2期 张季如等：微观尺度上土壤孔隙及其分维数的S分析 213 D.与士壤容重r,的关系密切m。r越大D 1.267之间，平均1.250，D较大：茶园、果林等林地 越大，表1结果总体上反映了这一趋势。 土壤的D.曲线位置左移.D甲在1.197-1.30之 将8个土样的Dm与总孔隙度P和容重，作线 间，平均1.210，D较小，总体上表明了菜地土壤较 性回归分析.Dm与P,(图9a)和r,(图9%之间分别 林地土壤的孔隙边缘粗糙和不规则，D,分布的不同 存在较为显著的回归关系。说明D能客观反缺土 初步揭示了不同经营模式下土壤孔隙结构的差异 壤结构性状，从而可为土壤通透性、土壤肥力的表征 性。此外，裸地土壤的DP(1.250)大于自然草地土 提供一个新的指标。 壤1.209，D,曲线较草地右移，总体上表明了裸地 表1也显示：在不同利用方式中，常规耕作的菜 土壤的孔隙轮廓较为粗糙，规则性差，D,分布的差 地土壤质地较粗，孔隙度较大，Dm较小；免耕果林土 异揭示了侵蚀土壤的不同利用方式之间土壤孔隙结 壤质地较细，孔隙度较小.Dm较大，土壤结构趋于紧 构性质的变化。 实。说明不同利用方式和耕作制度下的土壤结构差 表2土壤孔隙表面分维数的取值范围和特征值 异，可通过D值大小加以反映。此外，裸地与自然 Table2 Rarge of pre suface fnctal dmmmsion andin so 草地比较，裸地土壤孔径范围狭窄，孔隙细密单 土样 利用方式 D.值范围 D的概率密度 孔隙度变小，Dm增大。裸地因长期遣受强烈侵蚀 Range of De Prohbility densit 土壤结构趋于变劣，土壤板结、通透性和抗蚀性差 pttems D.value of Dr 因此，Dm也反映了土壤的抗蚀性。 荣地 1091.464120 52 2.6土壤利用方式对D,的影响 菜地 一般来说，D是描述土壤单个孔隙轮廓的粗糙 1111-1.49%1262 度和曲折程度的指标难以全面反映土壤孔隙结构 Veptabe galen 地 的整体不规则状况，应用时一般将图像中所能识别 10891.46126 50 VeptaHe garden 的所有孔隙的D,取平均值作为最终结果。本研 桃园 究利用D,频度分布曲线所处的位置关系（图10）或 1081.36119 56 峰顶”（众数）的D甲作为评价指标（表2）.能较为 茶园 1.038-1.3611204 58 全面地反映土壤孔隙结构的差异。 有学者的研究结果显示：D,与士壤质地关系密 橘园 46 Orarge land 102-1.401230 切，土壤质地越细，黏粒含量越高孔隙形状越复杂 D,值越大4网。本次研究表明，无论从D.的取值 3 草地 1.08-1.3971209 范围或D卿来看，微观尺度上的土壤结构未能明确 1121.412 47 反映这一趋势（表2）。 Bare land 土壤不同利用方式对D,分布有明显影响。从 各土样的D.分布曲线所处位置来看（图10）.菜地士 总的来说，目前D,多用作土壤孔隙结构，以及 与孔隙结构相关的土壤持水、水分运动参数等土城 壤的D,曲线比较一致，位置靠右，Dp在1.220 水力性质的描述，更为广泛的应用还有待于进一步 的深入研究和探索。 343 3结论 分形理论是定量描述土壤孔隙结构的有用工 具.本文研究结果在一定程度上表明了其应用前景 土壤孔隙的质量分维数D和表面分维数D.定量 述了土壤在微观尺度上的孔隙结构特征，揭示了分 维数与土壤结构状况、土壤性质和利用方式等之间 图10表面分维数的分 的关系。 tron停体上Pn随击壤质地的变细而增大随壤D m与土壤容重 r s的关系密切[ 10] 。r s越大, D m 越大, 表 1 结果总体上反映了这一趋势。 将8 个土样的 D m与总孔隙度 Pt和容重 rs作线 性回归分析, Dm与 P t ( 图 9a) 和 r s( 图 9b) 之间分别 存在较为显著的回归关系。说明 D m能客观反映土 壤结构性状, 从而可为土壤通透性、土壤肥力的表征 提供一个新的指标。 表1 也显示: 在不同利用方式中, 常规耕作的菜 地土壤质地较粗, 孔隙度较大, D m较小; 免耕果林土 壤质地较细, 孔隙度较小, D m较大, 土壤结构趋于紧 实。说明不同利用方式和耕作制度下的土壤结构差 异, 可通过 D m值大小加以反映。此外, 裸地与自然 草地比较, 裸地土壤孔径范围狭窄, 孔隙细密单一, 孔隙度变小, D m增大。裸地因长期遭受强烈侵蚀, 土壤结构趋于变劣, 土壤板结、通透性和抗蚀性差。 因此, D m也反映了土壤的抗蚀性。 26 土壤利用方式对 Ds的影响 一般来说, Ds是描述土壤单个孔隙轮廓的粗糙 度和曲折程度的指标, 难以全面反映土壤孔隙结构 的整体不规则状况, 应用时一般将图像中所能识别 的所有孔隙的 D s取平均值作为最终结果[ 16] 。本研 究利用 Ds频度分布曲线所处的位置关系( 图 10) 或 ∀ 峰顶#( 众数) 的 D top s 作为评价指标( 表 2) , 能较为 全面地反映土壤孔隙结构的差异。 有学者的研究结果显示: Ds与土壤质地关系密 切, 土壤质地越细, 黏粒含量越高, 孔隙形状越复杂, Ds值越大[ 15, 16] 。本次研究表明, 无论从 Ds的取值 范围或 D top s 来看, 微观尺度上的土壤结构未能明确 反映这一趋势( 表 2) 。 图 10 表面分维数的分布 Fig10 Distribution of pore surface fractal dimension 土壤不同利用方式对 Ds分布有明显影响。从 各土样的 Ds分布曲线所处位置来看( 图10) , 菜地土 壤的 D s曲线比较一致, 位置靠右, D to p s 在 1220~ 1267 之间, 平均 1250, D top s 较大; 茶园、果林等林地 土壤的 Ds 曲线位置左移, D top s 在 1197~ 1230 之 间, 平均 1210, D top s 较小, 总体上表明了菜地土壤较 林地土壤的孔隙边缘粗糙和不规则, D s分布的不同 初步揭示了不同经营模式下土壤孔隙结构的差异 性。此外, 裸地土壤的 D top s ( 1250) 大于自然草地土 壤( 1209) , Ds曲线较草地右移, 总体上表明了裸地 土壤的孔隙轮廓较为粗糙, 规则性差, Ds分布的差 异揭示了侵蚀土壤的不同利用方式之间土壤孔隙结 构性质的变化。 表 2 土壤孔隙表面分维数的取值范围和特征值 Table 2 Range of pore surface fractal dimension and D top s in soils 土样 Soil sample 利用方式 Management patterns Ds 值范围 Range of Ds value Dto p s Dtop s 的概率密度 Probability density of Dtop s SL
1 菜地 Vegetable garden 1069~ 1464 1 220 52 SL
2 菜地 Vegetable garden 1111~ 1496 1 262 51 SL
3 菜地 Vegetable garden 1089~ 1467 1 267 50 SL
4 桃园 Peach land 1058~ 1376 1 197 56 SL
5 茶园 Tea land 1038~ 1361 1 204 58 CL
1 橘园 Orange land 1082~ 1490 1 230 46 CL
2 草地 Grassland 1088~ 1397 1 209 61 CL
3 裸地 Bare land 1112~ 1477 1 250 47 总的来说, 目前 Ds多用作土壤孔隙结构, 以及 与孔隙结构相关的土壤持水、水分运动参数等土壤 水力性质的描述, 更为广泛的应用还有待于进一步 的深入研究和探索。 3 结 论 分形理论是定量描述土壤孔隙结构的有用工 具, 本文研究结果在一定程度上表明了其应用前景。 土壤孔隙的质量分维数 Dm和表面分维数 Ds定量描 述了土壤在微观尺度上的孔隙结构特征, 揭示了分 维数与土壤结构状况、土壤性质和利用方式等之间 的关系。 总体上 D m随土壤质地的变细而增大, 随土壤 2 期 张季如等: 微观尺度上土壤孔隙及其分维数的 SEM 分析 213