آزمایشگاه کلیدی وابستگی حفاظت از اراضی زراعی (میانه و پایین رودخانه یانگ تسه) وزارت کشاورزی ، کالج منابع و محیط زیست ، دانشگاه کشاورزی Huazhong ، ووهان ، جمهوری مردم چین ⨯

* پست الکترونیکی: chongfacai@126. com آزمایشگاه کلیدی وابسته به حفاظت از اراضی زراعی (میانه و پایین رودخانه یانگ تسه) وزارت کشاورزی ، کالج منابع و محیط زیست ، دانشگاه کشاورزی Huazhong ، ووهان ، جمهوری مردم چین ⨯

دانشکده وابستگی هیدرولیک و مهندسی محیط زیست ، دانشگاه سه گورج چین ، ییچانگ ، چین

آزمایشگاه کلیدی وابستگی حفاظت از اراضی زراعی (میانه و پایین رودخانه یانگ تسه) وزارت کشاورزی ، کالج منابع و محیط زیست ، دانشگاه کشاورزی Huazhong ، ووهان ، جمهوری مردم چین ⨯

آزمایشگاه کلیدی وابستگی حفاظت از اراضی زراعی (میانه و پایین رودخانه یانگ تسه) وزارت کشاورزی ، کالج منابع و محیط زیست ، دانشگاه کشاورزی Huazhong ، ووهان ، جمهوری مردم چین ⨯

ویژگی های فراکتالی توزیع اندازه ذرات خاک تحت الگوهای مختلف استفاده از زمین در طرفداران آبرفتی از خندق های فروپاشی در منطقه گرانیتی تپه ای جنوب چین

• یوسونگ دنگ ،
• چونگفا کای ،
• دونگ شیا ،
• شوون دینگ ،
• جیازو چن

• منتشر شده: 16 مارس 2017
• https://doi. org/10. 1371/joual. pone. 0173555

ارقام

خلاصه

در حال فروپاشی خندق ها از شدیدترین مشکلات فرسایش خاک در مناطق گرمسیری و نیمه گرمسیری جنوب چین است. با این حال ، مطالعات کمی رابطه توزیع اندازه ذرات خاک (PSD) با الگوهای استفاده از زمین را در طرفداران آبرفتی از خندق های فروپاشی بررسی کرده اند. به تازگی ، روش فراکتال برای برآورد ساختار خاک به کار رفته است و ثابت شده است که ابزاری مؤثر در تجزیه و تحلیل خواص خاک و روابط آنها با سایر عوامل محیط زیست محیطی است. در این مطالعه ، ابعاد فراکتال خاک (D) ، خصوصیات فیزیکی و شیمیایی و ارتباط آنها با الگوهای مختلف استفاده از زمین در طرفداران آبرفتی در آزمایشی مورد بررسی قرار گرفت که شامل هفت منطقه فروپاشی خندق در هفت ایالت جنوب چین بود. نتایج ما نشان داد که الگوهای مختلف استفاده از زمین از طرفداران آبرفتی تأثیر معنی داری بر خصوصیات فیزیکی و شیمیایی خاک دارد. در مقایسه با چمنزارها و جنگل های جنگلی ، زمین های کشاورزی و باغ ها به طور کلی حاوی ذرات خاک ریزتر (سیلت و خاک رس) و ذرات درشت کمتری بودند ، در حالی که تفاوت معنی داری در بعد فراکتال PSD خاک در الگوهای مختلف استفاده از زمین مشاهده شد. به طور خاص ، بعد فراکتال خاک در چمنزارها پایین تر و در باغ ها نسبت به سایر الگوهای استفاده از زمین بالاتر بود. میانگین ابعاد فراکتال خاک چمنزارها دارای مقداری بود که 0. 08 پایین تر از باغ ها بود. چگالی فله پایین تر بود اما تخلخل در زمین های کشاورزی و باغ ها بیشتر بود. رطوبت اشباع در جنگل ها و چمنزارهای کمتری پایین تر بود ، اما هدایت هیدرولیک اشباع در هر چهار الگوی استفاده از زمین بیشتر بود. علاوه بر این ، ابعاد فراکتال با محتوای سیلت ، خاک رس و ماسه و خاصیت خاک روابط خطی قابل توجهی داشت و با خاک رس همبستگی مثبت نشان داد (R 2 = 0. 976 ، P<0.001), silt (R 2 = 0.578, P<0.01), organic carbon (R 2 = 0.777, P<0.001) and saturated water (R 2 = 0.639, P<0.01) contents but a negative correlation with gravel content (R 2 = 0.494, P<0.01), coarse sand content (R 2 = 0.623, P<0.01) and saturated hydraulic conductivity (R 2 = 0.788, P<0.001). However, the fractal dimension exhibited no significant correlation with pH, bulk density or total porosity. Furthermore, the second-degree polynomial equation was found to be more adequate for describing the correlations between soil fractal dimension and particle size distribution. The results of this study demonstrate that a fractal dimension analysis of soil particle size distribution is a useful method for the quantitative description of different land-use pattes in the alluvial fans of collapsing gullies in southe China.

استناد: Deng Y ، Cai C ، Xia D ، Ding S ، Chen J (2017) ویژگی های فراکتال توزیع اندازه ذرات خاک تحت الگوهای مختلف استفاده از زمین در طرفداران آبرفتی در حال فروپاشی در حال فروپاشی در منطقه گرانیتی تپه ای جنوب چین. PLOS ONE 12 (3): E0173555. https://doi. org/10. 1371/joual. pone. 0173555

ویراستار: یونگانگ چن ، دانشگاه پکن ، چین

دریافت: 18 اکتبر 2016 ؛پذیرفته شده: 23 فوریه 2017 ؛منتشر شده: 16 مارس 2017

این یک مقاله دسترسی آزاد است ، عاری از همه حق چاپ ، و ممکن است آزادانه بازتولید ، توزیع ، انتقال ، اصلاح شده ، ساخته شده ، ساخته شده یا در غیر این صورت توسط هر کسی برای هر منظور قانونی استفاده شود. این کار تحت فداکاری دامنه عمومی Creative Commons CC0 در دسترس است.

در دسترس بودن داده ها: کلیه داده های مربوطه در داخل مقاله و پرونده های اطلاعاتی پشتیبانی آن قرار دارند.

بودجه: حمایت مالی از این تحقیق توسط بنیاد ملی علوم طبیعی چین (شماره 41630858 ، 41601287 و 41571258) و پروژه ملی کار اصلی علوم و فناوری (شماره 2014 FY110200A16) ارائه شده است. سرمایه گذاران هیچ نقشی در طراحی مطالعه ، جمع آوری داده ها و تجزیه و تحلیل ، تصمیم به انتشار یا تهیه نسخه خطی نداشتند.

منافع رقابتی: نویسندگان اعلام کرده اند که هیچ منافع رقابتی وجود ندارد.

معرفی

خاک یک محیط متخلخل است که از ذرات خاک با اندازه ها و شکل های مختلف تشکیل شده است [1] ، و ساختار و خواص آن توسط توزیع اندازه ذرات خاک (PSD) تعیین می شود ، که به طور غیرمستقیم بر خصوصیات رطوبت خاک ، باروری و فرسایش خاک تأثیر می گذارد [2]. در طی چند دهه گذشته ، بسیاری از دانشمندان خاک از PSD برای پیش بینی خصوصیات بدنی مانند احتباس آب ، چگالی فله ، نفوذپذیری و تخلخل استفاده کرده اند [3-6]. تا حدی ، PSD یک شاخص مهم برای ارزیابی خاک و رابطه آن با سایر عملکردهای خاک است [7-8]. در مناطقی که میزان فرسایش خاک بالا به دلیل بارندگی و رواناب وجود دارد ، کسری از اندازه ذرات ریز (همراه با مواد مغذی) در طی فرآیندهای فرسایش خاک به صورت انتخابی برداشته می شوند یا رسوب می شوند [9-10]. تعدادی از مطالعات قبلی پیشنهاد کرده اند که استفاده از زمین تا حد زیادی با ترویج یا مانع فرسایش خاک تأثیر می گذارد [11-14]. بنابراین ، خصوصیات PSD می تواند به آشکار کردن تأثیر کاربری اراضی بر خواص خاک کمک کند.

توصیف کمی از PSD خاک برای تحقیقات ساختار خاک مهم است. در طی چند دهه گذشته ، چندین روش مختلف برای تعیین PSD خاک ایجاد شده است [15-17]. تجزیه و تحلیل بافتی معمولاً برای توصیف PSD خاک استفاده می شود ، اما تعاریف اندازه سه بخش ذرات اصلی (شن ، سیلت و خاک رس) نسبتاً خودسرانه است و بنابراین نمی تواند اطلاعات کاملی در مورد PSD خاک ارائه دهد. علاوه بر این ، در مثلث بافتی ، خاکهای گروه بندی شده در یک کلاس بافتی دارای دامنه PSD گسترده ای هستند (به عنوان مثال ، لوم سیلت در مثلث بافتی حاوی خاک هایی است که تقریباً بین 50 تا 80 درصد در محتوای سیلت متفاوت هستند) ، بنابراین اطلاعات ناقص در مورد PSD ارائه می دهند.[9]نظریه فراکتال ، که روشی برای توصیف سیستم هایی با مقیاس های غیر مشخصه و خود شفابخش است ، برای اولین بار توسط ماندلبروت (1977) پیشنهاد و تأسیس شد [18]. در سالهای اخیر ، این تئوری برای توصیف های کمی از ویژگی های PSD خاک مورد استفاده قرار گرفته و مورد توجه کودکان شناسان در سراسر جهان قرار گرفته است. Tyler and Wheatcraft (1992) [19] توزیع مبتنی بر جرم را برای برآورد ابعاد فراکتال PSD ایجاد کرد و محدودیت های رفتار فراکتال و کاربردهای مربوط به PSD خاک را توسعه داد. بر اساس رویکرد مبتنی بر توده ، یانگ و همکاران.(1993) [20] در توصیف ویژگی های PSD خاک از بافت های مختلف خاک در شمال چین ، تئوری مقیاس فراکتال را اعمال کرد. نتایج مطالعات آنها نشان داد که تجزیه و تحلیل ابعاد فراکتال نسبت به محتوای خاک رس بسیار حساس است. بعداً ، بیتلی و همکاران.(1999) [21] PSD را با استفاده از یک مدل تکه تکه شدن بر اساس بعد فراکتال جرم در سه حوزه مشخص کرد: خاک رس ، سیلت و شن. هوانگ و ژان (2002) [22] دریافتند که بعد فراکتال PSD با محتوای خاک رس افزایش می یابد اما با محتوای شن و ماسه کاهش می یابد. میلان و همکاران.(2003) [23] رابطه بین نمایندگان مقیاس و بافت خاک را بر اساس مدل فراکتال مورد تجزیه و تحلیل قرار داد. تحقیقات آنها نشان داد که بعد فراکتال PSD خاک به دنبال یک روند خطی با محتوای رس نیز ارتباط مثبت دارد. سو و همکاران.(2004) [24] نشان داد که ابعاد فراکتال PSD پارامترهای مفیدی در نظارت بر تخریب خاک و فرآیندهای بیابانی است. علاوه بر این ، Prosperinin و Perugini (2008) [25] به طور سیستماتیک ویژگی های توزیع اندازه ذرات خاک را با استفاده از مدل Fractal در منطقه Umbria ایتالیا توصیف کردند. اخیراً ، سگال و همکاران.(2009) [26] و آریا و همکاران.

(2010) [27] از روش و تئوری فراکتال برای شناسایی PSD خاک به عنوان یک عامل مفید برای پیش بینی خواص هیدرولیکی خاک استفاده کرد و نتایج را با نتایج تعیین شده با استفاده از روش های سنتی مقایسه کرد. علاوه بر این، بسیاری از معیارهای چندفراکتالی برای مشخص کردن PSD با تجزیه و تحلیل داده های خاص ذرات خاک استفاده شده است [9، 28-31]. علیرغم تحقیقات گسترده در مورد ساختار خاک با استفاده از تئوری فراکتال، طبق دانش ما، مطالعات کمی بر روی تأثیر الگوهای کاربری زمین بر بعد فراکتالی خاک متمرکز شده است [32-33].