宁夏土壤颗粒组成特点及其影响因素分析

2023-11-18周雷曲潇琳周涛马常宝李建兵龙怀玉徐爱国张认连李格

中国农业科学 2023年21期

周雷，曲潇琳，周涛，马常宝，李建兵，龙怀玉，徐爱国，张认连，李格

宁夏土壤颗粒组成特点及其影响因素分析

周雷1，曲潇琳2，周涛3，马常宝2，李建兵2，龙怀玉1，徐爱国1，张认连1，李格4

1北方干旱半干旱耕地高效利用全国重点实验室（中国农业科学院农业资源与农业区划研究所），北京 100081；2农业农村部耕地质量监测保护中心，北京 100125；3宁夏农林科学院农业资源与环境研究所，银川 750002；4中国农业科学院农田灌溉研究所/农业农村部作物需水与调控重点实验室，河南新乡 453002

【目的】明确宁夏地区土壤颗粒组成的特点及其影响因素，从而为当地的土地利用、农业生产规划等提供科学参考。【方法】根据114个点位的土壤颗粒组成测试数据，研究宁夏地区环境因素对土壤颗粒组成的影响，土壤颗粒组成、土壤质地类型、土壤控制层段颗粒大小的统计学特征，以及土壤颗粒组成的空间分布特征。【结果】（1）宁夏土壤的颗粒组成以砂粒和粉粒为主，土壤砂粒、粉粒和黏粒含量分别为2.4%—97.2%、0.8%—86.0%和0.7%—43.3%，平均含量分别为34.9%、49.6%和15.5%；土壤质地主要以粉壤土（占46.5%）、砂壤土（占17.6%）和壤土（占13.3%）为主，土壤质地类型的变异主要归因于砂粒和粉粒含量的变化。（2）多个环境因素共同影响了宁夏地区土壤颗粒组成，影响力从大到小依次为地貌、母质、小地形、热量、土壤类型、土地利用类型和风速。（3）控制层段的颗粒大小有11种类型，以壤质（占46.5%）、黏壤质（占19.3%）、砂质（占16.7%）为主。（4）宁夏地区很难发育出黏化层，在114个剖面中有26个黏粒含量符合黏化层，但只有2个是确切的黏化层。（5）宁夏灌於表层产生了明显的质地分异。【结论】宁夏土壤颗粒组成以砂粒和粉粒为主，地貌和母质是影响土壤颗粒组成的最主要因素。

土壤颗粒组成；因素分析；土壤质地；黏化层诊断；灌淤表层；宁夏

0 引言

【研究意义】土壤颗粒组成作为构成土体的基础骨架，是土壤重要的物理特性之一[1]，对土壤结构[2]、土壤水力特性[3]、土壤养分含量[4-6]、土壤保温导温[7-8]、土壤耕作性能以及土壤的抗侵蚀性[9-11]等具有很重要的影响，还可以反映土壤成土过程的某些特征[12]。因此，土壤颗粒组成的特点及影响因素的研究对于土地利用规划、农业生产布局[13-15]、土壤分类等具有重要的实用价值，对土壤发生形成、环境演变、气候变迁等[16-17]方面具有重要的理论价值。【前人研究进展】基于土壤颗粒组成的重要性，国内外众多学者从不同尺度对不同地区土壤颗粒组成进行了深入的研究。李晓佳[18]研究大青山表层土壤颗粒组成发现该区土壤颗粒以细砂粒和粗砂粒为主，黏粒含量最小，粗化度较大。随海拔的变化南北坡各粒级土壤颗粒含量的变化趋势及强弱是不同的。LIU等[19]通过采用随机森林模型预测了青藏高原的土壤质地，结果表明该区的土壤颗粒以砂粒为主，气候和NDVI值是影响整个地区土壤质地空间分布的最重要因素。汪建中等[20]研究赣东地区主要土壤类型表层土壤颗粒组成特点时发现，红壤表层土壤颗粒组成以黏粒和粉砂粒为主，而黄壤和山地草甸土则是砾石、粗砂粒较多。3种土壤的颗粒组成与海拔均具有显著相关性，海拔与砂粒含量呈显著正相关，与黏粒含量呈显著负相关。田积莹等[21]和张孝中[22]对黄土高原土壤颗粒组成进行研究时发现，黄土高原颗粒分布呈现出由西向东、由北向南渐变分布的规律。刘付程等[23]在地统计学和GIS的支持下，发现苏南典型地区耕层不同粒径土壤颗粒在较大范围内存在着空间相关性，整体反映了河湖沉积物母质的特点，土壤颗粒组成以粉粒为主。各类型颗粒含量都呈现出由南向北渐变分布的特点。曹媛等[24]采用经典统计学和地质统计学相结合的方法研究发现宁夏中部干旱带区域天然草地砂粒含量北部最大，由北向南逐渐减少，粉粒含量以西北和东南较高，黏粒含量以西南部最高，土壤颗粒含量主要由水蚀和风蚀等结构性因素决定。贺静等[25]发现锡尔河流域哈萨克斯坦境内农田0—20 cm土层土壤以0.25—0.05和0.05—0.01 mm颗粒为主，随机性因素是导致土壤颗粒空间异质性的主要因素。梁燕菲等[26]采用简易比重计分析了黔中喀斯特地区土壤剖面颗粒组成特点，发现黄壤剖面颗粒组成以黏粒为主，从而导致土壤透水性差，石灰土剖面以细砂粒和粉粒为主，水稻土剖面以粉粒和细砂粒为主。REZA等[27]对印度东北部特里普拉粒径分布、土壤含水量水平和垂直变异的地理空间分析发现，土壤含水量的空间分布与砂粒和黏粒含量分布规律密切相关。WANG等[28]发现青藏高原北部高寒草地土壤粒度分布的多重分析维数可以用来表征高寒地区土壤的可蚀性和肥力特征。申哲等[29]、DA SILVA CHAGAS等[30]和LIU等[31]采用随机森林等方法分别对宁夏海原黄土区、巴伊亚州胡亚塞罗市部分地区和江苏平原的土壤颗粒组成进行了预测，结果均表明随机森林是预测的最佳方法。同时在对宁夏海原黄土区颗粒组成预测发现，海拔和土壤类型与土壤颗粒组成的相关性较强。FORKUOR等[32]通过调查高空间分辨率卫星数据、地形和气候数据以及实验室分析的土壤样本绘制了布基纳法索西南部农业流域土壤颗粒组成等的空间分布图。【本研究切入点】前人的大量研究表明土壤颗粒的组成由于受到气候、地形、母质和植被等因素的影响而呈现有规律性的分布，并且在不同区域表现出较大的差异，而且通过分析土壤颗粒组成影响因素及空间分布可以反演环境演变等科学问题。宁夏地区地貌多样，中北部的引黄灌区更是自古以来就有着“塞上江南”的美誉，但迄今为止，尚无关于整个宁夏土壤颗粒组成及其影响因素分析方面的系统报道，对当地的土地利用、农业生产规划等造成了不利影响。【拟解决的关键问题】本研究在综合考虑土壤类型、土地利用类型、土壤母质类型、地形地貌、土壤温度、土壤水分条件等环境要素以及空间代表性情况下，在全区域范围内布设114个样点，根据发生学层次分层取样测试土壤颗粒组成，从而分析宁夏地区土壤颗粒组成、土壤质地类型、土壤控制层段颗粒大小的空间分布特征，以及环境因素对土壤颗粒组成的影响。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

宁夏回族自治区介于35°14′—39°23′ N，104°16′— 107°33′ E之间的南北方向狭长地带，地处我国西北干旱区，属于典型的温带大陆性气候，干旱少雨，蒸发强烈，风大沙多。年均气温6—9 ℃，北高南低。年均降水量190—400 mm，主要集中在夏季，受地理纬度和地形的影响南高北低，干燥度介于0.9— 9.0[33]，气候受地理纬度和地形因素的影响较大[34]。干旱和盐碱等问题成为制约宁夏农业生产的重要因素。宁夏海拔1 092—2 942 m，地势呈南高北低的分布特点，地貌类型总体上南部为黄土高原，中部为山地、缓坡丘陵和中海拔风蚀地貌，北部为黄河冲积平原。成土母质类型多样，按成因可划分为残积、坡积、红土、黄土、风积、洪积、冲积、灌水淤积物和湖积物9类。主要植被为干旱草原、荒漠草原和草甸，且随气候条件呈现一定的过渡特征。土壤pH 6.2— 10.0，绝大部分土壤呈碱性或偏碱性。

1.2 样品采集与分析

2014—2018年，按照目的性采样和传统采样的方法[35]，布设114个剖面样点（图1）。即选择与土壤类型具有协同变化的地形地貌、成土母质、土壤水分、土壤温度等环境因子进行模糊聚类，计算出环境代表性，进一步结合行政区划形成预布设样点，野外调查时，在预布设样点1 km2范围踏勘，确定最后采样点，确保样点的选取具有最大的环境代表性和空间代表性。野外调查时利用GPS进行样点定位，按照野外调查手册挖掘剖面，根据发生学层次分层自下而上采集土壤样品供测定，记录各个样点的经纬度、海拔、土壤母质类型、土壤类型、地貌类型、小地形类型、土地利用类型等信息。采用吸管法测定颗粒组成[36]，共有301个数据，粒级划分采用美国制（砂粒2—0.05 mm，粉粒0.05—0.002 mm，黏粒＜0.002 mm）。

图1 宁夏土壤样点及海拔分布图

1.3 辅助变量来源及数据处理

气候数据来自中国国际气象数据网（https://data. cma.cn/），基于地理信息系统的多元回归分析方法，以经纬度及海拔数据作为预测因子，获取每个样点的蒸发量、年均温、日照时数、相对湿度、降水量、干燥度、年≥10 ℃的平均天数，年≥10 ℃积温平均值和风速等因素。

利用Microsoft Excel 2013进行土壤颗粒组成数据的预处理，并查询各土壤样品所对应的土壤质地[37]，利用Origin 2021绘制土壤样品颗粒组成三角图（图2）；利用IBM Statistics SPSS25.0对土壤样品各颗粒组成的测试结果进行经典统计分析和方差分析。

2 结果

2.1 土壤颗粒组成的统计特征

表1是对表层（A）和表下层（B）土壤样品颗粒组成数据的描述性统计分析、正态分布检验以及Kolmogorov-Smirnov（K-S）法[38]检验的结果，从中可知A、B层土壤中砂粒、粉粒和黏粒Kolmogorov- Smirnov检验的P值均大于0.05，通过了K-S正态分布检验，服从正态分布。A层土壤样本中砂粒、粉粒和黏粒的占比均值分别为40.3%、46.0%和13.8%，变异系数分别为60.2%、41.8%和72.4%，粉粒的均值含量最高，变异系数最小，A层土壤样本的颗粒组成以粉粒为主且含量较为稳定。B层土壤样本中砂粒、粉粒和黏粒的均值分别是34.3%、50.3%、15.4%，砂粒的含量较A层有所降低，而粉粒和黏粒的均值含量则均有增加。表下层（B层）砂粒、粉粒和黏粒含量的变异系数依次是61.0%、34.2%、59.8%，砂粒的变异系数略有提高，粉粒和黏粒的变异系数相对于表层A变异程度有所降低。与A层相比，B层砂粒含量均值降低，粉粒和黏粒含量均值增加，呈现细化的趋势。黏粒均值含量B层最大（15.4%）且B/A层的黏粒均值含量比为（1.12）接近1.2，是黏化层鉴定的重要依据之一[39]，表明可能存在黏化层。若按CV＜10%划分为弱变异，10%＜CV＜100%划分为中等变异[40]，总的来看A层和B层的各颗粒组成含量均属于中等强度的变异。

根据测试数据，301个分层样品的土壤质地以粉壤土（占46.5%）和砂壤土（占17.6%）为主。从土壤颗粒组成三角图（图2）中可知，在全部分层样品中砂粒含量在2.4%—97.2%，平均值为34.9%；粉粒含量在0.8%—86.0%，平均值为49.6%；黏粒含量在0.7%—49.5%，平均值为15.5%。由此分析，砂粒和粉粒（占84.5%）的含量是影响土壤质地变异的主要因素。

图2 宁夏土壤颗粒组成三角图

表1 宁夏土壤颗粒组成的统计值特征

2.2 土壤颗粒组成的空间分布特征

从表1可看出，A、B层土壤中砂粒、粉粒和黏粒Kolmogorov-Smirnov检验的P值均大于0.05，通过了K-S正态分布检验，服从正态分布。可以对A、B层砂粒、粉粒和黏粒含量进行普通克里格插值分析[41-43]，进行宁夏地区土壤颗粒组成空间预测。相关参数见表2，其中空间相关度为0.37—0.80，表明宁夏土壤颗粒组成具有中等的空间相关性。

由图3可知，土壤颗粒组成表现出很好的空间变化趋势，与曹媛等[24]、申哲等[29]研究结果相同。对于A层，土壤砂粒含量分布总体表现为从东到西、从北到南土壤含砂量逐渐升高，以西南部砂粒含量最高。粉粒含量主要表现为自东向西逐渐减少，东南部粉粒含量最高，西南部粉粒含量最低。黏粒含量则与砂粒含量相反，为自东向西、自北向南黏粒含量逐渐减少，以北部黏粒含量最高。西南部黏粒含量最低。对于B层，土壤砂粒含量总体与A层相似，砂粒含量表现为从东到西递增，但B层北部砂粒含量明显高于A层；粉粒的含量总体表现为最南部含量稍高之外，其余各地粉粒含量差异不大；黏粒的含量分布总体表现为从西向东呈递增的趋势，其中以宁夏最北部和中部偏东最高。宁夏地形整体为从南向北倾斜，南部主要为丘陵和山地，地势较高，中部为台地及丘陵，北部为黄河冲积平原，地势较低。可见颗粒的分布随着地形变化呈现出较明显的规律性分布。

图3 SLR-OK 预测宁夏土壤颗粒组成空间分布图

表2 普通克里金预测颗粒组成空间半方差函数理论模型及其相关参数

2.3 环境条件对土壤颗粒组成的影响

土壤的颗粒组成与分布受到土壤发生、形成、迁移、沉积、风化和分解等物理化学过程的影响。本文剖面调查资料中有土壤母质类型、土壤类型、地貌类型、小地形类型、土地利用类型、海拔和气象因素（气温、降雨、风速等）的记录，有条件分析它们对土壤颗粒组成的影响。

2.3.1 不同母质类型间颗粒组成的差异宁夏大部分地区土壤的矿物质含量达98%以上[34]，土壤母质作为形成土壤的物质基础，与土壤颗粒组成关系密切[44-45]。宁夏地区土壤母质类型有残积、坡积、风积、冲积、黄土、红土、洪积、湖积物和灌淤物9类。由于部分土壤母质发育的代表性剖面数量较少，因此将母质来源或成因相近的代表性剖面划分为一类，将土壤样本分为4组，依次是黄土母质组（包括风积黄土、冲积黄土），水运积母质组（包括除冲积黄土以外的冲积物、洪积物），坡、残积母质（包括坡积物、残积物）组以及灌淤母质组。其中，湖积母质为水运积母质中静水沉积而成，但由于只有一个且颗粒组成与冲积、洪积母质类似，将其归为水运积母质组。灌淤母质发育的典型灌淤土样点虽然数目不多，但其是宁夏引黄灌区有特色的典型高产土壤，因此将该类型单独做一组，而红土母质组仅1个，不予考虑。参见表3。

由表3可知，对于A层，灌於母质组的砂粒含量显著低于其余3组，黏粒含量显著高于其余3组，粉粒含量均表现为灌於母质组显著高于水运积母质组，黄土、水运积和坡、残积母质组的颗粒组成无显著差异。对于B层，和A层相似，灌於母质组的砂粒含量显著低于水运积母质组，黏粒含量显著高于其余3组，黄土、水运积和坡、残积母质组的颗粒组成也无显著性差异。水运积母质组的黏粒均值含量比B/A=1.31＞1.2，存在淀积黏化作用或者多源母质的可能。灌於母质组质地B层比A层略粗。

2.3.2 不同土壤类型间颗粒组成的差异第二次全国土壤普查时期将宁夏地区土壤划分为17个地理发生土类，按分布面积大小主要有灰钙土、黄绵土、灌於土、灰褐土、潮土、黑垆土、风沙土、盐土等类型[14]。根据宁夏土系调查采集的典型剖面，选取代表性剖面个数较多的灰钙土、黄绵土、灌於土、灰褐土、潮土、黑垆土、风沙土和盐土8种土壤类型（表4），进行不同土壤类型的颗粒组成含量的差异分析。对于典型剖面个数较少的其他土壤类型，暂不研究。

由表4可知，对于土壤A层，砂粒含量风沙土最高、灰钙土次之，均显著高于其余土壤类型，粉粒和黏粒含量则显著低于其余类型，黄绵土、灰褐土、潮土、黑垆土和盐土的颗粒组成均值含量无显著差异。灌於土的黏粒含量显著高于其他土壤类型。对于土壤B层，风沙土的砂粒含量显著高于其余土壤类型，灌於土显著低于其余土壤类型。黏粒含量灌於土显著高于其余组，黑垆土和风沙土的黏粒平均含量最低，且无显著性差异。灰钙土、黑垆土和风沙土B层的颗粒组成较A层变化剧烈；而黄绵土、潮土和盐土的颗粒组成无明显变化。

表3 宁夏不同土壤母质类型间土壤样本各颗粒组成的差异分析

数据后不同小写字母表示差异达0.05显著水平。下同

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

表4 宁夏不同土壤类型间颗粒组成的差异分析

综上，不同土壤类型之间的土壤颗粒组成具有显著性差异，且土壤A层的各粒级含量差异大于B层。

2.3.3 不同地貌类型间土壤颗粒组成的差异根据野外剖面描述时记载的剖面点环境信息，将地形条件划分为4组，分别为平原组、丘陵组、山地组、风蚀地貌组，各组的砂粒、粉粒和黏粒含量见表5。

由表5分析可知，对于土壤A层，平原和山地组土壤的颗粒组成均以粉粒为主，丘陵和风蚀地貌的土壤主要以砂粒为主，且砂粒含量显著高于山地组。山地组的粉粒含量显著高于风蚀地貌组。丘陵组的黏粒含量显著低于平原组。对于土壤B层，颗粒组成和A层相似，但风蚀地貌组的砂粒含量显著降低至与平原、山地和丘陵组无显著性差异。表现为丘陵组的砂粒含量显著高于山地和平原组。粉粒含量显著低于山地组。在同一地形条件下，平原组、丘陵组和山地组由于植被覆盖度高等原因所受风力等影响弱，A层和B层的颗粒组成无显著变化；而风蚀地貌组则受到风力影响较大，A层的砂粒含量显著高于B层。为了进一步比较地形地貌对土壤颗粒组成的影响，按照小地形特点将土壤样本划分为平地和坡地两组（表6）。

表5 宁夏不同地貌下土壤颗粒组成的差异分析

表6 宁夏不同小地形类型间土壤颗粒组成的差异分析

从表6可知，由于水热条件分布的差异，坡地的土壤颗粒组成较粗[46-47]，研究区不论是A层，还是B层，坡地组的砂粒含量均稍高于平地组，黏粒含量低于平地组，但土壤颗粒组成并无显著差异，小地形对宁夏土壤颗粒组成无显著影响。

2.3.4 不同土地利用类型间颗粒组成的差异根据剖面野外记载，将土地利用方式划分为三类，依次是耕地、荒地和林地（表7），耕地组包括粮食用地、蔬菜用地和经济作物用地等，将畜牧业用地等划归荒地，其他不做具体区分。

从表7可知，不论A层或B层，3种利用方式下的砂粒和粉粒含量无显著性差异，但耕地黏粒含量显著高于荒地，与林地却无显著性差异，与杨婷[48]，张海廷[49]等结论不同。说明该地区土壤利用程度不强。3种不同土地利用方式下土壤的颗粒组成只有黏粒含量存在显著性差异，且耕地的黏粒含量最高。可见，在宁夏地区人为耕作对土壤的颗粒组成有显著性的影响，人为耕作加速了土壤黏化过程，显著地或不显著地提高了黏粒含量，表现出了黏化趋势，但这种影响随着剖面深度增加而减弱，该结论也与颜安等结果一致[50]。

表7 宁夏不同土地利用类型下土壤样本各颗粒组成的差异分析

2.3.5 不同海拔和气象因素对颗粒组成的影响宁夏海拔范围大致介于1 092—2 942 m，平均海拔在1 500 m左右，海拔极差较大，气象因素也随之变化，地温、海拔、降水量、干燥度、风速和日照等因素对土壤形成发育等有重要影响[51-55]，宁夏地区土壤颗粒组成与气象因素的相关性分析结果见表8。

H：海拔，E：蒸发量，AT：年均温，SH：日照时数，RH：相对湿度，R：降水量，D：干燥度，AAD：年≥10 ℃的平均天数，AAT：年≥10 ℃积温平均值，WV：风速。*为相关性显著（＜0.05），**为相关性极显著（＜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，对于土壤A层，土壤砂粒含量与蒸发量、年均温、日照时数、相对湿度、降水量、年≥10 ℃的平均天数和积温有显著或极显著相关性，与干燥度和风速无显著相关。粉粒含量与风速无显著相关性，与相对湿度、降水量呈极显著正相关，与蒸发量、年均温、日照时数、干燥度等呈极显著负相关。黏粒含量与相对湿度显著正相关，与风速极显著负相关。对于土壤B层，砂粒含量只与风速无显著相关性，与蒸发量、日照时数、年均温和≥10 ℃积温平均值及天数呈极显著正相关性，与相对湿度、降水量呈极显著负相关，与海拔呈显著负相关，粉粒均值含量与海拔、降水量和相对湿度呈极显著正相关，与蒸发量、年均温、日照时数、干燥度等呈极显著负相关。黏粒含量同A层相似，与风速呈极显著负相关，与蒸发量呈显著负相关关系。

一般情况下，土壤颗粒组成与海拔、气象因素具有相关性，为明确海拔气象因素相关性的综合影响，对海拔与气象因素进行了主成分提取，结果见表9。

由表9可见，按照以特征值＞1的要求，共提取出两个主成分，第一主成分的贡献率为75.88%，第二主成分的贡献率为20.07%。

由表10可知，第一主成分对应各性状载荷系数绝对值从大到小顺序分别为年≥10 ℃的平均天数、降水量、年均温、年≥10 ℃积温平均值、干燥度、海拔、年日照时数、蒸发量、相对湿度和风速，其中，年≥10 ℃积温平均值、年均温、年≥10 ℃的平均天数、年日照时数等为直接的热量特征因素，干燥度、蒸发量、海拔、降水量等也与热量特征有着密切关系，因此第一主成分可以认为是热量因子，成分得分值越高，热量条件越好；第二主成分的贡献率为20.07%，载荷系数绝对值从大到小分别为相对湿度、风速、蒸发量、海拔、年日照时数、年均温、年≥10 ℃的积温平均值、降水量、年≥10 ℃的平均天数和干燥度。其中，风速和相对湿度的绝对值大于第一主成分，属于第二主成分，根据FAO56 Penman-Monteith公式可知，风速是影响蒸散量的动力学因素，也就直接影响了相对湿度，故第二主成分可以认为是风速因子，分值越高，风速越大。综合前2个指标，累计贡献率为95.95%。其余可忽略不计。这样一来便可以将10个指标转换为2个新的能代表原指标绝大部分信息的综合指标。将10个指标按照公式转换为两个指标后，与A层和B层的土壤颗粒组成进行相关性分析（表11）。

表9 宁夏土壤颗粒组成与海拔和气象因素的主成分分析

表10 宁夏海拔和气象因素的成分矩阵

由表11可知，A层和B层各颗粒组成的影响因素并不相同，砂粒含量表现为：A层砂粒含量与热量因素呈极显著正相关，与风速因素呈显著正相关，而B层砂粒含量则与风速呈极显著负相关；粉粒含量表现为：A层与热量因素呈极显著负相关，而B层则与风速因素呈极显著正相关；黏粒含量表现为：A层黏粒含量与风速因素呈极显著负相关，而B层则与热量因素呈极显著正相关。

可见，对于A层，热量是引起地表风化的重要因素，特别是物理风化的主导因素，砂粒主要源于物理风化。热量越丰富，砂粒含量越高，粉粒含量越低。黏粒含量则主要受到风速的影响，风速越大黏粒含量越低。对于土壤B层，随着土壤深度增加，气候对颗粒组成的影响发生改变，表现为热量因素只与黏粒含量呈极显著正相关，风速因素与砂粒和粉粒含量呈极显著相关。

表11 热量和风速因素对宁夏土壤颗粒组成的相关性分析

2.4 宁夏土壤的颗粒组成分析

根据土族颗粒大小级别的检索标准[56]，在调查的114个单个土体中共得到11种颗粒大小级别，按出现频率由高到低依次为：壤质（53）、黏壤质（22）、砂质（19）、粗骨质（7）、黏质（5）、壤质盖粗骨质（2）、粗骨砂质（2）、黏壤质盖粗骨质（1）、黏壤质盖粗骨黏壤质（1）、砂质盖黏质（1）、粗骨壤质（1）。壤质、黏壤质和砂质占了82.5%，是宁夏土壤颗粒大小级别与替代类型中最主要的类型。

3 讨论

3.1 成土环境对土壤质地的影响力

土壤的颗粒组成在多个因素的共同作用下，不同地区存在显著性差异。为明确各个变量在对土壤颗粒组成方面影响的强弱关系。对土壤母质、土壤、地貌、小地形，土地利用5个类型变量和海拔及气象因素的两个主成分（热量和风速）进行二阶聚类分析。设定相关参数如下：连续变量选择热量因素，风速因素；分类变量选择土壤母质类型、土壤类型、地貌类型、小地形类型和土地利用类型；距离度量采用对数相似性进行聚类；对连续变量先进行标准化处理，采用施瓦兹贝叶斯准则（BIC）[57]，系统自动决定最优聚类数量，结果得到二阶聚类的平均Silhouette值为0.4，聚类质量良好，聚类为2类。同时根据二阶聚类变量重要性预测得到各个变量的重要性（图4）。

由图4可以看出，各类型变量对土壤颗粒组成影响的重要性从高到低依次为地貌类型、土壤母质类型、热量因素、土壤类型、小地形、土地利用类型和风速因素，即地貌类型对土壤颗粒组成的影响最大，母质类型土次之，风速因素的影响最小。

图4 宁夏土壤颗粒组成影响因素变量重要性预测

3.2 土壤颗粒组成与土壤黏化层的关系

黏化层由黏粒黏化过程形成，黏化过程分为残积黏化和淀积黏化。残积黏化多发生于半湿润和半干旱地区的土壤中，特点是颗粒组成只表现为由粗到细，黏粒胶膜不多，黏化层厚度随着土壤的湿度增加而增加；淀积黏化则多发生在湿润地区的土壤中，有明显的黏粒胶膜，其主要判定依据是：在岩性连续的前提下能否观察到黏粒胶膜及上下层土体的黏粒比[39]。在调查的剖面中共有26个剖面黏粒含量比符合黏化层的要求，其中沙坡头区香山乡李家水村剖面，处于丘陵低丘的坡中部，B/A层黏粒比=1.46，土壤颜色偏红，但没有观察到黏粒胶膜，当地的降水量为303 mm，干燥度为3.65，植被覆盖度50%，很难发生黏粒淋溶淀积，应该是属于很久以前的残积黏化作用形成的。原州区马东山林场剖面，在腐殖质层与母质层之间的过渡层上发现了黏化层，B/A层黏粒比=1.38，采样点位于山地的坡下部，土地利用类型主要为林地，年降水量为438 mm，干燥度为2.39，植被覆盖度90%，有模糊的黏粒胶膜，土体发生了一定的淋溶淀积过程。剩余的24个剖面中，13个剖面为河流冲积物母质，土体上无0.5 mm以上的黏粒胶膜，不是黏化层；另外11个剖面的成土母质为均一的黄土母质，土体中也不存在黏粒胶膜，可能由于剖面点的气候干旱、植被覆盖度低，风速大而导致表层黏粒被吹走而造成B/A层黏粒比≥1.2。因此也不是黏化层。综上，宁夏地区气候干旱少雨，能够发生残积黏化和淋溶淀积的地方很少，黏化层不可能广泛存在。

3.3 土壤颗粒组成与土壤灌於表层的关系

灌於表层是指长期引用富含泥沙的浑水灌溉，造成水中泥沙逐渐淤积，在施肥、耕作等交迭作用的影响下，淤积层理被破坏乃至消失，整个土层在颜色、质地、结构和结持性等方面呈现均一的特点[58-59]。但由表4灌於土颗粒组成可知，本次调查中所鉴定得到的灌於表层质地存在不均一的情况，对本次调查中的12个灌於土的质地进行校对，其中平罗县城关镇星火村六队剖面灌於表层（0—40 cm）为黏土（黏粒含量408 g·kg-1）、40—65 cm土层（黏粒含量264 g·kg-1）为壤土；贺兰县西岗镇五星村五队剖面，灌於表层0—25 cm为粉黏壤土（黏粒含量353 g·kg-1）、25—40 cm土层为粉壤土（黏粒含量233 g·kg-1）、40—80 cm土层为壤土（黏粒含量199 g·kg-1）。显然，由于耕作导致耕作层的黏粒含量显著增加，使得在灌於层内产生了明显的质地分异，而且灌溉河水的泥沙颗粒组成也有一定的变化，也将反映到灌於层的颗粒组成上。从而出现了灌於表层与传统的灌於表层定义有差异的情况，因此建议考虑适当修改有关灌於表层定义，参考颗粒大小级别[56]，将“质地呈现为均一”修改为“没有强对比颗粒大小”。

4 结论

4.1 宁夏砂粒、粉粒和黏粒含量分别为2.4%—97.2%、0.8%—86.0%和0.7%—49.5%，平均值分别为34.9%、49.6%和15.5%；土壤质地主要以粉壤土（占46.5%）、砂壤土（占17.6%）和壤土（占13.3%）为主，土壤质地类型变异的主要原因是砂粒和粉粒的相对含量的变化。

4.2 各个因素对土壤颗粒组成均有不同程度的影响，按重要性从大到小顺序依次为地貌类型、母质类型、热量、土壤类型、小地形、土地利用类型和风速。各个因素中地貌对土壤颗粒组成的影响最大，母质类型次之，风速的影响最小。

4.3 宁夏土壤控制层段的颗粒大小按出现频率由高到低依次为：壤质（53）、黏壤质（22）、砂质（19）、粗骨质（7）、黏质（5）、粗骨砂质（2）、壤质盖粗骨质（2）、黏壤质盖粗骨质（2）、砂质盖黏质（1）、砂质盖粗骨质（1）、粗骨壤质（1）。

4.4 宁夏能够发生残积黏化和淋溶淀积的地方很少，黏化层不可能广泛存在，在调查的114个剖面中共有26个剖面的B/A黏粒含量比符合黏化层的要求，但仅有两个为黏化层，且其中一个为很早以前形成。

4.5 在调查鉴定得到的12个灌於表层中，耕作以及灌溉河水等原因导致灌於层内产生了明显的质地分异。

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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