CN107025381A - 基于p‑ibi的阳澄湖生态系统健康评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于P‑IBI的阳澄湖生态系统健康评价方法，具体方法如下：步骤一：通过两种方式获取环境因子数据；步骤二：建立P‑IBI评价体系，包括P‑IBI评价体系指标筛选和P‑IBI评价体系指标训练；步骤三：测试P‑IBI评价体系；步骤四：用已构建的P‑IBI评价体系计算阳澄湖每次采样及各采样点的P‑IBI得分，进而评价阳澄湖生态系统健康状况，本发明对维持阳澄湖湖泊生态系统健康，科学设定阳澄湖生态优化目标，降低区域生态灾害风险具有重要的理论价值和现实意义，同时也对其他地区湖泊的P‑IBI体系的建立具有极高的参考价值。
Description
技术领域
本发明涉及环境保护技术领域，具体涉及一种基于P-IBI的阳澄湖生态系统健康评价方法。
背景技术
阳澄湖在江苏省的生态和经济等方面发挥着重大作用。然而，由于经济的高速发展和不适当的湖泊资源开发利用，阳澄湖生态系统面临巨大压力，水环境问题日益突出，健康状况不断下降。湖泊水环境恶化与富营养问题正在严重制约着该地区社会和经济的可持续发展。然而，如何从生态系统健康角度去对已经开展的优化行动实施效果进行评估？怎样建立一套有效反映该湖泊生态系统健康状况的综合评价方法？
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种基于P-IBI的阳澄湖生态系统健康评价方法。
本发明的技术方案为：一种基于P-IBI的阳澄湖生态系统健康评价方法，具体方法如下：
步骤一：通过两种方式获取环境因子数据，一种方式是通过在阳澄湖布设生态监测点进行野外监测得到数据，另一种方式是对采集到的水样进行分析得到数据；
步骤二：建立P-IBI评价体系，包括P-IBI评价体系指标筛选和P-IBI评价体系指标训练；
P-IBI评价体系指标筛选：收集有关丰度、生物量和多样性指数等备选参数，建立备选参数库，依据备选参数与环境因子的相关性，对备选参数进行筛选；
P-IBI评价体系指标训练：引入累计决定系数和相关指数指标，两者的数学表达式如下所示：
其中rs,y为某个特定的备选参数与环境变量y的Spearman秩相关的相关系数；
其中S为在0.05水平上存在显著差异的rs,y个数，n表示用于评估的环境变量个数；
将备选参数进行标准化，并赋值，备选参数标准化后的平均值为P-IBI得分；
步骤三：测试P-IBI评价体系，计算P-IBI得分和已筛选出的备选参数与环境因子之间的累计决定系数和相关指数，根据累计决定系数和相关指数的大小，从训练组数据中选取能较好反映阳澄湖环境变化的指标，与训练组数据相比较，若训练组和测试组中的累计决定系数和相关指数存在较好的一致性，则建立的P-IBI评价体系适合用于评估阳澄湖生态系统健康状况，否则对P-IBI评价体系进行进一步调整；
步骤四：用已构建的P-IBI评价体系计算阳澄湖每次采样及各采样点的P-IBI得分，进而评价阳澄湖生态系统健康状况，分析其空间及时间差异，根据P-IBI得分以及筛选出的备选参数与环境因子的多元分析结果，分析P-IBI得分以及筛选出的备选参数与环境因子的关系，揭示影响该湖泊生态系统健康的主要环境因素。
进一步地，所述步骤一中布设生态监测点获取环境因子的方法为依据湖体长度与植被分布状况在阳澄湖西湖、中湖、东湖分别布设7、5、6个生态监测点，对各研究区内浮游植物及水体理化因子等进行长期监测，确定水体理化因子和浮游植物群落结构的时空变化趋势。
进一步地，所述监测的频率为每2个月1次，每年监测6次。
进一步地，所述水体理化因子包括水体流速、水体透明度、水深、水体表层水温、pH、电导率、溶解氧、盐度和浊度等指标。
进一步地，所述步骤一中水样分析方法为：采用有机玻璃采水器采集水面以下0.5m、中层和离湖底0.5m水样，并将3层水样混合均匀，用10L经酸泡处理的塑料桶储藏水样，定量样品取用1L充分摇匀后的混合水样，倒入试剂瓶中之后加1％体积的Lugol试剂固定，静置48h后，利用虹吸法将上清液吸除，定容至30ml，将定量样品充分摇匀后，迅速吸取0.1ml定量样品到计数框中，盖上盖玻片，保证计数框内无气泡，也无样品溢出，置于Olympus BX41显微镜下进行镜检，每个定量样品计数2片，若2片计数结果相差15％以下，则取2片平均值作为最终结果，否则进行第3片计数，浮游藻类最终值为其中个数相近的2片的平均值。
进一步地，所述步骤二中首先通过直方图和Shapiro-Wilks test检验数据是否呈正态分布，Levene’s F test检验方差性，若不满足，通过Spearman秩相关分析各备选参数与各环境因子之间的相关性，若两个或多个环境因子的相关系数大于0.80，选择与生物参数相关性最好的理化参数。
本发明的有益效果为：从对环境变化反应敏感的浮游植物入手，以国际广泛运用的生物完整性指数为基础，通过野外观测、数据分析以及指标筛选等研究方法，试图建立适合该湖泊特征的P-IBI评价方法。研究结果有助于明确该地区的生态系统健康状况以及影响其的主要环境因子，对维持阳澄湖湖泊生态系统健康，科学设定阳澄湖生态优化目标，降低区域生态灾害风险具有重要的理论价值和现实意义，同时也对其他地区湖泊的P-IBI体系的建立具有极高的参考价值。
附图说明
图1为阳澄湖及周边区域采样点位置。
图2为本发明的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明，本实施例不构成对本发明的限制。
一种基于P-IBI的阳澄湖生态系统健康评价方法，具体方法如下：
步骤一：获取环境因子数据
通过两种方式获取环境因子数据，一种方式是通过在阳澄湖布设生态监测点进行野外监测得到数据，另一种方式是对采集到的水样进行分析得到数据。
1、布设生态监测点
依据湖体长度与植被分布状况在阳澄湖西湖、中湖、东湖分别布设7、5、6个生态监测点，如图1所示，对各研究区内浮游植物及水体理化因子等进行长期监测，确定水体理化因子和浮游植物群落结构的时空变化趋势。其中，对阳澄湖进行周年监测，监测频率为每2个月1次，每年共监测6次。选取相应指数对其进行水质评价，包括使用Sontek河流调查者M9(走航式流速仪)测定水体流速，使用Hydrolab Datasond 5型多参数水质监测仪测定水体表层水温、pH、电导率、溶解氧、盐度和浊度等指标，采用塞式盘测定水体透明度，采用Speedtech SM-5便携式水深探测仪测定水深，其中，阴影指数(Shade index，SI)指标由某点位的水深(m)除以该点位的透明度(m)计算得出。
2、水样分析
采用有机玻璃采水器(UWITEC-WSC)采集表层(水面以下0.5m)、中层和底层(离湖底0.5m)水样，并将3层水样混合均匀，用10L经酸泡处理的塑料桶储藏水样，并冷藏避光保存，带回实验室。在实验室中分析水质样品中的环境因子，依据《湖泊富营养化调查规范》(金相灿和屠清瑛,1990)确定水样中的总氮(TN)、总磷(TP)、溶解性总氮(DTN)、溶解性总磷(DTP)、氨氮(NH4-N)、硝态氮(NO3-N)、亚硝态氮(NO2-N)、正磷酸盐(PO4-P)、反应活性磷(SRP)、高锰酸盐指数(CODMn)和有机悬浮颗粒物(OSS)和无机悬浮颗粒物(ISS)以及水体中常见离子含量。
浮游藻类定性样品由25#浮游生物网捞取，定量样品取用1L充分摇匀后的混合水样，倒入试剂瓶中之后加1％体积的Lugol试剂固定，静置48h后，利用虹吸法将上清液吸除，定容至30ml。计数时，将定量样品充分摇匀后，迅速吸取0.1ml定量样品到计数框(面积20×20mm)中，盖上盖玻片，保证计数框内无气泡，也无样品溢出，置于Olympus BX41显微镜下进行镜检。计数方法为目镜视野法，随机计数100个视野，若所得计数值不足300，则增加计数视野数。每个样品计数2片，若2片计数结果相差15％以下，则取2片平均值作为最终结果，否则进行第3片计数，浮游藻类最终值为其中个数相近的2片的平均值。硅藻鉴定前用酸处理法，除去细胞内含物以清除观察壳上的花纹。由于浮游藻类的比重接近于1，即1mm3的细胞体积等于1mg湿重生物量，故生物量的测定可以采用体积转化法。细胞的平均体积根据物种的几何形状计算。浮游藻类的种类鉴定参照《中国淡水藻类—系统、分类及生态》
步骤二：建立P-IBI评价体系
1、P-IBI评价体系指标筛选：收集国内外文献中有关丰度、生物量和多样性指数等备选参数，建立备选参数库，依据备选参数与环境因子的相关性，对备选参数进行筛选，得到浮游植物群落指标、浮游植物生长型指标、浮游植物多样性指标。
2、P-IBI评价体系指标训练：通过直方图和Shapiro-Wilks test检验数据是否呈正态分布，Levene’s F test检验方差性。若不满足，通过Spearman秩相关分析浮游植物各备选参数与各监测环境因子之间的相关性。若两个或多个环境指标存在较强的自相关(相关系数大于0.80)，选择与生物参数相关性最好的理化参数，进行下一步分析。为了有效评估各生物参数与环境因子的统计显著性，引入累计决定系数(Cumulative R2)和相关指数(correlation index，CoI)指标。两者的数学表达式如下所示：
其中rs,y为某个特定的备选参数与环境变量y的Spearman秩相关的相关系数。
其中S为在0.05水平上存在显著差异的rs,y个数，n表示用于评估的环境变量个数。
累计决定系数和相关指数的值越大，说明备选参数与环境因子之间关系越好。根据欧盟水环境框架指示，将备选参数进行标准化，赋值1、2、3、4和5，代表了生态系统健康状况，备选参数值越高，表明健康状况越好。备选参数按照训练数据的第90、第75、第50和第25百分位数进行划分。若备选参数值随着外界对生态系统的损伤加剧而减小，则将备选参数小于第25百分位数、第25到第50百分位数、第50到第75百分位数、第75到第90百分位数和大于第90百分位数分别赋值1、2、3、4、5；若备选参数值随着外界对生态系统损伤加剧而增大，则将将参数小于第25百分位数、第25到第50百分位数、第50到第75百分位数、第75到第90百分位数和大于第90百分位数分别赋值5、4、3、2、1。最终的P-IBI得分为候选参数标准化后的平均值，得分为4.5-5.0、3.75-4.5、2.5-3.75、1.25-2.5和1-1.25分别指示生态系统健康状况为极好、好、中等、低和差。
其中，水体理化因子和浮游藻类群落参数的多元分析由DCA、CCA或RDA梯度分析进行。为了满足数据分析所要求的正态性等要求，在进行多元分析前，将环境数据进行适当转化(如log(X+1))使其无量纲且降低异质性。浮游藻类种类数据中，剔除出现频率小于10％、相对平均生物量小于0.1％的种类后，对相对生物量进行开平方根转化以减少属种之间的自相关效应，对含量极少的属种进行降权处理。
步骤三、测试P-IBI评价体系
在6次采样中，将前4次采样数据作为体系训练组数据，后2次采样数据作为测试组数据。在对P-IBI评价体系的测试过程中，计算P-IBI得分和已筛选出的备选参数与环境因子之间的累计决定系数和相关指数，根据累计决定系数和相关指数的大小，从测试组数据中选取能较好反映阳澄湖环境变化的指标，与训练组数据相比较。若训练组和测试组中的累计决定系数和相关指数存在较好的一致性，则认为所建立的P-IBI评价体系适合用于评估阳澄湖生态系统健康状况，否则对评价体系进行进一步调整。
进一步地，计算其他用于评价水体水质状况的指数，用以验证P-IBI体系评价结果的可信度。
步骤四：运用P-IBI评价体系
用已构建的P-IBI评价体系计算阳澄湖每次采样及各采样点的P-IBI得分，进而评价阳澄湖生态系统健康状况，分析其空间及时间差异。根据P-IBI以及筛选出的备选参数与环境因子的多元分析结果，分析P-IBI得分以及筛选出的备选参数与环境因子的关系，揭示影响该湖泊生态系统健康的主要环境因素。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，不用于限制本发明，本领域技术人员可以在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本发明技术方案的保护范围内。
Claims (6)
1.一种基于P-IBI的阳澄湖生态系统健康评价方法，其特征在于：具体方法如下：
步骤一：通过两种方式获取环境因子数据，一种方式是通过在阳澄湖布设生态监测点进行野外监测得到数据，另一种方式是对采集到的水样进行分析得到数据；
步骤二：建立P-IBI评价体系，包括P-IBI评价体系指标筛选和P-IBI评价体系指标训练；
P-IBI评价体系指标筛选：收集有关丰度、生物量和多样性指数等备选参数，建立备选参数库，依据备选参数与环境因子的相关性，对备选参数进行筛选；
P-IBI评价体系指标训练：引入累计决定系数和相关指数指标，两者的数学表达式如下所示：
其中rs,y为某个特定的备选参数与环境变量y的Spearman秩相关的相关系数；
其中S为在0.05水平上存在显著差异的rs,y个数，n表示用于评估的环境变量个数；
将备选参数进行标准化，并赋值，备选参数标准化后的平均值为P-IBI得分；
步骤三：测试P-IBI评价体系，计算P-IBI得分和已筛选出的备选参数与环境因子之间的累计决定系数和相关指数，根据累计决定系数和相关指数的大小，从测试组数据中选取能较好反映阳澄湖环境变化的指标，与训练组数据相比较，若训练组和测试组中的累计决定系数和相关指数存在较好的一致性，则建立的P-IBI评价体系适合用于评估阳澄湖生态系统健康状况，否则对P-IBI评价体系进行进一步调整；
步骤四：用已构建的P-IBI评价体系计算阳澄湖每次采样及各采样点的P-IBI得分，进而评价阳澄湖生态系统健康状况，分析其空间及时间差异，根据P-IBI得分以及筛选出的备选参数与环境因子的多元分析结果，分析P-IBI得分以及筛选出的备选参数与环境因子的关系，揭示影响该湖泊生态系统健康的主要环境因素。
2.根据权利要求1所述的一种基于P-IBI的阳澄湖生态系统健康评价方法，其特征在于：所述步骤一中布设生态监测点获取环境因子的方法为依据湖体长度与植被分布状况在阳澄湖西湖、中湖、东湖分别布设7、5、6个生态监测点，对各研究区内浮游植物及水体理化因子等进行长期监测，确定水体理化因子和浮游植物群落结构的时空变化趋势。
3.根据权利要求2所述的一种基于P-IBI的阳澄湖生态系统健康评价方法，其特征在于：所述监测的频率为每2个月1次，每年监测6次。
4.根据权利要求2所述的一种基于P-IBI的阳澄湖生态系统健康评价方法，其特征在于：所述水体理化因子包括水体流速、水体透明度、水深、水体表层水温、pH、电导率、溶解氧、盐度和浊度等指标。
5.根据权利要求1所述的基于P-IBI的阳澄湖生态系统健康评价方法，其特征在于：所述步骤一中水样分析方法为：采用有机玻璃采水器采集水面以下0.5m、中层和离湖底0.5m水样，并将3层水样混合均匀，用10L经酸泡处理的塑料桶储藏水样，定量样品取用1L充分摇匀后的混合水样，倒入试剂瓶中之后加1％体积的Lugol试剂固定，静置48h后，利用虹吸法将上清液吸除，定容至30ml，将定量样品充分摇匀后，迅速吸取0.1ml定量样品到计数框中，盖上盖玻片，保证计数框内无气泡，也无样品溢出，置于Olympus BX41显微镜下进行镜检，每个定量样品计数2片，若2片计数结果相差15％以下，则取2片平均值作为最终结果，否则进行第3片计数，浮游藻类最终值为其中个数相近的2片的平均值。
6.根据权利要求1所述的基于P-IBI的阳澄湖生态系统健康评价方法，其特征在于：所述步骤二中首先通过直方图和Shapiro-Wilks test检验数据是否呈正态分布，Levene’s Ftest检验方差性，若不满足，通过Spearman秩相关分析各备选参数与各环境因子之间的相关性，若两个或多个环境因子的相关系数大于0.80，选择与生物参数相关性最好的理化参数。
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- 2017-04-18 CN CN201710253380.3A patent/CN107025381A/zh active Pending
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