贵州喀斯特山区石漠化土壤理化性质及分形特征研究

研究了贵州喀斯特山区石漠化过程中土壤颗粒粗化和理化性质特征,土壤颗粒分形的变化特征,以及分形维数与土壤性状的关系。结果表明:土壤细颗粒含量越少,土壤分形维数越低,表征石漠化程度越高;土壤颗粒分形维数与土壤有机质、容重、粘粉粒含量之间存在显著的线形关系(P<0.01)。分形维数能较好地表征喀斯特石漠化过程中土壤物理性质和养分状况以及石漠化的程度,可作为评价喀斯特地区土壤退化的定量指标之一,对区域生态环境的恢复与重建有着重要的指导意义。     

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。     

黄土丘陵区典型植被土壤剖面的颗粒分形特征

运用分形理论研究陕北安塞五里湾流域5种典型植被0～200 cm土壤剖面土壤颗粒大小分布(particle size distribution,PSD)及其体积分形维数分布特征,并进一步分析土壤PSD的分形维数与土壤有机碳、全氮和含水量的相关性。结果表明:研究区典型植被群落土壤颗粒组成主要为细颗粒(黏粒和粉粒),其中粉粒体积分数占总颗粒的56.82%～71.99%;铁杆蒿草地的细颗粒平均体积分数最大(78.86%),乔木林的最小(65.77%)。5种典型植被群落土壤PSD的体积分形维数介于2.498～2.599,均表现出随着土层深度的增加呈递增趋势;相同土层深度的分形维数呈现出铁杆蒿草地黄芪草地农田灌木林乔木林的趋势,灌木林和农田间差异不显著,其他植被群落间差异显著。典型植被土壤PSD的体积分形维数与黏粒、粉粒的体积分数和含水量呈极显著正相关(P0.01),但与砂粒的体积分数呈极显著负相关(P 0.01),与有机碳含量呈显著负相关(P 0.05)。     

广东省不同母质发育土壤颗粒分布的分形维数特征

采集广东省主要成土母质(玄武岩、砂页岩、第四纪红土和花岗岩)发育的林地、耕地和园地土壤剖面各发生层土壤,测定了土壤颗粒组成、有机质、CEC等理化性质,探讨了不同母质发育土壤颗粒分布的分形维数特征及其与土壤理化性质的关系。结果表明,玄武岩、第四纪红土、花岗岩和砂页岩发育土壤分形维数变幅分别为2.923 9~2.981 2,2.858 8~2.937 7,2.769 3~2.923 1和2.544 6~2.885 6;玄武岩和第四纪红土发育土壤颗粒分布分形维数与砂页岩发育土壤存在显著差异。土壤颗粒分布的分形维数随土壤深度增加呈增大的趋势,相同母质发育土壤的深层土壤颗粒分布的分形维数接近一致。玄武岩和第四纪红土发育土壤颗粒分布的分形维数在不同深度土壤之间变幅较小,砂页岩和花岗岩发育土壤变幅较大。土壤颗粒分布的分形维数与砂粒含量呈极显负相关,与黏粒含量呈极显著正相关,与土壤全磷、速效钾、全铁、CEC、有机质、全氮、碱解氮呈极显著或显著正相关;土壤颗粒分布的分形维数可以作为表征土壤肥力状况指标。     

石灰岩区土壤分形特征及其与土壤性质的关系

研究了岩溶坡地不同生态系统土壤颗粒组成和团粒结构的分形特征.结果表明,土壤颗粒组成分形维数与黏粒及物理性黏粒含量显著正相关,与砂砾含量显著负相关.团粒结构分形维数与水稳性团聚体含量显著负相关,与团聚体湿筛后的破坏率显著正相关,即分形维数愈高,>0.25 mm水稳性团聚体和水稳性大团聚体含量愈低;团粒结构的分形维数与土壤有机质有负相关趋势,与土壤阳离子交换量显著负相关,与土壤体积质量(容重)呈正相关趋势.次生灌丛岩溶生态系统退化后,土壤黏粒减少,体积质量上升,土壤水稳性团聚体含量及其稳定性下降,土壤颗粒组成分形维数降低,土壤团粒结构分形维数则呈上升趋势.颗粒组成分形维数与团粒结构分形维数对土壤质量和岩溶生态环境状况的反映是一致的.     

Effects of desertification on soil and crop growth properties in Horqin sandy cropland of Inner Mongolia, north China

Wind erosion and accumulated sand are recognized as the primary forms of cropland desertification in the arid and semiarid region, Inner Mongolia. However, there is a lack of knowledge on the effects of wind erosion and accumulated sand on soil properties and crop growth properties in this region. A field experiment was conducted from 2001 to 2002 on desertified cropland with gradients of wind erosion and accumulated sand to investigate changes in soil and crop growth properties resulting from desertification in the Horqin sandy land. Results indicated that the soil environment degraded significantly and crop growth and biomass were seriously restrained by wind erosion. In the severely eroded cropland, soil clay, organic matter, total N and P, available N and P, average soil moisture decreased by 59.6%, 71.2%, 67.4%, 31.4%, 64.5%, 38.8% and 51.8%, respectively. Erosion increased soil pH from 8.66 to 8.92; delayed plant life cycle by 6 days, decreased plant height and diameter by 15.5% and 29.1%, and decreased above and below ground biomass and seed yield by 87.3%, 47.9% and 96.5%, respectively. Effects of a little accumulated sand were fewer on soil properties and crop growth and seed yield compared to wind erosion, severe accumulated sand effects on the cropland remain to be studied further. The results of correlation analysis showed that crop biomass and seed production were significantly correlated to organic matter, total N, pH and soil moisture under circumstance of worsened soil environment. In the windy and sandy region in Inner Mongolia, some measures to control cropland erosion should be introduced including construction of windbreak, stubble cultivation, increased organic fertilizer and spring irrigation.     

不同耕作年限水稻土土壤颗粒的体积分形特征研究

应用基于土壤颗粒体积分布确定土壤颗粒大小分布分形维数的方法,对浙江慈溪耕作年限分别为50、100、500、700、1000和2000年的水稻土土壤颗粒体积分形特征进行了研究.结果表明:同基于土壤颗粒质量分布的分形维数相比,基于土壤颗粒体积分布的分形维数计算不需要密度假设,更具有合理性.不同年限水稻土的土壤颗粒大小分布能被体积分形模型显著拟合(p＜0.01).土壤颗粒体积分形维数与黏粒的体积百分含量之间呈显著正相关(p＜0.01),与粉粒和砂粒的体积百分含量之间呈显著负相关(p＜0.01),其中与黏粒含量关系最为密切.耕作年限对水稻土土壤颗粒的体积分形维数和分形模型的拟合度均有一定影响.与50 ～ 500年水稻土相比,700 ～ 2000年水稻土剖面中土壤颗粒体积分形维数的变异性和均值较高,但其拟合决定系数则较低;耕作年限会对水稻土剖面中黏粒的含量和分布产生影响,进而影响到剖面土壤的颗粒体积分形特征;对于同一质地类型的土壤,耕作年限越长,分形维数越高.     

土壤颗粒的体积分形维数及其在土地利用中的应用

土壤具有自相似特征或尺度不变特征。许多研究表明,土壤质量(重量)分形维数是土壤内在属性之一。但是,在计算土壤质量分形维数的推导过程中需要做一些假设,而有些假设,如不同粒级的土壤颗粒具有相同的密度等假设,已受到一些学者的批评。此外,用传统的比重法测量土壤颗粒分布不仅工作量大,且操作结果更易受人为因素的影响。鉴此,本文提出了土壤体积分形维数的概念。通过对宜兴不同土地利用方式下178个土壤样品的体积分形维数的测定发现:土壤体积分形维数和土壤质量分形维数一样,都是土壤的固有属性;土壤颗粒体积分形维数与土壤颗粒体积百分含量具有显著的对数相关关系;对茶园、菜地和农田土壤剖面上土壤颗粒体积分形维数的变化分析表明,在茶园和菜地土壤剖面上,随着土壤剖面深度的增加,土壤粘粒体积百分含量增加,土壤颗粒体积分形维数也随之增加;在农田土壤剖面上,随着深度的增加,土壤粘粒体积百分含量和土壤体积分形维数也表现出基本保持一致的变化规律。此外,农业管理措施对土壤颗粒的组成会产生影响,使土壤粘粒体积百分含量发生变化,从而使土壤颗粒体积分形维数也随之变化,如菜地土壤体积分形维数随着种植年限的增加而出现下降趋势。     

我国北方半干旱地区土壤的沙漠化演变过程与机制

土地沙漠化是我国北方干旱半干旱地区土地退化最严重的类型之一。但迄今为止,人们对这一地区土地沙漠化过程中土壤沙化过程和机制的了解还不够透彻。2002-2003年,我们在科尔沁沙地选择具有明显沙漠化梯度的一个区域,调查和研究了土壤沙漠化演变过程和机制。结果表明,在科尔沁沙地,不同粒径土壤颗粒的理化特性具有较大差异,其中土壤粘粉粒和粗沙相比,具有较低的土壤容重和较高的土壤结持力、起沙风速、毛管持水力和养分含量。从土壤粘粉粒到粗沙,容重增加了10.32%,结持力、毛管持水量、有机碳、全氮分别下降了99.15%,51.23%,83.73%和80.24%。沙漠化过程中,土壤的理化性质随着土地沙漠化程度的增强而明显恶化。和非沙漠化土地相比,严重沙漠化土地的土壤粗沙含量、非毛管孔隙度和容重分别增加了35.04%,117.50%和21.7%,细沙含量、粘粉粒含量、总孔隙度、毛管孔隙度、田间持水量、毛管持水量、土壤有机碳、全氮、全磷、有效氮和有效磷分别下降了77.78%,70.00%,15.38%,27.49%,54.34%,37.54%,64.15%,70.77%,65.90%,66.32%和50.59%。相关分析结果表明,沙漠化过程中,土壤有机碳、全氮、全磷、土壤含水量和土壤结持力的变化与土壤粘粉粒的减少呈明显正相关,与土壤粗沙含量的增加呈明显负相关。这说明,沙漠化过程中,由于风蚀而导致的富含养分和具有较高持水能力的土壤细颗粒的损失,是沙漠化过程中土壤退化的主要机制。     

贵州喀斯特地区土壤石漠化的本质特征研究

喀斯特土壤石漠化是我国西南喀斯特地区诱发重要地质灾害的生态环境问题,是制约区域社会经济发展的关键因素。通过分析贵州喀斯特地区土壤的机械组成、物质成分、理化性质和微生物特性,探讨了土壤石漠化的本质。结果表明:土壤侵蚀,细粒物质减少,表层土壤消失,岩土界面缺少风化母质的过渡层,或者被裸露基岩取代;土壤质地出现砂化,颗粒变粗;土壤有机质及养分含量减少,保水保肥性能减弱;土壤微生物功能多样性降低;超载的社会经济压力等是导致喀斯特地区土壤石漠化最重要的驱动力。     

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.     

Effects of desertification on soil organic C and N content in sandy farmland and grassland of Inner Mongolia

Desertification is one of the most serious types of land degradation. A field experiment was conducted during 2002 and 2003 in Horqin Sand Land, China to investigate changes in soil C and N contents in relation to land desertification. Four primary results were derived from this work. First, land desertification characterized by wind erosion resulted in a significant decrease in soil fine particles (clay + silt) with a corresponding increase in sand content. In comparison to non-desertified land, soil fine particle content decreased by up to 89.2%, and sand content increased by up to 47.2%, in the severely desertified land. Second, the organic C and total N in soil were mainly associated with the soil fine particles, and decreased significantly with desertification development. Organic C decreased by 29.2% and total N by 31.5% in the severely desertified land compared to the non-desertified land. Third, the decrease in organic C and N content was greater in desertified grassland than in desertified farmland. Fourth, the changes in organic C and total N content had a significant positive correlation with the soil fine particle content (P < 0.01) and a significant negative correlation with coarse sand content (P < 0.01), indicating that land desertification by wind erosion is mediated through a loss of soil fine particles, with a resultant decrease in soil organic C and total N.     

不同管理模式下干旱草地粒度特征

土壤粒径分布及空间变化对土壤溶质和水盐运移、土壤肥力状况等有重要意义,是土壤重要物理特性之一。基于新疆准噶尔北部、阿勒泰山南麓不同管理模式下的草地(荒漠草地、天然草地、弃耕草地、季节草地和禁牧草地),运用质地分类和分形理论探讨草地粒度特征。结果发现:研究区土壤颗粒中黏粒含量最低,最小值仅有0.17g/kg,砂粒含量最高,最大值可达900.37 g/kg,粒径分布呈现单峰特征,表明土壤发育较差;砂粒和粉粒含量之间呈极显著负相关关系,相关系数为0.999 8(P0.01),推测成土母质和地域差异导致土壤中砂粒和粉粒几乎占了全部;荒漠草地、天然草地和弃耕草地黏粒含量的平均值随着土层深度增加而减小,呈现出负相关特征,而季节草地和禁牧草地并无此特征;荒漠草地的分形维数D值最大,可能是因为灌木作为该生态系统中的优势植物,能有效地减缓荒漠草地逆向演替和消亡的进程,对土壤颗粒具有一定的细化作用;所有土壤样品分形维数D与黏粒含量均具有较强相关性,天然草地、荒漠草地和弃耕草地的分形维数D分别与粉粒和砂粒含量的相关性较强,与禁牧和季节草地的相关性较差,说明春、秋轮牧对土壤的干扰可能超过了土壤本身承载能力,对土壤颗粒组成破坏比较大,影响了土壤发育,放牧向禁牧转化时期的长短可能决定了土壤的发育是否良好。     

贵州喀斯特地区土壤石漠化的本质特征研究

喀斯特土壤石漠化是我国西南喀斯特地区诱发重要地质灾害的生态环境问题,是制约区域社会经济发展的关键因素.通过分析贵州喀斯特地区土壤的机械组成、物质成分、理化性质和微生物特性,探讨了土壤石漠化的本质.结果表明土壤侵蚀,细粒物质减少,表层土壤消失,岩土界面缺少风化母质的过渡层,或者被裸露基岩取代;土壤质地出现砂化,颗粒变粗;土壤有机质及养分含量减少,保水保肥性能减弱;土壤微生物功能多样性降低;超载的社会经济压力等是导致喀斯特地区土壤石漠化最重要的驱动力.     

岷江上游干旱河谷土壤粒径分布分形维数特征

具有分形特征是土壤的客观属性之一,为了探讨分形维数与土壤性质之间的关系与影响因素。运用土壤体积粒径分布分维模型计算了岷江上游干旱河谷不同土地利用方式下土壤表层(0～20cm)161个样品的分形维数,分析了分形维数的空间变化特点及其与粒度组成、有机质和土壤养分之间的相关性。土壤粒径分布分形维数可以作为表征土壤结构和性质的重要指标。结果表明:不同土地利用方式下土壤的粒径分布具有不同的分形特征,分形维数在2.5011～2.7825之间,粉壤土>壤土>砂壤土,耕地大于灌林地。土壤颗粒体积分形维数与黏粒(<0.002mm)和粉粒(0.002～0.05mm)的体积百分含量以及土壤全钾含量呈极显著正相关关系,与砂粒(>0.05mm)的体积百分含量呈极显著负相关关系,而与土壤有机质,全氮,全磷,速效磷和速效钾含量的相关性未达到显著水平。研究结果可以为研究区植被恢复和土地利用开发提供一定的依据。     

荒漠草原沙漠化对土壤无机碳和有机碳的影响

以空间代替时间的方法,通过对宁夏荒漠草原不同沙漠化阶段土壤有机碳(SOC)和无机碳(SIC)的研究,探讨荒漠草原沙漠化对土壤SIC、SOC及不同粒径组分土壤SIC、SOC分布特征的影响。结果表明:(1)随着荒漠草原沙漠化程度的加剧,0—10cm土层各粒径组分土壤SIC和SOC含量呈下降趋势。半固定沙地和流动沙地各粒径组分土壤SIC含量均表现为黏粉粒无机碳(CSIC)>细砂粒无机碳(FIC)>粗砂粒无机碳(CIC),而SOC含量均表现为细砂粒有机碳(FOC)>粗砂粒有机碳(COC)>黏粉粒有机碳(CSOC)。(2)随着荒漠草原沙漠化程度的加剧,0—30cm土层土壤无机碳(SICD)、土壤有机碳(SOCD)和土壤总碳(STCD)密度均表现为荒漠草原>固定沙地>半固定沙地>流动沙地。固定沙地、半固定沙地和流动沙地土壤SOCD、SICD分别比荒漠草原降低了18.5%,57.7%,60.5%和6.7%,35.9%,47.0%。(3)0—10cm土层各粒径组分土壤SOC和SIC含量、全土SOC含量与0—30cm土层SOC和SIC均呈显著正相关关系,其中土壤粗砂粒有机碳和粗砂粒无机碳对SOC影响最大,而土壤黏粉粒有机碳和黏粉粒无机碳与全土SIC含量呈显著负相关关系。因此,沙漠化防治对于减少荒漠草原土壤碳损失极为重要。     

树儿梁小流域坝地土壤颗粒的分形特征

土壤颗粒的分形维数是重要的土壤物理特性,为研究坝地土壤颗粒分形维数的内涵和利用土壤颗粒的分形维数来描述与土壤性质的关系,本研究计算了树儿梁小流域坝地土壤颗粒的分形维数,并分析了分形维数与各粒级组成及其土壤养分的关系.结果表明:树儿梁坝地土壤颗粒的分形维数随土壤黏粒的增加而增大,坝前、坝中、坝尾土壤颗粒的分形维数分别为2...     

沙岸木麻黄防护林不同更新模式土壤结构分形特征及其效应

运用分形模型对滨海沙地木麻黄防护林10种更新模式土壤结构进行研究,探讨了分形维数与土壤肥力的关系。结果表明,沙质土壤小径级沙粒含量越大,土壤结构分形维数越大,土壤肥力越高,保水能力越强。土壤结构分形维数与土壤小径级颗粒含量及其他理化性质指标均存在显著回归关系。木麻黄、刚果12#桉、厚荚相思和湿地松顺序排列多行混交模式土壤结构分形维数最大,其改土效果最明显,为最优更新模式。分形模型在沙质土壤肥力研究上应用为木麻黄防护林更新模式选择提供了新思路。     

土壤短期吹蚀的粒度分维研究

基于风洞实验数据 ,对砂质壤土与壤质砂土短期吹蚀的粒度分形结构及其分维变化进行了探讨。结果表明 :( 1)在砂质壤土与壤质砂土的不同吹蚀时段 ,各自床面的粒度组成是具有分形结构特征的 ,在风洞里不同风速与时间下的吹蚀并未改变两种土壤所具有的分形结构 ,改变的只是分形结构的定量描述参数分维 ;( 2 )无论是在初始状态还是在一定的风速和时间下 ,砂质壤土的分维都小于壤质砂土的分维 ;( 3)两种不同质地的土壤在不同的吹蚀时段床面粒度分维与 <0 0 5mm的颗粒 (即粉粘粒 )含量之间都存在着显著的正相关性 ;( 4 )两种土壤在吹蚀的过程中由于土壤性状的差异 ,其床面粒度分维会随时间和风速的不同而出现相异的变化过程     

丹江中游典型小流域土壤颗粒及分形特征

在丹江鹦鹉沟小流域,利用网格状取样和典型样地取样相结合的方法,进行土样采集,共计采样点268个,研究土壤颗粒组成和分形特征,以及与土壤全氮之间的相互关系。结果表明：土壤粉黏粒质量分数随土壤深度的增加而增大,不同土层下土壤粉黏粒质量分数平均值均表现为农地〉林地〉草地。经ANOVA分析,不同土地利用在10—40cm土层的粉黏粒质量分数存在显著差异（P〈0．05）。不同植被类型间土壤颗粒分形维数亦存在显著差异（P〈0．05）,10～20cm土层的土壤颗粒分形维数更能代表不同土地利用的差异。土壤颗粒分形维数与坡度呈显著负相关（P〈0．05）,与坡向和海拔无显著相关性。土壤全氮质量分数在0～20cm土层与中粗砂粒质量分数呈极显著正相关（P〈0．01）,土壤颗粒分形维数和土壤全氮质量分数在20～60cm土层均与土壤粉黏粒质量分数呈极显著正相关（P〈0．01）。鹦鹉沟流域0～10cm土层的土壤粉黏粒储量为13．28万t,不同土地利用下0～10cm土层每m2土壤粉黏粒储量表现为农地〉林地〉草地,分别为74．71kg／m2、71．54kg／m2和70．23kg／m2。