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不同尺度下土壤粒径及分形特征

水土保持研究 2024年第5期 212-220页

作者：刁二龙曹广超曹生奎袁杰童珊邱巡巡青海师范大学地理科学学院青海省自然地理与环境过程重点实验室青海师范大学青藏高原地表过程与生态保育教育部重点实验室

[目的]土壤粒径及分形特征因研究尺度不同而存在差异，从不同尺度上探讨土壤粒径及分形特征异质性，以期明确尺度效应对土壤粒径及分形特征的影响。[方法]以黑河源区和八宝河小流域为研究区域，采用单因素方差分析方法对不同尺度土壤粒... 详细信息

[目的]土壤粒径及分形特征因研究尺度不同而存在差异，从不同尺度上探讨土壤粒径及分形特征异质性，以期明确尺度效应对土壤粒径及分形特征的影响。[方法]以黑河源区和八宝河小流域为研究区域，采用单因素方差分析方法对不同尺度土壤粒径及分形维数进行差异显著性检验，利用Pearson相关分析研究不同尺度下土壤分形维数与环境因子的相关性，并使用地理探测器模型探究不同尺度下土壤分形维数环境驱动因素作用。[结果](1)黑河源区和八宝河小流域土壤粒径组成以粉粒和砂粒为主，随着研究尺度扩大到黑河源区，土壤黏粒、粉粒、砂粒和分形维数(D)空间变异性增强，土壤黏粒、粉粒和砂粒属于中等变异，分形维数属于弱变异；(2)不同土地利用类型土壤颗粒组分和分形维数因研究尺度不同而存在差异，与八宝河小流域相比，黑河源区3种土地利用类型土壤PSD频率曲线异质性增大，土壤质地呈粗化趋势；(3)皮尔逊相关分析和地理探测器结果均表明，土壤粒径对分形维数的影响明显大于其他因子，分形维数可以表征土壤质地情况。[结论]不同尺度下土壤粒径及分形维数存在明显的异质性，而这种异质性的产生是不同尺度环境因子综合作用的结果。

关键词：尺度土壤粒径分形特征

粒径对土壤石油烃荧光特性影响及校正方法研究

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光谱学与光谱分析 2024年第7期44卷 2093-2100页

作者：杨金强杨瑞芳赵南京殷高方方丽石高勇刘梁晨黄朋刘文清中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所安徽合肥230031 中国科学技术大学安徽合肥230026 安徽省环境光学监测技术重点实验室安徽合肥230031 合肥学院生物食品与环境学院安徽合肥230601

采用紫外诱导荧光技术对土壤中石油烃污染物进行检测时,不同粒径土壤会对测量带来较大误差,为了消除土壤粒径(soil particle size,PS)对测量带来的影响,配制3种不同粒径的常见的土壤石油烃污染物(土壤原油、土壤柴油、土壤汽油)样本,搭... 详细信息

采用紫外诱导荧光技术对土壤中石油烃污染物进行检测时,不同粒径土壤会对测量带来较大误差,为了消除土壤粒径(soil particle size,PS)对测量带来的影响,配制3种不同粒径的常见的土壤石油烃污染物(土壤原油、土壤柴油、土壤汽油)样本,搭建紫外诱导荧光检测系统,研究了不同粒径下各类土壤石油烃污染物的荧光特性,构建了土壤石油烃粒径校正方法。结果表明,对于土壤原油、土壤柴油和土壤汽油样本,当样本浓度为4、4和10 g·kg^(-1)时,各类型土壤油类样本的荧光信号与粒径具有良好的线性相关性,相关系数R^(2)分别达到了0.9989、0.9686和0.9045。通过土壤颗粒物吸附模型,对实验结果进行解释分析,建立土壤粒径校正方法,对各类型土壤石油烃样本在不同粒径下的荧光信号进行校正;粒径校正前后3种类型的土壤石油烃荧光强度与浓度的相关系数R^(2)分别由校正前的0.3265、0.0047、0.3298上升到校正后的0.9838、0.9832、0.9533,浓度反演的相对误差(RE)分别为11.02%、5.71%、10.19%。建立的土壤粒径校正方法可以有效地降低土壤粒径对土壤石油烃类污染物荧光强度的影响,为采用紫外诱导荧光技术快速、原位、准确的检测土壤石油烃类污染物提供了理论依据和技术支持。

关键词：土壤石油烃紫外诱导荧光土壤粒径校正方法

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土壤粒径空间预测方法研究综述

地理学报 2022年第11期77卷 2890-2901页

作者：史文娇张沫中国科学院地理科学与资源研究所中国科学院陆地表层格局与模拟院重点实验室北京100101 中国科学院地理科学与资源研究所资源与环境信息系统国家重点实验室北京100101 中国科学院大学资源与环境学院北京100049

土壤粒径(砂粒、粉粒和黏粒)是各种陆表过程和生态系统服务评估等模型的关键参数。作为一种土壤成分数据,土壤粒径的空间预测方法有和为1(或100%)等特殊要求,其空间分布精度受预测方法影响较大。本文针对土壤粒径相较于其他土壤属性的... 详细信息

土壤粒径(砂粒、粉粒和黏粒)是各种陆表过程和生态系统服务评估等模型的关键参数。作为一种土壤成分数据,土壤粒径的空间预测方法有和为1(或100%)等特殊要求,其空间分布精度受预测方法影响较大。本文针对土壤粒径相较于其他土壤属性的特殊性,提出了土壤粒径空间预测方法框架,综述了土壤粒径数据变换、空间插值和精度验证等系列方法,总结了提升土壤粒径空间预测精度的各种途径,包括通过有效的数据变换改善数据分布、结合数据分布特点选择合适的预测方法、结合辅助变量提升制图精度和分布合理性、使用混合模型提升插值精度、使用多成分联合模拟模型提升预测的系统性等。最后,提出了今后土壤粒径空间预测方法研究的未来方向,包括从考虑数据变换原理和机制角度改善数据分布、发展多成分联合模拟模型和高精度曲面建模方法,以及引入土壤粒径函数曲线并与随机模拟结合等。

关键词：土壤粒径土壤质地地统计机器学习高精度曲面建模

农牧交错带不同利用方式土壤粒径分布特征——以呼和浩特市武川县为例

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干旱区研究 2022年第4期39卷 1322-1332页

作者：付东升任晓萌王燕玲张翠英蒙仲举内蒙古农业大学沙漠治理学院内蒙古呼和浩特010018 内蒙古自治区气象科学研究所内蒙古呼和浩特010051 锡林郭勒盟水利局水利事业发展中心内蒙古锡林浩特026099 内蒙古乌兰察布市四子王旗吉生太镇内蒙古乌兰察布011826

以呼和浩特市武川县不同农田和天然草地为研究对象,采用野外原位监测和室内试验结合的方法,对典型小麦留茬地、葵花留茬地、翻耕地、退耕地4种农田土壤进行研究,并通过分析平均粒径、标准差、偏度、峰度,对不同利用方式下土地抗风蚀能... 详细信息

以呼和浩特市武川县不同农田和天然草地为研究对象,采用野外原位监测和室内试验结合的方法,对典型小麦留茬地、葵花留茬地、翻耕地、退耕地4种农田土壤进行研究,并通过分析平均粒径、标准差、偏度、峰度,对不同利用方式下土地抗风蚀能力进行探讨。研究结果表明:(1)研究区土壤以细砂、极细砂和粉粒为主,占比达80%~85%。(2)土壤粒度组成由细到粗为:翻耕1 a>天然草地>翻耕边坡>小麦留茬>翻耕15 a>退耕5 a>葵花留茬,沙粒平均粒径为2.12~2.61。(3)各层土壤分选性较差,偏度均表现为正偏且近于对称,峰度属于宽平态。土壤易风蚀颗粒粒径范围在200~400μm。(4)与天然草地相比,农田垦殖利用导致土壤粒径分布范围扩大,粒径整体趋于粗粒化。

关键词：农牧交错带农田土壤粒径耕作方式武川县

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漓江水陆交错带土壤粒径分形维数与水力性质

节水灌溉 2022年第12期 48-57页

作者：田卓张帅普代俊峰毕明峰何建华桂林理工大学广西环境污染控制理论与技术重点实验室广西桂林541004 桂林理工大学岩溶地区水污染控制与用水安全保障协同创新中心广西桂林541004

分析漓江水陆交错带土壤粒径分形维数与水力性质,为漓江流域水陆交错带土壤迁移、沉积和土壤水文循环模拟提供参考依据。以漓江5个典型水陆交错带样地为研究对象,测定土壤基本物理性质和水力参数,计算土壤粒径分形维数,基于相关分析、... 详细信息

分析漓江水陆交错带土壤粒径分形维数与水力性质,为漓江流域水陆交错带土壤迁移、沉积和土壤水文循环模拟提供参考依据。以漓江5个典型水陆交错带样地为研究对象,测定土壤基本物理性质和水力参数,计算土壤粒径分形维数,基于相关分析、冗余分析和逐步回归分析探讨分形维数与水力性质的关系。结果表明,漓江水陆交错带土壤粒径主要集中在0~400μm,土壤质地偏细,黏粒含量较高;土壤粒径分布范围中体积分数占比大的颗粒占主导地位,土壤粒径主要分布在密集区域,但粒径分布稀疏区的土壤颗粒对环境因子更敏感;单重分形维数(D)、信息维(D(1))、关联维(D(2))、信息维/容量维(D(1)/D(0))、谱宽(Δα)与饱和含水量、田间持水量、总孔隙度、VG模型和BC模型拟合的饱和含水量参数(VG-θs、BC-θs)呈显著负相关,与土壤容重呈显著正相关;D、D(1)、D(2)、D(1)/D(0)与土壤砂粒含量呈极显著负相关,与土壤颗粒比表面积、黏粒含量、粉粒含量呈极显著正相关;土壤基本物理性质可解释分形维数95.84%的变异,砂粒含量和总孔隙度是影响D值变化的主要因素,砂粒含量是影响D(1)、D(2)、D(1)/D(0)值变化的主要因素。漓江水陆交错带土壤粒径分布具有典型的分形特征,分形维数可以作为土壤水分运动数值模拟的指示性参数。

关键词：土壤粒径多重分形单重分形水力性质漓江水陆交错带

土壤粒径、氮素及重金属对填埋场覆土CH_4氧化的影响

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环境科学研究 2015年第8期28卷 1324-1330页

作者：张后虎彭禹蔡邦成赵克强孙勤芳鲍子薇张军钧环境保护部南京环境科学研究所江苏南京210042 华东交通大学土木建筑学院江西南昌330013 江苏省交通科学研究院股份有限公司江苏南京210042

采用批式培养试验重点研究了土壤粒径、NH4^＋-N和NO3^--N及重金属〔Zn和Cr（Ⅵ）〕含量对填埋场砂性覆土及一般砂土CH4氧化能力的影响.结果表明：合适的土壤粒径能显著提高砂性覆土和一般砂土的CH4氧化能力（P〈0.05）,当粒径为1.00-2.... 详细信息

采用批式培养试验重点研究了土壤粒径、NH4^＋-N和NO3^--N及重金属〔Zn和Cr（Ⅵ）〕含量对填埋场砂性覆土及一般砂土CH4氧化能力的影响.结果表明：合适的土壤粒径能显著提高砂性覆土和一般砂土的CH4氧化能力（P〈0.05）,当粒径为1.00-2.00 mm时,砂性覆土和一般砂土的CH4氧化速率分别高达0.24和0.12μmol/（g·h）.低浓度NH4＋-N或NO3^--N均可以促进砂性覆土和一般砂土的CH4氧化,而高浓度则会明显抑制CH4氧化.砂性覆土和一般砂土的外源氨氮和外源NO3^--N的投加量（以w计）临界值均为200 mg/kg,砂性覆土对NH4^＋-N浓度的波动有更好的适应能力;重金属Zn、Cr（Ⅵ）对砂性覆土和一般砂土CH4氧化的抑制作用均随浓度的升高而增强,Zn对砂性覆土CH4氧化的抑制作用程度大于Cr,并且Zn对一般砂土CH4氧化的抑制程度明显强于砂性覆土.为此,筛选合适粒径级配的土壤,同时控制覆土中氮素及重金属的本底含量,有利于填埋场CH4氧化.

关键词：土壤粒径无机氮重金属填埋场覆土 CH4氧化

龙脊梯田不同土地利用方式下土壤粒径分形特征

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农业现代化研究 2023年第4期44卷 724-735页

作者：田卓张帅普王醒方荣杰郑金德桂林理工大学广西环境污染控制理论与技术重点实验室广西桂林541004 桂林理工大学岩溶地区水污染控制与用水安全保障协同创新中心广西桂林541004

分析龙脊梯田不同土地利用方式土壤粒径分布规律,为龙脊梯田森林水源涵养、稻田耕作管理提供参考依据。以龙脊梯田竹林、杉木林、混交林和稻田四种土地利用方式为研究对象,测定土壤颗粒粒径和基本物理性质,计算土壤粒径分形参数,基于主... 详细信息

分析龙脊梯田不同土地利用方式土壤粒径分布规律,为龙脊梯田森林水源涵养、稻田耕作管理提供参考依据。以龙脊梯田竹林、杉木林、混交林和稻田四种土地利用方式为研究对象,测定土壤颗粒粒径和基本物理性质,计算土壤粒径分形参数,基于主成分分析、相关分析和逐步回归分析探讨土地利用方式对土壤粒径分形特征的影响。结果表明,杉木林粘粒含量最高,竹林砂粒含量最高,不同土地利用方式下的土壤粒径均主要分布在2~200μm,约占79.4%。多重分形维数中容量维D(0)、信息维D(1)、关联维D(2)值依次为杉木林>混交林>稻田>竹林,信息维/容量维D(1)/D(0)和单重分形维数D值依次为杉木林>竹林>稻田>混交林,奇异谱函数的谱宽△α和对称度△f均为混交林最大、稻田最小。D和△f分别与土壤粘粒和砂粒含量相关性最密切(P土壤粉粒含量相关性最密切(P土壤机械组成来改变分形参数的大小,杉木林的土壤D、D(0)、D(1)、D(2)、D(1)/D(0)值均最大。

关键词：土壤粒径多重分形单重分形土地利用方式龙脊梯田

宁南黄土区典型人工林下土壤粒径分布分形特征与养分关系研究

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北方园艺 2023年第24期 81-88页

作者：王月玲许浩安钰韩新生万海霞董立国宁夏农林科学院林业与草地生态研究所宁夏防沙治沙与水土保持重点实验室宁夏银川750002

以宁夏彭阳中庄小流域3种典型人工林(山杏林、柠条林、沙棘林)为供试样地,以农地为对照,采用野外标准化方法采集0~100cm土壤样品,利用Mastersizer3000型激光粒度仪测定土壤粒径组成,并测定了土壤养分相关参数,研究了3种不同人工林地土... 详细信息

以宁夏彭阳中庄小流域3种典型人工林(山杏林、柠条林、沙棘林)为供试样地,以农地为对照,采用野外标准化方法采集0~100cm土壤样品,利用Mastersizer3000型激光粒度仪测定土壤粒径组成,并测定了土壤养分相关参数,研究了3种不同人工林地土壤粒径分布和分形特征及其与养分的关系,以期为宁南黄土区林地土壤健康评价和合理化经营提供参考依据。结果表明:1)3种人工林地0~100cm土层土壤颗粒以粉砂粒为主,其中柠条林和山杏林土壤粘粒含量、土壤分形维数均高于农地和沙棘林。土壤分形维数与土壤各级粒径的差异较大,与粘粒、粉粒呈极显著正相关,与砂粒呈极显著负相关,分形维数越大,所含细颗粒越多;2)3种人工林地在0~100cm土层土壤有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、速效钾含量差异显著(P柠条林>山杏林>沙棘林;土壤有机质、碱解氮、速效钾含量随土层深度的增加总体呈下降趋势,均具有明显的表聚性,全氮、全磷、全钾含量随土层深度的变化呈波动性且无明显变化规律;3)土壤分形维数与粘粒、粉粒、全磷、全钾含量呈显著正相关关系(P<0.05),与砂粒呈极显著负相关(P<0.01)。

关键词：土壤粒径土壤体积分形维数土壤养分人工林宁南黄土区

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基于反射光谱信息估算土壤粒径研究

基于反射光谱信息估算土壤粒径研究

作者：姚正利东北师范大学

学位级别：硕士

土壤粒径作为土壤最重要的属性之一,是影响土壤表面结构、土壤水力性质和植物养分可用性的重要因素。此外,了解土壤粒径大小的时空变化对于理解干旱和半干旱地区的地表渗透以及风和水的侵蚀也很有意义。因此,在不同区域尺度估算土壤粒... 详细信息

土壤粒径作为土壤最重要的属性之一,是影响土壤表面结构、土壤水力性质和植物养分可用性的重要因素。此外,了解土壤粒径大小的时空变化对于理解干旱和半干旱地区的地表渗透以及风和水的侵蚀也很有意义。因此,在不同区域尺度估算土壤粒径大小是十分有必要的。但在当前对土壤粒径的估算研究中,经验与半经验方法中主要是基于单波段反射信息。而区域内不同土壤类型之间的异质性或者变化的入射条件,都会改变反射,这会对基于反射信息估算土壤粒径造成影响。为了提高反射光谱数据估算土壤粒径的有效性,需要探索在不同光照几何条件下利用不同类型土壤的反射信息,建立与土壤粒径之间的关系,提高估算精度。因此,消除土壤类型以及入射角的影响对于准确估算土壤粒径是非常有必要的。本文基于高光谱反射数据,分析了土壤粒径与光谱之间的关系,证实了土壤类型和入射角度对反射光谱信息与土壤粒径之间关系的影响。为了消除土壤类型和光照条件对土壤粒径估算的影响,本研究构建了4种用于估算土壤粒径的光谱指数。结果表明:基于不同类型土壤反射光谱信息新提出的简单差值光谱指数SDSI(Simple Difference Spec tral Index),(R-R),相较于单波段和其他光谱指数,与不同类型土壤粒径大小之间有很强的关系(R=0.88),并且不具有入射角度依赖性。利用SDSI指数在野外不同入射角条件下估算不同类型土壤粒径时,也有很高的估算精度(RMSE=0.12mm,RRMSE=6.2%)。结果证明:SDSI光谱指数在实验室和野外测量条件下都不受土壤类型和入射天顶角的影响,可以很好地估算土壤粒径。此外,由于组成SDSI指数的两波段R和R位于大多数卫星的大气窗口波段,本研究则选取了常用于地表监测的三个卫星Landsat8(B5-865n m、B7-2200nm)、Sentinel-2A(B8a-865nm、B12-2190nm)、Landsat5(B4-840nm、B7-2223nm),通过对实验室和野外测量数据光谱重采样,基于卫星波段替代SDSI指数中的两个波段构建SD(Simple Difference)差值光谱指数(Landsat8:(B5-B7(R-R))、Sentinel-2A:(B8a-B12(R-R))、Landsat5:(B4-B7(R-R))),建立了与土壤粒径的关系。研究表明,基于Landsat8、Sentinel-2A和Landsat5卫星构建的SD指数与土壤粒径之间均具有很强的相关性,R均大于0.85。将基于实验室建模数据集计算得到的指数估算模型应用于野外验证数据集,也取得了较好的估算结果(Landsat8:RMSE=0.19mm,RRMSE=9.8%;Sentinel2A:RMSE=0.19mm,RRMSE=9.8%;Landsat5:RMSE=0.19mm,RRMSE=9.7%)。这也表明,本研究所提出的SDSI指数不仅可以消除不同类型土壤以及入射角的影响,并将其重采样到卫星多光谱之后,也具有较高的土壤粒径估算精度。除了上述方法外,本研究还利用偏最小二乘回归方法PLSR(Partial Least Square Regression)建立了土壤粒径估算模型。结果表明,基于不同类型土壤粒径测量的原始反射光谱利用该方法建立的估算模型与土壤粒径也有较强的相关性(R=0.88),并且,模型的预测表现也较好(RMSE=0.18mm)。综上,本研究基于光谱指数与偏最小二乘回归方法建立了不同类型土壤粒径估算模型,发现通过光谱指数与利用偏最小二乘回归的方式建立的估算模型,消除了土壤类型与入射角度的影响,对于土壤粒径均有良好的估算表现。相较而言,新提出的SDSI光谱指数不仅使用了较少的波段,运算简便,并且在将其应用于野外测量数据集时,可以准确的反映土壤粒径的变化趋势。因此,SDSI指数(R-R)是一种更为简便且有效的土壤粒径估算方法,有利于土壤质地分布的快速表征、还可为野外现场测量土壤粒径提供理论依据。

关键词：光谱指数土壤粒径经验模型光谱重采样偏最小二乘回归