$Fractals and Multifractals in Ecology and Aquatic Science$

Fractals and Multifractals in Ecology and Aquatic Science pdf epub mobi txt 电子书下载 2026

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出版者:CRC Press

作者:Laurent Seuront

出品人:

页数:360

译者:

出版时间:2009-10-12

价格:USD 89.95

装帧:Hardcover

isbn号码:9780849327827

丛书系列:

图书标签:

Fractals
Multifractals
Ecology
Aquatic Science
Chaos Theory
Nonlinear Dynamics
Pattern Formation
Scale Invariance
Spatial Ecology
Hydrology
Biological Modeling

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具体描述

Ecologists sometimes have a less-than-rigorous background in quantitative methods, yet research within this broad field is becoming increasingly mathematical. Written in a step-by-step fashion, Fractals and Multifractals in Ecology and Aquatic Science provides scientists with a basic understanding of fractals and multifractals and the techniques for utilizing them when analyzing ecological phenomenon. With illustrations, tables, and graphs on virtually every page - several in color - this book is a comprehensive source of state-of-the-art ecological scaling and multiscaling methods at temporal and spatial scales, respectfully ranging from seconds to months and from millimeters to thousands of kilometers. It illustrates most of the data analysis techniques with real case studies often based on original findings. It also incorporates descriptions of current and new numerical techniques to analyze and deepen understanding of ecological situations and their solutions. Includes a Wealth of Applications and Examples This book also includes nonlinear analysis techniques and the application of concepts from chaos theory to problems of spatial and temporal patterns in ecological systems. Unlike other books on the subject, Fractals and Multifractals in Ecology and Aquatic Science is readily accessible to researchers in a variety of fields, such as microbiology, biology, ecology, hydrology, geology, oceanography, social sciences, and finance, regardless of their mathematical backgrounds. This volume demystifies the mathematical methods, many of which are often regarded as too complex, and allows the reader to access new and promising concepts, procedures, and related results.

《生态系统与水生科学中的复杂系统分析：从尺度到结构》图书简介本书深入探讨了生态系统和水生科学领域中复杂现象的建模与分析方法，重点关注尺度依赖性、非线性相互作用以及系统结构如何决定生态过程的动态演变。本书旨在为研究人员、高级学生以及政策制定者提供一套系统的理论框架和实用的分析工具，以理解和预测自然界中常见的复杂系统行为。第一部分：复杂性与尺度理论基础本部分首先奠定了分析生态与水生复杂系统的理论基础。我们摒弃了传统的、基于平衡假设的线性模型，转而聚焦于系统对观测尺度的敏感性以及异质性对功能的影响。第一章：生态系统中的尺度概念与多尺度视角本章详细阐述了“尺度”在生态学中的多重含义，包括空间尺度（如斑块大小、景观格局）和时间尺度（如季节性变化、长期演替）。我们考察了不同尺度下生态过程如何被重塑。例如，在微观尺度上主导的生物物理过程，如何通过尺度放大效应，在宏观景观尺度上展现出完全不同的结构特征。本章特别强调了多尺度嵌入（Multiscale Embedding）的概念，即低尺度过程的约束如何限定高尺度行为的可能性空间。第二章：非线性动力学与突变理论生态系统的核心特征之一是其固有的非线性。本章系统回顾了非线性动力学（如逻辑斯蒂方程、捕食者-被捕食者模型）在描述种群波动中的应用，并引入了突变理论（Catastrophe Theory）来解释生态系统中突然、快速的相变现象，例如湖泊富营养化导致的藻华爆发、珊瑚礁的崩溃等。我们探讨了系统的阈值行为，即系统如何通过累积微小的、线性的扰动，最终跨越一个临界点，进入一个本质上不同的、稳定的新状态。第三章：信息论与系统不确定性复杂系统本质上是信息丰富的，但同时也充满了不确定性。本章应用香农信息论的概念来量化生态系统中的信息含量和熵。我们考察了如何利用描述性统计量（如基尼系数、信息熵）来刻画生物群落结构和物种分布的均匀性与多样性。此外，对系统随机性和噪声的分析被提升到与确定性规律同等重要的地位，强调了“随机游走”在生态漂移中的作用。第二部分：水生系统中的结构与功能耦合本部分将理论框架应用于水生环境，重点剖析物理结构、生物相互作用和物质传输之间的复杂耦合关系。第四章：水动力学中的涡旋结构与物质传输在海洋、湖泊和河流中，水流结构并非均匀的，而是由复杂的涡旋和湍流场构成。本章侧重于湍流理论在水生生态学中的应用。我们分析了从微米尺度（如微生物的运动）到公里尺度（如环流系统）的物质（营养盐、沉积物、污染物）传输机制。特别是，湍流引起的有效混合如何改变了营养物质的生物利用度，以及生物体如何利用或规避这些复杂的流场结构。第五章：沉积物-水界面：多孔介质中的传输水生生态系统的“底部”——沉积物——是一个高度异质的多孔介质。本章深入研究了溶解氧、有机碳和污染物在沉积物孔隙水中的扩散与吸附过程。我们引入了分数阶导数模型来更好地描述异质介质中非标准扩散现象（如“长拖尾”效应），并阐述了微生物群落代谢活动如何反馈性地改变了沉积物的物理结构和化学梯度。第六章：生物相互作用的网络拓扑学本章利用图论和网络科学的工具来描述食物网和微生物群落内部的相互作用结构。我们分析了网络拓扑属性，如中心性、模块化和鲁棒性，来预测生态系统在遭受干扰（如物种入侵或关键种缺失）时的抵抗力和恢复力。重点探讨了“强耦合”节点（即关键物种或核心微生物）在维持系统功能中的决定性作用。第三部分：异质性、反馈与生态系统服务评估本部分探讨了生态系统内部异质性的空间组织如何通过反馈机制影响宏观功能，并讨论了复杂性视角下生态系统服务的评估挑战。第七章：空间异质性与景观功能整合景观生态学强调空间布局的重要性。本章考察了斑块形状、连通性以及破碎化如何影响物种的定殖与灭绝动态。我们使用空间统计学方法（如变异函数分析）来量化景观的随机性与聚集性，并建立了连接景观结构与生态系统服务（如授粉、碳封存）的尺度依赖型传递函数。第八章：正反馈与生态系统退化路径许多生态退化过程是由正反馈循环驱动的，这使得系统偏离初始状态并趋向新的、通常是低效的状态。本章详细分析了冰雪反照率反馈、植被覆盖与土壤侵蚀之间的反馈，以及在水体中由生物扰动导致的营养盐释放反馈。理解这些反馈是设计有效干预措施的关键。第九章：从描述到预测：复杂系统的建模挑战本书的结论部分讨论了在面对高度复杂、参数未知或高维度的生态水文系统时，如何进行可靠的预测。我们评估了基于代理的模型（Agent-Based Models, ABM）在模拟个体决策和涌现行为方面的优势，以及将传统微分方程模型与数据驱动的机器学习方法融合（Hybrid Modeling）的可能性，以期在保证机制解释力的同时提高预测精度。本书的核心论点是：只有深入理解系统中的尺度效应、非线性耦合以及结构拓扑，我们才能真正掌握生态与水生科学中观测到的复杂动态。