基于CT扫描的煤矿排土场土壤孔隙三维多重分形特征

土壤孔隙对水分、养分的运移起着重要作用,重构土壤孔隙状况反映着复垦土壤质量的高低。本研究基于Math Works Matlab(2009a)平台,在对土壤孔隙CT扫描图片三维重建的基础上,运用多重分形理论对安太堡露天煤矿不同复垦年限排土场重构土壤(23年、20年、0年)以及原地貌土壤进行三维多重分形定量表征,以探讨重构土壤孔隙空间分布规律。结果表明:重构土壤孔隙三维结构具有多重分形特征,信息熵维D1、广义维数谱曲线弯曲程度△D、多重分形谱谱宽△α随着复垦年限逐渐增大,土壤孔隙状况得到改善,土壤孔隙分布越趋于复杂,变异程度较高;重构土壤及原地貌土壤孔隙三维分布多重分形谱函数△f0,呈左钩状,大概率孔隙占主要地位,孔隙分布不均匀。多重分形参数D1、D0-D1、△D、△α、△f间具有较好的相关性,从不同角度上反映了土壤孔隙三维分布的非均质性。     

黄土区露天煤矿排土场重构土壤颗粒组成的多重分形特征

排土场复垦土壤是由人为方式通过不同重构工艺构成的复杂整体,其由不同颗粒组成、具有不规则形状的特性,其核心工作是重构一个适合植被生长的土壤结构。为了更好地对排土场重构土壤结构进行定量表征,该文通过引入土壤多重分形理论,对山西平朔矿区安太堡露天煤矿排土场4种重构土壤方案(含砾石黄土母质覆盖、含煤矸石黄土覆盖、全黄土母质覆盖、含料姜土黄土覆盖)的2 mm以下土壤粒径分布进行了多重分形参数计算,计算参数包括广义维数谱D(q)、多重分形奇异性指数α(q)以及多重分形谱函数f(α(q))等,并对不同分形参数之间的关系进行了计算。通过研究发现:该研究区大型露天煤矿排土场重构土壤颗粒组成具有明显的多重分形特征,D(0)、D(1)、D(1)/D(0)、Δα和Δf反映了土壤颗粒分布的非均匀质特征;该研究区黄土重构剖面的土壤粒径分布范围较小、测度集中程度较高、离散程度较小,土壤粒径组成非均匀性低;多重分形参数之间具有较好的相关性,可以简化选择D(0)、D(1)/D(0)和Δα或D(0)、D(1)和Δf 3个参数实现对黄土区重构土壤颗粒组成分布的定量表征;黄土重构剖面0～90 cm内土壤多重分形参数变化明显,黄土区表层土壤覆盖厚度应在90 cm以上,煤矸石和砾石对重构土壤颗粒的离散程度有一定的影响,应排弃在90 cm以下土层。该研究可为黄土区露天煤矿排土场土地复垦以及重构土壤质量的量化提供理论依据。     

机械压实对复垦土壤粒径分布多重分形特征的影响

在高潜水位矿区复垦施工现场,运用多重分形理论研究不同碾压次数下复垦土壤粒径分布特征,以阐明机械压实对复垦土壤粒径分布非均匀性和异质性的影响。结果表明:机械碾压在46.8%~99.9%程度上解释0~20和20~40 cm土层土壤粒径分布特征的变化,随着碾压次数增加,复垦土壤颗粒呈细粒化趋势,容量维D(0)随之减小,表征粒径分布范围减小;奇异谱对称性Δf随之增加,表征粒径分布不对称性增加;信息维D(1)、信息维/容量维D(1)/D(0)、关联维D(2)和奇异谱谱宽Δα随之波动变化,表征粒径分布集中程度、局部密集程度和均匀性波动变化。研究发现D(1)和D(1)/D(0),D(2)和Δα相关系数分别0.767(P0.01)和-0.488(P0.05),在表征复垦土壤粒径分布集中程度和均匀性上具有相似作用,多重分形参数可多角度描述机械碾压过程中土壤粒径分布的细微差别,其中D(0)、Δα和Δf能够灵敏反映复垦土壤紧实度变化,这为深入研究复垦土壤压实问题提供一种精确分析方法。     

铁尾矿废弃地火炬树林水土保持功能

为了研究火炬树对铁尾矿废弃地土壤基质改良及水土保持功能的作用,以铁尾矿废弃地火炬树乔木林为研究对象,并以灌草林地和裸尾矿为对照,分别布设径流模拟场和土样采集地,对3种立地类型样地内土壤物理性质(土壤孔隙度和容重)、土壤水分状况和产流产沙情况进行测定,比较火炬树乔木林和灌草林对铁尾矿基质改良的差异性及其不同植被恢复林地的水土保持功能。结果表明:(1)火炬树样地在提高土壤总孔隙度和毛管孔隙度方面明显优于灌草林样地,更高于裸尾矿地;而3个样地的土壤容重差别不明显。(2)火炬树样地的土壤田间持水量、毛管持水量和饱和含水量相对裸尾矿样地分别提高了46%,35%和27%。相对灌草地分别提高了41%,25%和0.3%,改良作用也明显优于灌草样地。(3)土壤水分的初渗速率由大到小依次为火炬树(12.73mm/min)灌草(11.45mm/min)裸尾矿(9.66mm/min)。稳渗速率由大到小依次为裸尾矿(8.49mm/min)火炬树(7.88mm/min)灌草(7.62mm/min)。表明火炬树样地蓄水保水能力最强。(4)火炬树样地虽产生地表径流次数较多(14次),径流量较大(68 403.5t/km2),但流失水土的含沙量和侵蚀量分别仅为裸尾矿地的3%和2%。在火炬树发生水土流失的同时,灌草地均产生径流,水土流失的含沙量、侵蚀量和径流量分别为火炬树样地的1.55倍,1.35倍和1.32倍。     

江子河小流域不同植被类型土壤粒径的多重分形特征

为探讨植被类型对土壤粒径分布非均匀性和土壤结构异质性的影响,运用激光粒度分析方法和分形理论,研究桐柏大别山区江子河小流域5种植被类型的土壤颗粒组成及其多重分形特征。结果表明:1)土壤颗粒单分形参数D、多重分形参数Δα、Rf、[α(-1)]-f[α(0)]和f[α(1)]/f[α(0)]均与土壤黏粒体积分数显著正相关,即土壤中细颗粒物质体积分数越高,土壤颗粒分布的非均匀性和奇异性越大;2)不同植物群落土壤颗粒分形维数D和多重分形参数表现为杂木林和针阔混交林(马尾松+栓皮栎)>茶园>竹林和水稻田,即森林(防护林)植被可以增加土壤中黏粒和粉粒等细粒物质体积分数、改善土壤质地的均匀性和增强土壤颗粒结构的异质性。     

保护性耕作对棕壤粒径分形特征及碳氮比分布的影响

【目的】分析长期不同耕作措施下棕壤土粒径分布的非均匀性和异质性变化特征,可为农田土壤发育过程以及科学合理耕作提供理论支撑。【方法】本试验基于山东农业大学农学试验站长期定位的保护性耕作试验田(始于2002),试验主要耕作措施有翻耕、免耕和深松3种,还田方式为秸秆全量还田和不还田。采用激光粒度分析仪(LS13320),测定小麦.玉米轮作系统中0—40cm土层中的颗粒分布,应用土壤分形理论解析土壤颗粒含量、土壤质地颗粒分布状况及耕作措施和秸秆还田调控土壤颗粒分布的作用。【结果】土壤粒径的基本特征分布中,粘粒体积百分比表现为免耕>深松>初始土样>翻耕,秸秆还田>无秸秆还田,可见长期定位保护性耕作措施下,免耕秸秆还田增加了土壤粘粒含量,降低了土壤中C/N比值,较低的C/N值促进土壤碳氮的分解从而增加土壤的C、N含量;土壤多重分形参数中,D(1)、D(1)/D(0)、D(2)、Δα值都表现为深松和免耕显著高于翻耕处理,说明深松与免耕加剧了土壤颗粒细化,增进了土壤颗粒的异质性;深松秸秆还田加剧了土壤的非均匀程度,增强土壤结构稳定性,对土壤结构有一定的改良作用。土壤粘粒体积百分比与D(1)/D(0)呈显著负相关(P<0.05),土壤粉粒体积百分比与Δf呈显著负相关(P<0.05),土壤砂粒体积百分比与Δf呈正相关(P<0.05)。表明土壤多重分形参数可作为表征土壤颗粒分布、土壤性质的潜在指标。【结论】多重分形参数中D(1)、D(1)/D(0)、D(2)、Δα各处理间表现出差异,深松秸秆还田处理在细微程度上反映了保护性耕作措施的长期影响效果,免耕秸秆还田处理中土壤粘粒与土壤C/N呈极显著负相关,免耕秸秆还田促进粘粒增加,降低了土壤的C/N值,从而增加了土壤有机质及全氮的含量。多重分形参数对表征土壤性质具有重要的指导意义。     

汶川震区不同植被下土壤组成及其分型特征

目前关于植被恢复对震区土壤颗粒、团聚体、微团聚体粒径分布的影响研究很少,故本文以植被恢复下汶川震区土壤为研究对象,采用土壤粒径分形维数的计算方法,研究了植被恢复类型下对土壤组成及分形特征的影响。结果表明:震区土壤风干团聚体以5mm的大粒径团聚体为主,湿筛后,土壤团聚体粒径分布中0.25mm粒径的团聚体为优势粒径,与对照样地相比,裸地、草地、灌木、经果林和玉米类型样地的土壤水稳性团聚体的MWD分别减小74.88%,40.30%,40.73%,46.98%和47.65%。震区土壤微团聚体组成以1~0.25mm粒径为优势粒级,0.25~0.05mm为粒径次优势粒级,该震区土壤微团聚体变化范围为2.327~2.853,呈现如下规律:玉米经果林灌木裸地草地对照样地;震区土壤颗粒分形维数与土壤砂粒(1~0.05mm)呈负相关性(D=2.926~0.002 X_(砂粒)),与土壤粉粒(0.05~0.002mm)呈显著负相关性(D=3.05~0.008 X_(粉粒),p0.01),与土壤黏粒(0.002mm)呈极显著正相关性(D=2.595+0.009 X_(黏粒),p0.01)。震区土壤遭受的扰动较大,导致震区土壤碎石含量增多,土壤微团聚体和土壤颗粒分形维数增大,通过对震区土壤结构特征的研究,可为震区灾后治理提供参考。     

元谋干热河谷区土壤粒径分布分形特征

应用JL-1177激光粒度分布测试仪,获取元谋干热河谷区内三种不同土地利用方式下45个土壤样品的粒径分布(PSD),利用分形几何学方法分析土壤粒径分布分形特征。结果表明:1)元谋干热河谷区土壤分形维数D分布在1.8854~2.7709,平均值为2.2895,D值与土壤粉粒含量线性相关较显著,其大小顺序为粉壤土粉土,林地土壤草地土壤裸地土壤。2)土壤分形维数D与土壤黏粒、砂粒含量呈正相关,与粉粒含量呈负相关。3)偏相关分析表明,0.5~0.25 mm与0.05~0.02 mm粒径含量越高,土壤分形维数D越低,0.25~0.05 mm与0.02~0.002 mm粒径含量越高,土壤分形维数D越高。     

不同植被恢复模式对铁尾矿物种多样性及土壤理化性质的影响

为全面了解不同植被恢复模式对铁尾矿物种多样性及土壤理化性质的影响,在唐山迁安选取基于造地工程的植被恢复模式(紫穗槐林)、基于水保工程的植被恢复模式(六孔砖模式)、灌木纯林植被直接恢复模式(沙地柏直接造林模式)、乔木混交林植被直接恢复模式(沙棘-桑树混交直接造林模式),对其物种组成、数量特征和土壤理化性质进行调查,并与裸尾矿和未被破坏的天然灌丛进行对比分析。结果表明:(1)不同植被恢复模式的物种α多样性指数的变化趋势基本相同,丰富度指数和多样性指数均为沙棘-桑树乔木混交林>紫穗槐林>沙地柏灌木纯林>六孔砖;(2)与裸尾矿相比,沙棘-桑树乔木混交林模式、紫穗槐林模式及沙地柏灌木纯林模式下的土壤容重分别减少了6%,15%,14%,总孔隙度分别增加了16%,1%,8%,毛管孔隙度分别减少了19%,16%,4%,非毛管孔隙度分别增加了118%,46%,22%;沙棘-桑树乔木混交林模式、紫穗槐林模式下的土壤毛管持水量分别减少了18%,7%,而沙地柏灌木纯林恢复模式下的土壤毛管持水量增加了21%;(3)通过植被恢复后,相对于裸尾矿土壤,沙棘-桑树乔木混交林模式、紫穗槐林模式和沙地柏灌木纯林模式下的土壤有机质、速效钾含量明显增加;不同植被恢复模式的铁尾矿土壤养分的恢复效果从高到低依次为沙棘-桑树乔木混交林模式、紫穗槐林模式、沙地柏灌木纯林模式。     

陕北黄土丘陵沟壑区土壤粒径分布分形特征

将激光衍射技术和分形分析结合,多重分形分析应用多重分形参数Rényi维数谱,研究土壤粒径分布(PSD)分形特征。结果表明:土壤PSD分形维数D在2.28～2.47之间,D与土壤黏粒含量线性相关。计算黏粒、粉粒和砂粒分形维数D黏粒、D粉粒和D砂粒,三者之间存在D黏粒D粉粒D砂粒的关系,分别用D黏粒、D粉粒和D砂粒计算分裂概率,发现小团粒具有较小的分裂概率。因此,分裂概率具有尺度依赖性,并随着土壤粒径的减小而降低。多重分形分析表明,由PSD获取的Rényi维数谱为反S型递减函数,与理论的多重分形Rényi维数谱相似,说明土壤PSD具有多重分形特征。