重庆缙云山典型林分土壤结构分形特征

 为了解长江三峡库区森林土壤的物理性质,运用分形原理,研究重庆缙云山4种典型林分林地土壤分形特征,建立土壤结构分维与土壤性质预测模型,运用弹性分析与边际分析,探讨土壤结构分形变化与土壤性质变化的关系。研究表明:土壤机械组成分维、微团聚体组成分维和孔隙组成分维可作为评价土壤结构的指标。不同林分林地土壤颗粒机械组成分维值为2.7～2.9,土壤微团聚体组成分维为2.5～2.8,土壤孔隙组成分维为2.3～2.8。从质地、微团聚体组成和孔隙组成来看,常绿阔叶灌丛土壤结构要明显优于其他林地土壤,而楠竹林最差。不同林分及农地土壤的微团聚体组成、机械颗粒组成和孔隙组成分维与土壤性质存在较明显相关关系,相关系数都在0.5以上。由弹性系数和边际量可以看出,机械分维的影响要大于微团聚体分维和孔隙组分维。这对进一步探讨分形学在土壤结构与土壤性质的应用方面有重要的意义。     

滇中水源区典型林地土壤结构分形特征及其对土壤抗蚀、抗冲性的影响

为探讨土壤结构分形特征与土壤抗蚀、抗冲性的关系,采用分形原理、弹性及边际分析法对滇中重要水源区迤者小流域内3种典型林地(以坡耕地对照)土壤孔隙组成、颗粒组成和微团聚体组成分形维数及其对土壤抗蚀、抗冲性的影响进行分析。结果表明,各林分类型下土壤孔隙组成分形维数分布于2.687 9~2.741 3之间,土壤颗粒组成分形维数为2.759 6~2.856 9,微团聚体组成分形维数为2.701 3~2.731 1之间,林地土壤结构分形特征均优于坡耕地,混交林对改良土壤结构作用优于纯林。林地土壤抗蚀、抗冲性优于坡耕地,且随着坡度的增大,混交林对提升土壤抗蚀、抗冲性效果更佳。不同林地土壤的抗蚀指数以针阔混交林地最大(39.0%),桉树林地次之(37.0%),云南松林地最小(24.0%),均优于坡耕地(20.1%);不同林地同一土层抗蚀指数差异极显著,且随土层深度的增加,土壤抗蚀指数逐渐减小;林地土壤抗蚀、抗冲性优于坡耕地,混交林对提升土壤抗蚀、抗冲性效果更佳。区域土壤的孔隙组成、颗粒组成和微团聚体组成分形维数与表征土壤抗侵蚀性质的抗蚀指数与抗冲系数存在显著的相关关系,关系模型分别为:γ=(4.27×10-21)D7.867tD-56.048jD1.514k和γ=(1.67×10-14)D-50.063tD-0.813jD19.468k,相关系数分别为0.819和0.841。通过弹性和边际效应分析可知,土壤抗蚀、抗冲性受土壤结构分形特征的影响较明显,土壤孔隙组成分形特征对土壤抗蚀、抗冲性的影响大于颗粒组成和微团聚体组成分形特征的影响,且土壤结构分形特征对土壤抗蚀性的影响较抗冲性更显著。     

不同模式地埂植物篱对土壤颗粒组成特征参数的影响

以空心砖地埂模式(Ⅰ)为对照,研究了不同模式的地埂植物篱模式:土埂+牧桂1号(Ⅱ)、砖砌埂+苎麻(Ⅲ)、圆木排+黄花(Ⅳ)、竹排篱+韭菜(Ⅴ)在拦沙减蚀过程中对坡面土壤的改良效应,并运用分形理论与矩法估计统计对比研究了土壤机械组成与微团聚体的粒度参数特征,并将两者变化与土壤理化性质的改变进行拟合。结果表明:(1)不同模式的地埂植物篱模式下,土壤机械组成分形维数变化量介于(-0.020 6)~0.161 8之间,其变幅表现为模式Ⅲ模式Ⅳ模式Ⅴ模式Ⅱ模式Ⅰ,且与细黏粒、粗黏粒、粗沙粒的改变量呈显著线性关系;(2)土壤微团聚体分形维数变化量介于(-0.080 3)~0.056 5之间,其变幅表现为模式Ⅳ模式Ⅱ模式Ⅲ模式Ⅰ模式Ⅴ,模式Ⅳ下大粒径团聚体增加最多,分形维数减少最大;(3)模式Ⅰ、Ⅱ、Ⅴ均增加了土壤机械组成偏倚系数CS、峰凸系数CE,其颗粒级配变细,同时模式Ⅱ细粒化较显著,且占优势的大粒径微团聚体组成右偏移最明显;(4)土壤机械组成及微团聚体的分形维数高低不仅能反映土壤结构特征优劣,同时其数值变化程度大小能揭示土壤结构性质变化大小及方向。     

石漠化地区林草复合治理对土壤团聚体稳定性和可蚀性的影响

石漠化治理区林草复合系统下土壤结构状况是衡量石漠化生态治理成效的重要指标。为探讨石漠化治理中不同林草配置方式对土壤团聚体的影响,以复合林草地为研究对象,天然灌草地为对照,采用大团聚体含量、结构破坏率、团聚体直径指标(MWD,GMD)、分形维数(D)和K值对土壤团聚体的稳定性及可蚀性进行了分析。结果表明:与天然灌草相比,人工林草能有效地增加土壤机械稳定性、水稳性大团聚体含量,降低土壤结构破坏率。人工林草地与草地土壤团聚体MWD,GMD较高,D值较低;4种典型林草配置模式下的土壤团聚体稳定性指数表现为ASI_(林草地)ASI_(人工灌草)ASI_(林灌草地)ASI_(人工草地),显然林草地团聚体结构更为稳定。林草复合模式下土壤可蚀性K值较低,但影响尚未达到显著水平。此外,团聚体含量分别与土壤团聚体直径指标(WMD,GMD)和分形维数(D)呈线性相关关系;1,2,5 mm粒级是土壤团聚化过程中的重要临界点。研究表明,人工林草地有利于增强土壤结构稳定性和减少水土流失,宜于在该区域进一步实施和推广。     

网格式生物埂对坡面土壤颗粒分形特征的时间效应

为研究网格式生物埂护坡的时间效应,以无生物埂护坡的裸坡为对照,运用分形学原理,对实施年限为1～4年的黄花生物埂坡面土壤机械组成及微团聚体分形维数特征进行研究,并将两者的分形维数与土壤理化性质之间的关系进行拟合.结果表明:(1)各实施年限土壤机械组成分形维数介于2.634～2.786之间,且表现为T4＞T3＞T2＞T1＞CK,与＜0.05 mm粒级颗粒含量呈显著的线性关系;(2)各实施年限土壤微团聚体分形维数介于2.486～2.602之间,且表现为CK＞T1＞T2＞T3＞T4,与＜0.01 mm粒级颗粒含量呈显著的线性关系;(3)坡位对土壤机械组成及微团聚体分形维数的影响明显,1～4年的黄花生物埂土壤机械组成分形维数值表现为坡上＞坡中＞坡下,微团聚体分形维数值表现为坡上＜坡中＜坡下,而作为对照的裸坡分别表现出与之相反的规律;(4)土壤机械组成、微团聚体分形维数与土壤基本理化性质均极显著相关.     

黔中喀斯特地区不同地类土壤土力学特征研究

土壤黏聚力、内摩擦角及紧实度在一定程度上影响着土壤侵蚀。通过对黔中喀斯特地区林地、灌草地和坡耕地3种地类土壤的剖面调查、紧实度测定、原状土剪切试验,研究了黔中喀斯特地区不同地类土壤的土力学特征,结果表明:不同地类A层土壤黏聚力c水平分布特征为林地(52.28kPa)灌草地(36.80kPa)坡耕地(25.05kPa),垂直变化不明显;A层土壤内摩擦角φ水平分布特征为林地(28.28°)坡耕地(17.94°)灌草地(16.52°),垂直变化特点为B层大于A层;A层土壤紧实度水平分布特征为林地(1019kPa)灌草地(914kPa)坡耕地(535kPa),A层与B层差异性显著,地类对A层影响明显,总体上表现为上松下紧的态势;土壤紧实度与黏聚力呈正相关关系。     

基于流变学法研究容重和含水率对土壤结构力学稳定性的影响

土壤结构力学稳定性不仅与土壤质量和肥力密切相关,而且还与农业器具设计和农业水土工程建设紧密联系。该研究以黄土高原广泛分布的塿土和黄绵土为研究对象,采用振幅扫描试验模拟振荡荷载过程,研究土壤容重和含水率对土壤结构力学稳定性的影响。结果表明：1）随土壤容重的增加,土粒间接触点增多,使得剪切强度参数：线性黏弹区的剪切应力、屈服点的剪切应力、最大剪切应力及屈服点的储能模量均增加,土壤结构强度增强;其在较大剪切应变下的弹性和总的弹性（屈服点的剪切应变和积分z）先增大后降低,表明土壤颗粒存在一个最稳定的排列组合方式。同时,剪切强度参数对土壤容重的响应更为敏感。2）随含水率的增加,土壤颗粒间黏聚力和摩擦力降低,剪切强度参数：线性黏弹区的剪切应力、屈服点的剪切应力、最大剪切应力及屈服点的储能模量均降低,土壤结构强度降低;当剪切应变在线性黏弹区时,弹性随含水率的增加而增加,而较大的剪切应变下的弹性和总的弹性随含水率增加均降低。3）对比2种土壤,因塿土的黏粒、有机质、阳离子交换量、比表面积等较高,增加了土粒间的胶结强度,使得塿土的弹性和剪切强度较高,而黄绵土结构更具脆性。该研究结果表明基于流变仪中的振幅扫描测试所获取的流变学参数能够定量表征土壤细观结构力学稳定性,为进一步深入认识土壤微观力学特性提供了丰富的评价参数。     

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。     

红壤侵蚀地生态修复后水源涵养功能研究

在江西省泰和县老虎山小流域内采用5种模式进行人工森林重建,即设置强烈干扰马尾松林分(模式A)、封育马尾松林分(模式B)、竹节沟马尾松林分(模式C)、种草竹节沟马尾松林分(模式D)、竹节沟湿地松林分(模式E)5种林分,对其林冠层和林下植被层截留、凋落物层持水量以及林地土壤层渗透及贮水性能进行了研究。结果表明:模式E的林冠层及林下植被层截留量最大,模式A最小;模式D的凋落物层持水量最大,其次是模式C,模式B和E相等,为最小;模式B土壤渗透性能最好,其次为模式D,模式E的初渗速率最小,模式A的稳渗速率最小;土壤贮水性能以模式D最大,其次为模式B,模式E最差。试验表明选择适宜的生态修复模式,保护和改良土壤结构,提高土壤层涵蓄水分的能力和土壤渗透性,是提高红壤严重侵蚀地水土保持林水源涵养功能的关键。     

土壤含水率对浅层滑坡体不同层次土壤抗剪强度的影响

采用5种土壤质量含水率(0.05,0.08,0.10,0.12,0.15)水平,进行浅层滑坡体不同层次土壤在不同含水率条件下的不固结不排水剪切试验.试验表明,浅层滑坡体不同层次土壤抗剪强度与土壤含水率密切相关.土壤含水率对浅层滑坡体A层、B层和C层土壤抗剪强度指标的影响呈现出相同的规律.A层、B层和C层土壤黏聚力均随着土壤含水率的增加基本呈先增大后减小的趋势,在土壤含水率为0.10左右时土壤黏聚力达到其最大值,在相同土壤含水率条件下,土壤黏聚力的分布规律为C层>B层>A层.A层、B层和C层土壤内摩擦角随着土壤含水率的增加近似呈线性减小,在相同土壤含水率条件下.土壤内摩擦角的分布规律为C层>B层>A层,但就随土壤含水率的增加,土壤内摩擦角减小的速率而言,呈现出B层>A层>C层的规律.消除和减轻地表水的危害是我国西南丘陵山地滑坡灾害防治的重要环节.     

红壤丘陵区不同植被类型土壤颗粒分形与水分物理特征

为探明红壤丘陵区不同植被对土壤分形结构及水分物理特征的改良作用与机制,运用土壤分形学和水文物理学原理与方法,以南方红壤丘陵区福建省长汀县为例,研究经济林、针阔混交林、乔灌混交林及针叶林4种植被类型土壤颗粒组成、分形维数、水分物理参数及其相关性。结果表明:1)红壤丘陵区不同植被类型土壤中以粗砂粒质量含量最高,细砂粒和石砾质量含量次之,粉黏粒质量含量较低,与裸地相比,不同植被类型具有显著提高土壤细砂砾和粉黏粒质量含量的作用,并且混交林作用程度高于纯林;2)红壤丘陵区不同植被类型具有降低土壤密度、增加土壤孔隙度的功能,针阔混交林、乔灌混交林、针叶林、经济林土壤的饱和蓄水量分别是裸地的1.20、1.16、1.14和1.10倍,表土层(0～20 cm)贮水能力好于表下土层(20～40 cm);3)土壤颗粒分形维数与土壤粉黏粒、总孔隙度、饱和蓄水量、孔隙比呈极显著正相关,与石砾质量含量、土壤密度呈极显著负相关,红壤丘陵区4种植被类型土壤均为不均匀性良好的土壤,以混交林土壤粒径分布结构较好,尤其是以针阔混交林的最好,其次是纯林的,针叶林好于经济林,表土层(0～20 cm)大于20～40 cm土层。     

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。     

Fractal features of soil particle size distribution and the implication for indicating desertification

Some of the effects of land desertification on soil properties are manifested by the coarsening of the soil particlesize distribution (PSD) and the losses in organic C and nutrients. The changes and characteristics of PSD and selected chemical properties in soils at the 0-15 cm plough layer from different degrees of desertified croplands are analyzed in the semiarid Horqin Sandy Land, northern China. The fractal dimension of the PSD is emanated to characterize the patterns of PSD. The relationships between the fractal dimension of the PSD and selected soil properties are discussed. The results show that: (1) in the transformation from potential desertified cropland to extremely desertified cropland, the sand content at the 0-15 cm soil increased from 69% to 93%, organic C and total N contents decreased by 65% and 69%, respectively; (2) the fractal dimension of PSD ranged from 2.179 to 2.611, the more the contents of sand, the lower the fractal dimension and the higher the desertified degree of farmland. In the desertification process within the studied area, the mean fractal dimension decreased from 2.555 for the potential desertified soils to 2.298 for extremely desertified soils; (3) there existed considerable linear relationships between fractal dimension and soil properties. It was shown that fractal dimensions of PSD are useful parameters able to monitor soil degradation and to estimate the degree of soil desertification.     

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...     

岷江上游典型植被下土壤分形特征及对水分入渗的影响

以岷江上游5种典型植被类型下(高山栎林、岷江冷杉林、灌竹林、阔叶乔木林、高山草甸)土壤颗粒组成数据为基础,运用分形模型计算出这5种类型土壤颗粒的分形维数,研究了土壤颗粒分形维数与土壤性状的关系。结果表明,15个样地表层土壤颗粒的分形维数D为1.117～1.315。通过逐步多元回归分析,土壤颗粒分形维数仅与<0.002 mm的颗粒含量相关系数达到极显著。根据土壤入渗过程曲线将入渗过程划分为3个阶段:(1)入渗瞬变阶段(0～8 min);(2)入渗渐变阶段(8～30 min);(3)入渗稳定阶段(30～120 min),表明土壤入渗过程主要受土壤机械组成、团聚体和孔隙组成的综合影响。在整个入渗过程中,高山栎林、灌竹林和阔叶林的渗透速率要高于冷杉林和草甸。     

不同生态修复措施下水库水源涵养区土壤粒径分布的分形特征

研究了桃林口水库水源涵养区不同生态修复措施下的土壤粒径分布的分形特征及其与土壤容重、有机质含量、孔隙度的相关关系.结果表明:(1)不同生态修复措施下土壤的粒径分布、分形特征不同,其分形维数在2.709 9～2.778 4之间,由大到小顺次为:荒坡封育型>荒坡造林型>疏林补植型>有林地封禁型(人工林)>缓坡梯田封育型>有林地封禁型(天然次生林)>陡坡梯田封禁型.(2)分形维数与不同粒级含量的相关性具有明显差异.分形维数与粘粒成极显著正相关,与3～0.005 mm粒径含量成负相关,与0.005～0.001 mm粒径含量成正相关,与<0.001 mm粒径含量成极显著正相关.(3)分形维数与土壤容重成显著正相关,与有机质含量成显著负相关.与非毛管孔隙度和总孔隙度成极显著负相关,而与毛管孔隙度的相关性不明显.     

农田土壤颗粒尺寸分布分维及颗粒体积分数的空间变异性

盐渍土膜下滴灌过程中的土壤理化性质存在空间变异性,对灌溉管理有一定影响。该文根据3个不同尺度下土壤采样及颗粒尺寸分布（PSD）测定结果,探讨了土壤PSD分维和颗粒体积分数之间的定量关系,分析了各尺度和综合尺度下土壤PSD分维和颗粒体积分数的经典统计特征和地质统计特征,根据颗粒体积分数的半方差函数计算了不同尺度颗粒体积分数的分形维,并做出了等值线图。研究表明,土壤PSD分维与黏粒的体积分数呈正相关关系,黏粒体积分数增大引起PSD分维增加的原因在于细颗粒的比表面积比粗颗粒的大;各尺度土壤PSD分维及颗粒体积分数均无强变异特征;不同尺度下土壤PSD分形维的半方差函数中块金和基台值均非常低;50 m尺度土壤PSD分维和黏粒体积分数的等值线图具有类似的集中度和走势,而砂粒体积分数和粉粒体积分数则具有相反的集中度和走势。该研究说明土壤PSD分维和颗粒体积分数都有一定的尺度依赖性。     

伏牛山区迎河小流域不同土地利用类型的土壤粒径分布特征

为探讨伏牛山区坡耕地土壤物理性能的退化特征,在河南省鲁山县迎河小流域,利用激光粒度仪和土壤分形模型,比较分析了4种土地利用类型的土壤粒径分布(PSD)及其分形特征.研究结果表明:1)土壤PSD简单分维(Dv)以乔木林地最高(2.658),坡耕地最低(2.489),多重分维(容量维D0、信息维D1、关联维D2)以乔木林地最高(0.941、0.926、0.91),坡耕地最低(0.927、0.899、0.849).不同分形参数均表现为:坡耕地＜灌草坡地和水平梯田＜乔木林地;2)土壤PSD的Dv、D0、D1和D2,与黏粒和粉粒体积分数显著正相关,与砂粒体积分数显著负相关.因此,利用土壤PSD简单分形和多重分形维数,可量化表征土壤质地的粗细程度和非均匀性质的差别;坡耕地土壤质地的粗粒化程度和非均匀性明显大于其他土地利用类型;土壤细粒(黏粒和粉粒)物质流失是坡耕地土壤质地粗粒化和非均匀程度增大的重要原因.     

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。