CN113591032A - 一种红树植物最适生长高程的计算方法 - Google Patents

一种红树植物最适生长高程的计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种红树植物最适生长高程的计算方法，包括如下步骤：接受用户指令，设置淹水时间梯度进行室内淹水模拟试验，根据红树植物存活率、生长状态、光合效率、酶活性确定红树植物最适淹水时间；接收用户输入的通过附近验潮站或实地测量收集的潮汐水位数据；在得到上述两种数据后，通过计算潮汐水位高于海岸带各高程的总时间确定各高程下的淹水时间，将其与红树植物最适淹水时间相比，将满足红树植物最适淹水时间的高程作为红树植物最适生长高程。本发明可用于红树林生态修复领域，尤其对水文修复具有重要意义，与传统野外试验确定红树最适生长高程相比，节约了时间与成本，并且具有普遍适用性。

Description

一种红树植物最适生长高程的计算方法
技术领域
本发明涉及红树植物领域，特别是涉及一种基于红树植物最适淹水时间和潮汐水位计算红树植物最适生长高程的计算方法。
背景技术
红树林是生长在热带、亚热带海岸带区域的常绿木本植物，主要分布于南北纬30度之间的沿海滩涂、沼泽、潮沟以及入海河口两岸区域。红树林具有重要的生态***服务价值，如为沿海海洋生物提供栖息地、防风固岸、净化水质以及作为海洋蓝碳碳汇的重要场所等。然而，全球红树林面积持续减少，中国红树林面积经历了快速减少到缓慢增加的过程。众多红树林修复实践表明，水文条件(淹水时间等)对红树植物生长繁殖有重要影响，淹水时间过长或过短会影响红树存活率，影响红树林修复效果。而淹水时间与海岸带高程密切相关，可通过确定红树植物最适生长高程来确定红树林宜林区或进行高程改造后进行红树林修复活动。
随着人们生态环保意识不断提高以及政府、NGO组织的宣传投入，出于政治、经济以及生态保护等原因，我国红树林造林活动众多，并且主要集中在滩涂上。退塘还林最大的问题在于养殖塘的生境改造，尤其是水文改造，而水文改造与高程密切相关，故需要了解红树植物最适生长高程。目前主要是通过野外试验确定红树植物最适生长高程，周期较长，成本较高，且由于各地潮汐和地形不同，野外试验结果不具有普遍性。但是，我国目前低成本、可复制的确定红树植物最适生长高程的方法远未成熟。
发明内容
为了弥补上述现有技术的周期长、成本高、不可复制的不足，本发明提出一种红树植物最适生长高程的计算方法。
本发明的技术问题通过以下的技术方案予以解决：
本发明提出一种红树植物最适生长高程的计算方法，包括：S1：接收用户指令，设置淹水时间梯度进行室内淹水模拟试验，根据红树植物存活率、生长状态、光合效率、酶活性确定红树植物最适淹水时间；S2：接收用户输入的通过附近验潮站或实地测量收集的潮汐水位数据；S3：在得到上述两种数据后，通过计算潮汐水位高于海岸带各高程的总时间确定各高程下的淹水时间，将其与红树植物最适淹水时间相比，将满足红树植物最适淹水时间的高程作为红树植物最适生长高程。
在一些实施例，S1步骤中所述设置淹水时间梯度进行室内淹水模拟试验包括：利用抽水机、定时器设置每天淹水时间为一定梯度的人工模拟湿地并种植相应红树。
在一些实施例，S3步骤包括如下具体步骤：S31：对潮汐水位数据进行函数拟合用于计算，根据潮汐采集时间及实际潮汐情况，采用三次样条曲线拟合和线性拟合，拟合后函数为分段函数，通过拟合后的函数计算潮汐水位在某一高程的时间点及该高程下的淹水总时间；S32：建立一个从最低潮位到最高潮位以1cm为步长的循环，在循环体内部再建立一个循环体计算潮汐分段函数在其时间区间内的最高水位和最低水位，通过对函数的端点值、函数区间内部极值的计算比较确定；S33：判断循环当中的高程是否在该分段函数的最低水位和最高水位之间；如果在，就计算该高程与潮汐分段函数的交点，确定潮汐水位在该高程处的时间，求解该交点处的导数，并进行下一潮汐分段函数循环；如果不在，就直接进行下一潮汐分段函数循环；S34：通过对潮汐分段函数与高程交点计算的小循环和外部高程的大循环，得到从最低潮位到最高潮位之间所有高程与潮汐函数的交点以及交点的导数；得到三个一一对应的向量：高程向量、时间交点向量和交点导数向量，将导数为0的对应向量元素去掉；S35：在得到各高程的淹水时间点和该点的导数后，计算各高程的年淹水总时间，即为潮汐水位高于某一高程的时间之和；在交点导数由正转为负的时间区间为潮汐水位高于某一高程的时间；高程与潮汐函数的第一个交点导数有正或负两种情况，而与潮汐函数的交点总数可分为单数和双数；根据第一个交点导数的正负和交点总数的单双分成四种情况分别进行计算；S36：将计算的所有高程下的淹水时间与红树植物最适淹水时间比较，当某一高程下的淹水时间与红树植物最适淹水时间一致，此高程即为红树植物最适生长高程。
在一些实施例，所述S34步骤中，高程向量为潮汐最低水位至最高水位以1cm为间隔的高程，时间交点向量为潮汐水位在对应高程下的时间点，交点导数向量为可根据其中的正负号判断潮汐水位上升或下降，正表示潮汐水位上升，负表示潮汐水位下降。
在一些实施例，所述S35步骤中，根据第一个交点导数的正负和交点总数的单双分成四种情况分别进行计算包括：情况1：当第一个交点导数小于0且交点总数为单数时，总时间计算点为交点加上初始时间；情况2：当第一个交点导数小于0且交点总数为双数时，总时间计算点为交点加上初始时间点和结束时间点；情况3：当第一个交点导数大于0且交点总数为单数时，总时间计算点为交点加上结束时间点；情况4：当第一个交点导数大于0且交点总数为双数时，总时间计算仅根据交点计算。
在一些实施例，所述情况1中，当第一个交点导数小于0且交点总数为单数时，说明在初始时间点潮汐水位下降到某一高程，结束时潮汐水位在某一高程继续下降，总时间计算点为交点加上初始时间点，根据相邻时间点之差的和得到某一高程的淹水总时间。
在一些实施例，所述情况2中，当第一个交点导数小于0且交点总数为双数时，说明在初始时间点潮汐水位下降到某一高程，结束时潮汐水位在某一高程上升，总时间计算点为交点加上初始时间点和结束时间点，根据相邻时间点之差的和得到某一高程的淹水总时间。
在一些实施例，所述情况3中，当第一个交点导数大于0且交点总数为单数时，说明在初始时间点潮汐水位上升到某一高程，结束时潮汐水位在某一高程继续上升，总时间计算点为交点加上结束时间点，根据相邻时间点之差的和得到某一高程的淹水总时间。
在一些实施例，所述情况4中，当第一个交点导数大于0且交点总数为双数时，说明在初始时间点潮汐水位上升到某一高程，结束时潮汐水位在某一高程下降，总时间计算仅根据交点计算，根据相邻时间点之差的和得到某一高程的淹水总时间。
本发明还提出一种红树植物最适生长高程的终端设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现以上任一所述方法的步骤。
本发明与现有技术对比的有益效果包括：本发明根据红树植物最适淹水时间和潮汐水位数据开发计算红树植物最适生长高程的计算方法，通过设置淹水时间梯度进行室内淹水模拟试验，通过计算潮汐水位高于海岸带各高程的总时间确定各高程下的淹水时间并将其与红树植物最适淹水时间相比，将满足红树植物最适淹水时间的高程作为红树植物最适生长高程；可用于红树林生态修复领域，尤其对水文修复具有重要意义，与传统野外试验确定红树最适生长高程相比，节约了时间与成本，并且具有普遍适用性；能够有效指导破坏生境修复红树林时的高程水文改造，从而提高红树林修复效果，维护海岸带生态***，保证经济社会可持续发展。
附图说明
图1是本发明实施例的不同高程淹水时间计算流程图；
图2是本发明实施例的淹水时间计算示意图Ⅰ；
图3是本发明实施例的淹水时间计算示意图Ⅱ；
图4是本发明实施例的淹水时间计算示意图Ⅲ；
图5是本发明实施例的淹水时间计算示意图Ⅳ。
具体实施方式
下面对照附图并结合优选的实施方式对本发明作进一步说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，本实施例中的左、右、上、下、顶、底等方位用语，仅是互为相对概念，或是以产品的正常使用状态为参考的，而不应该认为是具有限制性的。
本发明要解决的技术问题是提供一种低成本、大规模以及可复制的确定红树植物最适生长高程的方法，以保证红树林修复活动的效果。为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：
本发明实施例的一种红树植物最适生长高程的计算方法，包括如下步骤：S1：接收用户指令，设置淹水时间梯度进行室内淹水模拟试验，根据红树植物存活率、生长状态、光合效率、酶活性确定红树植物最适淹水时间；S2：接收用户输入的通过附近验潮站或实地测量收集的潮汐水位数据；S3：在得到上述两种数据后，通过计算潮汐水位高于海岸带各高程的总时间确定各高程下的淹水时间，将其与红树植物最适淹水时间相比，将满足红树植物最适淹水时间的高程作为红树植物最适生长高程。
本发明实施例的一种红树植物最适生长高程的计算方法，通过设置淹水时间梯度进行室内淹水模拟试验，如利用抽水机、定时器等设置每天淹水时间为0h、2h、4h、6h、8h、10h、12h、14h、16h、18h、20h、22h、24h的人工模拟湿地并种植相应红树，根据红树植物存活率、生长状态(株高、基径和生物量等)、光合效率以及酶活性等确定红树植物最适淹水时间，如木榄在每天淹水时间为9～12h时，尖瓣海莲在每天淹水时间为6～8h时，植株的存活率最高，生长状态、光合效率以及酶活性等最佳。通过附近验潮站或实地测量收集潮汐水位数据。
在得到上述两种数据后，计算海岸带各个高程下的淹水时间，通过计算潮汐水位高于海岸带各个高程的总时间确定各个高程下的淹水时间，并将其与红树植物最适淹水时间相比，将满足红树植物最适淹水时间的高程作为红树植物最适生长高程。不同高程淹水时间计算流程图见图1。
对潮汐水位数据进行函数拟合用于计算，根据潮汐采集时间以及实际潮汐情况，可采用MATLAB内置函数spline函数进行三次样条曲线拟合或interp1函数进行线性拟合，拟合后函数为分段函数，可通过拟合后的函数计算潮汐水位在某一高程的时间点以及该高程下的淹水总时间。
建立一个从最低潮位到最高潮位以1cm为步长的循环，接着在循环体内部再建立一个循环体计算潮汐分段函数在其时间区间内的最高水位和最低水位(通过对函数的端点值和函数区间内部极值的计算比较确定)。
随后，判断循环当中的高程是否在该分段函数的最低水位和最高水位之间，如果在就计算该高程与潮汐分段函数的交点，确定潮汐水位在该高程处的时间，求解该交点处的导数，并进行下一潮汐分段函数循环；如果不在就直接进行下一潮汐分段函数循环。
通过对潮汐分段函数与高程交点计算的小循环和外部高程的大循环，得到了从最低潮位到最高潮位之间所有高程与潮汐函数的交点以及交点的导数，交点为潮汐水位在某一高程的时间点，交点导数可判断在该时间点潮汐水位是上升还是下降；得到三个一一对应的向量，高程向量(元素为潮汐最低水位至最高水位以1cm为间隔的高程)、时间交点向量(元素为潮汐水位在对应高程下的时间点)和交点导数向量(可根据其中元素的正负号判断潮汐水位上升或下降，元素为正表示潮汐水位上升，元素为负表示潮汐水位下降)，并将导数为0的对应向量元素去掉。
在得到各个高程的淹水时间点和该点的导数后，接下来就要计算各个高程的年淹水总时间，即为潮汐水位高于某一高程的时间之和。当交点处导数为正时，说明潮汐水位正在上升；当交点处导数为负时，说明潮汐水位正在下降，故在交点导数由正转为负的时间区间为潮汐水位高于某一高程的时间。在程序设计时主要分为4种计算情况。
当第一个交点导数小于0且交点总数为单数时，总时间计算点为交点加上初始时间；说明在初始时间点潮汐水位下降到某一高程，结束时潮汐水位在某一高程继续下降，故总时间计算点为交点加上初始时间点，然后根据相邻时间点(偶数点减去奇数点)之差的和得到某一高程的淹水总时间，淹水总时间如图2阴影部分所示。
当第一个交点导数小于0且交点总数为双数时，总时间计算点为交点加上初始时间点和结束时间点；说明在初始时间点潮汐水位下降到某一高程，结束时潮汐水位在某一高程上升，总时间计算点为交点加上初始时间点和结束时间点，然后根据相邻时间点(偶数点减去奇数点)之差的和得到某一高程的淹水总时间，淹水总时间如图3阴影部分所示。
当第一个交点导数大于0且交点总数为单数时，总时间计算点为交点加上结束时间点；说明在初始时间点潮汐水位上升到某一高程，结束时潮汐水位在某一高程继续上升，总时间计算点为交点加上结束时间点，然后根据相邻时间点(偶数点减去奇数点)之差的和得到某一高程的淹水总时间，淹水总时间如图4阴影部分所示。
当第一个交点导数大于0且交点总数为双数时，总时间计算仅根据交点计算；说明在初始时间点潮汐水位上升到某一高程，结束时潮汐水位在某一高程下降，总时间计算仅根据交点计算，，然后根据相邻时间点(偶数点减去奇数点)之差的和得到某一高程的淹水总时间，淹水总时间如图5阴影部分所示。
最后，将计算的所有高程下的淹水时间与红树植物最适淹水时间比较，当某一高程下的淹水时间与红树植物最适淹水时间一致，此高程即为红树植物最适生长高程。
根据本发明，白骨壤最适淹水时间为每天8～12h，将其转换为年最适淹水时间，即白骨壤的每年最适淹水时间为2920～4280h，接着收集了雷州半岛湛江港验潮站潮汐水位数据，最后利用MATLAB编程计算得到白骨壤在雷州半岛湛江港附近的最适生长高程为216～259cm。
本发明根据红树植物最适淹水时间和潮汐水位数据开发了计算红树植物最适生长高程的MATLAB程序算法，能够有效指导破坏生境修复红树林时的高程水文改造，从而提高红树林修复效果，维护海岸带生态***，保证经济社会可持续发展。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种红树植物最适生长高程的计算方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：接受用户指令，设置淹水时间梯度进行室内淹水模拟试验，根据红树植物存活率、生长状态、光合效率、酶活性确定红树植物最适淹水时间；
S2：接收用户输入的通过附近验潮站或实地测量收集的潮汐水位数据；
S3：在得到上述两种数据后，通过计算潮汐水位高于海岸带各高程的总时间确定各高程下的淹水时间，将其与红树植物最适淹水时间相比，将满足红树植物最适淹水时间的高程作为红树植物最适生长高程。
2.如权利要求1所述的红树植物最适生长高程的计算方法，其特征在于，S1步骤中所述设置淹水时间梯度进行室内淹水模拟试验包括：利用抽水机、定时器设置每天淹水时间为一定梯度的人工模拟湿地并种植相应红树。
3.如权利要求1所述的红树植物最适生长高程的计算方法，其特征在于，S3步骤包括如下具体步骤：
S31：对潮汐水位数据进行函数拟合用于计算，根据潮汐采集时间及实际潮汐情况，采用三次样条曲线拟合和线性拟合，拟合后函数为分段函数，通过拟合后的函数计算潮汐水位在某一高程的时间点及该高程下的淹水总时间；
S32：建立一个从最低潮位到最高潮位以1cm为步长的循环，在循环体内部再建立一个循环体计算潮汐分段函数在其时间区间内的最高水位和最低水位，通过对函数的端点值、函数区间内部极值的计算比较确定；
S33：判断循环当中的高程是否在该分段函数的最低水位和最高水位之间；
如果在，就计算该高程与潮汐分段函数的交点，确定潮汐水位在该高程处的时间，求解该交点处的导数，并进行下一潮汐分段函数循环；
如果不在，就直接进行下一潮汐分段函数循环；
S34：通过对潮汐分段函数与高程交点计算的小循环和外部高程的大循环，得到从最低潮位到最高潮位之间所有高程与潮汐函数的交点以及交点的导数；得到三个一一对应的向量：高程向量、时间交点向量和交点导数向量，将导数为0的对应向量元素去掉；
S35：在得到各高程的淹水时间点和该点的导数后，计算各高程的年淹水总时间，即为潮汐水位高于某一高程的时间之和；在交点导数由正转为负的时间区间为潮汐水位高于某一高程的时间；
高程与潮汐函数的第一个交点导数有正或负两种情况，而与潮汐函数的交点总数可分为单数和双数；根据第一个交点导数的正负和交点总数的单双分成四种情况分别进行计算；
S36：将计算的所有高程下的淹水时间与红树植物最适淹水时间比较，当某一高程下的淹水时间与红树植物最适淹水时间一致，此高程即为红树植物最适生长高程。
4.如权利要求3所述的红树植物最适生长高程的计算方法，其特征在于：
所述S34步骤中，高程向量为潮汐最低水位至最高水位以1cm为间隔的高程，时间交点向量为潮汐水位在对应高程下的时间点，交点导数向量为可根据其中的正负号判断潮汐水位上升或下降，正表示潮汐水位上升，负表示潮汐水位下降。
5.如权利要求3所述的红树植物最适生长高程的计算方法，其特征在于：
所述S35步骤中，根据第一个交点导数的正负和交点总数的单双分成四种情况分别进行计算包括：
情况1：当第一个交点导数小于0且交点总数为单数时，总时间计算点为交点加上初始时间；
情况2：当第一个交点导数小于0且交点总数为双数时，总时间计算点为交点加上初始时间点和结束时间点；
情况3：当第一个交点导数大于0且交点总数为单数时，总时间计算点为交点加上结束时间点；
情况4：当第一个交点导数大于0且交点总数为双数时，总时间计算仅根据交点计算。
6.如权利要求5所述的红树植物最适生长高程的计算方法，其特征在于：
所述情况1中，当第一个交点导数小于0且交点总数为单数时，说明在初始时间点潮汐水位下降到某一高程，结束时潮汐水位在某一高程继续下降，总时间计算点为交点加上初始时间点，根据相邻时间点之差的和得到某一高程的淹水总时间。
7.如权利要求5所述的红树植物最适生长高程的计算方法，其特征在于：
所述情况2中，当第一个交点导数小于0且交点总数为双数时，说明在初始时间点潮汐水位下降到某一高程，结束时潮汐水位在某一高程上升，总时间计算点为交点加上初始时间点和结束时间点，根据相邻时间点之差的和得到某一高程的淹水总时间。
8.如权利要求5所述的红树植物最适生长高程的计算方法，其特征在于：
所述情况3中，当第一个交点导数大于0且交点总数为单数时，说明在初始时间点潮汐水位上升到某一高程，结束时潮汐水位在某一高程继续上升，总时间计算点为交点加上结束时间点，根据相邻时间点之差的和得到某一高程的淹水总时间。
9.如权利要求5所述的红树植物最适生长高程的计算方法，其特征在于：
所述情况4中，当第一个交点导数大于0且交点总数为双数时，说明在初始时间点潮汐水位上升到某一高程，结束时潮汐水位在某一高程下降，总时间计算仅根据交点计算，根据相邻时间点之差的和得到某一高程的淹水总时间。
10.一种红树植物最适生长高程的终端设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1-9任一所述方法的步骤。
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