بخشی از مقاله
چکیده
مدیریت پایدار منابع خاک موجب ایجاد تعادل، بقا و حفظ چرخه زیستی میشود. ساختمان خاک موضوعی مهم در مدیریت منابع خاک است. برای بیانکمّی ساختمان خاک و استفاده از این ویژگی در مدلهای مختلف برای برنامهریزی و مطالعات بهعنوان اطلاعات پایه کمّی، لازم است این فاکتور بهصورت کمّی ارائه شود.
بدین منظور، تعدادی نمونه خاک دستنخورده از یک منطقه زراعی برداشت و جرم ویژه ظاهری، فراوانی نسبی اندازه ذرات و توزیع اندازه خاکدانهها در دو حالت تر و خشک اندازهگیری شد. سپس با استفاده از چهار مدل فرکتالی تعداد-اندازه و جرم-اندازه توزیع اندازه خاکدانها در دو سری الک خشک و تر، بُعد فرکتالی همه نمونهها بدست آمد.
نتایج نشان داد که مدلهای تعداد-اندازه مندلبرات و جرم-اندازه تیلر-ویتکرفت در سری الکهای خشک و مدلهای تعداد-اندازه ریو-اسپوزیتو و جرم -اندازه تیلر-ویتکرفت در سری الکهای تر با داشتن کمترین خطا و انحراف معیار، مناسبترین مدلها برای بیانکمّی ساختمان خاک میباشند.
مقدمه
امروزه، کشاورزی پایدار بهعنوان مدیریت موفق منابع برای ارتقاء سطح کیفی محیطزیست و حفاظت منابع طبیعی معرفی میشود. ساختمان خاک و پایداری خاکدانهها، بر روی تهویه، فرسایش، حرکت آب در خاک و رشد محصول تأثیر میگذارند و میتوانند محدوده وسیعی از فرآیندهای بیوژئوشیمیایی و فیزیکی محیط زراعی و غیر زراعی را تحت تأثیر قرار دهند بنابراین دستیابی به وضعیت بهینه ساختمانی و ارتقای پایداری واحدهای تشکیلدهنده ساختمانی خاک، یکی از مهمترین اهداف کشاورزی پایدار و حفاظت محیطزیست میباشد.
کمّیسازی ساختمان خاک بر پایه ارزیابیهای غیر مستقیم پارامترهای ساختمان خاک از روی دادههای تعدادی از فرآیندهای خاک که از ساختمان خاک نشأت میگیرند انجام میشود. همان فرآیندهایی از خاک که با حالت پایدار یا لحظهای از سیستم پویای خاک در ارتباط هستند. ذرات خاک از نظر شکل، اندازه و جهت قرارگیری متفاوت هستند و میتوانند به شیوههایی گوناگون کنار هم قرار بگیرند، در نتیجه مجموعه آنها نیز نامنظم و پیچیده است و مشخص کردن شکل هندسی دقیق برای آنها، بسیار دشوار است. توصیف محیطهای متخلخل چون اغلب ناهمگن و نامنظم میباشند، با هندسه اقلیدسی دشوار است
بررسی روشهای بهروز و کارآمد برای کمّیسازی مفاهیم اساسی فیزیک خاک و استفاده کاربردی از ساختمان خاک، ضروری و حائز اهمیت میباشد. امروزه برای کمّیسازی محیطهای متخلخل و نامنظم در طبیعت از روشهای فرکتالی استفاده میشود
فرکتالها از روشهای مهم و نوین برای مدلسازی و بیان کمّی ویژگیهای خاک میباشند . - Young et al., 2001 - تعیین بُعد فرکتالی روشی جدید برای کمّیسازی ساختمان خاک است که در آن خاکدانهها جسم شبه فرکتالی در نظر گرفته میشوند
در خاک با جدا کردن اجزاء درشت، بُعد فرکتالی افزایش مییابد که این امر نشاندهنده بینظمی شکل خاکدانهها میباشد. جدا کردن ذرات ریز و درشت از خاک باعث فرسایش خاک میگردد که این مسأله را میتوان با تئوری فرکتالی تشریح کرد
با توجه به اینکه امروزه برای مدل کردن ساختمان خاک اغلب بهطور گستردهای از روشهای فرکتالی استفاده میشود، بنابراین همین امر باعث شده که استفاده از توابع نمایی برای پارامتره کردن توزیع اندازه ذرات افزایش یابد
برای اندازهگیری ساختمان خاک، دو روش بهواسطه بُعد فرکتالی وجود دارد. روش مستقیم، درستترین و نخستین روشی است که در آن ساختمان خاک تصویر میشود. سپس واحدهای ساختمانی بهصورت مستقیم اندازهگیری شده و با آنالیز آن، بُعد فرکتالی برای توزیع اندازه ذرات تخمین زده میشود
در پژوهشی به این نتیجه دستیافتند که بُعد فرکتالی در سیستمهایی که عملیات خاکورزی در آنها صورت نگرفته، کمتر و خاک دارای ساختمان بهتری است.
در پژوهشی - 2002 - Millan et al.، بیان کردند که پارامترهای فرکتالی خاکدانهها اثر عوامل خارجی مانند خاکورزی و بهسازی را بر روی ساختمان خاک منعکس میکنند و ابزاری مناسب برای تشخیص تأثیر عوامل مدیریتی بر ویژگیهای فیزیکی خاک میباشند.
بُعد فرکتالی اندازه ذرات خاک در کاربریهای جنگل و مرتع کمتر از بُعد فرکتالی ذرات بوده و نمیتواند تغییر ساختمان خاک را با تغییر پوشش گیاهی نشان دهد. در حالیکه بُعد فرکتالی خاکدانههای خاک، تغییر ساختمان خاک را با تغییر کاربری و پوشش بهخوبی بیان کرده و بهعنوان روشی سودمند و مؤثر برای توصیف ساختمان خاک میباشد . - Su et al., 2004; Zhao et al., 2006 - در نتیجه هدف از این پژوهش، محاسبه و تعیین پارامترهای فرکتالی چهار مدل تعداد-اندازه و جرم-اندازه توزیع اندازه خاکدانهها و مقایسه آنها با یکدیگر و در نهایت، انتخاب کارآمدترین مدل برای کمّیسازی ساختمان خاک بود.
مواد و روشها
در این پژوهش بهمنظور ارزیابی کمّی ساختمان خاک، نخست تعداد 41 نمونه خاک دستنخورده بهصورت چند ریز نمونه مرکب از خاک برداشت و پس از هوا خشک کردن، جرم ویژه ظاهری و فراوانی نسبی اندازه ذرات خاک تعیین و آزمایشهای مربوط به سری الکهای خشک و تر بر روی آنها اعمال شد. سپس برای محاسبه شاخصهای پایداری خاکدانهها از چهار مدل فرکتالی تعداد-اندازه و جرم-اندازه توزیع اندازه خاکدانهها در دو حالت خشک و تر استفاده شد.
بُعد فرکتالی مدل تعداد-اندازه - 1982 - Mandelbrot از رابطه زیر بدست آمد:
در این معادله، r اندازه قطر نرمال شده خاکدانهها در هر بخش اندازهای، N - r>R - تعداد تجمعی خاکدانههای با اندازه r که از مقیاس اندازهگیری R بزرگتر است، k مقدار ثابت و Dبُعد فرکتالی میباشد.
بُعد فرکتالی مدل جرم-اندازه - 1992 - Tyler-Wheatcraft نیز از رابطه زیر محاسبه گردید:
در این معادله، M - r<R - جرم تجمعی خاکدانههای با اندازه r، M T جرم کل، RL پارامتری که اندازه بزرگترین خاکدانه را تخمین میزند و Dبُعد فرکتالی میباشد.
بُعد فرکتالی خاکدانهها با استفاده از مدل جرم-اندازه - 1991a - Rieu-Sposito - Dm - بدست آمد:
در این معادله، pi جرم ویژه ظاهری کلاس اندازه i ام، 0 جرم ویژه ظاهری بزرگترین خاکدانه، di میانگین قطر خاکدانههای کلاس اندازه i ام، d 0 میانگین قطر بزرگترین خاکدانه و Dmبُعد فرکتالی - جرم-اندازه - میباشد.
با استفاده از مدل تعداد-اندازه - 1991b - Rieu-Sposito - Df - بُعد فرکتالی بهصورت زیر محاسبه شد:
در این معادله، D شیب نمودار NK در مقابل dK و NK تعداد تجمعی خاکدانهها میباشد که از رابطه زیر بدست میآید:
در این معادله، - M - di جرم خاکدانههای روی الک کلاس i ام، i جرم ویژه ظاهری کلاس اندازه i ام و di میانگین قطر خاکدانههای کلاس اندازه i ام میباشد.
نتایج و بحث
مقادیر کمینه، بیشینه، خطای استاندارد و انحراف معیار ضریب تبیین مدلهای فرکتالی در جدول 1 ارائه شده است. با توجه به این جدول، در سری الکهای خشک، مدلهای جرم -اندازه ریو -اسپوزیتو و تعداد-اندازه ریو -اسپوزیتو و در سری الکهای تر مدلهای جرم-اندازه ریو-اسپوزیتو و تعداد-اندازه مندلبرات به ترتیب دارای بیشترین و کمترین خطا و انحراف معیار میباشند.
مدلهای تعداد-اندازه مندلبرات و جرم-اندازه تیلر-ویتکرفت در سری الکهای خشک و مدلهای تعداد-اندازه ریو-اسپوزیتو و جرم-اندازه تیلر-ویتکرفت در سری الکهای تر، کمترین خطا و انحراف معیار را دارا بوده و در هر دو سری الکها مدل جرم-اندازه ریو-اسپوزیتو دارای خطا و انحراف معیار بیشتری میباشد.بُعد فرکتالی محاسبه شده بهوسیله برخی مدلها برای بعضی نمونهها بیشتر از 3 بدست آمده که میتواند به دو دلیل باشد. نخست اینکه مدل مورد نظر برای توزیع خاصی از خاکدانهها مناسب نمیباشد. دیگر آنکه حساسیت مدل نسبت به آن توزیع خاص بیشتر بوده، بنابراین نمونههای مورد نظر باید با مدلهای دیگری - مدلهای چندبُعدی - مورد ارزیابی قرار گیرند.
جدول -1 مقادیر کمینه، بیشینه، خطای استاندارد و انحراف معیار ضریب تبیین مدلهای فرکتالی
