一种沿海滩涂生态健康评估方法技术

本发明专利技术涉及一种沿海滩涂生态健康评估方法，包括以下步骤：计算综合环境指数，确定参考点和对照点；构建候选参数指标库；筛选细菌、古菌和微型真核生物核心微生物指标；随机森林模型训练，计算核心指标权重，构建亚微生物完整性指数；基于随机森林优化的亚微生物完整性指数的权重，构建综合微生物完整性指数；评价结果可靠性分析。本发明专利技术以微生物完整性指数为基础，综合考虑了细菌、古菌和微型真核生物类群，运用随机森林算法，建立了一套针对沿海滩涂湿地的生态健康状况评价体系。地的生态健康状况评价体系。地的生态健康状况评价体系。

【技术实现步骤摘要】
一种沿海滩涂生态健康评估方法


[0001]本专利技术涉及一种沿海滩涂生态健康评估方法，属于环境污染监测和环境保护技术的


技术介绍

[0002]沿海滩涂湿地是世界上最独特的生态系统之一，也是经济价值最重要的生态系统之一。滨海滩涂湿地位于海陆交界的生态过渡带，兼具海、陆双重特征，通常与密集的人类活动有关，对人类社会和经济至关重要，为渔业养殖、育苗等生产活动提供重要的保障。此外，潮汐湿地还具有较高的生态价值，因为它们参与了气候调节、防止淤积、固碳和海岸带的养分转化。它们还通过保持独特的栖息地来促进生物多样性。然而，沿海湿地也是地球上最脆弱的生态系统之一。近几十年来，随着人类活动的不断加剧，滨海湿地面临着日益严重的生态环境问题，如富营养化、海岸侵蚀、物种入侵和生物多样性丧失等。自20世纪50年代以来，全国滨海湿地丧失约200多万公顷，相当于滨海湿地总面积的50％。因此，急需对滨海滩涂湿地开展相关的治理和保护工作。科学准确的了解滨海滩涂湿地生态系统的生态状况，是潮汐湿地的开展有效保护重要前提，对形成针对性的解决方案，进行高效的治理具有重要意义。
[0003]微生物作为海洋生态系统的重要组成部分，在水环境中数量巨大、遗传与代谢方式多样，其动态变化是全面了解水生生态系统结构和功能的变化是一个重要环节，与传统指标相比，具有更强的可获性、耐受性和敏感性。同时，当前快速发展分子方法和生物信息学分析为微生物类群、群落结构和多样性以及功能基因的鉴定提供了高效便捷的方法，相关的评价应用已经被广泛用于监测淡水生态系统中。滨海滩涂位于海陆交界，其微生物种类多样(细菌、古菌和微真核生物)，在潮汐湿地的生态功能和多样性中发挥着关键作用，可以监测潮汐湿地的健康状况。因此，基于微生物群落开发一种沿海滩涂的生态健康状况评价方法，可以进一步发展和完善沿海滩涂生态健康评价系统，进而更有效地应用于沿海滩涂水生态系统的保护和修复工作。
[0004]生物完整性指数法是当前较为成熟的健康评价方法，自1981年提出至今，通过几近四十年的发展，生物完整性指数变得越来越完善，出现了包括鱼类、底栖无脊椎动物完整性指数等。然而，当前绝大多数的生物完整性只关注中大型生物，且绝大多数受限于单一类群。环境压力对生物群落的影响涉及到不同的类群，这导致了不同类群之间形成相互作用的复杂因果链，这些过程共同决定了生态系统层面的响应(食物网稳定性或生态系统功能等)。因此，单一分类类群的健康评价的准确性受到了极大的限制，需要建立反映生态系统健康状况的跨界多营养级生物指数。此外，随机森林、灰色关联度法等方法为不同营养级微生物指标的生态权重计算提供了客观可信的手段。

技术实现思路

[0005]为了解决上述技术问题，本专利技术综合细菌、古菌以及微型真核动物多个类群的微
生物群落，基于有监督随机森林算法提供了一种沿海滩涂生态健康评估技术方法，提供一种再生保温纤维棉混凝土实心砖力的基本力学性能测试方法，其具体技术方案如下：
[0006]一种沿海滩涂生态健康评估方法，包括以下步骤：
[0007]步骤1：计算综合环境指数(CEI)，确定评估参考点；
[0008]步骤2：构建包含细菌、古菌、微型真核生物准则层的沿海滩涂生物评估体系，建立候选微生物参数指标库；
[0009]步骤3：筛选细菌、古菌和微型真核类群核心微生物指标，对核心微生物指数进行赋分；
[0010]步骤4：基于随机森林模型计算各类群核心微生物指标权重，构建各类群的亚微生物完整性指数；
[0011]步骤5：基于随机森林模型优化亚微生物完整性指数权重，并构建综合微生物完整性指数(CM
‑
IBI)，评价等级划分和评价结果可靠性分析。
[0012]2、根据权利要求1所述的沿海滩涂生态健康评估方法，其特征在于：所述步骤1中计算综合环境指数(CEI)，确定评估参考点，具体的计算方法如下：
[0013]步骤1.1、在有待评价的沿海滩涂区域内设置若干采样点，监测各采样点的滩涂生境结构稳定性(潮上带护岸连续性、滩涂面积萎缩比例、滩涂潮间带宽度、滨海连通性)、海水水质质量(COD、TP、TN、NO3‑
、NH
4+
)、毒理性(Hg、Cd、Pb、油类)、社会功能(水资源开发利用率、水功能区达标率)五个方面的环境指标，构建综合环境候选指标库；
[0014]步骤1.2、参考国家《地表水环境质量标准》(GB3838
‑
2002)、《海洋水质标准》(GB3097
‑
1997)和《海洋沉积物质量》(GB18668
‑
2002)进行指标划分，分成五等级，依次赋分为1
‑
5分。标准中未规定的环境指标，将指标的20分位、40分位、60分位、80分位的值作为临界值，将指标分成五等级，依次赋分1
‑
5分，再利用主成分分析的方法对所有的所述环境指标得到各指标的权重，基于加权平均值构建综合环境指数(CEI)；
[0015]步骤1.3、对所述综合环境指数(CEI)进行赋分，并以总分值区间的a分位划分参照点和受损点，选取高分位部分为参考点，其中，a为正整数。
[0016]进一步的，所述步骤2中建立候选微生物参数指标库具体方法如下：
[0017]步骤2.1、首先是对滩涂湿地微生物群落信息鉴定，将采集的滩涂湿地的泥样进行DNA提取，细菌、古菌和微型真核生物分别以341F
‑
806R、Arch519F
‑
Arch915R和TAReuk454FWD1
‑
TAReukREV3为引物进行PCR扩增；检测得到的PCR产物，切割目的条带进行纯化，定量所得PCR产物，进行测序；经过质量分析和筛选后获得有效序列；基于97％的相似度，将测得的序列进行比对后进行OTU聚类，获得微生物种类与丰度信息；然后将序列与基因文库比对，计算样品覆盖率，以确定测序的可靠性；
[0018]步骤2.2、基于得到的物种信息，排除无法鉴定和相对丰度较低的物种，并将微生物群落进行门、纲、目、科、属五个分类水平划分，并将各个水平的物种相对丰度作为优选的微生物群落组成候选指标；
[0019]步骤2.3、基于得到的物种信息，计算微生物群落的alpha多样性，优选采用Shannon、Simpson、Evenness多样性指数作为微生物群落多样性指数候选指标。
[0020]进一步的，所述步骤3中筛选细菌、古菌和微型真核类群核心微生物指标，对核心微生物指数进行赋分，具体方法如下：
[0021]步骤3.1、首先进行时空分布检验，以保障指标的普适性，候选指标库中筛选出各类群至少80％以上空间或时间序列的样点都能检测出现的指标，若某指标在20％以上的采样点内相对丰度或者分数为0，即排除该指标；
[0022]步骤3.2、其次进行判别能力检验，筛选出参照点和受损点具有高辨识度的候选指标，对A3中筛选出的各类群候选参数进行Mann
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种沿海滩涂生态健康评估方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1：计算综合环境指数(CEI)，确定评估参考点；步骤2：构建包含细菌、古菌、微型真核生物准则层的沿海滩涂生物评估体系，建立候选微生物参数指标库；步骤3：筛选细菌、古菌和微型真核类群核心微生物指标，对核心微生物指数进行赋分；步骤4：基于随机森林模型计算各类群核心微生物指标权重，构建各类群的亚微生物完整性指数；步骤5：基于随机森林模型优化亚微生物完整性指数权重，并构建综合微生物完整性指数(CM
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IBI)，评价等级划分和评价结果可靠性分析。2.根据权利要求1所述的沿海滩涂生态健康评估方法，其特征在于：所述步骤1中计算综合环境指数(CEI)，确定评估参考点，具体的计算方法如下：步骤1.1、在有待评价的沿海滩涂区域内设置若干采样点，监测各采样点的滩涂生境结构稳定性、海水水质质量、毒理性、社会功能五个方面的环境指标，构建综合环境候选指标库；步骤1.2、指标的20分位、40分位、60分位、80分位的值作为临界值，将指标分成五等级，依次赋分1
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5分，再利用主成分分析的方法对所有的所述环境指标得到各指标的权重，基于加权平均值构建综合环境指数(CEI)；步骤1.3、对所述综合环境指数(CEI)进行赋分，并以总分值区间的a分位划分参照点和受损点，选取高分位部分为参考点，其中，a为正整数。3.根据权利要求1所述的沿海滩涂生态健康评估方法，其特征在于：所述步骤2中建立候选微生物参数指标库具体方法如下：步骤2.1、首先是对滩涂湿地微生物群落信息鉴定，将采集的滩涂湿地的泥样进行DNA提取，细菌、古菌和微型真核生物分别以341F
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806R、Arch519F
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Arch915R和TAReuk454FWD1
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TAReukREV3为引物进行PCR扩增；检测得到的PCR产物，切割目的条带进行纯化，定量所得PCR产物，进行测序；经过质量分析和筛选后获得有效序列；基于97％的相似度，将测得的序列进行比对后进行OTU聚类，获得微生物种类与丰度信息；然后将序列与基因文库比对，计算样品覆盖率，以确定测序的可靠性；步骤2.2、基于得到的物种信息，排除无法鉴定和相对丰度较低的物种，并将微生物群落进行门、纲、目、科、属五个分类水平划分，并将各个水平的物种相对丰度作为优选的微生物群落组成候选指标；步骤2.3、基于得到的物种信息，计算微生物群落的alpha多样性。4.根据权利要求1所述的沿海滩涂生态健康评估方法，其特征在于：所述步骤3中筛选细菌、古菌和微型真核类群核心微生物指标，对核心微生物指数进行赋分，具体方法如下：步骤3.1、首先进行时空分布检验，以保障指标的普适性，候选指标库中筛选出各类群至少80％以上空间或时间序列的样点都能检测出现的指标，若某指标在20％以上的采样点内相对丰度或者分数为0，即排除该指标；步骤3.2、其次进行判别能力检验，筛选出参照点和受损点具有高辨识度的候选指标，对A3中筛选出的各类群候选参数进行Mann
‑
WhitneyU检验，筛选出参照点和受损点具有显著差异(p＜0.05)的候选指标；
步骤3.3、最后进行冗余性检验，以减少指标信息的重叠程度，对步骤3.2筛选的各类群候选指标进行pearson检验，以p＜0.05，R2＝0.7为基准，若R2≥0.7，则表明两指标信息重叠程度大，剔除其中之一，若R2＜0.7，则表明两指标信息重叠程度小，二者皆可保留；最后保留下来的为核心微生物参数；步骤3.4、为减少峰值的影响，将步骤3.3中最后得到的核心微生物指标(x
i
，x
i
表示第i个核心微生物指标的数值)进行处理，其中比例变量(百分比数据)进行平方根反正弦变换对其余变量进行对数变换(lg(x
i
))。步骤3.5、如果核心微生物指数随着环境恶化而降低，则按照公式1进行计算；如果核心微生物参数随着环境恶化而增加，则按照公式2进行计算：分值＝100
×
(观测值
‑
下临界值)/(上临界值
‑
下临界值)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
公式1分值＝100
×
(观测值
‑
上临界值)/(下临界值
‑
上临界值)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
公式2公式1和公式2中下临界值和上临界值分别表示核心微生物指数数字的5％、95％分位点。5.根据权利要求1所述的沿海滩涂生态健康评估方法，其特征在于：所述步骤4中利用随机森林模型训练，计算各核心微生物指标权重，构建各类群的亚微生物完整性指数方法如下：步骤4.1、以步骤1建立的综合环境指数(CEI)作为因变量，以步骤3.5处理后的各类群核心微生物参数作为解释变量，利用随机森林模型训练，随机选取70％的样本作为训练集，剩余百分30为预测集，生成1000棵经典决策树；步骤4.2、对核心微生物指标进行类群划分，采用均方误差百分比(A
i
)和节点纯度增量(...

【专利技术属性】
技术研发人员：牛丽华，邹冠华，李轶，郭运通，谢旭东，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：