全 文 ：分形理论在集材道土壤团聚体研究中的应用*
李军锋* *
赵秀海
(北京林业大学 省部共建森林培育与保护教育部重点实验室,北京 100083)
Application of fractal theory in studying soil aggregates under dif ferent skidding modes. LI Junfeng, ZHAO
Xiuhai ( K ey L aboratory f or Silviculture and Conser v ation of Education M inistry , Beij ing Forestr y University ,
Beij ing 100083, China) .
Chin. J . A pp l . Ecol . , 2005, 16( 9) : 1795~ 1797.
In this paper, the char acters of soil aggr egates under differ ent skidding modes w ere investigated by fractal theory .
The r esults show ed that the par ticle fract ion of so il ag gregates w as smaller under tracto r
than under animal trac

tion skidding. As for different parts of skidding r oad, the particle fraction of air
dr ied soil agg regates was in the
order of bottom ( 2 309) > middle ( 2 291) > upper ( 2 014) , while t hat of w ater
stable aggregates followed
the sequence of bottom ( 2 04) < middle ( 2143) < upper ( 2262) . The particle fract ion of aggr egates was
2 215 in forest soil and 2 175 in skidding roads. Skidding movement could improve soil aggr egates when the cut

ting intensity was 15% . T ractor skidding w as more favorable for so il aggr egates formation.
Key words
F ractal theory, Skidding mode, Soil ag gregates, Cutting intensity.
文章编号
1001- 9332( 2005) 09- 1795- 04
中图分类号
S152. 4
文献标识码
A
* 国家 十五 科技攻关项目( 2001BA510B0704)和教育部高校青年
教师奖励计划资助项目( 2000103) .
* * 通讯联系人.
2005- 04- 20收稿, 2005- 05- 31接受.
1
引

言
分形作为一种几何工具, 在处理非线性现象时十分有
效.它从一个崭新的角度提供了探索局部结构与整体之间的
联系方法,从而揭示了现象背后的局部与整体的本质特性和
运动规律.目前, 分形理论已广泛地应用于数学、物理、化学、
材料科学、表面科学、生物与医学、地质和地理、地震和天文
科学及计算机科学等领域的无特征尺度却有自相似性的体
系中, 以一种更有效、更通用的方式描述众多自然现象复杂
的空间变异结构特征. 同时, 还能提供定量描述从小尺度到
大尺度情形下的空间变异,因而成为研究和处理复杂现象强
有力的理论工具[ 4, 6] .
形状和大小各异的土壤颗粒组成的土壤结构反映出一
个不规则的几何形体. 土壤是具有一定分形特征的系
统[ 9, 11, 16] . Turcotte[ 16]研究了土壤颗粒的分析现象及其分形
维数的计算方法,并提出了多孔介质材料的粒径分布公式为
N (
> d i ) ! d - Di ( N 是粒径大于 d i 的总数; D 是粒径分布
的分形维数) . 由于 N 值不能通过实验直接得到, 其值受到
假设与实际符合程度的影响,也影响了 D 值的准确计算. 鉴
于粒径数量分布难以直接通过实验获得,许多学者提出用粒
径的重量分布取代粒径数量分布来描述土壤分形特征的模
型,则比较精确简便[ 5, 7, 17, 19] . 风干团聚体和水稳性团聚体
的状况是影响土壤肥力的一个重要因素[ 5, 7, 17] , 是土壤肥力
的中心调节器,在很大程度上影响土壤通气性和抗蚀性[ 18] .
本文应用分形模型对吉林省红石林业局毗洲林场机械及畜
力两种集材方式下集材道土壤团粒结构进行分形维研究, 以
期得到两种集材方式对于土壤团粒粒径分布的影响.
2
研究地区与研究方法
21
研究地区概况
样地选择在吉林省红石林业局毗洲林场( 42∀34#~ 43∀
17#E, 126∀51#~ 127∀44#N) , 面积为 24 092 hm2 . 该地海拔
400~ 1 200 m, 属低山丘陵;气候属温带大陆性季风气候, 年
平均温 39 ∃ ,年平均降水 754 mm, 集中在 6~ 8 月, 年无霜
期 118~ 132 d, 土壤为灰棕壤. 毗洲林场的森林采伐作业以
抚育间伐为主, 强度在 15%左右.
2 2
研究方法
2 2 1 分形模型
具有自相似结构的多孔介质 % 土壤,由大
于某一粒径 d i ( d i > d i+ 1 , i = 1, 2, &) 的土粒构成的体积
V (
> d i ) 可由类似 Katz [ 8] 的公式表示:
V (
> d i ) = A [ 1 - ( d iK ) 3- D ] ( 1)
式中,
是码尺; A , k 是描述形状、尺度常数; D 是分形维数.
通常, 粒径分析资料是由一定粒径间隔的颗粒重量分布
表示, 以 d i表示两筛分粒级d i 与d i+ 1间粒径的平均值, 忽略
各粒级间土粒比重 的差异, 即 i = ( i = 1, 2, &) 则
W(
> d i ) = V (
> d i ) = A [ 1 - ( d iK ) 3- D ] ( 2)
式中, W (
> d i ) 为大于 d i 的累积重量,以 W 0 表示土壤各
粒级重量的总和, 由定义有 lim
i ∋ n ( d i = 0.则由此推导出土壤颗
粒的重量分布与平均粒径间的分形关系式:
W (
- d i )
W 0
= 1 - (
d i d max ) 3- D 或(
d i d max ) 3- D
=
W( S < d i)
W 0
( 3)
因此, 取对数后对 lg( d i d max) 和 lg(
w i
w 0
) 进行回归分析, 即可求
出分形维 D 的值.
2 2 2 数据获取
通过采伐作业图选择集材道. 按照集材方
应 用 生 态 学 报
2005 年 9 月
第 16 卷
第 9 期






























CHINESE JOURNAL OF APPLIED ECOLOGY, Sep. 2005, 16( 9))1795~ 1797
式,共选择了 83、84、106、150(机械集材 ) 和 63、100、125、
127、128(畜力集材) 9条集材道. 每条集材道上设置 3 点: 集
材道上部、中部和下部, 并在集材道和林内分别取样, 挖掘土
壤剖面,在土层 5~ 30 cm 区间取土样 1 kg.
223 样品测定
采用机械法测定土壤团聚体含量[ 14] . 将
样品带回室内后,轻剥成 1~ 2 cm 的小块, 自然风干. 然后通
过筛组(孔径分别为 5, 3, 1, 0 5 和 0 25 mm) , 计算出不同粒
级的干筛百分比, 然后将过筛后的土样配制成 50 g 后放入
筛组进行湿筛.
3
结果与分析
31
不同集材方式下土壤团粒结构的粒径分布
由表 1 可见, 机械集材林内> 0 25 mm 的风干和水稳性
团聚体的粒径分布 D 值分别在 1 774~ 2 29 和 1762 ~
2 22 间; 畜力集材林内> 025 mm 的风干和水稳性团聚体
D 值在 178~ 2 411 和 1802~ 2 389 间; 机械集材集材道
处> 025 mm 的风干和水稳性团聚体 D 值在 1 762~ 2484
和 1 916~ 2561 间;畜力集材集材道处> 0 25 mm 的风干
和水稳性团聚体 D 值在 2 014~ 2 693 和 1 867~ 2649
间.土壤的分形维数反映着土壤结构几何形状的参数 , D 值
越高, 表明土壤结构越紧实; D 值越低, 表明土壤结构性状相
对越松散、通透性越好,林地表层土层生物活动加强,矿化作
用加快, 导致土壤养分、土壤物理性质得到改善, 有利于林木
生长及林地肥力的提高[ 5] .
表 1
不同集材方式下集材道不同位置土壤团聚体分形维数( D)及相关系数( r) *
Table 1 Fractal dimension and correlation coefficient at different posi tion of skidding road ( tractor and animal)
集材方式
Skidding
method
林班
Compartment
林内Forest
上部 Upper
D r
中间M iddle
D r
下部Bo ttom
D r
集材道 Skidding road
上部U pper
D r
中间 Middle
D r
下部 Bot tom
D r
机械集材 83 ∗ 1986 099 2 288 096 2280 097 2361 096 2245 096 2 484 096
T ract or + 2091 095 2 198 094 2051 094 2268 096 2084 092 2 385 094
skidding 84 ∗ 2232 097 2 210 097 2067 098 2275 097 2168 097 2 174 098
+ 1905 096 2 136 091 1886 096 1916 096 2221 096 1 997 097
106 ∗ 2174 098 2 261 099 2109 098 2060 099 2364 099 2 062 099
+ 2187 099 2 187 099 2140 097 2052 099 2231 098 2 047 099
150 ∗ 1918 098 1 774 098 2086 099 2037 097 2134 096 1 752 099
+ 1762 097 2 214 096 2220 097 2087 092 1921 093 2 561 091
畜力集材 63 ∗ 2331 098 2 092 099 2411 097 2277 098 2279 098 2 417 098
Animal + 2277 095 2 184 093 2389 095 2217 096 2286 098 2 433 097
skidding 100 ∗ 2392 097 2 189 098 2354 095 2309 095 2291 098 2 014 099
+ 2272 095 2 328 089 2279 093 1943 094 2121 098 2 225 094
125 ∗ 210 097 197 096 2357 094 2230 094 2258 096 2 051 096
+ 195 096 180 096 2334 094 2030 094 2211 095 1 868 096
127 ∗ 2183 099 2 358 098 2034 099 2309 098 2193 098 2 217 097
+ 2215 090 2 134 095 1934 092 1867 097 2104 089 2 195 094
128 ∗ 2331 094 1 780 099 2368 095 2043 098 2332 096 2 693 096
+ 2086 092 2 351 089 2267 095 1984 096 2111 093 2 649 093
* 上部、中间和下部为集材道的不同部位 The upper, middle and bot tom are the different part s in skidding road, where t he soil were sampling 下同 The samebelow ∗ :
> 025 mm风干团聚体A ir
dry aggregates; +: > 025 mm水稳性团聚体 Wat er
stable aggregates
32
集材道不同部位土壤团聚体粒径分布
影响团聚体的形成及其稳定性的因素很多, 如成土母
质、土地利用方式、耕作及管理制度、气候条件、植被覆盖情
况、土壤本身的物理化学性状以及人为因素(如各种污染物
的输入)等[ 1, 12, 20] .对团聚体形成过程的解释有多种模式, 应
用较多的主要有 Edwards 等[ 2]的以有机无机复合体为基础
的团聚体形成模式; T isdall等[ 15]的以团聚体中各种大小结
构单元及各种胶结剂的组成为基础的团聚体模式. 由表 1 可
以看出,两种集材方式下集材道不同部位风干团聚体粒径 D
变化趋势不明显,而水稳性团聚体粒径 D 则是依次增加: 机
械集材道上部 ( 208) < 下部( 2143) , 斜率为 09189; 而畜
力集材道上部( 2 021) < 下部( 2 322) , 斜率为 0 9456, 越往
集材道下部过渡,出现的 D 值越大, 反映着土壤团聚体含量
的降低, 而低的水温性团聚体含量表明土壤抗蚀性能[ 13]和
土壤结构稳定性[ 21]下降, 土壤团粒径分布分形维数越大, 土
壤结构遭到破坏、稳定性下降.
33
不同作业区土壤水稳性团聚体粒径分布及破坏率
由表 1 可见, 两种集材方式下, 林内与集材道上的土壤
的土壤团聚体分形维数差异较小, 林内 ( 2 215) > 集材道
( 2175) . 由表 2 可见,其结构破坏率( P )的变化趋势是集材
道处增加, 但差异不显著;林内由于采伐作业的影响,变化规
律性不明显.
表 2
不同集材方式下集材道不同位置土壤团聚体破坏率
Table 2 Structural damage ( P ) at different position of skidding road
( tractor and animal) (%)
集材方式
Skidding
methods
林 班
Compartment
林内 Forest
上部
Upper
中间
Middle
下部
Bottom
集材道 Skidding road
上部
Upper
中间
M iddle
下部
Bottom
机械集材 83 61 91 72 58 68 77 73 64 75 93 73 01
Tractor 84 66 64 68 74 66 34 78 18 75 48 73 07
skidding 106 71 51 63 42 75 65 77 31 77 71 66 23
150 66 04 60 26 63 70 70 69 70 65 81 88
畜力集材 63 62 87 63 25 71 24 69 23 74 62 67 01
Animal 100 71 92 74 78 78 54 66 83 68 76 62 15
skidding 125 64 38 62 85 65 39 72 80 62 85 65 39
127 74 58 68 60 80 58 72 04 77 54 60 82
128 71 61 70 87 72 23 65 96 66 40 65 77
1796 应
用
生
态
学
报

















16卷


P= > 025 mm 团聚体- > 025 mm 水稳性团聚体
> 025 mm 团聚体 , 100% .
本实验中, 林班作业均为抚育间伐, 采伐量不大. 据推
算,机械集材经过的次数在 50~ 80 次之间、畜力集材约为
200~ 240 次.伐区集材作业压实土壤, 引起土壤物理性质的
改变, 势必影响到林木等生物的生长和发育. 但这种外界干
扰较小,尚未达到影响林木等生物更新生长的程度[ 3] . 我国
大兴安岭林区的呼中和塔河等林业局应用森林生态干扰梯
度理论, 利用一定程度的集材作业相当于整地的有利作用,
使大量的拖拉机集材道上的更新情况好于未经集材作业的
地区.一定范围内多次反复的集材活动促进了土壤结构的改
变,但是这种有利影响究竟能在多大范围内作用还需要进一
步的研究.
4
讨

论


机械集材方式下林内与集材道团聚体结构破坏率有所
差异,而畜力集材林内和林外差异较小. 实验中,两种集材活
动均发生在冬季,地面冰雪物减缓了集材器械与土壤间的作
用,使得两种集材方式下土壤团粒结构的破坏率低; 相对而
言,畜力集材对于团粒结构的作用较轻微.


不同取样点风干团聚体的粒径分布分形维数从集材道
上部向下减小,集材作业活动引发了土壤结构的改变, 并随
着活动的增加,土壤颗粒变得更加均匀, 结构相对松散、通透
性增强,土壤养分增强, 这有益于进行森林经营活动.


机械和畜力集材方式下水稳性团聚体粒径分布分形维
数由集材道顶部向下有增加的趋势,而畜力集材方式下分形
维数变化较明显(斜率 09456) . 这表明随着集材作业的进
行,土壤的抗侵蚀能力逐渐下降,如果毫无控制地进行集材
作业, 势必引发严重的水土流失问题. 实验中畜力集材引发
水稳性团聚体的变化较大,应加以控制.


集材道处土壤团聚体的分维数( 2 175)略低于林内值
( 2 215) ,总体上集材作业在改变土壤结构上起促进作用. 进
一步观察发现,在风干团聚体的变化上,畜力和机械集材方
式还存在着危害性,而畜力对其结构的改变不利影响更大.
水稳性团聚体方面则是畜力集材大于林内,而机械集材小于
林内,说明林内的作业和畜力集材以及机械集材对于土壤抗
蚀能力的影响有区别.三者在多大的作用范围不会发生危害
性的水土流失现象需要进一步研究.


畜力和机械集材都会对林地产生影响,在主伐作业中会
表现得更加明显.而实验中得出机械集材能更有利地促进土
壤团聚体的形成,并对土壤抗侵蚀性影响程度较小. 这与集
材通过次数有关.根据推算得出研究地点畜力集材经过的次
数是机械集材的 3~ 4 倍. 由于集材通过次数较低,机械畜力
集材方式对于森林土壤的团聚体形成有促进作用.实验中伐
区作业为抚育间伐,采伐强度为 15% , 集材对于森林生态系
统的干扰并未超过系统本身所能够承受的阈值,且机械集材
较畜力集材更有利于土壤改善( 2123< 2354) ,并间接地促
进了森林更新.
致谢
研究中得到福建农林大学刘金福教授赘导,外业工作
得到吉林省红石林业局及毗洲林场有关人员的大力协助.
参考文献
1
Barral MT , Arias M , Gu
rif J. 1998. Ef fects of iron and organic
mat ter on the porosity and st ructural stability of soil aggregates.
Soi l Ti llage Res, 46: 261~ 272
2
Edw ards AD, Bremner JM . 1967. M icroaggregates in soil. J S oil
S ci , 18: 64~ 73
3
Jiang H
X(蒋洪翔) , Xia G
H (夏国华) , Liu J
H (刘晋浩) . 1995.
Study on th e disturbance of skidding pattern to forest ecology in
felling areas. J Northeast For Univ (东北林业大学学报) , 23( 5 ) :
82~ 87( in Chinese)
4
Li B
G(李保国) . 1994. Fractal theory: It s applicat ion and model in
soil science. Prog S oi l S ci ( 土壤学进展) , 22 ( 1) : 1 ~ 10 ( in Ch i

nese)
5
Liu J
F(刘金福) , Hong W ( 洪
伟) , Wu C
Z( 吴承祯) . 2002.
Fractal features of soil clusters under some precious hardwood
stands in the cent ral subt ropical region, China. A cta Ecol Sin (生态
学报) , 22( 2) : 197~ 205( in Chinese)
6
Lu Z
X(鲁植雄) , Zhang W
Q(张维强) , Pan J
Z(潘君拯 ) . 1994.
Fractal theory and it s applicat ion in agriculture. Prog S oil S ci (土壤
学进展) , 22( 5) : 40~ 45( in Chinese)
7
Luo D
Q(骆东奇) ,Hou C
X(侯春霞) , Wei C
F(魏朝富) , et al ,
2003. Study on f ract ion characters of aggregates of dryland purple
soil developed f rom dif ferent parent material. J Soil Water Conser
(水土保持学报) , 17( 1) : 131~ 133( in Chinese)
8
Katz AJ, Thompson AH. 1985. Fractal sandstone pores: Implicat ion
for conduct ivity and pore formation. Phys Rev L et t , 54 ( 12) : 1325
~ 1328
9
Falconer KJ. 1990. Fractal Geomet ry: Mathemat ical Foundat ions
and Applicat ions. New York: John W iley & S ons. 89~ 159
10
Rat tan L. 2000. Physical management of soils of the t ropics: Priori

ties for the 21st century. J S oi l Sci , 165: 191~ 207
11
Rieu M, Sposito G. 1991. Fractal f ragmentat ion, soil porosity, and
soil w ater propert ies + . Applications. Soil Sci Soc A m J, 55( 4 ) :
1231~ 1238
12
Salako FK, Babalola O, Hauser S , et al . 1999. Soil macroaggregate
stabil it y under dif ferent fallow systems an d cropping intensities in
southw estern Nigeria. Geod erma , 91: 103~ 123
13
Shen H(沈
慧) , Jiang F
Q(姜凤岐) , Du X
J(杜晓军) . 2000. E

valuation on soil ant i
erodibilit y of soil and w ater conservat ion for

est. Chin J A ppl Ecol (应用生态学报) , 11( 3) : 345~ 348( in Ch i

nese)
14
The Soil Physics Laboratory of Nanjing Institute of S oil S cience,
Chinese Academy of Sciences(中国科学院南京土壤研究所土壤
物理研究室编 ) . 1978. Th e Measure Method of Soil Physics.
Shanghai: S hanghai Scientif ic an d Technical Publishers. 514~ 512
( in Chinese)
15
Tisdall JM , Oades JM . 1982. Organic mat ter and water
stable ag

gregates in soils. J S oi S ci , 33: 141~ 163
16
Turcotte DL. 1986. Fractals and f ragm entation. J Geop hys Res , 91:
1921~ 1926
17
Wu C
Z(吴承祯) , Hong W(洪
伟) . 1999. Study on fractal fea

tures of soil aggregate structure un der diff erent management pat

terns. Ac ta Pedol S in(土壤学报) , 36( 2) : 162~ 167( in Chinese)
18
Xin H
W( 辛厚文) . 1993. Fractal T heory and It s Applicat ion.
Hefei: University of S cience Technology of China Press. ( in Ch i

nese)
19
Yang P
L(杨培岭) , Luo Y
P(罗远培) , S hi Y
C(石元春 ) . 1993.
Fractal feature of soil on expression by w eight dist ribution of grain
size. Chin Sci Bu ll (科学通报) , 38( 20) : 1896~ 1899( in Chinese)
20
Zhang M
K( 章明奎) , H e Z
L (何振立 ) . 1997. Ef fect of parent
materials on format ion of soil aggregates. Trop S ubtr op Soi l (热带
亚热带土壤科学) , 6( 3) : 198~ 202( in Chinese)
21
Zhong J
H(钟继洪) , T an J(谭
军) , Guo Q
R(郭庆荣) , et al .
1998. Comparative study on st ructure characterist ics of hilly latored
soils under dif ferent vegetat ion in south subtropics. Chin J A ppl
Ecol (应用生态学报) , 9( 4) : 359~ 364( in Ch inese)
作者简介
李军锋, 男, 1978 年生,硕士生. 主要从事森林生
态和集材道研究. T el: 010
62391394; E
mail: cnlijunfeng@ so

hu. com
17979 期







李军锋等:分形理论在不同集材方式下集材道土壤团聚体研究中的应用