土壤是具有自相似性结构的多孔介质,具有一定的分形特征,利用土壤颗粒的重量分布可直接计算土壤团聚体分布的分形维数。土壤团聚体结构状况是影响土壤性质的重要因素之一。具有良好团聚体结构的土壤,不仅具有高度的空隙性和持水性,而且有良好的通透性。土壤团聚体结构也是土壤养分肥力的中心调节器,其大小分布和稳定性影响着土壤的孔隙性、持水性、通透性和抗蚀性,国内外特别是国内近几年的研究明确了土壤团聚体在土壤肥力中重要作用。如何用量化的团聚体特征分析其与土壤肥力的关系,必须首先对土壤团聚体结构进行定量描述,运用分形求解模型对土壤团聚体进行分形维数求解就是研究的方法之一。本研究中,为探讨不同土地利用方式对紫色土团聚体分形特征和肥力的特性,选定以不同母岩发育紫色土为研究对象,将研究区域确定为具有飞仙关组、沙溪庙组、遂宁组三种紫色土成土母岩的区域,并在每个区域中选取5种具有典型代表性的土地利用方式(林地、灌木、天然草地、农地、果园),分别进行了布点采样,并通过室内试验分析其理化性质,利用分形维数计算公式计算紫色土团聚体分布及分形维数,对其团聚体组成特性和分形特征进行研究,期望能探索不同土地利用方式对各母岩形成的紫色土的土壤团粒和微团粒的影响,并用以寻找对紫色土土壤质量、结构的进行定量化描述的途径,为改善土壤理化性质、指导培肥地力提供依据。本文的主要研究成果:(1)对不同土地利用方式对紫色土团聚体分形特征影响效应的研究主要有以下结论:在5种土地利用方式中,林地的分形维数最小,表明其土壤团聚体含量较高,这与林地的覆盖度相对较高、每年有大量枯落物回归土壤有关;天然草地、灌木的分形维数也高,这和天然草地和灌木群落结构复杂,呈多层分布,林下有大量的草本和凋落物等因素有关。总体来说,林地、灌木和天然草地土壤1-0.01mm微团聚体含量偏高,果园偏低,将土壤剖面上下综合起来看林地、天然草地变化幅度最大,灌木林地次之,说明林地、灌木林地和天然草地对于土壤微结构的形成有促进作用。土地利用方式不同导致土壤微团聚体的分形维数也会产生较大变化,其中就表层土壤来说,其基本趋势与团聚体相当,而表层土壤的改变恰恰可以体现人类对于土壤性质的改变,因此土壤微团聚体的分形维数也可以表征土壤结构质量的高低。微团聚体的较大粒级的含量可以表明土壤微团粒结构的好坏,其结构越好较大粒级微团聚体的含量越高,而分形维数越低;黏粒含量越高土壤微团粒结构越差,表现为分形维数越高。(2)对紫色土区不同成土母岩土壤的团聚体及微团聚体分形特征研究结论如下:土壤分形维数是反映土壤结构几何形状的参数,在维数上表现出粘粒含量越高、分形维数越高。土壤团粒结构粒径分布的分形维数反映了土壤微团聚体及微团聚体含量对土壤结构与稳定性的影响趋势,即团粒结构粒径分布的分形维数越小,则土壤越具有良好的结构和稳定性。从三种紫色母质发育的紫色土微团聚体分形维数排列来看,红棕紫泥＜暗紫泥＜灰棕紫泥,遂宁组母质发育的红棕紫泥始终表现出最好的土壤结构,分析其原因,除了土壤本身的物理化学行之外,最主要的原因是遂宁组红棕紫泥地区所在的谢家湾小流域有进行综合治理,对其土壤尤其是表层土壤的结构改善比较大,对土壤性质的改善也比较明显。三种紫色母质发育的紫色土无论是表层还是亚表层,沙溪庙组灰棕紫泥灰岩母质发育的土壤团粒结构分形维数基本上都呈现出最小,这与沙溪庙组紫色泥岩沉积相为比较湿润下的河流环境环境有关,飞仙关组暗紫色泥灰岩沉积相为干燥炎热高气压下的陆缘浅海,遂宁组红棕色泥岩沉积相为比较干旱条件和河漫湖泊的洪水泛滥至正常河流环境,三种母质沉积相不同,由沉积相差异引起的母质矿物成分、化学物理成分和氧化物活动性不同,因此三种紫色母质发育的紫色土表现出不同的性质。因此,在开发土地、水土保持的过程中不仅要重视土壤本身的性状,而且还要研究成土母质的差异对水土保持的影响。(3)对不同母岩紫色土在不同土地利用方式下的肥力研究结论如下:不同母质类型紫色土比较土壤容重和总孔隙度,土壤容重越大,总孔隙度越小,土壤越紧实,其抗冲性能越强。在径流短历时的冲刷过程中,土壤容重越大,土壤紧实程度越高,土壤颗粒相对松散土壤不易被冲蚀、搬运,遂宁组表现出更强的抗冲性能,其团聚体性能最好。遂宁组土样的容重最大,总孔隙度最小,表现为最显著;不同母质类型紫色土其土壤理化性状,无论是表层土壤还是深层土壤,其土壤有机质含量和全氮、磷、钾含量的趋势基本相同,各土壤肥力指标均以遂宁组土壤数值最显著。不同土地利用类型比较起土壤容重和总孔隙度,无论是表土层还是深层土壤,其容重跟总孔隙度大小所表现出来的规律是一致的,林地的各土层容重均为最大,总孔隙度均为最小,农地的各土层容重均为最小,其总孔隙度均为最大。即容重越大,总孔隙度越小。在径流短历时的冲刷过程中,土壤容重越大,土壤紧实程度越高,土壤颗粒相对松散土壤不易被冲蚀、搬运,遂宁组表现出更强的抗冲性能,其团聚体性能最好;不同土地利用类型下的土壤有机质含量和全氮、磷、钾的含量在垂直方向上不断下降的。各土地利用类型内的各土层的土壤除全钾外,有机质、全氮和全钾的含量以林地和天然草地表现得最显著,林地和天然草地的有机质、全氮和全磷的含量较高,是由于植物根系的故土作用,从而减少由于大量降雨而造成的土壤养分流失,而且土壤总孔隙度较小也是减少土壤肥力流失的一个原因。农地则由于人为扰动大、土壤疏松,从而造成了土壤肥力的大量流失。(4)对团聚体分形维数与土壤肥力之间的关系的研究结论有:分形维数可以较好地作为土壤肥力特性的定量化指标。在一定范围内,分形维数越高,则土壤中的粘粒含量越丰富,土壤的化学性质越活泼。土壤的吸收性能、氮元素含量及有机质含量都随着分形维数的增大而增大。土壤各养分状况均与土壤颗粒分形维数有极显著的线性正相关关系,表明了土壤颗粒分形维数能客观地反映土壤肥力特征。