تحليل مالتي‌فركتالي بودن توزيع اندازه ذرات خاك و تاثير پوسته‌هاي زيستي بر آن

Multifractal Characteristics of Soil Particle Size Distribution and Effect of Biological Soil Crusts on Multifractal Spectrum

توزيع اندازه ذرات خاك، يكي از خصوصيات فيزيكي مهم خاك است كه بسياري از خصوصيات شيمايي، فيزيكي و زيستي آن را تحت تاثير قرار مي‌دهد. علاوه بر خصوصياتي مانند نفوذپذيري خاك، تغيير كاربري اراضي و فرسايش خاك، پوسته هاي زيستي نيز سبب تغيير توزيع اندازه ذرات خاك‌ها مي‌شوند اگرچه ممكن است كه سبب تغيير در كلاس بافتي خاك نشوند. اندازه گيري و تحليل مالتي فركتال يكي از ابزارهاي مهم در توصيف توزيع اندازه ذرات خاك مي باشد. اين پژوهش با هدف بررسي تاثير پوسته هاي زيستي بر پارامترهاي مالتي‌فركتالي توزيع اندازه ذرات خاك هاي مورد مطالعه انجام شد. در اين مطالعه نمونه برداري از چهار ناحيه خاك‌هاي داراي و بدون پوسته زيستي و از دو عمق 5-0 و 15-5 سانتي متري مراتع قره قير واقع در شمال شهرستان آق قلا، در استان گلستان انجام شد. توزيع اندازه ذرات 16 خاك مورد مطالعه با استفاده از روش هيدرومتر تعيين شد. مقايسه منحني‌هاي توان جرم (?(q)) و خط تك‌فركتالي شبيه سازي شده نشان داد كه توزيع اندازه ذرات خاك‌هاي مورد مطالعه داراي رفتار مالتي‌فركتالي مي باشد. در تمامي خاك هاي مورد مطالعه تغييرات ابعاد فركتالي توزيع اندازه ذرات خاك‌ها در مقادير مختلف گشتاور (q) داراي روند سيگموييدي بود. در اين مطالعه همبستگي مثبت و معني داري (در سطح 1 درصد) بين ابعاد فركتال D0.5 (بعد فركتال در q=0.5)، D1 (بعد فركتال در q=1)، D1.5 (بعد فركتال در q=1.5)، D2 (بعد فركتال در q=2) و D2.5 (بعد فركتال در q=2.5) با درصد رس مشاهده شد در حالي كه همبستگي بين درصد شن و اين ابعاد منفي و در سطح 1 درصد معني دار بود. شاخص (D0-D2) براي بررسي درجه مالتي فركتالي توزيع اندازه ذرات خاك‌ها استفاده شد. بيشترين مقدار متوسط اين شاخص در توزيع اندازه ذرات خاك هاي 5-0 سانتي متري داراي پوسته (295/0) و كمترين مقدار متوسط اين شاخص در لايه 15-5 سانتي متري خاك هاي بدون پوسته (240/0) مشاهده شد. اين نتايج نشان داد كه توزيع اندازه ذرات خاك هاي داراي پوسته زيستي به نسبت خاك هاي بدون پوسته داراي ناهمگني بيشتري مي باشند.

Soil particle-size distribution (PSD) is one of the most important physical attributes due to its great influence on soil physical, chemical, and biological properties. Water infiltration rate, land-use change, soil erosion, and biological soil crusts (BSCs) may influence PSD in a soil. The multifractal measures were useful tools in characterization of PSD in soils. The objective of the current study was to investigate the effect of BSCs on multifractal spectrum of soils. To this end, sixteen soil samples were collected from 0-5 cm and 5-15 cm depths in soils with and without BSCs in Qara Qir rangeland, north of Agh Ghala city of Golestan province, Iran. Particle size distribution was measured by the hydrometer method. Results showed that soils PSD had multifractal behavior. Multifractal spectra followed the typical sigmoidal shape. The result showed that fractal dimensions (i.e. D0.5, D1, D1.5, and D2) were significantly positively correlated with clay content and significantly negatively correlated with sand content. In the current study, the (D0 –D2) index was used for investigation of multifractality. The average largest D0 –D2 was obtained at 0-5 cm depth of soil with BSCs (0.295) and average smallest D0 –D2 was obtained at 5-15 cm soil depth of soil without BSCs (0.240). Results showed that PSD of soils with BSCs had higher multifractality compared to those of soils without BSCs.