专利名称：一种评估历史时期湖泊水生植物适宜水位的方法
技术领域：
本发明属于水生态系统监测领域，涉及ー种以湖泊沉积物中孢粉硅藻組合带为依据，利用数学建模评估历史时期湖泊水生植物适宜水位的方法。
背景技术：
孢粉硅藻作为植物化石可以较好的保存在湖泊沉积物中，对反映历史时期植被生长状况有很高的參考价值。不同植物对环境因子的适应范围不同，淡水湖泊植物适于生长在低盐度的条件下，而海洋植物则多为耐盐物种。同理，不同植物对湖泊水位的响应程度有所差异，可以通过生物量、多度、群落结构等反应。短时间内湖泊水位的波动对植物生长状况的影响并不显著，但长时间序列的水位信息有助于发现植物数量的变化规律。计算历史时期湖泊水生植物的适宜水位可评估湖泊生态系统处于健康状态所需的水文条件，通过监测现代湖泊水位了解物种的生长状況，及时调配湖泊水量，对维持湖泊生态系统的物种多样性起着重要作用。近十几年来国内外学者对孢粉硅藻与湖泊水文因子的关系进行了较深入的研究。 国内，有学者利用孢粉图谱计算古气温指数和古降水指数，植物群概貌可以反映环境中具有该植物群生长的气温和降水条件(罗伦德，1996)。有学者指出湖泊硅藻氧同位素可以反映古温度、气候干旱事件和大气降水来源，同吋，湖泊硅藻氧同位素在沉积序列上的变化多反映了水文因素的作用，而不是温度变化(汉景泰等，2006)。有学者利用典型对应分析有效掲示了湖泊表层沉积硅藻种群与水环境的关系，在选取的水环境指标中，水深、电导率、 Cl_、Mg2+、K+、pH值能够有效解释硅藻数据，同时分析表明水深和盐度是影响硅藻分布的两个重要环境要素梯度(羊向东等，2001)。国外，Kangur通过分析湖泊不同区域的沉积物发现孢粉的沉积速率随着水位的增加而増大，同时孢粉的分布受到开花期和湖泊地形因子的影响；Duthie等运用加权平均和回归模型建立了安大略湖表层沉积物硅藻群落和湖泊水位的关系，其相关系数达到0.9 ;BrUgam等利用加权平均模型分析了密歇根湖硅藻群落组成随水位变化的情況，研究表明硅藻群落中的浮游种指示高水位，而底栖种指示低水位。检索发现计算现代湖泊生态补水的发明专利，申请号为201010182787. X，名称为基于小波多尺度变换的湖泊生态补水技木，公开号为CN1018M808A，它不仪通过运用小波变换的多分辨率分析的优异性能，很好的提取了水位在不同尺度上的信息，而且对主要尺度的小波系数重建，结合其他水文及生态数据，可以得出水文阶段的划分依据，确定包含丰枯水期的适宜水文阶段，提出ー个同时考虑最小生态水位和年内的水位波动特征的湖泊生态补水方案。检索发现计算历史时期湖泊水位的发明专利，申请号为201010271505. 3，名称为一种计算历史时期湖泊水位的技木，公开号为CN101908104A，它以湖泊沉积物中孢粉组合带、典型理化指标为依据，运用主成分分析、灰色关联、回归的数学方法建立了抱粉、环境指标与湖泊水位之间的关系。
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由此可见，我们可以借助数学模型建立孢粉硅藻物种和湖泊水位的关系，了解湖泊在历史时期的植被生长状况及对水文条件改变的响应，对于保护湖泊生态系统的物种多样性具有非常重要的意义。
发明内容
历史时期水性植物适宜水位的评估包括三部分分析部分，建构部分和拟合部分。 分析部分是运用Kendall秩相关分析和典范对应分析了解孢粉硅藻物种和水位的关系；建构部分是以对水位敏感的孢粉硅藻种为基础，运用灰包预测反推历史时期的湖泊水位；拟合部分是基于最小ニ乘原理，利用分段拟合曲线将孢粉硅藻和湖泊水位有机地结合起来； 根据拟合结果确定各孢粉硅藻物种的适宜水位区间，将各区间叠加，得到历史时期水生植物的适宜水位阈值。
图1历史时期的湖泊水位图2物种与湖泊水位的拟合曲线
具体实施例方式1)植物孢粉与水位的关系运用示踪法确定各沉积剖面层对应年代，鉴别各剖面层孢粉和硅藻种类，孢粉数量及分布可以反映历史时期植被生长状况，应用Kendall秩相关系数分析历史时期已知时间序列水位与水生湿生植物抱粉的关系。A、设定观测数据对(X” Yi)和(Xj, YP，如果ん-ん与ん-も有相同符号，则认为变化方向一致，将一致的点对数目记为Μ，如果Xj-Xi与Yj-Yi有相反符号，则认为变化方向不一致，将不一致的点对数目记为N其中)Ci和Xj表示某种孢粉在第i层和j层的数量，Yi和 Yj表示第i层和j层对应的历史时期记录水位B、引入关系强度变量St，St = M-NC、Kendall秩相关系数τ = 2Sノ (η (n_l))，其中η表示观测的沉积剖面层数2)硅藻与水位的关系硅藻，作为湖泊生态系统重要的浮游植物，对湖泊水位的波动有较强响应，运用典范对应分析探讨硅藻与水位的关系，该过程通过Canoco软件实现。Α、确定各沉积剖面层的排序值B、将剖面层的排序值与湖泊水位用回归分析法结合起来，其回归方程为Zj = b0+bUjZj代表第j个剖面层的排序值，b0为截距，b为剖面层与水位之间的回归系数，Uj 代表水位在第j个剖面层的观测值C、运用剖面层的排序值加权平均求硅藻种的排序值
权利要求
1. 一种利用湖泊沉积物孢粉、硅藻组合带推算历史时期水生植物适宜生长水位的方法，其特征在于运用Kendall秩相关系数分析水生湿生植物孢粉与水位的关系，借助典范对应分析探讨硅藻与水位的关系，基于以上两种分析选出水位敏感种，通过灰色预测法反推历史时期的水位，利用非线性拟合建立孢粉硅藻组合带与湖泊水位间的关系，从而计算历史时期水生植物适宜生长水位阈值，具体步骤如下1)植物孢粉与水位的关系运用示踪法确定各沉积剖面层对应年代，鉴别各剖面层孢粉和硅藻种类，孢粉数量及分布可以反映历史时期植被生长状况，应用Kendall秩相关系数分析历史时期已知时间序列水位与水生湿生植物孢粉的关系；A、设定观测数据对(Xi,Yi)和(Xp YP，如果X^Ci与I-Yi有相同符号，则认为变化方向一致，将一致的点对数目记为Μ,如果X^-Xi与Y^-Yi有相反符号，则认为变化方向不一致， 将不一致的点对数目记为N其中\和Xj表示某种孢粉在第i层和j层的数量，Yi和Yj表示第i层和j层对应的历史时期记录水位B、引入关系强度变量St，St= M-NC、Kendall秩相关系数τ= 2St/(η (n_l))，其中η表示观测的沉积剖面层数2)硅藻与水位的关系砷藻，作为湖泊生态系统重要的浮游植物，对湖泊水位的波动有较强响应，运用典范对应分析探讨硅藻与水位的关系Α、确定各沉积剖面层的排序值B、将剖面层的排序值与湖泊水位用回归分析法结合起来，其回归方程为Zj = b0+bUjZj代表第j个剖面层的排序值，b0为截距，b为剖面层与水位之间的回归系数，Uj代表水位在第j个剖面层的观测值C、运用剖面层的排序值加权平均求硅藻种的排序值ηYjZj χ Abundkj -Σ鳥 Spk代表第k种硅藻的排序值，Abundkj代表第k种硅藻在第j个剖面层的丰富度，η代表剖面层的数目D、建立硅藻种与湖泊水位的对应关系3)反推历史时期的湖泊水位基于以上两种分析，选出对水位敏感的孢粉和硅藻种，运用灰色预测的方法推算历史时期的湖泊水位Α、设有q个变量X1, x2, X3, . . , V对应有q个原始数列彳 (1)，計(2)，...,λ· ]，1彡i彡q，其中η代表剖面层的数目，X1代表水位，x2, X3, . . . , Xq代表各孢粉和硅藻物种B、新数列的第一个数等于原始数列的第一个数，第二个数等于原始数列的第一个数加第二个数，第三个数等于原始数列的第一个数、第二个数和第三个数的和，依次做累加计算，得到新数列
全文摘要
本发明针对湖泊历史时期物种生长条件信息短缺的问题，发明了一种以湖泊沉积物中孢粉、硅藻物种为依据，运用Kendall秩相关系数、对应分析、灰色预测、非线性拟合的数学方法建立孢粉、硅藻与湖泊水位之间关系的技术，可以计算水生植物适宜水位阈值，从而了解历史时期湖泊生态系统的物种生长状况和水文条件，对维持湖泊生态系统的物种多样性起着重要的指导作用。
文档编号G06F19/00GK102567622SQ20111036668
公开日2012年7月11日 申请日期2011年11月18日 优先权日2011年11月18日
发明者杨志峰, 郭通, 陈贺 申请人:北京师范大学