第47巷第6期 土壤学报 Vol 47 No 6 2010年11月 ACTA PEDOLOG ICA SNICA Nae.2010 不同耕作措施下土壤孔隙的多重分形特征 周虎李保国1吕贻忠计郑金玉2刘武仁2 中国农业大登源与环培学院土墙与水科学系北京 100193 （2吉林省农业科学院.长春13012 摘要 首先利用数字图像处理技术提取了东北黑土区长期免耕(no tillage NT)和翻耕(m oldboan gMT)制度下土壤切片中的孔隙信息，然后应用矩方法研究了两种耕作制度下土壤孔隙结构的多重分 形特征。结果表明，免耕降低了表层(0-5m)大孔隙度(>500m.但是提高了10-15m和20-25m深 府的用隙修和大用隙府。十罐孔赋结构在41024像素尺度上且有多重分形特征。广“义排D】和彩重分 形进())及相关参数能够反映切片中孔隙结构的特征，表层土壤孔阻多重分形谱明显右偏，随深度增加 趋于对称在同一深度下，免耕处理的△a( D肉大于翻耕处理，免耕处理增加 孔隙结构的复杂程度 其 1 深度下的孔结构， 关健词 土壤耕作： 多重分形：士境孔结：士切片 中图分类号 S152S 文献标识码 土壤孔隙是士壤中液相和气相物质运移的通 量化提供了新的手段。很多研究发现土壤孔隙 道，其数量、大小和空间结构决定了土壤中物质运 结构在一定尺度上具有统计自相似性，即分形特 移的形式和速率山。土壤孔隙结构复杂且具有很 征，分形维数被用来反映不同尺度士壤孔隙的 强的时空变异性，环境变化和生物话动等均会影响 复杂性。但是在研究土壤孔隙性质的分形特征 土壤孔隙结构，尤其以耕作活动对孔隙结构的影响 时，不同区域孔隙数量的差异被忽略，孔隙结构的 最为强烈2。 局部特征并不能在分形维数中反映出来。而多 对土壤孔隙研究的方法主要是通过水分特征 重分形能够捕获研究对象在不同尺度上的分形特 曲线、压汞曲线、饱和导水率或吸附曲线等计算孔 征，对局部微小变化也十分敏感。近年来.多重分 隙的大小和数量，这些方法均建立在一定的假设基 形理论已经广泛地应用于物理、化学和地质等学 础上，简化了孔隙的形状，且不能反映士壤孔隙的 科 在土壤学 研究中，多重分形理论已经应用 空间结构信息。随者图像获取和数字图像处理技术 于土壤颗粒分布 、土壤紧实度、土壤微地 的发展，人们可以直接获取土壤孔隙信息。利用光学 形、土壤水力和土壤养分空间分布1网等方 和电子显微镜、CT扫描和MR等技术，通过数字图 面的研究。Poda等首先将多重分形理论应用 像处理技术，可以获取二维和三维土壤孔隙信息。 于土壤孔隙的研究，指出多重分形谱可以定量并☒ 土壤孔隙结构的定量化是土壤孔隙研究的 分不同土壤结构。随后，Dahe等I和Perrier等 个难题。土壤孔隙具有复杂的结构，孔隙度、弯曲 对多重分形在土壤孔隙结构研究中的理论基础和 度、连通度、节点和欧拉数等描述土壤孔隙性质的 计算方法进行了讨论，并给出了多重分形谱的计算 参数只能反映孔隙的部分特点，不能充分刻画孔隙 的性质。诞生于20世纪70年代的分形几何是描述 程序：一些研究讨论了图像处理方法所究尺度 (REA)四和计算方法 等因素对多重分形谱的 复杂的自然现象的有力工具，也为土壤孔隙结构定 乡时 “十一五”国家科技支计划保护性士壤耕作美键技术与轮作模式研究项目(206D1501)和高等学位博士学科点科研基金项 19037)货助 院98 男， 要从事土微形态和土结构定量化研究Emai办aisa中 009-06-19收到修支稿日期：2009-10-3 1094-2011 China Academic Journal elect onie Publishing House All rights reserved http/www enki ne第 47卷 第 6期 土 壤 学 报 Vo l
47, No
6 2010年 11月 ACTA PEDOLOG ICA S IN ICA Nov
, 2010 * 十一五 国家科技支撑计划保护性土壤耕作关键技术与轮作模式研究项目 ( 2006BAD1501 ) 和高等学校博士学科点科研基金项目 ( 20060019037)资助
通讯作者, Em ai:l lyz@ cau
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cn 作者简介: 周 虎 ( 1982! ), 男, 博士, 主要从事土壤微形态和土壤结构定量化研究。Em ai:l zhouhu@ issas
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cn 收稿日期: 2009- 06- 19; 收到修改稿日期: 2009- 10 - 31 不同耕作措施下土壤孔隙的多重分形特征 * 周 虎 1 李保国 1 吕贻忠 1
郑金玉 2 刘武仁 2 ( 1中国农业大学资源与环境学院土壤与水科学系, 北京 100193) ( 2吉林省农业科学院, 长春 130124) 摘 要 首先利用数字图像处理技术提取了东北黑土区长期免耕 ( no tillage, NT )和翻耕 ( m oldboard tillage, MT)制度下土壤切片中的孔隙信息, 然后应用矩方法研究了两种耕作制度下土壤孔隙结构的多重分 形特征。结果表明, 免耕降低了表层 ( 0~ 5 cm )大孔隙度 ( > 500
m ), 但是提高了 10~ 15 cm 和 20~ 25 cm 深 度的孔隙度和大孔隙度。土壤孔隙结构在 64~ 1 024像素尺度上具有多重分形特征。广义维 ( Dq ) 和多重分 形谱 ( f () )及相关参数能够反映切片中孔隙结构的特征。表层土壤孔隙多重分形谱明显右偏, 随深度增加 趋于对称。在同一深度下, 免耕处理的 (- 10 - 10 )和 D (D - 10 - D10 )均大于翻耕处理, 免耕处理增加了 孔隙结构的复杂程度, 尤其是 10~ 15 cm 和 20~ 25 cm 深度下的孔隙结构。 关键词 土壤耕作; 多重分形; 土壤孔隙结构; 土壤切片 中图分类号 S152
5 文献标识码 A 土壤孔隙是土壤中液相和气相物质运移的通 道, 其数量、大小和空间结构决定了土壤中物质运 移的形式和速率 [ 1]。土壤孔隙结构复杂且具有很 强的时空变异性, 环境变化和生物活动等均会影响 土壤孔隙结构, 尤其以耕作活动对孔隙结构的影响 最为强烈 [ 23]。 对土壤孔隙研究的方法主要是通过水分特征 曲线、压汞曲线、饱和导水率或吸附曲线等计算孔 隙的大小和数量, 这些方法均建立在一定的假设基 础上, 简化了孔隙的形状, 且不能反映土壤孔隙的 空间结构信息。随着图像获取和数字图像处理技术 的发展, 人们可以直接获取土壤孔隙信息。利用光学 和电子显微镜、CT 扫描和 NMR 等技术, 通过数字图 像处理技术, 可以获取二维和三维土壤孔隙信息 [ 4]。 土壤孔隙结构的定量化是土壤孔隙研究的一 个难题。土壤孔隙具有复杂的结构, 孔隙度、弯曲 度、连通度、节点和欧拉数等描述土壤孔隙性质的 参数只能反映孔隙的部分特点, 不能充分刻画孔隙 的性质。诞生于 20世纪 70年代的分形几何是描述 复杂的自然现象的有力工具, 也为土壤孔隙结构定 量化提供了新的手段 [ 4]。很多研究发现土壤孔隙 结构在一定尺度上具有统计自相似性, 即分形特 征 [ 58] , 分形维数被用来反映不同尺度土壤孔隙的 复杂性 [ 9]。但是在研究土壤孔隙性质的分形特征 时, 不同区域孔隙数量的差异被忽略, 孔隙结构的 局部特征并不能在分形维数中反映出来 [ 10]。而多 重分形能够捕获研究对象在不同尺度上的分形特 征, 对局部微小变化也十分敏感。近年来, 多重分 形理论已经广泛地应用于物理、化学和地质等学 科 [ 1112]。在土壤学研究中, 多重分形理论已经应用 于土壤颗粒分布 [ 1314 ]、土壤紧实度 [ 15]、土壤微地 形 [ 16]、土壤水力 [ 17]和土壤养分空间分布 [ 11, 18] 等方 面的研究。 Posadas等 [ 19 ]首先将多重分形理论应用 于土壤孔隙的研究, 指出多重分形谱可以定量并区 分不同土壤结构。随后, Dathe等 [ 10]和 Perrier等 [ 20] 对多重分形在土壤孔隙结构研究中的理论基础和 计算方法进行了讨论, 并给出了多重分形谱的计算 程序。一些研究讨论了图像处理方法 [ 21]、研究尺度 ( REA ) [ 22] 和计算方法 [ 23] 等因素对多重分形谱的 影响。