بخشی از مقاله
چکیده
پایداری خاکدانها شاخصی برای ارزیابی کیفیت و عملکرد زیستی خاک است. بنابراین، توضیح کمّی این ویژگی دارای اهمیتی بسزا میباشد. اندازهگیری پایداری خاکدانها و توصیف کمّی آن بهطور مستقیم زمانبر، پرهزینه و دشوار است. بدین منظور، استفاده از هندسه فرکتالی برای بیان کمّی پایداری خاکدانهها در سالهای اخیر بهعنوان یکی از روشهای نوین مورد توجه پژوهشگران قرار گرفته است. در این روش میتوان در مقیاسهای مختلف، وضعیت پایداری خاکدانهها را صورتبه کمّی با تعیین بُعد فرکتالی آنها بررسی کرد.
در این پژوهش، تعدادی نمونه خاک دستنخورده از یک منطقه زراعی گردآوری و برای انجام آزمایشهای مربوط به سری الکهای خشک و تر به آزمایشگاه منتقل شد. سپس با استفاده از مدلهای فرکتالی، بُعد فرکتالی نمونهها تعیین و پایداری آنها مورد ارزیابی قرار گرفت. نتایج نشان داد که با افزایش خردشدگی در سری الک، بُعد فرکتالی خاکدانهها کاهش مییابد و تغییرات این شاخص، عکس تغییرات دو شاخص تجربی پایداری خاکدانهها میباشد.
مقدمه
خاک، منبع طبیعی ارزشمند و یکی از ارکان اساسی اکوسیستمهای طبیعی میباشد که در خدمت بشر قرار دارد - Lal and . - Pierce, 1991 ساختمان خاک بر اثر فرآیندهای فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیک تشکیل میشود. از میان این فرآیندها، آن دسته از مکانیسمهایی که در تشکیل خاک پویا هستند نسبت به فرآیندهای پایا دارای تأثیر بیشتری میباشند - Bronick and Lal, . - 2005; Ridolfi et al., 2003; Manolis, 2002 پایداری خاکدانهها و ساختمان خاک از ضروریات مهم کاهش تخریب، فرسایش خاک و کاهش آلودگیهای زیستمحیطی بهشمار می آیند . - Bronick and Lal, 2005 -
ذرات خاک از نظر اندازه و شکل، متفاوت میباشند. بنابراین برای ساختمان خاک نمیتوان هیچگونه شکل هندسی خاصی را در نظر گرفت. ساختمان خاک ثابت نبوده و افزون بر غیریکنواختی در نقاط مختلف، با زمان و مکان نیز تغییر میکند. ساختمان خاک را به روشهای مختلف میتوانمطالعه کرد، لیکن کمّی کردن نتایج این مطالعات بسیار دشوار است. بنابراین ارائه شاخصهایی کمّی برای توصیف وضعیت پایداری ساختمان خاک گامی نوین برای مدیریت پایدار خاک میباشد.
امروزه روشهای هندسی مانند هندسه فرکتالی که قادر به توصیف بینظمی اجسام در مقیاسهای مختلف میباشند مورد توجه پژوهشگران قرار گرفته است - 1982 - Mandelbrot . - Tyler and Wheatcraft, 1990 - هندسه فرکتالی را در مقابل هندسه اقلیدسی بهمنظور کمّی کردن و تشریح اشکال نامنظم طبیعت پایهریزی کرد. هرچند هندسه فرکتالی توسط Mandelbrot - 1982 - فرمولبندی شده، لیکن - 1988 - Feder آن را توسعه داد و بیان کرد که هندسه فرکتالی باعث ایجاد چارچوبی کمّی برای توصیف پدیدههای خاک در همه مقیاسهای مکانی و زمانی میشود.
ناهمگونی اجسام فرکتالی، تصادفی نبوده بلکه بهصورت خوشهای است و در کل، ریاضیات فرکتالی امکان تهیه مدلهای مفهومی جدیدی را برای برخورد با ناهمگنی فراهم میسازد Perfect . - Arya and Paris, 1981 - و - 1991 - Kay برای ثابت ماندن مقدار تخمینی بُعد فرکتالی، خاکدانهها را کروی شکل فرض کرده و نشان دادند که مقدار بُعد فرکتالی نسبت به اثرات فعالیتهای کشاورزی بر ویژگیهای خاک حساس میباشد. بنابراین، تغییرپذیری مکانی و زمانی ساختمان خاک را به خوبی توجیه و تفسیر میکند و بهصورت یک پارامتر کمّی قابل استفاده در مدیریت پایدار خاک قابل عرضه است. هرچه مقدار بُعد فرکتالی بزرگتر باشد، نشاندهنده پراکندگی بیشتر ذرات است.
مقادیر کمبُعد فرکتالی اندازه ذرات، نشاندهنده حکمفرما بودن تعداد کم ذرات بزرگ در توزیع اندازه ذرات و مقادیر زیاد آن بیانگر حکمفرما بودن تعداد زیاد ذرات ریز در توزیع اندازه ذرات میباشد. بنابراین، هرچه بافت خاک سنگینتر باشد، مقدار بُعد فرکتالی اندازه ذرات بیشتر و هرچه بافت خاک سبکتر باشد، مقدار بُعد فرکتالی اندازه ذرات کمتر خواهد بود - Perfect et al., . - 1992; Rasiah et al., 1992 بین بُعد فرکتالی و پارامترهای ساختاری خاک رایطهای وجود دارد.
- 2006 - Gülser در آزمایشی به این نتیجه دست یافت که با افزایش مقدار میانگین وزنی قطر خاکدانها، بُعدهای فرکتالی کاهش مییابند. بُعد فرکتالی شاخصی برای درجه به همخوردگی خاک میباشد . - Duhour et al., 2009 - پایداری خاکدانهها و ساختمان خاک به ذرات ریز خاک وابسته میباشند و با افزایش اندازه ذرات، بهعلت افزایش ضخامت لایه دوگانه پخشیده و کاهش تشکیل دُمین، پایداری خاکدانهها کاهش مییابد. هدف از این پژوهش، محاسبه پارامترهای فرکتالی دو مدل تعداد-اندازه مندلبرات و ریو -اسپوزیتو - Df - و ارزیابی پایداری خاکدانهها و مقایسه آن با دو مدل تجربی میانگین وزنی و هندسی قطر خاکدانهها و تعیین رابطه بین این دو بود.
مواد و روشها
برای انجام کار، نخست نمونههای خاک بهصورت چند ریز نمونه مرکب از عمق 0-30 سانتیمتری خاک برداشت و پس از هوا خشک کردن، آزمایشهای مربوط به سری الکهای خشک و تر بر روی آنها اعمال شد. در این پژوهش برای محاسبه شاخصهای پایداری خاکدانهها از دو مدل تجربی میانگین وزنی و هندسی قطر خاکدانهها و دو مدل فرکتالی تعداد-اندازه مندلبرات و ریو-اسپوزیتو - Df - توزیع تجمعی جهت برازش توزیع تعداد-اندازه خاکدانهها در دو حالت خشک و تر استفاده شد.
نتایج و بحث
مقادیر کمینه و بیشینه مربوط به مدلهای تجربی و فیزیکی - فرکتالی - برای دو حالت الک خشک و تر در جدول 1 ارائه شده است. همانگونه که در این جدول نشان داده شده، مقدار میانگین وزنی و هندسی قطر خاکدانهها در سری الک خشک بیشتر از الک تر میباشد. علت این تفاوت در دو حالت خشک و تر آن است که نیروهای وارد شده بر خاکدانهها در این دو شرایط متفاوت بوده و کاهش میانگین وزنی و هندسی قطر خاکدانهها در سری الک تر، نشاندهنده بیثباتی ذرات خاک بر اثر غوطهوری در آب میباشد.
مقدار عددی بُعد فرکتالی خاکدانهها با خرد و ریزتر شدن خاکدانهها کاهش یافتهو مقدار بُعد فرکتالی در سری الک تر نسبت به الک خشک کمتر شده است. بنابراین تغییرات شاخصهای فیزیکی، عکس تغییرات شاخصهای تجربی میباشد. بدینگونه که با افزایش میانگین وزنی و هندسی قطر خاکدانهها، پایداری ساختمان خاک افزایش یافته، در حالیکهبا افزایش بُعد فرکتالی، پایداری ساختمان خاک کاهش یافته است.
