第42卷第5期2006年5月林业科学SCIE NTI A SI LVAE SI NIC AE V ol 142,N o 15May ,20063种沙漠植物地上部分形结构与生物量的自相似性李伟成1　盛海燕2　潘伯荣3　常　杰4(1.国家林业局竹子研究开发中心　杭州310012;　2.杭州环境保护科学研究院　杭州310005;3.中国科学院新疆生态与地理研究所　乌鲁木齐830011;4.浙江大学生命科学学院　杭州310029)摘　要:　应用自相似原理,分别研究极干旱地区塔克拉玛干腹地和吐鲁番盆地地下水浇灌区柽柳、梭梭和沙拐枣植株的地上分形结构与各自地上部生物量的关系。

通过分析3种植物的枝长、冠幅和体积与地上部生物量之间的统计自相似性,发现在统计拟合精度上自相似模型不如BP 神经网络模型,但分析植株生长的地域性差异时,缺少像分形维数这样的定量化描述。

关键词:　沙漠植被;地上部生物量;分形;自相似;BP 神经网络模型中图分类号:Q948;Q949 文献标识码:A 文章编号:1001-7488(2006)05-0011-06收稿日期:2004-08-05。

基金项目:国家自然科学基金重大研究计划N o.90202019。

Self 2Similarity R elationship betw een Component of Shoot and Biomass of Three H ungriness PlantsLi W eicheng 1　Sheng Haiyan 2　Pan Borong 3　Jie 4(1.China National Bamboo Research Center Hangzhou 310012;2.Hangzhou Environmental Protection Science Institute Hangzhou 310005;3.Xinjiang Institute o f E cology and G eography ,Chinese Academy o f Sciences Ulmuqi 830011;4.College o f Life Science ,Zhejiang Univer sity Hangzhou 310029)Abstract :　Function y =ax b maybe can disclose the correlation between shoot fractal structure and above 2ground biomass of hungriness plant in T aklamakan Desert com pared with Turpan Basin.Desertification and salinized soil ,the tw o serious environment problems ,annoyed human in willful persecution.Especially ,this phenomenon is m ore obvious in the second largest desert T aklamakan ,which lies in T arim Basin.This research note aims to use the theory of self 2sim ilarity to study the relationship between the shoot fractal structure and each biomass of hungriness plant in T aklamakan Desert ,exert the fractal dimension (FD )to explain the capability of spatial occupation of these three plants.Three hungriness plants (Tamarix spp.,Haloxylon ammodendron and Calligonum mongolicum )are chosen and the statistical self 2sim ilarity (SS M )characters am ong shoot ,branch and above 2ground biomass are analyzed in this study.Based on the close relationship of statistical self 2sim ilarity between the length of branches ,crown width ,external v olume and shoot biomass ,a fractal m odel on calculating shoot biomass is built.When the source data are not uniform ,the results show that the simulative outcomes of SS M w orse than BP neural netw ork m odel(NNM )that the values of χ22test are not up the con fidence interval too.SS M can be used for one method in measuring thebiomass with the data of small variance and im ply the capacity of spatial occupancy with the FD.It is practicable that this growth m odel using biomass of some segments of one whole plant to estimate the shoot biomass in the arid and sem iarid regions where vegetation is sparse ,ecosystem is flimsy and building the man 2made vegetation area is difficult.W e em phasize that the ecological scale in this paper is of individual significance.K ey w ords :　hungriness plant ;above 2ground biomass ;fractal ;self 2sim ilarity ;BP neural netw ork m odel目前,荒漠化与盐碱化是人类面临的2个环境问题,在塔里木盆地的塔克拉玛干沙漠表现得尤其突出(陶玲等,2001;李伟成等,2003)。

塔克拉玛干地区生态环境恶劣,气候极度干旱,因此一些抗热、抗寒、抗强碱的优良固沙先锋植物在这里就显得尤为重要了(潘伯荣等,1994;陶玲等,2001)。

柽柳(Tamarix spp.)作为干旱、半干旱区广泛分布的灌木,具有强大的固定流沙和耐盐碱能力;梭梭(Haloxylon ammodendron )是我国干旱荒漠区的优良固沙植物,是荒漠濒危类3级国家保护植物(陶玲等,2001);而沙拐枣(Calligonum mongolicum )以其独特的生活型、表型特征和薪柴、饲用、固沙、蜜源等经济特点,早就引起了人们的注意。

上述3种植物具备了荒漠先锋种的生理、形态特征(潘伯荣等,1994;陶玲等,2001),是西北荒漠生态系统的关键物种。

自从Burrough (1981)将Mandelbort (1979)提出的分形和分维概念应用到自然生态和环境学科领域以来,分形理论已经在植物进化模拟(Nicklas,1986)、农作物生物量与时间尺度上的自相似性(self2similarity) (Valdez2Cepeda et al.,1998)、面积和物种丰富度的分形维数等方面进行了探讨(Harte et al.,1999)。

目前,普遍认同林木的生长具有自相似性(Peitgen et al.,1991;常杰等,1995;李伟成等,2003)。

本文选择这3种植物作为研究对象,基于自相似理论在各分形单元上分析比较柽柳、梭梭、沙拐枣植株在不同生境中的生物量积累,希望利用分形理论来阐明不同物种在不同生境中的自相似性。

1　研究地自然概况塔克拉玛干沙漠腹地年均降水量11.05mm,年蒸发量3638mm,平均气温12.4℃,一年中7月最热,平均气温28.2℃,12月最冷,平均气温-8.1℃,年最高气温4516℃,年最低气温-2212℃,≤10℃年积温4530℃,年均相对湿度29.4%;吐鲁番盆地年均降水量16.4mm,年蒸发量2727～3837mm,年平均气温1319℃,最高气温47.6℃,最低气温-16.2℃,≤10℃年积温5391.3℃,年均相对湿度41%。

2　材料与方法2001年6月在塔克拉玛干沙漠运输公路腹地(39°00′N、83°40′E,海拔1099m)采集分布广、株型完整、无病虫害的沙拐枣、柽柳和多年生梭梭植株(人工移栽)。

吐鲁番地区(42°51′N、89°11′E,海拔-95～-76m)虽亦具典型的大陆性沙漠气候特征,但与塔克拉玛干沙漠腹地相比,地下水含量较丰富,植物生境比较优越。

当月于吐鲁番盆地植物园采集上述3种植株,以比较地上部生物量在不同生境的积累情况。

分别测量2个地区植株的主茎长、分枝长、冠幅和外形体积,并采下茎、枝和叶,经80℃烘干48h,分别得到茎、枝和叶干质量等性状参数,通过累加分枝生物量获得地上总质量。

为了方便,对3种植物统一假设变量。

设地上部生物量为Mst,茎干质量为M s,枝干质量为M b,叶干质量为Ml;主茎长为H s,分枝长为H b,冠幅为C,外形体积为V。

并有以下关系:M st=M s+M b+M l(1) 在K aye(1994)和Mandelbort(1979)的专著中均提及用分形几何的概念对树木的生物形态结构进行描述。

用网格法来定量研究茎、枝、叶的分形结构时发现用分形维数可以描述各部分不同的空间占据能力,并存在如下关系:ln f (M)M2=(D-δ)ln M(2)式中:M为网格覆盖区域边长(特征尺度指标);f(M)为是被覆盖网格的质量函数;D为欧氏维数;δ为分形维数。