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为探究长期浑水灌溉对土壤多重分形特征的影响机制，研究人员以泾惠渠灌区为对象，结合分形理论与自组织映射（SOM）分析土壤粒度分形时空演变。发现灌溉区土壤普遍存在多重分形，参数具时空异质性，持续灌溉促进均质化与肥力提升。为优化灌溉策略提供科学依据。
土壤是维系生态平衡与农业生产的核心要素，其物理性质的演变深刻影响着粮食安全与可持续发展。在干旱半干旱地区，浑水灌溉作为一种传统农耕智慧，通过引入富含泥沙的河水提升土壤肥力，但长期灌溉如何改变土壤颗粒的空间分布规律，尤其是土壤粒度分形特征的动态演变机制，一直缺乏系统性研究。现有研究多聚焦于灌溉后的水分运移与作物生长，却鲜少关注泥沙沉积对土壤粒度分形维数及多重分形特性的影响，这使得传统灌溉技术的科学化推广面临瓶颈。
为破解这一科学难题，国内研究机构的研究人员以具有 2000 余年灌溉历史的泾惠渠灌区（JCID）为研究区域，开展了 “长期浑水灌溉对土壤粒度分形特征影响机制” 的系统性研究。该研究成果发表于国际期刊《CATENA》，通过多维度分析揭示了灌溉活动与土壤结构演变的内在关联，为古老灌溉智慧注入现代科学内涵。
研究团队采用分形理论与自组织映射（SOM）神经网络相结合的技术路线，对灌区 45 个采样点的土壤样品进行了深入分析。主要技术方法包括：利用 Mastersizer 2000 激光粒度分析仪测定土壤颗粒组成，通过化学预处理（H?O?去除有机质、HCl 去除碳酸盐）确保测试准确性；运用多重分形模型计算粒度分形参数（如 D (0)、D (1)、D (2)、Δα、Δf (α)），结合 SOM 算法对参数进行非线性聚类，解析时空分布模式。
土壤粒度基本组成特征
研究发现，灌区土壤以粉粒为主导，体积含量平均达 79.37%，黏粒含量 14.33%，砂粒仅 6.30%。粉粒变异系数低至 2.61%，显示其在空间分布上的稳定性，而黏粒（变异系数 32.15%）与砂粒（45.87%）则呈现较强异质性，暗示灌溉活动对细颗粒迁移的调控作用显著。
多重分形参数的时空异质性
空间维度上，灌区南北渠系附近土壤粒度分布范围较窄，而中渠区域表现出更宽的分布范围（D (0) 均值达 0.99）和更高的均匀性（Δα 均值低至 1.52）。自组织映射将采样点分为 5 类（C1-C5），其中中渠土壤（C1、C5）的均匀性最优，反映长期持续灌溉对土壤结构的均质化效应。时间维度上，中渠系统特定埋深范围内的分形参数变异系数仅 3%，显示长期灌溉下土壤结构的稳定性；而间歇灌溉区域（C2、C3、C4）均匀性波动大，结构异质性显著。
灌溉活动对分形参数的影响机制
持续灌溉促进细颗粒（黏粒、粉粒）富集，使 D (1)、D (2) 值升高，Δα 降低，表明土壤结构改善与养分保持能力增强。反之，灌溉减少会引发土壤沙化，导致 D (1)/D (0) 比值上升，Δf (α) 下降，反映颗粒分布复杂性降低。这一现象与灌区历史演变吻合 —— 历代延续的浑水灌溉通过泥沙沉积持续优化土壤粒度组成，而灌溉中断区域则因细颗粒流失出现结构退化。
结论与意义
本研究首次通过多重分形理论量化了古代灌区土壤结构的演变规律，证实持续浑水灌溉通过细颗粒沉积提升土壤均匀性与肥力，而灌溉间断会加剧结构异质性。研究结果不仅揭示了中国古代 “用泥沙改土” 农耕智慧的科学本质，更为现代灌区优化灌溉策略（如调控灌水频率、泥沙含量）提供了关键参数支撑。通过分形参数的时空监测，可动态评估土壤质量演变，助力构建节水高效、生态友好的可持续农业模式，为应对全球气候变化下的土壤资源管理提供了中国方案。
研究创新性地将分形理论与神经网络技术结合，突破了传统土壤物理研究的局限性，为解析人类活动与土壤演变的复杂交互作用提供了新范式。其成果不仅适用于黄河流域等浑水灌溉区的土壤管理，也为全球干旱区农业可持续发展提供了跨学科研究范例。
