摘要：近些年，分形理论逐渐致力于土壤学应用中，结合现已展开的工作，对分形理论在土壤学中应用的相关研究领域进行展望，希望有更多的帮助。
关键词：分形理论；土壤学；土壤特性
引言
本文深入剖析了分形理论在土壤学研究中各个方面应用的研究进展、存在的不足和突出问题，以期能引起更多学者对分形理论在土壤学研究的持续关注和思考，藉以推动土壤粒径分形的深入发展，对土地合理整治利用、结构调整等都有重要的理论意义和指导作用。
1分形理论的概念
分形理论是一种非线性科学理论，可以根据某物质的自相似性描述复杂无序且标度不变的系统，探究混沌事物内部的精细结构，故其理论与方法已被广泛应用于自然科学和社会科学各个领域，成为当今国际上许多学科的前沿研究课题之一。土壤的自然属性决定了其合理利用的必要性，从表面上呈现为不规则自相似的精细几何体，利用分形理论可以揭示看似无序的土壤形态背后的规律，找到局部之间、局部与整体的本质联系。
2分形理论在土壤学中的应用
2.1分形在表征土壤粒径分布方面的应用
土壤粒径分布是表征土壤质地和结构的基本属性，也是研究土壤肥力、孔隙分布状况、水力特性、空间异质性等土壤特性的前提和基础。土壤粒径分布具有明显的分形特征，引入分形理论可以弥补传统方法的不足，更好的反映土粒的各层级结构关系。相比较单分形参数只能用来表征粒径分布的整体特征，多重分形参数可以更好的反映土粒分布的非均匀程度，具有较高的精准度与灵敏性。例如：Miguel等利用多重分形理论来研究土粒分布状况与各土壤特性之间的关系；Wang等分析了不同土壤重构方案的多重分形谱，土壤的物理性质受重构模式的影响而表现出不同质量变化规律，可以为量化不同土地复垦方式的土壤质地状况提供理论依据。目前学者在土粒分布方面的研究多集中在不同地类的分形维数对比分析，单分形、多重分形参数可以作为表征土壤质量状况的潜在性指标，且土壤质地和各分形维数之间存在显著相关的关系，可以用土壤粒径分布分形维数反映土壤质地的差异和土壤的通透性。分形与土壤特性之间相关关系的研究已经较为深入，但是分形理论只在一定范围内有意义，且对理论本身的研究较少，在今后的研究中应不断完善分形理论，找到其在时间、空间等不同尺度均适用的尺度转换方式，突破分形理论应用的空间局限性。
2.2在土壤团粒结构和肥力方面的应用
土壤团聚体作为土壤结构的基本单元，影响着土壤的理化性质。团聚体的数量和大小是决定土壤侵蚀、压实、板结等物理过程速度和幅度的关键指标，其稳定性是也反映土壤结构状况的重要指标之一，它不仅在调节土壤肥力、维持土地生产力方面具有重要作用，而且与土壤的抗蚀能力以及环境质量具有密切关系。除此之外，分形理论还在与土壤形成有关的地理环境的分形特征研究和土壤形成环境的预测中也发挥了它强大的作用。
2.3分形在描述土壤化学性质的应用
近年来利用分形理论对土壤特性的研究多集中在对土壤物理特性的分析上，而忽视分形在土壤化学特性研究方面的优势。土壤各参数指标随空间位置的变化具有自相关性，对土壤中微量元素的分析多采用显色示踪法等来探究其空间分布规律，利用分形理论能够实现土壤中微量元素空间变异性的定性定量分析，更为直观有效。在今后的研究中可以尝试建立分形维数与土壤微量元素之间的相关关系，有利于快速获取土壤状况信息。同样的，土壤污染也是长期以来的难题，利用分维数可以定量描述土壤重金属元素的含量及其空间分布状况，有效监测土壤质量，这也是分形理论在描述土壤化学性质方面应用的一个重要的发展前景。
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2.4分形在模拟土壤物理水分特征参数方面的应用
土壤的水分特征参数可以精确刻画土壤水流特征，揭示和模拟土壤水流与溶质运移转换规律，对研究土壤的形态特征有重要作用。土壤具有较强的时间、空间异质性，受土壤水分运移的滞后效应及人为因素的影响，直接测定土壤水力特性的实验方法耗费时间且成本较高，应用分形理论对定量表征土壤的结构特征和预测复杂的水力特性参数等有其独特的优势，不仅能从统计学意义上分析水分特征参数的变异状况，而且可以代表空间结构变异，可用于大范围研究。分形理论可以有效模拟预测土壤的物理水分特征参数。由于分形维数可以反映土壤质地结构，且土壤水分均匀流动具有多重分形特征，所以土壤结构分形维数能够刻画土壤水力特性参数。结合不同的结构模型可以推导出土壤水力传导度，拟合出土壤水分特征曲线的分形特征，以及土壤水分扩散度的经验关系式。应用多重分形配分函数和奇异谱，分析土壤各物理性质的分维值与土壤物理水分特征参数分维值之间的相关关系，通过土壤传递函数等对不同尺度、不同区域的土壤水力特性进行精确预测。分形理论对于实现尺度转化，分析不同尺度的土壤水力特性有较大的优势。土壤中的物理、生化过程交叉共同作用使得土壤水力特性存在空间变异，不同研究尺度其影响因子有所差异，因此尺度转换是非常复杂的。利用多重分形、联合多重分形可以将不同土壤水分特征参数变量与不同尺度的统计特征联系起来，得到多重奇异谱，直观反映其空间序列的空间变异性和尺度特性，更为深入的揭示水力特性的空间变异机理。
3分形理论在土壤中研究的不足与展望
分形理论自身还存在一些科学问题这一点是学术界所公认的。有关分形理论的研究现状几乎遇到了瓶颈，它无法打破刻画地理事物特征量的单一性，而学者们又发现，分形维数这一唯一表征量却又受到各种各样的复杂因素影响，使得它成了几乎反应了土壤特征的所有指标的综合指标，因此很难从它中剥离出某一特征进行详细深入的分析；这也给它在土壤学中的应用带来了第二个不足，只能停留在对土壤特征的揭示上，而对土壤结构的动态演化过程的研究相对不足，因此也就无法从分形维数的变化中找出研究对象的内在规律性和变化的动力机制；第三，虽然已有学者用分形理论来对土壤地理环境和土壤形成环境的进行研究和预测，但研究的力度和深度还远远不够，它没有与传统的预测环境手段向结合，并且对其的正确性和准确度还有待考究;第四，土壤分形维数与植物生长关系的研究还于一片空白，既然分形维数能够反映影响植物生长的土壤团聚体、肥力、水分等特性，那么土壤分形维数必然也能够反映植物的生长状况，而关于分形维数与土壤第一生长力的关系研究还没有引起相关学者的关注。
结语
综上所述，以上是我个人见解。当然还有学者提出将分形理论与空间变异性研究方法、混沌理论、时间序列分析方法以及小波理论等相结合来进一步推动土壤科学的发展也是未来发展的一个方向，从目前的研究来看，已经有大量的学者在这一方向进行了研究。
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论文作者:张苏茂
论文发表刊物:《基层建设》2018年第12期
论文发表时间:2018/6/13
标签：土壤论文; 分形论文; 理论论文; 特征论文; 特性论文; 水力论文; 水分论文; 《基层建设》2018年第12期论文;