基于图象处理方法的牧草根系分形维数估算

应用图象处理方法,给出了根系分形维数估计的网格计数法,得到了相应的算法,同时用Java实现了该算法,为根系研究提供了一种新的思路和方法.在此基础之上,计算了多年生黑麦草(Lolium perenne L.)根系的分形维数,与实测数据基本吻合,此方法可用于多种植物根系的分形维数计算.     

践踏和降水对环县典型草原土壤颗粒分维特征的影响

采用试验践踏与模拟降水控制试验,对16个不同试验组合样区表土(0~15 cm)质地的机械组成进行分析,结果表明,随着践踏强度增加,土壤颗粒表现出不同程度的粗化趋势,降水具有双向调节的作用。利用分形模型计算了土壤粒径分形维数,计算结果表明,分形维数指标与践踏强度呈负相关关系。但分形维数递减幅度与模拟降水处理水平相关,在模拟降水处理水平依次为干旱、自然降水、平水、丰水时,粒径分形维数递减幅度依次为4.33%,2.61%,1.34%和1.23%。降水与践踏的匹配关系,对形成确定的分形维数具有决定性作用。由于具有较高分形维数的土壤更易发生放牧侵蚀,若管理不善则会发展为荒漠化。因此,在此种意义上来说,土壤分形维数的测算对进一步研究放牧侵蚀机理和荒漠化形成过程可能具有推动作用。     

颗粒分维特征的影响

采用试验践踏与模拟降水控制试验，对１６个不同试验组合样区表土（０～１５ｃｍ）质地的机械组成进行分析，结果表明，随着践踏强度增加，土壤颗粒表现出不同程度的粗化趋势，降水具有双向调节的作用。利用分形模型计算了土壤粒径分形维数，计算结果表明，分形维数指标与践踏强度呈负相关关系。但分形维数递减幅度与模拟降水处理水平相关，在模拟降水处理水平依次为干旱、自然降水、平水、丰水时，粒径分形维数递减幅度依次为４．３３％，２．６１％，1.34和1.23％。降水与践踏的匹配关系，对形成确定的分形维数具有决定性作用。由于具有较高分形维数的土壤更易发生放牧侵蚀，若管理不善则会发展为荒漠化。因此，在此种意义上来说，土壤分形维数的测算对进一步研究放牧侵蚀机理和荒漠化形成过程可能具有推动作用。     

分形理论在草地科学中的应用概述

分形理论是非线性科学的一个重要分支,是科学研究中一种重要的数学工具和手段,分形理论的引入给解释和解决草地科学领域出现的一些复杂问题提供了一种新的思路和方法。其中根系形态的分形维数能反映根系的分支结构;土壤的分形与植被恢复年限(或退化程度)、土壤质地、土壤理化性质有密切关系;斑块的分形是景观破碎化和景观格局的重要指标,可以解译斑块演替过程;同时,分形能较好地反映群落多样性和均匀度的空间分布格局,有效分析尺度依赖问题;遥感信息的收集和遥感图像处理应用分形理论可提高精度;此外,根据动物觅食路径的分维和植被空间结构的分维来确定动物活动和载畜量可以提高草地利用率。然而,有关分形在草地科学中的应用研究多停留在分形指标的计算上且实用性较差,实践探索基于分形的元胞自动机来模拟三江源区草地秃斑块动态的真实性与准确性及分形理论综合集成研究或将成为草地科学新的研究领域。     

北疆退化荒漠草地土壤颗粒的分形特征

研究了新疆北部退化荒漠草地土壤颗粒的分形特征,探讨了土壤颗粒分形维数与土壤理化性质的关系。结果表明,该退化草地土壤颗粒的分形维数在2．316～2．753,随着草地退化程度加剧,土壤黏粒含量增高,分形维数逐渐增大。表层土壤的分形维数与粉粒含量呈极显著负相关,与黏粒含量显著正相关。土壤颗粒的分形维数与土壤物理性质没有相关性。由于土壤表层（0～10cm）受放牧影响较大,致使其化学性质与土壤颗粒的分形维数没有相关性。土壤颗粒的分形维数与土壤下层（10-30cm）的全磷、pH值、全钾和速效钾含量显著正相关。土壤颗粒的分形维数的变化在一定程度上能够很好地表征退化草地土壤的理化性质的变化趋势,可以作为评价退化草地土壤性状的一个综合指标。     

一种基于多重分形特性检测海面弱目标的新方法

本文分析计算了海杂波的分形维数及多重分形特性。在此基础上,从时间和空间上综合考虑,利用杂波包含与不包含目标时多重分形谱的差别,提出一种新的检测方法。对实测数据的分析表明该方法是有效的,并且具有较小的计算量,为海杂波背景下的目标检测提供了一条新的思路和有效手段。     

草地开发与保护过程中土壤颗粒分形特征

为加强草地土壤修复状况的定量化表征,以毛乌素沙区天然草地与人工灌溉饲草料地为研究对象,对开发与保护过程中土壤理化性状变化及其与颗粒分形维数的关系进行了研究,结果表明,不同土壤分形维数为2.352.54;人工草地沙粒含量、分形维数大于天然草地,有机质含量小于天然草地。研究认为,土壤颗粒含量分形维数与粘粉粒、有机质含量呈正相关关系,与沙粒含量呈负相关关系,土壤颗粒分形维数能够定量表征土壤颗粒性状变化,可作为评价沙、退化草地土壤退化程度的定量综合指标。     

黄土丘陵区不同恢复年限草地土壤微团粒分形特征

运用分形理论研究黄土丘陵区不同恢复年限草地土壤微团粒的粒径组成、分形维数特征及与土壤理化性质关系,使分形学在土壤微团粒性状与土壤肥力特征研究中得到进一步应用,并为评价草地生态系统土壤特征及生态恢复提供新方法。结果表明:表土层分形维数随植被恢复年限的增加而减少;剖面土壤沙粒含量越高,微团粒分形维数越低,粘粒规律相反,而粉粒与分形维数相关性不显著;土壤质地由粗到细使得分形维数由小到大变化;分形维数也可有效地表征不同植被恢复年限的草地土壤结构和养分的变化趋势;分形维数与土壤容重、非活性孔度、全磷、速效钾及氨态氮之间存在正相关性,与土壤活性孔度、孔隙比、有机质、全氮、碱解氮及硝态氮表现出负相关。     

泥石流频发区不同土地利用类型下土壤分形维数与理化性质的关联度

为综合评价泥石流频发区不同土地利用类型下土壤的结构稳定性,本研究以蒋家沟为例,选取耕地、草地、林地为研究对象,裸地作为参照,基于分形理论分析了不同土地利用类型下土壤的分形特征,利用主成分分析方法,分析了影响土壤结构稳定性的主要影响因子,同时利用关联耦合度方法构建了土壤分形维数与理化性质间的耦合模型。结果表明,不同土地利用类型下土壤的分形维数介于2.71～2.75,0.5～2 mm土壤颗粒含量决定了不同土地利用类型下土壤的分形维数;土壤颗粒的分形维数与土壤碱解氮、容重、有机质含量显著相关,两者之间属于中等关联,土壤理化性质对分形维数的影响大小依次为容重>碱解氮>有机质;分形维数与理化指标的系统耦合度属于弱协调,未达到最佳状态;不同土地利用类型的系统耦合协调程度按大小排序为林地>草地>耕地>裸地。研究结果表明,增加植被覆盖和减少人为扰动有利于稳定的土壤结构形成。研究结论可以为流域植被恢复及土壤结构特征描述提供一定的理论依据。     

不同利用方式土壤颗粒分形特征及其与土壤有机碳库稳定性的关系

本文研究了不同利用方式下巴音布鲁克高寒草原0~50 cm土层土壤颗粒组成及其分形特征与土壤有机碳库活度的关系。结果表明:该区土壤颗粒以粉粒为主,分形维数分布在2.675~2.845之间,与0.05 mm粒径关系密切。长期封育和重度放牧分形维数随土层加深而降低,且与碳库活度显著相关;短期封育和中度放牧分形维数变化小,与碳库活度无显著相关性。     

分形理论在公路网规划评价中的应用

本文通过对公路网规划评价指标、分形和分形维数的研究,阐述了分形理论用于路网评价的可行性,将分形理论应用于区域路网的覆盖性评价,取得较好效果,由此得出,分形理论在路网覆盖性评价方面是简单、操作可行的一种评价方法。     

城市日用水量的分形特征

为了解决城市基础设施建设过程中,用水量指标无规范可依、无定额可查的局面,本文基于城市日用水量的周期性和自相似性的特点,运用分形理论,计算出了城市日用水量的分形维数为3.33,能够为城市供水优化调度提供决策支持。     

绿洲分布比例的分形研究

天然绿洲是绿洲系统不可或缺的组成要素,它的存在与否对人工绿洲生态环境的稳定和可持续发展有重要影响。以人工绿洲占整个绿洲面积的百分比(PAO)量化人工绿洲与天然绿洲的分布比例,在新疆全自治区87个县(市)绿洲景观统计资料的基础上,利用分形理论分析了PAO的分布特征。得到以下结果:1)PAO的分布具有分形的特征,其分形维数可看作绿洲演化的动态参数。随着绿洲演化的发展,PAO的分维值逐步减小;2)建立了PAO的分形维数与期望之间的函数关系,由此得到PAO分形维数的范围为0~1.708,PAO期望的范围为0~85.02%,即预留的天然绿洲的面积最少应在15%左右;3)现阶段新疆自治区绿洲PAO的分形维数为0.537,PAO的期望为53.5%,说明新疆人工绿洲的开发还有一定的潜在空间,但须与天然绿洲协调、谨慎的发展。     

宁夏引黄灌区水肥耦合对苜蓿地土壤分形特征和养分的影响

为了探究不同水肥处理下苜蓿（Medicago sativa L.）地土壤颗粒分形特征和养分变化规律,以连续4年进行4个灌水梯度（W₁,W₂,W₃,W₄）和5个施肥梯度（F₁,F₂,F₃,F₄,F₅）的苜蓿地为研究对象,测定不同水肥处理下土壤颗粒组成和养分指标,运用分形理论计算分形维数,结果表明：灌水和施肥量对土壤分形特征和养分含量均影响显著,且水肥交互作用显著。在0~60 cm土层,黏、粉粒含量和分形维数随灌水量的增加呈先增后减的趋势,砂粒含量呈先减后增的趋势;黏、粉粒含量和分形维数随施肥量的增加呈先减后增的趋势,砂粒含量反之;不同灌水和施肥量对土壤养分含量影响不同。当灌溉量为6 000 m³·hm^-2,施肥量为585 kg·hm^-2时,土壤结构较为稳定。土壤颗粒分形维数与黏粒、粉粒和碱解氮含量呈显著正相关,而与砂粒含量呈显著负相关。     

放牧强度对荒漠草原建群种短花针茅空间分布异向性的影响

以荒漠草原建群种短花针茅为对象,采用半方差函数和分形维数分析研究放牧强度对其空间分布异向性的影响。结果表明:在0°、45°和90°方位上,放牧导致短花针茅在样地方位内总的空间变异性加大,且在0°和90°方位上随放牧强度增加而增大;在135°方位上,放牧使短花针茅空间分布趋于均匀化。0°方位上短花针茅空间分布分形维数随着放牧强度的增加而减小,45°方位上只有LG区的分形维数高于CK区,在90°和135°方位上,放牧区的分形维数高于CK区。     

浑善达克沙地3种灌木土壤分形特征与养分关系

以浑善达克沙地广泛分布的3种典型荒漠草原灌木柄扁桃、小叶锦鸡儿和狭叶锦鸡儿灌丛下土壤为研究对象,测定分析3种灌丛下0～60 cm土层深度的土壤颗粒机械组成、土壤体积分形维数和土壤养分含量的垂直分布特征,探讨草原灌丛化后土壤分形特征与土壤肥力的关系,揭示灌丛植被在荒漠草原的生存与扩散机制。结果表明,3种典型灌丛形态结构存在差异,拦截风沙流后沉积在灌丛下的土壤粒度特征不同,其中粘粉沙体积含量和分形维数在不同物种间差异显著(P0.05)。土壤分形维数表现为小叶锦鸡儿(2.346)狭叶锦鸡儿(2.259)柄扁桃(2.149)裸沙地(2.057);土壤分形维数主要由粒径小于0.25 mm的粘粉沙(0.05 mm)、极细沙(0.05～0.1 mm)和细沙(0.1～0.25 mm)体积百分含量决定,其中0.1 mm粒径是决定研究区灌丛下土壤分形维数的临界粒径,即小于该粒径的粘粉沙、极细沙含量越多,土壤分形维数越高。灌丛下土壤有机质和全氮含量与土壤分形维数存在极显著正相关关系(P0.01);土壤有机质含量随土层深度增加而递减,全氮和全磷含量随土层波动性较强,不同物种间土壤有机质和全氮含量差异显著(P0.05),而全磷含量差异不显著。灌丛覆盖的土壤结构和肥力均较裸沙地有明显改善,不同物种改良土壤的效果依次为小叶锦鸡儿狭叶锦鸡儿柄扁桃。     

川西北沙化草地7种牧草根系构型及根鞘特征分析

以川西北沙化草地7种禾本科牧草为研究对象,通过测定并分析牧草根系的几何形态指标、分形维数、拓扑指数和根鞘重,探讨了影响根系构型和根鞘重的主要根系形态因子,确定了牧草根系的综合评分。结果表明:(1)根表面积、总根长和分叉数是影响供试牧草根系构型的主要几何形态指标,决定了牧草根系的空间分布属性;(2)7种牧草的根系拓扑指数都接近于1,属于鱼尾形分支模型;根系的综合得分大小顺序依次为糙毛以礼草>赖草>垂穗披碱草>冷地早熟禾>■草>草地早熟禾>紫羊茅;(3)7种供试牧草的根平均连接长度、根体积、根平均直径是影响根鞘重的3个根系形态指标。糙毛以礼草、赖草和垂穗披碱草的根系空间分布更适宜于川西北高寒沙化草地的生境条件,具有更好的生态适应性,可以作为当地沙化草地治理的主要草种来利用。     

基于分形维数的放牧地秃斑特征提取方法及其应用

通过野外数码成像获得放牧地秃斑图像,运用地理信息系统软件(ArcView GIS 3.2a)计算其面积、周长,以此为基础计算放牧地秃斑的形状指数及分形维数。运用该方法对放牧地秃斑的特征进行了实地测量,结果显示退化高寒嵩草草甸上放牧地秃斑具有典型的分形特征,形状指数和分维数分别为1.8和1.1,在形状指数相对变化率<5%和分维数相对变化率<0.5%的条件下,退化高寒嵩草草甸上放牧地典型秃斑沿边界走向最少插入点数为120。此方法具有快速、准确测定的特征,具有良好的实用性和可操作性。该方法的引入给解释放牧地秃斑出现的一些复杂问题提供了全新的技术途径,或将成为放牧生态学研究的创新性研究方法。     

浑善达克沙地3种灌木土壤分形特征与养分关系

以浑善达克沙地广泛分布的3种典型荒漠草原灌木柄扁桃、小叶锦鸡儿和狭叶锦鸡儿灌丛下土壤为研究对象,测定分析3种灌丛下0~60 cm土层深度的土壤颗粒机械组成、土壤体积分形维数和土壤养分含量的垂直分布特征,探讨草原灌丛化后土壤分形特征与土壤肥力的关系,揭示灌丛植被在荒漠草原的生存与扩散机制。结果表明,3种典型灌丛形态结构存在差异,拦截风沙流后沉积在灌丛下的土壤粒度特征不同,其中粘粉沙体积含量和分形维数在不同物种间差异显著(P<0.05)。土壤分形维数表现为小叶锦鸡儿(2.346)>狭叶锦鸡儿(2.259)>柄扁桃(2.149)>裸沙地(2.057);土壤分形维数主要由粒径小于0.25 mm的粘粉沙(<0.05 mm)、极细沙(0.05~0.1 mm)和细沙(0.1~0.25 mm)体积百分含量决定,其中0.1 mm粒径是决定研究区灌丛下土壤分形维数的临界粒径,即小于该粒径的粘粉沙、极细沙含量越多,土壤分形维数越高。灌丛下土壤有机质和全氮含量与土壤分形维数存在极显著正相关关系(P<0.01);土壤有机质含量随土层深度增加而递减,全氮和全磷含量随土层波动性较强,不同物种间土壤有机质和全氮含量差异显著(P<0.05),而全磷含量差异不显著。灌丛覆盖的土壤结构和肥力均较裸沙地有明显改善,不同物种改良土壤的效果依次为小叶锦鸡儿>狭叶锦鸡儿>柄扁桃。     

喀斯特山区不同草地土壤结构及分形特征

以喀斯特区域不同草地生态恢复阶段为研究对象,采用时空互代法对喀斯特山区耕地、退耕还草地、草地、林草间作地的土壤颗粒、团聚体、微团聚体粒径分布及分形维数进行研究,并分析分形维数与土壤理化性质的相互关系。结果表明,在石漠化恢复过程中,粗粒径微团聚体、团聚体含量随生态的不断恢复而增加,细粒径含量降低,但土壤机械组成与之相反。0～10 cm土层土壤微团聚体平均重量直径(MWD)表现为林草间作地、草地耕地退耕还草地,退耕还草地显著低于其他草地类型,分别比林草间作地、草地、耕地低0.15、0.15和0.11 mm;团聚状况在10～20 cm下均表现为草地林草间作地耕地退耕还草地,其中退耕还草地显著低于林草间作地和草地,分别低8.26%和13.18%;土壤结构特征表明退耕还草地结构最弱。生态恢复过程中,土壤微团聚体和团聚体的分形维数从大到小依次为退耕还草地耕地林草间作地草地,土壤颗粒分形维数从大到小依次为草地林草间作地耕地退耕还草地,表明喀斯特山区土壤结构随生态恢复而逐渐变好,土壤分形维数一定程度上能反映喀斯特石漠化区域生态恢复的过程与特征。同时喀斯特地区土壤分形维数与其理化性质存在较好的相关性,微团聚体及团聚体分形维数能够较好的表征土壤结构及抗蚀能力的强弱。在石漠化区域生态恢复与石漠化治理过程中,通过人工调控措施,缩短退耕还草阶段,加快草地等植被覆盖度的增加,能有效减少水土流失,改善该区生态环境。