平篩和旋篩測定土壤風蝕可蝕性的比較研究

王培信, 常春平, 王仁德, 李繼峰, 楊 欽, 趙望龍, 郭中領

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

土壤風蝕是表層土壤在風力吹蝕及風沙流磨蝕下發(fā)生分離、搬運、沉積的動力過程，其發(fā)生與發(fā)展受地表風力強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]，隨后引入風蝕研究中，1942年Chepil提出了(Soil erodibility by wind)土壤風蝕度(粒徑<0.84 mm)的概念，用來反映土壤遭受風蝕的脆弱性程度，它是土壤性質中的一個重要方面，它是評價土壤是否易受侵蝕營力破壞的性能，也是土壤對侵蝕營力分離和搬運作用的敏感性[3]。干團聚體組成(ASD)是影響土壤可蝕性的重要參數，同時也是土壤風蝕模型的重要影響參數，通過對干團聚體平均幾何直徑(GMD)的計算可以進一步闡示出干團聚體特征從而間接量化土壤可蝕性，而土壤的機械組成是分析土壤各項指標參數，搭建模型，進行風蝕預報的先行步驟之一。

20世紀40年代美國土壤學家Chepil進行風洞試驗分析土壤風蝕與地表粗糙度、干土塊結構時提出用干篩測量風力作用下土壤可蝕性的方法[3]，1952年Chepil設計旋轉篩分法對土壤進行旋篩處理，這種方法成為確定可蝕性顆粒含量的經典方法[4]，1982年Skidmore等人使用旋轉篩分法將粒度組成與風蝕度聯系起來，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]，旋轉篩分法在后期得到Fryrear的增補改進，主要是增加了馬達、支架、筒篩，但基本原理沒變[6]。20世紀中葉美國中西部大平原地區(qū)頻發(fā)沙塵暴，逐步引起美國政府開始加快風蝕研究的進程，90年代末美國農業(yè)部提出RWEQ，WEPS兩個土壤風蝕模型，其中土壤顆粒組成數據來源同樣沿用旋轉篩分法進行粒度分析。旋轉篩分成為確定土壤中抗蝕物含量的經典方法[7-8]。在美國土壤協會雜志的調查顯示在1996—2000年之間其絕大多數研究均使用旋篩篩分法進行研究[9]，隨著遙感和理信息技術的深入發(fā)展結合模型模擬在干旱半干旱地區(qū)進行應用，王牧蘭等利用GIS方法對渾善達克沙地景觀格局變化進行了研究[10]；康相武等以及敖艷紅等通過對遙感影像的解譯分析了20世紀末和21世紀初渾善達克沙地土地沙漠化時空演變規(guī)律[11-12]，李春蘭等通過高程數據對渾善達克沙地典型區(qū)正鑲白旗的荒漠化的特征分析[13]；國內有利用RWEQ模型結合遙感和地理信息技術的應用[14]，張國平從全國的風蝕面積的蝕積變化中通過RWEQ模型計算出全國風場的風力指數[15]；鞏國麗等應用RWEQ模型分析了錫林郭勒盟防風固沙服務功能的時空變化趨勢[16]；江凌等應用RWEQ青海省年均風蝕模數進行了估算[17]，同時和137CS相互印證進行修正的研究[18-20]。而國內的風蝕研究的粒度組成分析主要利用平篩篩分法，而且在我國適用范圍廣泛，同時也有通過修正其方程的工作，平篩震蕩機對土壤大顆粒組織的破壞，相對于旋篩的篩分方式有可能造成可蝕性顆粒的質量分數的偏差，尤其是對于不同土地利用方式的土壤。

本文通過對平篩和旋篩測定土壤干團聚體指標GMD和土壤可蝕性分數EF，并對兩種篩分獲得的結果進行對比，探討在不同的篩分方式對土壤干團聚體篩分結果的影響。

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、圍場縣的一部分區(qū)域。本次采樣區(qū)域主要位于康保縣內，該地區(qū)為低山丘陵區(qū)，崗梁盆地縱列分布，是河北省唯一沒有外流河的縣，氣候屬于中溫帶季風氣候，大陸性氣候特征顯著，有“十年九旱”的說法。植被屬于干旱半干植被，農牧業(yè)發(fā)展對該地區(qū)的植被的破壞較為嚴重，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，全縣由北向南無霜期為85～100 d，熱量資源不足。尤其在秋冬季干旱時節(jié)，西北季風的影響下容易發(fā)生風蝕。裸露旱作農田的土壤風蝕問題仍十分突出，其主要原因是旱作農田仍是河北壩上主要的土地利用方式，且以傳統(tǒng)的、非保護性耕作方式為主。

1.2 試驗方法

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

圖1采樣點示意圖

旋篩分為6個粒級(<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，設定轉速為7 r/min，篩分時間為30 min。平篩采用使用南京土壤儀器廠生產的SZS 型三維振篩機對土壤樣品進行干篩篩分分析。共分為6個粒級(<0.5 mm，0.84～0.5 mm，2～0.84 mm，5～2 mm，20～5 mm、>20 mm)，篩分時間為15 min。

1.3 計算方法

幾何平均直徑(GMD)的計算公式為

(1)

ARE=|Ri-Pi|/Ri×100%

(2)

式中：ARE為絕對誤差值；Ri為平篩干團聚體指標參數；Pi為旋篩干團聚體指標參數。使用Excel 2016進行制圖，利用SPSS 10軟件對平篩和旋篩的土壤干團聚體進行Mann-Whitney U差異性分析、二元相關性分析。

2 結果與分析

2.1 平篩、旋篩粒度分析

對草地、林地、留茬地、翻耕地的土樣樣品的EF進行分析，按照土壤樣品的篩分粒級(>20 mm，20～5 mm，5～2 mm，2～0.84 mm，0.84～0.5 mm，<0.5 mm)進行Mann-Whitney U檢驗的差異性分析，以期進一步確認平篩、旋篩測定的各粒級差異性(表1)，分析數據在0.84 mm處呈現出分異，平篩、旋篩在小粒級(<0.84～0.5 mm，<0.5 mm)處差異性不顯著，而對于大團聚體(>0.84 mm)呈現出差異性顯著現象，進一步說明平篩、旋篩在篩分過程中存在大、小粒級水平下的差異性，平篩的振蕩篩分作用破壞了土壤的干團聚體組織，而旋篩的破壞性相對較小，使得一部分直徑較大的土壤干團聚體得到保留，使得大粒級差異性顯著，尤其在土壤干團聚體中大顆粒較多、土壤干團聚體較大的情況下更體現的明顯，這進一步說明了平篩、旋篩的篩分方式存在較大分異，并且有可能影響分析結論當干團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、翻耕地下均呈現出該現象。通過對EF指標進行差異顯著性分析，發(fā)現在草地、林地、留茬地、翻耕地中EF差異性均不顯著，符合對于小粒級差異性不顯著的結論。

表1 平篩、旋篩測定的不同地類與篩分粒級的差異分析

注：顯示漸進顯著性，顯著性為Sig.<0.05。

2.2 土壤干團聚體指標特征分析

土壤干團聚體組成是衡量土壤可蝕性的重要參數。對74個土壤樣品分別進行平篩、旋篩的處理后得出土壤樣品粒級分布，進而通過計算得出樣品的平均幾何直徑(GMD)、風蝕度(EF)(表2)。通過對以上土壤干團聚體指標參數的分別進行計算，用于進一步比較基于不同篩分方式下的土壤干團聚體特征，對計算出的干團聚體指標參數進行相關性分析。

表2 干團聚體指標統(tǒng)計

圖2和表3中顯示，GMD指標的平、旋篩的相關性系數為0.863**，p<0.01，呈極顯著正相關性；風蝕度的平、旋篩的相關性系數為0.91**，p<0.01，呈極顯著正相關。所有指標均呈現極顯著正相關性，尤其風蝕度下的平篩、旋篩的相關性極為顯著，一定程度上反映出平篩在替代旋篩篩分土壤的可行性，但存在相對于1∶1線時均呈現一定程度的偏差，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EF進行測定分析，認為平篩可以通過擬合篩分結果替代旋篩測定EF值，而平篩和旋篩的EF值的偏差主要受到碳酸鈣、有機質含量過高的影響[21]。本文通過對土壤干團聚體指標GMD進行差異顯著性分析，發(fā)現在草地、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，兩種篩分方式對不同土地利用方式的土壤樣品進行篩分處理后，分別計算出干團聚體特征指標GMD，EF后進行相關性分析，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，同時對其進行差異性顯著性分析(Mann-WhitneyU檢驗)，以期明確在土壤粒級存在差異性的情況下對于干團聚體指標的影響。表3中反映出GMD與EF在相關性分析中顯著相關，各地類均體現出EF相關性優(yōu)于GMD，但其在差異顯著性分析中GMD指標差異性顯著，而EF差異性卻不顯著，這與上文提到的各粒級差異性分析中得到的小粒級(<0.84 mm)的差異性不顯著的結論相印證，正因如此風蝕度(≤0.84 mm)表現出的差異性不顯著，并在各地類中均顯示出該現象。

表3 不同地類團聚體指標相關性分析

注：**0.01水平上顯著相關、*0.05水平上顯著相關。

圖2平旋、篩GMD相關性分析

對于不同地類(草地、林地、留茬地、翻耕地)的GMD，EF指標的相關性分析中發(fā)現，草地相關性最差，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致部分土壤固結，平篩振蕩作用使其散碎造成相關性比較差，同時差異性顯著。而翻耕地中土壤粒度分布均勻，使得在相關性分析中翻耕地相較于草地、留茬地的相關性強，呈現顯著相關的情況。同時根據圖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，使得干團聚體指標(GMD，EF)偏大，其作為干團聚體指標參數，其數值越高則土壤干團聚體穩(wěn)定性就越高，即對于機械破損的抗侵蝕能力越強，指標偏大的現象在風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聚體的土壤樣品的偏差更大。

實際情況中，平篩具有尺寸小，可操作性強、采購成本低等優(yōu)勢，使用較旋篩廣泛，因此也有其應用的合理性，但是振篩的時長、篩子的直徑、振篩的樣品重量等會影響試驗結果的細化試驗標準還沒有統(tǒng)一規(guī)定，相比旋篩的較為完備的規(guī)格標準和試驗標準而言平篩的使用中的問題依然有很多；同時也可以進一步分析平篩和旋篩的差異性，建立平篩與旋篩試驗結果預測方程，嘗試將平、旋篩的結果相統(tǒng)一。

2.3 平篩、旋篩誤差分析

對比平、旋篩的誤差分析見表4，發(fā)現在平均值中發(fā)現除了林地地類大于該地區(qū)的四個地類的平均誤差，其余均小于平均誤差，尤其是在1∶1線圖中也體現出了旋篩小于平篩的現象，尤其是在土壤地類中的團聚體顆粒較大時會產生較大偏差。RWEQ，WEPS等風蝕估算模型中EF，GMD是重要的輸入參數。上述模型獲取土壤干團聚體粒徑特征的標準方法是旋篩篩分法。本研究表明使用平篩代替旋篩獲取EF，GMD存在一定偏差，這種誤差也會對RWEQ，WEPS等風蝕估算模型預測精度產生影響。相對于旋篩，平篩的篩分流程比較多樣，這會對獲取的土壤風蝕可蝕性精度產生影響。因此，需要制定一個標準的平篩篩分流程。

表4 平、旋篩GMD，EF指標誤差分析

3 結 論

本文對康保縣境內74個土壤樣品為研究對象，比較平篩和旋篩的方式下的土壤風蝕度EF、土壤干團聚體GMD、土壤機械粒度組成特征，在研究中發(fā)現：平篩、旋篩所得出的土壤粒度組成進行Mann-WhitneyU檢驗的差異性分析發(fā)現，平篩和旋篩在小粒級(<0.84～0.5 mm，<0.5 mm)處差異性不顯著，在大粒級(>20 mm，20～5 mm，5～2 mm，2～0.84 mm )差異性顯著，以0.84 mm粒級為分異界限，呈現出大粒級的土壤顆粒差異性顯著，而小粒級不顯著的現象。同時<0.84 mm(<0.84～0.5 mm，<0.5 mm)粒級差異性不顯著也是平篩與旋篩EF差異性不顯著的原因。通過對平篩和旋篩的GMD，EF干團聚體指標進行二元相關性分析和Mann-Whitney U檢驗差異性分析，在平篩、旋篩團聚體指標二元相關性分析中，EF，GMD極顯著正相關；平篩和旋篩的差異顯著性分析中EF指標差異性不顯著，EF(<0.84 mm)差異性不顯著符合粒度組成分析中的結論，而GMD差異性顯著，同時在相關性分析的1∶1線圖中呈現出平篩GMD值普遍高于旋篩，由于平篩的震蕩作用打散較大團聚體土壤顆粒，一定程度上影響土壤機械組成，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<0.84 mm土壤粒級組成也有增加，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，土壤粒級的變化使平篩的EF，GMD值高于旋篩。

土壤干團聚體指標作為描述土壤可蝕性的重要方面，土壤風蝕估算模型中的重要參數，由于平篩、旋篩而導致的差異值得注意。為了更加準確地獲取土壤干團聚體粒徑分布，需要制定一個標準平篩操作流程，或者構建平篩、旋篩的篩分結果的預測轉化方程。

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