[发明专利]一种评估历史时期湖泊水生植物适宜水位的方法

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。

主权项

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(X_i，Y_i)和(X_j，Y_j)，如果X_j-X_i与Y_j-Y_i有相同符号，则认为变化方向一致，将一致的点对数目记为M，如果X_j-X_i与Y_j-Y_i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X_i和X_j表示某种孢粉在第i层和j层的数量，Y_i和Y_j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S_t，S_t＝M-NC、Kendall秩相关系数τ＝2S_t/(n(n-1))，其中n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A、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：Z_j＝b₀+bU_jZ_j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，U_j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Spk=Σj=1nZj×AbundkjΣj=1nAbundkj]]>Sp_k代表第k种硅藻的排序值，Abund_kj代表第k种硅藻在第j个剖面层的丰富度，n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A、设有q个变量x₁，x₂，x₃，..，x_q，对应有q个原始数列l≤i≤q，其中n代表剖面层的数目，x₁代表水位，x₂，x₃，...，x_q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：xi1=[xi1(1),xi1(2),...,xi1(n)]=[Σj=11xi0(j),Σj=12xi0(j),...,Σj=1nxi0(j)]]]>C、其中x₁受到x₂，x₃，...，x_q的影响，x₂，x₃，...，x_q中的各变量彼此相互独立，又受到x1的影响，建立如下微分方程dx11/dt+a11x11=a12x21+a13x31+...+a1qxq1]]>dx21/dt+a21x21=a22x11,]]>dx31/dt+a31x31=a32x11,...,]]>dxq1/dt+aq1xq1=aq2x11]]>D、根据数列对数列进行预测，然后对预测结果做逆累加生成，就得到对数据列的预测结果4)建立孢粉硅藻物种与湖泊水位的关系不同历史阶段硅藻孢粉对湖泊水位的响应程度有所差异，因此用分段曲线拟合能更好的反映硅藻孢粉物种受水位驱动的变化状况，拟合基于最小二乘原A、一组数据(x_ik，y_i)，根据点的分布将其划分为m个区段，其中x_ik表示第i个剖面层，第k个物种的数量，y_i表示第i个剖面层的对应水位B、符合线性关系的用线性拟合，即Y＝kx+b，不符合线性关系的用非线性拟合，即Y′＝c₁x+c₂x²+...+c_px^p+c₀，其中k，c₁，c₂，...，c_p为回归系数，b，c₀为截距C、要保证在边界点处连续光滑，则边界点对应的两侧曲线的函数值和导数值相等D、引入最小二乘估计量S，其中j表示区段，l≤j≤m，l表示第j个区段的剖面层数，f(x_ik)表示第j个区段的拟合曲线，令S对各区段拟合曲线的回归系数的偏导数为零，既而求出各区段拟合曲线的回归系数5)计算历史时期水生植物的适宜水位阈值根据拟合曲线确定各孢粉和硅藻物种的适宜水位区间，然后将各区间叠加，计算出湖泊历史时期水生植物的适宜水位阈值。