分形几何在土壤学中的应用及其展望

本文介绍了在土壤学中得到应用的分形几何理论的主要内容,论述了分形理论在土壤学中的应用,根据土壤数据的分形结构和性质,探讨了分形理论应用于土壤学的途径和前景。     

分形理论在土壤学应用中的研究进展

分形理论在描述土壤等不规则非均质且具有自相似特征的复杂几何形体方面有其独特的优势,利用分形维数可以直观的定量表征土壤特性及其相关关系,科学而有效的描述土地利用及其空间形态。本文在前人研究的基础上,系统地综述了分形理论在土壤学中应用的研究进展,从分形理论在描述土壤粒径分布和土壤孔隙等土壤物理性质方面的应用、土壤分形特征与土壤特性及土地利用之间的响应关系、定量表征土壤特性的空间变异和模拟土壤物理水分特征参数等方面进行总结和评述,并结合现已展开的工作,对分形理论在土壤学中应用的相关研究领域进行展望,以期在探究利用分形维数表征土壤特性方面取得新突破。     

分形理论在土壤大了忆隙研究中的应用及其展望

土壤大孔隙是普遍存在的现象，而非例外，它们使水及溶质快速穿过土壤，确定大孔隙大小分布需要大量的野外和室内实验。本在对分形理论概念进行简要阐述的基础上，介绍了分形理论在大孔隙研究中所取得的成果，结果表明应用分形理论确定土壤大孔隙性质是一种省时、省力和具有广泛代表性的方法，最后对分形理论在土壤大孔隙研究中应用前景作了展望。     

分形理论在土壤大孔隙研究中的应用及其展望

土壤大孔隙是普遍存在的现象 ,而非例外 ,它们使水及溶质快速穿过土壤 ,确定大孔隙大小分布需要大量的野外和室内实验。本文在对分形理论概念进行简要阐述的基础上 ,介绍了分形理论在大孔隙研究中所取得的成果 ,结果表明应用分形理论确定土壤大孔隙性质是一种省时、省力和具有广泛代表性的方法 ,最后对分形理论在土壤大孔隙研究中应用前景作了展望。     

分形方法在土壤特性空间变异研究中的应用

土壤特性空间变异研究对土壤制图、精准施肥、农业可持续发展等方面具有重要意义。分形几何学是一种探索复杂性的事物的新科学方法和理论,在研究土壤特性空间变异中将有大有可为。本文主要综述了 2000 年以后分形理论在土壤物理特性、化学特性、水分特征及状态参数的空间变异研究中的应用进展,最后对分形理论在土壤特性空间变异研究中的发展方向进行了展望。     

分形理论在土壤科学中的应用及其展望

分形（Ｆｒａｃｔａｌ）理论应用于土壤科学中，探讨解决其微观，宏观领域中众多复杂性的问题，是一种全新思路和方法，本文在对分形的概念进行简要阐述的基础上，介绍了近几个年来分形理论在土壤科学研究中所取得一些成果，并就分形理论今后在土壤科学中应用的前景作了展望。     

分形理论在土壤肥力研究中的应用与前景

分形理论的提出对于定量描述复杂的、高度不规则的系统特征与机理提供了方法.本文从土壤腐殖质、土壤微生物、土壤团聚体等方面回顾了分形理论在土壤肥力研究中的主要结果:土壤腐殖质胶体在不同条件下形成不同分形特征的聚合物;同一种微生物可能形成具有不同分形特征的结构;土壤中的有机无机胶体在不同条件下凝聚成不同的团聚体,从而形成不同的土壤结构并对其肥力功能产生影响.我们认为分形理论在探索土壤的形成过程和肥力功能上将具有重要的应用前景:如团粒结构体的形成可能是由土壤胶体分形凝聚而成;土壤中的活性有机质有逐渐老化的现象,可能和腐殖质胶体由结构疏松的分形结构向普通团聚体过渡的过程有关;土壤微生物在不同微环境下具有不同的分形特征,可以推测在各种土壤过程(包括物理、化学以及生物化学过程)中它们的功能也可能是不一样的.此外,土壤结构的开放程度决定孔隙、水分以及空气的分布,从而决定了微生物的生存空间.所以土壤结构体对微生物空间分布的影响也是将来该领域值得研究的内容之一.     

土壤和润湿研究中的分形现象

分形几何学的理论与方法已被用于土壤表面不规则性、旋耕土块轮廓及表面裂纹形状和分布、土壤值的空间分布及固体表面润湿性的研究中,利用分形维数定量探讨它们的规律性。本文综合评述了土壤表面、土块轮廓与裂纹、土壤值及润湿研究中的分形特性。     

分形理论在农业与食品系统中的应用综述

分形是大自然的几何学,是非线性分析的有力工具,最近的十多年来对其研究和应用方兴未艾,几乎覆盖了所有的科学领域。该文简单介绍分形的基本定义和性质,并主要从3个方面介绍了它在农业、生物系统和食品工程领域的研究进展:首先是土壤结构、土壤颗粒的粗糙性和聚集、水土关系如渗流系数的分形描述、土壤的工程特性和土壤中发生的物理化学生物过程的分形分析等,是许多作者关注的领域;第二是在食品工程领域,食品颗粒的表面粗糙度、速溶咖啡颗粒的分形特征和可溶性的关系、奶酪等食品结构的分性特征、以及分形理论在食品加工质量控制中的应用等;第三是在植物和动物系统中,根系发育的分形描述和计算机模拟、不同植物的分形维数及识别,某些植物生长发育过程的计算机摸拟,动物生理、行为的分形特征以及在生态系统的环境监测中分形理论的一些开创性的研究成果。该文在综述了以上几个方面的研究成果后,对分形理论在这些领域的应用和发展作了讨论和展望。     

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。     

中国土壤空间分布的分形与分维

基于分形理论,对中国土壤空间分布的分形性质进行了定量研究,所得结论为:(1)中国土壤空间分形结构特征客观存在,南方水稻土、黄刚土等53类土壤斑块的周长-面积关系客观存在;(2)中国各土壤类型中,寒漠土分维最大,为1.952,灰漠土分维最小,为1.158;寒漠土斑块镶嵌结构最复杂,灰漠土斑块镶嵌结构最简单;(3)随着我国土壤类型从华南→东北→西北的变化,土壤类型空间分布的分维总体增大;在青藏高原区,各土壤分维出现垂直与水平的复合分布,随着地势自东南向西北的逐渐升高,土壤分维总体变大;(4)中国各土壤类型中,寒漠土稳定性指数值最大,为0.452 4,其斑块镶嵌结构稳定性最高,灰褐土斑块镶嵌结构稳定性最低,稳定性指数值为0.001 3;(5)随着我国土壤类型由南向东北的变化,各土壤类型斑块镶嵌结构的稳定性指数总体变小;在青藏高原区,由东南向西北,各土壤类型斑块镶嵌结构的稳定性指数总体变大;(6)就中国土壤类型的空间分布而言,中国土壤类型斑块空间分布的几何属性对其分维大小可能有直接的影响。     

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。     

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     

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。     

玉米不同育苗方式下土壤团聚体及颗粒分形特征

稳定的土壤团聚结构对种子发芽、根系发育、作物生长以及有机碳保护有着重要的影响。农业管理措施对团聚体胶结剂质量和保存时间影响较大,必然影响土壤团聚体的形成和稳定,不同耕作和育苗方式作为重要的农业管理措施也必将对土壤团聚作用产生影响。选择玉米平作和垄作条件下6种育苗方式的土壤为供试材料,采用标准化平均质量直径和分形理论,探讨了土壤团聚体的稳定性、分形特征及二者之间的关系。结果表明,平作和垄作条件下6种育苗方式对土壤团聚体的稳定性影响不同,平作方式下,秸秆钵直播、包衣直播和垄作方式下,肥团育苗、秸秆钵育苗更有利于大于0.25 mm粒径较大团聚体的形成,对土壤形成稳定的结构具有积极意义;土壤团粒的分形维数与小于0.25 mm粒径含量呈极显著正相关,与0.5～1 mm、1～2 mm粒径含量呈极显著负相关,说明土壤团粒的分形维数越小,土壤团聚体稳定性越强。研究结果说明土壤团聚体的分形维数可以客观地表征土壤结构的稳定性,可以作为表征土壤结构和性质的重要参数,对于深入探讨分形学在土壤综合评价中具有重要意义。     

应用分形维数研究土壤团聚体与低吸力段持水性的关系

将土壤水动力参数和易测定的土壤物理特性联系起来一直是土壤物理学的重要研究内容,分形理论为这方面研究提供了新的途径。本文以贡嘎山亚高山林区11个土壤样品为例,研究了土壤团聚体分形维数和低吸力段持水曲线分形维数的关系。结果表明:分形维数能较好地描述土壤团聚体数量组成、土壤水分分配;干、湿团聚体分形维数(CFD、WFD)与低吸力段持水曲线分形维数(FDw)之间相关系数为0.891、0.759,呈极显著性直线正相关,线性回归方程式定量地描述了研究区森林土壤团聚体对土壤低吸力段持水性能的影响。     

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。