土壤颗粒的体积分形维数及其在土地利用中的应用_王国梁VIP免费

*国家重点基础研究发展规划项目(2002CB410810)、江苏省国土生态地球化学调查项目(EG009)资助作者简介:王国梁(1971~),男,博士研究生,主要研究方向为土壤资源。E-mail:gl.w@sohu.com收稿日期:2004-08-03;收到修改稿日期:2005-01-12土壤颗粒的体积分形维数及其在土地利用中的应用*王国梁1周生路1赵其国2(1南京大学城市与资源学系,南京210093)(2中国科学院南京土壤研究所,南京210008)摘要土壤具有自相似特征或尺度不变特征。许多研究表明,土壤质量(重量)分形维数是土壤内在属性之一。但是,在计算土壤质量分形维数的推导过程中需要做一些假设,而有些假设,如不同粒级的土壤颗粒具有相同的密度等假设,已受到一些学者的批评。此外,用传统的比重法测量土壤颗粒分布不仅工作量大,且操作结果更易受人为因素的影响。鉴此,本文提出了土壤体积分形维数的概念。通过对宜兴不同土地利用方式下178个土壤样品的体积分形维数的测定发现:土壤体积分形维数和土壤质量分形维数一样,都是土壤的固有属性;土壤颗粒体积分形维数与土壤颗粒体积百分含量具有显著的对数相关关系;对茶园、菜地和农田土壤剖面上土壤颗粒体积分形维数的变化分析表明,在茶园和菜地土壤剖面上,随着土壤剖面深度的增加,土壤粘粒体积百分含量增加,土壤颗粒体积分形维数也随之增加;在农田土壤剖面上,随着深度的增加,土壤粘粒体积百分含量和土壤体积分形维数也表现出基本保持一致的变化规律。此外,农业管理措施对土壤颗粒的组成会产生影响,使土壤粘粒体积百分含量发生变化,从而使土壤颗粒体积分形维数也随之变化,如菜地土壤体积分形维数随着种植年限的增加而出现下降趋势。关键词土地利用;土粒;体积分形维数中图分类号S152.32文献标识码A土壤是一种由不同大小和形状的固体颗粒及孔隙构成的多孔介质,具有自相似特征或分形特征[1,2]。随着分形理论的不断发展,分形理论在土壤学中的应用也越来越广。Perfect和Kay[3]对分形理论在土壤学中的应用做了较为详细的分析,并将其归为3类:(1)描述土壤物理特征;(2)建立土壤物理过程模型;(3)定量分析土壤空间变异性。分形理论在土壤粒径分布领域的应用,更多的是用于土壤物理特征方面的描述,但与土壤物理过程的模型也有重要的联系。1983年,Mandelbrot[4]首先建立了二维空间的颗粒大小分形特征模型。此后,Tyler[5]在此基础上进行了推广,建立三维空间的体积分维模型:V(r>R)=CV[1-(RKV)3-D](1)式中V是颗粒的体积,r是测定的尺度,R是某一特定的粒径,CV和KV是描述形状和尺度的常量,D是分形维数。受当时测量条件的限制,无法快速而准确地测量土壤粒径分布的体积和数量。因此,Tyler等[5]和杨培岭等[6]分别对上述公式做了修改。由于不同粒级的土粒密度随粒级变化的函数关系尚未见报道,他们通过假设不同的土壤粒级具有相同的密度等条件,用土壤质量来代替土壤的体积,从而使上述模型变成:M(r>R)=QpCm[1-(RKm)3-D](2)式中M是颗粒质量(重量),r是测定的尺度,R是某一特定的粒径,Qp是土壤颗粒的密度,Cm和Km是描述形状和尺度的常量,D是分形维数。由于不同粒径的土壤颗粒质量(重量)可以通过比重计法等方法测得,使式(2)在土壤领域的应用成为可能。但是,随着研究的深入,该公式中的不合理假设,尤其是关于不同粒级的颗粒具有相同的密度这一假设受到一些学者[7]的质疑。目前,随着激光衍射技术的发展和应用,土壤颗粒体积分布的大小和数量可以相对容易并精确地得到。在此,本文首次提出土壤颗粒体积分形维数的概念。值得指出的是,这里提出的颗粒体积分形维数和土壤团聚体的第42卷第4期土壤学报Vol142,No142005年7月ACTAPEDOLOGICASINICAJuly,2005体积分形维数的概念[8]完全不同,后者研究的是土壤团聚体的体积分形维数。因此,本研究的目的是提出土壤颗粒体积分形维数的概念,计算公式和公式中参数的物理意义;建立土壤颗粒体积分形维数和土壤粘、粉、砂含量之间的关系;将土壤体积分形维数用于土地利用中,初步研究不同土地利用中土壤颗粒体积分形维数的时空变化。1材料与方法111材料采样地点设在江苏省宜兴地区,通过对宜兴地区土地利用方式的全面调查,选择农田、菜地和茶园三种不同土地利用方式为研究对象,对每一土地利用方式采用表层样为...