土壤可蚀性是土壤侵蚀研究的重点问题之一,为研究土壤粉粒含量与土壤可蚀性K值关系,依据EPIC模型,构建了沙粒、粉粒、粘粒含量分别为1%到98%的所有整数组合的数据集,计算了在有机质含量为2%的前提条件下的土壤可蚀性K值,分析了各种粘粒含量条件下土壤可蚀性与粉粒含量的关系,结果表明两者间存在明显正相关关系,粉粒含量中等时,前者斜率大于后者,粉粒含量较大或较小时,前者斜率小于后者。 Soil erodibility is one of the key issues in soil erosion research. According to the EPIC model, a data set of all integer combinations of sand, powder, and clay content from 1% to 98% was constructed for studying the relationships between soil powder content and soil erodibility K value, and the soil erodibility K value under the premise of an organic matter content of 2% was calculated. The relationship between soil erodibility and silt content under various clay content conditions is analyzed, and the results show that there is an obvious positive correlation between the two. When the silt content is medium, the slope of the former is greater than the latter, and when the silt content is larger or higher, the slope of the former is smaller than that of the latter.
土壤可蚀性是土壤侵蚀研究的重点问题之一,为研究土壤粉粒含量与土壤可蚀性K值关系,依据EPIC模型,构建了沙粒、粉粒、粘粒含量分别为1%到98%的所有整数组合的数据集,计算了在有机质含量为2%的前提条件下的土壤可蚀性K值,分析了各种粘粒含量条件下土壤可蚀性与粉粒含量的关系,结果表明两者间存在明显正相关关系,粉粒含量中等时,前者斜率大于后者,粉粒含量较大或较小时,前者斜率小于后者。
土壤可蚀性K值,粉粒含量,机械组成,相关关系
Hao Cheng1, Gengyou Han2, Huizhi Bao2, Cairong Zhang3*
1China Coal Construction Engineering Group Co., Ltd., Beijing
2China Coal Construction Engineering-Foundation Engineering Co., Ltd., Hangzhou Zhejiang
3School of Soil and Water Conservation, Beijing Forestry University, Beijing
Received: Feb. 18th, 2022; accepted: Mar. 22nd, 2022; published: Mar. 30th, 2022
Soil erodibility is one of the key issues in soil erosion research. According to the EPIC model, a data set of all integer combinations of sand, powder, and clay content from 1% to 98% was constructed for studying the relationships between soil powder content and soil erodibility K value, and the soil erodibility K value under the premise of an organic matter content of 2% was calculated. The relationship between soil erodibility and silt content under various clay content conditions is analyzed, and the results show that there is an obvious positive correlation between the two. When the silt content is medium, the slope of the former is greater than the latter, and when the silt content is larger or higher, the slope of the former is smaller than that of the latter.
Keywords:Soil Erodibility K Value, Silt Content, Mechanical Composition, Correlation
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土壤侵蚀作为当今世界普遍关注的全球变化问题,是导致人类赖以生存且日趋紧缺的土地资源退化和损失的重要因素,已成为全球性的环境问题,严重威胁着人类的生存与发展 [
侵蚀–生产力评价模型(EPIC)是目前我国研究土壤可蚀性使用较为广泛的模型,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K值的关系,张永勤等 [
依据EPIC模型,在确定有机质含量为2%的前提条件下,构建了沙粒、粉粒、粘粒含量为1%到98%的所有可能整数组合的数据集,共4851个组合,计算了其土壤可蚀性K值,观察K值在极大和极小两种条件下的粉粒含量,计算各个K值段的粉粒含量阈值,分析K值随粉粒含量增加的变化特征。土壤可蚀性K值计算公式如下:
K = { 0.2 + 0.3 e [ − 0.0256 W a ( 1 − W i 100 ) ] } × ( W i W i + W l ) 0.3 × [ 1 − 0.25 C C + e ( 3.72 − 2.95 c ) ] × [ 1 − 0.7 W n W n + e ( − 5.51 + 22.9 W n ) ] (1)
W n = 1 − W a / 100
C = OM / 100
式中:Wa是砂粒(0.05~2 mm)含量,%;Wi是粉粒(0.002~0.05 mm)含量,%;Wl是黏粒(<0.002 mm)含量,%;C是有机碳含量,%;OM是有机质含量,%。
计算结果显示,当土壤有机质含量为2%时,数据集中所有粒径含量整数组合的K值小于0.06,其中3810个粒径组合的K值介于0.01至0.03期间(表1),占总数的79%,而其他3个粒径组合的K值无一超过总组合数的10%。
进一步分析发现,粉粒含量较小时,K值也较小。当粉粒含量小于5%和1%时,K值分别低于0.02和0.012;而当K值小于0.007时,粉粒含量无一例外均小于等于1%;当粉粒含量为2时,K值均大于0.007。由此可见,粉粒含量为1%与K值小于0.007两者之间具有较好的重合性,前者为后者的充分且必要条件。
粉粒含量较大时,K值也较大。当前者大于90%时,后者最低为0.051,而当K值大于0.056时,粉粒含量最低为91%。后者为前者的充分且必要条件。
由此可见,粉粒含量是导致K值出现极端值的充分必要条件,此时砂粒和粘粒含量与K值没有显著关系。
对K值分段分析可以发现,每个K值区间均与粉粒含量临界值相对应(表1),中低K值分段对应于粉粒含量的高限值,而高K值分段对应于粉粒含量的低限值。尽管如此,由于各个阈值的含量在实际中并不少见,因此每个K值分段均能对应一些类型的土壤。
K值 | 组合个数 | 砂粒含量 | 粉粒含量 | 粘粒含量 |
---|---|---|---|---|
<0.01 | 287 | <6% | ||
0.01~0.02 | 2172 | <40% | ||
0.02~0.03 | 1638 | <75% | <75% | |
0.03~0.04 | 398 | <25% | <83% | <83% |
0.04~0.05 | 247 | <17% | >38% | <61% |
>0.05 | 109 | <10% | >70% | <30 |
表1. 不同K值分段对应的土壤颗粒含量阈值
分析粉粒含量与土壤可蚀性K值得关系发现,粉粒含量与K值呈正相关关系(图1、图2),当粉粒含量较高或较低时,粉粒含量曲线斜率与K值斜率接近,粉粒含量的增加导致K值增加速度缓慢;而粉粒含量中等时,其斜率缓于K值斜率,含量的增加导致K值迅速增加。该现象在K值分段特征中也有所体现,K上限值为0.02和0.03时,粉粒含量跨度为35%,斜率相对较为平缓,而K上限值为0.03和0.04时,粉粒含量跨度仅为8%,也表明该分段的粉粒含量曲线可能更陡。
图1. K值随粉粒含量变化特征
图2. K值随粉粒含量变化特征
前人对土壤颗粒含量与土壤可蚀性关系开展了大量研究,乔锋等 [
从EPIC模型来看,土壤可蚀性与粉粒含量关系是不受地域、土壤种类、微地貌、土地利用性质等各种因素影响,是具有统一规律的,在某些研究条件下可尝试运用该无差别的结论,而无需强调地域、土壤类型,甚至有条件的固化该结论,可以在一定条件下减少该类重复研究。
在固定有机质含量和粘粒含量时,K值与粉粒含量呈正相关关系。当粉粒含量较高或较低时与K值斜率接近,含量的增加导致K值增加速度缓慢;而粉粒含量中等时,其斜率缓于K值斜率,含量的增加导致K值迅速增加。
为验证本研究结论在实际应用中的意义,引用前人对不同土壤类型可蚀性K值的计算结果进一步分析。我国的土壤可蚀性计算大部分是根据全国第二次土壤普查资料并应用EPIC模型中K值的计算公式计算或通过诺谟图查算,如张宪奎等 [
土壤理化特性与土壤可蚀性密切相关,其中土壤粉粒含量与土壤可蚀性的关系具有较多的前期研究结果,理论上具有正相关性、负相关性、无明显相关性3种可能性。从纯数学解析角度来看,EPIC模型显然认为两者具有正相关性,且适用于所有含量区间。但本文仅对4851个土壤机械组成的组合进行了分析,实际可能的组合远大于此数字,建议下一步进行更为严谨的论证。另外,计算土壤可蚀性的模型很多,EPIC模型仅是其中一个,如果进行更多模型的解析,将有助于对此问题进行更加深入的了解。
本文研究为中煤建工集团有限公司资助科技创新项目。
程 昊,韩庚友,包会之,张彩荣. 基于EPIC模型的粉粒含量与土壤可蚀性关系研究Study on the Relationship between Silt Content and Soil Erodibility Based on EPIC Model[J]. 水土保持, 2022, 10(01): 6-12. https://doi.org/10.12677/OJSWC.2022.101002