黑土表层土壤颗粒的分形特征

基于第二次全国土壤普查结果,应用土壤颗粒的质量分布计算了36个典型剖面表层土壤颗粒的分形维数值.结果表明:土壤颗粒分形维数值D在2.5831～2.8230,其变异性极弱,且分形维数值随质地变细而增大;土壤机械组成中,砂粒(2～0.02mm)含量、粉粒(0.02～0.002mm)含量与分形维数值均呈显著负相关(P<0.05);粘粒(<0.002mm)含量与土壤分形维数值呈极显著正相关(P<0.01);分形维数值D与土壤中的有机质、全N、全P、全K含量及pH值相关性均不显著.土壤分布的分形维数可以作为反映黑土退化程度的一个综合性定量指标.     

宁夏荒漠草原沙漠化过程中土壤粒径分形特征

研究宁夏荒漠草原沙漠化过程中土壤性状、土壤粒径分形维数的变化特征,以及分形维数与土壤性状的关系.结果表明: 草地沙漠化对土壤分形维数(D)影响显著,D值为1.69～2.62.除在10～20 cm土层出现较小波动外,随着沙漠化程度加剧,0～30 cm土层D值整体呈减小趋势.在荒漠草原沙漠化过程中,荒漠草地D值最大,黏粒和粉粒体积百分含量最高,极细砂粒和细砂粒体积百分含量最低;流动沙地D值最小,黏粒和粉粒体积百分含量最小,极细砂粒和细砂粒体积百分含量最高.D与<50 μm和>50 μm粒径的土壤颗粒存在显著正相关和负相关,表明50 μm粒径是决定草地沙漠化过程中土壤分形维数与土壤粒径关系的临界粒径.随着荒漠草原沙漠化加剧,土壤有机质和全氮含量逐渐降低,土壤容重逐渐升高,固定沙地至半固定沙地是荒漠草原沙漠化的质变过程,其中土壤粘粒体积百分含量、粉粒体积百分含量、土壤有机质含量、土壤全氮含量骤减,极细砂粒体积百分含量、细砂粒体积百分含量和土壤容重骤增.分形维数与土壤有机质、土壤全氮和土壤容重显著相关,固定沙地与半固定沙地分形维数的临界值为2.58,因此分形维数2.58可作为荒漠草原沙漠化的退化指标.     

腾格里沙漠草方格固沙林土壤颗粒组成、分形维数及其对土壤性质的影响

为了明确草方格人工固沙造林植被恢复过程中土壤颗粒组成、分形维数及对土壤理化性质的影响,以腾格里沙漠东南缘2016年(1 a)、2013年(4 a)和1987年(30 a)草方格固沙林为研究样地,以周围流动沙地为对照(CK),研究了草方格固沙造林后植被恢复过程中土壤颗粒组成、分形维数及与土壤理化性质的作用关系.结果表明: 100～250、250～500 μm土壤颗粒含量较高,分别为42.5%～80.1%、12.5%～42.2%;50～100 μm土壤颗粒含量居中,为0.2%～20.8%;<2和2～50 μm的土壤颗粒含量次之,分别在0～1.3%和0～22.7%;而500～1000 μm的土壤颗粒含量较低,在0.3%以下.<2和2～50 μm土壤颗粒仅在30 a固沙林有分布;50～100 μm土壤颗粒分布为30 a最高,4 a和1 a居中,而CK最低;100～250 μm土壤颗粒分布依次为4 a>1 a>CK>30 a;250～500 μm土壤颗粒分布为CK>1 a>4 a>30 a;但500～1000 μm土壤颗粒在各样地分布均较少,且不同样地之间无显著差异.研究区土壤颗粒分形维数为0.54～2.59,并且不同样地间存在显著差异,表现为30 a最高,4 a与1 a居中,而CK最低.土壤颗粒分形维数与土壤黏粒、粉粒、极细砂粒含量呈极显著正相关,而与土壤中砂粒呈极显著负相关.土壤颗粒分形维数与土壤电导率、有机碳、全氮和碳氮比均呈极显著正相关,而与土壤pH和含水量无相关性.土壤中<2、2～50、50～100 μm颗粒与土壤电导率、有机碳、全氮和碳氮比均呈极显著正相关,而250～500 μm土壤颗粒与上述4个土壤指标和土壤含水量呈显著负相关.500～1000 μm土壤颗粒与土壤含水量亦呈极显著负相关.在腾格里沙漠东南缘地区利用草方格进行人工固沙植被建设,可有效促进土壤颗粒细粒化,长期演变导致土壤黏粒和粉粒及土壤分形维数显著增加,促使土壤有机碳和全氮含量提高,有利于土壤理化性质改善和促进沙漠化治理.     

不同土地利用类型下土壤粒径分形分析——以黄土丘陵沟壑区为例

土壤粒径分布影响土壤的水力特性、土壤肥力状况以及土壤侵蚀等,是重要土壤物理特性之一。在水蚀严重的黄土丘陵沟壑区,不同的土地利用类型对水土流失的阻截作用不同,因而进一步导致其土壤粒径分布的差异。对不同土地利用类型下土壤粒径分布的分形和多重分形分析发现：黄绵土土壤粒径分布包含有3个无标度区间,分别为粘粒域、粉粒域和砂粒域;土壤粒径分布的分形维数D、粉粒域维数Dsilt、砂粒域维数Dsand、信息维数D1、信息维数/容量维数D1/D0与土壤细颗粒含量和有机质含量成显著的正相关关系;土地利用对分形维数D、粉粒域维数Dsilt、砂粒域维数Dsand、容量维数D0、信息维数D1、信息维数/容量维数比值D1/D0的影响较显著。这表明这些分形和多重分形参数可以作为反映土壤物理性质和土壤质量的潜在性指标,其实用性有待进一步探讨。     

青藏高原不同草地利用方式对土壤粒径分形特征的影响

研究青藏高原草地土壤粒径结构分形特征,为该地区土壤质量评价和生态恢复提供科学依据。以青藏高原4种高寒草地(放牧、围栏禁牧、围栏禁牧+补植、未干扰)为对象,采用分形理论,研究不同利用方式对高寒草地土壤颗粒组成及分形特征的影响,明确土壤粒径分形特征的影响因素。结果表明：与放牧和围栏禁牧+补植相比,围栏禁牧草地中黏粒和粉粒体积分数分别增加了60%—91.1%、43.5%—80.1%,禁牧能够促进土壤砂粒向黏粒和粉粒转变。不同草地利用方式对分形维数有显著影响,单重分形维数D值依次为放牧草地<围栏禁牧+补植草地<未干扰草地=围栏禁牧草地,多重分形维数,包括信息维数D₁、信息维数/容量维数比值D₁/D₀和关联维数D₂依次为放牧草地<围栏禁牧+补植草地<围栏禁牧草地<未干扰草地。单重分形维数D与土壤黏粒、粉粒呈极显著正相关(P<0.01);砂粒、黏粒、粉粒、有机碳和全氮是多重分形维数的限制因素。信息维数D₁、信息维数/容量维数比值D₁...     

长江下游江心洲土壤颗粒特征及分形规律

研究了长江下游马鞍山段成长型江心洲洲头、洲中央和洲尾3个部位100cm深度范围内的土壤颗粒特征及分形规律。结果表明:江心洲土壤颗粒总体偏砂性,主要由粉粒、极细砂和细砂组成,颗粒最大粒径为350μm;在剖面上,3类颗粒的比例洲中央部位变化较小,洲头和洲尾变化较大;颗粒随深度的增加逐渐变粗;粉粒平均含量表现为洲中央>洲头>洲尾,分别为75.42%、43.58%和22.13%;土壤颗粒分形维数表现为洲中央>洲头>洲尾,分别为2.28、2.17和2.05,小于安徽省耕作表层土壤的分形维数平均值,与单位体积比表面积呈极显著正相关,与粘粒、粉粒含量极显著正相关,与极细砂、细砂极显著负相关。江心洲不同部位的土壤颗粒特征与江心洲的发育演变之间存在对应关系。     

长江源区高寒草原和高寒草甸土壤粒径分布特征

为探究长江源区主要下垫面土壤空间异质性与粒径分布(PSD)非均匀性,运用分形理论描述高寒草原和高寒草甸2种下垫面土壤粒径分布特征,分析了2种下垫面土壤的分形维数特征差异及其与土壤颗粒组成的关系。结果表明: 研究区土壤颗粒粒径主要分布于100～800 μm,高寒草原土壤单重分形维数(D_V)为2.429～2.508,高寒草甸土壤D_V为2.697～2.743,高寒草原土壤质地偏粗,高寒草甸土壤质地偏细。土壤在20～30 cm深度质地最细,在0～10 cm层质地最粗糙;多重分形维数(容量维数D₀、信息熵维数D₁、关联维数D₂)均以高寒草原(0.896～0.961、0.828～0.887、0.725～0.819)高于高寒草甸(0.890～0.914、0.693～0.744、0.540～0.603),与高寒草甸相比,高寒草原土壤粒径分布范围更宽,土壤整体构造更复杂,土壤整体非均匀性更高。D_V与土壤黏粒、粉粒含量呈显著正相关,与砂粒含量呈显著负相关;D₁、D₂与黏粒、粉粒含量呈显著负相关,与砂粒含量呈显著正相关。土壤砂粒含量是土壤PSD非均匀分布及分形维数大小变化的主要因素。     

退化沙质草地开垦和围封过程中的土壤颗粒分形特征

研究了科尔沁退化沙质草地开垦和围封过程中土壤颗粒分形维数的变化特征,以及分形维数与土壤性状的关系.结果表明,不同开垦和围封年限的土壤颗粒分形维数(0～30cm)介于2.387～2.588之间.随着开垦年限的增加,0～15 cm层土壤颗粒分形维数从2.441降至2.387;围封11年后,0～15 cm层土壤颗粒分形维数增加到2.588.15～30 cm层土壤颗粒分形维数无明显变化.土壤颗粒分形维数是反映土壤质地的一个较好指标,重点反映粘粒含量,其次是粉粒含量.分形维数的变化能够很好地表征退化沙质草地土壤的化学、物理和生物学性状的变化趋势,可以作为评价退化沙质草地土壤性状的一个综合指标.     

退化沙质草地开垦和围封过程中的土壤颗粒分形特征

研究了科尔沁退化沙质草地开垦和围封过程中土壤颗粒分形维数的变化特征,以及分形维数与土壤性状的关系.结果表明,不同开垦和围封年限的土壤颗粒分形维数(0～30cm)介于2.387～2.588之间.随着开垦年限的增加,0～15 cm层土壤颗粒分形维数从2.441降至2.387;围封11年后,0～15 cm层土壤颗粒分形维数增加到2.588.15～30 cm层土壤颗粒分形维数无明显变化.土壤颗粒分形维数是反映土壤质地的一个较好指标,重点反映粘粒含量,其次是粉粒含量.分形维数的变化能够很好地表征退化沙质草地土壤的化学、物理和生物学性状的变化趋势,可以作为评价退化沙质草地土壤性状的一个综合指标.     

科尔沁沙地农田沙漠化演变中土壤颗粒分形特征

研究了科尔沁沙地农田沙漠化过程中土壤的粗粒化和养分的贫瘠化特征 ,土壤颗粒分形维数的变化特征 ,以及分形维数与土壤性状的关系。结果表明 :土壤沙粒含量越高 ,土壤分形维数越低 ,表征农田沙漠化程度越高 ;土壤颗粒分形维数与土壤有机 C、全 N、粘粉粒含量之间存在显著的线性关系。说明分形维数能很好地表征农田沙漠化演变中土壤结构和养分状况以及沙漠化的程度 ,可作为评价土壤沙漠化演变的一项综合性定量指标。     

植被恢复对黄土区煤矿排土场土壤团聚体特征的影响

目前关于植被恢复对排土场土壤团聚性的影响还不清楚,以植被恢复下黄土区露天煤矿排土场为研究对象,采用湿筛法测定了排土场土壤水稳性团聚体组成,研究了植被恢复类型(草地、灌木)和排土场地形(平台、边坡)对土壤团聚体特征的影响。结果表明:植被恢复促进了排土场水稳性团聚体的形成,平台0—20 cm土层水稳性大团聚体数量(R_(0.25))、平均重量直径(MWD)和几何平均直径(GMD)分别达到31.1%,0.70 mm和0.26 mm,边坡分别达到13.3%,0.37 mm和0.17 mm,均显著高于裸地,分形维数(D)在平台和边坡分别为2.91和2.96,均显著低于裸地;平台土壤团聚性要好于边坡,草地对于平台土壤团聚结构改良效果较好,而灌木对于边坡改良效果较好;排土场土壤有机碳和粘粒含量均与土壤团聚体指标有显著相关性。植被恢复提高了排土场土壤团聚性,植被恢复类型和地形对排土场土壤团聚体特征有显著影响。     

樟子松人工林营建对土壤颗粒组成变化的影响

植被恢复是退化生态系统的主要恢复措施,也是人类改善区域生态环境较为重要和直接的活动。目前,针对不同植被恢复方式对干旱半干旱地区土壤理化性质及生物特征开展了大量研究。然而,关于科尔沁沙地樟子松人工林营建对土壤颗粒组成变化的影响却鲜有报道。因此,以辽宁省章古台地区不同生长阶段(包括幼龄林、中龄林、成熟林和过熟林)的20块樟子松人工林样地为研究对象(以临近的7块天然草地为对照),研究了沙地樟子松人工林营建对0—100 cm土层土壤颗粒组成变化的影响。结果表明:沙质草地营建樟子松人工林后,不同土层土壤细颗粒(0.05 mm)含量均呈增加趋势,并且在0—10 cm层增加趋势明显,随土层深度增加土壤细颗粒增加量逐渐降低(除幼龄林外),但樟子松林地土壤颗粒组成仍以砂粒为主,土壤粘粒和粉粒含量极低(仅占5%左右)。随着樟子松人工林林龄的增加,土壤细颗粒变化量在0—10 cm层逐渐升高,而在10—100 cm层并无显著变化趋势。土壤细颗粒含量的变化在10—100 cm层与土壤含水量呈显著正相关,在0—10、20—40 cm和80—100 cm层与土壤全钾极显著负相关,在20—60 cm层与土壤有机碳呈显著正相关,在10—40 cm和80—100 cm层分别与土壤全磷呈显著正相关和负相关。综上所述,樟子松人工林营建可有效提高土壤细颗粒含量且在土壤表层效果明显,但短期内并不会使土壤颗粒组成发生显著变化,樟子松林改善土壤颗粒组成的同时也会使其他土壤因子发生相应的变化。     

江河源区高寒草甸退化序列土壤粒径分布及其分形维数

江河源区高寒草甸退化日益严重,恢复治理已进行了大量工作,但收效甚微,主要是对退化机理认识不清.为阐明退化草地的形成机制,
本文以江河源区高寒草甸为对象,分析退化序列土壤粒径的分布特征、分形维数,以及分形维数与土壤侵蚀模数的关系.结果表明: 随着高寒草甸退化加剧,土壤的黏粒百分含量呈增加趋势,粉砂和极细砂呈减小趋势;退化序列土壤粒径分形维数与黏粒百分含量呈显著正相关,与极细砂和粉砂呈显著负相关;各粒级土壤侵蚀模数与分形维数呈二次函数关系,分形维数2.81为土壤侵蚀发生的阈值.以土壤粒径分形维数2.81作为草地恢复指标,选择使分形维数小于2.81的相应措施,是恢复退化草地的有力保证.     

Fractal Feature of Particle-Size Distribution in the Rhizospheres and Bulk Soils during Natural Recovery on the Loess Plateau,China

The application of fractal geometry to describe soil structure is an increasingly useful tool for better understanding the performance of soil systems. Only a few studies, however, have focused on the structure of rhizospheric zones, where energy flow and nutrient recycling most frequently occur. We used fractal dimensions to investigate the characteristics of particle-size distribution (PSD) in the rhizospheres and bulk soils of six croplands abandoned for 1, 5, 10, 15, 20, and 30 years on the Loess Plateau of China and evaluated the changes over successional time. The PSDs of the rhizospheres and the fractal dimensions between rhizosphere soil and bulk soils during the natural succession differed significantly due to the influence of plant roots. The rhizospheres had higher sand (0.05–1.00 mm) contents, lower silt (<0.002 mm) contents, and lower fractal dimensions than the bulk soils during the early and intermediate successional stages (1–15 years). The fractal dimensions of the rhizosphere soil and bulk soil ranged from 2.102 to 2.441 and from 2.214 to 2.459, respectively, during the 30-year restoration. Rhizospheric clay and silt contents and fractal dimension tended to be higher and sand content tended to be lower as abandonment age increased, but the bulk soils had the opposite trend. Linear regression analysis indicated that the fractal dimensions of both the rhizospheres and bulk soils were significantly linearly correlated with clay, sand, organic-carbon, and total-nitrogen contents, with R ² ranging from 0.526 to 0.752 (P<0.001). In conclusion, PSD differed significantly between the rhizosphere soil and bulk soil. The fractal dimension was a sensitive and useful index for quantifying changes in the properties of the different soil zones. This study will greatly aid the application of the fractal method for describing soil structure and nutrient status and the understanding of the performance of rhizospheric zones during ecological restoration.     

南亚热带不同林分土壤颗粒分形与水分物理特征

以广西国有高峰林场的6种不同林分(马尾松林Pinus massoniana、杉木林Cunninghamia lanceolata、尾巨桉林Eucalyptus urophylla×E. grandis、米老排林Mytilaria laosensis、红锥林Castanopsis hystrix和天然次生林)为对象,运用分形学和森林水文学的理论和方法,研究了不同林分类型土壤的颗粒组成以及水分物理特征。结果表明:研究区不同林分类型的土壤颗粒组成以黏粒为主,其次为粉粒和细砂粒,粗砂粒的含量相对较低,土壤颗粒分形维数从大到小依次表现为天然次生林、杉木林、米老排林、红锥林、马尾松林和尾巨桉林;不同林分类型土壤的水分物理特征存在差异,蓄水性能大小依次表现为天然次生林、米老排林、杉木林、红锥林、马尾松林和尾巨桉林,且土壤表层(0~10 cm)的蓄水能力要好于下层(20~50 cm);土壤颗粒分形维数主要受黏粒含量的影响,分形维数与黏粒含量呈极显著正相关,与总孔隙度、饱和蓄水量显著正相关,与土壤密度显著负相关,而与非毛管孔隙度、非毛管蓄水量和有机质含量相关性不显著。土壤颗粒分布的分形维数可作为反映南亚热带赤红壤地区人工林土壤水文物理性质的综合性指标。