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铀尾矿库茅草植物根系发育的分形特征(2)

时间:2015-02-07 10:50 文章来源:http://www.lunwenbuluo.com 作者:左华丽等 点击次数:

  3.2根系的分维值

 

   FractalFox是个专门研究分形维数的软件,它可以直接计算出分形维数,分形维数计算方法有很多种,而盒维数计算方法应用最为广泛。其中FractalFox软件中盒子维数计算的原理与手算盒维数相同,盒维数是用一个个的小分格来划分分形体,从相交的盒子数及划分单位的关系来计算分维,将边长分为r个小格子,N可以看成是曲线与盒子相交的格子总数[6],N和r满足:

 

   InN=-DInr+InA

 

   式中:r为线尺度缩小的倍数;N为曲线和盒子的相交总数;D为分形维数;A为常数项。

 

   分形盒维数即为对数线的斜率,实验中直接将植物根部照片输入FractalFox软件中。选择盒维数法(Box Counting),调好参数,即可得取分维数(Factal)。将三个不同面拍摄的照片分别求出分维数,再求其平均值作为该植物的分形维数,如图1。用此软件算出所有采集样本的分维数,用来分析对比,探索规律。

 

   图124#根部垂直面照片的对数线

 

  4结果讨论

 

   采用FractalFox软件分别算出三张不同拍摄角度拍出来的照片的分维数,再取平均值,得出植物根系分形维数分析结果,如表1为茅草植物在不同生长条件下的根系发育分形维数值。

 

   当分形维数D>1.1时,即可认为分析对象具有明显的分形特征。通过以上数据表明,采集回来的茅草植物根系分维数都是介于1.3305~1.5214之间变化,没有出现小于1.1的情况[7],由此可见,茅草植物的根系发育具有典型的分形特征[8]。根系形态的分形维数直接反映了植物根系在不同生长环境影响下发育程度的差异。影响根系分维数的直接因素是根系的长短和根茎的大小,因此根系越发达分形维数越高,相对较小的分形维数,反映出根系的分生能力相对较弱。

 

   同时对茅草植物在尾矿周边、尾矿库周围干土、尾矿库周围水边三种环境下生长出来的植物根系分维数作比较,从图2中显示出来的根系分维数比较结果中,发现尾矿库周围水边的分维数明显高出于另外两种环境下的分维数,这正说明植物在靠近水池边生长出来的根系发育情况比在干土上发育情况好。

 

  5总结

 

   通过对茅草植物根系的分形特征研究,可以得知,植物根系发育分维数能直接反映根系的发育程度,也就是植物根系发育程度好,根系越复杂,其分维数也就高。尤其是比较茅草植物在干土与水环境下的分维数,结果间接反映了植物在适应干燥和湿润环境能力上的差异,可见水对植物根系发育分维数之间存在显著的正相关性。

 

   实验过程中还存在以下几个问题有待解决:

 

   (1)很难保证实验中根系的完整性,在采样挖掘、根土分离以及根部清洗等过程中都不可避免少量根部的损失;

 

   (2)植物根系拍照时,是通过人为地舒展植物根系作为植物原貌,模拟根系在土壤的空间分布形态,以及用二维图形来求植物根系分形维数,然而植物在土壤中的实际分布却不是二维平面的;

 

   (3)实验所取得植物及其种类数量有限,在表达尾矿库上所有植物根系发育的分形特征上存在片面性。

 

  参考文献:

 

  [1]Abdelouas A,Lutze W,Nuttall HE.Uranium contamination in the subsurface:Characterization and remediation[J].Reviews in mineralogy and geochemistry,1999,38:433~473.

 

  [2]Abdelouas A.Uranium mill tailings:Geochemistry,mineralogy,and environmental impact[J].Elements,2006,2:335~341.

 

  [3]孙洪军,赵丽红.分形理论的产生及其应用[J].辽宁工学院学报,2005,25(2):114~117.

 

  [4]王义琴,张慧娟,白克智.分形几何在植物根系研究中的应用[J].自然杂志,1998,21(3):143~146.

 

  [5]聂小琴,丁德馨,李广悦.某铀尾矿库土壤核素污染与优势植物累积特征[J].环境科学研究,2010,23(6):719~725.


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