褐飞虱发生的一维时间序列相空间重构及混沌吸引子维数的确定

利用我国长江流域的吴县1979－1990年及太湖地区农科所1986－1998年6－11月份褐飞虱田间发生时间序列资料,将褐飞虱发生的一维时间序列拓展到多维相空间中去,研究结果表明：（1）我国长江流域短期褐飞虱发生演化,在相空间中存在吸引子,并具有分维结构,其维数分别是1．6和0．68,为混沌吸引子（或奇异吸子）;（2）就我国长江流域褐飞虱发生的短期变化而言,为了能在维相空间支撑上述奇怪吸引了,最好选取4个变量或建立最低为4阶的动力学模型式来进行描述。     

山东泰山地区景观结构变化及其分形分析

将泰山风景区划分为 8个区域 11个基本景观类型 ,包括松林、栎林、刺槐林、侧柏林、针阔叶混交林、经济林、灌丛、裸岩、荒地、水体、建筑。在此基础上 ,利用 3S技术和分形理论对各个景观要素进行了分析 ,并讨论了景观特性及其变化的分形性质。结果表明 :(1)分维值的大小反映了景观斑块面积、斑块数量和平均斑块面积等因素的相互作用 ,在一定尺度下分维的大小反映了区域内景观斑块的不规则程度和复杂程度 ,斑块越不规则、越复杂 ,其分维越大 ,反之亦然。在泰山地区 ,自 1986年至 2 0 0 1年 ,刺槐林一直保持着较高的分维值 ,其它景观类型的分维值则差别不大 ,而针阔叶混交林的分维值变化较大 ;(2 )森林景观受多种因子的影响 ,在高海拔区域主要受垂直地带性规律影响为主 ,在旅游区主要受人类活动的影响为主 ,15 a来各个区域分形维数的总体变化趋势相似 ;(3)大部分区域在 2 0 0 1年的景观多样性、破碎度高于 1986年的 ,而景观优势度则略为下降     

单季晚稻褐飞虱发生程度的气候诊断

应用数理统计方法 ,分析了上海地区单季晚稻褐飞虱发生程度、始见期与气候生态因子的关系。结果表明 ,上海地区单季晚稻褐飞虱始见期与当年 4月 16～ 30日的降水日数、上年 10月份 5 0 0hPa 110°～ 15 0°E平均副热带高压脊线位置间的相关系数分别为 - 0 . 6 30 7、0 . 4 871。单季晚稻褐飞虱的发生程度与当年 1月 1日～ 2月 10日平均最低气温的相关系数为 - 0 . 5 2 18,与当年 7月份降水量的相关系数为 0 . 5 2 0 3,与上年 12月份 5 0 0hPa 110°～ 15 0°E内平均副热带高压脊线位置的相关系数为- 0 5 374。当ElNino发生强度强且发生时间在春季 ,则当年上海地区单季晚稻褐飞虱发生程度为重 ;当ElNino发生强度在中等以上且发生时间在秋季 ,则次年上海地区单季晚稻褐飞虱发生程度为重。LaNina事件与上海地区单季晚稻褐飞虱发生程度的关系不明显。     

褐飞虱与白背飞虱若虫间的互作效应

用罩笼试验方法,研究了褐飞虱和白背飞虱若虫间的互作关系．结果表明,两种飞虱若虫间存在程度不同的相互作用过程．褐飞虱或白背飞虱的羽化、性别、翅型、雌虫体长和体重等生物学特性的表现都受到来自异种飞虱存在的影响．随褐飞虱比例的增加,白背飞虱的上述反应愈趋明显;反之,随白背飞虱比例的增加,褐飞虱则少有这种变化．种间密度制约效应远大于种内密度制约效应,表明两种飞虱诸种生物学特性对种间作用的反应存在着差异．     

褐飞虱发生的相空间线性回归预测模型

基于混沌理论,通过对江苏省太湖地区农科所褐飞虱发生时间序列资料的分析,组建了褐飞虱Nilaparvata lugens Stal发生时间序列的相空间线性回归预测模型。结果表明,7次预报的平均相对误差为22.91%,转化为发生等级,预测准确率为100%,这为害虫的长期可预测性提供了一种有效的新方法。     

复杂地形下褐飞虱迁飞的数值模拟:个例研究

褐飞虱是影响我国水稻生产的重要迁飞性害虫之一,它的爆发严重影响水稻的生长,并诱发水稻病害,导致水稻减产。研究复杂地形条件下褐飞虱的迁出虫源地、空中迁飞轨迹、降落区,探明复杂地形对褐飞虱迁飞的影响机制,对害虫测报与防治、农业防灾减灾和保障我国粮食安全具有重要的理论意义和实践价值。为了分析覆盖复杂地形的大气动力场、温度场、湿度场对褐飞虱迁入及降落分布的影响,采用WRF-Flexpart耦合轨迹计算模式和GIS空间分析等方法,对2008年9月30日—10月3日发生在广东曲江、肇庆、梅县三站和湖北宜昌、安徽东至、江西吉安三站的褐飞虱迁入和降落过程进行了数值模拟,以揭示复杂地形条件下褐飞虱种群降落和密度分布的时空变化结构。(1)广东曲江、肇庆、梅县三站的后向轨迹模拟结果显示,迁入三站的虫源均来自该站点的西北方向。地形较高且复杂多变时,褐飞虱难以穿越且迁飞距离较短、方向多变。(2)湖北宜昌、安徽东至、江西吉安三站的前向轨迹模拟结果显示,当站点附近的山脉较低且有山谷通道,褐飞虱沿山脉顺风方向迁飞,且迁飞距离较远。当山脉地势较高且没有明显的山谷,则褐飞虱遇到山脉阻挡而转向造成种群滞留。(3)褐飞虱迁飞种群的密度沿山脉走向呈带状分布,山坡较为陡峭、断崖显著时,向远离山体的方向迁飞。若山脉由多个山岭构成,则褐飞虱可从其峡谷穿越,密度分布较为分散。(4)强水平气流有利于褐飞虱的远距离迁飞,下沉气流对褐飞虱降落起着重要的作用,当有强下沉气流且气温较高时,有利于褐飞虱种群的降落,并聚集形成高密度迁入区。(5)垂直方向上,在一定的温度范围内,褐飞虱趋向于在暖层中迁飞。褐飞虱密度沿河谷地带呈带状分布且密度高值区多分布在较温暖的地区。秋季,褐飞虱降落区多分布在相对湿度50%左右的区域。模拟的褐飞虱迁飞轨迹、迁飞方位角和迁飞距离等与实际发生的褐飞虱迁飞路径和降虫区之间偏差较小,该模拟方法较大程度地提高了我国迁飞性害虫的业务预报水平。未来拟提高测报褐飞虱虫情数据的时空分辨率,以为得到较高准度和精度的模拟结果。     

FLEXPART模式模拟褐飞虱回迁的适用性

褐飞虱是威胁我国水稻生产安全的主要害虫之一,已经严重地威胁到我国南方地区水稻的安全生产。褐飞虱作为一种风媒迁飞性昆虫,与大气气溶胶粒子的运动相似。采用褐飞虱迁飞相关参数,利用WRF-FLEXPART模式模拟分析两次褐飞虱秋季回迁过程。通过模拟2013年9月20—24日褐飞虱迁入兴安县的迁飞过程,发现褐飞虱虫量的模拟结果与实验观测到的褐飞虱高空灯诱数据相近、变化趋势一致,相关性达到0.49(P0.01)。褐飞虱迁飞峰的模拟值平均早于观测值1.5h,这可能与褐飞虱起飞迁飞的主动性及其生理特性等有关。模拟2008年10月5—7日一次冷锋无降水天气过程中的褐飞虱迁飞过程,发现此次冷锋南下和降温过程对褐飞虱的回迁影响显著,主要表现在:(1)在迁飞轨迹上,受热带气旋影响,广西、贵州、湖南和广东西部地区以东北风为主,有利于褐飞虱向西南方向的迁飞;(2)在虫量密度分布上,广东中部地区同时具备了较好的动力和温湿条件,促使大量褐飞虱向着该地区(较温暖)迁入,而湖北地区虽以西北—东北风为主,但地面气温较低(低于广东地区),不利于褐飞虱的大量迁入。综上所述,WRF-FLEXPART模式适用于褐飞虱的迁飞模拟且有较好的模拟能力,该研究对我国褐飞虱灾变的准确预警、病虫测报水平的提高具有重要的参考价值。     

群落均匀度分形分析

修正了Frontier和Ricotta等关于有效物种丰富度指数A与物种丰富度指数S之间幂律关系的定义．探讨了A与S之间分形关系的生态学意义．认为分形维数D是群落均匀度测度值在物种数S不断增加的过程中．向其逼近的一个理论值;提出了利用双对数坐标上建立的A与S拟合直线的方程．对群落均匀度的4种变化趋势进行描述的方法。以广东黑石顶自然保护区森林演替系列为例．研究了针阔叶混交林和常绿阔叶林样带上．随着样带观察长度的逐渐增加群落均匀度的变化情况。结果表明．230m长的混交林样带只存在一个线性无标度区间．群落均匀度随样带长度的不断增加而逐渐降低．向分形维数D=0．810趋近。170m长的常绿阔叶林样带存在两个线性无标度区问．在0～25m的尺度域内．随着样带长度的逐渐增加均匀度不断降低．向分形维数D=0．525逼近;在30～170m的尺度域内．随着样带观察长度的增加．群落均匀度也逐渐增加．向分形维数D=0．920趋近。     

褐飞虱发生系统的混沌诊断

褐飞虱在我国常年发生面积约为1．3×10^7～2×10^7hm^2,年均损失稻谷10×10^8kg．为更深入地研究褐飞虱发生系统的特性与规律,并为预测和防治提供理论依据,以我国长江流域太湖地区1986～1998年6～11月褐飞虱田间发生时间序列资料为例,运用混沌理论中的自相关函数、功率谱图、相轨迹图、Poincare截面、返回映象图等方法,研究了褐飞虱发生系统的特性．结果表明,即使有随机性噪声的影响,仍可判明我国长江流域褐飞虱发生系统具有混沌特性．     

大尺度下褐飞虱种群空间结构初步分析

褐飞虱是我国主要的水稻害虫,有着复杂的空间结构.地统计学可用来分析空间相关变量的结构和插值模拟空间相关变量的分布.运用地统计学中的变差函数和克立格插值法对广东省褐飞虱种群3个主要世代在早稻田间的空间结构进行分析和模拟的结果表明,大尺度的褐飞虱田间种群的空间分布为聚集型,不同世代褐飞虱种群的局部空间结构有差异,聚集的范围分别为400、200和205km;空间分布模拟地图能反映褐飞虱种群在田间的具体分布情况,广东西部地区每一世代褐飞虱的发生密度均高于东部地区.     

老芒麦(Elymus sibiricus)种群地上生物量空间分布格局研究

采用分形几何学的方法对老芒麦（Elymus sibiricus)种群地上生物量空间分布格局进行了研究,结果表明：1）在某一时刻老芒麦不同植株地上生物量的空间分布格局具有相似性,7月6日的分形维数最大,为1.5054;6月16日、7月31日以及8月10日的分形维数较小,分别为0.7001、0.4675和0.3428。2）虽然在整个生长季内,老芒麦地上生物量与株高的对数值之间存在线性关系,但仍然存在许多细节问题,3）老芒麦株高在20-59cm尺度范围内,双对数半方差图存在明显的2个线性区域,反映出生物量空间分布格局的异质性。4）高度间隔为4cm以下的分形维数为1.63465,高度间隔大于4cm时的分形维数为1.0407。     

宁夏荒漠草原沙漠化过程中土壤粒径分形特征

研究宁夏荒漠草原沙漠化过程中土壤性状、土壤粒径分形维数的变化特征,以及分形维数与土壤性状的关系.结果表明: 草地沙漠化对土壤分形维数(D)影响显著,D值为1.69～2.62.除在10～20 cm土层出现较小波动外,随着沙漠化程度加剧,0～30 cm土层D值整体呈减小趋势.在荒漠草原沙漠化过程中,荒漠草地D值最大,黏粒和粉粒体积百分含量最高,极细砂粒和细砂粒体积百分含量最低;流动沙地D值最小,黏粒和粉粒体积百分含量最小,极细砂粒和细砂粒体积百分含量最高.D与<50 μm和>50 μm粒径的土壤颗粒存在显著正相关和负相关,表明50 μm粒径是决定草地沙漠化过程中土壤分形维数与土壤粒径关系的临界粒径.随着荒漠草原沙漠化加剧,土壤有机质和全氮含量逐渐降低,土壤容重逐渐升高,固定沙地至半固定沙地是荒漠草原沙漠化的质变过程,其中土壤粘粒体积百分含量、粉粒体积百分含量、土壤有机质含量、土壤全氮含量骤减,极细砂粒体积百分含量、细砂粒体积百分含量和土壤容重骤增.分形维数与土壤有机质、土壤全氮和土壤容重显著相关,固定沙地与半固定沙地分形维数的临界值为2.58,因此分形维数2.58可作为荒漠草原沙漠化的退化指标.     

莲花山主要森林群落空间格局的分形特征

应用信息维数对莲花山主要森林群落的空间格局进行了研究.结果表明:森林群落的格局强度尺度变化程度由高至低的次序为:岷江冷杉一糙皮桦一白桦群落(Q4)1.84＞云杉-紫果云杉-糙皮桦群落(Q2)1.53＞岷江冷杉群落(Q3)1.14＞紫果云杉-云杉-岷江冷杉群落(Q7)1.10＞华山松群落(Q5)0.99＞岷江冷杉人工林(Q1)0.82＞辽东栎群落(Q6)0.45;群落格局信息维数的差异反映了更新状况的差异,揭示出群落个体分布的非均匀性状况.综合3种分形维数,确定各亚高山寒温性森林群落生长与更新状况的次序为Q4＞Q2＞Q3＞Q7＞Q5＞Q1＞Q6.各群落总体平均记盒维数为1.76,关联维数为1.71,信息维数为1.12;各森林群落生长状况较好,个体聚集程度较低,更新状况一般.分形维数谱将不同森林群落的空间结构特征明确区分开来.     

Accumulation characteristics of heavy metal Pb, Cu, Zn in Wanggang tidal flat based on Renyi theory

The vertical accumulation of heavy metals and the pollution status in Wanggang China tidal flat were studied. The base value of 210Pb in Wanggang area was obtained as 1.16 dpm/g. The fractal theories were led into the quantitative study of pollution issues. The modern average deposition rate in Wanggang area is 4.13 cm/a, according to the ²¹⁰Pb analysis. Through the correlation analysis between heavy metals, it is educed that the Fe, Cu, Pb, Zn and Li have better correlation coefficients in the area. After normalization, the nomalization values of Cu and Zn remain stable in the past 15 years. Cu shifts its value from 0.4 to 2, and Zn from 1.5 to 2.6. The information dimension of the normalized heavy metals is high in the area with loose systematic structure and lower organizational degree. The fractal dimension value of Zn moves from 3 to 6.5 with an average of 4.68; contemporary Cu from 5 to 6.5 with an average of 5.8085. The study shows that the heavy metal distribution in the area is mainly controlled by local geochemistry character with limited contribution from human activities. Meanwhile, the fractal dimension value of Pb normalization is lower, and its fractal dimension varies from 2 to 5.5 with an average of 3.608. Higher levels of self-organization of Pb mean a certain degree of lead contamination.     

Accumulation characteristics of heavy metal Pb, Cu, Zn in Wanggang tidal flat based on Renyi theory

The vertical accumulation of heavy metals and the pollution status in Wanggang China tidal flat were studied. The base value of 210Pb in Wanggang area was obtained as 1.16 dpm/g. The fractal theories were led into the quantitative study of pollution issues. The modern average deposition rate in Wanggang area is 4.13 cm/a, according to the ²¹⁰Pb analysis. Through the correlation analysis between heavy metals, it is educed that the Fe, Cu, Pb, Zn and Li have better correlation coefficients in the area. After normalization, the nomalization values of Cu and Zn remain stable in the past 15 years. Cu shifts its value from 0.4 to 2, and Zn from 1.5 to 2.6. The information dimension of the normalized heavy metals is high in the area with loose systematic structure and lower organizational degree. The fractal dimension value of Zn moves from 3 to 6.5 with an average of 4.68; contemporary Cu from 5 to 6.5 with an average of 5.8085. The study shows that the heavy metal distribution in the area is mainly controlled by local geochemistry character with limited contribution from human activities. Meanwhile, the fractal dimension value of Pb normalization is lower, and its fractal dimension varies from 2 to 5.5 with an average of 3.608. Higher levels of self-organization of Pb mean a certain degree of lead contamination.     

The Quasi-Fractal Structure of Fish Brain Neurons

The box-counting method for calculating the fractal dimension (D) with the ImageJ 1.20s software is used as a tool for quantitative analysis of the neuronal morphology in the fish brain. The fractal dimension was determined for several types of neurons in the brain of two teleost species, Pholidapus dybowskii and Oncorhynchus keta. These results were compared with those obtained for some neurons of the human brain. The fractal (fractional) dimension (D), as a quantitative index of filling of two-dimensional space by the black and white image of a cell, is shown to vary from 1.22 to 1.72 depending on the type of neuron. The fractal dimension reaches its maximum in less specialized neurons that carry out a number of different functions. On the other hand, highly specialized neurons display a relatively low fractal dimension. Thus, the fractal dimension serves as a numerical measure of the spatial complexity of the neuron and correlates with the morphofunctional organization of the cell.     

王港潮滩重金属Pb、Zn和Cu的积累特征

对15a来王港潮滩重金属积累规律和污染状况进行了研究,第1次测到了王港地区210Pb的本底值为1.16dpm/g,校正了前人对王港地区沉积速率的研究。尝试性地把分形理论引入到环境压力的定量研究中。研究表明,王港潮滩现代平均沉积速率为4.13cm/a;从重金属相关性分析得出:王港潮滩Fe、Zn与Li相关系数非常显著,归一化后,Cu、Zn的归一化值在15a内相对稳定,其中Cu的波动范围在0.4～2之间,Zn在1.5～2.6之间狭小的范围内波动。分形回归分析结果表明,王港潮滩重金属Cu、Zn归一化值的信息维数高,系统的结构松散,自组织程度低。Cu的分维值范围在5～6.5,平均值为5.8085,Zn的分维值范围在在3～6.5,平均值为4.68。王港潮滩重金属的人为污染较轻,主要受地球化学元素的控制;同时,Pb的归一化值的分维值较低,其分维值范围在2～5.5,平均值为3.608,自组织程度较高,说明存在一定程度的Pb污染。     

Scale-dependent foraging and patch choice in fractal environments

Many spatially complex environments are fractal, and consumers in these environments face scale-dependent trade-offs between encountering high densities of small resource patches versus low densities of large resource patches. I address the effects of these trade-offs on foraging by incorporating scale-dependent encounter of resources in fractal landscapes into classical optimal foraging theory. This model is then used to predict optimal scales of perception (foraging scale) and patch choice in response to spatial features of landscapes. The model predicts that, for a given density of resources, landscapes with greater extent and fractal dimension and that contain patchy (low fractal dimension) resources favour large foraging scales and specialization on a small proportion of resource patches. Fragmented (low fractal dimension) landscapes of small extent with dispersed (high fractal dimension) resources favour smaller foraging scales and generalists that use a large proportion of available resource patches. These predictions synthesize the results of other spatially explicit consumer–resource models into a simple framework and agree reasonably well with results of several empirical studies. This study thus places optimal foraging theory in a spatial context and suggests evolutionary mechanisms of consumers' responses to important spatial phenomena (e.g. habitat fragmentation, resource aggregation). This revised version was published online in July 2006 with corrections to the Cover Date.     

Fractal dimension of antibody‐PEG precipitate: Light microscopy for the reconstruction of 3D precipitate structures

Protein and in particular antibody precipitation by PEG is a cost‐effective alternative for the first capture step. The 3D structure of precipitates has a large impact on the process parameters for the recovery and dissolution, but current technologies for determination of precipitate structures are either very time consuming (cryo‐TEM) or only generate an average fractal dimension (light scattering). We developed a light microscopy based reconstruction of 3D structures of individual particles with a resolution of 0.1–0.2 µm and used this method to characterize particle populations generated by batch as well as continuous precipitation in different shear stress environments. The resulting precipitate structures show a broad distribution in terms of fractal dimension. While the average fractal dimension is significantly different for batch and continuous precipitation, the distribution is broad and samples overlap significantly. The precipitate flocs were monofractal from micro‐ to nanoscale showing a random but consistent nature of precipitate formation. We showed that the fractal dimension and 3D reconstruction is a valuable tool for characterization of protein precipitate processes. The current switch from batch to continuous manufacturing has to take the 3D structure and population of different protein precipitates into account in their design, engineering, and scale up.     

遗传算法支持下土地利用空间分形特征尺度域的识别

针对土地利用空间分形特征只存在于有限尺度域的现象,采用无标度区内离散点拟合的离差平方和平均值最小作为目标函数,提出了一种基于遗传算法的土地利用空间分形特征尺度域的识别方法,用于准确计算分形维数的有效区间范围。以武汉市武昌区水域空间分形特征为例,利用Quickbird多光谱遥感影像提取土地利用空间信息,重点讨论了基于遗传算法识别土地利用空间分形特征尺度域范围的总体思路、适应度函数和遗传算子等环节;然后分别从测定系数、标准差和无标度区间3个角度,将其同人工判断法、相关系数法以及强化系数法进行对比讨论;并结合研究区域实际的水域空间分布格局,分析不同方法计算所得半径维数的合理性。结果表明,土地利用分形特征尺度域的范围对分形维数计算结果有较大影响;相对于传统计算方法来说,遗传算法在尺度无标度区间识别上具有更高的精度,可以为土地利用空间格局分形特征的研究提供客观指导意见。