论文部分内容阅读
本文以国家自然科学基金-“土壤结构分形与水动力特征关系研究”（41302186）为依托展开研究,选取子牙河流域的六个典型地区,利用激光粒度分析仪测定了各典型区不同深度土壤粒径的分形维数及粒度范围,并通过室内室外联合监测与测定方法,获取了相应点位的基质吸力和含水率,从而获取研究区的土壤水分特征曲线。根据土壤分形维数和水力性质的实测值,建立二者相关关系,通过误差分析和模型验证选取了最优土壤水分特征曲线模型。在此基础上,采用地统计法刻画流域内土壤结构及其水力性质（水分特征曲线）分形特征的空间变异,并分析产生变异的发生机制,为农田土壤水分运移和流域浅层地下水补给研究提供科学依据。论文的主要成果有:（1）沿流域布点选定六个地区,进行156组土壤粒径分形维数的测定以及粒度范围的分析,讨论土壤的分形特征,探讨分形维数与土壤质地的关系。研究表明土壤分形维数与土壤质地密切相关,土壤分形维数与砂粒含量、粉粒含量和粘粒含量存在相关关系。且分形维数可用于描述土壤质地的均一程度,土壤分形维数越大,土壤粘粒含量越高;分形维数越小,土壤粘粒含量越低。（2）以栾城地区为典型区,采用中子仪和负压计等仪器进行原位试验获取土壤基质吸力及含水率,分析栾城地区土壤水力性质的变化特征。其他研究区选用Ku-pf试验法确定土壤的基质吸力及含水率,并在流域范围内分析各个研究区土壤水分特征的变化规律,而后通过RETC软件选用四种模型对研究区土样的土壤水分特征曲线进行拟合验证,确定合适的模型。研究表明,除滨海新区采用的是DP模型,其余地区均采用VG模型建立土壤水分特征曲线模型。土壤的质地及孔隙大小决定土壤的持水能力,并影响着土水特征曲线的形态。滨海新区曲线变化趋势表现为:在低吸力阶段,含水率急剧下降;而在中高吸力段,随着基质吸力的不断增大,土壤含水率变化趋势变缓并逐渐稳定。其余地区的土壤水分特征曲线基本表现为三段:当基质吸力在低吸力段,随着基质吸力增加土壤含水率变化较小。当到达中吸力段,土壤含水率随着土壤基质吸力的升高而急剧下降,基本呈现出曲线斜率越大其失水量越大。而当基质吸力到达高吸力段,土壤含水率随着基质吸力的增加而减小的趋势变缓,含水率变化趋势趋于稳定。（3）分析土壤水分特征曲线的分形模型,选用Menger海绵模型分形模型,研究了土壤颗粒质量的分形维数与土壤水分特征曲线分形模型拟合值的关系,发现典型区点1和点2拟合分形维数与实测土壤粒径分形维数之间的关系分别为D1=0.6595D粒径+0.6188、2D=0.876D粒径+0.2496,相关系数都在0.9以上。（4）在流域内建立土壤水分特征曲线分形模型,研究表明该模型拟合度较高,拟合值与实测值均基本重合,相关系数均在0.9以上,RMSE最大为0.211。且经Pearson和Spearmen相关性分析发现各取样点实测分形维数与模型模拟分形维数之间均呈显著性相关,相对误差小于10%,可应用该模型研究子牙河流域土壤结构分形特征与水力性质之间的关系。（5）对子牙河流域范围内的土壤结构分形特征的空间变异性进行了研究,经典统计学显示,石家庄地区土壤粒径分形维数表现为弱空间变异性,其余地区均表现为中等变异。地统计学显示,半方差拟合函数决定系数范围在0.263～0.927之间,栾城、石家庄和衡水地区的块金系数在25%～75%之间,表现为中等的空间相关性;河间、大城和滨海新区的块金系数较小,接近于0,表现为极强的空间相关性。（6）对子牙河流域同一地区和同一深度条件下土壤水分特征曲线的分形维数进行空间变异分析发现,子牙河流域土壤水力性质的分形特征在同一地区存在较弱的空间相关性,栾城、石家庄、大城及滨海新区表现出弱空间变异性,衡水和河间地区表现出中等的空间变异性。各研究区滞后距在0-0.4m内空间变异性尤为明显,随滞后距间逐渐增大下,土壤水力性质分形特征空间变异越来越弱,可能是由于灌溉方式、农作物栽培等外部人为扰动的影响从而引起土壤结构的变异。在同一深度范围内流域上的土壤水力性质的分形特征表现出中等的空间变异性,变异系数在0.25～0.75之间,且存在极强的空间自相关性。变异系数随着深度的增加而逐渐增大,表明随着深度的增加子牙河流域的空间变异性增强,土壤水力性质易受土壤质地变异及随机性因素的影响。