单颗粒表面分维数学模型构建及其应用研究——以华南地区5种土壤颗粒为例

构建了单颗粒表面分维数学模型,并以高精度数字光学显微系统为基础,测算了5种土壤颗粒样品的单颗粒表面分维,形成了一套简约的单颗粒表面分维分析方法。并且,文章首次提出表面分维"中位维"的概念,用以表征颗粒群平均表面分维的大小,并验证了将"中位维"作为颗粒群粗糙度的合理性。     

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。     

土壤颗粒尺寸分布及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一尺寸标度关系，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（Ｌｕ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。结合土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     

弃耕农田土壤分形特征研究—以内蒙古自治区伊金霍洛旗为例

对内蒙古自治区伊金霍洛旗不同弃耕年限农地土壤颗粒分维数的变化特征研究结果表明,土壤细颗粒含量越少,土壤分维数越低,表征农田沙漠化程度越高。土壤分维数与各粒级颗粒组分间的关系差异较大,分维数与<0.025mm组分的相关关系最大,<0.025mm粒径颗粒组分是农田土壤沙化的重要指示性粒径。土壤有机质和N含量与土壤分维数成指数关系,表明分维数可作为表征农田沙化演变中土壤结构和养分状况以及沙化程度,评价土壤沙化演变的综合性定量指标之一。     

天然降雨条件下3种土壤坡面的侵蚀过程及颗粒组成

选取南方红壤侵蚀区3种典型的侵蚀土壤坡面和3场具有代表性的天然降雨,在同等试验条件下对其产流产沙规律及降雨前后坡面土壤颗粒组成进行对比。结果表明：在相同的侵蚀条件下,3种土壤的径流量表现为紫色土〉花岗岩红壤〉第四纪红黏土;产沙量表现为花岗岩红壤〉紫色土〉第四纪红黏土;通过降雨前后3种土壤表面的颗粒组成比较发现,3种土壤表面颗粒均有粗化的趋势。大量细颗粒的流失,是造成土壤退化乃至生态恶化的重要原因。     

硅酸盐黏土矿物的表面酸性研究进展

表面酸性是硅酸盐黏土矿物的重要表面化学性质之一。本文综述了硅酸盐黏土矿物表面酸性的主要测定方法,讨论了黏土矿物表面酸性的发生源及其影响因素,并论述了黏土矿物表面酸性与有机碱化合物吸附固定行为之间的关系。     

祖厉河流域水系分维与地貌发育阶段浅析

根据Horton-strahle水道序列划分原则,采用数学模型,对黄河上游水土流失严重的祖厉河流域进行分析计算,得出该流域水系分维及其主河道分维,并确定了其流域发育阶段,为同类型区的小流域水系分维计算、地貌发育阶段的确定和水土保持工作提供可操作性强的方法。     

鲁中山区小流域不同土地利用类型的土壤分形及水分入渗特征

为探讨坡耕地土壤入渗性能退化特征与分形机制,对鲁中山区选择典型小流域,运用土壤分形和水文学原理与方法,通过测定坡耕地、弃耕地、生态林地和经济林地4种土地利用类型的土壤分形特征与入渗性能,探讨土壤人渗速率与土壤颗粒分维及孔隙分维的定量关系。结果表明：1）不同土地利用类型土壤稳渗速率表现为坡耕地〉弃耕地〉生态林地〉经济林地,土壤颗粒分维数与孔隙分维数表现为生态林地〉经济林地〉弃耕地〉坡耕地;2）研究区土壤颗粒分维与孔隙分维数之间显著正相关,二者与土壤黏粒及粉粒体积分数显著正相关、与土壤入渗速率显著负相关;3）霍顿入渗模型和幂函数模型比较适用于拟合研究区土壤入渗过程与入渗速率,而菲利浦模型的适用性较差。因此,研究区土壤具有粗骨性砂土的物理特性,坡耕地耕作会加剧土壤中粉粒和黏粒等细粒物质流失,降低土壤颗粒分布与孔隙分布的均匀性及其分维数,导致土壤入渗性能增强但水肥保蓄性能降低。     

泥石流粒度分维值的初步研究

运用分形理论,提出泥石流粒度分维的概念及其计算方法。根究泥石流粒度分析结果,分别求解泥石流形成区原始土体粒度分维、流体粒度分维和堆积物粒度分维,并分析它们与泥石流体颗粒机械组成和流体性质方面的相互关系。泥石流粒度分维值为泥石流形成、运动和堆积特征以及流体性质提供了可供参考的指示意义。     

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。     

三峡库区皇竹草植物篱对坡面土壤分形特征及可蚀性的影响

基于土壤颗粒分形维数及EPIC模型研究定植皇竹草植物篱,对三峡库区坡耕地土壤分形特征及土壤可蚀性的影响作用。结果表明：植物篱对坡面土壤粘粒的拦截作用显著,粘粒在篱前富集含量升高;土壤分形维数与土壤砂粒含量呈负相关,与粉粒、粘粒含量呈正相关,总体上表现为：粘粒〉砂粒〉粉粒,土壤颗粒分形维数值受细颗粒含量的影响作用显著;土壤可蚀性K值与土壤砂粒含量呈极显著的正相关,相关系数为0.870;与土壤粉粒含量、粘粒含量、有机碳含量、团聚度及土壤颗粒分形维数呈负相关,相关系数分别为-0.538,-0.739,-0.603,-0.486,-0.538;有机质及粘粒含量的高低是反映库区土壤抗侵蚀能力强弱的有效指标。皇竹草植物篱带间距对三峡库区坡耕地土壤颗粒分形特征及可蚀性的影响作用总体上表现为：4.5 m带间距〉5.5 m带间距〉7.5 m带间距。库区10°坡耕地篱带间距布设在6 m以内时,植物篱对改善坡面土壤分形特征、降低坡面土壤可蚀性、控制农业面源污染的作用最显著。     

不同耕作年限水稻土土壤颗粒的体积分形特征研究

应用基于土壤颗粒体积分布确定土壤颗粒大小分布分形维数的方法,对浙江慈溪耕作年限分别为50、100、500、700、1000和2000年的水稻土土壤颗粒体积分形特征进行了研究.结果表明:同基于土壤颗粒质量分布的分形维数相比,基于土壤颗粒体积分布的分形维数计算不需要密度假设,更具有合理性.不同年限水稻土的土壤颗粒大小分布能被体积分形模型显著拟合(p＜0.01).土壤颗粒体积分形维数与黏粒的体积百分含量之间呈显著正相关(p＜0.01),与粉粒和砂粒的体积百分含量之间呈显著负相关(p＜0.01),其中与黏粒含量关系最为密切.耕作年限对水稻土土壤颗粒的体积分形维数和分形模型的拟合度均有一定影响.与50 ～ 500年水稻土相比,700 ～ 2000年水稻土剖面中土壤颗粒体积分形维数的变异性和均值较高,但其拟合决定系数则较低;耕作年限会对水稻土剖面中黏粒的含量和分布产生影响,进而影响到剖面土壤的颗粒体积分形特征;对于同一质地类型的土壤,耕作年限越长,分形维数越高.     

三峡库区有限顺坡耕作坡耕地表土颗粒分形特征

在三峡库区忠县境内选择水平沟模式、埂坎模式、地埂植物篱模式以及无措施的4种典型坡耕地采集了48个表土（0 ～ 20 cm）样本,利用分形维数研究不同模式有限顺坡耕作坡耕地的表土颗粒组成、分形特征及相互关系.结果表明：4种模式坡耕地土壤颗粒黏粒体积分数均较低（均值8.03％～11.47％）,粉粒较高（均值62.39％～83.24％）.无措施、水平沟模式、埂坎模式坡耕地的砂粒体积分数为22.95％ ～29.58％,而地埂植物篱模式坡耕地的砂粒均值仅5.29％.4种模式坡耕地表土的粒径体积分形维数分别为无措施2.579 ～ 2.708、水平沟模式2.603～2.706、埂坎模式2.581 ～2.701、地埂植物篱模式2.610～2.827.粒径分形维数均值表现为地埂植物篱模式（2.737）＞水平沟模式（2.674）＞埂坎模式（2.659）＞无措施坡耕地（2.654）.4种模式坡耕地表土的粒径分形维数与黏粒（＜0.002 mm）体积分数呈显著的线性正相关关系,与砂粒（＞0.05 mm）体积分数呈显著的线性负相关关系;但与粉粒（0.002 ～0.05 mm）体积分数线性关系差异较大.其中,无措施、水平沟模式、埂坎模式呈显著的线性正相关关系,而地埂植物篱模式二者相关性不显著.     

植物篱对紫色土区坡地土壤可蚀性变化影响

基于土壤分形维数及 EPIC 模型,研究紫色土区坡耕地不同土地利用方式下定植新银合欢植物篱对坡面土壤分形特征及可蚀性的影响作用.结果表明:定植植物篱能提高坡面土壤粘粒含量,对坡面小区土壤整体的可蚀性没有明显影响.土壤分形维数与砂粒、粉粒含量呈负相关,与粘粒含量呈正相关;土壤可蚀性 K 值与粉粒含量呈极显著的正相关,相关系数为0.957;与分形维数、砂粒含量、粘粒含量及有机碳含量呈负相关,相关系数分别为:-0.589,-0.668,-0.603,-0.286.     

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。     

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。     

植被覆盖和雨强对附着在沉积物上的养分流失, 泥沙颗粒组成及体积分形维数的影响

Vegetation and rainfall are two important factors affecting soil erosion and thus resulting in nutrient loss in the Chinese Loess Plateau.A field experiment was conducted to investigate the effects of rainfall intensities(60,100 and 140 mm h-1) and vegetation(Caragana korshinskii) coverages(0%,30% and 80%) on soil loss,nutrient loss,and the composition and volume fractal dimension of eroded sediment particles under simulated rainfall conditions.The results showed that vegetation cover,rainfall intensity and their interaction all had significant effects on sediment transport and the sedimentbound nutrient loss.Higher rainfall intensity and lower coverage led to higher sediment and nutrient losses.Positive linear relationships were observed between soil loss and nutrient loss.The treatments showed more significant effects on the enrichment ratio(ER) of nitrogen(ERN) than organic matter(EROM) and phosphorus(ERP).Compared with the original surface soil,the eroded sediment contained more fine particles.Under the same coverage,the clay content significantly decreased with increasing rainfall intensity.The ER of sediment-bound nutrients was positively correlated with that of clay,suggesting that the clay fraction was preferentially eroded and soil nutrients were mainly adsorbed onto or contained within this fraction.There were increments in the fractal dimension of the sediment particles compared to that of the original surface soil.Moreover,the fractal dimension was positively correlated with clay,silt,and sediment-bound OM,N,and P contents,whereas it was negatively correlated with sand content.This study demonstrated that fractal dimension analysis can be used to characterize differences in particle-size distribution and nutrient loss associated with soil erosion.     

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。     

水库消落带土壤颗粒组成分形及其空间分异特征

颗粒组成作为土壤的基本物理特性,对土壤结构、力学性质、肥力特征等均有明显影响。降雨径流、波浪和重力等多重营力作用下的消落带土壤侵蚀过程导致表层土壤颗粒发生了重新分布。为了研究水库消落带土壤颗粒组成的空间分异特征,以三峡水库典型消落带为研究对象,在不同海拔位置分别采集了0—10 cm和10—20 cm层的土壤用于测定颗粒组成,并利用分形理论计算出体积分形维数。结果表明:(1)三峡水库消落带土壤颗粒组成以粉粒为主,占总体积的72.6%～86.5%,且随着海拔的增加而升高; 从不同土层深度来看,0—10 cm层黏粒含量明显低于10—20 cm层。(2)消落带不同海拔位置的土壤体积分形维数具有明显异质性,且与海拔呈正相关(R²=0.74),而在不同土层之间具有弱变异性(C_v<2)。(3)体积分形维数与黏粒、粉粒含量均呈显著正相关(p<0.01),与砂粒含量呈显著负相关(p<0.01),且与黏粒的线性相关性最强。综上,消落带土壤颗粒组成在不同海拔存在较大差异(p<0.01),但在土层深度上无显著差异(p>0.01); 150～160 m海拔区间和0—10 cm层土壤具有明显的粗粒化现象。