全 文 ：
摇 摇 摇 摇 摇 生 态 学 报
摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 渊杂匀耘晕郧栽粤陨 载哉耘月粤韵冤
摇 摇 第 猿猿卷 第 圆圆期摇 摇 圆园员猿年 员员月摇 渊半月刊冤
目摇 摇 次
前沿理论与学科综述
利用分布有 辕无数据预测物种空间分布的研究方法综述 刘摇 芳袁李摇 晟袁李迪强 渊苑园源苑冤噎噎噎噎噎噎噎噎
景观服务研究进展 刘文平袁宇振荣 渊苑园缘愿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
土壤呼吸组分分离技术研究进展 陈敏鹏 袁夏摇 旭袁李银坤袁等 渊苑园远苑冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
个体与基础生态
平茬高度对四合木生长及生理特性的影响 王摇 震袁张利文袁虞摇 毅袁等 渊苑园苑愿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
不同水分梯度下珍稀植物四数木的光合特性及对变化光强的响应 邓摇 云袁陈摇 辉袁杨小飞袁等 渊苑园愿愿冤噎噎噎
水稻主茎节位分蘖及生产力补偿能力 隗摇 溟袁李冬霞 渊苑园怨愿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
基于辐热积法模拟烤烟叶面积与烟叶干物质产量 张明达袁李摇 蒙袁胡雪琼袁等 渊苑员园愿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
耕作方式和秸秆还田对华北地区农田土壤水稳性团聚体分布及稳定性的影响
田慎重袁王摇 瑜袁李摇 娜袁等 渊苑员员远冤
噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
不同光照强度下兴安落叶松对舞毒蛾幼虫生长发育及防御酶的影响 鲁艺芳袁严俊鑫袁李霜雯袁等 渊苑员圆缘冤噎噎
南方小花蝽在不同空间及笼罩条件下对西花蓟马的控制作用 莫利锋袁郅军锐袁田摇 甜 渊苑员猿圆冤噎噎噎噎噎噎
浮游植物对溶解态 粤造的清除作用实验研究 王召伟袁任景玲袁闫摇 丽袁等 渊苑员源园冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
卧龙巴郎山川滇高山栎群落植物叶特性海拔梯度特征 刘兴良袁 何摇 飞袁 樊摇 华袁等 渊苑员源愿冤噎噎噎噎噎噎噎
春夏季闽江口和兴化湾虾类数量特征 徐兆礼袁孙摇 岳 渊苑员缘苑冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
啃食性端足类强壮藻钩虾对筼筜湖三种大型海藻的摄食选择性 郑新庆袁黄凌风袁李元超袁等 渊苑员远远冤噎噎噎噎
种群尧群落和生态系统
源种农业措施对三化螟种群动态的控制作用 张振飞袁黄炳超袁肖汉祥袁等 渊苑员苑猿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
黄土高原沟壑区森林带不同植物群落土壤氮素含量及其转化 邢肖毅袁黄懿梅袁安韶山袁等 渊苑员愿员冤噎噎噎噎噎
基于诊断学的生态系统健康评价 蔡摇 霞袁徐颂军袁陈善浩袁等 渊苑员怨园冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
稻田生态系统中植硅体的产生与积累要要要以嘉兴稻田为例 李自民袁宋照亮袁姜培坤 渊苑员怨苑冤噎噎噎噎噎噎噎
自由搜索算法的投影寻踪模型在湿地芦苇调查中的应用 李新虎袁赵成义 渊苑圆园源冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
贺兰山不同海拔典型植被带土壤微生物多样性 刘秉儒袁张秀珍袁胡天华袁等 渊苑圆员员冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
内蒙古典型草原灌丛化对生物量和生物多样性的影响 彭海英袁李小雁袁童绍玉 渊苑圆圆员冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎
黄土丘陵沟壑区 愿园种植物繁殖体形态特征及其物种分布 王东丽袁张小彦袁焦菊英袁等 渊苑圆猿园冤噎噎噎噎噎噎
基于 酝粤载耘晕栽模型的贺兰山岩羊生境适宜性评价 刘振生袁高摇 惠袁摇 滕丽微袁等 渊苑圆源猿冤噎噎噎噎噎噎噎噎
太湖湖岸带浮游植物初级生产力特征及影响因素 蔡琳琳袁朱广伟袁李向阳 渊苑圆缘园冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
景观尧区域和全球生态
艾比湖地区土壤呼吸对季节性冻土厚度变化的响应 秦摇 璐袁吕光辉袁何学敏袁等 渊苑圆缘怨冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎
田间条件下黑垆土基础呼吸的季节和年际变化特征 张彦军袁郭胜利袁刘庆芳袁等 渊苑圆苑园冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎
资源与产业生态
光核桃遗传资源的经济价值评估与保护 张丽荣袁孟摇 锐袁路国彬 渊苑圆苑苑冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
棉花节水灌溉气象等级指标 肖晶晶袁霍治国袁姚益平袁等 渊苑圆愿愿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
研究简报
云南红豆杉人工林萌枝特性 苏摇 磊袁苏建荣袁刘万德袁等 渊苑猿园园冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
赣中亚热带森林转换对土壤氮素矿化及有效性的影响 宋庆妮袁杨清培袁余定坤袁等 渊苑猿园怨冤噎噎噎噎噎噎噎噎
学术信息与动态
圆园员猿年 耘怎则燥责藻葬灶 郧藻燥泽糟蚤藻灶糟藻泽 哉灶蚤燥灶国际会议述评 钟莉娜袁赵文武 渊苑猿员怨冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
期刊基本参数院悦晕 员员鄄圆园猿员 辕 匝鄢员怨愿员鄢皂鄢员远鄢圆苑远鄢扎澡鄢孕鄢 预 怨园郾 园园鄢员缘员园鄢猿园鄢圆园员猿鄄员员
室室室室室室室室室室室室室室
封面图说院 山坡岩羊图要要要岩羊属国家二级保护动物袁因喜攀登岩峰而得名袁又名石羊遥 贺兰山岩羊主要分布于海拔 员缘园园要
圆猿园园皂的山势陡峭地带袁羊群多以 圆要员园只小群为主遥 生境适宜区主要为贺兰山东坡渊宁夏贺兰山国家级自然保护
区冤的西南部袁而贺兰山西坡渊内蒙古贺兰山国家级自然保护区冤也有少量分布遥 贺兰山建立国家级自然保护区以
来袁随着保护区环境的不断改善袁这里岩羊的数量也开始急剧增长袁每平方公里的分布数量现居世界之首袁岩羊的活
动范围也相应扩大到低山 怨园园米处的河谷遥 贺兰山岩羊生境选择的主要影响因子为海拔尧坡度及植被遥
彩图及图说提供院 陈建伟教授摇 北京林业大学摇 耘鄄皂葬蚤造院 糟蚤贼藻泽援糟澡藻灶躁憎岳 员远猿援糟燥皂
第 ３３ 卷第 ２２ 期
２０１３年 １１月
生 态 学 报
ＡＣＴＡ ＥＣＯＬＯＧＩＣＡ ＳＩＮＩＣＡ
Ｖｏｌ．３３，Ｎｏ．２２
Ｎｏｖ．，２０１３
ｈｔｔｐ： ／ ／ ｗｗｗ．ｅｃｏｌｏｇｉｃａ．ｃｎ
基金项目：青年科学基金资助项目（４１２０１０４０）； 中国科学院“西部之光”人才计划西部博士专项资助项目（ＸＢＢＳ２０１２０７）
收稿日期：２０１２⁃０７⁃１９； 　 　 修订日期：２０１３⁃０３⁃０１
∗通讯作者 Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ａｕｔｈｏｒ．Ｅ⁃ｍａｉｌ： ｌｉｘｉｎｈｕ＠ ｍｓ．ｘｊｂ．ａｃ．ｃｎ
ＤＯＩ： １０．５８４６ ／ ｓｔｘｂ２０１２０７１９１０３１
李新虎，赵成义．自由搜索算法的投影寻踪模型在湿地芦苇调查中的应用．生态学报，２０１３，３３（２２）：７２０４⁃７２１０．
Ｌｉ Ｘ Ｈ，Ｚｈａｏ Ｃ Ｙ．Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｆｒｅｅ ｓｅａｒｃｈ⁃ｂａｓｅｄ ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ ｐｕｒｓｕｉｔ ｍｏｄｅｌ ｉｎ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｎｇ ｒｅｅｄ ｉｎ ｗｅｔｌａｎｄｓ． Ａｃｔａ Ｅｃｏｌｏｇｉｃａ Ｓｉｎｉｃａ，２０１３，３３（ ２２）：
７２０４⁃７２１０．
自由搜索算法的投影寻踪模型
在湿地芦苇调查中的应用
李新虎∗，赵成义
（中国科学院新疆生态与地理研究所， 乌鲁木齐　 ８３００００）
摘要：针对传统湿地芦苇调查统计方法中的问题，建立了自由搜索的投影寻踪模型，将芦苇的生理特征指标和环境因子指标作
为投影指标构建了投影指标函数，通过自由搜索算法优化得到最佳投影方向，由最佳投影指标函数来反映各类芦苇的特征，避
免了人为赋予权重的干扰，客观性强，数学概念清晰，并在博斯腾湖芦苇调查统计中进行了应用，结果表明：博斯腾湖芦苇的种
类及群落特征没有发生显著的变化，在 ８个环境因子中水质及水量是影响芦苇产量的主要环境因子，土壤有机质对芦苇产量的
影响最小；通过实际应用表明模型应用效果较好，为湿地芦苇资源调查及湿地芦苇的生态保护提供了新的思路。
关键词：投影寻踪；自由搜索算法；芦苇调查；博斯腾湖
Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｆｒｅｅ ｓｅａｒｃｈ⁃ｂａｓｅｄ ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ ｐｕｒｓｕｉｔ ｍｏｄｅｌ ｉｎ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｎｇ ｒｅｅｄ
ｉｎ ｗｅｔｌａｎｄｓ
ＬＩ Ｘｉｎｈｕ∗，ＺＨＡＯ Ｃｈｅｎｇｙｉ
Ｘｉｎｊｉａｎｇ ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ ｅｃｏｌｏｇｙ ａｎｄ ｇｅｏｇｒａｐｈｙ， ＣＡＳ，Ｕｒｕｍｑｉ ８３００００， Ｃｈｉｎａ
Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ａ ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ ｐｕｒｓｕｉｔ ｍｏｄｅｌ （ＰＰ） ｗａｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｓｏｌｖｅ ｔｈｅ ｍｕｌｔｉ⁃ｆａｃｔｏｒ ｐｒｏｂｌｅｍ ｉｎ ｔｈｅ ｓｙｎｅｃｏｌｏｇｉｃａｌ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｏｆ
ｒｅｅｄ ｉｎ Ｂｏｓｔｅｎ Ｌａｋｅ． Ａ ｎｏｖｅｌ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｃａｌｌｅｄ ｆｒｅｅ ｓｅａｒｃｈ ｗａｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｔｏ ｏｐｔｉｍｉｚｅ ｔｈｅ ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｏｆ
ｔｈｅ ＰＰ ｍｏｄｅｌ． Ｔｈｅ ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｒｅｅｄ ａｎｄ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｆａｃｔｏｒｓ ｔｈａｔ ｉｍｐａｃｔ ｔｈｅ ｇｒｏｗｔｈ ｏｆ ｒｅｅｄ ｗｅｒｅ ｃｏｍｐｉｌｅｄ
ｉｎｔｏ ａ ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ ｉｎｄｅｘ ｔｏ ｓｅｔ ｕｐ ｔｈｅ ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ ｉｎｄｅｘ ｆｕｎｃｔｉｏｎ． Ｔｈｅ ｍｕｌｔｉ⁃ｆａｃｔｏｒ ｐｒｏｂｌｅｍ ｗａｓ ｃｏｎｖｅｒｔｅｄ ｉｎｔｏ ａ ｓｉｎｇｌｅ⁃ｆａｃｔｏｒ
ｐｒｏｂｌｅｍ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ， ｗｈｉｃｈ ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙ ａｖｏｉｄｓ ｓｕｂｊｅｃｔｉｖｅ ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅ ａｎｄ ｅｎｓｕｒｅｓ ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ ｒｅｓｕｌｔｓ． Ｉｎ
２００６， ｓｏｉｌ ｓａｍｐｌｅｓ ａｔ ７８ ｓａｍｐｌｉｎｇ ｓｉｔｅｓ ｉｎ １１ ａｒｅａｓ ｗｅｒｅ ｃｏｌｌｅｃｔｅｄ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｒｅｅｄ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｉｎ Ｂｏｓｔｅｎ Ｌａｋｅ． Ｏｆ
ｔｈｅｓｅ ｓｉｔｅｓ， ４１ ｗｅｒｅ ｉｎ ｔｈｅ ｒｅｇｉｏｎ ｏｆ Ｓｍａｌｌ Ｌａｋｅ， ２２ ｉｎ ｔｈｅ ｒｅｇｉｏｎ ｏｆ Ｈｕａｎｇｓｈｕｉ Ｄｉｔｃｈ， ａｎｄ １５ ｉｎ ｔｈｅ Ｗｅｓｔ Ｂａｎｋ ｒｅｇｉｏｎ ｏｆ
Ｂｉｇ Ｌａｋｅ． Ｐｌａｎｔ ｈｅｉｇｈｔ， ｓｔａｌｋ ｄｉａｍｅｔｅｒ， ｂｉｏｍａｓｓ ｄｅｎｓｉｔｙ， ｎｕｍｂｅｒ ｏｆ ｎｏｄｅ， ｗａｌｌ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ， ａｎｄ ｃｅｌｌｕｌｏｓｅ ｗｅｒｅ ｏｂｓｅｒｖｅｄ．
Ｏｒｇａｎｉｃ ｍａｔｔｅｒ， ｔｏｔａｌ ａｎｄ ａｖａｉｌａｂｌｅ ｎｉｔｒｏｇｅｎ ａｎｄ ｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓ， ａｎｄ ｔｏｔａｌ ｓａｌｔ ｉｎ ｓｏｉｌ ｓａｍｐｌｅｓ ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ ｔｈｅ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｏｘｙｇｅｎ
ｄｅｍａｎｄ ａｎｄ ｐＨ ｏｆ ｗａｔｅｒ ｗｅｒｅ ｓｅｌｅｃｔｅｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ． Ｔｈｅｎ， ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｒｅｅｄ ｂｉｏｍａｓｓ ａｎｄ ｔｈｅｓｅ
ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｆａｃｔｏｒｓ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｒｅｅｄ ｉｎ Ｂｏｓｔｅｎ Ｌａｋｅ ｃｏｕｌｄ ｂｅ ｄｉｖｉｄｅｄ ｉｎｔｏ ｆｏｕｒ ｃｌａｓｓｅｓ
（ｇｒａｄｅｓ） ｏｆ ｇｒｏｗｔｈ． Ｒｅｅｄｓ ｇｒｏｗ ｂｅｓｔ ｉｎ ｔｈｅ Ｗｅｓｔ Ｂａｎｋ ｒｅｇｉｏｎ ｏｆ Ｂｉｇ Ｌａｋｅ， ｆｏｌｌｏｗｅｄ ｂｙ ｔｈｅ Ｓｏｕｔｈｗｅｓｔ Ｓｍａｌｌ Ｌａｋｅ Ｒｅｇｉｏｎ，
ａｎｄ ｇｒｏｗｔｈ ｉｓ ｗｏｒｓｔ ｉｎ ｔｈｅ Ｈｕａｎｇｓｈｕｉ Ｄｉｔｃｈ Ｒｅｇｉｏｎ． Ｎｏ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ ｃｈａｎｇｅ ｉｎ ｃｏｍｍｕｎｉｔｙ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｗａｓ ｏｂｓｅｒｖｅｄ． Ｓｏｉｌ
ａｎｄ ｗａｔｅｒ ｑｕａｌｉｔｙ ｉｓ ａ ｋｅｙ ｆａｃｔｏｒ ｔｈａｔ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓ ｔｈｅ ｇｒｏｗｔｈ ｏｆ ｒｅｅｄ． Ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓ ｏｎ ｂｉｏｍａｓｓ ｉｓ ｇｒｅａｔｅｒ ｔｈａｎ
ｎｉｔｒｏｇｅｎ′ｓ， ａｎｄ ｓｏｉｌ ｏｒｇａｎｉｃ ｍａｔｔｅｒ ｈａｓ ｔｈｅ ｌｅａｓｔ ｉｍｐａｃｔ ｏｎ ｒｅｅｄ ｂｉｏｍａｓｓ ｉｎ Ｂｏｓｔｅｎ Ｌａｋｅ． Ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｒｅｅｄ ｂｉｏｍａｓｓ， ｔｈｅ
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discharge of upstream effluents, both agricultural and industrial, needs to be controlled; this method can also serve as the
first step in protecting reed wetlands. The projection pursuit model can be used to analyze the relationship between reed
biomass and its environmental impact factors, and the findings can reflect the main ecological and environmental problems
in the Bosten Lake wetland as well as provide useful information for the environmental management of reed wetlands. The
results of the projection pursuit model agree well with the actual situation, which indicates that this model is a powerful tool
in research that involves multi鄄factor problems and could be a new method to conduct a synecological investigation of reed.
Key Words: projection pursuit; free search; investigation of reed; Bosten Lake
芦苇是湿地资源的重要组成部分,芦苇不仅可以作为建筑和轻工业的原料,还具有观光、旅游、娱乐等多
种功能。 芦苇作为湿地植物,能吸收二氧化碳等温室气体,处理工业发展所造成的环境污染[1],具有很高的
经济、社会、生态效益。 近些年来,芦苇在北美的持续扩张[2鄄3],而在在欧洲却发生退化[3鄄4],芦苇分布的变化
以及生态学特性引起了许多学者的兴趣,因此芦苇的生态调查也成为研究的一个热点。 芦苇的生态学调查是
一个典型的多因素问题,例如其形态学特征包括株高、密度、茎粗、产量、壁厚、节数等多个因素,其环境因素,
又包括土壤、水质、水量等因素,而多因素问题往往具有高维、非正态特性而不适合用传统统计方法进行分析
的实际,因此这是有必要引入一种方法,将多因素问题转化为单因素问题。
投影寻踪[5](Projection pursuit, PP)是一能将多维问题转化为一维问题的有效方法,能够避免人为因素
的干扰,客观的反映实际结果。 PP 是用来处理和分析高位数据,尤其是来自非正态整体一类统计方法。 PP
方法能够成功的客服高维数据的“维数祸根冶所带来的严重困难。 PP 的关键在于找到观察数据结构的角度,
得到完全由原始数据构成的低维特征量,反映原始数据的结构特征。 随着科学技术的发展和计算机的普及,
高维数据的分析显得越来越重要。 大量的非正态、非线性数据的出现和计算机技术的发展,使投影寻踪技术
迅速表现出了它的优势[6]。
主成分分析(Principal Components Analysis,PCA)也属于处理多因素问题的方法,但是 PCA 只考虑了二
阶矩会遗漏数据中一些隐藏的部分[7],也有学者[8鄄9]认为传统的 PCA 通常不能给出一个合理的结果。
Caussinus 和 Ruiz鄄Gazen[10]也注意到相对于 PCA投影寻踪的应用较少。
Friedman[11]指出投影寻踪非常强烈的依赖优化算法去寻找最优的投影方向,因此寻找最优的投影方向
是应用投影寻踪的一个关键问题。 根据目前出版的相关文献可以看出,对于投影方向的寻优大部分采用遗传
算法[7,12鄄15],还有很多学者使用粒子群算法[16鄄17],但是这些算法不能解释自由、不确定的个体行为,而且也容
易落入局部最优的情况,因此本文引入一种新的算法自由搜索算法(Free Search, FS) [18]来优化投影指标函
数,许多学者[18鄄19]通过实例也证明了该算法在寻优的结果上优于其遗传[20]、粒子群[21]等算法。
本研究的芦苇调查的内容主要包括芦苇的分类和芦苇环境影响因子的评价。 本文以新疆博斯腾湖实地
芦苇为应用实例,将基于自由搜索算法的投影寻踪模型(FSPP)应用于湿地芦苇的统计调查,对为芦苇调查及
其生态环境保护提供一条新的思路。
1摇 基于自由搜索算法的投影寻踪模型
20世纪 60年代末 70年代初,Kruscal 首先提出了投影寻踪方法[22],1974 年,Friedman 和 Tukey[6]等对投
影寻踪方法作了深入的研究,明确地提出了投影寻踪思想,1985 年 Huber 关于投影寻踪的综合性叙述论文的
发表,系统的阐述了投影寻踪理论,标志着投影寻踪理论的正式形成[23]。 投影寻踪[24鄄26]方法的基本思路是:
将高维数据投影到低维子空间上,采用投影指标函数来衡量投影暴露某种结构的可能性大小,寻找出使投影
指标函数达到最优的投影值,再根据投影值分析高维数据的结构特征,或根据投影值与研究系统的输入输出
值之间的散点图构造适当的数学模型来模拟系统输出。
1.1摇 模型构建
投影寻踪模型的建模过程包括如下 3 个步骤:
5027摇 22期 摇 摇 摇 李新虎摇 等:自由搜索算法的投影寻踪模型在湿地芦苇调查中的应用 摇
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步骤 1摇 构造投影指标函数 Q(a)
设芦苇的生理特征和其环境因子各指标值的样本集为 x*( i,j) i= 1,2,…,n,j = 1,2,…,{ }p ,yi为芦苇
的产量指标,其中 x*( i,j) 为第 i观测区域样本第 j个指标值, np分别为样本的个数(样本容量)和指标数目。
PP 分类方法就是把 p 维数据 x*( i,j) j = 1 —{ }p 综合成以 a = a(1),a(2),a(3),…,a(p{ }) 为投影
方向的一维投影值:
z( i) =移
p
j = 1
a( j)x( i,j)摇 摇 ( i = 1,2,…,n) (1)
然后根据 z( i) i = 1,2,…,{ }n 的一维散布图进行分类。 式中 a为单位长度向量,综合投影指标值时,要
求投影值 z( i) 的散布特征应为:局部投影点尽可能密集,最好凝成若干个团,而在整体上投影点团之间尽可
能散开,因此,投影指标函数可以表达成:
Qc(a) = SzDz (2)
Sz =
移
n
i = 1
( z( i) - E( z)) 2
n - 1
(3)
Dz =移
n
i = 1
移
n
j = 1
(R - r( i,j))·u(R - r( i,j)) (4)
式中, E( z) 为序列 z( i) i = 1,2,…,{ }n 的平均值; R为局部密度的窗口半径,它的选取既要使包含在窗口
内的投影点平均个数不太少,避免滑动平均偏差太大,又不能使它随着 n的增大而太高, R可以根据实验来确
定; r( i,j) 表示样本之间的距离, r( i,j)= z( i) - z( j) ; u( t) 为单位阶跃函数,当 t逸0时,其值为 1,当 t < 0
时,其函数值为 0。
对于回归问题不仅要求投影值 z( i) 能尽可能大地提取 x( i,j) 中的变异信息,同时要求 z( i) 与 y( i) 的相
关系数的绝对值 Rzy 尽可能大。 这样得到的投影值就可望尽可能多地携带原指标系统 x( i,j) 的变异信息,
并且能够保证投影值对因变量具有很好的解释性。 基于此,投影目标函数可构造为:
Qe(a) = Sz | Rzy | (5)
式中, Sz 为投影值 z( i) 的标准差; Rzy 为 z( i) 与 y( i) 的相关系数的绝对值。
步骤 2摇 优化投影指标函数
当各指标值的样本集给定时,投影指标函数 Qc(a)和 Qe(a)只随着投影方向就是最大可能暴露高维数据
某类特征结构的投影方向反映不同的数据结构特征,因此可以通过求解投影指标函数最大化问题来估计最佳
投影方向,即:
最大化目标函数
maxQc(a)= SzDz (6)
maxQe(a) = Sz | Rzy | (7)
约束条件
移
p
j = 1
a2( j) = 1 (8)
这是一个以 a为优化变量的复杂非线性问题,尤其当 a维数较大(研究问题的指标较多)时,用常规的优
化方法处理比较困难。 本文引入 FS算法,令算法迭代过程中每个动物个体的位置向量代表投影方向,可以简
便有效地求解上述优化问题。
FS[18]是 Kalin Penev和 Guy Littlefair 提出的一种新算法,该算法原理简单,需要用户确定的参数不多,操
作也很简便,是一种基于群体的优化方法。 FS中所仿照的是一些高等群居动物在进行生物行为时,如寻找水
源或食物,从种群整体而言,处于一种有序的进程之中,其中的个体又存在着与整体进程相协调的个体随意行
为[5]。 这种动物群体的行为特性主要依靠以下两种动物本能:直觉和运动。 运动是获得最终目标的手段,是
6027 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 33卷摇
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在直觉指引下的一种具体的决策实施过程。 每个动物个体可以有两种运动:在邻域附近的小步幅搜索和在全
局范围的大步幅勘测。
步骤 3摇 把步骤 3 求得的最佳投影方向 a* 带入(13)式后可得各样点的投影值 z*( i) 。 将 z*( i) 与
z*( j) 进行比较,二者越接近,表示样本 i与 j越倾向于分为同一类。 若按 z*( i) 值从大到小排序,可以将样本
从优到劣进行排序。 对于回归问题,再根据 z*( i) — y( i) 的散点图建立相应的数学模型。
2摇 应用实例分析
2.1摇 研究区概况
博斯腾湖地处干旱内陆地区,由大湖、小湖群、苇沼三部分组成,包括和静、和硕、焉耆、博胡、尉犁 5 个县
和库尔勒市及 10个兵团农业团场,总面积 14.9万 km2。 博斯腾湖是开都河的尾闾,又是孔雀河的源头,兼有
开都河来水的水资源调控、孔雀河流域农田灌溉、工业及城乡用水、流域生态保护等多种功能。
据水源、地理位置条件,博斯腾湖芦苇湿地可分为三大片[27]:黄水沟片、大湖西岸片、西南小湖区片,总面
积约 3.58伊104hm2。 黄水沟位于大湖北部,二十四团、清水河农场及包尔图以南,焉耆县五号渠乡、东风干渠
以北,面积约 0.59伊104hm2;大湖西岸区位于大湖以西,焉耆东风干排以南到西南大河口,博湖县塔温觉肯乡、
本布图乡、乌兰乡以东地带,湿地面积约 0.08伊104hm2;西南小湖区片位于大湖以西,孔雀河以北、解放一渠以
东的焉耆县四十里城子乡、二十七团、永宁乡、博湖县查干诺尔乡、才坎诺尔乡以南地带,湿地总面积约 2.88伊
104hm2。 各片地理位置、芦苇分布面积和蕴藏产量见表 1。
表 1摇 博斯腾湖芦苇分布一览表
Table 1摇 The reed distribution in Bosten Lake
年份
Year
黄水沟区
Region of Huangshui Ditch
面积
Area
/ (伊104hm2)
蕴藏产量
Output
/ (伊107kg)
大湖西岸区
West Bank Region of Big Lake
面积
/ ( 伊104hm2)
蕴藏产量
/ ( 伊107kg)
西南小湖区
Southwest Small Lakes region
面积
/ ( 伊104hm2)
蕴藏产量
/ ( 伊107kg)
合计 Total
面积
/ ( 伊104hm2)
蕴藏产量
/ ( 伊107kg)
1965 0.33 3.5 0.70 7.0 2.98 29.5 4.01 40.0
1980 0.80 7.5 0.55 3.4 2.53 20.7 3.88 31.3
1992 0.17 1.5 0.13 0.8 2.27 17.7 2.30 20.0
1995 0.59 2.6 0.08 1.5 2.88 20.4 3.55 24.5
2000 0.5 3.1 0.21 1.9 3.12 22.5 3.90 28.1
2.2摇 试验材料与方法
根据博斯腾湖芦苇分布选取 17个区域共计 82个样点为研究对象,分别观测这 82 个点的株高、密度、茎
粗、产量、壁厚、节数和最长节间长和水深,并采取土壤和水质样品,土样分析有机质、速效氮、全磷、速效磷、全
磷、全盐,水样分析 pH和 COD。 土壤有机质采用重铬酸钾—浓硫酸外加热法,土壤速效氮采用扩散法,土壤
总磷用钼锑抗比色法,土壤总盐采用烘干法, pH值采用玻璃电极法,COD采用重镉酸钾法。
2.3摇 结果与讨论
2.3.1摇 聚类
以芦苇的株高、密度、茎粗、产量、壁厚、节数和最长节间长 7 个生理特征指标,根据前述投影寻踪分类模
型建模步骤,经过优化计算得到最大投影指标函数值和最佳投影方向分别为 0.9894 和 a* = ( -0.43737摇
0郾 3573摇 0.3189摇 0.0416摇 0.5540摇 0.3436摇 0.3948),再把 a* 带入(13)式得到最佳投影值,再进行分类结果
见表 2。 博斯腾湖芦苇按其生理特征可以分成 4类(表 2),和文献[27]的结果比较一致,说明投影寻踪在芦苇
分类中的应用是可行的,这也同时说明芦苇的种类及群落特征没有发生显著的变化。
2.3.2摇 回归
芦苇的生长受到环境因素的影响,例如土壤养分、土壤水分、气候等对芦苇的生长起着重要的作用,但是
对于芦苇的生长这些环境因子对芦苇的影响程度却不一样,基于前述投影寻踪回归模型建模步骤,对博斯腾
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湖的芦苇生长的相关环境因子进行了评价。 模型计算优化得到最大投影指标函数值为 1.0748,根据芦苇产量
与环境综合因子(投影值)散点图分布的趋势性,可采用二次曲线描述芦苇产量与投影值之间的函数关系,所
得的芦苇产量与环境综合因子数学模型为:
y = 17.7897z2 + 213.89z + 904.95 摇 R2 = 0.7072 (9)
式中, y为芦苇产量(kg), Z为投影函数值。
表 2摇 博斯腾湖芦苇分类表
Table 2摇 The class of reed in Bosten Lake
群落特征
community characteristics
类型 Class
1类 Class 1 2类 Class 2 3类 Class 3 4类 Class 4
株高 Plant height / cm 363.3—452.3 268.6—351.1 178.5—247.5 98.1—161.8
密度 Density / (株 / m2) 46—86 74—104 95—134 105—159
茎粗 Stalk diameter / cm 0.99—1.3 0.55—0.86 0.41—0.65 0.28—0.40
产量 Output / (kg / hm2) 26940—31410 15570—18705 12424.5—167.05 8500.5—3776.5
壁厚 Well thickness / mm 0.47—0.58 0.34—0.37 0.28—0.35 0.19—0.24
节数 Number of node /个 23.7—25.8 20.1—22.5 18—21.4 11.0—15.1
最长节间长 Most internode length / cm 30.9—33.7 24.9—29.0 19.5—25.1 12.5—20.1
表 3摇 各环境因子投影方向排序
Table 3摇 The ordering and projection direction of enviroment factors
环境因子
Environment factor
土壤全盐
Soil total
salt
土壤有机质
Soil organic
matter
土壤速效氮
Soil available
nitrogen
土壤全磷
Soil total
phosphorus
土壤速效磷
Soil available
phosphorus
水层深度
Water level pH COD
投影方向 Projection direction -0.2369 0.0727 0.5027 0.1122 0.1411 0.2006 -0.6436 -0.4459
排序 Order 4 8 2 7 6 5 1 3
最佳投影方向各分量的绝对值反映了各环境因子对芦苇产量的影响程度,各投影方向及排序结果见表
3。 从计算结果(表 3)可以看出水的 pH以及 COD和水深和各土壤环境因子相比顺序均靠前,也就是说水质
及水量是影响芦苇产量的主要影响因子,这主要是因为水是限制植物生长的主要因子,博斯腾湖芦苇大部分
为沼泽芦苇,土壤表层均有积水,水质的好坏和水层深度直接影响到芦苇的生长;李冬林[28]报道了地表积水
深度对芦苇个体茎粗度、节间长度、节数均有着显著的影响。 邓春暖[29]等通过实验分析发现随着水深的增
加,芦苇株高、生物量以及叶绿素含量等逐渐增加。 Maucham[30]等的研究发现,部分淹水(50%和 80%的叶片
面积被淹)可以显著促进芦苇生长,增加生物量。 王铁良等的研究表明芦苇是在不同水深情况下形态变异较
高的物种,且在 15 cm水层深度生长状况最好。
氮对产量的影响大于磷,速效磷大于全磷,这也说明芦苇对氮的吸收大于对磷的吸收,这是符合芦苇生长
需肥规律[31]的;土壤氮素含量在一定范围内 12—123.8mg / kg),含量越高芦苇产量也越高;土壤速效磷含量
(5.3—20.9mg / kg)与芦苇产量无显著相关性,这和本研究的结果部分一致。 芦苇虽然为耐盐植物,但是博斯
腾地处干旱区,湖泊盐化情况严重,湿地土壤盐分含量高,在一定程度上限制了芦苇的生长;宋健[32]等的研究
表明芦苇是拒盐植物;王铁良等[33]也报道了盐度和水深均是制约芦苇生长和产量的重要因子;沼泽芦苇多为
腐殖质沼泽土和泥炭土,土壤有机质含量高,基本都能满足芦苇生长的需要,因此土壤有机质对芦苇的影响
最小。
从总的排序情况来看,前 4位分别为 pH、COD、土壤速效氮和土壤全盐,后 4 位分别为水层深度、土壤速
效磷、土壤全磷、土壤有机质,而排序靠前的 pH、COD和土壤全盐和芦苇的生长呈负相关,随着 pH、COD和土
壤全盐的增加芦苇的产量下降。 赛迪古丽[34]的研究也证明了芦苇株高和芦苇冠幅收受土壤 pH值影响较大。
而 pH、COD和土壤全盐的增加均来源于上游农田排水和工业污水排入,博斯腾湖每年有近 400 万 t工业污水
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排入,开都河灌区每年通过农田排水带入博斯腾湖盐分高达 5.299伊105 t[14], 致使博斯腾湖矿化度和 COD 含
量增加,pH 值升高生态环境恶化,由此可以看出要想提高芦苇的产量保护湿地芦苇,限制上游污水排入(包
括农田和工业污水)是首要问题,因此通过芦苇产量与其环境影响因素的分析就可以反映出博斯腾湖的主要
生态环境问题,这也为芦苇湿地的环境治理得出一个启示,保护芦苇湿地首先应该控制污染物的排放包括农
田和工业污水的排放。
3摇 结论
(1)本研究通过应用基于自由搜索算法的投影寻踪模型对博斯腾湖湿地芦苇进行了统计调查。 以芦苇
的株高、密度、茎粗、产量、壁厚、节数和最长节间长 7个生理特征指标为基础结合投影寻踪模型对芦苇进行了
分类,结果表明博斯腾湖芦苇按其生理特征可以分成 4 类,博斯腾湖芦苇的种类及群落特征没有发生显著的
变化。
以芦苇的 8个环境因素(土壤速效磷、土壤全磷、土壤有机质、土壤速效氮、水层深度、pH、COD、和全盐)
为环境指标,利用投影寻踪模型对博斯腾湖的芦苇生长的相关环境因子进行了评价。 从总的排序情况来看,
前 4位分别为 pH、COD、土壤速效氮和土壤全盐,后 4 位分别为水层深度、土壤速效磷、土壤全磷、土壤有机
质。 在 8个环境因子中水质及水量是影响芦苇的主要环境因子,氮对产量的影响大于磷,速效磷大于全磷,土
壤盐分在一定程度上限制了芦苇的产量,土壤有机质对芦苇的产量影响最小。
(2) 应用基于自由搜索算法的投影寻踪模型在芦苇调查中进行了应用,将芦苇指标作为多个投影参数来
寻求其投影方向,由最佳投影指标函数来反映各类芦苇的特征,避免了人为赋予权重的干扰,不仅可以反映湿
地芦苇的实际情况,还可以通过对芦苇的分析反映中整个湖泊湿地的生态环境问题。 通过实际应用表明投影
寻踪模型在芦苇调查中的应用有效可行,客观性强,为湿地芦苇调查提供了一条新的思路。
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载哉 在澡葬燥造蚤袁杂哉晕 再怎藻 渊苑员缘苑冤
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孕燥责怎造葬贼蚤燥灶袁 悦燥皂皂怎灶蚤贼赠 葬灶凿 耘糟燥泽赠泽贼藻皂
耘枣枣藻糟贼泽 燥枣 枣燥怎则 凿蚤枣枣藻则藻灶贼 葬早则蚤糟怎造贼怎则葬造 责则藻增藻灶贼蚤燥灶 葬灶凿 糟燥灶贼则燥造 皂藻葬泽怎则藻泽 燥灶 则蚤糟藻 赠藻造造燥憎 泽贼藻皂 遭燥则藻则 栽则赠责燥则赠扎葬 蚤灶糟藻则贼怎造葬泽 渊宰葬造噪藻则冤
渊蕴藻责蚤凿燥责贼藻则葬院 孕赠则葬造蚤凿葬藻冤 在匀粤晕郧 在澡藻灶枣藻蚤袁 匀哉粤晕郧 月蚤灶早糟澡葬燥袁 载陨粤韵 匀葬灶曾蚤葬灶早袁 藻贼 葬造 渊苑员苑猿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
杂燥蚤造 灶蚤贼则燥早藻灶 糟燥灶糟藻灶贼则葬贼蚤燥灶泽 葬灶凿 贼则葬灶泽枣燥则皂葬贼蚤燥灶泽 怎灶凿藻则 凿蚤枣枣藻则藻灶贼 增藻早藻贼葬贼蚤燥灶 贼赠责藻泽 蚤灶 枣燥则藻泽贼藻凿 扎燥灶藻泽 燥枣 贼澡藻 蕴燥藻泽泽 郧怎造造赠 砸藻早蚤燥灶
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圆圆猿苑 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 猿猿卷摇
叶生态学报曳圆园员源年征订启事
叶生态学报曳是由中国科学技术协会主管袁中国生态学学会尧中国科学院生态环境研究中心主办的生态学
高级专业学术期刊袁创刊于 员怨愿员年袁报道生态学领域前沿理论和原始创新性研究成果遥 坚持野百花齐放袁百家
争鸣冶的方针袁依靠和团结广大生态学科研工作者袁探索生态学奥秘袁为生态学基础理论研究搭建交流平台袁
促进生态学研究深入发展袁为我国培养和造就生态学科研人才和知识创新服务尧为国民经济建设和发展服务遥
叶生态学报曳主要报道生态学及各分支学科的重要基础理论和应用研究的原始创新性科研成果遥 特别欢
迎能反映现代生态学发展方向的优秀综述性文章曰研究简报曰生态学新理论尧新方法尧新技术介绍曰新书评价和
学术尧科研动态及开放实验室介绍等遥
叶生态学报曳为半月刊袁大 员远开本袁圆愿园页袁国内定价 怨园元 辕册袁全年定价 圆员远园元遥
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通讯地址院 员园园园愿缘 北京海淀区双清路 员愿号摇 电摇 摇 话院 渊园员园冤远圆怨源员园怨怨曰 远圆愿源猿猿远圆
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本期责任副主编摇 杨志峰摇 摇 摇 编辑部主任摇 孔红梅摇 摇 摇 执行编辑摇 刘天星摇 段摇 靖
生摇 态摇 学摇 报渊杂匀耘晕郧栽粤陨摇 载哉耘月粤韵冤渊半月刊摇 员怨愿员年 猿月创刊冤
第 猿猿卷摇 第 圆圆期摇 渊圆园员猿年 员员月冤
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主摇 摇 编摇 王如松
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