摘要: 本文为研究土壤颗粒含量与土壤可蚀性因子EF值的关系，依据RWEQ模型，构建了各土壤颗粒含量分别从1%到98%以及粉粒、粘粒和砂粒含量为1%、2%、10%、30%、50%、70%、90%的整数组合数据集，计算了有机质含量为2%的前提条件下的土壤可蚀因子EF值，分析了不同土壤颗粒含量条件下土壤可蚀因子变化以及其两者间的相关性。结果表明：1) 土壤砂粒含量越高，土壤可蚀性因子EF值越大，说明砂粒含量与土壤可蚀性因子EF值呈正相关；2) 当土壤粘粒含量较低时，向土壤中加入粘土颗粒，土壤可蚀性降低速度显著加快，说明粘粒含量越高，土壤抗侵蚀能力提升越快；3) 影响土壤可蚀性的主要因子为土壤砂粒含量与土壤粘粒含量的比值(Sa/Cl)，其比值越大，土壤可蚀性越低，控制好粘土与砂粒的比例，可有效提高土地抗侵蚀能力。
Abstract:
In order to study the relationship between soil particle content and soil erodibility factor EF value, based on the RWEQ model, the integer combination data sets of soil particle content from 1% to 98% and silt, clay and sand content of 1%, 2%, 10%, 30%, 50%, 70% and 90% were constructed in this paper. The soil erodibility factor EF value under the premise of the organic matter content of 2% was calculated, and the changes in soil erodibility factor under different soil particle contents and the correlation between them were analyzed. The results showed that: 1 ) The higher the soil sand content, the greater the soil erodibility factor EF value, indicating that the sand content was positively correlated with the soil erodibility factor EF value; 2 ) When the soil clay content was low, adding clay particles to the soil, the soil erodibility decreased significantly faster, indicating that the higher the clay content, the faster the soil erosion resistance increased; 3 ) The main factor affecting soil erodibility is the ratio of soil sand content to soil clay content (Sa/Cl). The greater the ratio, the lower the soil erodibility. Controlling the ratio of clay to sand can effectively improve soil erosion resistance.
1. 引言
土壤侵蚀是土壤退化的一种表现形式。土壤退化的两个主要因素分别为水蚀和风蚀，二者导致的全球退化土地面积约占84%，使土壤过度侵蚀成为目前世界上最重要的环境问题之一 [1] 。以风蚀机制为基础的风蚀定量化研究是近年来风蚀研究的热点内容，在20世纪中旬国外学者就对此进行了一系列研究，在美国农业部的主导下，对WEQ模型进行了较大的修正，将经验和过程结合起来，并充分考虑了土壤可蚀性、土壤结皮、土壤水分、地表粗糙度、植被覆盖度、气候因子等与土壤风蚀相关的因子，形成了修正风蚀模型——RWEQ [2] 。在众多模型中，RWEQ模型充分考虑了气候条件因素、土壤可蚀与结皮因素、植被覆盖情况等，其因子覆盖全面，数据易于获取，常用于在小于一年的时间尺度上进行土壤风蚀量预报，适用区域范围更广，时间尺度更加灵活 [3] 。基于此，利用RWEQ模型进行土壤数据模拟，分析在不同土壤颗粒含量下土壤抗侵蚀能力的表现，揭示影响土壤可蚀性变化的主要特征和影响因子，了解区域生态环境变化，评价生态工程成效，对促进区域生态文明建设和区域可持续发展具有重要的科学意义。
土壤风蚀模型是土壤侵蚀分析的重要技术手段，经验证，通过参数的修正和公式调整，RWEQ模型可以应用到我国北方土壤风蚀评估中，诸多学者在不同研究地点，根据不同样本分析了砂粒、粉粒、粘粒含量与土壤可蚀性的关系，江凌等 [4] 运用遥感和地理信息技术对青海省土壤年均风蚀模数进行了估算，经RWEQ模型计算青海省各类土壤类型平均EF值最高的是风沙土，其砂粒含量过高，粘粒含量所占比例过小是其土壤可蚀性最高的主要原因。杨雪琴等 [5] 应用修正风蚀模型对四川省石渠县进行了土壤可蚀性计算，得出当地土壤可蚀性因子范围和时空分布规律。已有的这些研究认为土壤可蚀性与土壤砂粒和粉粒质量分数呈显著正相关，与土壤粘粒质量分数呈显著负相关。砂粒含量与土壤可蚀性因子呈显著正相关关系，也有研究得出相反结论 [6] [7] [8] 。从地理学角度看，存在空间差异性问题，从物理学角度看，具有探讨空间无差异性的意义，因此有待进一步深入。本研究依据RWEQ模型，对土壤砂粒含量与土壤可蚀性EF值关系进行研究分析，以期为该领域研究提供参考。
2. 研究方法
本文采取赋值法研究土壤颗粒含量与土壤可蚀性因子之间的关系，依据RWEQ模型，在确定有机质含量为2%、碳酸钙含量为2%的前提条件下(数据来源：中国土壤特征数据集http://soil.geodata.cn/)，选用EXCEL 2020构建了砂粒、粘粒以及粉粒含量从1%到98%以及砂粒、粘粒含量分别为1%、10%、30%、50%、70%、90%的所有可能整数组合数据集，共计1323组数据，并且使用该软件计算了以上不同土壤颗粒含量下的土壤可蚀性因子EF值，分析EF值随土壤颗粒含量变化而变化的特征。土壤可蚀性因子计算公式如下：
式中：Sa——土壤砂粒含量；Si——土壤粉砂含量；Sa/Cl——土壤砂粒和粘土含量比；OM——有机质含量；CaCO3——碳酸钙含量。
3. 结果分析
计算结果显示，当有机质含量为2%时，数据集中所有颗粒含量整数组合的土壤可蚀性因子EF值小于0.62，其中土壤可蚀性因子EF最小值为0.2906，最大值为0.6166，土壤可蚀性因子EF值介于0.29至0.31之间的组合占总数的一半以上。由表1我们可知，土壤可蚀性因子EF值 < 0.3的数据集有880组，占总数据集的66%；土壤可蚀性因子EF值介于0.3~0.4的数据集有334组，占数据集的25.2%；土壤可蚀性因子EF值在0.4~0.5的数据集有72组，占数据集的5.4%；土壤可蚀性因子EF值在0.5~0.6以及大于0.6的数据集共45组，占总数据集的3.3%。
进一步分析发现，当砂粒含量和粘粒含量的比值(Sa/Cl)较小时，土壤可蚀性因子EF值也较小，当砂粒和粘粒的比值小于6时，土壤可蚀性因子EF值均小于0.3126；而当EF值小于0.3时，砂粒和粘粒的比值均小于等于5.5，当砂粒含量大于6时，EF值均大于0.3。当砂粒和粘粒的比值较大时，土壤可蚀性因子EF值也较大。当砂粒和粘粒的比值大于10时，EF值最低也为0.3369，而当EF值大于0.6时，砂粒和粘粒的比值最低也为93。
初步分析，砂粒含量和粘粒含量的比值与土壤可蚀性因子呈现正相关，即砂粒和粘粒的比值越高，土壤可蚀性因子EF值越高。可见，降低土壤中砂粒质量分数或增加土壤中粘粒质量分数，可降低土壤可蚀性。
Table 1. Distribution of EF values
表1. EF数值分布情况表
3.1. 土壤可蚀性因子EF值和各土壤颗粒含量特征关系
3.1.1. 土壤可蚀性因子EF值与砂粒含量的关系
分析砂粒含量和土壤可蚀性因子EF值的关系时，将粘粒含量设为固定值，砂粒含量设为自变量，土壤可蚀性因子EF值设为应变量，运用ORIGIN PRO 2022绘制出三者关系的双Y轴点线图，通过图1可以发现，砂粒含量和土壤可蚀性因子EF值呈正相关关系。当砂粒含量较低时，砂粒含量曲线斜率远大于EF值斜率，此时EF值曲线呈不规则抛物线型；而当砂粒含量较大时，砂粒含量曲线斜率接近EF值曲线，砂粒含量的增加导致EF值迅速增加。当EF值上限为0.294和0.292时，砂粒含量跨度仅有20%，斜率相对平缓；而土壤可蚀性因子EF值上限为0.6和0.325时，砂粒含量跨度仅有9%，表明该分段的砂粒含量曲线更陡，土壤可蚀性因子EF值增长更快。
3.1.2. 土壤可蚀性因子EF值与粘粒含量的关系
同上文，运用软件ORIGIN PRO 2022，将砂粒含量设为固定值，以粘粒含量为自变量、土壤可蚀性因子EF值为应变量绘制双Y轴点线图。观察图2，可以明显看出粘粒含量与土壤可蚀性因子EF值呈负相关关系。当粘粒含量较高时，土壤可蚀性因子EF值的曲线斜率变化较缓，远小于粘粒含量曲线斜率，此时EF值曲线呈阶梯式下降抛物线；而当粘粒含量较低时，土壤可蚀性因子EF值曲线较陡，随着粘粒含量的增加，EF值急剧下降，后随着粘粒含量的增大而缓慢降低。分析图2中所有土壤可蚀性因子曲线前半段，当粘粒含量较低时，此时向土壤中加入粘土颗粒会使土壤的可蚀性显著降低，但随着粘粒含量的逐渐增大，土壤可蚀性的降低速率趋于稳定，并最终维持在0.29~0.291。
4. 空间异质性检验
上述研究表明，砂粒含量和粘粒含量的比值(Sa/Cl)与土壤可蚀性因子EF值呈现正相关，即前两者的比值越大，EF值越大，但此结论不存在绝对性。分析数据组表2，可以看出，组合①②中，随着粘粒含量降低，EF值却增加，而组合②③中也表明，随着砂粒含量增加，EF值减小，这显然同上述两者均与EF值呈现正相关的结论不符；而组合③④中，随着砂粒含量增加，EF值也随之增加，组合④⑤中，随着粘粒含量降低，EF值也随之减小，此时又与结论相一致。此项分析意在说明，上述结论是在固定剩余参数的前提下获得，然而在实际环境中，风蚀因素存在空间异质性、分布不均匀、不连续，且各土粒含量与有机质含量以及碳酸钙含量对于EF值的影响存在耦合作用，两者与EF值的关系也存在不唯一性。
Table 2. Relationship between critical values of soil particle content and EF values
表2. 土壤颗粒含量临界值与EF值关系表
5. 讨论
在土壤侵蚀过程中，由于侵蚀营力只是土壤侵蚀过程的外部因素，而土壤自身性质才是其内在的因素 [9] 。1998年，刘连友等 [10] 对半干旱区三种典型土壤进行风洞模拟测定，并通过粒度分析，指出土壤可蚀性不仅取决于土壤的内在性状，而且与不同风速的外在风蚀效应密切相关；董治宝等 [11] 通过风洞试验研究了风成砂粒度特征对其风蚀可蚀性的影响，发现风尘成沙的风蚀度随颗粒的变化服从分段函数，在相当粒径条件下，混合砂粒较均匀粒径者易风蚀；梁博 [12] 探讨了拉林铁路沿线灌丛草地土壤理化性质及可蚀性的空间分布特征，最终发现土壤可蚀性因子EF值与粉粒含量呈正相关关系，本文中的相关结论与其结论相一致。
通过前人的研究和本研究可以发现，土壤可蚀性受到土壤颗粒含量影响，降低土壤中砂粒和粉粒质量分数或增加土壤中粘粒质量分数，可降低土壤可蚀性，其原因在于砂粒和粉粒的黏结力较弱，抗侵蚀能力弱，而粘粒粘结力较强，抗侵蚀能力也强 [13] [14] [15] ，但这些研究都是在较小尺度上进行的讨论，而这种主要集中在小坡度的研究会使土壤可蚀性的研究受到限制。除此之外，对于土壤侵蚀的研究通常分为水蚀和风蚀，其中计算模型又以水蚀为主的EPIC和风蚀为主的RWEQ模型最为常用 [16] [17] [18] ，但现实中土壤的侵蚀常常是由风蚀水蚀交替发生，因此，这种分别进行的研究对土壤可蚀性的探讨是不利的。在今后的工作中，我们要加强土壤可蚀性的试验研究，将室外的观测同室内的模拟试验结合起来，将遥感技术同现有的侵蚀预报模型结合起来，进一步完善侵蚀预报模型中的土壤可蚀性因子，从而准确地预报侵蚀量，确定合理的土地利用方式。
6. 结论
本文利用赋值法，在确定有机质含量为2%、碳酸钙含量为0.02的前提条件下，得到以下结论：
1) 在固定有机质含量和粉粒含量时，EF值和砂粒含量呈正相关关系。当土壤砂粒含量低于50%时，土壤砂粒含量曲线斜率大于可蚀性因子EF值斜率，由此表明，当土壤砂粒含量大于50%时，土壤可蚀性因子EF值明显增加，而土壤的抗风蚀能力显著降低。
2) 当砂粒含量较高时，其斜率远大于EF值斜率，砂粒含量的增加会导致EF值增加缓慢；当砂粒含量较低时，两者斜率接近，且砂粒含量的增加使得EF值迅速增加。
3) 砂粒含量和粘粒含量的比值与土壤可蚀性因子EF值呈正相关关系，增加粘粒质量分数或者降低砂粒质量分数，可有效减少土壤可蚀性。