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。     

龙脊梯田不同土地利用方式下土壤粒径分形特征北大核心CSCD

分析龙脊梯田不同土地利用方式土壤粒径分布规律,为龙脊梯田森林水源涵养、稻田耕作管理提供参考依据。以龙脊梯田竹林、杉木林、混交林和稻田四种土地利用方式为研究对象,测定土壤颗粒粒径和基本物理性质,计算土壤粒径分形参数,基于主成分分析、相关分析和逐步回归分析探讨土地利用方式对土壤粒径分形特征的影响。结果表明,杉木林粘粒含量最高,竹林砂粒含量最高,不同土地利用方式下的土壤粒径均主要分布在2~200μm,约占79.4%。多重分形维数中容量维D(0)、信息维D(1)、关联维D(2)值依次为杉木林>混交林>稻田>竹林,信息维/容量维D(1)/D(0)和单重分形维数D值依次为杉木林>竹林>稻田>混交林,奇异谱函数的谱宽△α和对称度△f均为混交林最大、稻田最小。D和△f分别与土壤粘粒和砂粒含量相关性最密切(P<0.01),D(0)和D(1)/D(0)与土壤粉粒含量相关性最密切(P<0.05)。土地利用方式可通过影响土壤机械组成来改变分形参数的大小,杉木林的土壤D、D(0)、D(1)、D(2)、D(1)/D(0)值均最大。     

图有向自相似测度的重分形

研究了图有向自相似集,在开集条件下,获得了该集合关于伴随的自相似测度的重分形分解公式．该结果将Edgar和Mauldin的相应结果所必需的条件——正分离条件做了本质上的修正,使其减弱为开集条件．     

巴丹吉林沙漠梭梭林下沙质土壤的粒径变化和空间分布特征研究

梭梭（Haloxylon ammodendron）是巴丹吉林沙漠常见的小乔木，其林下沙质土壤对梭梭的生长发育具有重要意义。本研究以巴丹吉林沙漠东缘的塔木素野生肉苁蓉（Cistanche deserticola Ma）及梭梭产籽基地的沙质土壤为对象，选定代表性大样地并进行机械取样，结合多重分形和联合多重分形分析，结果表明：巴丹吉林沙漠梭梭林下沙质土壤以细沙（φ≤0.25 mm）和中沙（0.25<φ≤0.5 mm）为主，占比高达95%以上；二者在不同沙层空间分布状态可以互相表征，具有多重分形和联合多重分形特征。细沙和中沙空间分布为梭梭林提供了必要的土壤基质和水分条件；粗沙空间分布的随机性以及细沙、中沙小概率子集空间分布复杂性为其他物种入侵和生存提供了多样化的小生境。整体上，梭梭林沙质土壤以细沙和中沙空间分布占主导，大概率子集决定景观特征，其小概率子集和粗沙空间分布的随机性为植物生存提供了多样化的小生境。     

基于多重分形理论的海州湾海底地形构建

以海州湾为研究区域,通过数字化日照港至灌河口海图,引入用多重分形理论改进的Kriging方法对海州湾海底地形进行了构建与三维可视化,并与普通Kriging插值方法的插值结果进行了比较。结果表明：两种方法的插值结果均表明海州湾水下地形起伏不大,呈明显条带状分布;但普通Kriging法对数据集的拉伸较为明显,而基于多重分形的Kriging法由于考虑了空间数据分布的局部奇异性,对数据集的拉伸较小,得到的插值结果更为准确,并能从宏观与微观两个角度更好地呈现海州湾的海底地形。     

Effects of restoration modes on the spatial distribution of soil physical properties after land consolidation: a multifractal analysis

Soil physical properties (SPP) are considered to be important indices that reflect soil structure, hydrological conditions and soil quality. It is of substantial interest to study the spatial distribution of SPP owing to the high spatial variability caused by land consolidation under various land restoration modes in excavated farmland in the loess hilly area of China. In our study, three land restoration modes were selected including natural restoration land (NR), alfalfa land (AL) and maize land (ML). Soil texture composition, including the contents of clay, silt and sand, field capacity (FC), saturated conductivity (K_s) and bulk density (BD) were determined using a multifractal analysis. SPP were found to possess variable characteristics, although land consolidation destroyed the soil structure and decreased the spatial autocorrelation. Furthermore, SPP varied with land restoration and could be illustrated by the multifractal parameters of D₁, ∆D, ∆α and ∆f in different modes of land restoration. Owing to multiple compaction from large machinery in the surface soil, soil particles were fine-grained and increased the spatial variability in soil texture composition under all the land restoration modes. Plough numbers and vegetative root characteristics had the most significant impacts on the improvement in SPP, which resulted in the best spatial distribution characteristics of SPP found in ML compared with those in AL and NR. In addition, compared with ML, ∆α values of NR and AL were 4.9- and 3.0-fold that of FC, respectively, and ∆α values of NR and AL were 2.3- and 1.5-fold higher than those of K_s, respectively. These results indicate that SPP can be rapidly improved by increasing plough numbers and planting vegetation types after land consolidation. Thus, we conclude that ML is an optimal land restoration mode that results in favorable conditions to rapidly improve SPP.     

土壤水盐空间异质性及尺度效应的多重分形

为了揭示研究区域林地内土壤含水率和电导率的空间分布特征及尺度效应,利用多重分形方法,对杨凌一林地内不同采样时间和不同采样面积下土壤含水率和电导率的空间异质性进行了研究。结果表明：3种采样面积下土壤含水率和电导率的空间异质性都分别随平均含水率和电导率的增大而减弱。随采样面积的增大,平均含水率和电导率较高时,土壤含水率的空间异质性趋于增强,土壤电导率的尺度效应不明显;平均含水率和电导率较低时,土壤含水率和电导率的空间分布都存在明显的斑块结构。不同采样时间和不同采样面积下土壤含水率和电导率的多重分形谱的形态有所差异,表明引起他们空间异质性的信息有所不同。多重分形分析能揭示出较多的采样林地内土壤含水率和电导率分布的局部信息。     

作物根系影响下的农田干缩裂隙网络多重分形分析

【目的】分析农田中作物根系对土壤裂隙网络的影响。【方法】通过室外农田土壤裂隙试验,获得土壤裂隙数字图像,利用数字图像处理技术与编程计算,对比分析作物根系影响产生的裂隙网络与无根系影响的裂隙网络的广义分形维数D_q,多重分形奇异指数α以及分形谱函数f(α)。【结果】无作物的裂隙图像的面积密度大于含有作物的裂隙图像的面积密度,表明无作物的土壤裂隙宽度较大;无作物的土壤裂隙图像的长度密度与欧拉数均大于有作物根系的土壤裂隙图像,表明无作物根系的土壤裂隙较长且形成封闭的裂隙网络较多;广义分形维数的整体变化幅度为无作物裂隙大于有作物影响的裂隙;有作物根系影响的裂隙的谱宽小于无作物根系的土壤裂隙的谱宽;作物根系影响下的裂隙D_0值大于无作物的土壤产生的裂隙;根系影响下的土壤裂隙D_1更大;无作物土壤产生的裂隙的D_0与D_2的差值最小,说明其分布的非均匀性更好。【结论】作物根系的锚固作用并没有使土壤裂隙失去非均匀分布特性,土壤裂隙网络非均匀性特征明显;根系的影响使得土壤裂隙分布的非均匀性更小;测量尺度为25/8～50 cm时,无作物的裂隙分形复杂性最大。多重分形参数可以作对比作物影响下的裂隙与无作物的裂隙非均匀性的重要指标。     

松嫩平原黑土区有机质空间分布特征及影响因素

为研究区域尺度土壤有机质分布特征及其影响因素,以松嫩平原黑土区中部为研究区,利用经典统计学、地统计学和多重分形结合方法,探究土壤有机质分布特征及其变异规律,通过方差分析法明确高程及土地利用类型对有机质含量影响程度。经典统计学分析表明,0～20和20～40 cm土层土壤有机质含量平均值分别为57.896和53.371 g·kg~(-1),处于较高水平,变异系数分别为0.462和0.498,均为中等变异;地统计学分析表明,0～20和20～40 cm土层土壤有机质块金系数分别为0.626和0.712,说明有机质均具有中等相关性,东北至西南方向和北向南方向土壤有机质均逐渐降低,高斯模型为不同土层土壤有机质最佳拟合模型;多重分形分析表明,0～20 cm土层有机质空间变异性略低于20～40 cm土层,低值决定其空间变异性;方差分析表明,高程越高土壤有机质含量越高,不同土地利用类型中有机质含量排序为:林地耕地草地。综合分析得出,有机质低值信息、高程以及土地利用类型对研究区土壤有机质影响较大。     

黄土高原水蚀风蚀交错区小流域泥沙粒径的分形分析

泥沙颗粒特征是表征泥沙表面形态、泥沙机械组成、排列模式及泥沙絮凝现象的主要物理属性之一。在水土流失严重的水蚀风蚀交错区,不同地表覆被类型的侵蚀产沙方式和粗泥沙的侵蚀产沙强度很不均衡,导致其泥沙粒径分布的差异很大。以黄土高原典型淤地坝为例,采用分形原理和多重分形理论研究淤地坝坝控小流域泥沙粒径的分形特征,结果表明:淤地坝坝内泥沙与坡面泥沙存在线性关系,相关系数高达0.93;泥沙粒径分形维数D在淤地坝坝内垂直方向上随泥沙颗粒的增大而减小;分形的5个特征参数D,D（0）,D（1）,D（2）,D（0）/D（1）均表明不同地表覆被类型下,草地的粒度分布较均匀,裸地次之,分布最狭窄的是砂岩,该结果可为小流域泥沙来源和水土保持治理措施提供重要依据。