一种山区河流微生境空间异质性的量化方法技术

本发明专利技术公开了山区河流微生境空间异质性的量化方法，包括如下步骤：步骤1:布设采样段面及采样的样点；步骤2:在每个样点测量平均水深、平均流速、透明度、浊度、河床底质粒径组成及水环境指标；步骤3:确定水文、水环境指标与生物相关的关键参数；步骤4:室内统计关键参数测量结果，计算山区河流微生境异质性指数；步骤5:验证山区河流微生境空间异质性指数计算结果的可靠性。本发明专利技术的山区河流微生境调查方法将环境因子筛选与野外实际测量相结合，能够量化空间生境结构的复杂程度，针对山区河流的三维底栖生境调查方法，通过统计河流流态、底质粒径，计算出微生境空间异质性，评价山区河流生物的生存空间特征及质量。流生物的生存空间特征及质量。流生物的生存空间特征及质量。

【技术实现步骤摘要】
一种山区河流微生境空间异质性的量化方法


[0001]本专利技术属于山区河流生态调查及监测
，具体涉及一种山区河流微生境空间异质性的量化方法。

技术介绍

[0002]山区河流多处于上游，其水文过程、侵蚀产沙、泥沙运动、河流地貌、生态环境直接影响流域中下游河流；而且山区河流多为重要的生物群落栖息地和自然、人文景观地，而且常承担下游供水水源任务。可见，山区河流的生境状况不仅对当地生态环境有重要影响，而且也关系到流域中下游生态环境健康。目前山区河流的研究也越来越受到国内外研究者的重视。
[0003]相比冲积平原河流，山区河流有着更复杂的底质粒径级配组成以及流速和水深的变化，换而言之，山区河流有着更复杂的生境条件。它为藻类、微生物、底栖动物等提供了更多样的栖息、捕食、隐藏、繁殖等生存空间。这些生物通过参与多种生物化学过程在营养物质循环、碳循环等方面起到重要作用。近几十年来，在气候变化和人类活动的双重影响下，山区河流生境质量也显著下降，如砂石开挖等，河床结构趋于简单化，导致了生物多样性降低、密度变小等。因此，在山区河流开展生境调查及异质性定量化评价已经成为山区河流生态研究领域的迫切需求。
[0004]目前国内外在山区河流还没有生境异质性的定量计算方法，主要通过定性或者半定量的分析山区河流生境异质性的大小，各种研究分析了与河流物理异质性与底栖动物组合有关。Townsend等人指出，广布种往往与不稳定点位相关，而狭生种则倾向于更稳定的位点。这显示了物种为了在干扰事件中生存下来是如何适应物理异质性的。Beisel等人证实了非均质河床的物种数量高于均质河床的物种数量，均质河床的物种数量以一种或两种为主。但目前研究迫切需要定量化生境异质性的评价方法，更准确的评估山区河流生境的复杂度，更准确的了解山区河流生境空间结构特征，有助于及时识别生境退化的信号，还有助于揭示生物类群与生境异质性之间的响应关系，为山区河流的生态保护提供多方位的科学支撑。

技术实现思路

[0005]本专利技术在调查山区河流生境时，测量水深为样点平均水深，选取样点内3个代表性的位置测量取平均数，同样测量流速为样点平均流速，底质粒径级配通过尺量加筛析的方法获得，通过以上得到山区河流微生境特征信息，提出的是一种山区河流微生境空间异质性的量化方法，目的在于弥补
技术介绍
存在的缺陷。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种山区河流微生境空间异质性的量化方法，包括如下步骤：
[0007]步骤1:布设采样段面及采样的样点；
[0008]步骤2:在每个样点测量平均水深、平均流速、透明度、浊度、河床底质粒径组成及
水环境指标；
[0009]步骤3:确定水文、水环境指标与生物相关的关键参数；
[0010]步骤4:室内统计关键参数测量结果，计算山区河流微生境异质性指数；
[0011]步骤5:验证山区河流微生境空间异质性指数计算结果的可靠性。
[0012]优选的，所述步骤1的具体操作为：在样点河流上根据水文要素、生境状况的变化情况设置4
‑
5个采样段面，在每个段面基于能够客观反映该断面生境状况的原则上设置5个采样点，每个采样点的面积为1m2。
[0013]优选的，所述步骤2的具体操作为：对每个样点的流态及底质粒径级配进行实地测量，流态由流速和水深共同决定，平均水深、平均流态的测量方法为在样点内选取3个代表性的位置测量后求取平均数，底质粒径级配的测量方法为对河床大粒径的底质进行尺量，对河床小粒径的底质进行筛析，并对每个样点拍照保存。
[0014]优选的，所述步骤3的具体操作为：采用束缚型排序方法解析生物群落分布与水文地貌、水环境指标之间的关系；水文地貌、水环境指标作为环境数据源，生物群落组成作为生物数据源，构成环境因子与生物种类矩阵，为了优化分析，生物群落数据进行log
10
(x+1)转化，对环境因子r＞0.80、波动因子大于20的环境因子均被剔除，用前选法和蒙特卡罗置法确定对生物群落分布具有重要且独立作用的最小变量组合，该最小变量组用于最终的典型相关分析中筛选出对生物产生影响的关键环境因子为流态和底质粒径。
[0015]优选的，所述步骤4中计算山区河流生境异质性指数具体包括以下步骤：
[0016]步骤41：计算山区河流流态异质性指数；
[0017]步骤42：计算山区河流底质不均匀性指数；
[0018]所述步骤41中计算山区河流流态异质性指数的具体计算过程为如下：
[0019]在实际中的人工或天然河流的水流是非均匀的明渠流动；水流形态的多样性是河流生境异质性的重要组成部分，将水的流态分为深潭、缓流、临界流和急流(表1)，为了区分明渠中不同的流态，使用弗劳德数Fr在微生境水平上对河流流态进行分类；
[0020][0021]式(1)中Fr为无量纲数，v为采样点的平均流速，h为采样点的平均水深，g为重力加速度；
[0022]山区河流流态异质性性由流态类型的数量和每种类型所占的百分比来定义；香农的信息论公式用于描述河流中栖息地类型的不确定性，香农的信息论公式的熵方程已被用于评估不同的指标；具体来说，用Fr来计算每个微生境单元中不同流态的总数和比例，然后用香农威纳指数来确定研究区域的流态异质性；流态异质性指数H
f
计算为公式(2):
[0023]选取10米河段作为一个微生境单元，在每个微生境单元里选取20个样点，样点大小为1m
×
1m，分别记录流速、水深和底质粒径信息，在每个微生境单元里采集5个底栖动物样品，底栖动物样品大小为1m
×
1m；选取的样点需要能够代表微生境单元里不同类型的生境，并按各类生境类型所占面积比例指导样点数在不同类型生境的分布；采集底栖动物样点的布设同样需要反映微生境单元的整体群落状况；
[0024](2)微生境流态异质性指数H
f
为：
[0025][0026]式(2)中，s为微生境单元的样本数；n
i
为微生境单元中第i类流态的数目，N为微生境单元中所有流态的总数；
[0027]根据香农威纳指数，当一个微生境单元只有一种流态时即n
i
/N＝1，H'＝0；均匀流态仍然有助于水生态中的生物多样性；因此，采用回归分析的方法研究区流型数与流型非均匀性指数之间的关系；流态类型数目越多，流型的异质性指数越大；当微生境单元中只有一种流态时，H'＝0.2(图1)。
[0028]所述步骤42中计算山区河流底质不均匀性指数的具体计算公式推导过程如下：
[0029]设d
s
为底质的几何平均粒径,从粒配曲线上查出小于某粒径的泥沙在总沙样中占的重量百分数为足标，附注在粒径d的右下角s表示该粒径的特征，用式(3)、(4)表示：
[0030][0031][0032]底质粒径为偏态分布，河床底质粒径的对数值可以近似看作正态分布，根据正态分布规律，有：
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种山区河流微生境空间异质性的量化方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1:布设采样段面及采样的样点；步骤2:在每个样点测量平均水深、平均流速、透明度、浊度、河床底质粒径组成及水环境指标；步骤3:确定水文、水环境指标与生物相关的关键参数；步骤4:室内统计关键参数测量结果，计算山区河流微生境异质性指数；步骤5:验证山区河流微生境空间异质性指数计算结果的可靠性。2.根据权利要求1所述一种山区河流微生境空间异质性的量化方法，其特征在于，所述步骤1的具体操作为：在样点河流上根据水文要素、生境状况的变化情况设置4
‑
5个采样段面，在每个段面基于能够客观反映该断面生境状况的原则上设置5个采样点，每个采样点的面积为1m2。3.根据权利要求1所述一种山区河流微生境空间异质性的量化方法，其特征在于，所述步骤2的具体操作为：对每个样点的流态及底质粒径级配进行实地测量，流态由流速和水深共同决定，平均水深、平均流态的测量方法为在样点内选取3个代表性的位置测量后求取平均数，底质粒径级配的测量方法为对河床大粒径的底质进行尺量，对河床小粒径的底质进行筛析，并对每个样点拍照保存。4.根据权利要求1所述一种山区河流微生境空间异质性的量化方法，其特征在于，所述步骤3的具体操作为：采用束缚型排序方法解析生物群落分布与水文地貌、水环境指标之间的关系；水文地貌、水环境指标作为环境数据源，生物群落组成作为生物数据源，构成环境因子与生物种类矩阵，为了优化分析，生物群落数据进行log
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(x+1)转化，对环境因子r＞0.80、波动因子大于20的环境因子均被剔除，用前选法和蒙特卡罗置法确定对生物群落分布具有重要且独立作用的最小变量组合，该最小变量组用于最终的典型相关分析中筛选出对生物产生影响的关键环境因子为流态和底质粒径。5.根据权利要求1所述一种山区河流微生境空间异质性的量化方法，其特征在于，所述步骤4中计算山区河流生境异质性指数具体包括以下步骤：步骤41：计算山区河流流态异质性指数；步骤42：计算山区河流底质不均匀性指数；所述步骤41中计算山区河流流态异质性指数的具体计算过程为如下：在实际中的人工或天然河流的水流是非均匀的明渠流动；水流形态的多样性是河流生境异质性的重要组成部分，将水的流态分为深潭、缓流、临界流和急流，为了区分明渠中不同的流态，使用弗劳德数Fr在微生境水平上对河流流态进行分类；式(1)中Fr为无量纲数，v为采样点的平均流速，h为采样点的平均水深，g为重力加速度；山区河流流态异质性性由流态类型的数量和每种类型所占的百分比来定义；香农的信息论公式用于描述河流中栖息地类型的不确定性，香农的信息论公式的熵方程已被用于评
估不同的指标；具体来说，用Fr来计算每个微生境单元中不同流态的总数和比例，然后用香农威纳指数来确定研究区域的流态异质性；流态异质性指数H
f
计算为公式(2):选取10米河段作为一...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱朋辉，薛旭东，潘保柱，李志威，李娟，侯易明，刘心愿，黄振宇，冯治远，
申请(专利权)人：陕西省环境调查评估中心，
类型：发明
国别省市：