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.     

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.     

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。     

引入分维理论评价土壤对优势流的敏感性

Food dye Brilliant Blue was introduced as the tracer in a dye-tracing experiment to obtain dye profile patterns of sandy loam soil,aeolian sandy soil,percolating paddy soil and permeable paddy soil.The dyed soil profiles were then photographed and the photos were scanned into a computer.Edited with certain software,only the dyed areas were left on the profile photos,which indicted the preferential flow paths for water and solute transport.Fractal dimensions of the dye patterns were calculated according to Arnold‘s function.Soil particle size distribution was analyzed by pipette method.The regression analysis showed that there was significant relationship between soil clay content and fractal dimension D of the dye pattern of soil profile.Based on the experiment results,the possibility of introducing fractal dimension to estimation of soil sensitivity to preferential flow is discussed.     

改进粒度对比法估算单次农田风蚀量

为了定量估算单次大风蚀事件的土壤风蚀量,该研究采用改进的粒度对比法对2014年春季一次大风蚀事件的农田风蚀量进行了估算。结果表明,在这次风蚀事件中,研究区农田风蚀量在0.35×106~4.11×106 kg/km2之间,平均为1.30×106 kg/km2,平均风蚀厚度0.9 mm。各采样点的风蚀量存在较大差距,翻耕耙平地的风蚀量显著大于莜麦留茬地,是莜麦留茬地风蚀量的2.85倍。这次风蚀事件使研究区2014年农田风蚀量增加了1倍,可见大风蚀事件对农田风蚀量的影响较大,一次风蚀事件产生的风蚀量可能超过多次小风蚀事件的总和。改进后的粒度对比法具有多方面的优势,取样厚度稍有变化,不可风蚀颗粒物的粒径取值范围稍有变化,都不会对公式计算结果造成显著影响。该方法方便快捷,操作简单,适用于地面平坦、不可风蚀物含量较高的农田上大风蚀事件风蚀量的估算。该研究在区域农田土壤风蚀评价和风蚀模型验证方面具有较好的应用前景。     

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。     

大黑山生态修复区不同植被类型土壤颗粒的分形特征

运用土壤粒径质量分布原理与分形理论,对大黑山生态修复区6种不同植被类型土壤颗粒分形特征进行研究。结果表明：1）不同植被类型土壤颗粒粒径的质量分数分布差别很大,土壤黏粒和粉粒含量林地比荒草地高87.47%和89.94%,砂粒含量和细砾与粗砾含量林地比荒草地低25.09%和19.19%;土壤粉粒和黏粒含量黑桦＋山杨混交林、蒙古栎和山榆等天然次生林地明显高于山杏和油松等人工林地。2）有林地土壤颗粒分形维数明显大于荒草地,天然次生林土壤颗粒分形维数大于人工林,且以天然次生混交林最大。3）不同植被类型土壤颗粒分形维数与土壤粒径〈0.05 mm的黏粒含量和粒径0.05-0.25 mm之间的粉粒含量呈明显的线性正相关关系,土壤的颗粒越小,细粒含量越高,分形维数越大。4）不同植被类型土壤颗粒分形维数与土壤不均匀系数呈较好的线性负相关关系,随着土壤不均匀系数的降低,土壤颗粒分形维数增大。除荒草地外,大黑山生态修复区其他5种植被类型土壤均为不均匀性良好的土壤,以天然次生林土壤粒径分布结构较好,尤其是以天然次生混交林的最好,其次是人工林的。     

根据土壤粒径分形估计紫色土水分特征曲线

选择不同质地紫色土,分别根据土壤颗粒的数量和重量分布计算土壤粒径分形维数,并与Tyler和Wheatcraft土壤水分特征曲线模型的拟合分形维数进行比较分析。结果表明,三种途径获得的分形维数与土壤质地密切相关,均表现出土壤黏粒含量越高,质地越细,分形维数越高。土壤粒径数量分布分形维数(2.98～3.26)和土壤粒径重量分布分形维数(2.73～2.81)存在较大的差异,但二者间却存在显著的线性关系。土壤粒径分形维数与土壤水分特征曲线模型拟合分形维数(2.72～2.84)均存在显著的线性关系,尤其是土壤粒径重量分布分形维数与土壤水分特征曲线模型拟合分形维数数值十分接近。通过建立的土壤水分特征曲线模型分形维数与土壤粒径分布分形维数关系式,结合Tyler和Wheatcraft模型进行土壤水分特征曲线预测,预测值与实测值具有良好的一致性,因而根据土壤粒径分形预测紫色土水分特征曲线是可行的。     

安达市碱性草地土壤颗粒的分维特征

运用土壤颗粒质量分形模型计算松嫩平原低平地安达试区植被分布区和碱斑区样点土壤颗粒的分形维数,并建立分形维数与土壤颗粒不同粒级间的回归关系,以探讨土地碱化后土壤粒径分布的分形特征及其与土壤物理性状的关系。结果表明：安达试区土壤颗粒分形维数较高,平均分别仅有48．7×10^-5cm／s（PitA）和4．30×10^-6cm／s（PitB）,反映了该区土壤细颗粒含量高、土壤大孔隙数量少、土壤饱和导水率低的特征;土壤颗粒分形维数与黏粒含量呈对数正相关关系,而与粉粒和砂粒含量相关性不显著,说明在安达试区,影响土壤颗粒分形维数的主要因素是黏粒含量;羊草地土壤颗粒分形维数在土壤垂直剖面上的变异较大,说明植被生长促进了土壤质地的变异;碱斑地土壤颗粒分形维数明显大于羊草地,细颗粒含量高,饱和导水率低,说明碱斑的形成恶化了土壤物理性质;土壤颗粒分形维数可以反映安达市土壤物理性质的好坏,能作为土壤退化和生态环境恶化的评价指标。研究结果可为安达市以及松嫩平原盐碱地生态环境的修复和治理提供科学依据。     

Comparison of two models for estimating the soil particle-size distribution curve based on soil textural data

Mathematical models employing textural data are commonly used for the estimation of the particle-size distribution (PSD) curve. In this study, two models were used: (1) the model proposed by Fredlund et al. (2000) (F model), and (2) the model proposed by Skaggs et al. (2001) later modified by Fooladmand and Sepaskhah (2006) (FS model). Comparison of the results obtained by these two models, applied for 30 soils from the south of Iran, showed that the F model was better when the model parameters were determined by setting minimum differences between the measured and estimated PSD curve. Also, three equations based on soil textural data were derived for estimating parameters of the F model, and these equations were used to estimate the PSD curve. The results showed that for 10 independent soils from the south of Iran and 50 soils from the UNSODA database, the FS model was better than the F model based on three new derived equations. Therefore, the FS model can be safely used to estimate the PSD curve with different soil textures; however, the F model is appropriate for representation of the measured PSD curve.     

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。     

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。     

Relationship between granitic soil particle-size distribution and shrinkage properties based on multifractal method

The mechanical properties of granitic residual soils vary with depth due to changes in soil type and heterogeneity caused by weathering. The purpose of this study was to relate the spatial variation of particle-size distribution(PSD) of granitic soils with soil shrinkage parameters using multifractal theory.The heterogeneity of PSD and pedogenic processes were depicted in detail by multifractal dimensions. The PSD generally increased with the increase of profile depth in accordance with the vari...     

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.     

柠条锦鸡儿细根表面积密度对土壤水分空间分布的响应

为研究柠条锦鸡儿(Caragana microphylla)细根与土壤水分的空间关系,以内蒙古农牧交错带10 a生柠条锦鸡儿细根为研究对象,对细根表面积密度与土壤含水率之间的关系进行了初步探讨。分别对柠条锦鸡儿细根和土壤水分的空间分布情况进行研究发现,垂直和水平土层方向各标准地柠条锦鸡儿细根表面积密度与土壤含水率均呈极显著相关,相关系数均大于0.65(P0.01)。经回归分析建立柠条锦鸡儿细根表面积密度与土壤含水率之间的关系模型并对模型进行验证,验证结果发现该模型可以很好地描述两者之间的关系(R~2=0.84,P0.01)。撂荒地土壤含水率比柠条地高71%,研究区柠条地出现至少200 cm的土壤干层,部分土层接近凋萎湿度,柠条生长受阻。研究结果对于干旱区人工柠条林的栽植管理具有重要意义,可为北方农牧交错带生态环境建设及植被恢复提供理论依据。     

紫色土坡耕地土壤团聚体分形维数与有机碳关系

为深入理解有机碳对土壤团聚体的影响,采用干筛法和重铬酸钾外加热法并基于相关分析研究了不同施肥处理紫色土耕地土壤团聚体分形维数（D）与有机碳（SOC）的关系。结果表明：不同施肥处理和土层间 D 与SOC均存在差异,变化范围分别为2.376～2.603、3.54～12.07 g/kg,均值都随土层变深呈递减趋势。全样本（n=36,不区分处理和土层）中D与SOC显著相关,但并非简单相关。进一步对D与各粒级有机碳含量（fSOC）的相关分析表明,在全样本中二者相关性显著,且随粒级的减小相关程度变大。不同施肥处理和土层间的相关分析中二者相关性又表现不同：除对照CK,其他处理的呈现多组显著相关,耕作层（0～20 cm）多组的相关性都很微弱,而犁底层（＞20～30 cm）的多个组却显著相关。分析认为,这与不同施肥处理所提供的碳源在团聚体形成过程中所起作用的差异有关,该差异将使团聚体形成各自的特点从而表现出各自的分形特征;并且D与fSOC相关性的差异是团聚体中大小颗粒间结构相似程度的反映,体现出各级团聚体在形成过程中的主导因素是否具有一致性,表明该相关关系对形成土壤结构的主导影响因素具有表征作用。该研究结果有助于深入认识和理解土壤团聚体分形维数的影响因素、物理意义以及对土壤结构的表征性。     

Improvement in estimation of soil water retention using fractal parameters and multiobjective group method of data handling

Soil water retention characteristic is required for modeling of water and substance movement in unsaturated soils and need to be estimated using indirect methods. Point pedotransfer functions (PTFs) for prediction of soil water content at matric suctions of 1, 5, 25, 50, and 1500 kPa were developed and validated using a data-set of 148 soil samples from Hamedan and Guilan provinces, Iran, by multiobjective group method of data handling (mGMDH). In addition to textural and structural properties, fractal parameters of the power-law fractal models for both particles and aggregates distributions were also included as predictors. Their inclusion significantly improved the PTFs’ accuracy and reliability. The aggregate size distribution fractal parameters ranked next to the particle size distribution (PSD) in terms of prediction accuracy. The mGMDH-derived PTFs were significantly more reliable than those by artificial neural networks but their accuracies were practically the same. Similarity between the fractal behavior of particle and void size distributions may contribute to the improvement of the derived PTFs using PSD fractal parameters. It means that both distributions of the pore and particle size represent the fractal behavior and can be described by fractal models.     

土壤颗粒分布体积分形维数与数量分形维数之间的关系

土壤的体积颗粒分布(PSD)可用于同时确定数量分形维数(DN)和体积分形维数(DV)。以往的试验和理论研究均未直接比较DV和DN的关系。为建立DV和DN的关系并分析其参数的敏感程度,在中国各地取了12种不同质地土壤,利用激光粒度仪进行了测定。提出了含3个参数Rupper(颗粒半径的上限),Ri(第i个半径)和Rlower(半径下限)的DV-DN理论关系,该关系可说明为什么DN可能大于3。在未调整的幂定律范围内(PLR),DV的幂定律半径为38.6～85.8μm,DN的幂定律半径为53.2～358μm,估算的DV值(2.18～2.69)比DN值(2.38～3.19)小。调整后的PLR比未调整的窄。在调整的PLRs范围内,估算的DV值变化范围为2.11～2.56,而DN变化范围为2.28～3.02。调整和未调整PLRs得出的DV和DN的差异说明,Rupper,Rlower,Ri和Rlower/Rupper均可能影响DV与DN关系,有必要进行参数的敏感性分析。进行敏感性分析可基于敏感系数(C)来鉴别DV-DN关系中各参数改变所引起的DV和DN相对变化,从而找出对该关系影响最大的参数。就不同情况下计算的C值而言,Rupper是影响DN值的最重要参数,小的Rupper值可能导致估算DN的准确度降低。PLR范围越大,DN的估算越准确。根据DV估算DN的相对误差的绝对值在12%范围内,说明得出的DV-DN理论关系是正确的。     

沂蒙山林区不同植物群落的土壤颗粒分形与水分入渗特征

为探索沂蒙山林区不同植被对土壤分形结构及入渗性能的改良作用与机制,运用土壤分形学和水文学原理与方法,研究沂蒙山林区7种植物群落下的土壤颗粒组成和入渗过程。结果表明：1）植物群落具有显著改善土壤颗粒结构和入渗性能的作用,其改善程度为针阔叶（赤松＋麻栎）混交林依次高于阔叶林（刺槐纯林、麻栎纯林）和针叶林（赤松纯林）;2）研究区土壤颗粒组成具有石质山地典型粗骨土的结构特征,其分形维数与土壤入渗速率呈明显的正相关关系;3）植物群落改良土壤分形结构和入渗性能的分形学机制,是通过增加土壤粉粒与黏粒等细粒物质含量而提高土壤分形维数,进而改善土壤团粒结构和孔隙结构,提高土壤质地均匀程度和入渗能力的。研究成果可为沂蒙山区水土保持植被类型的合理选择与配置提供参考。