分离气候变化和人类活动因素对生物多样性影响的检测技术的制作方法
【专利摘要】本发明名称分离气候变化和人类活动因素对生物多样性影响的检测技术，属于生态环境保护和应对气候变化技术领域。是在综合调查我国生物多样性特征基础上，利用生态学、生物地理学、气候学、模糊数学、灰色系统、微积分、统计学、计算机模拟和地理信息系统等理论和实践，分解生物多样性变化受不同因素影响、分解气候变化与人类活动因素影响、筛查分布变化物种、分析分布变化与人类活动和气候变化的关联，筛查受气候变化和人类活动影响的物种，计算影响贡献，为建立生物多样性适应气候变化的对策，保护生物多样性发挥重要的社会、经济和环境效益。本技术可操作性强、成本低、维护费用低，特别适合分离检测气候变化和人类活动对我国生物多样性影响。
【专利说明】
分离气候变化和人类活动因素对生物多样性影响的检测技 术
技术领域：
[0001] 本发明属于生态环境保护和应对气候变化影响的技术领域，涉及综合利用生态 学、生物地理学、气候学、模糊数学、灰色系统、微积分、统计学、计算机模拟和地理信息系统 等理论和实践，系统识别近几十年来人类活动和气候变化对生物多样性的影响，分离气候 变化和人类活动对生物多样性的影响效应，检测气候变化和人类活动对生物多样性的影响 贡献，为科学建立生物多样性保护适应气候变化对策，在气候变化影响下有效保护生物多 样性发挥重要的社会、经济和环境效益。
【背景技术】：
[0002] 生物多样性是社会经济发展的重要的物质基础，保护生物多样性是生态环境保护 的重要内容。气候变化对生物多样性影响成为目前和未来生物多样性保护面临的巨大挑 战。识别近几十年来气候变化和人类活动对生物多样性的影响，分离气候变化和人类活动 对生物多样性影响效应，检测气候变化和人类活动对生物多样性影响的贡献，是生物多样 性保护应对气候变化面临的重大课题。
[0003] 纵观国内外识别过去气候变化对生物多样性影响方面的研究，总体上经历了 3个 发展阶段，在20世纪70-80年代，气候变化及其影响问题刚刚开始受到国内外关注，分离气 候变化和人类活动对生物多样性影响主要采用了观测现象对比分析和主观定性判断技术； 到20世纪90年代，随着对气候变化及其影响研究的深入，分离气候变化和人类活动对生物 多样性影响则主要利用统计相关的分析技术；到21世纪近10年来，随着对分离气候变化和 人类活动对生物多样性影响问题的重视，以及计算机模拟技术与3S技术的广泛应用，逐渐 发展利用综合数据模拟分离检测气候变化和人类活动影响的技术，来分离气候变化和人类 活动对生物多样性的影响。
[0004] 我国是生物多样性大国，又是对气候变化影响十分脆弱的国家。近几十年来，我国 生物多样性发生了巨大变化，这些改变是包括受到气候变化和人类活动在内的多种因素共 同作用的结果，如何分离气候变化和人类活动对生物多样性的影响效应，检测气候变化和 人类活动对生物多样性影响的贡献，是进行生物多样性保护适应气候变化的挑战。目前由 于缺少有效分离气候变化和人类活动对生物多样性影响的技术方法，对过去几十年来我国 生物多样性变化受到气候变化和人类活动的影响程度，及气候变化和人类活动的影响贡 献都并不清楚，这严重制约了在气候变化影响下生物多样性保护对策的制定，以及生物多 样性保护适应气候变化工作的开展。因此，本发明通过函数微分分析技术、分解气候变化和 人类活动因素对生物多样性的影响，把生物多样性演变分解归因气候变化和人类活动影响 效应，利用时间序列方法筛查近几十年来地理分布已经发生变化物种，利用灰色关联和相 关分析技术分析物种地理分布变化与气候变化和人类活动关联性，利用判别函数和矩阵方 法筛查识别完全受到气候变化影响、受到气候变化和人类活动影响、没有受到气候变化影 响物种数量，建立这样一种分离气候变化和人类活动对生物多样性影响、检测气候变化和 人类活动影响贡献的综合检测技术，将是进行有效分离近几十年来气候变化和人类活动对 生物多样性影响，检测气候变化和人类活动影响贡献的重要手段。
【发明内容】
：
[0005] 本发明目的是应用生态学、生物地理学、气候学、微积分、模糊数学、灰色系统、统 计学、计算机模拟和地理信息系统等理论和实践等，建立一种识别近几十年来气候变化和 人类活动对生物多样性影响的事实、分离气候变化和人类活动对生物多样性影响效应、检 测气候变化和人类活动影响贡献的技术。为了上述目的，采取以下的技术方案：
[0006] 1.通过利用函数微分和差分分析，把生物多样性演变与其影响因素的函数关系分 解为不同因素共同影响的加和的形式。
[0007] 2、通过函数因素分解，把生物多样性演变受到的不同因素影响的效应分解为气候 变化和人类活动因素两方面影响的加和的形式。
[0008] 3、通过建立时间序列进行差异分析，识别近几十年来生物多样性演变的特征，以 物种分布边界、分布范围和物种丰富度为表征生物多样性指标，物种分布边界点通过计算 物种分布区分布点组成的空间点集的凸壳集来求取，物种分布范围以物种分布区各个分布 点的几何中心点、分布点数量和面积表示；物种丰富度以一定区域内一段时间所有物种数 量反映。通过调查与收集历史不同时段物种分布范围与分布边界及丰富度相关资料，利用 中国地名录数据库结合地理信息系统，制作不同时段各个物种分布及物种丰富度图，根据 物种分布边界或范围变化的程度，识别分布边界与范围发生变化的物种数量，及区域物种 丰富度改变特征。
[0009] 4、以观测的气候要素数据为数据源，计算近几十年气候要素变化，同时同步分析 近几十年来和人类活动要素的变化；以灰色系统关联分析技术，分析物种分布变化与气候 要素和人类活动的关联程度；以相关分析技术，计算气候变化、人类活动要素和物种分布 边界或丰富度时间序列相关系数，分析物种地理分布变化与气候变化和人类活动的相关程 度，识别近几十年来影响生物多样性演变的主要气候变化和人类活动因素。
[0010] 5、建立物种分布变化受到不同因素影响的综合判别函数和矩阵，筛查完全受气候 变化影响、没有受影响和受共同影响的物种，计算分布变化完全受气候变化影响、受到气候 变化和人类活动共同影响、没有受到气候变化影响的物种数量。
[0011] 6、根据分布变化完全受气候变化影响、受到气候变化和人类活动共同影响、没有 受到影响的物种数量，计算受到气候变化和人类活动影响的物种数量占分布变化的物种数 量的比例，及分布变化物种数量占总物种数量比例，检测近几十年来气候变化和人类活动 对生物多样性影响的贡献。
【具体实施方式】：
[0012] 依据上述设计方案，对本发明作进一步说明。
[0013] 1.通过函数微分差分分析，把生物多样性受到的影响进行分解为不同因素共同影 响加和的形式。设Xp x2,......Xn，为n个因素，包括气候变化和人类活动因素,则定义 z = f(x1, x2, xn) (1)为生物多样性要素为人类活动和气候变化要素的函数，并 且Xi = Xl(t) (i = 1，2, ...，n) (2)反映各个要素是时间的函数，则生物多样性要素 随着时间变化
[0015] 令时间变化dt = 1，则
[0017] 进一步差分化
[0019] 如果以相对变化形式，则
[0021] 进一步变为
[0025] 则把生物多样性要素相对变化可以分解为各个要素变化影响加和的形式。
[0026] 2、根据生物多样性演变影响效应的分解分析，设从时间h到t2生物多样性要素变 化为 Ay，则 Ay = Ayf Ay2+e (10)
[0027] 其中A yi为气候变化引起的变化，A y2为人类活动等其它因素引起的变化，分析 气候变化和人类活动对生物多样性影响就是分离出由气候变化引起的△ yi和人类活动影 响造成的Ay2，知道了 Ay和Ayi就可以确定气候变化和人类活动对生物多样性的影响。
[0028] 3、为了反映生物多样性演变特征，以一定区域一定时间段内的野生动植物、种质 资源物种多少来反映一定区域某时段内生物多样性。野生动物包括鸟类、兽类、两栖类、爬 行类动物；野生植物包括裸子植物、被子植物、蕨类植物、苔藓植物；种质资源物种包括家 养动物和栽培植物，家养动物选包括家禽、家畜，栽培植物包括所有作物等。
[0029] 以物种分布边界、分布范围和物种丰富度为指标，表征生物多样性变化的综合特 征。物种分布边界包括北界、南界、东界、西界，以及分布海拔上限与下限。物种分布边界点 通过计算物种分布区内由分布点组成的空间点集凸壳集求取，包括利用计算几何中点集凸 壳计算，分布边界以10-15个分布点进行平均值、最小、最大值反映。物种分布范围以物种 分布区各个分布点的几何中心点、分布点数量和面积表示，物种水平分布范围以面积大小 表示或以区域范围，省、县，地理范围，以及点数或格点数反映，以中心点来表示物种分布中 心特征。物种丰富度一段时间一定区域物种的数量，以下式表示
[0030] Nt+1 = Nt+Jt+Qt-Ct-Mt (11)式中
[0031] Nt+1表示时段t+1的物种多样性
[0032] Nt表示时段t的物种多样性
[0033] Qt表示时段t迁入物种多样性
[0034] Ct表示时段t的迁出物种多样性
[0035] Mt表示时段t的灭绝物种多样性。
[0036] 4、基于不同时间文献，动物志、植物志，地方动物志，标本馆，公开发表文献，以及 调查记录资料，利用时间序列方法njt)，1表示物种或生物多样性特征，a ni(t)反映 生物多样性属性特征在不同时间段的变化，根据△ ni(t)变化大小和特征分析分析生物 多样性演变特征，统计不同时段分布变化的物种。具体包括：调查与收集历史不同时间物种 分布范围与分布边界及丰富度相关资料，利用中国地名录33211个地名，结合地理信息系 统，以〇反映物种没有分布，以1反映物种有分布，制作出历史上不同时间段物种分布图， 比较分析不同时间段物种分布边界或范围差异，计算物种分布范围或边界变化特征，根据 边界或范围变化程度识别分布边界与范围发生变化的物种数量。对单个物种，一定区域内 的变化主要体现在物种分布边界的变化大小与方向；对m个物种而言，一定范围内物种分 布边界与范围的改变，以及改变范围与边界物种情况。识别地理边界变化，包括分析单个物 种地理分布边界变化与方向，以及分布边界与范围变化的物种数量，不同变化程度物种的 数量，没有变化物种数量。如表1所示演变分析矩阵所示。
[0037] 表1识别生物多样性演变矩阵
[0038]
[0039] 注：表中SI、S2、. . . Sn表示物种，XSlS表示按i规则判定j物种判断结果，YSi表 示对j物种判定结果。
[0040] 对物种丰富度变化反映一定范围内从时间tl到t2物种丰富度的变化，包括物种 数量改变。全国尺度：
[0041] 以Nt+1 = Nt+QR-QC-MJ (12)表示在时段j时全国物种多样性，则1950S，1960S， 1970S，1980S，1990S，2000S时段全国物种多样性绝对量以时间序列反映如下
[0042] N - {N195〇sj N1960s, N1970s, N1980s, Nigg〇s, N2〇〇〇s} (13)
[0043] 不同时间段的变化变化量表示如下：
[0044] A Nt = Nt+1_Nt = QR-QC-MJ (14)
[0045] 物种地理区域
[0046] 以Nt+1 = Nt+QR-QC-MJ (15)表示在时段j时动物地理区域物种多样性，则 1950S，1960S，1970S，1980S，1990S，2000S时段物种多样性绝对量以时间序列反映如下
[0047] {Ni95〇s? N1960s, N1970s, N1980s, N1990s, N2〇〇〇s} (16)
[0048] 不同时段的变化变化量表示如下：
[0049] A Nt = Nt+1_Nt = QR-QC-MJ (17)
[0050] -定范围内物种丰富度的变化，反映在不同时间段比较，体现在物种丰富度变化， 包括分析这些物种数量的增减，新增加数量，灭绝或迁入与迁出的状况。
[0051] 5、分析物种分布变化与人类活动关和气候变化因素的关联性，选择对生物多样性 影响明显的气候要素指标变量，包括影响生物的气温、降水特征、综合要素，包括不同时间 段气温均值、极端值、积温，界限温度，降水量，干燥度与湿润度、相对湿度以及水热要素综 合变量。以观测的气候要素为数据源，利用计算机程序，计算出近几十年来各个气候要素 值变化。同时，选择影响生物多样性的人口密度，保护区、森林、草地、农田、交通与建筑面 积、调查强度作为人类活动指标，收集相关资料，包括调查报告、遥感资料等，分析几十年来 的人类活动要素。同步分析近几十年来的气候变化要素、人类活动要素和物种分布或丰富 度变化的时间序列，计算气候要素、人类活动要素和物种分布或丰富度变化时间序列关联 度，分析物种分布变化与气候要素和人类活动的关联程度；计算气候要素、人类活动要素 和物种丰富度时间序列主分量和相关系数，分析物种分布变化与气候变化和人类活动的关 系。具体njt)，1表示物种或生物多样性特征，A ni(t)反映生物多样性属性特征在 不同时间段的变化；同时以A Jt)时间序列分析气候要素变化趋势；以Pjt)时间序列分 析人类活动变化，t 表示时间段 1951-1960、1961-1970、1971-1980、1981-1990、1991-2000、 2001-2010。将ni(t)、Ajt)、Mt)三个时间序列同步进行分析，同时进行A ni(t)、 A Ajt)、A 0i(t)时间序列分析，根据生物多样性要素、气候要素和人类活动变化关联性 或者相关分析方法，分析相关关系。
[0052] ①相关分析
[0053] 设和rl2代表人类活动或者气候变化与物种分布或者丰富度的时间序列，rl和 rl代表其平均值，则物种分布或丰富度与气候变化要素时间序列矩阵，人类活动要素时间 序列的相关系数
[0055] ②灰色关联度分析
[0056] 分析物种分布或丰富度与气候变化要素时间序列、人类活动要素时间序列的关联 度如下：
[0057] 对气候因素、人类活动因素、物种分布边界与分布中心数据进行正则化：
[0060] xjs)和Xl(s)是原始物种分布与气候要素、人类活动因素的序列数据；Xjs)和 X; (s)是原始序列数据正则化数据；min (x。(s)，max (x。(s)，min (X; (s)，和max (X; (s)是这些 序列数据最小和最大值。
[0061] 计算物种分布序列数据与气候要素、人类活动要素序列数据差的绝对值
[0062] A^s) = |x0(s)-Xi(s) | , s = 1,2, . . . , n ；i = 1,2, . . . , m (20)
[0063] A i (s)物种分布与气候要素序列数据的差值绝对值.
[0064] 计算物种分布变化与气候要素、人类活动要素变化的灰色关联系数
[0066] Y〇1(s)是气候要素、人类活动要素与物种分布变化的关联系数；是 关于i最小值A i (s)序列的最小值；⑷是i最大值序列a i (s)的最大值。
[0067] 计算物种分布与气候要素、人类活动要素变化的关联度
[0069] 进一步按表2排序矩阵分析生物多样性演变与人类活动和气候变化的关系，筛选 关键的气候变化或人类活动的要素。
[0070] 表2识别生物多样性演变与气候变化和人类活动关系的矩阵
[0071]
[0072] 注：表中Sp S2、. . . Sn表示物种，XS^表示按i规则判定j物种判断结果，YSi表示 对j物种判定结果。
[0073] 6、筛查识别完全受气候变化影响、没受到影响和受气候变化和人类活动共同影响 的物种，首先建立物种分布与丰富度变化归因为气候变化和人类活动的函数，然后在进一 步建立利用气候变化和人类活动对生物多样性影响的判别函数，根据判别函数判断物种分 布变化是完全受到气候变化影同、没有受到气候变化影响、还是受到人类活动和气候变化 共同影响。
[0074] 由于考虑观测与模拟分布没有变化，及观测分布与模拟分布不一致，以及观测分 布与气候要素变化关联性非常低都不能把变化归因为气候变化影响，定义物种分布变化 归因于气候变化影响的程度（Aj为观测分布变化（Od，分布变化与气候变化要素关联度 (RD])，模拟分布变化（S,)和一致性函数（CJ.。表达为 ：
[0075] Ax j = f (Q. j, R0j, S. j, C. j) (23)
[0076] 设％，1^，3^，(^是同样重要并且不能独立于4^;则把方程定义为^ = 1^11((^， R〇j，Sijk，D (24)
[0078] 这里A Og，min (| A 〇」）和max (| A 〇」）是观测物种分布及它们最小和最大值。
[0079] Rjj = ^Xw^j (26)
[0080] r0j = max (s0i) (27)
[0081] s。；由公式（18)计算，max (s。;）是s。;最大值.
[0083] Wlj是气候因素变化系数，hH min (klD，和max㈨J是气候因素随时间变化的简单 相关系数及最小和最大值。
[0085] A Sg min(| Aog |)和max(| A Sgl)是模拟分布变化及最小和最大值。
[0086] 等于P &，由公式（21)计算。如果Ax j越大，则归因气候变化程度越高，如果Ax j 小于或等于〇,则物种分布变化就不能归因为气候变化。
[0087] 同样，由于考虑观测与模拟的人类活动影响下物种分布没有变化，及观测分布与 模拟分布不一致、观测分布与人类活动要素变化关联性非常低都不能把物种变化归因为人 类活动影响，定义物种分布变化归因为人类活动影响的程度（RB,)为观测分布变化（ROj， 分布变化与人类活动要素的关联度（RR a])，预估人类活动对物种分布影响趋势（RS,)和一 致性函数（RCJ.。用数学表达为：
[0088] Bij = p(.RQij, RR〇j, RS〇 ,RCtJ) (30)
[0089] 设ROw RRQj，RSw RCu是同样重要并且不能独立于;则把方程可以定义为：
[0090] Bij = minCROij, RR0j, RSijk, RCij) (31)
[0092] 这里ARou，min(| ARoJ)和maX(| ARoJ)是观测分布及它们最小和最大值。
[0093] RR^ = Rr0j X Rw; j (33)
[0094] Rr0j = max(Rs0i) (34)
[0095] Rs。；由公式（18)计算，max(RS(jX)是 Rs。;最大值?
[0097] Wlj是人类活动要素变化系数，h j，min㈨j)，和max㈨J是人类活动因素随时间变 化的简单相关系数及最小和最大值。
[0099] A Rsw min (| A Roy |)和max (| A RSu |)是模拟分布变化及最小和最大值。
[0100] 表3分析人类活动对物种分布边界影响的评估矩阵
[0103] R&等于PQl，由公式（21)计算。如果越大，则归因人类活动程度越高，如果 By小于或等于0,则物种分布变化就不能归因为人类活动影响。
[0104] 考虑物种分布变化受到气候变化影响、人类活动影响和共同影响三种情况，建立 综合判别函数判别物种分布变化是受到气候变化、人类活动要素变化，以及气候驱动与人 类活动驱动下函数和一致性，基于这样的关系，判别函数表示为：
[0106] '为气候变化归因函数值，有以下公式计算；BlS为人类活动归因函数值；P为判 别函数。
[0107] 根据判别函数值，按照以下判别矩阵判别物种分布变化归因于不同因素影响。
[0108] 表4判别物种分布边界变化归因于不同因素影响矩阵
[0110] 在对单个物种分布边界进行判别分析后，进一步可以根据以下矩阵方法，分析所 有物种归因于人类活动和气候变化进行综合分析，具体如下矩阵所表示。
[0111] 表5识别生物多样性演变受到气候变化和人类活动归因矩阵
[0112]
[0113] 注：表中Si、S2、. . . Sn表示物种，XSlS
表示按i因素判定j物种判断结果，YSi表示 对j物种判定结果。
[0114] 基于计算各个物种是受到气候变化影响、人类活动影响和共同影响的判别函数， 统计出受到气候变化、人类活动影响和共同影响的物种数量（见表5)。
[0115] 7、计算影响程度与贡献大小，
[0116] 气候变化和人类活动对生物多样性影响贡献就是在过去一段时间内物种边界或 范围或丰富度改变中受到气候变化影响、人类活动影响和共同影响部分所占全部变化物 种的比例。通过分析受到气候变化影响的物种数量占分布变化的物种数量的比例，以及分 布变化物种数量占总物种数量比例的积，分析气候变化影响贡献。同时，通过分析受到人类 活动影响的物种数量占分布变化的物种数量的比例，以及分布变化物种数量占总物种数量 比例的积，分析人类活动的影响贡献。另外，通过分析受到人类活动和气候变化影响的物种 数量占分布变化的物种数量的比例，以及分布变化物种数量占总物种数量比例的积，分析 人类活动和气候变化共同的影响贡献。
[0117] 设有N个物种，明确有M个物种分布发生改变，并且明确有Q个物种分布变化是由 于气候变化，则可以确定这些物种分布变化中气候变化影响贡献为
[0119] 设有N0个物种，明确丰富度变化为M0个物种改变，并且明确有Q0个物种变化是 由于气候变化，则可以确定这些物种丰富度变化中气候变化影响贡献为
[0121] 同样，设有N1个物种，明确有Ml个物种分布发生改变，并且明确有Q1个物种分布 变化是由于人类活动，则可以确定这些物种分布变化中人类活动影响贡献为
[0123] 设有N2个物种，明确丰富度变化为M2个物种改变，并且明确有Q2个物种变化是 由于人类活动，则可以确定这些物种丰富度变化中人类活动影响贡献为
【主权项】
1. 一种分离气候变化和人类活动对生物多样性影响、检测近几十年来气候变化和人类 活动影响贡献的技术。为提出生物多样性保护适应气候变化的对策，在气候变化影响下有 效保护生物多样性发挥重要的社会、经济和环境效益。包括以下具体步骤： 1、 通过利用函数微分和差分分析，把生物多样性演变与其影响因素的函数关系分解为 不同因素共同影响的加和的形式。 2、 通过函数因素的分解，把生物多样性演变受到的不同因素影响的效应分解为气候变 化和人类活动因素两方面影响的加和的形式。 3、 通过生物多样性要素变化的时间序列的差异性分析，识别近几十年来生物多样性演 变的特征，以物种分布边界、分布范围和物种丰富度为表征生物多样性指标，物种分布边界 点通过计算物种分布区分布点组成的空间点集的凸壳集来求取，物种分布范围以物种分布 区各个分布点的几何中心点、分布点数量和面积表示；物种丰富度以一定区域内一段时间 所有物种数量反映。通过调查与收集历史不同时段物种分布范围与分布边界及丰富度相关 资料，利用中国地名录数据库结合地理信息系统，制作不同时段各个物种分布及物种丰富 度图，根据物种分布边界或范围变化的程度，识别分布边界与范围发生变化的物种数量，及 区域物种丰富度改变特征。 4、 以观测的气候要素数据为数据源，计算近几十年气候要素变化，同时分析近几十年 来人类活动要素变化；以灰色系统关联分析技术，分析物种分布变化与气候要素和人类活 动的关联程度；以相关分析技术，计算气候变化、人类活动要素和物种分布边界或丰富度时 间序列相关系数，分析物种地理分布变化与气候变化和人类活动的相关程度，识别近几十 年来影响生物多样性演变的主要气候变化和人类活动因素。 5、 建立物种分布变化受到不同因素影响的综合判别函数和矩阵，筛查完全受气候变化 影响、没有受影响和受共同影响的物种，计算分布变化完全受气候变化影响、受到气候变化 和人类活动共同影响、没有受到气候变化影响的物种数量。 6、 根据分布变化完全受气候变化影响、受到气候变化和人类活动共同影响、没有受到 影响的物种数量，计算受到气候变化和人类活动影响的物种数量占分布变化的物种数量的 比例，及分布变化物种数量占总物种数量比例，检测近几十年来气候变化和人类活动对生 物多样性影响的贡献。
【文档编号】G06F19/10GK105893785SQ201410448783
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2014年9月4日
【发明人】吴建国
【申请人】中国环境科学研究院, 吴建国