態(tài)系統(tǒng)的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)交換頻繁、環(huán)境復(fù)雜多變，具有支持植被、提供動(dòng)物棲息所，維持生物多樣性的生態(tài)功能。長(zhǎng)江口鹽沼濕地大型底棲動(dòng)物群落是指示河口潮間帶生境變化最直接的指示因子，其物種豐度與分布能有效反映河口生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況。監(jiān)測(cè)和掌握大型底棲動(dòng)物群落變化，能為長(zhǎng)江口濕地生物的保護(hù)、底棲環(huán)境質(zhì)量的評(píng)價(jià)、受損生境的生態(tài)恢復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

反映大型底棲動(dòng)物結(jié)構(gòu)及分布的重要群落特征——物種豐度主要通過野外采樣進(jìn)行估算。然而，由于長(zhǎng)江口鹽沼濕地處于海陸交匯帶，環(huán)境異質(zhì)性程度高；大型底棲動(dòng)物群落呈小尺度聚集分布，并且分布隨生境發(fā)生變化。在此情況下，對(duì)其進(jìn)行采樣需要仔細(xì)的科學(xué)設(shè)計(jì)，否則估算結(jié)果將出現(xiàn)較大的偏差，底棲動(dòng)物豐度常被低估。如何科學(xué)合理地設(shè)計(jì)采樣方案，以及確定科學(xué)合理的采樣間距、采樣效力，是準(zhǔn)確估測(cè)物種豐度的關(guān)鍵。

目前，對(duì)長(zhǎng)江口鹽沼濕地大型底棲動(dòng)物常用的野外采樣方法主要是橫斷面分層采樣法：對(duì)于長(zhǎng)江口鹽沼濕地來說，因其環(huán)境分布有明顯的梯度特點(diǎn)，鹽度、高程、植被、底泥粒度沿著垂直海岸線的方向呈梯度分布，因此在橫斷面上，利用連續(xù)的、系統(tǒng)的橫斷面分層采樣能代表每個(gè)梯度上樣點(diǎn)，足夠樣點(diǎn)的橫斷面能反映區(qū)域樣點(diǎn)的總體狀況。一般，長(zhǎng)江口鹽沼濕地橫斷面分層采樣常以高程或生境類型進(jìn)行分層。然而，長(zhǎng)江河口鹽沼濕地存在采樣特別困難的特點(diǎn)。例如，中潮帶、低潮帶底泥性質(zhì)為淤泥質(zhì)，易陷難走；漲潮期間，低潮帶覆水面積大，使采樣時(shí)間大為縮短；各級(jí)潮溝橫跨鹽沼濕地，橫斷面上大潮溝難以跨越；在生長(zhǎng)季，植被生長(zhǎng)茂盛濃密，難以穿行。受這些因素影響，實(shí)際上，在橫斷面上各個(gè)層級(jí)上進(jìn)行系統(tǒng)采樣無法實(shí)現(xiàn)。

目前，常規(guī)的橫斷面分層采樣方法采用的都是較為簡(jiǎn)單的方案，即在橫斷面每個(gè)層級(jí)上簡(jiǎn)單采集3-5個(gè)重復(fù)樣方，并且樣方之間的間距為隨機(jī)選取。這種方法下獲取的樣本量較少，并且由于采樣效力低下，導(dǎo)致出現(xiàn)較大的采樣偏差。另一方面，在采樣過程中，由于隨機(jī)樣方之間間距的不確定性，對(duì)于小范圍高度聚集的大型底棲動(dòng)物種群的采集來說，獲得的數(shù)據(jù)易出現(xiàn)大量零值數(shù)據(jù)或造成真實(shí)數(shù)據(jù)缺失，不確定性風(fēng)險(xiǎn)增高，無法反映真實(shí)情況。

如何能在不增加采樣難度的情況下，以最少采樣效力、最合適的采樣間距反映最真實(shí)、最精確的物種豐度情況，是目前長(zhǎng)江口鹽沼濕地大型底棲動(dòng)物分布及棲息地研究中需要應(yīng)對(duì)的技術(shù)難題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明需要解決的技術(shù)問題是：針對(duì)河流入?？邴}沼濕地底棲動(dòng)物橫斷面分層采樣，如何能在不增加采樣難度的情況下，以最少采樣效力、最合適的采樣間距反映最真實(shí)、最精確的物種豐度情況。

本發(fā)明的總體思路如下：

利用新型的統(tǒng)計(jì)方法及相關(guān)運(yùn)算軟件，可以利用有限的樣本，經(jīng)由多次重復(fù)抽樣，重新建立起足以代表母體樣本分布之新樣本。例如，重采樣法是從一個(gè)原始樣本中進(jìn)行有放回的重復(fù)采樣，可用于對(duì)自身樣本反復(fù)利用，獲取不同的采樣策略下子樣本。蒙特·卡洛方法，也稱統(tǒng)計(jì)模擬方法，是二十世紀(jì)四十年代中期由于科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和電子計(jì)算機(jī)的發(fā)明，而被提出的一種以概率統(tǒng)計(jì)理論為指導(dǎo)的一類非常重要的數(shù)值計(jì)算方法。當(dāng)所要求解的問題是某種事件出現(xiàn)的概率，或者是某個(gè)隨機(jī)變量的期望值時(shí)，蒙特·卡洛方法可以通過某種″試驗(yàn)″的方法，得到這種事件出現(xiàn)的頻率，或者這個(gè)隨機(jī)變數(shù)的平均值，并用它們作為問題的解。也就是說，蒙特·卡洛方法能以不同采樣策略下子樣本中的已知概率分布為基礎(chǔ)，利用其建立概率模型，按照這個(gè)模型所描繪的過程，建立不同采樣策略下的物種豐度估計(jì)量，通過大量迭代次數(shù)(>100次)，模擬實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，作為真實(shí)物種豐度的近似解。蒙特·卡洛模擬能實(shí)現(xiàn)利用少量的樣本，進(jìn)行量化的概率過程模擬，并得到精確的估計(jì)值，可以用于不同采樣間距下物種豐度的比較和進(jìn)行最優(yōu)策略決策。甲骨文公司開發(fā)的水晶球軟件(Crystal Ball)能夠在Microsoft Excel平臺(tái)上便捷地進(jìn)行蒙特·卡洛模擬。物種積累曲線，用于描述隨著抽樣量的加大物種增加的狀況。理論上，物種的數(shù)量隨采樣面積增加而增加，直至所有物種積聚，此時(shí)，物種積累曲線呈一條漸近線，漸近線所對(duì)應(yīng)積累面積即為表示物種總數(shù)的最少采樣面積。物種積累曲線是理解調(diào)查樣地物種組成和確定最優(yōu)采樣效力的有效工具。利用EstimateS軟件對(duì)抽樣數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，繪制物種累積曲線，能確定包含95％物種總數(shù)的最優(yōu)采樣效力。

利用重采樣、蒙特·卡洛方法以及物種積累曲線，能根據(jù)小樣本進(jìn)行統(tǒng)計(jì)模擬多種采樣策略，例如不同的采樣間隔、不同的采樣效力及其組合下，何種采樣策略精度最高、采樣效力最小，從而優(yōu)化目前已有的大型底棲動(dòng)物采樣設(shè)計(jì)方法。

本發(fā)明具體采用以下技術(shù)方案：

一種河流入?？邴}沼濕地底棲動(dòng)物橫斷面分層采樣的設(shè)計(jì)方法，在已獲得橫斷面各層級(jí)的總物種豐度實(shí)測(cè)值的基礎(chǔ)上，進(jìn)行以下步驟：

第一步：對(duì)橫斷面進(jìn)行分層采樣：根據(jù)影響大型底棲動(dòng)物分布環(huán)境因子，對(duì)研究區(qū)域的橫斷面進(jìn)行分層，所分層級(jí)需要代表河口鹽沼濕地垂直梯度上的總體狀況，對(duì)每個(gè)層級(jí)進(jìn)行不同的間隔由小到大進(jìn)行代表性采樣，達(dá)到一定規(guī)模的樣本量，所述不同的間隔均為最小設(shè)定間隔的整數(shù)倍；并同時(shí)設(shè)定單個(gè)采樣點(diǎn)的采樣面積；樣本量的總采樣積累面積需要達(dá)到3m²及以上；

第二步：對(duì)橫斷面內(nèi)部層級(jí)不同間距進(jìn)行重采樣：利用重采樣法進(jìn)行二次采樣，得到所需要的不同采樣間距下的子樣本；重采樣獲取的不同采樣間距為重采樣中設(shè)定的最小間距的整數(shù)倍；

第三步：對(duì)不同采樣間距進(jìn)行蒙特·卡洛模擬：根據(jù)重采樣法，得到不同采樣間距下的子樣本，對(duì)其概率分布進(jìn)行構(gòu)造或描述概率過程，按照這個(gè)模型所描繪的過程，建立不同采樣間距下的物種豐度估計(jì)量，通過100～200迭代次數(shù)，模擬實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，估算模型中不同采樣間距下物種豐度；

第四步：確定每一層級(jí)下的最優(yōu)采樣間距：通過計(jì)算蒙特·卡洛模擬所獲得不同采樣間距下的物種豐度估測(cè)值與所述實(shí)測(cè)值的偏差，從而確定每一種類型下何組采樣間距為偏差絕對(duì)值最小的間距，即最優(yōu)采樣間距；

第五步：繪制物種累積曲線：根據(jù)第二步中重采樣所得到不同采樣間距下樣本數(shù)量、個(gè)體數(shù)量、抽樣次數(shù)的觀測(cè)值，對(duì)各橫斷面層級(jí)的物種豐度進(jìn)行估測(cè)，從而繪制物種累積曲線，確定不同生境類型，不同間隔分組下，最少需要多少面積能代表真實(shí)的物種豐度；

第六步：確定橫斷面分層采樣的最優(yōu)設(shè)計(jì)方案：將所述第四步所獲取的不同偏差程度的采樣間距，與所述第六步獲取的最小采樣面積(即最小采樣效力)進(jìn)行對(duì)照，從而確定橫斷面上不同層級(jí)中最佳采樣間距以及最小采樣效力。

進(jìn)一步的，所述河流入?？跒殚L(zhǎng)江入?？凇?/p>

進(jìn)一步的，所述第一步中，對(duì)橫斷面進(jìn)行分層采樣的最小采樣間隔為1m，不同的間隔由小到大的采樣間隔均為1m的整數(shù)倍。

更進(jìn)一步的，所述第二步中，選取的重采樣間隔為5m以及5m的整數(shù)倍。

再進(jìn)一步的，所述第二步中，選取的重采樣間隔為5m，10m，20m。

進(jìn)一步的，所述第三步中，根據(jù)重采樣法，得到不同采樣間距下的子樣本，對(duì)其概率分布進(jìn)行構(gòu)造或描述概率過程，按照這個(gè)模型所描繪的過程，建立不同采樣間距下子樣本的物種豐度估計(jì)量Ssample：

Sobs為子樣本的總物種數(shù)，t為子樣本中樣方數(shù)，Yi為子樣本中i物種在樣方中的出現(xiàn)頻率；進(jìn)行蒙特·卡洛模擬，通過100次迭代次數(shù)，模擬實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，獲取模型中不同采樣間距下物種豐度。

進(jìn)一步的，所述第四步中，通過計(jì)算蒙特·卡洛模擬所獲得不同采樣間距下的物種豐度估測(cè)值與實(shí)測(cè)值的偏差，從而確定每一種類型下何組間距為偏差絕對(duì)值最小的間距；偏差△＝(估測(cè)值-實(shí)測(cè)值)/實(shí)測(cè)值×100；偏差△為零代表物種豐度估計(jì)值和實(shí)測(cè)值之間沒有偏差，偏差為負(fù)數(shù)代表模擬時(shí)物種豐度值被低估，偏差為正值代表模擬時(shí)物種豐度值被高估；通過不同間距下，物種豐度估測(cè)值與實(shí)測(cè)值的偏差比較，偏差絕對(duì)值越小的間距組為最優(yōu)間距組。

進(jìn)一步的，步驟五中，根據(jù)第二步中重采樣所得到不同采樣間距下樣本數(shù)量、個(gè)體數(shù)量、抽樣次數(shù)的觀測(cè)值，對(duì)各橫斷面層級(jí)的物種豐度進(jìn)行估測(cè)，從而繪制物種累積曲線，確定不同生境類型，不同間隔分組下，最少需要多少采樣面積能代表真實(shí)的物種豐度。

進(jìn)一步的，所述環(huán)境因子包括生境環(huán)境因子和高程環(huán)境因子。

本發(fā)明的有益效果在于：

1)只需進(jìn)行一次實(shí)測(cè)，通過計(jì)算蒙特·卡洛模擬所獲得不同采樣間距下的物種豐度估測(cè)值與已獲得實(shí)測(cè)值的偏差，從而確定每一種類型下何組采樣間距為偏差最小的間距，即最優(yōu)采樣間距，大大簡(jiǎn)化測(cè)試的操作。

2)能在不增加采樣難度、不大量增加采樣樣方的情況下，以最少采樣效力、最合適的采樣間距反映最真實(shí)、最精確的物種豐度情況。

3)本發(fā)明所采用的統(tǒng)計(jì)模擬方法，其相關(guān)軟件的開發(fā)已經(jīng)成熟，能在Microsoft Excel等常用辦公軟件平臺(tái)上加載使用，且界面簡(jiǎn)單易懂，易于實(shí)際操作應(yīng)用。

4)利用重采樣、蒙特·卡洛方法以及物種積累曲線，能根據(jù)小樣本進(jìn)行統(tǒng)計(jì)模擬多種采樣策略，例如不同的采樣間隔、不同的采樣效力及其組合下，何種采樣策略精度最高、采樣效力最小，從而優(yōu)化目前已有的大型底棲動(dòng)物采樣設(shè)計(jì)方法。

附圖說明

圖1對(duì)橫斷面進(jìn)行分層采樣的示意圖。

圖2間距距離5m組的重采樣過程示意圖。

圖3蒙特·卡洛模擬示例圖。

圖4物種豐度模擬估計(jì)值偏差圖。

圖5物種積累曲線示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明。

以長(zhǎng)江口東灘鹽沼濕地為例：

綜合考慮監(jiān)測(cè)長(zhǎng)江口東灘鹽沼濕地環(huán)境梯度特征，對(duì)其進(jìn)行橫斷面分層，進(jìn)行由小到大間隔連續(xù)性采樣，達(dá)到一定的參考樣本量。利用重采樣法對(duì)多種不同采樣間距策略進(jìn)行二次采樣，得到不同采樣間距下的子樣本，對(duì)其進(jìn)行蒙特·卡洛模擬及精度分析，確定每一類型層次下，何組間距為最優(yōu)間距，即選擇偏差絕對(duì)值最小的采樣間隔組為最優(yōu)間隔；另一方面，根據(jù)重采樣法所得到不同采樣間距下樣本數(shù)量、個(gè)體數(shù)量、抽樣次數(shù)的觀測(cè)值，利用Estimate S軟件對(duì)各橫斷面層級(jí)的物種豐度進(jìn)行估測(cè)，從而繪制物種累積曲線，從而確定橫斷面上不同層級(jí)中最佳采樣間距及其最小采樣效力。

下面，就具體方法表述如下：

長(zhǎng)江口的鹽沼濕地大型底棲動(dòng)物橫斷面分層采樣不是一次性的，而是需要定期或不定期的進(jìn)行，本發(fā)明基于在通過橫斷面大量采樣已獲得物種豐度實(shí)測(cè)值，為簡(jiǎn)化優(yōu)化今后繼續(xù)進(jìn)行的長(zhǎng)期多次采樣，在已獲得橫斷面各層級(jí)的總物種豐度實(shí)測(cè)值的基礎(chǔ)上，進(jìn)行以下步驟：

一種基于統(tǒng)計(jì)模擬的長(zhǎng)江河口鹽沼濕地大型底棲動(dòng)物橫斷面分層采樣設(shè)計(jì)方法，其步驟是：

第一步：對(duì)橫斷面進(jìn)行分層采樣

受環(huán)境梯度相互作用影響，長(zhǎng)江口東灘鹽沼濕地在垂直于海岸線的橫斷面上有三類明顯的生境類型：鹽沼植被區(qū)、光灘區(qū)、潮溝區(qū)。因此，本發(fā)明選擇生境和高程作為主要環(huán)境因子進(jìn)行分層，用以代表河口鹽沼濕地垂直梯度上的總體狀況。沿著長(zhǎng)江口鹽沼濕地，垂直于海岸線的橫斷面，從高潮帶到低潮帶，對(duì)不同的生境(鹽沼植被區(qū)、光灘、潮溝)進(jìn)行分層采樣。每一類生境從高潮帶到低潮帶有2-3條重復(fù)樣線，對(duì)每條樣線利用0.32×0.32×0.15(0.1m²)的樣方框作進(jìn)行連續(xù)采樣，對(duì)不同的間隔(1,2,3,5,10,20,50,150,200,250m)由小到大進(jìn)行代表性連續(xù)采樣，每個(gè)間隔重復(fù)三個(gè)樣方，總采樣效力(總采樣面積)達(dá)到3m²。這一采樣方式能在下一步重采樣過程中，能保證每一組采樣間距策略下的子樣本有充足的樣本量，并且采樣范圍能涵蓋大多大型底棲動(dòng)物群落分布的聚集尺度。具體采樣方式如圖1所示。

第二步：對(duì)橫斷面內(nèi)部層級(jí)不同間距進(jìn)行重采樣。

利用已有的樣本量，對(duì)不同生境類型下1、5、10、20m間距采樣進(jìn)行重采樣模擬，得到所需要的各種子樣本。例如，所有原始樣本中的樣方都可視為間距為1m的采樣策略下樣本庫，物理間距為5m的樣方重采樣作為5m間距樣本組。大于20m間距的采樣策略，以原有的樣本量無法得到足夠的子樣本量，此處不考慮。重采樣過程如圖2所示：

第三步：對(duì)不同采樣間距進(jìn)行蒙特·卡洛模擬。

根據(jù)重采樣法，得到不同采樣間距下的子樣本，對(duì)其概率分布進(jìn)行構(gòu)造或描述概率過程，按照這個(gè)模型所描繪的過程，建立不同采樣間距下子樣本的物種豐度估計(jì)量(S_sample)。

S_obs為子樣本的總物種數(shù)，t為子樣本中樣方數(shù)，Y_i為子樣本中i物種在樣方中的出現(xiàn)頻率。

利用Crystal Ball進(jìn)行蒙特〃卡洛模擬，通過大量迭代次數(shù)(100次)，模擬實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，估算模型中不同采樣間距下物種豐度。

圖3為蒙特〃卡洛模擬示例圖。

第四步：確定每一層級(jí)下的最優(yōu)采樣間距

通過計(jì)算蒙特·卡洛模擬所獲得不同采樣間距下的物種豐度估測(cè)值與真實(shí)值的偏差，從而確定每一種類型下何組間距為最優(yōu)間距。

偏差△＝(估測(cè)值-實(shí)測(cè)值)/實(shí)測(cè)值×100

偏差為零代表物種豐度估計(jì)值和真實(shí)值之間沒有偏差，偏差為負(fù)數(shù)代表模擬時(shí)物種豐度值被低估，偏差為正值代表模擬時(shí)物種豐度值被高估。通過不同間距下，物種豐度估測(cè)值與真實(shí)值的偏差比較，偏差絕對(duì)值越小的間距組為最優(yōu)間距組。

圖4物種豐度模擬估計(jì)值偏差圖，從圖中可見，采樣間距為10m及20m時(shí)的偏差較小，說明物種的分布范圍較大。

第五步：繪制物種累積曲線。

根據(jù)第二步中重采樣所得到不同采樣間距下樣本數(shù)量、個(gè)體數(shù)量、抽樣次數(shù)的觀測(cè)值，利用Estimate S軟件對(duì)各橫斷面層級(jí)的物種豐度進(jìn)行估測(cè)，從而繪制物種累積曲線，確定不同生境類型，不同間隔分組下，最少需要多少樣方能代表真實(shí)的物種豐度。圖5為在不同生境類型下，不同采樣間距下的物種積累曲線。

第六步：確定橫斷面分層采樣的最優(yōu)設(shè)計(jì)方案

同時(shí)參見圖4和圖5，綜合第四步及第五步中確定的最優(yōu)采樣間距以及最少采樣效力：

從圖4來看，采樣間距10m和20m時(shí)，偏差情況差不多，因此僅根據(jù)圖4的反應(yīng)的情況，應(yīng)當(dāng)選取20m的采樣間距，因?yàn)椴蓸娱g距大設(shè)置的采樣點(diǎn)也較少，便于簡(jiǎn)化試驗(yàn)操作；

從圖5來看，確?？v坐標(biāo)達(dá)到穩(wěn)定的物種總數(shù)的前提下，采樣間距10m時(shí)需要大約1.5㎡的采樣面積(即樣方)，而采樣間距20m時(shí)，則需要更多的采樣面積，反而增大了試驗(yàn)的工作量。因此，綜合第四步及第五步獲取的信息，選擇采樣間距10m以及采樣面積1.5㎡作為采樣參數(shù)，用采樣面積除以單個(gè)樣方框的面積0.1m²得出所需設(shè)置的樣方框的數(shù)量15。從而確定了橫斷面上不同層級(jí)中最佳采樣間距以及最小采樣效力。