全 文 ：第 13卷第 3期
2 0 0 5年 7月
中 国 生 态 农 业 学 报
Chinese Journal of Eco-Agriculture
VOI．13 NO．3
July， 2005
弃耕农田土壤分形特征研究*
— — 以内蒙古 自治区伊金霍洛旗为例
章予舒 谢高地 肖 玉
(中国科学院地理科学与资源研究所 北京 100101)
摘 要 对 内蒙古 自治区伊金霍洛旗不同弃耕年限农地土壤颗粒分维数的变化特征研 究结果表 明，土壤细颗粒含
量越少，土壤分维数越低，表征农田沙漠化程度越高。土壤分维数与各粒级颗粒组分 间的关系差异较大，分维数 与
<0．025mm组分的相关关系最大，<0．025mm粒径颗粒组分是农 田土壤沙化的重要指 示性粒径。土壤 有机质和
N含量与土壤分维数成指数关系，表明分维数可作为表征农田沙化演变 中土壤结构和养分状况以及沙化程度 ，评
价土壤沙化演变的综合性定量指标之一。
关键词 分维数 弃耕地 土壤结构 沙化演变 指标
Research on soil fractal feature of abandoned farmland-A case study from Yijinhuoluo County．Inner Mongolia Au-
tonomous Region．ZHANG Yu—Shu，XIE Gao-Di，XIAO Yu(Institute of Geographical Sciences and Natural Resources Re—
search，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100101，China)，CJEA，2005，13(3)：42～44
Abstract The changes of soil granularity and its fractal features of the abandoned land in Yijinhuoluo County，Inner Mon—
golia Autonomous Region in different years were studied．The results show that the soil with less fine particles has less
fractal dimension and vice versa．The particle size less than 0．025mm has obvious exponential relation with fractal dimen—
sion，reflecting the degree of the land desertification．There also exist remarkable relations among the organic matter，nitro—
gen of the soil and fractal dimension．Therefore，the soil fractal dimens ion can be used aS an impo rtant and quantitative in—
dex indicating the degree of the land desertification and evaluating soil deterioration．
Key words Fractal dimension，Abandoned land，Soil structure，Land deterioration，Index
(Received Aug．16，2004；revised Sept．8，2004)
土壤分形特性是土壤沙化的重要指征之一，土壤粒度组成可反映土壤结构 、生产力及土壤退化过程特
性 ，也是不同形式农 田土壤沙化导致生态系统功能改变的重要测度之一。以往土壤沙化研究常用不同粒径
颗粒含量的变化表征沙化程度 ，但该方法繁琐且因不同粒径颗粒组分含量的变化而使分析变得复杂 ，难以
表现农 田土壤沙化过程的特殊性。本研究将分形理论及其方法应用于弃耕农 田土壤沙化过程，用分维数表
征弃耕农 田沙化过程分形特点及其与农 田土壤理化性质的关系，简化了沙化土壤的特性研究分析过程-1．2 J。
l 研究 区域概况与研究方法
研究区域伊金霍 洛旗地处毛乌素沙地东北缘 ，东经 108。58 ～110。25 ，北纬 38。56 ～39。49 ，总面积
5899．6km ，海拔高度 1000～1500m，年均降水量 353．6mm，年均蒸发量 2388．7mm，风大且频发 ，风沙活动
强烈，年均大风(瞬时风速≥17m／s或 2min平均风速≥1lm／s)日数 26d，最多达 51d，为典型大陆性季风气
候。该区土壤类型多为风沙土、栗钙土以及粗骨土-3 J，地表物质松散 ，沙源物质丰富，当风速≥5m／s时风沙
飞扬，并可能导致沙尘暴。全旗耕地 28030hm ，灌溉面积 14120hm 。采样区主要集 中于伊金霍洛旗境 内，
共采集 23个土壤样品，采样点包括未遭破坏或未发生土壤沙化的旱地农 田，弃耕 1年 、3年、>5年的旱地农
田以及严重沙化土地 ，土壤样品采 自0～10cm表层土壤 ，大部分样点取样面积为 10m 。进行常规土壤调查
后按对角线随机选 5个样点 ，挖取 0～10cm土层土壤并混合均匀 ，取约 lkg混合土壤作测试样品 J。农 田
弃耕年限数据根据实地调查访问并参照该县土地利用现状调查结果确定。用振筛法和吸管法分析土壤机
械组成 ，用重铬酸钾法测定土壤有机质含量。一般分维定义为 ：
N = (1／r)D (1)
*中国科学院知识创新工程重要方向性项目(KZCX3一SW一333)和国家自然科学基金项 目(30370258，30230090)资助
收稿 日期：2004-08—16 改回日期：2004-09-08
第 3期 章予舒等 ：弃耕农 田土壤分形特征研究 43
式中，r为标度，N为该标度测量下所得数量值，D为分维值。设沙化土壤颗粒粒径为 ，，粒径>r的颗粒数
目为N(r)，若土壤颗粒粒度组成具有分形结构，对比分维定义式(1)，则有：
N(r)。C r D (2)
若 M(r)为粒径
则有：
dM OC r 一 dr (4)
对式(2)求导数得：
dN 。C r一。 dr (5)
粒度成分增加与质量增加相关 ，即：
dM 。C r dN (6)
联立式(4)、(5)和(6)求解得 ：
D ： 3一b (7)
这表明幂律质量分布等价于分形分布。M(r)／M 为粒径
表明土壤粒度分布具有分形结构，拟合直线段的斜率 b值并通过式(7)即可求得沙化土壤粒度组成的分维
值 j。本研究以粒径 r小于某一特定测量尺度R 的累积粒级重量测量 w(r
分级并计算分维数。
2 结果与分析
土壤粒级组分含量与土壤分维数间的关系。土壤分形数是反映土壤结构几何形状的参数 ，在分维数上
表现为分维值越大则土壤组成成分越复杂，细粒组分含量越高，质地越细且分维数越大。反之则表现为组
成成分趋向简单 ，细粒组分含量较低及土壤质地较粗。沙化程度低则土壤分维数大，沙化程度高则土壤分
维数小 J。为观察各土壤粒级组分含量与土壤颗粒分维数间的关系，分别描绘各粒级组分与土壤分形数 ，
结果显示土壤分维数与各粒级颗粒组分间关系差异较大。图 1表明分维数与<0．025mm颗粒组分相关关
系最大 ，成指数关系(Y=0．0057e3 。 ，R =0．9862)，其次是与 0．025-0．05mm颗粒组分的关系 ，说明细
颗粒含量高的土壤分维数大 ，反之则小。故<0．025mm粒径颗粒组分是沙化农 田土壤分维数的重要指示性
粒径，小于该粒径颗粒含量越高，土壤越稳定 ，表现为分维数越大。在以风蚀为主土地沙化过程发生时往往
伴随农田土壤表层细颗粒物质损失 ，且损失的是易蚀或可蚀部分。随农田沙化发展 ，细颗粒物质首先丧失。
分维数能很好地反映土壤颗粒物质的损失状况，从而可用来反映农田土壤沙化程度。
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0．0 0．5 I．0 I．5 2．0 2．5 3．0 0．0 0．5 I．0 1．5 2．0 2．5 3．0 0．0 0．5 I．0 I．5 2．0 2．5 3．0 0．0 0．5 I．0 I．5 2．0 2．5 3．0
<0,025颗控组分 0,025-0．05颗粒组分 0．05-0．10颗粒组分 0．10-4)．15颗粒组分
图1 <0．025nun(a)、0．02540．05mm(b)、0．0540．10ram(c)与0．1040．15mm(d)颗粒组分与土壤分维数
Fig．1 Contents of particalfraction<0．025mm(a)、0．025～0．05mm(b)、0．05～0．10mm(c)and 0．10～0．15mm(d)andfractal dimension
不同弃耕年限农地土壤颗粒结构分维数变化特征。由表 1可知未弃耕农 田土壤分维数为 2．6613～
2．8013，弃耕 1年农地土壤分维数为 2．4395～2．6476，弃耕 3年农地土壤分维数为 2．3756～2．5390，弃耕
>5年农地土壤分维数为2．0269～2．3614，风沙土分维值则<2．000。图2表明与未弃耕农田相比，不同弃
耕年限农地土壤结构分维数随弃耕年限的延长而减少。弃耕年限越长，土壤分维数越小 ，表明土壤组成中
细颗粒越来越少，质地均一程度越来越差。同时也表明农地被弃耕后土壤水稳性团粒及大团聚体含量逐渐
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中 国 生 态 农 业 学 报 第 13卷
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图 2 弃耕地土壤分维数变化
Fig．2 Change in soil fracta[dimension of[ayland
土壤分维敦
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土壤分雏敦
图 3 土壤有机质、含 N量与分维数关系
Fig 3 Relation of fractal dirne~on and content of organic mater and nitrogen in soil
表 1 不同弃耕年限农 田与风沙土土壤分维数及土壤化学性质 比较
Fig．1 Comparison of the diferent soils in fracta[dimension and chemical property
减少，且随弃耕年限的延长土壤水
稳性团粒逐渐下降，在当地强烈风
沙活动影响下 ，土壤结构将发生较
大改变，进而土壤温度和湿度变幅
增大，调控能力减弱，并最终 导致
土壤质量下降。
风沙土土壤分形特征与土壤
肥力的关 系。土壤 分形 特征还表
明分维 数可很好地反 映土壤肥力
变化特征，土壤有机质与土壤分维
数成指数关 系(Y=0．007e2_135x，
R =0．7175)，随土壤分维值 的增
大而呈非线性增长。土壤 N含量
与土壤分维数亦成指数关系(Y=
0．0011e _ zI
， R =0．6221)见图
3。随弃耕年数的增加，土壤沙化
程度加深，有机质和 N含量将迅速
丧失。
3 小 结 与讨 论
土壤分维数与各粒级颗粒组分间关系差异较大 ，分维数与<0．025mm颗粒组分相关关系最大并呈指数
关系(Y=0．0057e3’ o99I，R =0．9862)，<0．025mm粒径颗粒组分是农 田土壤沙化的重要指示性粒径。不
同弃耕年限农地土壤结构分维数随弃耕年限的延长而呈减小趋势。弃耕年限越长，土壤分维数越小，表明
土壤结构将发生改变并导致土壤质量下降。土壤有机质和土壤 N含量与土壤分维数成指数关系，且随土壤
分维值增大土壤有机质与土壤 N含量呈非线性增长。随弃耕年数增加 ，土壤沙化程度加深 ，有机质和 N含
量将迅速丧失。用分维数定量化描述弃耕地土壤结构以及从土壤结构年限变化 而发生动态演化过程等方
面进行研究 ，定量描述弃耕地沙化过程切实可行 ，为土壤特征值合理表达提出了 1种新方法，可促使土地沙
化研究中土壤形态 、过程等复杂问题的解决。
参 考 文 献
1 秦耀辰．分形理论在地理学中的应用研究进展．地理科学进展 ，2003，22(4)：426～436
2 苏永中．科尔沁沙地农田沙漠化演变中土壤颗粒分形特征．生态学报 ，2004，24(1)：71～74
3 刘玉平，慈龙骏 ．人 口增长对荒漠化的驱动作用 ．干旱区资源与环境 ，2000，14(1)：28～33
4 李耀键 ，高学曾．农业试验设计和分析 ．北京 ：中国农业出版社，1983．15～21
5 周秉根．黄山第四纪泥砾沉积物分形结构特征与沉积环境分析 ．地理科学，1999，19(1)：92～94
6 廖尔华．丘陵区土壤颗粒的分形维数及其应用．四川农业大学学报，2002，2O(3)：242～281
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