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。     

土壤样本分形几何特征的图像分析方法

土壤水分的持留与水分和溶质的运移,在很大程度取决于土壤孔隙的几何性质,而用数字图像处理方法能够较准确地加以识别。本文采用面积法和周长法分别计算了土壤样本图像的孔隙分形维数和多重孔隙轮廓线分形维数,并分析了它们同土壤质地之间的关系。结果表明,土壤孔隙空间在一定尺度范围内才存在明显的分形特征,土壤质地越细(粘粒含量越高)分形维数越大。与周长法相比较,用面积法计算的孔隙分形维数对土壤质地更为敏感。     

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。     

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。     

基于CT数字图像的土壤孔隙分形特征研究

通过CT扫描获得了河南封丘地区3种不同质地潮土样本的高精度图像,利用数字图像分析方法识别出土壤孔隙及其轮廓线,然后用计盒法确定了表征土壤孔隙形态不规则性的分形维数.在此基础上,通过不同形式的分形模型预测了土壤水分特征曲线.结果表明,河南封丘地区不同质地潮土的孔隙分形维数(包括面积和轮廓线分维)差异不明显;预测水分特征曲线时,针对不同质地的土壤选择适宜的分形模型才能得到较好的模拟结果.     

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。     

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。     

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.     

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。     

Mass fractal dimension of soil macropores using computed tomography: from the box-counting to the cube-counting algorithm

Transport phenomena in porous media depend strongly on three‐dimensional pore structures. Macropore networks enable water and solute to move preferentially through the vadose zone. A complete representation of their geometry is important for understanding soil behaviour such as preferential flow. Once we know the geometrical, topological and scaling attributes of preferential flow paths, we can begin computer simulations of water movement in the soil. The box‐counting method is used in three dimensions (i.e. cube‐counting algorithm) to characterize the mass fractal dimension of macropore networks using X‐ray computed tomography (CT) matrices. We developed an algorithm to investigate the mass fractal dimension in three dimensions and to see how it compares with the co‐dimensions obtained using the box‐counting technique in two dimensions. For that purpose, macropore networks in four large undisturbed soil columns (850 mm × 77 mm diameter) were quantified and visualized, in both two and three dimensions, using X‐ray CT. We observed an increasing trend between the fractal dimension and macroporosity for the four columns. Moreover, similar natural logarithm functions were obtained for the four cores by a least squares fit through plots of mass fractal dimension against macroporosity.     

基于分形理论的土壤优先流运动控制方程

为表征土壤优先流的快速非平衡运动、更准确地预测非饱和带土壤中的水流运动和溶质运移过程,该文在活动流场模型基本理论和土壤优先流表现出的分形特征的基础上,将分形理论引入到连续性模型,根据质量守恒原理建立了描述土壤优先流形式下水流运动和溶质运移过程的控制方程,发展和完善了活动流场模型理论;对比分析了活动流场模型理论与二域模型理论和活动裂隙模型理论之间的联系和区别。研究成果为运用活动流场模型解决优先流条件下土壤水流运动和溶质运移等相关问题提供了参考。     

Descriptive field symbols for inped soil macropores

Abstract

A short hand notation for depicting inped soil macropores is presented. By utilizing symbols for macropore diameter, facial shape, pore length, inped shape and pore orientation; it is possible to quickly portray inped field macropores. Circles, ellipses, and triangles of differing dimensions are used to symbolize round, elliptical, and irregular facial shaped pores of different diameters. The pore length and orientation are symbolized by line length and line direction. The inped shapes (spherical, tubular, and elongated) are respectively represented by one line, two parallel lines, or three parallel lines within or intersecting the pore shape symbols. Field application of this methodology saves time and is valuable when numerous inped pores need to be depicted.     

基于分形理论的三峡库区土壤侵蚀空间格局变化

在RS和GIS技术支持下生成的三峡库区2000和2009年土壤侵蚀强度类型图的基础上,运用分形理论分析三峡库区土壤侵蚀的空间格局变化.结果表明:1)在各侵蚀强度类型中,微度侵蚀面积最大且呈显著增加趋势,而其他侵蚀类型的面积均呈减小趋势;2)土壤侵蚀空间格局存在分形特征,近10年间,各侵蚀强度类型的斑块镶嵌结构复杂度变化...     

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。     

Production of three-dimensional representations of soil macropores with a microcomputer

Through the use of a series of photographs which had been taken at different depths within the soil, tracings of pores filled with plaster of Paris were made. These tracings were then digitised and displayed in 3D on a monitor. This inexpensive technique may be useful when information about the orientation of interconnected soil pores is required. It is also one method of quantifying pore continuity.     

大孔隙对土壤水分入渗特性影响的物理模拟试验

利用不同粒径砂石和大孔隙域模具模拟同一深度、不同有效面孔隙度,在特制试验装置中研究积水条件下大孔隙流的三维运移行为。结果表明：湿润峰平齐且稳定的转折时间和有效面孔隙度相关性较高;不同有效面孔隙度条件下累积入渗量符合Kostiakov模型但其参数是有效面孔隙度的函数;大孔隙的连通性在一定条件下对土壤水分的优先入渗起主导作用;大孔隙的存在导致大孔隙中心特征剖面湿润面积发生典型变化,给出了大孔隙中心特征剖面湿润面积增量的定量概念及其与有效面孔隙度之间的数学模型,并进行了验证,精度满足要求。     

Influence of shrub roots on soil macropores using X-ray computed tomography in a shrub-encroached grassland in Northern China

Journal of Soils and Sediments - The relationship between soil macropore and plant roots warrants special attention because it influences the behavior of water in soil. However, the influence of...