旋耕碎土质量的分形描述

建立了旋耕土壤块体大小分布的分形方程,导出了土块分布均值和方差表达式,并用已有的旋耕试验结果验证了方程的正确性。利用该方法分析了前进速度、刀轴回转速度及斜置角对斜置式旋耕的碎土程度的影响。     

不同灌溉方式下耕作土壤的分形特征研究

通过对西安北郊污灌区耕地土壤与正常耕地土壤粒径分布的分形维数分析,结果表明:土壤颗粒表面分形维数D与粒径<0.002mm颗粒的百分含量呈极显著正相关。污灌土壤的分形维数大于正常土壤,其值2.7448～2.8449之间,平均2.785。而正常土壤在2.7253～2.7746之间,平均2.755。这表明污水灌溉对土壤粒度分布和结构有重要影响,增大了土壤粒径<0.002mm颗粒的百分含量,进而影响到土壤粒径的分形分维。     

旋耕碎土质量的分形措施

建立了旋耕土壤块体大小分布的分形方程,导出了土块分布均值方差表达式,并用已有的旋耕试验结果验证了方程的正确性。利用该方法分析了前进速度、刀轴回转速度及斜置角对斜置式旋耕的碎土程度的影响。     

黄河三角洲滩地土壤颗粒分形特征及其与土壤有机质的关系

土壤粒径分布影响土壤的水力特性、土壤肥力以及土壤侵蚀状况等,是重要土壤物理性状之一.以黄河三角洲滩地土壤为研究对象,利用单重与多重分形学理论和方法,对黄河三角洲滩地不同土地利用方式土壤的分形特征及其与土壤有机质的相关性进行研究.结果表明,不同土地利用方式对土壤单重分形维数D有显著影响,D值介于2.465 7～2.678 9,其中,林地的D值最大,粘粒含量最高,砂粒含量最低;而荒草地的D值最小,粘粒含量最低,砂粒含量最高;土壤粒径分布的多重分形参数D0(容量维数)、D1(信息维数)和D1/D0(信息维数/容量维数)的值因土地利用方式不同而出现规律性的趋势,均表现为刺槐林地>欧美杨林地>棉花地>荒草地;土壤单重分形和多重分形参数均与土壤有机质含量之间存在显著的相关性,而且普遍高于土壤质地与有机质的相关性.土壤分形及多重分形参数能较好地表征黄河三角洲滩地不同土地利用方式对土壤结构性状和土壤肥力的影响与改变,可为黄河三角洲滩地的治理与开发提供理论依据和技术指导.     

塔里木盆地南缘绿洲农田土壤粒径分布分形特征及影响因素研究

本文以塔里木盆地南缘策勒绿洲为例,基于农田表层土壤样品的体积粒径分布数据,通过分形理论重点探讨绿洲农田这一主要土地利用类型下土壤粒径分布特征及变异状况,并根据粒径分布分形维数变化对其主要影响因素进行研究。结果表明:绿洲范围内农田土壤分维值存在显著性差异,其值介于2.11～2.27之间,总体偏低;土壤粒径分布分维值与小于50μm粒径土壤颗粒体积含量及土壤有机质含量呈显著正相关;农田利用年限的差异性对土壤粒径分布产生重要影响,而农田分布位置的差异性则对土壤粒径分布未体现出规律性影响。因此,保证农田长期合理的耕作管理方式将有助于土壤粒径分布属性的稳定及提高。     

不同母质类型发育土壤颗粒组成分形特征

为探讨母质类型对土壤粒径分布非均匀性和土壤结构异质性的影响,采用激光粒度分析方法和分形理论,研究了冲积物﹑花岗岩残积物﹑第四纪红黏土及浅海沉积物四种母质类型发育土壤的颗粒组成﹑分形特征及土壤理化性质对颗粒组成及分形参数的影响。结果表明:(1)花岗岩残积物以及浅海沉积物发育的土壤粒径分布范围大,大颗粒含量高,非均匀性较小。冲积物和第四纪红黏土发育的土壤颗粒集中分布在2～200μm的细颗粒区域,异质性较大。(2)从土壤颗粒体积单分形维数(D值)看,母质类型对不同发生层颗粒组成的均匀性影响有所差异。冲积物和花岗岩残积物发育的土壤颗粒分布的不均匀性从A层向C层递减,浅海沉积物发育的土壤从A层向C层,颗粒分布的不均匀性递增,第四纪红黏土发育的土壤三个发生层颗粒分布的均匀性相近;从D0值看,母质类型对不同发生层颗粒组成的分布范围影响较小。(3)不同母质类型土壤的pH﹑CEC﹑游离氧化物﹑蛭石及高岭石含量等与土壤粒径分布的异质性和分布范围表现出的差异一致(P0.05)。以上结论表明,母质类型对土壤粒径分布及分形特征影响显著。     

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。     

杨树低效林下土壤粒径分布与分形特征

[目的]研究鄂尔多斯地区杨树低效林下土壤粒径分布与分形特征,为该地区杨树低效林的成因分析及改造提供基础依据,并为杨树人工林的科学管理提供参考与决策支持。[方法]使用Mastersizer3000激光衍射粒度分析仪测量土壤粒径,采用土壤颗粒体积分形维数模型计算分形维数D值,并测定土壤养分。[结果]①鄂尔多斯地区杨树低效林下土壤颗粒组成主要以细砂粒(42.33%)、极细砂粒(15.72%)、中砂粒(19.77%)为主;主要土壤质地类型为砂土;土壤颗粒的分形维数D值在1.222 5～2.204 5范围内,处于较低水平。②土壤颗粒分形维数D值与粉粒、极细砂粒、细砂粒含量呈显著正相关关系,与中砂粒、粗砂粒、极粗砂粒呈显著负相关关系。③随着土层加深,粒径250μm的土壤颗粒含量增加,粒径250μm的土壤颗粒含量减少;土壤颗粒分形维数D值随土层加深而增大,增大幅度不大。④土壤颗粒分形维数D值与土壤有机质、全氮、速效氮、速效磷含量的关系均未达到显著水平,土壤各养分含量的变化对分形维数D值没有显著影响。[结论]鄂尔多斯地区杨树低效林下土壤颗粒组成以砂粒为主,土壤分形维数较低,土壤结构极不均匀,这样的土壤结构对杨树的正常生长发育极为不利,不良的土壤结构也在一定程度上导致了低效林的形成,因此在对杨树低效林进行预防和改造时也要改善林下土壤结构。     

稻田耕后土壤结构的描述方法与指标——以南京江浦农场为例

稻麦生产体系的制约因素来自于两种作物对不同土壤结构状态的要求,提升其系统产出需要有效的手段实现不同土壤结构状态的转化,而对耕后土壤结构状态的准确描述又是其基本问题。尺度划分是描述土壤结构的基础,耕作力学的土壤结构起点尺度为2mm,且以2倍频的尺度分割规则有利于土壤结构的模型表达。实验表明,粘性水稻土耕后的土壤破碎体主要以大于2mm结构体为主,平均土块径在50mm以下,分形维数为2。不过,平均土块径无法提供准确的土壤破碎体尺度分布信息。而模型描述可以直观且准确反映耕作生成的土壤破碎体尺度分布状况。但是,模型描述仍然不利于提供基于土壤破碎体尺度分布信息的土壤功能及作物生长模型,因此对分布模型进一步参数化是提供高阶土壤结构——作物生长模型的基础。结果分析发现,分形维数D能够将耕后土壤结构参量化,从而这一携带尺度分布信息的单一参量有利于建立高阶模型。     

风沙区不同种植年限苜蓿地土壤团粒组成分形特征研究

为探索人工种植苜蓿草地对土壤结构特征的影响及分形维数与土壤性质之间的关系,运用质量分布分形维数模型计算了宁夏中部干旱带不同种植年限苜蓿地表层土壤(0—20 cm)的分形维数,分析了分形维数的时间变化特点及其与粒径组成、土壤养分等之间的相关性。结果表明:不同种植年限苜蓿地土壤的粒径分布具有不同的分维特征,分形维数在2.828 2².897 8之间,且随着种植年限的增加而增大;土壤颗粒分形维数与<0.106 mm粒径含量的偏相关关系达到极显著水平(P<0.01),与全氮呈显著正相关关系(P<0.05),而与其他粒径含量的偏相关关系及与土壤有机质、pH值、电导率、碱解氮、速效磷、全磷和碳酸钙含量的相关性未达到显著水平。说明分形维数可以反映风沙区苜蓿地土壤氮素恢复的程度,具有一定的指示作用。     

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。     

梨园土壤水分时空分布特征研究

2005年4~8月期间,利用Trime水分速测系统,采用网格化取样方式对烟台农科院梨园的土壤（0~30cm）水分的90个样点进行了四次取样,并运用传统统计学和地统计学方法对土壤水分的数据统计特征、半方差函数和分维数及其时空分布规律进行了分析。结果表明,土壤水分具有明显的空间变异性,测量期内土壤水分变异系数CV分别为0.088 9,0.247 9,0.129 1和0.219 1,半方差函数的变程分别为27.25 m,4.25 m,9.73 m和5.32m,分维值依次为1.842,1.957,1.926和1.929。降雨后测量（第一次测量和第三次测量）的土壤水分变异系数和分维数偏低且变程偏大,说明降雨使得土壤水分的空间依赖性增强,分布趋于均匀,而随后的土壤蒸发则有减弱土壤水分的空间依赖性和促使分布不均匀的效应。     

Surface cracking and aggregate formation observed in a Rendzina soil,La Touche (Vienne) France

A one-cycle field wetting and drying experiment was conducted in order to observe pore space developed in a cultivated Rendzina soil due to surface cracking and to soil aggregate formation at 3-cm depth. Image analysis of 2D representations of pore size distribution and fractal analysis of the spatial distribution of the pores indicates that pore space due to surface cracking does not develop in the same manner as does that formed in the aggregation processes. Both pore-size distribution and fractal dimension vary in different ways at the soil–air interface and at 3-cm depth as drying progresses. Surface cracking occurs as a two-step process where total crack length increases until a maximum and then the cracks widen. Fractal dimensions appear to change as pore space develops. Pores developed when aggregates form show a more continuous process of development of pore sizes with a constant fractal dimension as porosity increases.     

Geometrical features and wettability of dung beetles and potential biomimetic engineering applications in tillage implements

Dung beetles can break up dung pads and compact dung into balls and their cuticle surfaces do not stick dung or soil. The geometrical features of some dung beetles and wetting behavior of the pronotum cuticle surfaces of the dung beetle Copris ochus Motschulsky were investigated. It was found that dung beetles have embossed textured surfaces on their pronotum, clypeus and elytra. The head of dung beetles have shapes similar as bulldozing blades. The forelegs of dung beetles have a tooth-like structure with strong burrowing ability. The number and/or the size of the teeth of the forelegs are dependent upon the species of dung beetles. The pronotum surface profiles of the tested dung beetle C. ochus Motschulsky displayed approximately a statistical fractal character and the estimated fractal dimension of the pronotum surface profile was 1.877. The wetting tests showed that the apparent contact angles of water on the pronotum surface of the dung beetle C. ochus Motschulsky were 91–106.5° and the average contact angle was 97.2°, representing a hydrophobic property. Some potential engineering applications of the geometrical features of dung beetles and the wetting behavior of their cuticle surfaces in biomimetic designs of tillage implements were discussed.     

土壤薄片中石英颗粒分布的分形特征

土壤中石英颗粒的粒度分布对揭示母质来源和模拟土壤结构等具有重要意义。本文根据石英的光学性质,利用数字图像处理技术提取土壤薄片中的石英颗粒信息,并应用分形维数来表征土壤薄片中石英颗粒的分布特征。采集免耕和翻耕处理下土壤样品并制作成土壤薄片,利用偏光显微镜和数字图像处理技术提取土壤薄片中石英颗粒,应用Sigma ScanPro5软件统计了石英颗粒的数量、大小和形状等信息,研究土壤薄片中石英颗粒的数量分形特征;并分析了其同石英颗粒数量、面积和平均半径等的关系。结果表明石英颗粒的数量分布具有明显的分形特征,分形维数在1.60～2.18之间,分形维数同薄片中石英颗粒的总面积和平均半径呈负相关。免耕处理下表层土壤石英颗粒的数量分形维数高于底层,而翻耕处理下则呈相反的趋势。免耕和翻耕措施下土壤薄片中石英颗粒的数量分形维数在0～5和10～15cm层次之间没有显著差异,但是在20～25cm层次,翻耕处理分形维数高于免耕处理,说明耕作措施会加速土壤矿物质的风化和破碎并改变石英颗粒在土壤剖面中的分布。     

分维与土壤特性时空变异性研究进展

论述了几种经典分维的定义及计算方法,阐明了传统分析土壤特性时空变异性不足之处,介绍了近几年来用分维度量土壤特性时空变异性的一些成果,并对分维在今后土壤特性时空变异性中的应用前景作了展望。     

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...     

花岗岩崩岗崩积体颗粒组成及分形特征

崩岗崩积体土质疏松,抗侵蚀能力弱,其颗粒组成及分形维数有其自身的特性。采用激光粒度分布仪对花岗岩崩岗崩积体及崩壁土样的颗粒进行测定,对其土壤颗粒组成及分形特征进行比较分析。结果如下:崩积体土壤以砾石、砂粒、粉粒含量为主,黏粒含量极低,土壤质地主要为砾石土;崩积体各层次土壤颗粒分形维数均值为2.61～2.70,分形维数值较低,反映了其细颗粒损失情况;黏粒含量是影响土壤颗粒分形维数的主要因素;崩壁土体的颗粒分形维数大小能够表征土壤的理化特征,而崩积体土壤颗粒分形维数无法真实反映崩积体的理化性质。     

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。     

Superhydrophobic surfaces: a model approach to predict contact angle and surface energy of soil particles

Wettability of soil affects a wide variety of processes including infiltration, preferential flow and surface runoff. The problem of determining contact angles and surface energy of powders, such as soil particles, remains unsolved. So far, several theories and approaches have been proposed, but formulation of surface and interfacial free energy, as regards its components, is still a very debatable issue. In the present study, the general problem of the interpretation of contact angles and surface free energy on chemically heterogeneous and rough soil particle surfaces is evaluated by a reformulation of the Cassie‐Baxter equation, assuming that the particles are attached on to a plane and rigid surface. Compared with common approaches, our model considers a roughness factor that depends on the Young’s Law contact angle determined by the surface chemistry. Results of the model are discussed and compared with independent contact angle measurements using the Sessile Drop and the Wilhelmy Plate methods. Based on contact angle data, the critical surface tension of the grains were determined by the method proposed by Zisman. Experiments were made with glass beads and three soil materials ranging from sand to clay. Soil particles were coated with different loadings of dichlorodimethylsilane (DCDMS) to vary the wettability. Varying the solid surface tension using DCDMS treatments provided pure water‐wetting behaviours ranging from wettable to extremely hydrophobic, with contact angles > 150°. Results showed that the critical surface energy measured on grains with the highest DCDMS loadings was similar to the surface energy measured independently on ideal DCDMS‐coated smooth glass plates, except for the clay soil. Contact angles measured on plane surfaces were related to contact angles measured on rough grain surfaces using the new model based on the combined Cassie‐Baxter Wenzel equation, which takes into account the particle packing density on the sample surface.