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.     

山东省不同土地利用方式土壤颗粒组成及其分形维数特征

选取山东省120个不同土壤剖面,应用分形理论研究不同土地利用方式的土壤颗粒分形特征以及与土壤养分的相关关系。结果表明:（1）不同土地利用方式土壤铵态氮、硝态氮、速效磷、全磷、全氮、有机质含量均表现为林地和草地显著高于耕地和农地（p < 0.05）,其中林地和草地土壤铵态氮、硝态氮、速效磷、全磷、全氮、有机质含量差异均不显著（p > 0.05）。（2）不同土地利用方式土壤粒径分布中,黏粒含量占主导地位,黏粒含量百分比45.98%～67.12%,粗砂粒含量相对较低。（3）不同土地利用方式土壤颗粒分布的分形维数随着土层深度增加逐渐增大,0—10 cm土层土壤颗粒分布分形维数变化幅度较小,而40—50 cm变化幅度较大。（4）回归分析表明不同土地利用方式土壤颗粒分形维数与土壤粒径呈显著或极显著的线性负相关。（5）相关分析表明不同土地利用方式土壤分形维数均与土壤有机质含量呈显著负相关,与土壤铵态氮、硝态氮、速效磷、全磷、全氮呈正相关。综上所述,不同土地利用方式下土壤颗粒组成差异较大,草地和林地相对于耕地和农地大颗粒含量明显增多,小颗粒明显减少,土壤颗粒分布的分形维数可以作为表征土壤肥力的状况指标。     

广东省不同母质发育土壤颗粒分布的分形维数特征

采集广东省主要成土母质(玄武岩、砂页岩、第四纪红土和花岗岩)发育的林地、耕地和园地土壤剖面各发生层土壤,测定了土壤颗粒组成、有机质、CEC等理化性质,探讨了不同母质发育土壤颗粒分布的分形维数特征及其与土壤理化性质的关系。结果表明,玄武岩、第四纪红土、花岗岩和砂页岩发育土壤分形维数变幅分别为2.923 9~2.981 2,2.858 8~2.937 7,2.769 3~2.923 1和2.544 6~2.885 6;玄武岩和第四纪红土发育土壤颗粒分布分形维数与砂页岩发育土壤存在显著差异。土壤颗粒分布的分形维数随土壤深度增加呈增大的趋势,相同母质发育土壤的深层土壤颗粒分布的分形维数接近一致。玄武岩和第四纪红土发育土壤颗粒分布的分形维数在不同深度土壤之间变幅较小,砂页岩和花岗岩发育土壤变幅较大。土壤颗粒分布的分形维数与砂粒含量呈极显负相关,与黏粒含量呈极显著正相关,与土壤全磷、速效钾、全铁、CEC、有机质、全氮、碱解氮呈极显著或显著正相关;土壤颗粒分布的分形维数可以作为表征土壤肥力状况指标。     

分形模型在利用颗粒分布数据评价土壤持水性质中的应用

Soil water retention characteristics are the key information required in hydrological modeling.Frac-tal models provide a practical alternative for indirectly estimating soil water retention characteristics from particle-size distribution data.Predictive capabilities of three fractal models,i.c.,Tylcr-Wheatcraft model,Rieu-Sposito model,and Brooks-Corey model,were fully evaluated in this work using experimental data from an international database and literature.Particle-size distribution data were firstly interpolated into 20 classes using a van Genuchten-type equation.Fractal dimensions of the tortuous pore wall and the pore surface were then calculated from the detailed particle-size distribution and incorporated as a parameter in fractal water retention models.Comparisons between measured and model-estimated water retention cha-racteristics indicated that these three models were applicable to relatively different soil textures and pressure head ranges.Tyler-Whcatcraft and Brooks-Corey models led to reasonable agreements for both coarse-and medium-textured soils,while the latter showed applicability to a broader texture range.In contrast,Rieu-Sposito model was more suitable for fine-textured soils.Fractal models produced a better estimation of water contents at low pressure heads than at high pressure heads.     

排序方法在土壤粒径分布研究中的应用——以策勒河流域为例

基于土壤结构的自相似性,分形理论目前被广泛用于土壤粒径分布(particle size distribution,简称PSD)研究中[1],即以相对较多的土壤粒级数据,利用单重或多重分形技术获取参数(分形维)形式揭示PSD特征。量化得出的分维值,能较全面反映土壤PSD特征及其之间的差异性,但会受限于PSD差     

南方水蚀区不同侵蚀程度土壤粒径分形研究

土壤粒径分布是土壤和环境要素综合作用的结果,因而可藉以指示环境要素的某种性状。对南方水蚀区不同侵蚀程度下土壤粒径的分布特征进行研究,计算土壤粒径分布分形维数值,并分析其与土壤质地和土壤侵蚀程度的关系。结果表明,研究区土壤质地主要为砾石土,其2 mm以下的体积分形维数和重量分形维数分别介于2.52～2.99和2.48~2.73之间,粒径重量累积百分比在2 mm处产生显著变化,粒径域的重量分形维数在2 mm以上和2 mm以下分别为1.79~2.81和2.52~2.79。2 mm以上粒径域的重量分形维数与土壤质地和土壤侵蚀程度呈显著的相关性。土壤质地越细,或土壤侵蚀越轻微,2 mm以上粒径域的重量分形维数越大,反之亦然。故土壤2 mm以上粒径域的重量分形维数可综合表征研究区土壤质地和土壤侵蚀程度。     

石羊河尾闾水面形成区土壤颗粒的分形特征

青土湖是石羊河的尾闾湖,观测分析了距青土湖水面边缘0-500m范围内的土壤颗粒粒径分布、分形维数及其与土壤颗粒含量的关系。结果表明,0-20cm和20-40cm土层土壤颗粒的分形维数范围分别在2.3708~2.8796和2.3590~2.7509。在0~150m范围内,0-20cm土层土壤粒径分形维数与水面间距呈缓慢增加趋势,在150m处达到最大(2.8796),随后逐渐降低而20-40cm土层在0~100m范围内呈缓慢增加趋势,在100m处分形维数达到最大(2.7509)土壤颗粒分形维数大小与土壤质地的细粒化有一致的变化趋势,且与大于0.05mm粒径含量呈极显著负相关关系,而与黏粒含量、粉粒含量呈极显著正相关关系。小于0.05mm粒径物质含量的增加和>0.05mm粒径物质含量的降低共同导致了土壤颗粒分形维数在水面形成150m范围内的增大,说明水面形成对土壤粒径的影响范围在0~150m。     

闽南山地3种典型植被类型土壤分形与养分特征

[目的]探索闽南山地不同植被类型土壤分形特征及其与表层土壤颗粒组成、养分含量的相关关系,为评价闽南山地典型植被类型土壤质量,开展土地利用结构调整、土壤侵蚀防治及生态修复等提供参考。[方法]选取土壤颗粒体积分形维数模型对3种典型植被类型林地土壤的分形维数D值进行计算,并与土壤颗粒组成及土壤养分进行相关性分析。[结果]土壤颗粒体积分形维数D值从大到小依次为次生林马尾松林柑橘林;分形维数D值与土壤黏粒和粉粒体积百分数存在显著正相关关系,与砂粒体积百分含量呈显著负相关(p0.05);土壤pH值、全氮、全磷、全钾、水解性氮、有效磷、速效钾和有机碳含量从大到小均为:次生林马尾松林柑橘林;土壤容重为柑橘林马尾松林次生林;分形维数D值与柑橘林的土壤水解性氮含量呈显著正相关,与马尾松林的水解性氮含量、土壤全磷、全钾含量呈显著正相关,与次生林的土壤全磷含量、水解性氮含量呈显著正相关,与有机碳含量均呈显著负相关。[结论]闽南山地不同植被类型会显著影响表层土壤体积分形维数及养分含量,利用土壤体积分形维数可一定程度上反映不同植被类型的土壤颗粒组成及其养分含量。     

向家坝工程扰动区不同生态修复模式边坡土壤颗粒分形特征

[目的]研究不同生态修复后边坡土壤颗粒分形特征,为分形维数作为评价修复后向家坝工程扰动区边坡土壤质量的综合指标提供科学依据。[方法]以向家坝工程扰动区6种不同生态修复模式下的0—10 cm边坡土壤为研究对象,通过野外采样和室内试验,采用单重和多重分形理论相结合的方法,研究自然演替与人工修复模式下土壤粒径分布(PSD)和分形特征及土壤养分特征并分析了其相关关系。[结果]不同生态修复模式下土壤颗粒组成以粉粒和砂粒为主,黏粒含量较少,粒径分布不均匀。天然林地土壤养分含量相对较高且土壤颗粒较细。黏粒与D_v呈极显著正相关(p<0.01),与土壤有机碳和速效氮呈显著正相关(p<0.05),粉粒含量与D₁,D₂呈极显著负相关(p<0.01),砂粒与D₁,D₂呈极显著正相关(p<0.01)。土壤养分与黏粒、粉粒含量呈不显著正相关,与砂粒含量,D₁,D₂呈不显著负相关。[结论]向家坝工程扰动区土壤颗粒以粉粒和砂粒为主,土壤质地较...     

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。     

杨树低效林下土壤粒径分布与分形特征

[目的]研究鄂尔多斯地区杨树低效林下土壤粒径分布与分形特征,为该地区杨树低效林的成因分析及改造提供基础依据,并为杨树人工林的科学管理提供参考与决策支持。[方法]使用Mastersizer3000激光衍射粒度分析仪测量土壤粒径,采用土壤颗粒体积分形维数模型计算分形维数D值,并测定土壤养分。[结果]①鄂尔多斯地区杨树低效林下土壤颗粒组成主要以细砂粒(42.33%)、极细砂粒(15.72%)、中砂粒(19.77%)为主;主要土壤质地类型为砂土;土壤颗粒的分形维数D值在1.222 5～2.204 5范围内,处于较低水平。②土壤颗粒分形维数D值与粉粒、极细砂粒、细砂粒含量呈显著正相关关系,与中砂粒、粗砂粒、极粗砂粒呈显著负相关关系。③随着土层加深,粒径250μm的土壤颗粒含量增加,粒径250μm的土壤颗粒含量减少;土壤颗粒分形维数D值随土层加深而增大,增大幅度不大。④土壤颗粒分形维数D值与土壤有机质、全氮、速效氮、速效磷含量的关系均未达到显著水平,土壤各养分含量的变化对分形维数D值没有显著影响。[结论]鄂尔多斯地区杨树低效林下土壤颗粒组成以砂粒为主,土壤分形维数较低,土壤结构极不均匀,这样的土壤结构对杨树的正常生长发育极为不利,不良的土壤结构也在一定程度上导致了低效林的形成,因此在对杨树低效林进行预防和改造时也要改善林下土壤结构。     

三峡库区植物篱系统土壤颗粒分形特征及其与土壤理化性质的关系

在对长江三峡库区坡耕地植物篱系统调查样地土壤样品颗粒分析的基础上,对植物篱系统内土壤颗粒分布及土壤分形维数与土壤物理性质和土壤养分含量的关系进行了研究,结果表明:（1）乔木类、草本类和灌木类植物篱带间坡耕地土壤砂粒含量比其对应的植物篱带内土壤沙砾平均含量分别高10.4%,13.7%和9.2%;而黏粒含量在植物篱带内富集,其平均含量比植物篱带间坡耕地土壤黏粒含量分别高14.3%,19.5%和10.7%;（2）土壤分形维数与土壤黏粒和土壤粉粒含量具有显著（P < 0.01）的正相关关系,而与土壤砂粒含量显著负相关。（3）土壤分形维数与土壤孔隙度、含水量和土壤饱和导水率极显著正相关,而土壤容重与分形维数呈显著负相关关系。土壤分形维数与土壤有机质、土壤全氮、土壤有效氮、土壤全钾、土壤有效钾、土壤全磷含量和阳离子交换量显著相关,而土壤有效磷含量和土壤分形维数相关性不显著。     

陕北黄土区不同植被下深剖面土壤的分形特征

[目的]探究不同植被下深剖面土壤分形特征及其与土壤理化性质和水力学参数的关系,为植被恢复和农业生产提供重要的参考依据。[方法]以陕西省神木六道沟流域为研究区域,采集该区域4种植被(草地、杏树、油松、柠条)下>13 m深剖面土壤样品,测定土壤颗粒组成、含水率以及有机碳含量等,计算土壤分形维数,分析不同植被下深剖面土壤的分形特征。[结果](1)该区土壤黏粒、粉粒及砂粒含量分别为15%,40%和45%,不同植被下土壤颗粒组成的差异显著(p<0.05)。(2)整个剖面上4个样地的分形维数无显著差异(p>0.05),在1—2 m土层深度内,植被类型对土壤分形维数的影响显著(p<0.05),且油松及草地样地的分形维数大于其他两个样地。(3)土壤分形维数与黏粒含量及土壤水力参数(θ_r,n和K_sat)的相关性显著(p<0.05),但与有机碳和含水率相关性不显著(p>0.05)。[结论]土壤分形维数主要受土壤细小颗粒影响,且对土壤水力性质具有一定的指示作用,油松及草地对土壤结构改善作用最佳。     

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。     

两种土壤水分特征曲线间接推求方法对黄土的适应性评价

土壤水分特征曲线(SWCC)是模拟土壤水分运动和溶质运移的一个重要参数,利用十壤的基本物理性质来间接推求SWCC的方法已经成为当今土壤物理学领域的研究热点.为了比较两种SWCC间接推求方法——Arya-Paris物理经验方法(简称AP方法)和Tyler-Wheatcraft分形几何方法(简称TW方法)对黄土的适应性,该文分析了黄土高原296组土壤颗粒分布、容重和水分特征曲线等资料,利用简化的Fredlund(Fred3P)模型模拟得到连续的十壤颗粒分布曲线,然后应用AP和TW方法预测出相应吸力下的土壤含水量.研究结果表明,对于黄十性土壤,AP和TW两种方法的预测结果均达到了一定的精度,相比较而言AP方法的预测效果明显优于TW方法,且受质地影响小.     

广元市不同土地利用类型土壤的分形特征

以8个植被类型、2个农地和2个退耕地的土壤颗粒组成数据为基础,运用分形模型计算这12个土地利用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：（1）12个土地利用类型表层土壤颗粒的分形维数介于2．8185～2．9249之间。与退耕地和玉米地相比,各林地土壤颗粒分形维数小;与1990年的2．8633相比,2006年土壤颗粒分形维数（2．8592）减小;各团聚体分形维数规律不明显。（2）决定土壤颗粒分形维数大小的首先是〈o．002mm的含量,其次是0．05～0．25mm和0．0020．02mm的含量;决定团聚体分形维数大小的粒级含量由大到小的顺序是：2～5mm,0．5～1mm和1～2mm,其余粒级含量对分形维数影响较小。（3）土壤颗粒分形维数与团聚体分形维数可作为侵蚀指标,前者与土壤可蚀性因子相关关系显著,后者也可作为渗透蓄水指标。（4）在坡耕地基础上的退耕地比生态退化后的营林地具有更有利于水土保持的土壤分形特征。     

梨园土壤水分时空分布特征研究

2005年4~8月期间,利用Trime水分速测系统,采用网格化取样方式对烟台农科院梨园的土壤（0~30cm）水分的90个样点进行了四次取样,并运用传统统计学和地统计学方法对土壤水分的数据统计特征、半方差函数和分维数及其时空分布规律进行了分析。结果表明,土壤水分具有明显的空间变异性,测量期内土壤水分变异系数CV分别为0.088 9,0.247 9,0.129 1和0.219 1,半方差函数的变程分别为27.25 m,4.25 m,9.73 m和5.32m,分维值依次为1.842,1.957,1.926和1.929。降雨后测量（第一次测量和第三次测量）的土壤水分变异系数和分维数偏低且变程偏大,说明降雨使得土壤水分的空间依赖性增强,分布趋于均匀,而随后的土壤蒸发则有减弱土壤水分的空间依赖性和促使分布不均匀的效应。     

胶东半岛丘陵区冲沟分形特征及其影响因素研究

以胶东半岛丘陵区7个集水区为研究对象,采用SA模型提取研究区冲沟系统,测算各集水区冲沟沟长盒维数,分析沟长分形特征及其与地形参数和土地利用类型间的关系,厘定研究区内冲沟发育演化的特征及规律。结果表明:(1)东部构造活动性强的隆起区分维值明显高于西部构造活动性弱的沉积凹陷区,沟长分形特征主要受区域地质构造控制。(2)沟长分维数与平均坡度、地表粗糙度、剖面曲率、沟壑密度和沟头密度等地形参数之间相关性显著,而与集水区面积和沟长没有相关性。(3)沟头密度、沟壑密度与沟长分维数间具有极显著正相关性,相关系数分别为0.982 4,0.975 3,是表征沟谷分形特征的重要参数,可作为估算区域沟谷分形特征和分形维数的简单指标。(4)沟长分维数与集水区内林草地比存在较显著正相关性,与丘陵旱地比具有较显著的负相关性,相关系数分别为0.893和-0.919 8,表明冲沟展布形态特征同地质构造控制下的大的地貌轮廓关系密切,与人类改造地表形成的微地貌关系不大。     

土壤颗粒分布参数模型对黄土性土壤的适应性研究

土壤颗粒组成是土壤最基本的物理性质之一,其分布曲线可用来估算土壤的水力学性质,然而对于土壤颗粒分布曲线的完整表达需要借助于参数模型,对于不同类型的土壤,参数模型的拟合效果不尽相同.为了选择能够较好描述黄土性土壤颗粒分布状况的参数模型,该文采用了3个指标--相关系数(R),均方根误差(RMSE)和Akaike信息准则(AIC)值,对3类共10个参数模型(单参数模型2个,二参数模型6个,三参数模型2个)在黄土性土壤上的适应性进行了评价(共828个土壤颗粒分析资料).结果表明:简化的三参数Fredlund模型对黄土性土壤颗粒分布的拟合效果最好,且受质地影响较小,二参数Weibull模型次之,单参数的Jaky模型效果最差.三参数Fredlund模型是估算黄土性土壤颗粒组成的最适宜的模型.