CN102592044A - 一种确定栖息地适宜度的方法 - Google Patents

Abstract

一种建立栖息地适宜度标准的方法。首先确定研究河段中需要研究的典型鱼种及生命阶段，进行关键物种生命阶段及生活习性调查，并对研究河段进行单元划分和河道生境数据采集；然后，运用多元线性回归法，分别建立栖息地变量表示的栖息地适宜度函数和物种响应表示的栖息地适宜度，将两者结合得到物种响应与栖息地变量之间的关系；最后，用最小二乘法求解物种相应与栖息地变量关系式中的回归系数，最后得到通过多元回归法建立的栖息地适宜度标准。该方法能考虑了栖息地变量之间的相互作用，通过多个环境特征的累积效果来决定物种的响应，使模拟结果更加合理。

Description

一种确定栖息地适宜度的方法

技术领域

本发明属于生态环境保护领域，涉及一种确定栖息地适宜度的方法，尤其是基于多元线性回归确定栖息地适宜度的方法。

背景技术

物理栖息地环境因子对于鱼类的种群与多样性有显著影响，而生物群落对于栖息地也有特别的敏感性与偏好。各种不同的环境变化会直接或间接的影响鱼类在栖息地活动的偏好。目前，已经开发多种建立栖息地适宜度指标的方法，用于定量描述栖息地与物种之间的关系。栖息地定量的经典方法是栖息地适宜度指数法(Beecher HA，Caldwell BA，Demond SB.Evaluation of depth and velocity preferences of juvenile coho salmon in Washington streams[J].North American Journal of Fisheries Management，2002，22：785-795)。栖息地适宜度指数是用来表示不同水生动物不同生命阶段对流速、水深、底质、覆盖物等不同河流参数的偏好。栖息地适宜度指数用0-1之间的数值表示栖息地影响因子对鱼类的影响，最适宜的情况为1，最不适宜的情况为0(班璇，李大美，李丹.计算葛洲坝下游中华鲟产卵栖息地适宜度标准研究[J].武汉大学学报(工学版)，2009，42(2)：172-177)。栖息地适宜度指数主要有三种方法：二元格式，单变量格式，多变量格式。以上三种方法均基于对栖息地生态因子进行独立考虑，没有考虑栖息地变量之间的相互作用和相关性。比如某种鱼类偏好流速快的水体，但必须在河底有巨石等庇护、能够躲避水流冲击的情况下才会选择；如果没有庇护，不能躲避水流冲击，则鱼类会选择流速相对较低的水体，同时需要寻找防止被捕食者发现的庇护。鱼类对栖息地选择显然是一个多元过程，受到多个相互作用的变量影响，已有的计算方法忽略了栖息地的复杂性，不能恰当的表达自然水体的情况。

发明内容

针对现有栖息地适宜度标准确定方法没有考虑栖息地变量之间的相互作用和相关性，本发明要解决的技术问题是建立一种新的栖息地适宜度标准确定方法，基于该技术确定的栖息地适宜度标准，考虑了栖息地变量之间的相互作用，通过多个环境特征的累积效果来决定物种的响应。

本发明解决该技术问题所采取的技术方案如下：

一种确定栖息地适宜度的方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)基于历史和现状调查资料，筛选出对栖息地变化最敏感的物种，并对其生命阶段，生态习性进行调查；

(2)对研究河段设置断面，所述断面需要包括具有代表性的典型断面，测量河道形态，并对断面根据河道地形特征进行单元划分；沿断面与河流垂直方向测量每个单元中点的水深、流速、基质、覆盖物的组成，统计不同生境下物种的丰度；

(3)采用多元线性回归法建立物种响应与栖息地变量之间的关系

①基于物理栖息地变量的栖息地适宜度指数

HSI_k(k＝1，…，m)为河段单元k的栖息地适宜度指数，通过栖息地变量的频率分布来描述，由下式所得：

${\mathrm{HSI}}_k=a+{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{\mathrm{\Σ}}_{j=1}^{c_i}{\mathrm{\β}}_{\mathrm{ij}}{w}_{\mathrm{ijk}}$

其中，i为栖息地变量的序号；n为栖息地变量总个数；j为各栖息地变量P_i的级别；c_i为栖息地变量P_i的总级数；β_ij多元回归系数，使用最小二乘法(OSL)估计；w_ijk为体积或面积权重因子，由栖息地变量的频率分布得出；

②基于物种响应的栖息地适宜度指数

河段单元k的鱼类密度为d_k，基于物种响应的栖息地适宜度指数有：

HSI_k＝ln(1+1000d_k)

③长河段栖息地适宜度指数

将河段单元适宜度计算公式拓展到全河段，栖息地适宜度计算公式如下：

$\mathrm{HSI}=\stackrel{\‾}{{\mathrm{HSI}}_k}=a+\stackrel{\‾}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\Σ}}_{j=1}^{c_i}{\mathrm{\β}}_{\mathrm{ij}}{w}_{\mathrm{ijk}}}$

$W_{\mathrm{ij}}=\stackrel{\‾}{w_{\mathrm{ijk}}}$

其中，W_ij(i＝1，…，n；j＝1，…，c_i)为栖息地变量等级β_ij在整个河段中的权重；W_ij通过栖息地变量等级β_ij的表面积或体积计算得到，或通过简单的测量后运用统计水动力模型得到。

(4)最小二乘法求解系数

是n个与栖息地变量相对应的回归系数组成的向量；β_ij的估计值用最小二乘法得到，即选取β_ij，使残差ε的平方和最小。通过解n个变量的联立方程组求出

附图说明

图1划分成河流单元的河段平面图

图2适宜度指数HSI_k是生境因子的分布函数

具体实施方式

一种确定栖息地适宜度的方法，包括筛选出研究河段具有生境代表性的物种，完成关键物种生命阶段及生活习性调查，确定研究河段并进行单元划分，河道形态测量，及河道物理生境数据采集的工作；然后，运用多元线性回归法建立物种响应与栖息地变量之间的相互关系；最后，用最小二乘法求解物种相应与栖息地变量关系式中的回归系数。其具体步骤如下：

1.关键物种筛选与数据采集

首先，确定研究河段中需要研究的典型鱼种及生命阶段。通过历史和现状调查资料对比，筛选出对栖息地变化最敏感的代表性物种。在缺乏历史资料的情况下，进行野外调查和观测，选取在经济价值或种群结构上有重要贡献的物种。并对其生命阶段，生态习性进行调查。

其次，确定研究河段。搜集相关河段的河道特征、水文特征等资料。对选取河段设置断面，各断面能代表上下游的河道特征，对选取的研究河段测量河道形态，并对断面根据河道地形特征，比如深潭、浅滩的地貌特征，进行单元划分(图1)。

最后，河道物理生境数据采集。测量河段内的水位、流量等水文数据，沿断面与河流垂直方向测量每个单元中线处的水深、流速、基质、覆盖物等的组成，观察统计不同生境条件下物种的丰度。

2.多元线性回归建立物种响应与栖息地变量之间的关系

1)栖息地变量表示的栖息地适宜度函数

栖息地变量(P_i)包括水深、流速和底质等因子，将栖息地变量按等级划分，根据不同等级的频率分布设定权重：

P_i(i＝1，…，n)为栖息地变量，n为栖息地变量个数；

P_ij(j＝1，…，c_i)为栖息地变量P_i的等级，c_i为P_i的总级数；

w_ijk(k＝1，…，r)为栖息地变量等级P_ij在河段单元k中的权重，其中m为河段内单元总数。该权重可以为栖息地变量P_i属于等级P_ij的面积或体积。

HSI_k(k＝1，…，m)为河段单元k的栖息地适宜度指数(图2)，通过栖息地变量的频率分布来描述，可由下式所得：

${\mathrm{HSI}}_k=a+{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{\mathrm{\Σ}}_{j=1}^{c_i}{\mathrm{\β}}_{\mathrm{ij}}{w}_{\mathrm{ijk}}---\left(1\right)$

其中，i为栖息地变量(水深、流速等)的序号；

n为栖息地变量总个数；

j为各栖息地变量P_i的级别；

c_i为栖息地变量P_i的总级数；

β_ij多元回归系数，使用最小二乘法(OSL)估计，以保证预测值和观察值之差ε最小。

w_ijk体积或面积权重因子，由栖息地变量的频率分布得出。

2)物种响应表示的栖息地适宜度

野外观测得到河段单元k的鱼类密度d_k，为保证栖息地适宜度指数HSI_k在0-1的范围内，进行对数变换后有：

HSI_k＝ln(1+1000d_k)                      (2)

其中d_k表示鱼类密度，即单位体积内(1m³)鱼的数量。

3)长河段栖息地适宜度函数

将河段单元适宜度计算公式(1)拓展到全河段，栖息地适宜度计算公式如下：

$\mathrm{HSI}=\stackrel{\‾}{{\mathrm{HSI}}_k}=a+\stackrel{\‾}{{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n\mathrm{\Σ}}_{j=1}^{c_i}{\mathrm{\β}}_{\mathrm{ij}}{w}_{\mathrm{ijk}}}---\left(3\right)$

上划线表示该河段体积加权的平均值。上式可以写成：

$\mathrm{HSI}=a+{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{\mathrm{\Σ}}_{j=1}^{c_i}{\mathrm{\β}}_{\mathrm{ij}}\stackrel{\‾}{w_{\mathrm{ijk}}}---\left(4\right)$

或

$\mathrm{HSI}=a+{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{\mathrm{\Σ}}_{j=1}^{c_i}{\mathrm{\β}}_{\mathrm{ij}}{W}_{\mathrm{ij}}---\left(5\right)$

因为对于(i＝1，…，n；j＝1，…，c_i)有如下关系：

$W_{\mathrm{ij}}=\stackrel{\‾}{w_{\mathrm{ijk}}}---\left(6\right)$

其中，W_ij(i＝1，…，n；j＝1，.…，c_i)为栖息地变量等级β_ij在整个河段中的权重。W_ij可以通过栖息地变量等级β_ij的表面积或体积计算得到，也可以通过简单的测量后运用统计水动力模型得到。

3.最小二乘法求解系数

是n个与栖息地变量相对应的回归系数组成的向量；β_ij的估计值可以用最小二乘法得到，即选取β_ij，使残差ε的平方和最小。通过解n个变量的联立方程组求出

如果响应变量与预测变量之间的关系为非线性，可以对模型中的栖息地变量进行变换。用到高阶项的回归模型被称为多项式回归。二次多项式回归模拟的是单峰对称型响应，三次或更高阶的项则可以用于模拟偏态、双峰、或者二者兼而有之的响应模式。

多元线性回归可用于建立河流鱼类群落的栖息地适宜度模型，也可建立河流和湖泊中物种—栖息地关系。

实施例1

下面以某流域的两种鱼类为实施例进一步说明本发明。

1.关键物种筛选与数据采集

选取某流域中的典型物种鱼1和鱼2进行分析。某流域内河流流量在5-30m³/s，对不同河流、不同季节进行14组对比采样，采样的河段单元有668个，面积在5-50m²之间。每一个河段单元用电鱼法采集鱼类并进行鉴定。随机测量河段单元内5-10个水深及5-30个点流速，得出水深和流速的频率分布。不同河流获取的不同子集一起进行分析，因为仅仅从一条河流上获取的物种信息通常不足以充分体现生境偏好。

2.多元线性回归建立物种响应与栖息地变量之间的关系

对流速和水深进行分级。点流速分为5级：(V₁：[0，0.05]，V₂：[0.05，0.2]，V₃：[0.2，0.4]，V₄：[0.4，0.8]，V₅：[0.8，∞]，m/s)，通过水体体积对每个河段单元k内的分级确定权重w_11k至w_15k。水深分为4级：(D₁：[0，0.2]，D₂：[0.2，0.4]，D₃：[0.4，0.8]，D₄：[0.8，∞]，m)，通过水体表面积对每个河段单元k内的分级确定权重w_21k至w_24k。通过河段单元中的鱼类密度d_k定义该单元的适宜度指数。当单元内没有观察到鱼类时，鱼类密度(d_k)等于0；当某个单元内观察到很多鱼时，d_k值就很大。为了使适宜度指数HSI_k在0-1的范围内，对鱼类密度进行线性变换。

于是得到如下栖息地适宜度模型：

${\mathrm{HSI}}_k=\frac{d_k-\min \left(d_k\right)}{\max \left(d_k\right)-\min \left(d_k\right)}=a+{\mathrm{\Σ}}_{j=1}^5{\mathrm{\β}}_{1j}\·w_{1\mathrm{jk}}+{\mathrm{\Σ}}_{j=1}^4{\mathrm{\β}}_{2j}\·w_{2\mathrm{jk}}---\left(7\right)$

3.最小二乘法求解系数

为消除水动力条件以外的因素引起的河段单元间鱼类密度差异的影响，式(7)同时对所有单元数据进行拟合，使系数β_ij对所有单元有效，同时允许参数a在不同单元中有所变化。然后，运用系数β_ij及整个数据集的参数a的平均值，得到适合所有竞争的模型。

所有参数用最小二乘多元回归法估算，为避免式(7)中的变量线性相关，将系数β₁₁设为0，权重因子w_11k至w_15k之和应为1，计算结果见表1。

表1栖息地利用模型系数

Claims (1)

1.一种确定栖息地适宜度的方法，其特征在于基于多元线性回归确定栖息地适宜度，包括如下步骤：

(1)基于历史和现状调查资料，筛选出对栖息地变化最敏感的物种，并对其生命阶段，生态习性进行调查；

(2)对研究河段设置具有代表性的典型断面，测量河道形态，并根据河道地形特征进行单元划分；沿断面与河流垂直方向测量每个单元中线处的水深、流速、基质、覆盖物的组成，统计不同生境下物种的丰度；

(3)采用多元线性回归法建立物种响应与栖息地变量之间的关系

①基于物理栖息地变量的栖息地适宜度指数

HSI_k(k＝1，…，r)为河段单元k的栖息地适宜度指数，通过栖息地变量的频率分布来描述，由下式所得：

${\mathrm{HSI}}_k=a+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\Σ}}_{j=1}^{c_i}{\mathrm{\β}}_{\mathrm{ij}}{w}_{\mathrm{ijk}}$

其中，i为栖息地变量的序号；n为栖息地变量总个数；j为各栖息地变量P_i的级别；c_i为栖息地变量P_i的总级数；β_ij多元回归系数，使用最小二乘法(OSL)估计；w_ijk为体积或面积权重因子，由栖息地变量的频率分布得出；

②基于物种响应的栖息地适宜度指数

河段单元k的鱼类密度为d_k，基于物种响应的栖息地适宜度指数有：

HSI_k＝ln(1+1000d_k)

③长河段栖息地适宜度指数

将河段单元适宜度计算公式拓展到全河段的栖息地适宜度计算公式如下：

$\mathrm{HSI}=\stackrel{\‾}{{\mathrm{HSI}}_k}=a+\stackrel{\‾}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\Σ}}_{j=1}^{c_i}{\mathrm{\β}}_{\mathrm{ij}}{w}_{\mathrm{ijk}}}$

$W_{\mathrm{ij}}=\stackrel{\‾}{w_{\mathrm{ijk}}}$

其中，W_ij(i＝1，…，n；j＝1，…，c_i)为栖息地变量等级β_ij在整个河段中的权重。W_ij通过栖息地变量等级β_ij的表面积或体积计算得到，或通过简单的测量后运用统计水动力模型得到。

(4)最小二乘法求解系数

是n个与栖息地变量相对应的回归系数组成的向量；β_ij的估计值用最小二乘法得到，即选取β_ij，使残差ε的平方和最小。通过解n个变量的联立方程组求出

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