植被格局的分形模型：植被格局的分形特征

 目前植被格局研究存在一些问题,分形模型是解决这些问题的有力工具。选择从分枝到景观的各个等级层次上若干有代表性的研究实例进行介绍,给出了尺度、自相似性和分形维数在植被格局研究中的应用方法,说明了分形模型描述植被格局的实用性和优越性。在此基础上提出植被格局的分形机制,认为植被格局是具有自组织特征的分形体。最后对植被格局的分形模型进行了评价,提出研究中需要注意的若干问题以及未来的发展方向。     

兴安落叶松分枝格局的分形特征

对于树木分枝格局分形特征的定量描述,可以加深对树木生长过程的理解。本采用分形几何学对兴安落叶松（Ｌａｒｉｘ ｇｍｅｌｉｎｉ）的分枝格局进行研究,结果表明１）兴安落叶松分枝格局是一种分形结构,存在自相似性。２）兴安落叶松分枝格局的分形维数介于１．４－１．７之间,揭示了它的结构复杂性程度和占据生态空间、利用生态空间的能力。分形维数在树木光合作用及生长发育研究中是一个有用的参数。     

兴安落叶松分枝格局的分形特征

对于树木分枝格局分形特征的定量描述 ,可以加深对树木生长过程的理解。本文采用分形几何学对兴安落叶松 (Larixgmelini)的分枝格局进行研究 ,结果表明 1 )兴安落叶松分枝格局是一种分形结构 ,存在自相似性。 2 )兴安落叶松分枝格局的分形维数介于 1 .4～ 1 .7之间 ,揭示了它的结构复杂性程度和占据生态空间、利用生态空间的能力。分形维数在树木光合作用及生长发育研究中是一个有用的参数。     

仿酶研究的分形（Fractal）原理

分形理论是近十年发展起来的一门新的数学分支,其研究对象是自然界中复杂无规但具有自相似性或自仿射性的现象和体系。本文简单介绍了分形理论,并将其用于酶模型的研究中,求出了卟啉、环糊精、杯芳烃及胶束的分形维数.     

浑善达克沙地小叶锦鸡儿灌丛的空间异质性

豆科锦鸡儿属(C arag ana)植物因其可以生物固氮而在草原生态系统中具有特殊的地位。定量分析小叶锦鸡儿(C arag anam icrophy lla)灌丛在浑善达克沙地不同生境条件下的分布格局,有助于理解植被与土壤养分循环之间的关系和合理制定退化沙地的恢复对策。采用地统计学中的半方差分析和分形分析两种方法研究了浑善达克沙地小叶锦鸡儿灌丛的空间分布格局,分析了不同生境中小叶锦鸡儿灌丛的植被、土壤水分和养分间的相关性。结果表明:(1)小叶锦鸡儿灌丛在3种生境条件下(滩地、固定沙丘和半固定沙丘)的盖度、土壤有机质和全氮的空间分布符合球状模型,空间自相关显著;(2)土壤pH值在滩地和固定沙丘的空间分布符合球状模型且空间自相关显著,但在半固定沙丘空间自相关不显著;(3)土壤水分在3种生境中的空间分布都符合线性模型,空间自相关显著。(4)植被的变异尺度(变程)小于各个土壤要素的变异尺度。植被(小叶锦鸡儿灌丛)的分布和形成过程决定了土壤养分的分布和形成过程。当地的小叶锦鸡儿灌丛在养分“沃岛”现象的形成中起了重要作用,合理的利用和布局当地的小叶锦鸡儿灌丛的分布,可以更加有效地补充草地生态系统的养分,从而有利于加快生态系统的恢复进程。     

干旱半干旱区斑块状植被格局形成模拟研究进展

斑块状植被格局是世界上干旱半干旱区常见的景观类型,它们的形成、组成结构和演替过程研究,对于揭示区域生态系统变化的关键过程具有重要意义。鉴于基于地面调查和遥感技术的方法难以全面刻画斑块状植被格局的形成过程及机制,借助于模型模拟成为解决这一问题的有效方法。自20世纪90年代初至今,斑块状植被格局形成的连续和离散模拟研究不断涌现,然而,连续模拟侧重于植被格局形成的一般机理,缺乏与现实格局的对比和验证,离散模拟单元选择与规则制定等仍需不断研究。在简要回顾斑块状格局形成的反馈机制基础上,重点综述了斑块状植被格局形成的连续和离散模拟的最新研究进展,并指出了现有研究的不足。干旱半干旱区小尺度上植物和水的反馈作用决定了大尺度的斑块状植被格局,充分揭示植被-土壤水分相互作用机理是模型模拟研究的关键,放牧强度和降水格局等外部环境对干旱半干旱区斑块状植被格局特征具有重要影响。在未来研究中,应加强模型模拟结果与实际观测的植被格局比较和验证,重视局域环境条件、生态系统功能在模型中的表达,构建综合连续和离散模型各自优点的混合模型,注重斑块状植被格局形成过程中的标准子模型及模型开发和集成平台的研发,同时强调面向格局模拟和构建空间显式的斑块状植被格局形成模型。     

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。     

不同光照条件下假俭草生长格局的分形研究

应用分形几何的原理和方法,研究不同光照条件下假俭草的生长格局。结果表明,假俭草具有自相似性的生长过程。不同光照条件下,假俭草具有不同的分形维数和相应的生物量积累规律。生物量积累速率随着分形维数的增大而增大。分形维数同时反映了假俭草的分枝能力和对空间的占据能力。假俭草种群具有依据外界条件而调节生长格局的生态适应能力。     

天目山物种多样性尺度依赖及其与空间格局关系的多重分形

以浙江省天目山国家级自然保护区为例,采用多尺度分析思想,利用多重分形分析方法,研究了不同尺度下物种多样性的变化、空间分布格局以及多样性与空间格局之间的关系。研究主要得到3方面的结论：（1）物种多样性具有尺度依赖性,随着空间尺度的增大,Shannon-Wiener多样性指数Ⅳ增大,Margalef多样性指数足和均匀度指数E减小;（2）多重分形参数αmin。多重分形谱的变化范围SR等能够定量反映物种的空间分布特征,空间大尺度越大,物种越聚集,空间分布越不均匀;（3）物种多样性与空间格局存在线性或幂函数关系。研究表明多重分形分析定量描述物种空间格局是有效性的,多重分形参数与生物多样性之间的定量关系为研究物种空间格局、生态属性与尺度之间的关系奠定了基础。因此,分形结合传统方法,在生物多样性方面的研究将有很大的潜在价值。     

干旱地区山地荒漠草原阴坡植物群落空间异质性

在样线调查基础上 ,以 Shannon- Wiener指数 ,群落盖度 ,DCA排序轴为区域化随机变量 ,应用半方差、分形分析等方法 ,对干旱地区山坡植物群落空间异质性进行了研究。结果表明 ,在整个山坡尺度上植被格局的空间异质性不大 ,小尺度上植被格局的空间异质性较大 ,尺度依赖性较强 ,不同群落类型的空间格局不同 ,随尺度变化的规律也不一样。严重放牧干扰强烈影响干旱山地植物群落的空间格局 ,生境中的牧道格局 ,斑块格局使山坡植物群落多样性空间异质性更加复杂 ,牧道效应是导致群落空间格局周期性振荡的重要因子。去势对应分析 (DCA)排序第一轴特征值体现了综合生态因子对群落格局作用的结果 ,DCA第二轴半方差变化包含了大量信息 ,其变化具有周期性。群落多样性空间格局强烈影响着干旱山地生态系统的各种生态学过程 ,这些作用机制有待进一步研究     

放牧和刈割条件下草山草坡群落空间异质性分析

采用变异矩分析和分形方法,研究了草山草坡群落在放牧和刈割条件下的空间异质性及空间自相关性,结果表明,群落空间格局有尺度依赖性,刈割条件下空物异质性及空间相关性弱,多样性梯度即β多样性小,放牧消除地形引起的样地差异,因而使空间异质性简单化。     

地统计学在水生植物群落格局研究中的应用

为了研究水生植物群落的镶嵌分布格局和随着尺度变化的空间特征,应用地统计学中半方差法、半方差理论模型和分形理论,研究了湖北省保安湖沿岸带水生植物群落分布格局,在沿岸带设置了一个160m×160m的方形样方,采用覆盖法将整个样方划分为32×32个格子,记录各格子内出现的物种数,格子内如果有某物种,则将该格子对应的区域化随机变量赋值为1,否则赋值为0。另将群落各格内区域化随机变量赋值为各物种在该采样点随机变量值的总和,运用地统计软件GS+for Windows分析苦草、狐尾藻、金鱼藻和群落的32×32格随机变量表,计算得到它们各向同性模型和不同方向上的分维,从苦草和狐尾藻的各向同性指数模型来看,它们属于聚集性分布,其空间结构比率较高,这表明在小尺度上它们变化较小;从金鱼藻和群落的各向同性线性模型来看,属于中等程度的聚集分布,其空间结构比率很低,这表明它们在小尺度上变化较大。从各向异性模型来看,群落优势种的分维值都较高,说明在调查的群落内,各物种分布比较均匀,根据确定系数判定群落格局的优势方向是西北—东南,与其他群落格局分析方法相比较,该方法在确定群落组分空间依赖范围和相关性大小。以及区分聚集强度上具有一定优势,为定量描述不同尺度下的水生植物群落特征提供了一个新途径。     

放牧和围封条件下羊草碱化草地中斑发布格局研究

应用分形方法对松嫩平原羊草碱化划地中斑块分布格局进行定量估计,分析了放牧干扰和围封条件下斑块分布特征及动态。结果表明：随放牧强度增加,羊草斑块的斑块化指数增大,斑块面积范围的上下限变小,分布趋于破碎化和不均匀,斑块公布格局趋于复杂,自相似规律发生转折的尺度增多。围封后,１９８９～１９９３年羊草斑块总面积增加,斑块数目减少,斑块化指数降低,１９９４年后羊草斑块分布格局基本稳定。羊草斑块分布的双对数曲     

Modelling applicability of fractal analysis to efficiency of soil exploration by roots

BACKGROUND AND AIMS: Fractal analysis allows calculation of fractal dimension, fractal abundance and lacunarity. Fractal analysis of plant roots has revealed correlations of fractal dimension with age, topology or genotypic variation, while fractal abundance has been associated with root length. Lacunarity is associated with heterogeneity of distribution, and has yet to be utilized in analysis of roots. In this study, fractal analysis was applied to the study of root architecture and acquisition of diffusion-limited nutrients. The hypothesis that soil depletion and root competition are more closely correlated with a combination of fractal parameters than by any one alone was tested. MODEL: The geometric simulation model SimRoot was used to dynamically model roots of various architectures growing for up to 16 d in three soil types with contrasting nutrient mobility. Fractal parameters were calculated for whole roots, projections of roots and vertical slices of roots taken at 0, 2.5 and 5 cm from the root origin. Nutrient depletion volumes, competition volumes, and relative competition were regressed against fractal parameters and root length. KEY RESULTS: Root length was correlated with depletion volume, competition volume and relative competition at all times. In analysis of three-dimensional, projected roots and 0 cm slices, log(fractal abundance) was highly correlated with log(depletion volume) when times were pooled. Other than this, multiple regression yielded better correlations than regression with single fractal parameters. Correlations decreased with age of roots and distance of vertical slices from the root origin. Field data were also examined to see if fractal dimension, fractal abundance and lacunarity can be used to distinguish common bean genotypes in field situations. There were significant differences in fractal dimension and fractal abundance, but not in lacunarity. CONCLUSIONS: These results suggest that applying fractal analysis to research of soil exploration by root systems should include fractal abundance, and possibly lacunarity, along with fractal dimension.     

保安湖-湖湾大型水生植物群落格局的研究

用地质统计学中的半方差和双对数半方差图对保安湖－湖湾（黄风口）的大型水生植物群落格局进行了研究,在不同的尺度上对群落及其主要组成种类的空间异质性进行了定量的描述。结果表明：保安湖黄风口大型水生植物群落的双对数半方差图存在线性区域,群落具有分形特征（自相似性）。在不同的尺度下,群落和各组成种类空间格局具有不同的分形维数值,异质性程度存在差异。但其异质性程度不高,建议进行群落调查时,样方尺度应取５２０     

后河自然保护区珍稀濒危植物种群分布格局的分形特征：计盒维数

通过4种优势树种和7种珍稀树种种群的计盒维数来反映种群分布格局的分形特征．结果表明,4种优势种群的计盒维数在1．346—1．414之间,在历研究的整个常绿落叶阔叶混交林群落中占据了较大的生态空间;其中尖连蕊茶种群的计盒维数最大,占据最大的生态空间．而7种珍稀树种种群的计量续数除了金钱槭种群大于1之外,其余6个种群的计盒维数都小于1,说明它们占据生态空间的能力较小．并且这11个种群的拐点尺度都出现在5—12．5m之间．根据分形的自相似性,可以推断种群在大于拐点尺度的所有尺度上都为同一分布类型,并且在拐点前后种群的格局类型夏发生变化．种群分布格局的判定结果部分地验证了这一观点,11个物种中有5个物种的种群格局在拐点前后发生变化,另6种没有发生这种变化。     

放牧和水淹干扰对松嫩平原碱化草地空间格局影响的分形分析

对东北松嫩平原碱化草地植物群落空间格局的分形性质进行了分析,分别用边长面积指数和Ｋｏｒｃａｋ相对斑块化指数估计了斑块边界复杂性和斑块面积大小频率分布格局。结果表明：随放牧强度增加,占优势的羊草（Ｌｅｙｍｕｓｃｈｉｎｅｎｓｉｓ（Ｔｒｉｎ．）Ｔｚｒｅｌ）斑块的斑块化加剧,而斑块的边界在中度放牧时最不规则;在水淹地,占优势的羊草斑块和次优势的碱茅（Ｐｕｃｉｎｅｌｉａｓｐｐ．）斑块、獐茅（Ａｅｌｕｒｏｐｕｓｌｉｔｏｒａｌｉｓ（Ｇｏｕａｎ）Ｐａｒｌ．ｖａｒ．ｓｉｎｅｎｓｉｓＤｅｂｅａｕｘ）斑块的斑块边界复杂性和斑块化程度比未水淹地都低,说明水淹降低了群落复合体内的异质性;在水淹地,优势斑块的边长面积指数和Ｋｏｒｃａｋ指数均低于次优势种,但在重度放牧地结果正好相反,可能是由于两种样地处于不同的演替阶段;而且,斑块边界复杂性符合同一尺度规律,在现有的面积范围内没有尺度转换,斑块面积大小的频率分布格局则存在尺度转换点。     

三峡库区次生柏木林中物种分布格局的分形特征

应用非线性科学中的分形几何理论,以三峡库区一移民安置示范区次生柏木林为对象,研究该群落中物种在中、小尺度上水平分布格局的分形特征,主要应用计盒维数计算群落中一些重要物种分布格局的分维值,如柏木为１ ．５８８ ,地枇杷为１ ．６１７ ,莎草为１ ．６２７ ．得到的结果与用经典群落分析方法所得结果相符,表明分维计算在本研究中是一种有效的手段;对一些物种分布分维值的进一步分析还能说明人类活动对物种分布格局或空间占有程度的影响     

北京地区植被景观斑块形状的分形分析

 借助GIS软件ARC／INFO、利用分形理论对北京地区的植被景观进行了分析,并对各种类型不同尺度上的斑块复杂性以及可能的尺度域进行了评价。结果表明：计算分维的两种方法得到的结果具有很强的正线性相关性,分维与平均斑块面积也呈显著的正相关;并且大多数相近类型(即同一大类内的各类型)斑块的分维也相近。本研究还识别出两个尺度域,一个是斑块面积小于2.7km2(大约),另一个是斑块面积大于2.7km2(大约)。后一个域中的斑块明显比前一个域中的斑块复杂。出现这种现象的原因主要是由于大斑块经常出现不同类型的斑块相互嵌套,而小斑块则很少出现甚至不出现这种现象。