土壤图像孔隙轮廓线分形特征及其应用

孔隙轮廓线分形维数是用来描述孔隙本身所具有的分形特征，它反映了土壤孔隙与固体颗粒接触界限的不规则性。该文采用数字图像处理技术研究了中国科学院封丘农业生态实验站内3种不同质地土壤样本图像的孔隙轮廓线分形特征。结果表明：土壤孔隙轮廓线分形特征与土壤质地之间存在着一定的相关关系，即土壤质地越细(黏粒含量越高)分形维数取值越大。同时，根据这3种土壤的孔隙轮廓线分形维数，结合不同分形方法分别预测了它们的水分特征曲线，并与实测的土壤水分特征曲线进行了比较。     

根据土壤粒径分形估计紫色土水分特征曲线

选择不同质地紫色土,分别根据土壤颗粒的数量和重量分布计算土壤粒径分形维数,并与Tyler和Wheatcraft土壤水分特征曲线模型的拟合分形维数进行比较分析。结果表明,三种途径获得的分形维数与土壤质地密切相关,均表现出土壤黏粒含量越高,质地越细,分形维数越高。土壤粒径数量分布分形维数(2.98～3.26)和土壤粒径重量分布分形维数(2.73～2.81)存在较大的差异,但二者间却存在显著的线性关系。土壤粒径分形维数与土壤水分特征曲线模型拟合分形维数(2.72～2.84)均存在显著的线性关系,尤其是土壤粒径重量分布分形维数与土壤水分特征曲线模型拟合分形维数数值十分接近。通过建立的土壤水分特征曲线模型分形维数与土壤粒径分布分形维数关系式,结合Tyler和Wheatcraft模型进行土壤水分特征曲线预测,预测值与实测值具有良好的一致性,因而根据土壤粒径分形预测紫色土水分特征曲线是可行的。     

土壤粒径分布单重分形与孔隙单重分形

土壤颗粒大小的分布是重要的土壤物理性质,对土壤水、气、热传导特性有着显著的影响。鉴于土壤颗粒分形在分析和描述岩土介质多孔结构的优势,本文通过对5种不同质地的土样进行颗粒分析与水分特征曲线的测试。结果表明:土壤结构定量化表征的方法就是确定土壤结构的分形维数,针对不同地区的土壤,可以通过土壤粒径分布分形维数体现土壤粒径分布的情况,分形维数越大,颗粒粒径越小,细粒含量越高,质地越发呈现不均匀性;且可利用土壤粒径分形维数估算土壤孔隙分形维数。为建立土壤粒径分布模型提供数据支持,同时也为推进土壤结构的研究进展提供了新的方向。     

沙漠非饱和风沙土壤水分特征曲线预测的分形模型

应用VanGenuchten提出的土壤水分特征曲线公式,推导出了沙漠风沙非饱和土壤水分特征曲线的分形模型。通过对古尔班通古特沙漠地9种不同土壤样本利用中子水分仪和负压计实测的水分特征曲线资料反求得到相应的分形维数,分析了分形维数与土壤质地之间的关系,结果表明随着土壤质地从流动风沙土、半固定风沙土到固定风沙土的变化,其分形维数呈逐渐增大。此外,基于土壤颗粒的重量与粒径分布求出了古尔班通古特沙漠地风沙土壤粒径的分形维数。通过对土壤水分特征曲线的分形维数与土壤粒径的分形维数的对比,得知它们之间存在着良好的线性关系。根据此关系,利用易测得的土壤粒径分形维数结合所推导的分形模型,对土壤水分特征曲线进行了预测,模型的预测结果很好地吻合了实测的土壤水分特征曲线。这一结果对于实际工作中根据风沙土壤颗粒大小分布的分形维数来预测沙漠风沙土壤水分特征曲线具有一定的指导意义。     

土壤样本分形几何特征的图像分析方法

土壤水分的持留与水分和溶质的运移,在很大程度取决于土壤孔隙的几何性质,而用数字图像处理方法能够较准确地加以识别。本文采用面积法和周长法分别计算了土壤样本图像的孔隙分形维数和多重孔隙轮廓线分形维数,并分析了它们同土壤质地之间的关系。结果表明,土壤孔隙空间在一定尺度范围内才存在明显的分形特征,土壤质地越细(粘粒含量越高)分形维数越大。与周长法相比较,用面积法计算的孔隙分形维数对土壤质地更为敏感。     

预测土壤水力性质的形态学网络模型应用研究

土壤水力性质是研究非饱和带中水分和溶质运移的重要参数 ,可以用孔隙网络模型进行预测。通常采用的网络模型中的参数是任意指定的 ,无法真实反映土壤孔隙空间的形态特征。本文采用了一种基于孔隙形态学的网络模型来预测土壤的水力性质 ,即通过图像分析来直接测定孔隙的大小分布及其连通性 ,并将其结合到网络模型中 ,最大程度地再现了三维的土壤孔隙结构。本文根据河南封丘地区采集的砂壤土样本图像分析结果 ,采用形态学网络模型预测了其水力性质 ,同时也进一步评价了这种模型的优缺点及其应用前景。     

土壤颗粒的分形特征及其应用

本文应用土壤颗粒的质量分布原理来描述土壤颗粒的分形特征。通过对10种土壤颗粒的机械组成进行分析,分别计算出它们的分形维数（D=2.489～2.896）,并分析了其与土壤质地之间的关系。同时对土壤颗粒分形维数与所对应土壤的幂函数型水分特征曲线的拟合分形维数进行比较分析,建立了二者之间的相关关系。结果表明:分形维数的大小反映了土壤质地中粘粒、粉粒和砂粒含量的变化,随粘粒含量的增多分形维数增大,随砂粒含量的增多分形维数减小;同时土壤颗粒分形维数与所对应的水分特征曲线的拟合分形维数呈现出良好的一致性,因而对所研究的土壤而言,可应用土壤颗粒的质量分形维数结合幂函数模型来估算土壤水分特性曲线。     

根据颗粒大小分布估计土壤水分特征曲线:分形模型的应用

根据UNSODA数据库和文献中的 1 1种质地共 5 5 4个样品的颗粒大小分析和水分特征曲线资料 ,对Tyler Wheatcraft、Brooks Corey和Rieu Sposito三种分形模型在预测土壤水分特征曲线中的适用性进行了研究。结果表明 ,Brooks Corey形式的分形模型预测精度高于其它两种模型。同时本文还指出了这三种模型适用的土壤质地范围 ,即Brooks Corey模型对于中、粗质地的土壤预测效果好于另外两种模型 ,Rieu Sposito分形模型则适用于细质地土壤 ,Tyler Wheatcraft模型的预测误差界于二者之间 ,也适用于中、粗质地的土壤。     

鲁中南山地典型植被土壤颗粒与土壤水分特征曲线的分形学特征

土壤粒径分布与水分特征曲线是土壤的重要物理性质,对土壤侵蚀状况和土壤肥力有显著影响。以鲁中南山地典型植被下土壤为研究对象,运用分形学理论研究5种典型植被土壤颗粒与水分特征曲线的分形学特征。结果表明:1)不同植被类型的土壤颗粒单重分形维数、多重分形参数和土壤水分特征曲线分形维数具有显著差异,均表现为麻栎+刺槐混交林>黑松+黄连木混交林>黑松林>核桃林>荒草地;2)土壤分形维数有林地大于荒草地,混交林大于纯林;3)土壤分形维数与黏粒体积分数、粉粒体积分数呈显著正相关,与砂粒体积分数呈显著负相关;4)土壤颗粒单重分形维数与土壤水分特征曲线分形维数呈显著的正相关关系。说明土壤颗粒分布与土壤水分特征曲线的分形参数可以作为反映土壤结构性状变化的定量指标,可利用土壤颗粒分形与土壤水分特征曲线分形维数的相关关系来描述对应的土壤水分特征曲线。研究成果可为鲁中南山地退耕还林与生态造林工程建设及其生态效益评价提供理论参考。     

渭北旱塬区典型农业耕作土壤微形态分形研究

利用分形几何的方法,对渭北旱塬典型旱作农业土壤微形态的分形特征进行了研究.在对土壤薄片详细观察的基础上,以土壤微形态数字图像为基础,利用SISC IAS V8.0 软件提取了土壤孔隙与粗颗粒的有关参数,并用计盒维数法计算了其分形维数.结果表明,土壤孔隙分形维数与孔隙率、孔隙面积和周长呈现较好的相关性(依次为0.778 74,0.685 58,0.814 87),粗颗粒分形维数与粗颗粒的含量、面积和周长也呈现较好的相关性(相关系数依次为0.984 18,0.984 06,0.930 10).说明了利用土壤微形态获得的土壤分形维数能够反映土壤结构的空间分布和变异规律,也反映了农业耕作活动对土壤的影响.     

From fractal analysis along a line to fractals on the plane

Self-similar fractals are useful models for soil solid and pore sets. The scaling properties of these fractals along a line and across an area can be described by the fractal dimensions. One method, for estimating the soil areal fractal dimension from the solid and pore set distributions along the lines, was proposed and tested with real macro- and micromorphological data on three soils of Mexico. The soil areal fractal dimension (D_a) was compared with the soil mass fractal dimension (D_m) estimated by two-dimensional binary image analysis, separately for solids and pores. Both methods are based on the box-counting technique and are suitable for determining the soil ‘box' or ‘capacity' fractal dimension, that seems to be apt to estimate the alternative filling of an area by a fractal set of solids and pores. This paper examines the relations between the fractal dimensions obtained along a line, across an area and directly from the image. Analysis of D_a and D_m data seems to suggest that both soil genesis and management practice can contribute to areal fractal dimension dynamics. It was shown that fractal dimensions are useful parameters able to monitor tillage influence on soil properties and to estimate the degree of soil compaction.     

土壤水分特征曲线的分形模拟

Many empirical models have been developed to describe the soil water retention curve （SWRC）. In this study, a fractal model for SWRC was derived with a specially constructed Menger sponge to describe the fractal scaling behavior of soil; relationships were established among the fractal dimension of SWRC, the fractal dimension of soil mass, and soil texture; and the model was used to estimate SWRC with the estimated results being compared to experimental data for verification. The derived fractal model was in a power-law form, similar to the Brooks-Corey and Campbell empirical functions. Experimental data of particle size distribution （PSD）, texture, and soil water retention for 10 soils collected at different places in China were used to estimate the fractal dimension of SWRC and the mass fractal dimension. The fractal dimension of SWRC and the mass fractal dimension were linearly related. Also, both of the fractal dimensions were dependent on soil texture, i.e., clay and sand contents. Expressions were proposed to quantify the relationships. Based on the relationships, four methods were used to determine the fractal dimension of SWRC and the model was applied to estimate soil water content at a wide range of tension values. The estimated results compared well with the measured data having relative errors less than 10% for over 60% of the measurements. Thus, this model, estimating the fractal dimension using soil textural data, offered an alternative for predicting SWRC.     

土壤颗粒尺寸分布分维及对粘附行为的影响

依据Tyler和Wheatcraft推导的土壤颗粒累积质量—尺寸标度关系,计算了我国主要土壤的颗粒尺寸分布(PSD)分维,结果表明:淡栗钙土、黄绵土、黑垆土、褐土((土娄)土)、潮土、灰漠土、黑土、黄棕壤、黄壤、红壤及赤红壤(砖红壤)的PSD分维依次增大,土壤粘粒含量增加使其PSD分维增大。结合上壤颗粒表面分形特性及土壤粘附的基本原理,探讨了土壤PSD分维对土壤—固体表面粘附行为的影响。PSD分维高的土壤与固体表面粘附力大,与固体表面发生明显粘附的起始含水量提高,发生明显粘附的含水量区间增宽。     

参数模型在壤土类土壤颗粒大小分布中的应用

颗粒大小分布是土壤的基本物理性质之一 ,可以用来预测其它难以直接测定的土壤性质。采用参数模型描述土壤的颗粒大小分布有许多优点。本文利用河南封丘地区三种壤土类土壤共 30 0个样本的颗粒分析资料 ,研究了五种参数模型的适用情况。结果表明 ,包含四个参数的Fred4P模型对三种土壤颗粒大小分布的模拟效果最为理想 ;三参数的Fred3P和MLog模型对砂壤土的描述效果较差 ,对另外两种质地土壤的模拟效果与Fred4P模型相当。四参数的Gomp模型计算误差大于Fred3P和MLog模型。在这五种参数模型中 ,MVG模型的误差最大 ,不能精确描述封丘地区壤土类土壤的颗粒大小分布。     

Comparison of fractal dimensions of soils estimated from adsorption isotherms,mercury intrusion,and particle size distribution

The values of the surface fractal dimensions were determined for several samples of Cambisols and Luvisols from analysis of nitrogen and water vapor adsorption isotherms and from mercury intrusion data. Moreover, the values of fractal dimension characterizing the particle size distributions of soil samples were calculated by using a number‐based method. For almost all investigated soils the values of the surface fractal dimension, obtained from water vapor isotherms were lower than those obtained from nitrogen isotherms. Largest were the surface fractal dimensions evaluated form mercury intrusion data. No significant correlations between different kinds of surface fractal dimensions were found, and the reasons of this finding are discussed. However, the values of the surface fractal dimensions calculated from mercury intrusion data correlate with those characterizing the texture of soils. The paper also reports on correlations between of the values of surface area, fractal dimensions and some selected physico‐chemical characteristics of soils.     

轻质土壤水分特征曲线估计的简便方法

以黄淮海平原封丘地区的潮土和风沙土为研究对象,根据大量的土壤基本物理性质和土壤持水数据,利用多元逐步回归分析方法,建立了轻质土壤在不同基质势下土壤含水量(θ)的传递函数模型,并进行了模型验证。结果表明,利用轻质土壤的基本物理性质估计其水分特征曲线是一种简便可行的方法,并且,在回归方程中,增加-30kPa含水量项可提高-30kPa以上土壤含水量的估计精度;增加-1500kPa含水量项可以明显提高-100kPa至-1500kPa间土壤含水量的估计精度。     

不同施肥措施对潮土有机碳平衡及固碳潜力的影响

以中国科学院封丘农业生态实验站的长期定位施肥试验为研究平台,研究不同施肥措施对潮土有机C含量的影响,并利用Jenny模型对不同施肥措施下的潮土有机C动态进行模拟。结果表明,施肥措施明显改变了潮土有机C含量,并且有机肥处理的作用效果要明显优于化肥处理。不同施肥措施不仅改变了潮土有机C的平衡水平,也影响了有机C的分解速率,NPK、1/2OM和OM施肥处理的有机C平衡值分别为7.19、7.75和9.37g/kg,而分解速率分别为0.038、0.113和0.1451/a。在目前施肥模式不变的情况下,与试验初相比,达到平衡时CK处理的潮土将会损失C1478kg/hm2,而NPK、1/2OM和OM处理的潮土则会分别增加C7376、7790和12066kg/hm2。因此,可以认为施肥处理促进了潮土的C固定。