CN110243936A - 一种原位无损伤测定沉水植物生物量的方法 - Google Patents

一种原位无损伤测定沉水植物生物量的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种原位无损伤测定沉水植物生物量的方法，步骤是：(1)围栏水域并设置断面；(2)沉水植物特征参数测定：利用固定在行船上的回声探测仪沿断面走航测定样方水域断面内的沉水植物高度；(3)计算SPVI：导出回声探测仪测定的各样方断面结果；(4)建立回归模型；(5)利用AcrGIS软件中的反距离权重空间插值方法，对回声探测导出的结果进行空间插值；(6)对反距离权重法得到的水深、沉水植物高度及盖度求平均值；(7)该水域或同类型的水域今后沉水植物生物量调查，通过回声探测获得其水域水深、植物高度及盖度。方法易行，操作简便，原位无损伤，估算准确，适用于湖泊等浅水水体沉水植物的调查。

Description

一种原位无损伤测定沉水植物生物量的方法
技术领域
本发明属于湖泊水生态调查领域，更具体地涉及一种对湖泊等浅水水体的沉水植物 进行原位无损伤调查其生物量的方法。
背景技术
沉水植物作为水生态系统的初级生产者是湖泊生态系统的重要组成部分，也是水体 食物链的重要基础。在水生态系统中有不可替代的作用。湖泊等浅水水体中沉水植物与环境相互作用，其生长发育、种群结构可以客观地反映水体环境质量变化。在富营养化 水体中，沉水植物通过吸收水体中氮、磷等营养物，控制浮游藻类的异常增殖，吸附水 体中的颗粒悬浮物、抑制沉积物再悬浮等作用，使湖泊保持清水稳态。因此，湖泊沉水 植物的覆盖度及生物量往往作为评价湖泊等浅水水体系统稳定性的重要指标。
目前沉水植物生物量测定方法主要是通过采草夹，已公开的相关专利有“一种大型 水生植物定量采样器(申请号：201110404497.X)”、“水生植物采样器(申请号：201320014159.X)”、“一种水生植物样方生物量采集器(申请号：201420675351.8)”。 其主要是通过人工直接抓取植物，然后称其鲜重，此方法比较费时费力。对于面积较大， 沉水植物分布较分散的湖泊，采用这种传统的采草夹方法需要布设大量的采样点，因此 获得其生物量工作强度大，该方法是通过以点的生物量估算面的生物量，主观性比较强。 另一方面，利用采草夹采集沉水植物会对沉水植物造成伤害，这对于湖泊治理初期种植 的沉水植物生长不稳定时影响较大，不利于沉水植物的恢复。其次，还有利用光谱仪和 遥感技术监测沉水植物的方法，专利“一种利用地物反射波谱曲线来调查沉水植物生物 量的方法(申请号：201410545845.9)”，该方法利用光谱仪测定沉水植物反射波谱曲线 来调查沉水植物生物，易受天气因素及水体透明度影响。遥感技术通过卫星遥感数据监 测水生植物的时空分布，但是该技术获取遥感数据时容易受到云层覆盖、水体浊度等影 响，且在遥感影像提取时沉水植物容易与水体中的悬浮物和浮游植物等产生“异物同谱” 现象，实际应用受到到较多的环境条件限制。
基于水声学的回声探测仪已广泛应用于水生态领域多种生物的监测。回声探测仪通 过换能器向水中发射声波，当声波遇到鱼类、底质等固体目标物时就会产生“回声”信号， “回声”信号再返回到接受器，接收器将其转换为相应目标物的回声强度，最后通过一系 列的参数设定及算法以回波图的形式显示探测结果，能够客观的反映目标生物现状。目前针对回声探测仪在鱼类资源监测方面应用较多，Mark R.DuFour等在美国伊利湖中利 用多功能回声探测仪DT-X对鱼类丰度进行调查，利用回声探测结果与刺网调查结果进 行耦合，用以计算鱼类丰度，结果表明两种方法结合能有效提高鱼类丰度估计值(Dufour M R,Qian S S,Mayer C M,et al.Evaluating catchability in a large-scale gillnetsurvey using hydroacoustics:Making the case for coupled surveys[J].FisheriesResearch,2019,211: 309-318.)。王宗瑞等通过回声探测仪评估青海湖鱼类资源量及其空间分布(王崇瑞,张 辉,杜浩,et al.采用BioSonics DT-X超声波回声仪评估青海湖裸鲤资源量及其空间分布 [J].淡水渔业,2011,41(03):15-21.)。国内外未见回声探测仪在沉水植物生物量监测方面 应用。
发明内容
本发明的目的在于克服现有沉水植物生物量监测技术的不足，是在于提供了一种原 位无损伤测定沉水植物生物量的方法，方法易行，操作简便，原位无损伤，客观误差小，适用于湖泊等浅水水体沉水植物的调查。
为了达到上述的目的，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种原位无损伤测定沉水植物生物量的方法，其步骤是：
(1)围栏水域并设置断面，将调查水域的水体围成若干(6－20个)样方水域，样 方的每个面积大小为500～5000m2，并进行顺序标记序号，样方个数为不低于6个，依 据样方大小在样方内进行断面设计，断面间隔为5～20m。
(2)沉水植物特征参数测定：利用固定在行船上的回声探测仪(美国BioSonics公司的便携型回声探测仪—MX)沿断面走航测定所述的样方水域断面内的沉水植物高度 (不低于10cm)、盖度、水域水深(1～6m)。同时在样方水域断面上进行人工布点，布 点方式在断面间采用“之”字型布点，样点间隔为20～50m。采集各采样点沉水植物，分 别称重，得到其鲜重生物量，回声探测仪在走航时分别记录人工布设的各样点位置坐标。
(3)计算SPVI：导出回声探测仪测定的各样方断面结果，包括水深、植物高度、 植物盖度，通过下列公式计算获得对应人工布设采样点沉水植物的体积百分比(SPVI)：
SPVI＝(SPH÷WH)×SPC(A)
式中：SPVI为沉水植物体积百分比；SPH为沉水植物高度；WH为水深；SPC为 沉水植物盖度。
(4)建立回归模型：利用传统方法人工布点方法(步骤2)采集获得的各采样点沉水植物生物量鲜重与计算获得的SPVI二者进行回归建模，获得算法模型。
(5)利用AcrGIS软件(Environmental Systems Research Institute,Inc.简称Esri)中 的反距离权重空间插值方法，对回声探测导出的结果(水深、沉水植物高度、沉水植物 盖度)进行空间插值，根据插值模型以求得整个调查水域的水深、沉水植物高度、沉水植物盖度。反距离权重法的一般公式为：
式中：Z为估计点的预测值，Zi实测样本点的值，n为参与预测计算过程中的实测样本点数，Di为样本点i与预测点间的距离，p为权重参数，是距离的幂。
(6)对反距离权重法得到的水深、沉水植物高度及盖度求平均值，得到整个水域中的平均水深、平均沉水植物高度及盖度。代入(A)的公式中得到平均沉水植物体积 百分比(SPVI)，然后将平均SPVI。代入步骤(4)中的回归模型，得到整个水域沉水 植物的平均生物量(g/m2)，将平均生物量乘以整个水域面积得到沉水植物总的生物量。
(7)该水域或同类型的水域今后沉水植物生物量调查，只需通过回声探测获得其水域水深、植物高度及盖度，利用AcrGIS(软件名称)的反距离权重法对回声探测结 果进行空间插值，再对插值结果进行平均，求得平均SPVI，代入算法模型步骤(4)即 可得出，无需再人工采集沉水植物。
所述的水域深度为不超过6米的浅水湖泊，所述的沉水植物为苦草、黑藻、金鱼藻、伊乐藻等低冠层沉水植物，所进行回声探测的沉水植物高度不低于10cm，以免底 部腐殖质、枯叶等对其造成回声干扰。
所述的沉水植物体积百分比(SPVI)的计算方法为导出后的回声探测结果的平均值， 每个人工采样点对应回声探测样方断面上导出结果1～4min的平均值(结果包括水深、沉水植物高度、盖度)。同时将人工样方采集的沉水植物进行称鲜重。
所述的回声探测仪要能同时获得水深、沉水植物高度及盖度，其换能器的发射频率 为200kHz。
所述的盖度为回声探测仪能探测到的沉水植物盖度0％(无植物存在)至100％(植物完全覆盖)。
通过上述的技术措施，解决了以下技术问题和难点：
1.本发明的创新点在于利用回声探测仪的探测结果与人工采集的沉水植物湿重建立 回归模型，同时通过反距离权重空间插值得到整个调查水域的水深、沉水植物高度、沉 水植物盖度。
2.本发明解决了现有技术在沉水植物监测时受人力和环境因子限制，特别是大型湖 泊监测，现有的技术工作量大，效率低，不能客观反映湖泊等浅水水体沉水植物层次分布、区位分布、生态位结构组成等现状，不利于客观评价湖泊中沉水植物实际情况，也 不利于富营养湖泊生态修复决策和方案优化。
3.本发明克服了与现有遥感监测、反射波谱法易受天气云层厚度、水体浊度、林冠层等因素影响的难点；同时本发明能监测的沉水植物盖度为≥0％即可，对沉水植物盖度无最低值限制。
4.本发明通过野外实验结果显示能在水深低于6米、透明度小于30cm的浅水湖泊中，对沉水植物生物量进行测算误差范围在5％～10％，较准确。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：
1.本方法进行沉水植物生物量测定时具有对沉水植物原位监测、无损伤的优点，此 方法省时省力，操作简单，方法易行，结果估算误差小，在获得生物量的同时还能客观反映监测区域沉水植物生态位结构组成，层次分布，有利于客观评价监测水体沉水植物 实际状态，有利于富营养化湖泊沉水植物的生态恢复，适用于湖泊等浅水水体沉水植物 的调查。
2.本方法结合AcrGIS软件对沉水植物的盖度、高度及湖泊水深进行反距离权重法空间插值，使得离散的点数据拟合为连续的面数据，能更客观准确的反映湖泊中沉水植 物的盖度、盖度及湖泊水深的分布特点及变化趋势。对于湖泊中未探测的点进行插值， 提高了湖泊沉水植物生物量估算的准确性及客观性。
附图说明
图1——杭州西湖某水域SPVI(x)和平均湿重(y)的线性回归示意图
图2——武汉东湖某水域SPVI(x)和平均湿重(y)的线性回归示意图
具体实施方式
为了更好的理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内 容不仅仅局限于下面的实施例。
实施例1：
以调查杭州西湖某水域沉水植物生物量为例，该水域沉水植物主要群落为苦草、黑 藻，可以利用本发明所述方法对该水域沉水植物生物量进行调查。
一种原位无损伤测定沉水植物生物量的方法，其步骤是：
(1)围栏水域并设置断面：将调查的杭州西湖某水域围成8个水域样方，并按顺 序进行标记，水域样方平均面积为4000m2，在样方内进行断面设计，断面间隔平均8m， 每个样方3个采样点，调查水域面积为38000m2。
(2)沉水植物特征参数测定：采用走航式调查，平均船速1.5km/h，利用美国BioSonics公司生产便携式回声探测仪—MX对围成的8个样方进行水深、植物高度、植 物盖度的测定，同时采用传统沉水植物生物量调查方法采草夹，采草夹抓斗张开的面积 为30×47cm，抓取样方水域内各采样点的沉水植物，称重，计算得到单位面积沉水植物 湿重。所述便携式回声探测仪—MX探测时的具体参数见表1：
表1便携式回声探测仪—MX工作时的相关参数
主机尺寸及重量 37cm×26cm×15cm，5.4kg
换能器尺寸及重量 8.4cm(高)×4.3cm(直径)，1.36kg
换能器工作频率 200kHz
波束角度 8.5-9°，锥形
脉冲长度 0.4ms
电源 220V交流电
工作时水温 22℃-25℃
工作时盐度 0.12
(3)计算SPVI，在杭州西湖某水域的8个样方水域测得水深、植物高度、植物盖 度，对导出的回声探测结果进行平均计算，每个人工采样点对应回声探测结果1min的 平均值，通过下列公式计算获得沉水植物的体积百分比(SPVI)：
SPVI＝(SPH÷WH)×SPC(A)
SPVI：沉水植物体积百分比
SPH：沉水植物高度
WH：水深
SPC：沉水植物植物盖度
(4)建立回归模型，将步骤(2)中利用传统人工采草夹方法采集获得的沉水植物不同生物量与步骤(3)计算获得的沉水植物不同的SPVI，按步骤(1)中的标记序号 一一对应(表2)，对二者进行回归建模，获得该水域沉水植物的生物量与SPVI的回归 模型(图1)，回归算法模型为y＝53.156x+714.95(y为沉水植物体积百分比，x为沉水植 物平均湿重)。
(5)利用AcrGIS中的反距离权重法对回声探测导出的结果(水域深度、沉水植物高度及盖度)分别进行空间插值，得到整个水域中未进行回声探测区域的深度、沉水植 物高度及盖度。将空间插值得到的结果进行平均，得到整个水域的平均水深、平均沉水 植物高度及盖度，分别为1.5256m、0.3138m、55％。代入(A)的公式中求得整个水域 的平均植物体积百分比(SPVI)为11.318。再将平均植物体积百分比11.318代入算法 模型y＝53.156x+714.95中，得到整个水域沉水植物的平均湿重为1316.57g/m2，乘以水 域面积38000m2，得到调查水域中沉水植物总生物量为5.0×104kg。
本实例结果表明与人工采样方法相比，本方法不会对沉水植物造成损伤，能客观反 映杭州西湖调查水域沉水植物生物量现状、误差小。且该水域今后的沉水植物生物量调查，只需通过回声探测获得其水域水深、植物高度及盖度，利用AcrGIS的反距离权重 法对回声探测结果进行空间插值，再对插值结果进行平均，求得平均SPVI，代入算法 模型即可得出，无需再人工采集沉水植物。
表2杭州西湖某水域沉水植物体积百分比和平均湿重
实施例2：
以调查武汉东湖某水域沉水植物生物量为例，该水域沉水植物主要群落为金鱼藻、 苦草、黑藻，可以利用本发明所述方法对该水域沉水植物生物量进行调查。
一种原位无损伤测定沉水植物生物量的方法，其步骤是：
(1)围栏水域并设置断面：将调查的武汉东湖某水域围成15个水域样方，并按顺序进行标记，水域样方平均面积为3300m2，在样方内进行断面设计，断面间隔平均10m， 每个样方3个采样点，调查水域面积为50000m2。
(2)沉水植物特征参数测定：采用走航式调查，平均船速1.8km/h，利用美国BioSonics公司生产便携式回声探测仪—MX对围成的15个样方进行水深、植物高度、 植物盖度的测定，同时采用传统沉水植物生物量调查方法采草夹，采草夹抓斗张开的面 积为30×47cm，抓取样方水域内各采样点的沉水植物，称重，计算得到单位面积沉水植 物湿重，所述便携式回声探测仪—MX探测时的具体参数见实施一中的表1。
(2)计算SPVI，在武汉东湖某水域的15个样方水域测得水深、植物高度、植物 盖度，对导出的回声探测结果进行平均计算，每个人工采样点对应回声探测结果1min 的平均值，通过下列公式计算获得沉水植物的体积百分比(SPVI)：
SPVI＝(SPH÷WH)×SPC(A)
SPVI：沉水植物体积百分比
SPH：沉水植物高度
WH：水深
SPC：沉水植物植物盖度
(3)建立回归模型，将步骤(2)中传统人工采草夹方法采集获得的沉水植物不同生物量与步骤(3)计算获得的沉水植物不同的SPVI，按步骤(1)中的标记序号一一 对应(表3)，对二者进行回归建模，获得该水域沉水植物的生物量与SPVI的回归模型 (图2)，回归算法模型为y＝105.28x+421.69(y为沉水植物体积百分比，x为沉水植物平 均湿重)。
(4)利用AcrGIS中的反距离权重法对回声探测导出的结果(水域深度、沉水植物高度及盖度)分别进行空间插值，得到整个水域中未进行回声探测区域的深度、沉水植 物高度及盖度。将空间插值得到的结果进行平均，得到整个水域的平均水深、平均沉水 植物高度及盖度，分别为1.7727m、0.5018m、50％。代入(A)的公式中求得整个水域 的平均植物体积百分比(SPVI)为14.153。再将平均植物体积百分比14.153代入算法 模型y＝105.28x+421.69中，得到整个水域沉水植物的平均湿重为1911.72g/m2，乘以水 域面积50000m2，得到调查水域中沉水植物总生物量为9.6×104kg。
通过该方法能准确计算武汉东湖调查水域的沉水植物生物量，该水域今后的沉水植 物生物量调查，只需通过回声探测获得其水域水深、植物高度及盖度，利用AcrGIS的 反距离权重法对回声探测结果进行空间插值，再对插值结果进行平均，求得平均SPVI， 代入算法模型即可得出，无需再人工采集沉水植物。
本实例结果表明与人工采样方法相比，本方法不会对沉水植物造成损伤，能客观反 映武汉东湖调查水域沉水植物生物量现状，误差小。且该水域今后的沉水植物生物量调查，只需通过回声探测获得其水域水深、植物高度及盖度，利用AcrGIS的反距离权重 法对回声探测结果进行空间插值，再对插值结果进行平均，求得平均SPVI，代入算法 模型即可得出，无需再人工采集沉水植物。
表3武汉东湖某水域沉水植物体积百分比和平均湿重

Claims (2)

1.一种原位无损伤测定沉水植物生物量的方法，其步骤是：
(1)围栏水域并设置断面，将调查水域的水体围成6－20个样方水域，样方的每个面积为500～5000m2，并进行顺序标记序号，样方个数为不低于6个，依据样方大小在样方内进行断面设计，断面间隔为5～20m；
(2)沉水植物特征参数测定：利用固定在行船上的回声探测仪沿断面走航测定所述的样方水域断面内的沉水植物高度，不低于10cm、盖度、水域水深1～6m，同时在样方水域断面上进行人工布点，布点方式在断面间采用之字型布点，样点间隔为20～50m，采集各采样点沉水植物，分别称重，得到其鲜重生物量，回声探测仪在走航时分别记录人工布设的各样点位置坐标；
(3)计算SPVI：导出回声探测仪测定的各样方断面结果，包括水深、植物高度、植物盖度，通过下列公式计算获得对应人工布设采样点沉水植物的体积百分比：
SPVI＝(SPH÷WH)×SPC (A)
式中：SPVI为沉水植物体积百分比；SPH为沉水植物高度；WH为水深；SPC为沉水植物盖度；
(4)建立回归模型：利用传统方法人工布点方法步骤(2)采集获得的各采样点沉水植物生物量鲜重与计算获得的SPVI二者进行回归建模，获得算法模型；
(5)利用AcrGIS软件中的反距离权重空间插值方法，对回声探测导出的结果进行空间插值，根据插值模型以求得整个调查水域的水深、沉水植物高度、沉水植物盖度，反距离权重法的公式为：
式中：Z为估计点的预测值，Zi实测样本点的值，n为参与预测计算过程中的实测样本点数，Di为样本点i与预测点间的距离，p为权重参数，是距离的幂；
(6)对反距离权重法得到的水深、沉水植物高度及盖度求平均值，得到整个水域中的平均水深、平均沉水植物高度及盖度，代入(A)的公式中得到平均沉水植物体积百分比，然后将平均SPVI，代入步骤(4)中的回归模型，得到整个水域沉水植物的平均生物量，将平均生物量乘以整个水域面积得到沉水植物总的生物量；
(7)该水域或同类型的水域今后沉水植物生物量调查，通过回声探测获得其水域水深、植物高度及盖度，利用AcrGIS的反距离权重法对回声探测结果进行空间插值，再对插值结果进行平均，求得平均SPVI，代入算法模型步骤(4)得出，无需再人工采集沉水植物。
2.根据权利要求1所述一种原位无损伤测定沉水植物生物量的方法，其特征在于：所述的沉水植物为苦草、黑藻、金鱼藻、伊乐藻低冠层沉水植物。
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