1.本发明涉及一种方法，尤其涉及一种多尺度水生物多样性计算方法。
背景技术：
2.随着经济发展和社会进步，全球生物多样性水平出现不同程度降低，密集的人类活动对海洋、陆地和淡水等生态系统造成了显著影响。对于人类生存不可或缺的水生态系统，环境恶化使水生物多样性受到的负面影响逐渐增多，水生态系统退化趋势日益加剧。水生物作为许多生态系统的能源来源，生物多样性对环境扰动表现比较敏感。水生物多样性减少会导致生物遗传资源、生态系统功能多样性丧失，降低人类福祉。
3.目前存在较多陆地生态系统生物多样性计算模型，水生物多样性计算方法较少。多数水生物多样性计算方法对实际环境因子状况考虑不足，反映区域内生物物种沿各环境因子变异性不够全面，难以体现区域内生物物种沿具体环境因子变异性，同时各指数算法耦合度不足，容易造成对生物多样性评价时生态学意义和计算尺度部分缺失或重叠，难以形成不同尺度生物多样性评价体系，对多维的水生物多样性评估不够全面。因此，构建一个全面、精准的多尺度水生物多样性计算方法十分必要。
技术实现要素：
4.为了解决上述技术所存在的不足之处，本发明提供了一种多尺度水生物多样性计算方法。
5.为了解决以上技术问题，本发明采用的技术方案是：一种多尺度水生物多样性计算方法，包括如下步骤：1）通过实地采样和室内鉴定获取水生态样方点的水生物丰度、多度和生物量数据，通过水质仪器获得水生态样方点水质数据；2）基于水生物丰度、多度、生物量数据和水质数据聚类水生态样方点，划分水生态地理分区；3）各水生态地理分区内关键环境因子确定；4）各水生态地理分区内沿关键环境因子生物多样性计算；5）样方点、地理分区、研究区多尺度水生物多样性计算。
6.步骤2）中，根据步骤1）获取的水生物多度数据、水生物丰度数据、水生物生物量数据和水质数据，通过随机森林法进行水生态样方点聚类，利用多棵树对样方点采集得到的数据进行训练和预测，依据亲近度将全部样方点形成多个聚类群，每个聚类群内样方点亲近度较高。形成多个聚类群后，进一步基于聚类群中心控制点利用泰森多边形法将研究区划分为多个地理分区，每个地理分区水生态环境代表性均较高。
7.步骤3）中，基于步骤2）划分的多个地理分区，先通过主成分分析法降低地理分区内采样点的数据分析复杂性，进一步利用典型对应分析法或冗余分析法确定各水生态地理分区内关键环境因子，做相关分析时当第一轴轴长大于4，使用典型对应分析法，当第一轴
轴长处于3
‑
4间，使用典型对应分析法或冗余分析法均可，当第一轴轴长小于3，使用冗余分析法。
8.步骤4）耦合物种“出现”和“缺失”的生态学意义，充分考虑生物物种丰度、多度和生物量，构建一种可细化计算生物多样性沿各环境梯度变化情况的方法，即β
e
模型，根据公式一、公式二确定各地理分区内沿步骤3）筛选得到的关键环境因子的生物多样性变化情况，其中，沿环境梯度不同生境群落之间物种组成相异性越大β
e
数值越高：
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公式一
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公式二其中，e代表第e个关键环境因子，e= 1，...，e，e是关键环境因子总数；g代表关键环境因子的第g个梯度，g=1，...，g，g是关键驱动因子的梯度总数，即将水质数据总范围均匀划分为g个梯度；i代表i种物种，i = 1，...，i，i是物种总丰度；b
egi
是第i种物种在第e个关键环境因子第g个梯度下的生物量；n
egi
是第i种物种在第e个关键环境因子第g个梯度下的多度；i
eg
是在第e个关键环境因子第g个梯度下的物种丰度；b
i
是第i种物种生物量；n
i
是第i种物种多度；ω1是水生物生物量和多度权重；ω2是水生物丰度权重；ω1、ω2采用熵权法确定，并进行归一化，ω1+ω2=1；β
eg
是第e个关键环境因子第g个梯度的生物多样性水平；β
egmax
是第e个关键环境因子第g个梯度的β
eg
最大值；β
egmin
是第e个关键环境因子第g个梯度的β
eg
最小值；β
e
是沿第e个关键环境因子的生物多样性变化情况；当 β
egmin
<1 <β
egmax
时，代表生态分区生物多样性“出现”和“缺失”共存，当β
egmin
>1时，代表地理分区生物多样性仅有“出现”，当β
egmax
<1时，代表生态分区生物多样性仅有“缺失”。
9.步骤5）中，利用α、β、γ模型分别计算样方点、地理分区、研究区的生物多样性，即公式三、公式四、公式五，地理分区生物多样性确定是基于步骤4）计算获得的β
e
，研究区生物多样性确定是基于各样方点计算得到的α和各地理分区计算得到的β，其中，生物多样性水平越高α、β、γ数值越大：
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公式三
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公式四
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公式五其中，e代表第e个关键环境因子，e= 1，...，e，e是关键环境因子总数；l代表第l个地理分区，l=1，...，l，l是地理分区总数；i代表i种物种，i = 1，...，i，i是物种总丰度；α是样方点生物多样性数值，可精准反映具体点位生物多样性水平；β是地理分区生物多样性数值，可较好反映地理分区内沿环境梯度不同生境群落之间物种组成的相异性；γ是研究区
生物多样性数值，可宏观把握整体区域生物多样性水平；n
i
是第i种物种多度；n是物种总多度；β
e
是沿第e个关键环境因子的生物多样性变化情况；α
l
是第l个地理分区中各采样点生物多样性算数平均值；β
l
是第l个地理分区生物多样性值。
10.综上，根据以上步骤可以通过采样数据确定各具体点位、地理分区、整体区域的生物多样性水平。
11.本发明的有益效果在于：本发明是一种多尺度水生物多样性计算方法，与现有技术相比，本发明充分耦合水生物丰度、水生物多度、水生物生物量和水质数据，精准、量化计算地理分区内沿环境因子不同生境群落间物种组成的相异性，可按照具体点位、地理分区、整体区域三个尺度全面、客观确定水生物生物多样性水平。水务管理等部门可根据不同尺度生物多样性水平及时采取有效措施避免河流水质恶化，维持水生物多样性，保障水生态系统健康和稳定。
具体实施方式
12.下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
13.一种多尺度水生物多样性计算方法，包括以下步骤：步骤一：数据获取：1）通过实地采样和室内鉴定获取水生态样方点的水生物丰度、多度和生物量数据；2）通过水质仪器获得水生态样方点水质数据。
14.步骤二：地理分区划定：1）基于水生物数据和水质数据聚类水生态样方点；根据步骤一获取的水生物多度数据、水生物丰度数据、水生物生物量数据和水质数据，通过随机森林法进行水生态样方点聚类，利用多棵树对样方点采集得到的数据进行训练和预测，依据亲近度将全部样方点形成多个聚类群，每个聚类群内样方点亲近度均较高；2）划分水生态地理分区；形成多个聚类群后，进一步基于聚类群中心控制点利用泰森多边形法将研究区划分为多个地理分区，每个地理分区水生态环境代表性均较高。
15.步骤三：各水生态地理分区内关键环境因子确定：基于步骤二划分的多个地理分区，先通过主成分分析法降低地理分区内采样点的数据分析复杂性，进一步利用典型对应分析法或冗余分析法分析确定各水生态地理分区内关键环境因子，做相关分析时当第一轴轴长大于4，使用典型对应分析法，当第一轴轴长处于3
‑
4间，使用典型对应分析法或冗余分析法均可，当第一轴轴长小于3，使用冗余分析法。
16.步骤四：各水生态地理分区内沿关键环境因子生物多样性计算：耦合物种“出现”和“缺失”的生态学意义，充分考虑生物物种丰度、多度和生物量，提出一种可细化计算生物多样性沿各环境梯度变化情况的方法，即β
e
模型，根据公式一、公式二确定各水生态地理分区内沿步骤3）筛选得到的关键环境因子的生物多样性变化情况，其中，沿环境梯度不同生境群落之间物种组成相异性越大β
e
数值越高：
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公式一
ꢀꢀꢀꢀꢀ
公式二其中，e代表第e个关键环境因子，e= 1，...，e，e是关键环境因子总数；g代表关键环境因子的第g个梯度，g=1，...，g，g是关键驱动因子的梯度总数，即将水质数据总范围均匀划分为g个梯度；i代表i种物种，i = 1，...，i，i是物种总丰度；b
egi
是第i种物种在第e个关键环境因子第g个梯度下的生物量；n
egi
是第i种物种在第e个关键环境因子第g个梯度下的多度；i
eg
是在第e个关键环境因子第g个梯度下的物种丰度；b
i
是第i种物种生物量；n
i
是第i种物种多度；ω1是水生物生物量和多度权重；ω2是水生物丰度权重；ω1、ω2采用熵权法确定，并进行归一化，ω1+ω2=1；β
eg
是第e个关键环境因子第g个梯度的生物多样性水平；β
egmax
是第e个关键环境因子第g个梯度的β
eg
最大值；β
egmin
是第e个关键环境因子第g个梯度的β
eg
最小值；β
e
是沿第e个关键环境因子的生物多样性变化情况；当 β
egmin
<1 <β
egmax
时，代表生态分区生物多样性“出现”和“缺失”共存，当β
egmin
>1时，代表地理分区生物多样性仅有“出现”，当β
egmax
<1时，代表生态分区生物多样性仅有“缺失”。
17.步骤五：样方点、地理分区、研究区多尺度水生物多样性计算：利用α、β、γ模型分别计算样方点、地理分区、研究区的生物多样性，即公式三、公式四、公式五，地理分区生物多样性确定是基于步骤四获得的β
e
，研究区生物多样性确定是基于各样方点计算得到的α和各地理分区计算得到的β，生物多样性水平越高α、β、γ数值越大：
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公式三
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公式四
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公式五其中，e代表第e个关键环境因子，e= 1，...，e，e是关键环境因子总数；l代表第l个地理分区，l=1，...，l，l是地理分区总数；i代表i种物种，i = 1，...，i，i是物种总丰度；α是样方点生物多样性数值，可精准反映具体点位生物多样性水平；β是地理分区生物多样性数值，可较好反映地理分区内沿环境梯度不同生境群落之间物种组成的相异性；γ是研究区生物多样性数值，可宏观把握整体区域生物多样性水平；n
i
是第i种物种多度；n是物种总多度；β
e
是沿第e个关键环境因子的生物多样性变化情况；α
l
是第l个地理分区中各采样点生物多样性算数平均值；β
l
是第l个地理分区生物多样性值；综上，根据以上步骤，可准确、全面、客观的计算多尺度水生物多样性。
18.本发明耦合了水生物丰度数据、水生物多度数据、水生物生物量数据和水质数据，构建了一种准确、细化计算生物多样性沿各环境因子变化情况的方法，进一步提出一种可按照具体点位、地理分区、整体区域多尺度的全面、客观计算水生物生物多样性的方法。本发明有效解决了水生物多样性计算时对实际环境因子状况考虑不足和生态学意义、计算尺
度部分缺失或重叠的问题，可全方位、系统化的获取水生物多样性水平。
19.以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。