寧夏土壤顆粒組成特點(diǎn)及其影響因素分析

周雷，曲瀟琳，周濤，馬常寶，李建兵，龍懷玉，徐愛(ài)國(guó)，張認(rèn)連，李格

寧夏土壤顆粒組成特點(diǎn)及其影響因素分析

周雷1，曲瀟琳2，周濤3，馬常寶2，李建兵2，龍懷玉1，徐愛(ài)國(guó)1，張認(rèn)連1，李格4

1北方干旱半干旱耕地高效利用全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所），北京 100081；2農(nóng)業(yè)農(nóng)村部耕地質(zhì)量監(jiān)測(cè)保護(hù)中心，北京 100125；3寧夏農(nóng)林科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，銀川 750002；4中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)田灌溉研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部作物需水與調(diào)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南新鄉(xiāng) 453002

【目的】明確寧夏地區(qū)土壤顆粒組成的特點(diǎn)及其影響因素，從而為當(dāng)?shù)氐耐恋乩?、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)劃等提供科學(xué)參考?！痉椒ā扛鶕?jù)114個(gè)點(diǎn)位的土壤顆粒組成測(cè)試數(shù)據(jù)，研究寧夏地區(qū)環(huán)境因素對(duì)土壤顆粒組成的影響，土壤顆粒組成、土壤質(zhì)地類型、土壤控制層段顆粒大小的統(tǒng)計(jì)學(xué)特征，以及土壤顆粒組成的空間分布特征?！窘Y(jié)果】（1）寧夏土壤的顆粒組成以砂粒和粉粒為主，土壤砂粒、粉粒和黏粒含量分別為2.4%—97.2%、0.8%—86.0%和0.7%—43.3%，平均含量分別為34.9%、49.6%和15.5%；土壤質(zhì)地主要以粉壤土（占46.5%）、砂壤土（占17.6%）和壤土（占13.3%）為主，土壤質(zhì)地類型的變異主要?dú)w因于砂粒和粉粒含量的變化。（2）多個(gè)環(huán)境因素共同影響了寧夏地區(qū)土壤顆粒組成，影響力從大到小依次為地貌、母質(zhì)、小地形、熱量、土壤類型、土地利用類型和風(fēng)速。（3）控制層段的顆粒大小有11種類型，以壤質(zhì)（占46.5%）、黏壤質(zhì)（占19.3%）、砂質(zhì)（占16.7%）為主。（4）寧夏地區(qū)很難發(fā)育出黏化層，在114個(gè)剖面中有26個(gè)黏粒含量符合黏化層，但只有2個(gè)是確切的黏化層。（5）寧夏灌於表層產(chǎn)生了明顯的質(zhì)地分異?！窘Y(jié)論】寧夏土壤顆粒組成以砂粒和粉粒為主，地貌和母質(zhì)是影響土壤顆粒組成的最主要因素。

土壤顆粒組成；因素分析；土壤質(zhì)地；黏化層診斷；灌淤表層；寧夏

0 引言

【研究意義】土壤顆粒組成作為構(gòu)成土體的基礎(chǔ)骨架，是土壤重要的物理特性之一[1]，對(duì)土壤結(jié)構(gòu)[2]、土壤水力特性[3]、土壤養(yǎng)分含量[4-6]、土壤保溫導(dǎo)溫[7-8]、土壤耕作性能以及土壤的抗侵蝕性[9-11]等具有很重要的影響，還可以反映土壤成土過(guò)程的某些特征[12]。因此，土壤顆粒組成的特點(diǎn)及影響因素的研究對(duì)于土地利用規(guī)劃、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)布局[13-15]、土壤分類等具有重要的實(shí)用價(jià)值，對(duì)土壤發(fā)生形成、環(huán)境演變、氣候變遷等[16-17]方面具有重要的理論價(jià)值?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】基于土壤顆粒組成的重要性，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者從不同尺度對(duì)不同地區(qū)土壤顆粒組成進(jìn)行了深入的研究。李曉佳[18]研究大青山表層土壤顆粒組成發(fā)現(xiàn)該區(qū)土壤顆粒以細(xì)砂粒和粗砂粒為主，黏粒含量最小，粗化度較大。隨海拔的變化南北坡各粒級(jí)土壤顆粒含量的變化趨勢(shì)及強(qiáng)弱是不同的。LIU等[19]通過(guò)采用隨機(jī)森林模型預(yù)測(cè)了青藏高原的土壤質(zhì)地，結(jié)果表明該區(qū)的土壤顆粒以砂粒為主，氣候和NDVI值是影響整個(gè)地區(qū)土壤質(zhì)地空間分布的最重要因素。汪建中等[20]研究贛東地區(qū)主要土壤類型表層土壤顆粒組成特點(diǎn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，紅壤表層土壤顆粒組成以黏粒和粉砂粒為主，而黃壤和山地草甸土則是礫石、粗砂粒較多。3種土壤的顆粒組成與海拔均具有顯著相關(guān)性，海拔與砂粒含量呈顯著正相關(guān)，與黏粒含量呈顯著負(fù)相關(guān)。田積瑩等[21]和張孝中[22]對(duì)黃土高原土壤顆粒組成進(jìn)行研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，黃土高原顆粒分布呈現(xiàn)出由西向東、由北向南漸變分布的規(guī)律。劉付程等[23]在地統(tǒng)計(jì)學(xué)和GIS的支持下，發(fā)現(xiàn)蘇南典型地區(qū)耕層不同粒徑土壤顆粒在較大范圍內(nèi)存在著空間相關(guān)性，整體反映了河湖沉積物母質(zhì)的特點(diǎn)，土壤顆粒組成以粉粒為主。各類型顆粒含量都呈現(xiàn)出由南向北漸變分布的特點(diǎn)。曹媛等[24]采用經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)和地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)相結(jié)合的方法研究發(fā)現(xiàn)寧夏中部干旱帶區(qū)域天然草地砂粒含量北部最大，由北向南逐漸減少，粉粒含量以西北和東南較高，黏粒含量以西南部最高，土壤顆粒含量主要由水蝕和風(fēng)蝕等結(jié)構(gòu)性因素決定。賀靜等[25]發(fā)現(xiàn)錫爾河流域哈薩克斯坦境內(nèi)農(nóng)田0—20 cm土層土壤以0.25—0.05和0.05—0.01 mm顆粒為主，隨機(jī)性因素是導(dǎo)致土壤顆?？臻g異質(zhì)性的主要因素。梁燕菲等[26]采用簡(jiǎn)易比重計(jì)分析了黔中喀斯特地區(qū)土壤剖面顆粒組成特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)黃壤剖面顆粒組成以黏粒為主，從而導(dǎo)致土壤透水性差，石灰土剖面以細(xì)砂粒和粉粒為主，水稻土剖面以粉粒和細(xì)砂粒為主。REZA等[27]對(duì)印度東北部特里普拉粒徑分布、土壤含水量水平和垂直變異的地理空間分析發(fā)現(xiàn)，土壤含水量的空間分布與砂粒和黏粒含量分布規(guī)律密切相關(guān)。WANG等[28]發(fā)現(xiàn)青藏高原北部高寒草地土壤粒度分布的多重分析維數(shù)可以用來(lái)表征高寒地區(qū)土壤的可蝕性和肥力特征。申哲等[29]、DA SILVA CHAGAS等[30]和LIU等[31]采用隨機(jī)森林等方法分別對(duì)寧夏海原黃土區(qū)、巴伊亞州胡亞塞羅市部分地區(qū)和江蘇平原的土壤顆粒組成進(jìn)行了預(yù)測(cè)，結(jié)果均表明隨機(jī)森林是預(yù)測(cè)的最佳方法。同時(shí)在對(duì)寧夏海原黃土區(qū)顆粒組成預(yù)測(cè)發(fā)現(xiàn)，海拔和土壤類型與土壤顆粒組成的相關(guān)性較強(qiáng)。FORKUOR等[32]通過(guò)調(diào)查高空間分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)、地形和氣候數(shù)據(jù)以及實(shí)驗(yàn)室分析的土壤樣本繪制了布基納法索西南部農(nóng)業(yè)流域土壤顆粒組成等的空間分布圖?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】前人的大量研究表明土壤顆粒的組成由于受到氣候、地形、母質(zhì)和植被等因素的影響而呈現(xiàn)有規(guī)律性的分布，并且在不同區(qū)域表現(xiàn)出較大的差異，而且通過(guò)分析土壤顆粒組成影響因素及空間分布可以反演環(huán)境演變等科學(xué)問(wèn)題。寧夏地區(qū)地貌多樣，中北部的引黃灌區(qū)更是自古以來(lái)就有著“塞上江南”的美譽(yù)，但迄今為止，尚無(wú)關(guān)于整個(gè)寧夏土壤顆粒組成及其影響因素分析方面的系統(tǒng)報(bào)道，對(duì)當(dāng)?shù)氐耐恋乩?、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)劃等造成了不利影響?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】本研究在綜合考慮土壤類型、土地利用類型、土壤母質(zhì)類型、地形地貌、土壤溫度、土壤水分條件等環(huán)境要素以及空間代表性情況下，在全區(qū)域范圍內(nèi)布設(shè)114個(gè)樣點(diǎn)，根據(jù)發(fā)生學(xué)層次分層取樣測(cè)試土壤顆粒組成，從而分析寧夏地區(qū)土壤顆粒組成、土壤質(zhì)地類型、土壤控制層段顆粒大小的空間分布特征，以及環(huán)境因素對(duì)土壤顆粒組成的影響。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

寧夏回族自治區(qū)介于35°14′—39°23′ N，104°16′— 107°33′ E之間的南北方向狹長(zhǎng)地帶，地處我國(guó)西北干旱區(qū)，屬于典型的溫帶大陸性氣候，干旱少雨，蒸發(fā)強(qiáng)烈，風(fēng)大沙多。年均氣溫6—9 ℃，北高南低。年均降水量190—400 mm，主要集中在夏季，受地理緯度和地形的影響南高北低，干燥度介于0.9— 9.0[33]，氣候受地理緯度和地形因素的影響較大[34]。干旱和鹽堿等問(wèn)題成為制約寧夏農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要因素。寧夏海拔1 092—2 942 m，地勢(shì)呈南高北低的分布特點(diǎn)，地貌類型總體上南部為黃土高原，中部為山地、緩坡丘陵和中海拔風(fēng)蝕地貌，北部為黃河沖積平原。成土母質(zhì)類型多樣，按成因可劃分為殘積、坡積、紅土、黃土、風(fēng)積、洪積、沖積、灌水淤積物和湖積物9類。主要植被為干旱草原、荒漠草原和草甸，且隨氣候條件呈現(xiàn)一定的過(guò)渡特征。土壤pH 6.2— 10.0，絕大部分土壤呈堿性或偏堿性。

1.2 樣品采集與分析

2014—2018年，按照目的性采樣和傳統(tǒng)采樣的方法[35]，布設(shè)114個(gè)剖面樣點(diǎn)（圖1）。即選擇與土壤類型具有協(xié)同變化的地形地貌、成土母質(zhì)、土壤水分、土壤溫度等環(huán)境因子進(jìn)行模糊聚類，計(jì)算出環(huán)境代表性，進(jìn)一步結(jié)合行政區(qū)劃形成預(yù)布設(shè)樣點(diǎn)，野外調(diào)查時(shí)，在預(yù)布設(shè)樣點(diǎn)1 km2范圍踏勘，確定最后采樣點(diǎn)，確保樣點(diǎn)的選取具有最大的環(huán)境代表性和空間代表性。野外調(diào)查時(shí)利用GPS進(jìn)行樣點(diǎn)定位，按照野外調(diào)查手冊(cè)挖掘剖面，根據(jù)發(fā)生學(xué)層次分層自下而上采集土壤樣品供測(cè)定，記錄各個(gè)樣點(diǎn)的經(jīng)緯度、海拔、土壤母質(zhì)類型、土壤類型、地貌類型、小地形類型、土地利用類型等信息。采用吸管法測(cè)定顆粒組成[36]，共有301個(gè)數(shù)據(jù)，粒級(jí)劃分采用美國(guó)制（砂粒2—0.05 mm，粉粒0.05—0.002 mm，黏粒＜0.002 mm）。

圖1 寧夏土壤樣點(diǎn)及海拔分布圖

1.3 輔助變量來(lái)源及數(shù)據(jù)處理

氣候數(shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)國(guó)際氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)（https://data. cma.cn/），基于地理信息系統(tǒng)的多元回歸分析方法，以經(jīng)緯度及海拔數(shù)據(jù)作為預(yù)測(cè)因子，獲取每個(gè)樣點(diǎn)的蒸發(fā)量、年均溫、日照時(shí)數(shù)、相對(duì)濕度、降水量、干燥度、年≥10 ℃的平均天數(shù)，年≥10 ℃積溫平均值和風(fēng)速等因素。

利用Microsoft Excel 2013進(jìn)行土壤顆粒組成數(shù)據(jù)的預(yù)處理，并查詢各土壤樣品所對(duì)應(yīng)的土壤質(zhì)地[37]，利用Origin 2021繪制土壤樣品顆粒組成三角圖（圖2）；利用IBM Statistics SPSS25.0對(duì)土壤樣品各顆粒組成的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行經(jīng)典統(tǒng)計(jì)分析和方差分析。

2 結(jié)果

2.1 土壤顆粒組成的統(tǒng)計(jì)特征

表1是對(duì)表層（A）和表下層（B）土壤樣品顆粒組成數(shù)據(jù)的描述性統(tǒng)計(jì)分析、正態(tài)分布檢驗(yàn)以及Kolmogorov-Smirnov（K-S）法[38]檢驗(yàn)的結(jié)果，從中可知A、B層土壤中砂粒、粉粒和黏粒Kolmogorov- Smirnov檢驗(yàn)的P值均大于0.05，通過(guò)了K-S正態(tài)分布檢驗(yàn)，服從正態(tài)分布。A層土壤樣本中砂粒、粉粒和黏粒的占比均值分別為40.3%、46.0%和13.8%，變異系數(shù)分別為60.2%、41.8%和72.4%，粉粒的均值含量最高，變異系數(shù)最小，A層土壤樣本的顆粒組成以粉粒為主且含量較為穩(wěn)定。B層土壤樣本中砂粒、粉粒和黏粒的均值分別是34.3%、50.3%、15.4%，砂粒的含量較A層有所降低，而粉粒和黏粒的均值含量則均有增加。表下層（B層）砂粒、粉粒和黏粒含量的變異系數(shù)依次是61.0%、34.2%、59.8%，砂粒的變異系數(shù)略有提高，粉粒和黏粒的變異系數(shù)相對(duì)于表層A變異程度有所降低。與A層相比，B層砂粒含量均值降低，粉粒和黏粒含量均值增加，呈現(xiàn)細(xì)化的趨勢(shì)。黏粒均值含量B層最大（15.4%）且B/A層的黏粒均值含量比為（1.12）接近1.2，是黏化層鑒定的重要依據(jù)之一[39]，表明可能存在黏化層。若按CV＜10%劃分為弱變異，10%＜CV＜100%劃分為中等變異[40]，總的來(lái)看A層和B層的各顆粒組成含量均屬于中等強(qiáng)度的變異。

根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)，301個(gè)分層樣品的土壤質(zhì)地以粉壤土（占46.5%）和砂壤土（占17.6%）為主。從土壤顆粒組成三角圖（圖2）中可知，在全部分層樣品中砂粒含量在2.4%—97.2%，平均值為34.9%；粉粒含量在0.8%—86.0%，平均值為49.6%；黏粒含量在0.7%—49.5%，平均值為15.5%。由此分析，砂粒和粉粒（占84.5%）的含量是影響土壤質(zhì)地變異的主要因素。

圖2 寧夏土壤顆粒組成三角圖

表1 寧夏土壤顆粒組成的統(tǒng)計(jì)值特征

2.2 土壤顆粒組成的空間分布特征

從表1可看出，A、B層土壤中砂粒、粉粒和黏粒Kolmogorov-Smirnov檢驗(yàn)的P值均大于0.05，通過(guò)了K-S正態(tài)分布檢驗(yàn)，服從正態(tài)分布?？梢詫?duì)A、B層砂粒、粉粒和黏粒含量進(jìn)行普通克里格插值分析[41-43]，進(jìn)行寧夏地區(qū)土壤顆粒組成空間預(yù)測(cè)。相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表2，其中空間相關(guān)度為0.37—0.80，表明寧夏土壤顆粒組成具有中等的空間相關(guān)性。

由圖3可知，土壤顆粒組成表現(xiàn)出很好的空間變化趨勢(shì)，與曹媛等[24]、申哲等[29]研究結(jié)果相同。對(duì)于A層，土壤砂粒含量分布總體表現(xiàn)為從東到西、從北到南土壤含砂量逐漸升高，以西南部砂粒含量最高。粉粒含量主要表現(xiàn)為自東向西逐漸減少，東南部粉粒含量最高，西南部粉粒含量最低。黏粒含量則與砂粒含量相反，為自東向西、自北向南黏粒含量逐漸減少，以北部黏粒含量最高。西南部黏粒含量最低。對(duì)于B層，土壤砂粒含量總體與A層相似，砂粒含量表現(xiàn)為從東到西遞增，但B層北部砂粒含量明顯高于A層；粉粒的含量總體表現(xiàn)為最南部含量稍高之外，其余各地粉粒含量差異不大；黏粒的含量分布總體表現(xiàn)為從西向東呈遞增的趨勢(shì)，其中以寧夏最北部和中部偏東最高。寧夏地形整體為從南向北傾斜，南部主要為丘陵和山地，地勢(shì)較高，中部為臺(tái)地及丘陵，北部為黃河沖積平原，地勢(shì)較低?？梢?jiàn)顆粒的分布隨著地形變化呈現(xiàn)出較明顯的規(guī)律性分布。

圖3 SLR-OK 預(yù)測(cè)寧夏土壤顆粒組成空間分布圖

表2 普通克里金預(yù)測(cè)顆粒組成空間半方差函數(shù)理論模型及其相關(guān)參數(shù)

2.3 環(huán)境條件對(duì)土壤顆粒組成的影響

土壤的顆粒組成與分布受到土壤發(fā)生、形成、遷移、沉積、風(fēng)化和分解等物理化學(xué)過(guò)程的影響。本文剖面調(diào)查資料中有土壤母質(zhì)類型、土壤類型、地貌類型、小地形類型、土地利用類型、海拔和氣象因素（氣溫、降雨、風(fēng)速等）的記錄，有條件分析它們對(duì)土壤顆粒組成的影響。

2.3.1 不同母質(zhì)類型間顆粒組成的差異 寧夏大部分地區(qū)土壤的礦物質(zhì)含量達(dá)98%以上[34]，土壤母質(zhì)作為形成土壤的物質(zhì)基礎(chǔ)，與土壤顆粒組成關(guān)系密切[44-45]。寧夏地區(qū)土壤母質(zhì)類型有殘積、坡積、風(fēng)積、沖積、黃土、紅土、洪積、湖積物和灌淤物9類。由于部分土壤母質(zhì)發(fā)育的代表性剖面數(shù)量較少，因此將母質(zhì)來(lái)源或成因相近的代表性剖面劃分為一類，將土壤樣本分為4組，依次是黃土母質(zhì)組（包括風(fēng)積黃土、沖積黃土），水運(yùn)積母質(zhì)組（包括除沖積黃土以外的沖積物、洪積物），坡、殘積母質(zhì)（包括坡積物、殘積物）組以及灌淤母質(zhì)組。其中，湖積母質(zhì)為水運(yùn)積母質(zhì)中靜水沉積而成，但由于只有一個(gè)且顆粒組成與沖積、洪積母質(zhì)類似，將其歸為水運(yùn)積母質(zhì)組。灌淤母質(zhì)發(fā)育的典型灌淤土樣點(diǎn)雖然數(shù)目不多，但其是寧夏引黃灌區(qū)有特色的典型高產(chǎn)土壤，因此將該類型單獨(dú)做一組，而紅土母質(zhì)組僅1個(gè)，不予考慮。參見(jiàn)表3。

由表3可知，對(duì)于A層，灌於母質(zhì)組的砂粒含量顯著低于其余3組，黏粒含量顯著高于其余3組，粉粒含量均表現(xiàn)為灌於母質(zhì)組顯著高于水運(yùn)積母質(zhì)組，黃土、水運(yùn)積和坡、殘積母質(zhì)組的顆粒組成無(wú)顯著差異。對(duì)于B層，和A層相似，灌於母質(zhì)組的砂粒含量顯著低于水運(yùn)積母質(zhì)組，黏粒含量顯著高于其余3組，黃土、水運(yùn)積和坡、殘積母質(zhì)組的顆粒組成也無(wú)顯著性差異。水運(yùn)積母質(zhì)組的黏粒均值含量比B/A=1.31＞1.2，存在淀積黏化作用或者多源母質(zhì)的可能。灌於母質(zhì)組質(zhì)地B層比A層略粗。

2.3.2 不同土壤類型間顆粒組成的差異 第二次全國(guó)土壤普查時(shí)期將寧夏地區(qū)土壤劃分為17個(gè)地理發(fā)生土類，按分布面積大小主要有灰鈣土、黃綿土、灌於土、灰褐土、潮土、黑壚土、風(fēng)沙土、鹽土等類型[14]。根據(jù)寧夏土系調(diào)查采集的典型剖面，選取代表性剖面?zhèn)€數(shù)較多的灰鈣土、黃綿土、灌於土、灰褐土、潮土、黑壚土、風(fēng)沙土和鹽土8種土壤類型（表4），進(jìn)行不同土壤類型的顆粒組成含量的差異分析。對(duì)于典型剖面?zhèn)€數(shù)較少的其他土壤類型，暫不研究。

由表4可知，對(duì)于土壤A層，砂粒含量風(fēng)沙土最高、灰鈣土次之，均顯著高于其余土壤類型，粉粒和黏粒含量則顯著低于其余類型，黃綿土、灰褐土、潮土、黑壚土和鹽土的顆粒組成均值含量無(wú)顯著差異。灌於土的黏粒含量顯著高于其他土壤類型。對(duì)于土壤B層，風(fēng)沙土的砂粒含量顯著高于其余土壤類型，灌於土顯著低于其余土壤類型。黏粒含量灌於土顯著高于其余組，黑壚土和風(fēng)沙土的黏粒平均含量最低，且無(wú)顯著性差異?；意}土、黑壚土和風(fēng)沙土B層的顆粒組成較A層變化劇烈；而黃綿土、潮土和鹽土的顆粒組成無(wú)明顯變化。

表3 寧夏不同土壤母質(zhì)類型間土壤樣本各顆粒組成的差異分析

數(shù)據(jù)后不同小寫(xiě)字母表示差異達(dá)0.05顯著水平。下同

Different lowercase letters indicate a difference between the samples at 0.05 significant level. The same as below

表4 寧夏不同土壤類型間顆粒組成的差異分析

綜上，不同土壤類型之間的土壤顆粒組成具有顯著性差異，且土壤A層的各粒級(jí)含量差異大于B層。

2.3.3 不同地貌類型間土壤顆粒組成的差異 根據(jù)野外剖面描述時(shí)記載的剖面點(diǎn)環(huán)境信息，將地形條件劃分為4組，分別為平原組、丘陵組、山地組、風(fēng)蝕地貌組，各組的砂粒、粉粒和黏粒含量見(jiàn)表5。

由表5分析可知，對(duì)于土壤A層，平原和山地組土壤的顆粒組成均以粉粒為主，丘陵和風(fēng)蝕地貌的土壤主要以砂粒為主，且砂粒含量顯著高于山地組。山地組的粉粒含量顯著高于風(fēng)蝕地貌組。丘陵組的黏粒含量顯著低于平原組。對(duì)于土壤B層，顆粒組成和A層相似，但風(fēng)蝕地貌組的砂粒含量顯著降低至與平原、山地和丘陵組無(wú)顯著性差異。表現(xiàn)為丘陵組的砂粒含量顯著高于山地和平原組。粉粒含量顯著低于山地組。在同一地形條件下，平原組、丘陵組和山地組由于植被覆蓋度高等原因所受風(fēng)力等影響弱，A層和B層的顆粒組成無(wú)顯著變化；而風(fēng)蝕地貌組則受到風(fēng)力影響較大，A層的砂粒含量顯著高于B層。為了進(jìn)一步比較地形地貌對(duì)土壤顆粒組成的影響，按照小地形特點(diǎn)將土壤樣本劃分為平地和坡地兩組（表6）。

表5 寧夏不同地貌下土壤顆粒組成的差異分析

表6 寧夏不同小地形類型間土壤顆粒組成的差異分析

從表6可知，由于水熱條件分布的差異，坡地的土壤顆粒組成較粗[46-47]，研究區(qū)不論是A層，還是B層，坡地組的砂粒含量均稍高于平地組，黏粒含量低于平地組，但土壤顆粒組成并無(wú)顯著差異，小地形對(duì)寧夏土壤顆粒組成無(wú)顯著影響。

2.3.4 不同土地利用類型間顆粒組成的差異 根據(jù)剖面野外記載，將土地利用方式劃分為三類，依次是耕地、荒地和林地（表7），耕地組包括糧食用地、蔬菜用地和經(jīng)濟(jì)作物用地等，將畜牧業(yè)用地等劃歸荒地，其他不做具體區(qū)分。

從表7可知，不論A層或B層，3種利用方式下的砂粒和粉粒含量無(wú)顯著性差異，但耕地黏粒含量顯著高于荒地，與林地卻無(wú)顯著性差異，與楊婷[48]，張海廷[49]等結(jié)論不同。說(shuō)明該地區(qū)土壤利用程度不強(qiáng)。3種不同土地利用方式下土壤的顆粒組成只有黏粒含量存在顯著性差異，且耕地的黏粒含量最高?？梢?jiàn)，在寧夏地區(qū)人為耕作對(duì)土壤的顆粒組成有顯著性的影響，人為耕作加速了土壤黏化過(guò)程，顯著地或不顯著地提高了黏粒含量，表現(xiàn)出了黏化趨勢(shì)，但這種影響隨著剖面深度增加而減弱，該結(jié)論也與顏安等結(jié)果一致[50]。

表7 寧夏不同土地利用類型下土壤樣本各顆粒組成的差異分析

2.3.5 不同海拔和氣象因素對(duì)顆粒組成的影響 寧夏海拔范圍大致介于1 092—2 942 m，平均海拔在1 500 m左右，海拔極差較大，氣象因素也隨之變化，地溫、海拔、降水量、干燥度、風(fēng)速和日照等因素對(duì)土壤形成發(fā)育等有重要影響[51-55]，寧夏地區(qū)土壤顆粒組成與氣象因素的相關(guān)性分析結(jié)果見(jiàn)表8。

H：海拔，E：蒸發(fā)量，AT：年均溫，SH：日照時(shí)數(shù)，RH：相對(duì)濕度，R：降水量，D：干燥度，AAD：年≥10 ℃的平均天數(shù)，AAT：年≥10 ℃積溫平均值，WV：風(fēng)速。*為相關(guān)性顯著（＜0.05），**為相關(guān)性極顯著（＜0.01)。下同

H: Elevation, E: Evaporation, AT: Annual average temperature, SH: Sunshine hours, RH: Relative humidity, R: Precipitation, D: Dryness, AAD: Annual average days ≥10℃, AAT: Annual average accumulated temperature ≥10 ℃, WV: Wind speed. * For significant relevance (＜0.05), ** For extreme relevance (＜0.01). The same below

由表8可知，對(duì)于土壤A層，土壤砂粒含量與蒸發(fā)量、年均溫、日照時(shí)數(shù)、相對(duì)濕度、降水量、年≥10 ℃的平均天數(shù)和積溫有顯著或極顯著相關(guān)性，與干燥度和風(fēng)速無(wú)顯著相關(guān)。粉粒含量與風(fēng)速無(wú)顯著相關(guān)性，與相對(duì)濕度、降水量呈極顯著正相關(guān)，與蒸發(fā)量、年均溫、日照時(shí)數(shù)、干燥度等呈極顯著負(fù)相關(guān)。黏粒含量與相對(duì)濕度顯著正相關(guān)，與風(fēng)速極顯著負(fù)相關(guān)。對(duì)于土壤B層，砂粒含量只與風(fēng)速無(wú)顯著相關(guān)性，與蒸發(fā)量、日照時(shí)數(shù)、年均溫和≥10 ℃積溫平均值及天數(shù)呈極顯著正相關(guān)性，與相對(duì)濕度、降水量呈極顯著負(fù)相關(guān)，與海拔呈顯著負(fù)相關(guān)，粉粒均值含量與海拔、降水量和相對(duì)濕度呈極顯著正相關(guān)，與蒸發(fā)量、年均溫、日照時(shí)數(shù)、干燥度等呈極顯著負(fù)相關(guān)。黏粒含量同A層相似，與風(fēng)速呈極顯著負(fù)相關(guān)，與蒸發(fā)量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。

一般情況下，土壤顆粒組成與海拔、氣象因素具有相關(guān)性，為明確海拔氣象因素相關(guān)性的綜合影響，對(duì)海拔與氣象因素進(jìn)行了主成分提取，結(jié)果見(jiàn)表9。

由表9可見(jiàn)，按照以特征值＞1的要求，共提取出兩個(gè)主成分，第一主成分的貢獻(xiàn)率為75.88%，第二主成分的貢獻(xiàn)率為20.07%。

由表10可知，第一主成分對(duì)應(yīng)各性狀載荷系數(shù)絕對(duì)值從大到小順序分別為年≥10 ℃的平均天數(shù)、降水量、年均溫、年≥10 ℃積溫平均值、干燥度、海拔、年日照時(shí)數(shù)、蒸發(fā)量、相對(duì)濕度和風(fēng)速，其中，年≥10 ℃積溫平均值、年均溫、年≥10 ℃的平均天數(shù)、年日照時(shí)數(shù)等為直接的熱量特征因素，干燥度、蒸發(fā)量、海拔、降水量等也與熱量特征有著密切關(guān)系，因此第一主成分可以認(rèn)為是熱量因子，成分得分值越高，熱量條件越好；第二主成分的貢獻(xiàn)率為20.07%，載荷系數(shù)絕對(duì)值從大到小分別為相對(duì)濕度、風(fēng)速、蒸發(fā)量、海拔、年日照時(shí)數(shù)、年均溫、年≥10 ℃的積溫平均值、降水量、年≥10 ℃的平均天數(shù)和干燥度。其中，風(fēng)速和相對(duì)濕度的絕對(duì)值大于第一主成分，屬于第二主成分，根據(jù)FAO56 Penman-Monteith公式可知，風(fēng)速是影響蒸散量的動(dòng)力學(xué)因素，也就直接影響了相對(duì)濕度，故第二主成分可以認(rèn)為是風(fēng)速因子，分值越高，風(fēng)速越大。綜合前2個(gè)指標(biāo)，累計(jì)貢獻(xiàn)率為95.95%。其余可忽略不計(jì)。這樣一來(lái)便可以將10個(gè)指標(biāo)轉(zhuǎn)換為2個(gè)新的能代表原指標(biāo)絕大部分信息的綜合指標(biāo)。將10個(gè)指標(biāo)按照公式轉(zhuǎn)換為兩個(gè)指標(biāo)后，與A層和B層的土壤顆粒組成進(jìn)行相關(guān)性分析（表11）。

表9 寧夏土壤顆粒組成與海拔和氣象因素的主成分分析

表10 寧夏海拔和氣象因素的成分矩陣

由表11可知，A層和B層各顆粒組成的影響因素并不相同，砂粒含量表現(xiàn)為：A層砂粒含量與熱量因素呈極顯著正相關(guān)，與風(fēng)速因素呈顯著正相關(guān)，而B(niǎo)層砂粒含量則與風(fēng)速呈極顯著負(fù)相關(guān)；粉粒含量表現(xiàn)為：A層與熱量因素呈極顯著負(fù)相關(guān)，而B(niǎo)層則與風(fēng)速因素呈極顯著正相關(guān)；黏粒含量表現(xiàn)為：A層黏粒含量與風(fēng)速因素呈極顯著負(fù)相關(guān)，而B(niǎo)層則與熱量因素呈極顯著正相關(guān)。

可見(jiàn)，對(duì)于A層，熱量是引起地表風(fēng)化的重要因素，特別是物理風(fēng)化的主導(dǎo)因素，砂粒主要源于物理風(fēng)化。熱量越豐富，砂粒含量越高，粉粒含量越低。黏粒含量則主要受到風(fēng)速的影響，風(fēng)速越大黏粒含量越低。對(duì)于土壤B層，隨著土壤深度增加，氣候?qū)︻w粒組成的影響發(fā)生改變，表現(xiàn)為熱量因素只與黏粒含量呈極顯著正相關(guān)，風(fēng)速因素與砂粒和粉粒含量呈極顯著相關(guān)。

表11 熱量和風(fēng)速因素對(duì)寧夏土壤顆粒組成的相關(guān)性分析

2.4 寧夏土壤的顆粒組成分析

根據(jù)土族顆粒大小級(jí)別的檢索標(biāo)準(zhǔn)[56]，在調(diào)查的114個(gè)單個(gè)土體中共得到11種顆粒大小級(jí)別，按出現(xiàn)頻率由高到低依次為：壤質(zhì)（53）、黏壤質(zhì)（22）、砂質(zhì)（19）、粗骨質(zhì)（7）、黏質(zhì)（5）、壤質(zhì)蓋粗骨質(zhì)（2）、粗骨砂質(zhì)（2）、黏壤質(zhì)蓋粗骨質(zhì)（1）、黏壤質(zhì)蓋粗骨黏壤質(zhì)（1）、砂質(zhì)蓋黏質(zhì)（1）、粗骨壤質(zhì)（1）。壤質(zhì)、黏壤質(zhì)和砂質(zhì)占了82.5%，是寧夏土壤顆粒大小級(jí)別與替代類型中最主要的類型。

3 討論

3.1 成土環(huán)境對(duì)土壤質(zhì)地的影響力

土壤的顆粒組成在多個(gè)因素的共同作用下，不同地區(qū)存在顯著性差異。為明確各個(gè)變量在對(duì)土壤顆粒組成方面影響的強(qiáng)弱關(guān)系。對(duì)土壤母質(zhì)、土壤、地貌、小地形，土地利用5個(gè)類型變量和海拔及氣象因素的兩個(gè)主成分（熱量和風(fēng)速）進(jìn)行二階聚類分析。設(shè)定相關(guān)參數(shù)如下：連續(xù)變量選擇熱量因素，風(fēng)速因素；分類變量選擇土壤母質(zhì)類型、土壤類型、地貌類型、小地形類型和土地利用類型；距離度量采用對(duì)數(shù)相似性進(jìn)行聚類；對(duì)連續(xù)變量先進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，采用施瓦茲貝葉斯準(zhǔn)則（BIC）[57]，系統(tǒng)自動(dòng)決定最優(yōu)聚類數(shù)量，結(jié)果得到二階聚類的平均Silhouette值為0.4，聚類質(zhì)量良好，聚類為2類。同時(shí)根據(jù)二階聚類變量重要性預(yù)測(cè)得到各個(gè)變量的重要性（圖4）。

由圖4可以看出，各類型變量對(duì)土壤顆粒組成影響的重要性從高到低依次為地貌類型、土壤母質(zhì)類型、熱量因素、土壤類型、小地形、土地利用類型和風(fēng)速因素，即地貌類型對(duì)土壤顆粒組成的影響最大，母質(zhì)類型土次之，風(fēng)速因素的影響最小。

圖4 寧夏土壤顆粒組成影響因素變量重要性預(yù)測(cè)

3.2 土壤顆粒組成與土壤黏化層的關(guān)系

黏化層由黏粒黏化過(guò)程形成，黏化過(guò)程分為殘積黏化和淀積黏化。殘積黏化多發(fā)生于半濕潤(rùn)和半干旱地區(qū)的土壤中，特點(diǎn)是顆粒組成只表現(xiàn)為由粗到細(xì)，黏粒膠膜不多，黏化層厚度隨著土壤的濕度增加而增加；淀積黏化則多發(fā)生在濕潤(rùn)地區(qū)的土壤中，有明顯的黏粒膠膜，其主要判定依據(jù)是：在巖性連續(xù)的前提下能否觀察到黏粒膠膜及上下層土體的黏粒比[39]。在調(diào)查的剖面中共有26個(gè)剖面黏粒含量比符合黏化層的要求，其中沙坡頭區(qū)香山鄉(xiāng)李家水村剖面，處于丘陵低丘的坡中部，B/A層黏粒比=1.46，土壤顏色偏紅，但沒(méi)有觀察到黏粒膠膜，當(dāng)?shù)氐慕邓繛?03 mm，干燥度為3.65，植被覆蓋度50%，很難發(fā)生黏粒淋溶淀積，應(yīng)該是屬于很久以前的殘積黏化作用形成的。原州區(qū)馬東山林場(chǎng)剖面，在腐殖質(zhì)層與母質(zhì)層之間的過(guò)渡層上發(fā)現(xiàn)了黏化層，B/A層黏粒比=1.38，采樣點(diǎn)位于山地的坡下部，土地利用類型主要為林地，年降水量為438 mm，干燥度為2.39，植被覆蓋度90%，有模糊的黏粒膠膜，土體發(fā)生了一定的淋溶淀積過(guò)程。剩余的24個(gè)剖面中，13個(gè)剖面為河流沖積物母質(zhì)，土體上無(wú)0.5 mm以上的黏粒膠膜，不是黏化層；另外11個(gè)剖面的成土母質(zhì)為均一的黃土母質(zhì)，土體中也不存在黏粒膠膜，可能由于剖面點(diǎn)的氣候干旱、植被覆蓋度低，風(fēng)速大而導(dǎo)致表層黏粒被吹走而造成B/A層黏粒比≥1.2。因此也不是黏化層。綜上，寧夏地區(qū)氣候干旱少雨，能夠發(fā)生殘積黏化和淋溶淀積的地方很少，黏化層不可能廣泛存在。

3.3 土壤顆粒組成與土壤灌於表層的關(guān)系

灌於表層是指長(zhǎng)期引用富含泥沙的渾水灌溉，造成水中泥沙逐漸淤積，在施肥、耕作等交迭作用的影響下，淤積層理被破壞乃至消失，整個(gè)土層在顏色、質(zhì)地、結(jié)構(gòu)和結(jié)持性等方面呈現(xiàn)均一的特點(diǎn)[58-59]。但由表4灌於土顆粒組成可知，本次調(diào)查中所鑒定得到的灌於表層質(zhì)地存在不均一的情況，對(duì)本次調(diào)查中的12個(gè)灌於土的質(zhì)地進(jìn)行校對(duì)，其中平羅縣城關(guān)鎮(zhèn)星火村六隊(duì)剖面灌於表層（0—40 cm）為黏土（黏粒含量408 g·kg-1）、40—65 cm土層（黏粒含量264 g·kg-1）為壤土；賀蘭縣西崗鎮(zhèn)五星村五隊(duì)剖面，灌於表層0—25 cm為粉黏壤土（黏粒含量353 g·kg-1）、25—40 cm土層為粉壤土（黏粒含量233 g·kg-1）、40—80 cm土層為壤土（黏粒含量199 g·kg-1）。顯然，由于耕作導(dǎo)致耕作層的黏粒含量顯著增加，使得在灌於層內(nèi)產(chǎn)生了明顯的質(zhì)地分異，而且灌溉河水的泥沙顆粒組成也有一定的變化，也將反映到灌於層的顆粒組成上。從而出現(xiàn)了灌於表層與傳統(tǒng)的灌於表層定義有差異的情況，因此建議考慮適當(dāng)修改有關(guān)灌於表層定義，參考顆粒大小級(jí)別[56]，將“質(zhì)地呈現(xiàn)為均一”修改為“沒(méi)有強(qiáng)對(duì)比顆粒大小”。

4 結(jié)論

4.1 寧夏砂粒、粉粒和黏粒含量分別為2.4%—97.2%、0.8%—86.0%和0.7%—49.5%，平均值分別為34.9%、49.6%和15.5%；土壤質(zhì)地主要以粉壤土（占46.5%）、砂壤土（占17.6%）和壤土（占13.3%）為主，土壤質(zhì)地類型變異的主要原因是砂粒和粉粒的相對(duì)含量的變化。

4.2 各個(gè)因素對(duì)土壤顆粒組成均有不同程度的影響，按重要性從大到小順序依次為地貌類型、母質(zhì)類型、熱量、土壤類型、小地形、土地利用類型和風(fēng)速。各個(gè)因素中地貌對(duì)土壤顆粒組成的影響最大，母質(zhì)類型次之，風(fēng)速的影響最小。

4.3 寧夏土壤控制層段的顆粒大小按出現(xiàn)頻率由高到低依次為：壤質(zhì)（53）、黏壤質(zhì)（22）、砂質(zhì)（19）、粗骨質(zhì)（7）、黏質(zhì)（5）、粗骨砂質(zhì)（2）、壤質(zhì)蓋粗骨質(zhì)（2）、黏壤質(zhì)蓋粗骨質(zhì)（2）、砂質(zhì)蓋黏質(zhì)（1）、砂質(zhì)蓋粗骨質(zhì)（1）、粗骨壤質(zhì)（1）。

4.4 寧夏能夠發(fā)生殘積黏化和淋溶淀積的地方很少，黏化層不可能廣泛存在，在調(diào)查的114個(gè)剖面中共有26個(gè)剖面的B/A黏粒含量比符合黏化層的要求，但僅有兩個(gè)為黏化層，且其中一個(gè)為很早以前形成。

4.5 在調(diào)查鑒定得到的12個(gè)灌於表層中，耕作以及灌溉河水等原因?qū)е鹿囔秾觾?nèi)產(chǎn)生了明顯的質(zhì)地分異。

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Analysis of the Characteristics and Influencing Factors of Soil Particle Composition in Ningxia

ZHOU Lei1, QU XiaoLin2, ZHOU Tao3, MA ChangBao2, LI JianBing2, LONG HuaiYu1, XU AiGuo1, ZHANG RenLian1, LI Ge4

1State Key Laboratory of Efficient Utilization of Arid and Semi-arid Arable Land in Northern China (the Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences), Beijing 100081;2Cultivated Land Quality Monitoring and Protection Center, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Beijing 100125;3Institute of Agricultural Resources and Environment, Ningxia Academy of Agriculture and Forestry Sciences, Yinchuan 750002;4Institute of Farmland Irrigation, Chinese Academy of Agricultural Sciences/Key Laboratory of Crop Water Use and Regulation, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Xinxiang 453002, Henan

【Objective】The aim of this study was to clarify the characteristics and influencing factors of soil particle composition in Ningxia, so as to provide the scientific reference for local land use and agricultural production planning.【Method】Based on the soil particle composition test data at 114 sites in Ningxia, the effects of environmental factors on soil particle composition, the statistical characteristics of soil particle composition, soil texture type, particle size of soil control layer, and the spatial distribution characteristics of soil particle composition were studied.【Result】(1) The content of sand, silt and clay in Ningxia soil were 2.4%-97.2%, 0.8%-86.0% and 0.7%-43.3%, respectively, and the average content were 34.9%, 49.6% and 15.5%, respectively; Soil texture was mainly composed of silty loam (46.5%), sandy loam (17.6%) and loam (13.3%), and the variation of soil texture types was mainly attributed to the change of sand and silt content. (2) A number of environmental factors jointly affect the soil particle composition in Ningxia, and the influential factors were geomorphic factors, parental material type factors, small topographic factors, thermal factors, soil type factors, land use type factors and wind speed factors in turn from large to small. (3) There were 11 types of particle sizes in the control interval, among which loamy (46.5%), clay (19.3%) and sandy (16.7%) were the main ones. (4) It was difficult to develop argic horizon in Ningxia. Among 114 sections, 26 clay particles were consistent with cohesive layer, but only 2 were exact argic horizon. (5) Siltigic epipedon of Ningxia produced obvious texture differentation. 【Conclusion】The soil particle composition in Ningxia was mainly sand and silt, while landform and parental material were the most important factors affecting the particle composition.

soil particle composition; factor analysis; soil texture; diagnosis of argic horizon; siltigic epipedon; Ningxia

2022-11-21；

2022-12-31

第三次新疆綜合科學(xué)考察項(xiàng)目-塔里木河流域土地開(kāi)發(fā)與農(nóng)業(yè)資源調(diào)查（2021xjkk0200）、科技基礎(chǔ)性工作專項(xiàng)項(xiàng)目（2014FY110200A07）、寧夏耕地可持續(xù)利用與農(nóng)田生產(chǎn)力提升技術(shù)研究與示范項(xiàng)目

周雷，E-mail：zhoulei12312311@163.com。通信作者龍懷玉，E-mail：longhuaiyu@caas.cn

（責(zé)任編輯 李云霞）