基于分形理論模擬花崗巖崩崗剖面土壤水分特征曲線

鄧羽松,夏棟,蔡崇法,王秋霞,呂國(guó)安,丁樹文

(華中農(nóng)業(yè)大學(xué)水土保持研究中心,430070,武漢)

基于分形理論模擬花崗巖崩崗剖面土壤水分特征曲線

鄧羽松,夏棟,蔡崇法,王秋霞,呂國(guó)安,丁樹文?

(華中農(nóng)業(yè)大學(xué)水土保持研究中心,430070,武漢)

崩崗是我國(guó)南方花崗巖地區(qū)特殊的土壤侵蝕現(xiàn)象,給山區(qū)經(jīng)濟(jì)造成了嚴(yán)重的影響。為了探索南方花崗巖地區(qū)崩崗侵蝕剖面的水分特性,明確水分與崩崗發(fā)育的關(guān)系,本研究采用野外調(diào)查采樣與室內(nèi)分析的方法,運(yùn)用土壤粒徑分形理論,并結(jié)合Brooks and Corey模型,模擬花崗巖崩崗剖面土壤水分特征曲線。選擇通城縣花崗巖崩崗剖面5個(gè)層次(表土層、紅土層、過渡層、砂土層和碎屑層)采集土樣,通過對(duì)土壤粒徑分布和土壤含水量的測(cè)定,分析分形維數(shù)與土壤粒徑之間的關(guān)系。同時(shí),應(yīng)用土壤粒徑分形理論,模擬土壤水分特征曲線,基于估算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果的比較,探討分形方法估算土壤水分特征曲線的可行性。結(jié)果表明:崩崗剖面土壤黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大,土壤粒徑分維值越大;土壤粒徑分維值越大,土壤水分特征曲線的分維值則越大,兩者之間線性關(guān)系較好;運(yùn)用分形理論,模擬土壤水分特征曲線的預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值具有良好的一致性,模擬結(jié)果的精度隨土層的深度增加而增加,模擬效果以土壤黏粒和粉粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)較少、砂粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)較多的土壤效果較好。研究結(jié)果為花崗巖崩崗機(jī)理的探索奠定了基礎(chǔ),對(duì)崩崗水分的研究具有指導(dǎo)意義。

土壤;崩崗;剖面;分形理論;水分特征曲線;南方花崗巖地區(qū)

土壤水分特征曲線是描述土壤水吸力與土壤含水量之間的關(guān)系曲線,反映了土壤持水性、供水性及水分有效性等基本特性,是定量研究土壤水滯留與運(yùn)移十分重要的土壤水動(dòng)力學(xué)參數(shù)之一[1]。所擬合的水分特征曲線能夠反映出土壤的持水性、導(dǎo)水性以及透氣性等方面的物理性質(zhì),對(duì)于水土保持方面的研究具有重要指導(dǎo)意義;但對(duì)土壤水分特征曲線的測(cè)定,一直以來是比較費(fèi)時(shí)費(fèi)力的工作。粒徑組成對(duì)于土壤水分特征曲線存在較大影響,不同質(zhì)地的土壤水分持有能力有所差別。近年來,引入分形理論,為定量描述土壤粒徑分布提供了新途徑,分形維數(shù)可以表征土壤粒徑分布的差異和自相似性,并反映其均勻程度[2-3]。F.Bartoli等[4]發(fā)現(xiàn)土壤質(zhì)地和結(jié)構(gòu),如容重、孔隙度以及粒徑等物理性狀均表現(xiàn)出分形特征,同時(shí),對(duì)于土壤的水力參數(shù)存在直接或者間接的影響。

結(jié)合土壤分形理論,對(duì)土壤水分特征曲線進(jìn)行預(yù)測(cè)的研究也有相關(guān)報(bào)道。2002年,黃冠華等[5]應(yīng)用Menger海綿結(jié)構(gòu)模型,推導(dǎo)出包含有分形維數(shù)的土壤水分特征曲線的解析模型。之后,劉建立等[6]、蘇里坦等[7]、王展等[8]、程?hào)|兵等[9]以及鄭子成[10]等研究不同的土壤,采用土壤粒徑分形維數(shù)或者土壤顆粒數(shù)量分形維數(shù),預(yù)測(cè)土壤水分特征曲線,結(jié)果均體現(xiàn)了可行性。而對(duì)于花崗巖風(fēng)化發(fā)育的土壤水分特征曲線,目前還尚未見報(bào)道,同時(shí),對(duì)于花崗巖地區(qū)常見的土壤侵蝕現(xiàn)象—崩崗的研究關(guān)注較多,崩崗發(fā)生暴露了花崗巖的剖面,剖面土壤的性質(zhì)對(duì)于土壤水分有不同的影響。中國(guó)南方崩崗的發(fā)育范圍之廣、面積之大給農(nóng)業(yè)帶來了無法估量的威脅[11-16],而對(duì)于崩崗剖面水分方面的研究較少;因此,基于土壤水分特征曲線的應(yīng)用以及測(cè)量的難題,本文采用土壤粒徑分形理論,模擬花崗巖地區(qū)崩崗剖面土壤水分特征曲線,擬通過本研究為崩崗水分的探索提供依據(jù)。

1 分形模型

描述自然界復(fù)雜的構(gòu)型一直是傳統(tǒng)數(shù)學(xué)的難題,近年來,分形理論的產(chǎn)生為研究這類復(fù)雜的對(duì)象,找到了全新的方法和思路,因而引入分形維數(shù)來描述這些復(fù)雜事物特征。土壤本身是一種具有自相似結(jié)構(gòu)的多孔介質(zhì),研究者對(duì)其結(jié)構(gòu)不斷探索,早在1986年,D.L.Turcotte[17]提出土壤分形,可用顆粒粒徑與數(shù)量的關(guān)系來定義

式中:di為第i個(gè)粒徑;N(ξ＞di)表示粒徑大于di的土壤顆粒總數(shù);D0為土壤粒徑數(shù)目分布的分形維數(shù);C為與土壤性質(zhì)相關(guān)的常數(shù)。

實(shí)際上,不管是采用吸管法,還是利用激光粒度儀等儀器,均不能直接通過實(shí)驗(yàn)得出土壤顆粒總數(shù)。本研究以吸管法測(cè)定土壤粒徑分布,其結(jié)果均為粒徑質(zhì)量的分布值。1993年,楊培嶺等[18]提出的用土壤粒徑的質(zhì)量分布表征分形特征,為研究土壤粒徑分形特征建立了新的領(lǐng)域

1990年,S.W.Tyler等[19]根據(jù)前人提出的分形理論,推導(dǎo)出土壤水分特征曲線的分形模型

式中:θ為體積含水量;θs為土壤飽和含水量;h為土壤水吸力;hd為進(jìn)氣吸力;D為土壤的孔隙體積分形維數(shù)。將模型推廣到三維歐氏空間,公式轉(zhuǎn)換成為

擬合土壤水分特征曲線的模型較多[20],各個(gè)模型的擬合效果也有區(qū)別。其中,Brooks and Corey模型表達(dá)式為

式中:λ為擬合參數(shù)。通過觀察,公式(3)、(4)、(5)形式上基本一致,通過公式(4)、(5)不難發(fā)現(xiàn):λ=3-D。公式(4)從孔隙介質(zhì)的結(jié)構(gòu)方面闡述了含水量和基質(zhì)吸力的關(guān)系,從而使模型(5)有了物理意義。

2 材料與方法

2.1供試土樣

供試土樣為燕山期發(fā)育的花崗巖紅壤,取自湖北通城(E 113°36＇～114°4＇,N 29°2＇～29°24＇)崩崗侵蝕區(qū)土體剖面。通城是我國(guó)崩崗發(fā)育的北緣區(qū),崩崗侵蝕嚴(yán)重,土壤侵蝕模數(shù)大。本研究選擇通城五里村崩崗剖面,其發(fā)育規(guī)律符合我國(guó)南方花崗巖區(qū)崩崗的典型特征。通過對(duì)土壤剖面顏色、植被根系等特征,來確定發(fā)生層,剖面自上而下分為5個(gè)層次,分別為表土層、紅土層、過渡層、砂土層和碎屑層。針對(duì)5個(gè)層次采集散土,經(jīng)風(fēng)干,并過2mm篩后,采用吸管法測(cè)定土壤顆粒組成,土壤厚度、粒徑分析以及土壤質(zhì)地分類如表1所示。同時(shí),用儀器配置的離心環(huán)刀,采集剖面土樣,用于水分特征曲線的測(cè)定,每個(gè)層次4個(gè)重復(fù)。

2.2土壤水分特征曲線的測(cè)定

使用HITACHI公司制造的CR21G高速恒溫離心機(jī)測(cè)定土樣,采取離心法測(cè)定土壤水分特征曲線,將裝有原土的離心環(huán)刀,在水中浸泡24 h直至飽和。設(shè)定0.01、0.02、0.03、0.05、0.1、0.5、1.0和1.5MPa共8個(gè)吸力。實(shí)驗(yàn)過程中,設(shè)定離心機(jī)測(cè)定溫度為恒溫20℃,求得相應(yīng)條件下對(duì)應(yīng)的土壤體積含水量,得到土壤水分特征曲線。

表1　供試土壤粒徑分析Tab.1 Analysis of particle size for the studied soil

以均方差RMSE來檢驗(yàn)預(yù)測(cè)方法的準(zhǔn)確性,計(jì)算公式定義為

式中:n為實(shí)測(cè)水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的個(gè)案數(shù);θmeasured為水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)實(shí)測(cè)值;θestimated為分形模型計(jì)算的水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)預(yù)測(cè)值。

3 結(jié)果與分析

3.1土壤粒徑分形維數(shù)的擬合

表2中土壤粒徑分形維數(shù)是根據(jù)模型式(2)計(jì)算得出,具體做法_結(jié)合表1土壤不同粒徑質(zhì)量分?jǐn)?shù),分別以為縱坐標(biāo)和橫坐標(biāo)繪圖,以最小二乘法線性回歸分析,計(jì)算得到質(zhì)量分形維數(shù)D1值,所得相關(guān)系數(shù)均在0.9以上,線性相關(guān)達(dá)到極顯著(P＜0.01)。同時(shí),通過實(shí)測(cè)的花崗巖崩崗剖面的5個(gè)層次土壤水分特征曲線數(shù)據(jù),結(jié)合Brooks and Corey模型,以最小二乘法進(jìn)行回歸分析,計(jì)算出土壤水分特征曲線的分形維數(shù)D值,同時(shí),土壤飽和含水量θs和進(jìn)氣吸力hd值也可以由此擬合,推導(dǎo)出表2。

表2　土壤粒徑的分形維數(shù)Tab.2 Fractal dimension of soil particle size

由表1可知,花崗巖風(fēng)化剖面,土壤顆粒呈現(xiàn)自表土層向碎屑層砂粒不斷增加的趨勢(shì),＜0.002mm的黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈逐漸減少的趨勢(shì),表土層黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)占32.87%,而碎屑層黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅有3.87%。結(jié)合表2不難發(fā)現(xiàn),分形維數(shù)D1、D與＜0.002mm的黏粒,呈現(xiàn)很顯著的正相關(guān)關(guān)系,相關(guān)性系數(shù)分別為0.963和0.939。也就是說,土壤細(xì)顆粒物質(zhì)越多,分形維數(shù)值就越高。同時(shí),土壤粒徑分形維數(shù)D1與土壤水分特征曲線分形維數(shù)D十分接近,值域分別在2.597～2.851和2.624～2.873之間。從計(jì)算結(jié)果來看,土壤這種多孔介質(zhì)的結(jié)構(gòu)性質(zhì),具有統(tǒng)計(jì)學(xué)的意義,能表現(xiàn)出比較明顯的分形特點(diǎn)。從土壤的角度來說,黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)多,則土粒間膠結(jié)效果好;黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)少,則容易受到水的沖蝕;因此,下土層容易被沖蝕,而造成上土層懸空形成龕[21],龕的不斷崩塌,溯源侵蝕容易形成崩崗,這是花崗巖風(fēng)化區(qū)容易發(fā)生崩崗的原因之一。同時(shí),也說明了土壤粒徑分形維數(shù)和土壤水分特征曲線分形維數(shù),均能很好地反映花崗巖崩崗剖面的抗蝕性。

從土壤質(zhì)地方面來看,由表1可知,花崗巖不同層次的土壤質(zhì)地不同,其擬合的分形維數(shù)不同,分維值由小到大依次為:壤質(zhì)砂土＜砂質(zhì)壤土＜砂質(zhì)黏壤土＜黏壤土。這說明分形維數(shù)值的大小與土壤質(zhì)地密切相關(guān),土壤黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高,分形維數(shù)值則越大。而從土壤粒徑分形維數(shù)D1與土壤水分特征曲線分形維數(shù)D方面,容易發(fā)現(xiàn)兩者之間的變化趨勢(shì)基本上一致,對(duì)兩者進(jìn)行線型回歸分析可知:

D=0.932 5D1+0.193 6,R2=0.918 6。(7) 3.2 土壤水分特征曲線預(yù)測(cè)

通過線性回歸分析,可以明確土壤粒徑分形維數(shù)D1與土壤水分特征曲線分形維數(shù)D的關(guān)系式(7),將其代入水分特征曲線進(jìn)行預(yù)測(cè),可以得到預(yù)測(cè)值①,以D1直接代替土壤水分特征曲線分形維數(shù)D值進(jìn)行預(yù)測(cè),可以得到預(yù)測(cè)值②。同時(shí),將水分特征曲線的擬合值、預(yù)測(cè)值①和預(yù)測(cè)值②與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比,通過公式(6)計(jì)算均方差RMSE。

從圖1(a)可以看到,花崗巖崩崗剖面表土層土壤水分特征曲線預(yù)測(cè)值①和預(yù)測(cè)值②具有一致性,但與實(shí)測(cè)值偏差較大。結(jié)合表3可知:均方差分別達(dá)0.024 4和0.025 2,以土壤粒徑分形維數(shù)D直接預(yù)測(cè)水分特征曲線,誤差相對(duì)較小;但在低吸力段預(yù)測(cè)的效果較好,Brooks and Corey模型擬合曲線效果最好。這可能是由于分析時(shí)忽略了土壤的團(tuán)聚作用,需要進(jìn)一步進(jìn)行研究。而對(duì)于花崗巖的紅土層(圖1(b)),預(yù)測(cè)值②的模擬效果優(yōu)于預(yù)測(cè)值①,預(yù)測(cè)值①的均方差為0.020 2,預(yù)測(cè)值②的均方差為0.019 6,但預(yù)測(cè)值對(duì)于高吸力段的模擬效果趨勢(shì)較好。圖1(c)顯示:用預(yù)測(cè)值模擬過渡層水分特征曲線的效果,明顯比表土層和紅土層好,預(yù)測(cè)值①、預(yù)測(cè)值②和擬合值的均方差接近,分別為0.017 9、0.017 3和0.015 4,說明用土壤粒徑分形維數(shù)模擬水分特征曲線,與Brooks and Corey模型擬合的效果相近。砂土層(圖1(d))土壤在低吸力的情況下,預(yù)測(cè)值比模擬擬合的效果好,與實(shí)測(cè)值能夠基本吻合,預(yù)測(cè)值①和預(yù)測(cè)值②的均方差分別為0.014 5和0.016 1,表明預(yù)測(cè)值①的效果比預(yù)測(cè)值②的模擬效果好,跟Brooks and Corey模型擬合的效果相近。從整個(gè)花崗巖崩崗剖面來看,預(yù)測(cè)效果最好的層次為碎屑層,該層次土壤分形維數(shù)最小,粗顆粒最多而黏粒最小,分形特征最為明顯。從圖1(e)來看,預(yù)測(cè)值①和預(yù)測(cè)值②與Brooks and Corey模型擬合的曲線基本能夠達(dá)到一致,預(yù)測(cè)值①和預(yù)測(cè)值②的均方差分別為0.012 6和0.010 6,擬合值的均方差為0.010 3,預(yù)測(cè)效果最佳,說明利用土壤粒徑分形維數(shù),預(yù)測(cè)水分特征曲線的方法可行。此外,通過擬合土壤基質(zhì)吸力與水分的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn),Brooks and Corey模型對(duì)于擬合花崗巖崩崗剖面土壤水分特征曲線均方差較小,平均值僅為0.011 5,說明Brooks and Corey模型能夠用于花崗巖土壤水分特征曲線的擬合。

圖1　土壤水分特征曲線的實(shí)測(cè)值、擬合值與預(yù)測(cè)值的比較Fig.1 Comparison of themeasured values,fitted values and predicted values in soilmoisture characteristic curve

由表3可推出,預(yù)測(cè)值①和預(yù)測(cè)值②對(duì)于花崗巖土壤水分特征曲線的模擬效果相似,均方根誤差值的偏差都在0.002以內(nèi)。同時(shí),針對(duì)土壤剖面每個(gè)層次預(yù)測(cè)值的均方根誤差進(jìn)行分析,預(yù)測(cè)值①和預(yù)測(cè)值②的平均均方根誤差值,自表土層至碎屑層分別為0.024 8、0.019 9、0.017 6、0.015 3和0.011 7,從數(shù)據(jù)分析可知,模擬效果在花崗巖剖面下層更好,并且自上而下逐漸變好,模擬值與實(shí)測(cè)值更加接近,圖1的擬合曲線很直觀反映了這一現(xiàn)象;同時(shí),也說明用土壤粒徑分形維數(shù)模擬水分特征曲線有良好的效果:因此,對(duì)于當(dāng)前土壤水分特征曲線測(cè)定過程的復(fù)雜性,利用土壤顆粒組成直接進(jìn)行預(yù)測(cè),能夠節(jié)約人力以及物力等資源。主要用來研究無規(guī)則圖形以及復(fù)雜的結(jié)構(gòu)特征。分形維數(shù)是分形理論具體的表現(xiàn)方式,通過分形維數(shù),不僅能夠比較不同土壤的顆粒分布規(guī)律和質(zhì)地均勻程度,還可以用來反映土壤的土壤肥力以及土壤退化程度[23]。本文將花崗巖崩崗地區(qū),土壤的粒徑分形維數(shù)與土壤水分特征曲線聯(lián)系在一起,用粒徑分形維數(shù)值,推導(dǎo)水分特征曲線的可行性。從分形維數(shù)的角度來看,花崗巖土體由表層向下分形維數(shù)逐漸減小,即土壤的質(zhì)地越細(xì),分維值越高,其關(guān)系跟土壤粒徑分形維數(shù)的大小與土壤質(zhì)地的關(guān)系一致[5]。水分特征曲線是模擬土壤中,水分與溶質(zhì)運(yùn)移關(guān)系最重要的物理參數(shù)。研究土壤水分特征曲線,可以反映土壤的水分、孔隙狀況,間接提供灌溉的依據(jù),明確土壤的透氣性質(zhì)。通過對(duì)不同的土壤進(jìn)行水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)與基質(zhì)吸力的關(guān)系研究,均反映了水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著基質(zhì)吸力的增加而減少,同時(shí),也與土壤物理性質(zhì)有一定相關(guān)性[24-27]。本文得出的花崗巖崩崗?fù)寥赖乃肿兓厔?shì)與前人研究結(jié)果一致;與此同時(shí),從不同層次的土壤看,發(fā)現(xiàn)砂土層和碎屑層的水分特征曲線釋水性明顯大于其他土層,可能是由于顆粒組成中砂粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)較大,導(dǎo)致崩崗表土層和紅土層對(duì)水分吸力極強(qiáng),而疏松的砂土層和碎屑層水分變化快,吸水能力弱?；谕寥浪痔卣髑€的測(cè)定方法復(fù)雜、耗時(shí)和費(fèi)力,如本實(shí)驗(yàn)中采用的離心機(jī)測(cè)定量少、需要的時(shí)間較長(zhǎng),使得獲取大區(qū)域、大量參數(shù)不可行,同時(shí),土壤質(zhì)地的空間結(jié)構(gòu)變異性影響到實(shí)驗(yàn)精度[7],因而需要探索

表3　土壤含水量擬合與預(yù)測(cè)誤差(RMSE)Tab.3_Fitted and predicted error of soilwater content(RMSE)

4 討論

1983年,B.B.Mandelbrot提出了分形理論[22],更為簡(jiǎn)便的方法。本文通過一組實(shí)測(cè)的土壤水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)與基質(zhì)吸力值,并以Brooks and Corey模型擬合建立水分特征曲線,同時(shí),通過分形維數(shù)值進(jìn)行模擬。同樣的方法,目前也引起部分研究者的探討。蘇里坦等[7]運(yùn)用塔里木河干流兩岸土壤粒徑分維值推導(dǎo)水分特征曲線,所計(jì)算的粒徑分維值、水分特征曲線分維值與本文所計(jì)算的非常接近。同時(shí),張杰等[28]采用同樣的方法,對(duì)魯中南山地典型植被下土壤得到了類似結(jié)論,誤差范圍較小。程?hào)|兵等[9]利用粒徑數(shù)量與粒徑質(zhì)量的分形維數(shù),分別推導(dǎo)紫色土水分特征曲線,相對(duì)本文研究分維值模擬花崗巖土壤水分特征曲線模擬效果稍好,均方差基本小于本文RMSE值;但通過研究花崗巖土壤的模擬情況,模擬效果自上層土壤至下層逐漸變好。可能是由于下層的土壤顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加,分形特征比上層明顯,黏性土壤中含水率分布不均勻,砂性土壤因其孔隙大小較一致,而其含水率的變化不大,土壤水張力的實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值十分接近,因而模擬效果較好。這與蘇里坦等[7]研究一致。崩崗剖面的理化性質(zhì)差異性較大,通過研究剖面土壤粒徑分形維數(shù)和水分特征曲線,發(fā)現(xiàn)土壤性質(zhì)之間具有密切的聯(lián)系;因此,本文基于分型理論模擬土壤水分特征曲線的研究,發(fā)現(xiàn)其可行性之后,可以應(yīng)用到崩崗區(qū)域的探索[29-30],花崗巖風(fēng)化區(qū)崩崗發(fā)育旺盛,面積較大,通過水分特征曲線,可以掌握其土壤物理特性?？傮w上來說,以上花崗巖5個(gè)層次的土壤水分特征曲線的預(yù)測(cè)值與模擬值比較接近,表明模型的預(yù)測(cè)結(jié)果能夠模擬實(shí)測(cè)的土壤水分特征曲線。研究結(jié)果對(duì)于崩崗研究中,以土壤顆粒大小分布的分形維數(shù)來模擬土壤水分特征曲線,有重要的指導(dǎo)意義。

5 結(jié)論

1)花崗巖崩崗剖面土壤粒徑分形維數(shù)值介于2.597～2.851之間,由于土壤粒徑的拓?fù)涫?,因此,分形維數(shù)增值在0.597～0.851之間,而土壤水分特征曲線的擬合分形維數(shù)值介于2.624～2.873之間,分形維數(shù)增值在0.624～0.873之間,兩方面變化趨勢(shì)基本一致。同時(shí),土壤水分特征曲線的分形維數(shù)值與粒徑分形維數(shù)值存在線性關(guān)系,粒徑分維值越高,水分特征曲線分維值則越高。分形維數(shù)的大小與土壤質(zhì)地密切相關(guān)。隨土壤質(zhì)地從表土層的黏壤土到碎屑層的砂質(zhì)壤土,其土壤粒徑的分形維數(shù)逐漸減小。體現(xiàn)分形維數(shù)值隨著砂粒增加而減小,而隨著細(xì)顆粒增加而增大。

2)本研究采用Brooks and Corey模型,擬合建立水分特征曲線,同時(shí),建立了花崗巖崩崗剖面土壤水分特征曲線預(yù)測(cè)的分形模型。將預(yù)測(cè)模型應(yīng)用到花崗巖崩崗?fù)寥乐?結(jié)果表明,土壤水分特征曲線的預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)測(cè)值具有良好的一致性,同時(shí),模擬效果沿著土層向下逐漸增強(qiáng),對(duì)于碎屑層的土壤預(yù)測(cè)效果最好?？傮w而言,利用土壤粒徑分形維數(shù),預(yù)測(cè)水分特征曲線分形模型,為花崗巖崩崗?fù)寥浪痔匦郧€的確定,提供了一種簡(jiǎn)便實(shí)用的方法。

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Simulation of water characteristic curve in the soil profile of the collapsing gully on granite area of South China based on the fractal theory

Deng Yusong,Xia Dong,Cai Chongfa,Wang Qiuxia,Lyu Guoan,Ding Shuwen

(Research Center ofWater and Soil Conservation,Huazhong Agricultural University,430070,Wuhan,China)

[Background]Collapsing gully,a serious soil erosion phenomenon in granite areas of South China,occursmainly on mound or hill slopes under the interaction of water and gravity,causing severe destructions and threats in a wide range,including Hubei,Hunan,Jiangxi,Anhui,Fujian,Guangdong, and Guangxi,mainly south to the Yangtze River,and hence a grave impact on the economy in these hilly regions.[M ethods]In order to explore the relationship between the soilmoisture and the developmentof the collapsing gully,a field survey and indoor analysis were used to investigate the relationship between the soilmoisture and the collapsing gully.The soilwater characteristic curve of granitewas simulated by fractal theory with Brooks and Corey model.The samples of profile(surface soil,red soil,transition layer,sand layer,and debris layer)in granite collapsing gully of Tongcheng County were collected,and the relationship between fractal dimension and soil particle size were analyzed by measuring the soil particle size distribution and soilmoisture content.At the same time,the fractal theory of soil particlesize was applied to simulate the soil water characteristic curve.Further,based on a comparison of estimated and measured results,the feasibility of estimating the soil water characteristic curve by fractal theory was explored.[Results]The higher the soil clay content in the profile of collapsing gully was,the larger the fractal dimension of soil particle size was;the larger the fractal dimension of soil particle size was,the larger the fractal dimension value of soilwater characteristic curve was,indicating that there was a solid linear relationship between the two;the predicted values from the simulation of soil water characteristic curve by the fractal theory and measured values were in fine consistence,the accuracy of simulation results increased with the depth of soil increasing.The simulation effectwas better for the soil containing less soil clay and silt content and more sand content.[Conclusions]The research results lay a foundation for the exploration of themechanism of granite collapsing gully,which provides the guiding significance for the study of the water in collapse gully.

soil;collapsing gully;profile;fractal theory;water characteristic curve;granite area of South China

S152.7

A

1672-3007(2016)02-0001-08

10.16843/j.sswc.2016.02.001

2015-09-07

2016-01-19

項(xiàng)目名稱:國(guó)家自然科學(xué)基金“花崗巖紅壤優(yōu)先流及其與崩崗侵蝕發(fā)育的關(guān)系”(41571258);國(guó)家科技支撐計(jì)劃子課題“紅壤崩崗侵蝕區(qū)農(nóng)田質(zhì)量保護(hù)與崩崗治理技術(shù)與示范”(2011BAD31B04)

鄧羽松(1988—),男,博士研究生。主要研究方向:水土保持與環(huán)境生態(tài)。E-mail:dennyus@163.com

簡(jiǎn)介:丁樹文(1964—),男,副教授,碩士生導(dǎo)師。主要研究方向:水土保持與農(nóng)業(yè)生態(tài)。E-mail:dingshuwen@ mail.hzau.edu.cn