分形及其在土壤科学中的应用

介绍了分形这一新兴的数学分支,并讨论了分形理论在土壤科学中的价值和应用。结合相应的模型论述了分形理论在土壤水分特征曲线及在土壤大孔隙流研究中的应用。     

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。     

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。     

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。     

土壤图像孔隙轮廓线分形特征及其应用

孔隙轮廓线分形维数是用来描述孔隙本身所具有的分形特征，它反映了土壤孔隙与固体颗粒接触界限的不规则性。该文采用数字图像处理技术研究了中国科学院封丘农业生态实验站内3种不同质地土壤样本图像的孔隙轮廓线分形特征。结果表明：土壤孔隙轮廓线分形特征与土壤质地之间存在着一定的相关关系，即土壤质地越细(黏粒含量越高)分形维数取值越大。同时，根据这3种土壤的孔隙轮廓线分形维数，结合不同分形方法分别预测了它们的水分特征曲线，并与实测的土壤水分特征曲线进行了比较。     

成都平原土壤颗粒分形特征及应用

采用分形模型研究了成都平原土壤颗粒分形维数的变化特征以及分形维数与土壤性状间的关系。结果表明成都平原土壤颗粒分形维数(0￣40cm)介于2.903￣3.005之间。在水平方向上东北方的中江县最大,西南方向的温江区和双流县次之,北方的绵竹市最小。土壤颗粒分形维数是反映土壤质地的一个较好的指标,重点反映粘粒含量,其次是粉粒含量。分形维数的变化能很好的表征平原区土壤化学、物理性状的变化趋势,可以作为评价土壤结构、土壤肥力诊断的一个综合指标。     

我国土壤科学发展与展望

本文对我国土壤发生分类及土壤调查、土壤化学、土壤农业化学、土壤物理学、土壤粘土矿物，土壤生物化学、土壤微生物学和土壤生态学的发展前景作了概括性展望，并对过去的工作也作了必要的回顾。     

土壤含水量和容重的空间变异及其分形特征

在小区面积为７．５ｍ×７．５ｍ的冬小麦农田,用烘干法和时域反射仪分别测定了表层０－１５ｃｍ土壤含水量和体积含水量,并用θｖ／θｇ求得土壤的容重。小区内测定网格单元为０．５ｍ×０．５ｍ。根据测定结果,用常规统计方法计算了均值,平均差,标准差,变异系数等传统统计特征值,并指出了用该方法表示土壤特性引起的困惑。     

耗散结构理论在土壤科学上应用途径的探索

本文根据耗散结构的基本理论，结合生产实践经验，提出了表征土壤肥力的非线性微分方程：ｄｘ／ｄｔ＝（Ｋ－ｂ）ｘ－βｘ＾２ ｘ－土壤生物活性，ｔ－时间，Ｋ－生物繁殖系数，ｂ－生物死亡系统，β－生物饱和系数。解这个并不复杂的非线性微分方程，便可知道土壤是处于热力学分枝，还是耗散结构分枝，这对研究土壤肥力的动态变化、土壤肥力的分类、土壤的管理、土壤退化的防止等方面有着无法预测的应用前景。     

土壤粒径分布单重分形与孔隙单重分形

土壤颗粒大小的分布是重要的土壤物理性质,对土壤水、气、热传导特性有着显著的影响。鉴于土壤颗粒分形在分析和描述岩土介质多孔结构的优势,本文通过对5种不同质地的土样进行颗粒分析与水分特征曲线的测试。结果表明:土壤结构定量化表征的方法就是确定土壤结构的分形维数,针对不同地区的土壤,可以通过土壤粒径分布分形维数体现土壤粒径分布的情况,分形维数越大,颗粒粒径越小,细粒含量越高,质地越发呈现不均匀性;且可利用土壤粒径分形维数估算土壤孔隙分形维数。为建立土壤粒径分布模型提供数据支持,同时也为推进土壤结构的研究进展提供了新的方向。     

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.     

北京地区表层土壤分形特征研究

土壤是一种具有分形特征的复杂系统.分形维数可以反映很多土壤特性.本研究考虑了7种土壤类型、4种土地利用类型,在北京地区选取了30个典型样点,对复杂地理环境表层土壤的分形特征进行了分析,探讨了分形维数与土壤质地、土壤理化性质等方面的关系.研究结果表明,在复杂地理环境条件下,土壤颗粒分形维数总体变异性较弱;分形维数与黏粒含量呈显著正相关,与(砂粒含量+粉粒含量)和黏粒含量的比值呈显著负相关.分形维数可以反映土壤质地,但仅可指示部分重要土壤的理化性质.     

喀斯特植被恢复过程中的土壤分形特征

基于粒径的重量分布表征分形维数的计算方法,对喀斯特山区植被恢复过程中的土壤颗粒、团聚体、微团聚体粒径分布的分形维数进行研究,并分析其与土壤理化性质的关系。结果表明,随着植被的不断恢复,>0.25mm水稳性团聚体不断增多,土壤结构不断改善;土壤颗粒分形维数除与土壤水解氮呈显著正相关外(P<0.05),与其他因子的相关性较小,均未达显著性水平;土壤微团聚体和水稳性团聚体分形维数与有机质和全氮、水解氮呈显著负相关,与结构体破坏率呈显著正相关。土壤微团聚体及水稳性团聚体分形维数能较好地反映植被恢复过程中土壤理化性质的演变,可以作为定量评价喀斯特植被恢复过程中土壤结构演变的指标;坡耕地的土壤结构最差,退耕还林有利于喀斯特山区水土保持。     

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。