一种植物物种丰富度分布的空间模拟方法技术

本发明专利技术公开了一种植物物种丰富度分布的空间模拟方法。该方法的实现主要包括三个步骤：首先，在收集和预处理研究区的自然保护区植物物种数据、土地利用/覆盖数据、年平均生物温度和降水数据、DEM数据和土壤数据的基础上，实现各参数因子的空间化处理和统计分析；其次，分别建立植物物种丰富度与土地利用/覆盖面积、环境因子和土地利用/覆盖类型结构指数三大类生境因子之间相关性的最佳方程；最后，实现三大类因子最佳相关方程的综合集成，构建植物物种丰富度的空间模拟方法，实现植物物种丰富度的空间模拟分析。该方法不仅能够实现中宏观尺度上的植物物种丰富度的空间分布模拟，而且具有很好模拟精度和很强的可操作性。

A spatial simulation method for plant species richness distribution

The invention discloses a spatial simulation method for plant species richness distribution. The implementation of this method includes three steps: firstly, the spatial processing and statistical analysis of each parameter factor are realized on the basis of collecting and pretreating plant species data, land use/cover data, annual average biological temperature and precipitation data, DEM data and soil data in the nature reserve of the study area; secondly, the data are divided into three parts. Establish the best equation between plant species richness and three types of habitat factors: land use / cover area, environmental factors and land use / cover type structure index. Finally, integrate the three types of factors and construct the spatial simulation method of plant species richness to realize plant species richness. The spatial simulation analysis of species richness. This method can not only simulate the spatial distribution of plant species richness on meso-macro scale, but also has good simulation accuracy and strong maneuverability.

【技术实现步骤摘要】
一种植物物种丰富度分布的空间模拟方法
本方法涉及一种植物物种丰富度分布的空间模拟方法，适用于全球变化及生态效应研究领域。
技术介绍
气候条件、地形地貌、土壤、土地利用/覆盖变化等生境因子之间的互相作用决定着植物物种的空间分布格局。植物通过截留水分与养分循环来影响水土保持以及地表元素循环过程，其空间分布不仅直接决定其他物种生存所必需的物质和能量的空间分布状况，而且植物物种丰富度在一定程度上决定了其他物种的多样性。因此，如何在对气候条件、地形地貌、土壤、土地利用/覆盖变化等生境因子进行综合考虑的情况下，构建植物物种丰富度的空间模拟方法，不仅是在宏观尺度上定量分析和揭示植物物种丰富度的空间格局变化的关键方法和技术，也是区域、全国乃至全球尺度上开展生物多样性和生态安全空间分析研究的焦点内容之一。植物物种与生境因子的相关关系研究，一直是国内外生态学领域科研究的热点问题。不管是从单一植物物种到种群及群落的定点监测、网络观测、野外调研，还是从单一生境因子到多个生境因子与植物物种分布之间的相关关系分析，都取得了长足进展。譬如，最具代表性的种-面积曲线方法，定量揭示了物种数量随取样面积增加而变化的规律（ArrheniusO,Speciesandarea.JournalofEcology,1921,9:95-99）。Stephenson研究表明气温和降水是影响植物物种类型及其分布的主要气候因子（StephensonNL.Climaticcontrolofvegetationdistribution:theroleofthewaterbalance.AmericanNaturalist,1990,135(5):649-670）。ChapinII等人研究表明土地利用/覆盖作为全球变化的主要载体，直接影响地球系统的生物多样性，对陆地生态系统来说，土地利用/覆盖已成为致使物种多样性丧失、改变植物物种空间分布格局的主要驱动因子之一（ChapinIIIFS,ZavaletaES,EvinerVT,etal.Consequencesofchangingbiodiversity.Nature,2000,405:234–242）。尤其是近些年来，国内外在植物物种空间分布与生境因子相关关系方面开展了大量的研究工作。但主要集中在利用样方采样和历史观测等数据，进行植物物种与生境因子之间关系的统计分析，进而对局地格局上的植物物种丰富度与生境因子之间的关系进行解释，而如何运用GIS空间分析方法，在对离散的植物物种观测数据与相应生境因子之间的相关关系分析的基础上，进行区域尺度乃至更大尺度上的植物物种分布的空间模拟分析研究则相对较少。另外，在考虑生境因子与植物物种空间分布的关系时，虽然有的研究选择了多个生境因子，但在分析过程中，往往分别统计单一生境因子与植物物种之间的相关关系，而缺乏系统地同时考虑多个生境因子与植物物种分布关系的综合分析。另外，在对国家自然保护区的植物物种数量、土地利用/覆盖及其他环境因子分析的过程中发现，自然保护区土地利用/覆盖动态变化强度低于非保护区，而且自然保护区的植物物种丰富度的空间分布与自然保护区内特定环境因子、土地利用/覆盖类型及其结构指数具有很好的相关性特征。因此，本专利技术针对上述现有方法的局限性，综合考虑气候条件、地形地貌、土壤、土地利用/覆盖变化等生境因子，利用目前植物物种资料最全的自然保护区调研、观测和统计数据，专利技术了一种植物物种丰富度分布的空间模拟方法，并实现植物物种丰富度的空间模拟分析，对我国生物多样性保护战略实施、国际生物多样性公约谈判、以及生物多样性和生态系统服务政府间科学政策平台（IPBES）合作研究具有重要意义。
技术实现思路
本专利技术旨在针对自然保护区的植物物种丰富度的空间分布与自然保护区内特定环境因子、土地利用/覆盖类型面积及其结构指数具有很强的相关关系这一规律，以自然保护区的植物物种数据作为基准模拟情况和样本数据，充分利用现有自然保护区的植物物种调研、观测和统计数据，在对其植物物种分布丰富度与土地利用/覆盖类型（耕地、林地、草地、湿地、荒漠、建设用地）面积、环境因子（年平均降水、年平均生物温度、地形起伏度、土壤厚度、土壤有机质）、土地利用/覆盖类型结构指数（斑块连通性、破碎度、生态多样性）等三大类生境因子之间的相互作用和影响机理进行定量统计分析的基础上，筛选和确定最佳相关分析方程，构建植物物种丰富度的空间模拟分析模型，进而实现植物物种丰富度的空间模拟分析。为了实现上述目的，本专利技术实现的关键技术方案包括以下几个步骤：第一步、数据收集与预处理1-1）在收集研究区国家自然保护空间范围图及其植物物种数量的基础上，运用GIS空间制图功能，实现各个自然保护区边界矢量数字化，并结合土地利用/覆盖空间数据、DEM数据、气候因子数据和土壤数据，构建植物物种丰富度空间模拟分析模型所需基础参数的空间数据库。1-2）运用高精度曲面建模（HASM）方法，分别实现各自然保护区年平均生物温度、年平均降水、土壤有机质、土壤厚度的空间模拟。1-3）运用GIS空间分析方法，分别求算各个自然保护区类内每一种土地利用/覆盖类型的面积，及其结构的斑块连通性、破碎度和生态多样性指数，以及计算地形起伏度指数。第二步、构建植物物种丰富度与生境因子相关性的最佳方程2-1）分别采用线性相关和多种非线性相关方程对自然保护区的植物物种丰富度与土地利用/覆盖类型（耕地、林地、草地、湿地、荒漠、建设用地）面积之间的相关性进行定量求解，并以相关系数最高者对应的拟合方程作为二者之间的最佳相关方程。2-2）分别采用线性相关和多种非线性相关方程对自然保护区的植物物种丰富度与环境因子（年平均生物温度、年平均降水、土壤有机质、土壤厚度及地形起伏度）之间的相关关系进行拟合求算，并以相关系数最高者对应的拟合方程作为二者之间的最佳相关方程。2-3）分别采用线性相关和多种非线性相关方程对自然保护区的植物物种丰富度与土地利用/覆盖结构指数（斑块连通性、破碎度及生态多样性）的相关关系进行拟合求算，并以相关系数最高者对应的拟合方程作为二者之间的最佳相关方程。第三步、构建植物物种丰富度空间模拟分析模型3-1）运用第二步获得的植物物种丰富度与土地利用/覆盖类型面积、环境因子和土地利用/覆盖结构指数三大类型因子的最佳相关拟合方程，利用空间相关分析方法，建立植物物种丰富度与生境因子之间的最佳空间相关方程，进而构建研究区的植物物种丰富度空间模拟模型。3-2）基于GIS空间模拟分析平台和运用各生境因子的空间栅格数据，调试和运行植物物种丰富度空间模拟模型，并在利用部分国家自然保护区现有植物物种丰富度数据进行精度验证和误差分析的基础上，实现研究区植物物种丰富度的空间模拟分析。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案更加清晰，以下对本专利技术进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实时方式仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。本专利技术公开了一种植物物种丰富度分布的空间模拟方法，包括以下步骤：第一步、数据收集与预处理；第二步、构建植物物种丰富度与生境因子相关性的最佳方程；第三步、构建植物物种丰富度空间模拟分析模型。以下对具体步骤进行详述：研究区数据收集与预处理。模型构建所需的基础数据包括研究区植物物本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种植物物种丰富度分布的空间模拟方法，主要包括以下三个步骤。

【技术特征摘要】
1.一种植物物种丰富度分布的空间模拟方法，主要包括以下三个步骤。2.第一步、数据收集与预处理1）在收集研究区国家自然保护空间范围图及其植物物种数量的基础上，运用GIS空间制图功能，实现各个自然保护区边界矢量数字化，并结合土地利用/覆盖空间数据、DEM数据、气候因子数据和土壤数据，构建植物物种丰富度分布空间模拟分析模型所需基础参数的空间数据库；2）运用高精度曲面建模（HASM）方法，分别实现各自然保护区年平均生物温度、年平均降水、土壤有机质、土壤厚度的空间模拟；3）运用GIS空间分析方法，分别求算各个自然保护区类内每一种土地利用/覆盖类型的面积，及其结构的斑块连通性、破碎度和生态多样性指数，以及计算地形起伏度指数。3.第二步、构建植物物种丰富度与生境因子相关性的最佳方程1）分别采用线性相关和多种非线性相关方程对自然保护区的植物物种丰富度与土地利用/覆盖类型（耕地、林地、草地、湿地、荒漠、建设用地）面积之间的相关性进行定量求解，并以相关系数最高者对应的拟合方程作为二者之间的最佳相关方程；2）分别采用线性相关和多种...

【专利技术属性】
技术研发人员：范泽孟，黄言，岳天祥，
申请(专利权)人：中国科学院地理科学与资源研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11