短花针茅荒漠草原建群种空间分布的多重分形研究

短花针茅荒漠草原建群种和优势种不仅具有相对较高的地上现存量,也具有特定且复杂的空间分布区域,其在维护草地植物群落结构和功能的稳定具有重要作用。为探讨建群种空间分布特点及其随放牧强度的变化规律,引入多重分形理论,揭示短花针茅荒漠草原主要植物种群空间分布形式、生态位变化和种内个体关系。结果表明:建群种短花针茅在各放牧强度处理的空间分布均存在特有的多重分形特征。短花针茅空间分布主要受低密度分布区影响,随放牧强度的增加,高密度分布区的作用在加强,其生态位宽度增加,空间分布均匀性增大,个体间的竞争强度增加。多重分形不仅可用于植物种群空间分布研究,其在揭示不同植物种空间分布特异性的同时,能够给出较为丰富的种群生态学信息。     

吴起县退耕还林样地土壤粒径分布的单一和多重分形特征

利用马尔文2000激光粒度分析仪测定土壤粒级体积百分含量,并利用分形理论研究土壤颗粒组成的单一和多重分形特征,以说明陕西省黄土丘陵沟壑区退耕还林工程在减少土壤流失方面的作用。结果表明:荒地和林地土壤黏粒、粉粒体积分数和分形维数(D值)较梯田高,而砂粒体积分数较低。D与黏粒和粉粒体积分数极显著正相关,而与砂粒体积分数极显著负相关。土壤有机质含量与<0.05mm和0.05-1mm体积分数分别存在明显的正相关和负相关关系;与多重分形中的Dq(q≤0)和D1/D0不相关,与Dq(q≥1)显著负相关。林地和荒地土壤粒径分布的Rényi维数谱较梯田土壤的宽。退耕还林还草可使土壤细颗粒物质含量和分形维数增大。在该研究区,土壤细颗粒物质含量和单一分形维数可作为土壤物理性质改善的指标,而Rényi维数谱的相关指标还需进一步提取。     

西北农林科技大学资源环境学院，陕西 杨凌 712100

在宁夏固原上黄试验区，对灌木林地、农地、天然草地、果园和人工草地5种利用方式土壤的化学性质、颗粒组成与其分形特征之间的关系进行了分析和研究。结果表明：①土壤砂粒含量与土壤分形维数存在一定的相关性；粘粒含量与土壤分形维数表现出极显著正相关，即粘粒含量越高其分形维数越大；②灌木林地随着种植年限的增长，粘粒含量增多，分形维数也增加；而果园随种植年限的增长，粘粒含量减少，分形维数降低；不同利用方式土壤颗粒分形维数变化趋势为天然草地〉农地〉灌木林地〉果园〉人工草地；③影响土壤颗粒分形维数的因素主要有砂粒含量、粘粒含量以及阳离子交换量等，土壤粘粒含量、颗粒分形维数及阳离子交换量三者存在极显著相关，土壤颗粒组成的分形维数可以作为表明土壤发育状况的一个重要指标。     

哈巴湖国家级自然保护区固沙林地土壤颗粒分形特征

为科学评价植被恢复促进沙漠化逆转对土壤质地的影响,以流动沙地(CK)、黑沙蒿林地(AF)、杨树林地(PF)及沙柳林地(SF)荒漠生态系统为研究对象,分析不同固沙林地土壤颗粒组成、土壤养分特征及其相关性。结果表明:固沙林地土壤颗粒组成主要以50～250μm的细沙粒为主,AF显著提高了0～10 cm土层土壤黏粉粒含量和土壤颗粒体积分形维数(P0.01),分形维数表现为AFPFCKSF,各固沙林地间分形维数差异极显著(P0.01);相关性分析表明,黏粉粒含量越高,分形维数越大,土壤物理稳定性越好;分形维数与土壤有机质、全氮和全磷含量极显著正相关,与细砂粒体积百分比极显著负相关,土壤颗粒分形维数D值每增加1,土壤有机质、全氮和全磷含量分别增加2.80、0.13 g·kg~(-1)和0.10 g·kg~(-1)。分形维数可以作为表征人工林固沙后沙丘土壤质地变化和沙丘土壤环境演变的敏感性综合指标。     

内蒙古河套灌区不同土层有机质空间变异的分形

以内蒙古河套灌区解放闸灌域为研究对象,以区域内间隔4 km等间距112个取样点共448个样本为基础,通过多重分形及联合多重分形方法,对有机质含量在不同土层(0~20 cm、20~40 cm、40~70 cm与70~100cm)的空间变异特性及其相互关系进行研究。结果显示,有机质含量0~20 cm至70~100 cm土层的多重分形谱宽度依次为0.933、0.795、0.824、0.805,即在0~20 cm土层空间变异性最大,而20~40 cm土层空间变异性最小。不同土层多重分形谱曲线均表现为左钩状(Δf0),表明在灌域内土壤有机质的空间分布中,数值较大的数据占主导地位。同时从土壤表层到埋深1 m处D(1)/D(0)依次为0.983、0.980、0.973、0.965,其值逐渐减小,即空间分布逐渐由密集区域向稀疏区域转化。联合多重分形分析表明0~20 cm土层与20~40 cm、40~70 cm土层空间变异相关程度较高,而与70~100 cm土层空间变异相关程度较低。     

沙漠化逆转过程中土壤颗粒分形维数的变化特征——以宁夏盐池县为例

通过野外采样和实验室分析,利用空间变化代替时间变化的手段,研究了宁夏盐池县多年围封区沙漠化逆转过程中土壤颗粒分形维数的变化特征。结果表明:沙漠化逆转的过程是土壤颗粒向细粒化方向演变及养分富集的过程。分形维数与土壤养分和黏粉粒等细颗粒的变化趋势相同,随着沙漠化程度的减小,分形维数呈逐渐增大的趋势。它与土壤粒径分布、有机质、全氮、全磷、速效氮、速效磷、速效钾之间存在着高度的线性相关,对黏粒含量的变化最为敏感。因此,可用土壤颗粒分形维数的变化来反映该区土壤理化性状的变化特征,并将其作为衡量沙漠化逆转过程中土壤结构、肥力状况及土壤退化恢复程度的一个综合性定量指标。     

农田土壤特性的空间变异性及分形特征

对24 m×24 m面积内的49个观测点进行了土壤含水量和坚实度的空间变异性研究.根据测定结果,用经典统计方法计算了均值、标准差、变异系数等统计特征值,认为该法不能定量的描述土壤特性的空间变异性.于是,用分形理论计算了含水量与坚实度的分形维数.结果表明,在一定范围内,土壤具有分形特征,分形维数可表示土壤特性在空间的不均一程度.     

西部欠发达地区城镇体系分形研究——以兰州—西宁城镇密集区为例

不同区域特殊的自然、区位、历史条件,人口、资源、经济发展形成了城镇体系成长的区域背景,在很大程度上,它影响并决定城镇体系的成长过程与发展规律。引入分形(fractal)理论,以兰州-西宁城镇密集区为例,研究西部欠发达地区城镇体系的空间结构、规模结构及其形成机理。通过对城镇体系分形维数的研究,反映特定自然、社会、经济条件下,西部欠发达地区城镇体系空间结构、规模结构特征。城镇体系规模等级分布分散,呈明显的首位分布,大中城市发展不足,城镇体系规模等级总体偏小,人口在城镇之间分布的均匀性差。城镇空间发育度较低,空间分布很不均匀,分散性较强,远离中心城市的城镇密度衰减较快。局部区域的城镇空间发育成熟度差,空间分形特征不明显甚至没有形成分形结构。相比而言,相对发达地区城镇体系规模结构、空间分布呈现均衡化、网络化特征,首位城市发展已经融入到体系的发展中,城镇以群的力量带动区域发展;而欠发达地区城镇之间规模分布、空间分布"齐性"都相对较差,首位城市的"孤岛式"发展决定了区域的发展地位。     

基于分形理论的清代长城外侧城镇格局研究

分形是大自然优化的结构形式,分形城市群能最有效地占据空间。清代是长城外侧地区城镇迅猛发展时期,文中利用GIS空间分析功能和分形理论对清代长城外侧城镇体系的网格分维和聚集分维进行测定。结果表明:该区域78个治所城镇空间分布具有分形几何特征,且归绥和直隶地区分形发育度最好,围绕归化城和承德府为中心向周围密度衰减分布;伴随着点-轴系统的发展,城镇空间结构历经随机阶段、孕育阶段、发展阶段的三个演进过程。     

砂砾质戈壁沉积物分形维数计算及其对风沙作用的指示意义

传统分形理论在多峰态分布的砂砾质沉积物分形计算中存在局限性,且物理学意义不明确。文中利用分段式加权平均技术对传统分形维数计算方法进行修正,并计算了阿拉善高原北部砂砾质戈壁地表不同组分沉积物的分形维数值。结果表明:对传统分形维数计算法进行分段式加权平均修正能正确反映多峰态沉积物的分形特征且物理意义明确。砂砾质戈壁地表沉积物分形维数值介于2.0-3.0之间,并随跃移组分含量的增大而增大(R~2=0.723),随蠕移及风蚀残余组分含量的增大而减小(R~2=0.723);富砂组分戈壁地表沉积物分形维数值偏大(2.53-2.82),富砾组分戈壁地表沉积物分形维数值偏小(2.31-2.65)。     

Volume fractal dimension of soil particles and relationships with soil physical-chemical properties and plant species diversity in an alpine grassland under different disturbance degrees

Fractal geometry is an important method in soil science,and many studies have used fractal theory to examine soil properties and the relationships with other eco-environmental factors.However,there have been few studies examining soil particle volume fractal dimension in alpine grasslands.To study the volume fractal dimension of soil particles(D) and its relationships with soil salt,soil nutrient and plant species diversity,we conducted an experiment on an alpine grassland under different disturbance degrees:non-disturbance(N 0),light disturbance(L),moderate disturbance(M) and heavy disturbance(H).The results showed that(1) Ds varied from 2.573 to 2.635 among the different disturbance degrees and increased with increasing degrees of disturbance.(2) Shannon-Wiener diversity index,Pielou's evenness index and Margalef richness index reached their highest values at the M degree,indicating that moderate disturbance is beneficial to the increase of plant species diversity.(3) In the L and M degrees,there was a significant positive correlation between D and clay content and a significant negative correlation between D and soil organic matter(SOM).In the H degree,D was significantly and positively correlated with total salt(TS).The results suggested that to a certain extent,D can be used to characterize the uniformity of soil texture in addition to soil fertility characteristics.(4) For the L degree,there was a significant negative correlation between D and the Shannon-Wiener diversity index;while for the M degree,there was a significant negative correlation between D and Pielou's evenness index.     

连续放牧对沙质草地植被盖度、土壤性质及其空间分布的影响

在科尔沁典型沙质草地,设置不同放牧强度的4块样区:重牧区、中牧区、低牧区和封育对照区。连续放牧4年后,通过统计学分析及方差均值比、秩相关系数和分维数等方法,分析了植被平均盖度、多样性指数和土壤颗粒组分、土壤养分含量(有机碳和全氮)在各样区的变化及其空间分布。结果表明,(1)沙质草地的植被平均盖度、多样性指数均随放牧强度的增加而降低,植被平均盖度对放牧的反应比多样性指数更为敏感,变化幅度更大;植被在各样区均为聚集分布,但随聚集程度随放牧强度的降低而降低;(2)不论放牧强度大小,植被平均盖度在4个样区均受到土壤养分的制约作用,而土壤颗粒组分对植被的影响随放牧强度的降低逐渐减弱;(3)通过比较植被平均盖度和土壤某些指标在4个样区的分维数值认为,在科尔沁沙质草地,放牧强度应保持在低牧水平,更高的放牧强度将导致植被和土壤特征的空间分布格局产生大的改变,可能导致沙漠化。     

内蒙古城镇体系空间结构分形特征分析

总结城镇体系空间结构的三种分形维数:聚集维数、网格维数和空间关联维数,并采用此方法计算内蒙古城镇体系空间结构的特征.结果表明:内蒙古城镇体系具有以"双核"城市为中心发展的分形特征,内蒙古地区89个城镇除了东部地区呼伦贝尔市、通辽市、赤峰市等3个市和锡林郭勒盟的部分城镇以外,其余西部地区的城镇主要围绕呼包二市为中心向四周...     

祁连山中段植被群落的时空格局变化

充分了解植被群落时空格局分布特征是开展生态环境恢复工作的前提。选择祁连山中段寺大隆林场为研究区,对1976、1991、2001、2016年的LANDSAT影像进行地物分类,并利用3种景观指数对植被群落生境破碎化程度进行分析,同时运用CA-Markov模型对植被2031年的分布情况作出预测。结果表明:人为因素是导致植被群落变化的主要原因;1976—2016年,祁连山中段寺大隆林场植被群落的分布面积发生了巨大的变化,乔木和草地分布面积分别减少了91 km~2和169 km~2;1976—2001年,乔木、灌木和草地群落的平均斑块面积(MPA)分别减少了1.22 km~2、0.14 km~2和0.16 km~2,聚合指数(AI)分别减少了2.79、0.03和8.77,平均分维数(Fd)分别增加了0.013、0.001和0.005,植被群落生境破碎化严重;2001—2016年,乔木、灌木和草地群落的平均斑块面积(MNA)分别增加了0 km~2、0.13 km~2和0.02 km~2,聚合指数(AI)分别增加了2.38、0.21和6.55,平均分维数(Fd)分别减小了0.005、0.002和0.002,植被生境得到修复;在现行趋势下,预测2031年乔木面积为409 km~2,灌木面积为486 km~2,草地面积为550 km~2,在面积分布上基本与1976年水平相当,植被生境恢复效果显著。     

Fractal features of soil profiles under different land use patterns on the Loess Plateau,China

Fractal theory is becoming an increasingly useful tool to describe soil structure dynamics for a better understanding of the performance of soil systems. Changes in land use patterns significantly affect soil physical, chemical and biological properties. However, limited information is available on the fractal characteristics of deep soil layers under different land use patterns. In this study, the fractal dimensions of particle size distribution(PSD) and micro-aggregates in the 0–500 cm soil profile and soil anti-erodibility in the 0–10 cm soil profile for 10 typical land use patterns were investigated in the Zhifanggou Watershed on the Loess Plateau, China. The 10 typical land use patterns were: slope cropland, two terraced croplands, check-dam cropland, woodland, two shrublands, orchard, artificial and natural grasslands. The results showed that the fractal dimensions of PSD and micro-aggregates were all significantly influenced by soil depths, land use patterns and their interaction. The plantations of shrubland, woodland and natural grassland increased the amount of larger micro-aggregates, and decreased the fractal dimensions of micro-aggregates in the 0–40 cm soil profile. And they also improved the aggregate state and aggregate degree and decreased dispersion rate in the 0–10 cm soil profile. The results indicated that fractal theory can be used to characterize soil structure under different land use patterns and fractal dimensions of micro-aggregates were more effective in this regard. The natural grassland may be the best choice for improving soil structure in the study area.     

青海省城镇体系空间结构现状与分形初步研究

运用定性和定量两种方法对青海省城镇体系空间结构进行分析研究,首先通过定性方法分析青海省城镇体系地域空间结构的现状,再运用分形理论和方法对青海省城镇体系地域空间结构的聚集维数和关联维数进行了测算和分析,表明青海省城镇体系的空间分布是分形的。     

绿洲化过程中阿拉尔垦区土壤粒径分形变化特征

通过对绿洲化过程中阿拉尔垦区的7种典型土地利用类型样地的取样,以不同土地利用方式下,不同土层深度的土壤粒径分布PSD(soil particle size distribution)数据为基础,利用单重分形方法,分析土壤粒级与分维值D(fractal dimension valus)的关系以及绿洲化过程中土壤粒级分维值[WTBX]D[WTBZ]的变化特征及机理。结果表明：研究区土壤属于砂质壤土。不同深度的分维值D介于1.88~2.41。D与<0.05 mm 和0.05~1 mm范围的颗粒体积百分含量分别存在明显的正相关和负相关。0.05 mm粒径是决定绿洲化过程中土壤粒级与分维值D关系的临界粒径。绿洲腹地的土壤粒级主要集中于0.01~0.05 mm的细粉砂粒级,沙漠边缘土壤粒级主要集中于0.05~0.25 mm的细砂粒级。绿洲化过程中土壤细粒物质增多,粗粒物质减少,分形维数呈现逐渐增大趋势。     

随机抽样必要样本容量的确定方法及其应用

在随机抽样中,常通过样本均值来估计总体均值,而样本容量的选择是估算样本均值的关键。以统计理论为基础,并结合半干旱区科尔沁沙地的土壤含水量、有机质、氮、磷和钾含量;植物种组成与植被高度、盖度及密度等历史数据集,得到了这些生态指标在随机抽样中的必要样本容量和确定方法。分析结果表明：当这些指标的变异系数不超过相应的变异系数时,① 沙地农田土壤有机质、全氮、速效氮、全磷、有效磷和速效钾含量的必要样本容量在7~15之间;② 沙质草地和固定沙丘植被高度、盖度、密度和植物种数的必要样本容量分别为11, 8, 28和15;③ 固定沙丘和半固定沙丘0~30 cm土壤含水量的必要样本容量分别为32和12。这为今后在该区域或者类似地区研究这些指标,对样本容量的合理选取有一定的指导作用和参考价值。     

基于LB法不同植被类型下土壤团聚体水稳性研究

土壤团聚体与土壤侵蚀和径流密切相关,本试验用Le Bissonnais法中的快速处理测定黄土丘陵区纸坊沟流域土壤水稳性团聚体含量,计算团聚体平均质量直径(MWD)、几何平均直径(GMD)和质量分形维数(D),比较几种水稳性团聚体指标之间的相关性,确定植被类型对土壤水稳性团聚体含量的影响。结果表明,大于0.2 mm的土壤团聚体含量在1978年油松林地的0~5 cm层最大,为54.95%,在1990年刺槐林地和荒地的20~40 cm层最小,为3.20%;MWD(mm)和GMD(mm)在1978年油松林地的0~5 cm层最大,分别为1.66和0.46,在荒地的20~40cm层最小,分别为0.09和0.05;表层(0~5 cm)土壤D在2.71~2.84之间,表下层在2.74~2.91之间。土壤有机质与D,MWD,GMD和0.2 mm显著相关,表明增加土壤有机质含量有利于土壤团聚体形成和水稳定性提高。D,MWD,GMD和0.2 mm都可用于表征土壤团聚体水稳定性,作为土壤抗侵蚀性指标。