王培信, 常春平, 王仁德, 李繼峰, 楊 欽, 趙望龍, 郭中領(lǐng)

(1.河北師范大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 石家莊050016; 2.河北省科學(xué)院地理科學(xué)研究所, 石家莊 050021)

土壤風(fēng)蝕是表層土壤在風(fēng)力吹蝕及風(fēng)沙流磨蝕下發(fā)生分離、搬運(yùn)、沉積的動(dòng)力過(guò)程，其發(fā)生與發(fā)展受地表風(fēng)力強(qiáng)弱和土壤可蝕性的制約[1]。土壤可蝕性的概念由Middeton在1930年水蝕研究中首次提出[2]，隨后引入風(fēng)蝕研究中，1942年Chepil提出了(Soil erodibility by wind)土壤風(fēng)蝕度(粒徑<0.84 mm)的概念，用來(lái)反映土壤遭受風(fēng)蝕的脆弱性程度，它是土壤性質(zhì)中的一個(gè)重要方面，它是評(píng)價(jià)土壤是否易受侵蝕營(yíng)力破壞的性能，也是土壤對(duì)侵蝕營(yíng)力分離和搬運(yùn)作用的敏感性[3]。干團(tuán)聚體組成(ASD)是影響土壤可蝕性的重要參數(shù)，同時(shí)也是土壤風(fēng)蝕模型的重要影響參數(shù)，通過(guò)對(duì)干團(tuán)聚體平均幾何直徑(GMD)的計(jì)算可以進(jìn)一步闡示出干團(tuán)聚體特征從而間接量化土壤可蝕性，而土壤的機(jī)械組成是分析土壤各項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)，搭建模型，進(jìn)行風(fēng)蝕預(yù)報(bào)的先行步驟之一。

20世紀(jì)40年代美國(guó)土壤學(xué)家Chepil進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)分析土壤風(fēng)蝕與地表粗糙度、干土塊結(jié)構(gòu)時(shí)提出用干篩測(cè)量風(fēng)力作用下土壤可蝕性的方法[3]，1952年Chepil設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)篩分法對(duì)土壤進(jìn)行旋篩處理，這種方法成為確定可蝕性顆粒含量的經(jīng)典方法[4]，1982年Skidmore等人使用旋轉(zhuǎn)篩分法將粒度組成與風(fēng)蝕度聯(lián)系起來(lái)，將>0.84 mm的土壤顆粒稱為不可蝕顆粒(NEP)而<0.84 mm的土壤顆粒稱為可侵蝕顆粒(EP)而0.005～0.5 mm的土壤顆粒稱為最容易被侵蝕的顆粒MEP[5]，旋轉(zhuǎn)篩分法在后期得到Fryrear的增補(bǔ)改進(jìn)，主要是增加了馬達(dá)、支架、筒篩，但基本原理沒(méi)變[6]。20世紀(jì)中葉美國(guó)中西部大平原地區(qū)頻發(fā)沙塵暴，逐步引起美國(guó)政府開(kāi)始加快風(fēng)蝕研究的進(jìn)程，90年代末美國(guó)農(nóng)業(yè)部提出RWEQ，WEPS兩個(gè)土壤風(fēng)蝕模型，其中土壤顆粒組成數(shù)據(jù)來(lái)源同樣沿用旋轉(zhuǎn)篩分法進(jìn)行粒度分析。旋轉(zhuǎn)篩分成為確定土壤中抗蝕物含量的經(jīng)典方法[7-8]。在美國(guó)土壤協(xié)會(huì)雜志的調(diào)查顯示在1996—2000年之間其絕大多數(shù)研究均使用旋篩篩分法進(jìn)行研究[9]，隨著遙感和理信息技術(shù)的深入發(fā)展結(jié)合模型模擬在干旱半干旱地區(qū)進(jìn)行應(yīng)用，王牧蘭等利用GIS方法對(duì)渾善達(dá)克沙地景觀格局變化進(jìn)行了研究[10]；康相武等以及敖艷紅等通過(guò)對(duì)遙感影像的解譯分析了20世紀(jì)末和21世紀(jì)初渾善達(dá)克沙地土地沙漠化時(shí)空演變規(guī)律[11-12]，李春蘭等通過(guò)高程數(shù)據(jù)對(duì)渾善達(dá)克沙地典型區(qū)正鑲白旗的荒漠化的特征分析[13]；國(guó)內(nèi)有利用RWEQ模型結(jié)合遙感和地理信息技術(shù)的應(yīng)用[14]，張國(guó)平從全國(guó)的風(fēng)蝕面積的蝕積變化中通過(guò)RWEQ模型計(jì)算出全國(guó)風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)力指數(shù)[15]；鞏國(guó)麗等應(yīng)用RWEQ模型分析了錫林郭勒盟防風(fēng)固沙服務(wù)功能的時(shí)空變化趨勢(shì)[16]；江凌等應(yīng)用RWEQ青海省年均風(fēng)蝕模數(shù)進(jìn)行了估算[17]，同時(shí)和137CS相互印證進(jìn)行修正的研究[18-20]。而國(guó)內(nèi)的風(fēng)蝕研究的粒度組成分析主要利用平篩篩分法，而且在我國(guó)適用范圍廣泛，同時(shí)也有通過(guò)修正其方程的工作，平篩震蕩機(jī)對(duì)土壤大顆粒組織的破壞，相對(duì)于旋篩的篩分方式有可能造成可蝕性顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的偏差，尤其是對(duì)于不同土地利用方式的土壤。

本文通過(guò)對(duì)平篩和旋篩測(cè)定土壤干團(tuán)聚體指標(biāo)GMD和土壤可蝕性分?jǐn)?shù)EF，并對(duì)兩種篩分獲得的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，探討在不同的篩分方式對(duì)土壤干團(tuán)聚體篩分結(jié)果的影響。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

壩上高原位于內(nèi)蒙古高原的東南前緣，包括康保、沽源、張北地區(qū)以及尚義、豐寧、圍場(chǎng)縣的一部分區(qū)域。本次采樣區(qū)域主要位于康保縣內(nèi)，該地區(qū)為低山丘陵區(qū)，崗梁盆地縱列分布，是河北省唯一沒(méi)有外流河的縣，氣候?qū)儆谥袦貛Ъ撅L(fēng)氣候，大陸性氣候特征顯著，有“十年九旱”的說(shuō)法。植被屬于干旱半干植被，農(nóng)牧業(yè)發(fā)展對(duì)該地區(qū)的植被的破壞較為嚴(yán)重，年降水量較少且集中，年均降水量不足400 mm，年蒸發(fā)量較大平均值為1 762.7 mm，全縣由北向南無(wú)霜期為85～100 d，熱量資源不足。尤其在秋冬季干旱時(shí)節(jié)，西北季風(fēng)的影響下容易發(fā)生風(fēng)蝕。裸露旱作農(nóng)田的土壤風(fēng)蝕問(wèn)題仍十分突出，其主要原因是旱作農(nóng)田仍是河北壩上主要的土地利用方式，且以傳統(tǒng)的、非保護(hù)性耕作方式為主。

1.2 試驗(yàn)方法

通過(guò)對(duì)該地區(qū)地形環(huán)境的調(diào)查，將不同土地利用方式的林地、草地、翻耕地、留茬地的風(fēng)蝕站點(diǎn)作為研究對(duì)象。2015年4—5月份采集土壤樣品，根據(jù)土壤類型選取22個(gè)取樣點(diǎn)(圖1)，每個(gè)取樣點(diǎn)考慮林地、草地、翻耕地、留茬地等土地利用方式，由于部分站點(diǎn)某些土地利用方式缺失，共采集74個(gè)土壤樣品。采樣方式為表層土壤采樣器采樣，采樣深度為5 cm，土壤樣品風(fēng)干后分別進(jìn)行平篩和旋篩的處理。

圖1采樣點(diǎn)示意圖

旋篩分為6個(gè)粒級(jí)(<0.5 mm，0.84～0.5 mm，2～0.84 mm，5～2 mm，20～5 mm，>20 mm)由柱狀孔篩組成，設(shè)定轉(zhuǎn)速為7 r/min，篩分時(shí)間為30 min。平篩采用使用南京土壤儀器廠生產(chǎn)的SZS 型三維振篩機(jī)對(duì)土壤樣品進(jìn)行干篩篩分分析。共分為6個(gè)粒級(jí)(<0.5 mm，0.84～0.5 mm，2～0.84 mm，5～2 mm，20～5 mm、>20 mm)，篩分時(shí)間為15 min。

1.3 計(jì)算方法

幾何平均直徑(GMD)的計(jì)算公式為

(1)

ARE=|Ri-Pi|/Ri×100%

(2)

式中：ARE為絕對(duì)誤差值；Ri為平篩干團(tuán)聚體指標(biāo)參數(shù)；Pi為旋篩干團(tuán)聚體指標(biāo)參數(shù)。使用Excel 2016進(jìn)行制圖，利用SPSS 10軟件對(duì)平篩和旋篩的土壤干團(tuán)聚體進(jìn)行Mann-Whitney U差異性分析、二元相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 平篩、旋篩粒度分析

對(duì)草地、林地、留茬地、翻耕地的土樣樣品的EF進(jìn)行分析，按照土壤樣品的篩分粒級(jí)(>20 mm，20～5 mm，5～2 mm，2～0.84 mm，0.84～0.5 mm，<0.5 mm)進(jìn)行Mann-Whitney U檢驗(yàn)的差異性分析，以期進(jìn)一步確認(rèn)平篩、旋篩測(cè)定的各粒級(jí)差異性(表1)，分析數(shù)據(jù)在0.84 mm處呈現(xiàn)出分異，平篩、旋篩在小粒級(jí)(<0.84～0.5 mm，<0.5 mm)處差異性不顯著，而對(duì)于大團(tuán)聚體(>0.84 mm)呈現(xiàn)出差異性顯著現(xiàn)象，進(jìn)一步說(shuō)明平篩、旋篩在篩分過(guò)程中存在大、小粒級(jí)水平下的差異性，平篩的振蕩篩分作用破壞了土壤的干團(tuán)聚體組織，而旋篩的破壞性相對(duì)較小，使得一部分直徑較大的土壤干團(tuán)聚體得到保留，使得大粒級(jí)差異性顯著，尤其在土壤干團(tuán)聚體中大顆粒較多、土壤干團(tuán)聚體較大的情況下更體現(xiàn)的明顯，這進(jìn)一步說(shuō)明了平篩、旋篩的篩分方式存在較大分異，并且有可能影響分析結(jié)論當(dāng)干團(tuán)聚體中大顆粒較多的情況下，并且平篩和旋篩在不同的土地利用類型包括草地、林地、留茬地、翻耕地下均呈現(xiàn)出該現(xiàn)象。通過(guò)對(duì)EF指標(biāo)進(jìn)行差異顯著性分析，發(fā)現(xiàn)在草地、林地、留茬地、翻耕地中EF差異性均不顯著，符合對(duì)于小粒級(jí)差異性不顯著的結(jié)論。

表1 平篩、旋篩測(cè)定的不同地類與篩分粒級(jí)的差異分析

注：顯示漸進(jìn)顯著性，顯著性為Sig.<0.05。

2.2 土壤干團(tuán)聚體指標(biāo)特征分析

土壤干團(tuán)聚體組成是衡量土壤可蝕性的重要參數(shù)。對(duì)74個(gè)土壤樣品分別進(jìn)行平篩、旋篩的處理后得出土壤樣品粒級(jí)分布，進(jìn)而通過(guò)計(jì)算得出樣品的平均幾何直徑(GMD)、風(fēng)蝕度(EF)(表2)。通過(guò)對(duì)以上土壤干團(tuán)聚體指標(biāo)參數(shù)的分別進(jìn)行計(jì)算，用于進(jìn)一步比較基于不同篩分方式下的土壤干團(tuán)聚體特征，對(duì)計(jì)算出的干團(tuán)聚體指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析。

表2 干團(tuán)聚體指標(biāo)統(tǒng)計(jì)

圖2和表3中顯示，GMD指標(biāo)的平、旋篩的相關(guān)性系數(shù)為0.863**，p<0.01，呈極顯著正相關(guān)性；風(fēng)蝕度的平、旋篩的相關(guān)性系數(shù)為0.91**，p<0.01，呈極顯著正相關(guān)。所有指標(biāo)均呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)性，尤其風(fēng)蝕度下的平篩、旋篩的相關(guān)性極為顯著，一定程度上反映出平篩在替代旋篩篩分土壤的可行性，但存在相對(duì)于1∶1線時(shí)均呈現(xiàn)一定程度的偏差，而GMD的偏差程度明顯大于EF。Lopez在阿根廷干旱半干旱草原地區(qū)使用平篩和旋篩對(duì)EF進(jìn)行測(cè)定分析，認(rèn)為平篩可以通過(guò)擬合篩分結(jié)果替代旋篩測(cè)定EF值，而平篩和旋篩的EF值的偏差主要受到碳酸鈣、有機(jī)質(zhì)含量過(guò)高的影響[21]。本文通過(guò)對(duì)土壤干團(tuán)聚體指標(biāo)GMD進(jìn)行差異顯著性分析，發(fā)現(xiàn)在草地、林地、翻耕地、留茬地中平篩和旋篩的GMD值均為顯著性差異，顯著性依次為：0.003，0.004，0，0，Sig.<0.05差異性顯著。

土壤樣品共有四種不同的土地利用形式(草地、林地、留茬地、翻耕地)，使用平、旋篩，兩種篩分方式對(duì)不同土地利用方式的土壤樣品進(jìn)行篩分處理后，分別計(jì)算出干團(tuán)聚體特征指標(biāo)GMD，EF后進(jìn)行相關(guān)性分析，觀察不同地類在土壤可蝕性上的差異以及其反映土壤可蝕性的敏感度，同時(shí)對(duì)其進(jìn)行差異性顯著性分析(Mann-WhitneyU檢驗(yàn))，以期明確在土壤粒級(jí)存在差異性的情況下對(duì)于干團(tuán)聚體指標(biāo)的影響。表3中反映出GMD與EF在相關(guān)性分析中顯著相關(guān)，各地類均體現(xiàn)出EF相關(guān)性優(yōu)于GMD，但其在差異顯著性分析中GMD指標(biāo)差異性顯著，而EF差異性卻不顯著，這與上文提到的各粒級(jí)差異性分析中得到的小粒級(jí)(<0.84 mm)的差異性不顯著的結(jié)論相印證，正因如此風(fēng)蝕度(≤0.84 mm)表現(xiàn)出的差異性不顯著，并在各地類中均顯示出該現(xiàn)象。

表3 不同地類團(tuán)聚體指標(biāo)相關(guān)性分析

注：**0.01水平上顯著相關(guān)、*0.05水平上顯著相關(guān)。

圖2平旋、篩GMD相關(guān)性分析

對(duì)于不同地類(草地、林地、留茬地、翻耕地)的GMD，EF指標(biāo)的相關(guān)性分析中發(fā)現(xiàn)，草地相關(guān)性最差，其次為留茬地，這是由于草地、留茬地中的原狀土樣里存留植物根系導(dǎo)致部分土壤固結(jié)，平篩振蕩作用使其散碎造成相關(guān)性比較差，同時(shí)差異性顯著。而翻耕地中土壤粒度分布均勻，使得在相關(guān)性分析中翻耕地相較于草地、留茬地的相關(guān)性強(qiáng)，呈現(xiàn)顯著相關(guān)的情況。同時(shí)根據(jù)圖2A，2B顯示1∶1線圖中擬合線發(fā)生偏差，平篩值普遍大于旋篩，使得干團(tuán)聚體指標(biāo)(GMD，EF)偏大，其作為干團(tuán)聚體指標(biāo)參數(shù)，其數(shù)值越高則土壤干團(tuán)聚體穩(wěn)定性就越高，即對(duì)于機(jī)械破損的抗侵蝕能力越強(qiáng)，指標(biāo)偏大的現(xiàn)象在風(fēng)蝕研究中的差異需要注意，尤其是粒徑較大、植被根須混雜的干團(tuán)聚體的土壤樣品的偏差更大。

實(shí)際情況中，平篩具有尺寸小，可操作性強(qiáng)、采購(gòu)成本低等優(yōu)勢(shì)，使用較旋篩廣泛，因此也有其應(yīng)用的合理性，但是振篩的時(shí)長(zhǎng)、篩子的直徑、振篩的樣品重量等會(huì)影響試驗(yàn)結(jié)果的細(xì)化試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)還沒(méi)有統(tǒng)一規(guī)定，相比旋篩的較為完備的規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)和試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)而言平篩的使用中的問(wèn)題依然有很多；同時(shí)也可以進(jìn)一步分析平篩和旋篩的差異性，建立平篩與旋篩試驗(yàn)結(jié)果預(yù)測(cè)方程，嘗試將平、旋篩的結(jié)果相統(tǒng)一。

2.3 平篩、旋篩誤差分析

對(duì)比平、旋篩的誤差分析見(jiàn)表4，發(fā)現(xiàn)在平均值中發(fā)現(xiàn)除了林地地類大于該地區(qū)的四個(gè)地類的平均誤差，其余均小于平均誤差，尤其是在1∶1線圖中也體現(xiàn)出了旋篩小于平篩的現(xiàn)象，尤其是在土壤地類中的團(tuán)聚體顆粒較大時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大偏差。RWEQ，WEPS等風(fēng)蝕估算模型中EF，GMD是重要的輸入?yún)?shù)。上述模型獲取土壤干團(tuán)聚體粒徑特征的標(biāo)準(zhǔn)方法是旋篩篩分法。本研究表明使用平篩代替旋篩獲取EF，GMD存在一定偏差，這種誤差也會(huì)對(duì)RWEQ，WEPS等風(fēng)蝕估算模型預(yù)測(cè)精度產(chǎn)生影響。相對(duì)于旋篩，平篩的篩分流程比較多樣，這會(huì)對(duì)獲取的土壤風(fēng)蝕可蝕性精度產(chǎn)生影響。因此，需要制定一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的平篩篩分流程。

表4 平、旋篩GMD，EF指標(biāo)誤差分析

3 結(jié) 論

本文對(duì)康?？h境內(nèi)74個(gè)土壤樣品為研究對(duì)象，比較平篩和旋篩的方式下的土壤風(fēng)蝕度EF、土壤干團(tuán)聚體GMD、土壤機(jī)械粒度組成特征，在研究中發(fā)現(xiàn)：平篩、旋篩所得出的土壤粒度組成進(jìn)行Mann-WhitneyU檢驗(yàn)的差異性分析發(fā)現(xiàn)，平篩和旋篩在小粒級(jí)(<0.84～0.5 mm，<0.5 mm)處差異性不顯著，在大粒級(jí)(>20 mm，20～5 mm，5～2 mm，2～0.84 mm )差異性顯著，以0.84 mm粒級(jí)為分異界限，呈現(xiàn)出大粒級(jí)的土壤顆粒差異性顯著，而小粒級(jí)不顯著的現(xiàn)象。同時(shí)<0.84 mm(<0.84～0.5 mm，<0.5 mm)粒級(jí)差異性不顯著也是平篩與旋篩EF差異性不顯著的原因。通過(guò)對(duì)平篩和旋篩的GMD，EF干團(tuán)聚體指標(biāo)進(jìn)行二元相關(guān)性分析和Mann-Whitney U檢驗(yàn)差異性分析，在平篩、旋篩團(tuán)聚體指標(biāo)二元相關(guān)性分析中，EF，GMD極顯著正相關(guān)；平篩和旋篩的差異顯著性分析中EF指標(biāo)差異性不顯著，EF(<0.84 mm)差異性不顯著符合粒度組成分析中的結(jié)論，而GMD差異性顯著，同時(shí)在相關(guān)性分析的1∶1線圖中呈現(xiàn)出平篩GMD值普遍高于旋篩，由于平篩的震蕩作用打散較大團(tuán)聚體土壤顆粒，一定程度上影響土壤機(jī)械組成，使粒徑較大的土壤顆粒被破碎后造成不可蝕性顆粒有所增多，同時(shí)<0.84 mm土壤粒級(jí)組成也有增加，雖未引起顯著性差異，但是同樣存在少量的可蝕性顆粒增加。因此，土壤粒級(jí)的變化使平篩的EF，GMD值高于旋篩。

土壤干團(tuán)聚體指標(biāo)作為描述土壤可蝕性的重要方面，土壤風(fēng)蝕估算模型中的重要參數(shù)，由于平篩、旋篩而導(dǎo)致的差異值得注意。為了更加準(zhǔn)確地獲取土壤干團(tuán)聚體粒徑分布，需要制定一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)平篩操作流程，或者構(gòu)建平篩、旋篩的篩分結(jié)果的預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)化方程。

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