CN117648832B - 一种河流生态系统代谢量化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及河流生态系统代谢量化技术领域，具体涉及一种河流生态系统代谢量化方法，包括：分别构建夜间典型研究区域生态系统呼吸模型和白天典型研究区域生态系统呼吸模型；进而构建白天典型研究区域初级生产力模型；获得夜间典型研究区域生态系统的呼吸速率、白天典型研究区域生态系统的呼吸速率和白天典型研究区域初级生产力；基于所述夜间典型研究区域生态系统的呼吸速率、白天典型研究区域生态系统的呼吸速率和白天典型研究区域初级生产力获取典型研究区域的代谢变化指标。本发明能够对大尺度流域河流的生态系统的代谢过程进行量化，揭示了流域尺度上河流生态系统代谢对河流内源有机碳调节过程。
Description
技术领域
本发明涉及河流生态系统代谢量化技术领域，具体涉及一种河流生态系统代谢量化方法。
背景技术
全球变化是当前人类社会面临的重大环境问题，碳循环特征变化是引发全球气候变化、气温升高的根本原因，因此解析地球系统的碳循环过程、核算全球碳收支对理解全球变化、气候政策的制定和未来气候变化的预测至关重要。河流系统在全球碳循环和气候调节中发挥着重要作用，河流代谢有机碳，向大气排放CO2和CH4，并将有机碳埋藏在沉积物、漫滩和三角洲，积极地保留、转化和释放碳，意味着河流是具有与代谢相关能量流的生态系统。河流生态系统代谢包括河流生态系统呼吸（ecosystemrespiration，ER）和河流生态系统总初级生产力（gross primaryproduction，GPP）两个重要过程。河流生态系统代谢的量化，是指对河流生态系统中有机物循环的关键速率进行生态系统尺度的量化，可以反映了河流有机碳的循环和溶解氧的变化。
河流生态系统代谢过程的本质是生物碳的积累和消耗过程，GPP和ER二者的综合作用直接体现为水体中溶解氧（dissolved oxygen，DO）周期性地产生和消耗。以往量化生态系统呼吸的方法有：室内模拟实验法和同位素观测法。室内模拟实验法处在室内的非自然条件，难以模拟如底栖生物干扰、温度和水流改变等问题，通常会导致呼吸率偏低。同位素观测法难以应用在较大的时空尺度上，给大尺度河流生态系统呼吸的系统估算造成困难。此外，河流生态系统呼吸对温度变化敏感，但其与温度之间的关系尚不清楚，会对河流生态系统代谢的量化分析造成影响。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种河流生态系统代谢量化方法，所采用的技术方案具体如下：
本发明一个实施例提供了一种河流生态系统代谢量化方法，该方法主要包括：
选择流域作为典型流域，选取典型流域内任一河流作为典型研究区域，获取典型研究区域的基本参数数据；
利用基本参数数据分别构建夜间典型研究区域生态系统呼吸模型和白天典型研究区域生态系统呼吸模型；
基于基本参数数据和白天典型研究区域生态系统呼吸模型构建白天典型研究区域初级生产力模型；
分别对构建夜间典型研究区域生态系统呼吸模型、白天典型研究区域生态系统呼吸模型和白天典型研究区域初级生产力模型进行数值解析，获得夜间典型研究区域生态系统的呼吸速率、白天典型研究区域生态系统的呼吸速率和白天典型研究区域初级生产力；
基于所述夜间典型研究区域生态系统的呼吸速率、白天典型研究区域生态系统的呼吸速率和白天典型研究区域初级生产力获取典型研究区域的代谢变化指标。
优选地，获取典型研究区域的基本参数数据，包括：
利用在线监测方式获取典型研究区域的基本参数数据，基本参数数据包括典型研究区域的高频次溶解氧数据、水温数据和平均水深。
优选地，夜间典型研究区域生态系统呼吸模型为：
，
其中，表示夜间典型研究区域生态系统的呼吸速率；Z表示夜间典型研究区域河流深度平均值；/>表示单位时间溶解氧的变化；/>表示t时刻的溶解氧浓度；/>表示河流水-气界面O2的气体交换系数；/>表示饱和溶解氧浓度。
优选地，白天典型研究区域生态系统呼吸模型为：
，
其中，表示白天典型研究区域生态系统的呼吸速率；α表示第一待估参数；θ表示第二待估参数；T表示一个时刻的典型研究区域河流瞬时水温。
优选地，白天典型研究区域初级生产力模型为：
，
其中，表示白天典型研究区域初级生产力；/>表示白天典型研究区域生态系统的呼吸速率；/>表示单位时间溶解氧的变化；/>表示河流水-气界面O2的气体交换系数；/>表示表观耗氧量；Z表示夜间典型研究区域河流深度平均值。
优选地，基于所述夜间典型研究区域生态系统的呼吸速率、白天典型研究区域生态系统的呼吸速率和白天典型研究区域初级生产力获取典型研究区域的代谢变化指标，包括：
根据白天和夜间典型研究区域生态系统的呼吸速率获取全天总呼吸；基于白天典型研究区域初级生产力获取典型研究区域生态系统的全天总初级生产力；全天总初级生产力和全天总呼吸的比值为典型研究区域的代谢变化指标。
优选地，获取典型研究区域的代谢变化指标，还包括：
求取白天各时刻对应的白天典型研究区域生态系统的呼吸速率的平均值，与白天时刻数量相乘得到白天典型研究区域生态系统总呼吸，同理得到夜间典型研究领域生态系统总呼吸，将白天典型研究区域生态系统总呼吸和夜间典型研究领域生态系统总呼吸加和得到全天总呼吸；
基于白天每个时刻对应的白天典型研究区域初级生产力，求取平均值，乘以时刻的数量，获取白天典型研究区域的总初级生产力。
本发明实施例至少具有如下有益效果：
1.本发明利用典型研究区域的基本参数数据，其中基本参数数据中包括高频监测数据、水温和河流水深，自主构建了典型研究区域（河流）生态系统白天的呼吸模型和夜间的呼吸模型，相比室内培养测定方法，克服了难以在大尺度流域实施的问题；相比同位素观测方法，克服了氧同位素等参数难以在较大尺度上获取的问题，扩大了河流生态系统代谢统一量化的空间尺度；
2.关于构建的白天典型研究区域生态系统呼吸模型，考虑了河流生态系统呼吸对河流瞬时水温的响应，揭示了水温对河流生态系统呼吸的影响机制，实现了基于水温和溶解氧对于白天典型研究区域生态系统白天呼吸的量化，简化了计算河流生态系统呼吸的过程，克服了计算河流生态系统呼吸需要实测数据支撑的困难；
3.进一步的，基于白天典型研究区域生态系统呼吸模型和典型研究区域的参数数据构建了白天典型研究区域初级生产力模型，能够准确揭示典型区域生态系统在代谢过程中初级生产力的变化过程，使得对于典型研究区域生态系统代谢过程能够有更清楚的描述；
4.通过对三个模型进行解析，分别获取对应的解析值，为夜间典型研究区域生态系统的呼吸速率、白天典型研究区域生态系统的呼吸速率和白天典型研究区域初级生产力，进而对解析值进行分析，可以获取典型研究区域生态系统的代谢变化指标，利用代谢变化指标可以更客观且直观的对河流生态系统代谢过程进行分析。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案和优点，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。
图1为本发明实施例提供的一种河流生态系统代谢量化方法的方法流程图；
图2为本发明实施例提供的一种河流生态系统代谢量化方法的典型研究区域生态系统代谢变化指标分布直方图；
图3为本发明实施例提供的一种河流生态系统代谢量化方法的典型流域内不同河流生态系统呼吸作用统计图；
图4为本发明实施例提供的一种河流生态系统代谢量化方法的典型流域内不同河流生态系统总初级生产力统计图。
具体实施方式
为了更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的一种河流生态系统代谢量化方法，其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如下。在下述说明中，不同的“一个实施例”或“另一个实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构、或特点可由任何合适形式组合。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。
下面结合附图具体的说明本发明所提供的一种河流生态系统代谢量化方法的具体方案。
实施例1：
本发明的主要应用场景为：河流生态系统始终处于动态变化的过程中，因此河流生态系统的代谢过程也是动态变化的过程，了解河流生态系统代谢过程对于气候变化的预测有很重要的意义，为了更加方便且客观的描述河流生态系统的代谢，需要对此代谢过程进行量化，进而能够直观的从数据上了解河流生态系统的代谢过程。
请参阅图1，其示出了本发明实施例提供的一种河流生态系统代谢量化方法的方法流程图，该方法包括以下步骤：
步骤S1，选择流域作为典型流域，选取典型流域内任一河流作为典型研究区域，获取典型研究区域的基本参数数据。
本申请主要针对于流域尺度不同类型的河流，在大尺度上量化河流生态系统代谢的技术方案，流域尺度不同类型的河流，其代谢过程是不尽相同的。具体的，选择一个流域作为典型流域，进行研究，其中流域的面积较大，包括若干条河流，基于流域土地利用类型划分典型城市河流、农业河流与自然河流，用于分析不同类型河流生态系统代谢的空间差异，本发明实施例中选择一个河流作为典型研究区域。
然后需要采集典型研究区域的基本参数数据，主要需要采集典型研究区域的高频次溶解氧和水温数据，需要说明的是，这些数据都是通过在典型研究区域建立数据采集站点，通过在线监测获取，同时还需要获取典型研究区域的河流水深，由于河流水深在河流的不同区域是不相同的，因此需要在河流的多个区域建立水深测量点，采集不同区域的水深，获取平均值，得到典型研究区域的水深。
步骤S2，构建夜间典型研究区域生态系统呼吸模型。
针对于典型研究区域，需要建立典型研究区域的生态系统呼吸模型，由于白天生态系统具有光合作用和呼吸作用相互影响，对于研究呼吸作用有一定的影响，本申请选择在夜间对于典型研究区域的生态系统的呼吸作用进行分析，具体的，建立夜间典型研究区域生态系统呼吸模型：
，
其中，表示夜间典型研究区域生态系统的呼吸速率；Z表示夜间典型研究区域河流深度平均值；/>表示单位时间溶解氧的变化；/>表示t时刻的溶解氧浓度；/>表示河流水-气界面O2（氧气）的气体交换系数；/>表示饱和溶解氧浓度；/>表示实测溶解氧浓度。
河流夜间生态系统呼吸，是通过欧拉数值解方法得到，其中夜间典型研究区域生态系统的呼吸速率是通过典型研究区域的平均水深Z与溶解氧变化速率的乘积表示；其中溶解氧变化速率是通过单位时间溶解氧浓度的变化/>和水-气界面O2交换通量加总得到的；而水-气界面O2交换通量是气体传递速度/>与浓度梯度之间的乘积/>，其中/>是根据水气界面温室气体交换系数K600和O2的施密特数求得，K600为常数项；饱和溶解氧浓度/>，它是水温的函数，由WEISS方程求得。
步骤S3，构建白天典型研究区域生态系统呼吸模型和白天典型研究区域初级生产力模型。
进一步的，需要对白天典型研究区域的生态系统进行研究，构建白天典型研究区域生态系统呼吸模型，由于受温度的影响，可以构建典型研究区域的在白天的呼吸模型，也即是白天典型研究区域生态系统呼吸模型，具体为：
，
其中，表示白天典型研究区域生态系统的呼吸速率；α表示第一待估参数；θ表示第二待估参数；T表示一个时刻的典型研究区域河流瞬时水温；
第一待估参数和第二待估参数需要进行求解，具体的，需要基于夜间数值解和对应时刻的河流瞬时水温T，利用Majorize-Minimization方程法进行求解。
同时，在白天的时候，具有光合作用，需要基于单站Diel O2模型，获取白天时刻的白天典型研究区域初级生产力模型，具体为：
，
其中，表示白天典型研究区域初级生产力；/>表示白天典型研究区域生态系统的呼吸速率；/>表示单位时间溶解氧的变化；/>表示河流水-气界面O2（氧气）的气体交换系数；/>表示表观耗氧量，由大气平衡时的浓度与水体气体浓度作差计算得到。
步骤S4，基于夜间典型研究区域呼吸模型、白天典型研究区域呼吸模型以及白天典型研究区域初级生产力模型获取代谢变化指标。
获取了夜间典型研究区域呼吸模型、白天典型研究区域呼吸模型以及白天典型研究区域初级生产力模型，然后需要对其解析，需要说明的是，各个模型进行计算时获取的为一个时刻的数据，也即是一个时刻对应的夜间典型研究区域生态系统的呼吸速率，一个时刻对应的白天典型研究区域生态系统的呼吸速率，一个时刻对应的白天典型研究区域初级生产力，由此可以获得白天典型研究领域生态系统的总呼吸和夜间典型研究领域生态系统的总呼吸，以及白天典型研究领域生态系统的总初级生产力；具体的以白天总初级生产力为例，基于白天每个时刻对应的白天典型研究区域初级生产力，求取平均值，再乘以时刻的数量，获取白天典型研究区域的总初级生产力，同理白天典型研究领域生态系统的总呼吸和夜间典型研究领域生态系统的总呼吸也是以此方法计算。
基于白天和夜晚的典型研究区域生态系的总呼吸得到河流全天的生态系统呼吸，既全天总呼吸；并根据氧-碳呼吸熵关系，以氧的变化速率表征的河流生态系统呼吸，转化为以碳的变化速率来表征河流生态系统呼吸，也即是得到典型研究区域生态系统全天总呼吸，记为ER，同时可以获取全天总初级生产力，记为GPP；至此，可以获取典型研究区域生态系统代谢过程中全天总呼吸ER，以及全天的GPP，进一步的获取全天总初级生产力与全天总呼吸的比值，记为代谢变化指标，表示典型研究区域生态系统光合与呼吸的动态变化，也即是河流内有机碳的积累与消耗的变化。
当代谢变化指标大于1时，说明典型研究区域生态系统，也即是河流生态系统的代谢过程中，光合作用产出的有机碳大于呼吸作用消耗的有机碳，河流生态系统代谢对于河流DOC的消耗小于积累，河流生态系统代谢在该流域碳循环过程中积累有机碳；当代谢变化指标小于1时，说明河流生态系统的代谢过程中，光合作用产出的有机碳小于呼吸作用消耗的有机碳，河流生态系统代谢对于河流DOC的消耗大于积累，河流生态系统代谢在该流域碳循环过程中消耗有机碳。
最后，需要在时间维度上对代谢变化指标进行统计分析，获取其直方图，如图2典型研究区域生态系统代谢变化指标分布直方图所示，GPP与ER的比值是一个均值在1.5附近的正态分布，符合河流生态系统光合与呼吸的动态变化，验证了本方法的准确性。其中小于1的频率很小，说明典型流域内典型研究区域的光合作用产出的有机碳大于呼吸作用消耗的有机碳，典型流域内典型研究区域的生态系统代谢对河流DOC的消耗小于积累，河流生态系统代谢在该流域碳循环过程中积累有机碳。
实施例2：
进一步的，本发明实施例考虑了流域内的河流的类型差别大，水文状况差异大，河流生态系统营养成分差异大，气候变化差异等，分别构建了典型流域内各个类型河流的生态系统的代谢过程，也即是各个河流的对应的夜间生态系统呼吸模型、白天生态系统呼吸模型和白天初级生产力模型，可用于计算每条河流的全天的总呼吸和总初级生产力。
在获取典型流域内各河流白天生态系统呼吸模型时，第一待估参数和第二待估参数如下表所示：
表1典型流域内不同河流生态系统的第一待估参数和第二待估参数
进一步的，还可以获取典型流域内不同河流生态系统总的呼吸作用，以及典型流域内不同河流生态系统的总初级生产力，分别如图3和图4所示，从图3和图4中可以看出，农业河流整体上具有较低的呼吸作用和较低的总初级生产力，相反，城市河流具有较高的呼吸作用和较高的总初级生产力；描述了典型流域内不同河流随着空间的变化而变化的情况，由此可见，典型流域内，河流生态系统的代谢过程在流域尺度上，不仅在时间维度上存在差异，而且在空间维度上同样存在差异，也即是代谢变化指标在时间维度上和空间维度上都存在差异。
需要说明的是：上述本发明实施例先后顺序仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。且上述对本说明书特定实施例进行了描述。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种河流生态系统代谢量化方法，其特征在于，该方法包括：
选择流域作为典型流域，选取典型流域内任一河流作为典型研究区域，获取典型研究区域的基本参数数据；
利用基本参数数据分别构建夜间典型研究区域生态系统呼吸模型和白天典型研究区域生态系统呼吸模型；
基于基本参数数据和白天典型研究区域生态系统呼吸模型构建白天典型研究区域初级生产力模型；
分别对夜间典型研究区域生态系统呼吸模型、白天典型研究区域生态系统呼吸模型和白天典型研究区域初级生产力模型进行数值解析，获得夜间典型研究区域生态系统的呼吸速率、白天典型研究区域生态系统的呼吸速率和白天典型研究区域初级生产力；
基于所述夜间典型研究区域生态系统的呼吸速率、白天典型研究区域生态系统的呼吸速率和白天典型研究区域初级生产力获取典型研究区域的代谢变化指标；
所述夜间典型研究区域生态系统呼吸模型为：
，
其中，表示夜间典型研究区域生态系统的呼吸速率；Z表示夜间典型研究区域河流深度平均值；/>表示单位时间溶解氧的变化；/>表示t时刻的溶解氧浓度；/>表示河流水-气界面O2的气体交换系数；/>表示饱和溶解氧浓度；
所述白天典型研究区域生态系统呼吸模型为：
，
其中，表示白天典型研究区域生态系统的呼吸速率；α表示第一待估参数；θ表示第二待估参数；T表示一个时刻的典型研究区域河流瞬时水温；
所述白天典型研究区域初级生产力模型为：
，
其中，表示白天典型研究区域初级生产力；/>表示白天典型研究区域生态系统的呼吸速率；/>表示单位时间溶解氧的变化；/>表示河流水-气界面O2的气体交换系数；/>表示表观耗氧量；Z表示夜间典型研究区域河流深度平均值。
2.根据权利要求1所述的一种河流生态系统代谢量化方法，其特征在于，所述获取典型研究区域的基本参数数据，包括：
利用在线监测方式获取典型研究区域的基本参数数据，基本参数数据包括典型研究区域的高频次溶解氧数据、水温数据和平均水深。
3.根据权利要求1所述的一种河流生态系统代谢量化方法，其特征在于，所述基于所述夜间典型研究区域生态系统的呼吸速率、白天典型研究区域生态系统的呼吸速率和白天典型研究区域初级生产力获取典型研究区域的代谢变化指标，包括：
根据白天和夜间典型研究区域生态系统的呼吸速率获取全天总呼吸；基于白天典型研究区域初级生产力获取典型研究区域生态系统的全天总初级生产力；全天总初级生产力和全天总呼吸的比值为典型研究区域的代谢变化指标。
4.根据权利要求3所述的一种河流生态系统代谢量化方法，其特征在于，所述获取典型研究区域的代谢变化指标，还包括：
求取白天各时刻对应的白天典型研究区域生态系统的呼吸速率的平均值，与白天时刻数量相乘得到白天典型研究区域生态系统总呼吸，同理得到夜间典型研究领域生态系统总呼吸，将白天典型研究区域生态系统总呼吸和夜间典型研究领域生态系统总呼吸加和得到全天总呼吸；
基于白天每个时刻对应的白天典型研究区域初级生产力，求取平均值，乘以时刻的数量，获取白天典型研究区域的总初级生产力。
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| CN111461503A (zh) * | 2020-03-15 | 2020-07-28 | 河海大学 | 基于微生物p/r值评估河流减水河段环境流量的方法 |
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Non-Patent Citations (4)
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| 李虹 ; 丁爱中 ; 张淑荣 ; 潘成忠 ; 崔双超 ; 陈德胜 ; .基于溶解氧监测的沣河河流代谢及河流健康评价研究.北京师范大学学报(自然科学版).2013,(04),第1.2-1.3、2.2节. * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
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