Digitale Bildanalyse zur Messung fraktaler Eigenschaften der Bodenstruktur

Abstract

Ein Boden besteht, vereinfacht betrachtet, aus Festsubstanz (Mineralkörnern) und Poren. Die Poren können mit Wasser oder Luft gefüllt sein und bilden ein hochgradig vernetztes System, das für Transportprozesse von großer Bedeutung ist. Diese Struktur kann innerhalb natürlicher Grenzen als selbstähnlich angesehen und ihre Dimension gemessen werden. Für die vorliegende Arbeit wurden Dünnschliffe aus dem Bt-Horizont einer Parabraunerde präpariert. Von ihnen wurden licht- und rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen mit unterschiedlichen Vergrößerungen und Auflösungen angefertigt. Die bildanalytischen Messungen wurden mit dem System KS400 (ZeissVision), das die Entwicklung von benutzerdefinierten Anwendungen erlaubt, durchgeführt. An digitalen Bildern wurde die fraktale Dimension (DS) der Grenzlinie zwischen Poren und Matrix mit dem Boxcounting- und dem Dilatations-Verfahren gemessen. Die fraktale Dimension einer Linie, gemessen in einer Fläche, entspricht 1<DS<2. Je höher die Werte, desto höher ist die Komplexität des Bildes. Die beobachteten Werte sind sehr hoch und erreichen mit bis zu DS =1.935 fast die Euklidische Dimension 2. Mit zunehmender Vergrößerung bzw. feinerer Auflösung nimmt DS bis zu DS =1.563 ab. Dieses Ergebnis kann als der Unterschied zwischen Textur und Struktur angesehen werden. Die Anpassung von zwei Geraden im log-log Plot des kombinierten Daten-Pools aller Vergrößerungsstufen ergibt einen Schnittpunkt zwischen 5 und 17 µm Größe des Strukturelements. Dies entspricht den Porendurchmessern, die aus der Hauptkörnungsart Grobschluff (20-63 µm) abgeleitet werden können. Die Porengrößenverteilung (PGV) wurde mit dem morphologischen Opening-Verfahren gemessen. Sie wurde von 0.1-1000 µm erfasst und zeigt ein Maximum bei rund 1 µm Durchmesser. Von Parallelproben des gleichen Bodenhorizonts wurden im Labor Retentions- und Leitfähigkeitskurven aufgenommen und die Phasenanteile bestimmt. Die kumulierte PGV wurde mit der am selben Bodenhorizont erhobenen Retentionskurve verglichen. Für Poren kleiner als 20 µm zeigt die Retentionskurve eine deutliche Abweichung, indem sie höhere Anteile an Fein- und Mittelporen wiederspiegelt. Mögliche Ursachen für dieses Verhalten werden diskutiert, wie auch die Relevanz der bildanalytisch gemessenen Dimension für die Anpassungsparameter der Retentionskurve.