ارزیابی حساسیّت اندازه‌های خاکدانه به فرسایش بین‌شیاری بر اساس شاخص‌های پایداری خاکدانه

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه خاکشناسی دانشکده کشاورزی دانشگاه زنجان

2 دانشجوی کارشناسی ارشد فیزیک و حفاظت خاک دانشگاه زنجان

3 کارشناسی ارشد فیزیک-حفاظت دانشگاه زنجان

چکیده

سابقه و هدف: پایداری خاکدانه یک شاخص فیزیکی مهم برای بیان حساسیّت خاک‌ها به فرسایش می‌باشد. بسته به اندازه‌ی خاکدانه، پایداری خاکدانه می‌تواند دچار تغییر شود. برخی روش‌ها شامل الک خشک، الک تر و رهاسازی قطره‌ی آب، به‌طور رایج برای ارزیابی پایداری خاکدانه‌ها در سراسر دنیا مورد استفاده قرار می‌گیرند. شاخص میانگین وزنی قطر خاکدانه‌های پایدار در هر دو روش الک خشک و الک تر مورد استفاده قرار می‌گیرد و در روش آزمون قطره‌ی آب، تعداد قطره‌ی مورد نیاز برای تخریب خاکدانه تعیین می‌شود. این شاخص‌ها تنها برای ارزیابی پایداری خاکدانه در نمونه‌های خاکدانه‌‌ی با اندازه‌ی یکسان انجام می‌شود. بنابراین استفاده از این شاخص‌ها در نمونه‌های خاکدانه‌‌ی با اندازه‌ی مختلف ممکن است سبب برخی از خطاها در ارزیابی حساسیّت خاک به فرسایش ‌شود. بنابراین، این مطالعه به‌منظور ارائه‌ی شاخص مناسب پایداری خاکدانه برای اندازه‌‌های خاکدانه در برابر فرسایش بین‌شیاری در یک نمونه خاک منطقه‌ی نیمه‌خشک انجام گرفت.
مواد و روش‌ها: چهار کلاس اندازه‌ی خاکدانه شامل کوچک‌تر از 2، 2 تا 4، 4 تا 8 و 8 تا 11 میلی‌متر از یک خاک کشاورزی با بافت لوم رسی در غرب زنجان، واقع در شمال غرب ایران جمع‌آوری شد. حدود 600 کیلوگرم نمونه از هر اندازه‌ی خاکدانه از عمق صفر تا 30 سانتی‌متر با استفاده از الک‌های مربوطه از زمینی کشاورزی از حجمی معادل 10 مترمکعب خاک برداشت شد. نمونه‎‌های خاکدانه به کرت‌هایی با ابعاد 120 سانتی‌متر در 130 سانتی‌متر تحت شیب 9 درصد منتقل شدند. در مجموع 12 کرت با استفاده از طرح بلوک‌های کامل تصادفی برای چهار کلاس اندازه‌ی خاکدانه با سه تکرار مورد بررسی قرار گرفت. کرت‌ها در معرض هفت رخداد باران شبیه‌سازی شده با شدّت یکسان 70 میلی‌متر بر ساعت به‌مدّت 30 دقیقه با فواصل زمانی هفت روز قرار گرفتند. در پایان هر رخداد مقدار هدررفت خاک هر اندازه‌ی خاکدانه اندازه‌گیری شد. پایداری خاکدانه در برابر ضربه‌ی مکانیکی (MWDdry)، خیس شدن در آب (MWDwet) و ضربه‌ی قطره‌ی آب (WDT) به‌ترتیب با استفاده از روش‌های الک خشک، الک تر و رهاسازی قطره‌ی آب برای هر کلاس اندازه خاکدانه تعیین شد. به‌علاوه پایداری خاکدانه به‌ازای جرم خاکدانه به‌ترتیب برای هر سه روش با شاخص‌های MWDdry-m، MWDwet-m و WDTm بیان شد. در کنار آن، سایر ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی شامل توزیع اندازه‌ی ذرات، سنگ‌ریزه، چگالی ظاهری، ضریب آب‌گذری اشباع، کربن آلی و کربنات کلسیم در آزمایشگاه اندازه‌گیری شدند.
یافته‌ها: بر اساس نتایج، هم‌بستگی مثبت معنی‌دار بین اندازه‌ی خاکدانه و پایداری خاکدانه اندازه‌گیری شده با روش‌های خشک (99/0=r)، الک تر (89/0=r) و آزمون قطره‌ی آب (93/0=r) وجود داشت. با افزایش اندازه‌ی خاکدانه، پایداری خاکدانه بر اساس این روش‌ها،‌ افزایش یافت. با این وجود ارزیابی پایداری خاکدانه به‌ازای جرم خاکدانه نشان داد که هم‌بستگی منفی بین اندازه‌ی خاکدانه و پایداری خاکدانه به‌ازای جرم خاکدانه در روش الک تر (95/0-=r)، الک خشک (88/0-=r) و آزمون قطره‌ی آب (88/0-=r) وجود دارد. اگرچه خاکدانه‌های درشت نسبت به خاکدانه‌های کوچک، پایداری بیش‌تری در برابر تنش‌های خارجی مانند ضربه‌ی مکانیکی، خیس شدن در آب و ضربه‌ی قطره‌‌ی آب دارند اما پایداری آن‌ها نسبت به جرم خود، کم‌تر از خاکدانه‌های کوچک می‌باشد. بر خلاف انتظار، هدررفت خاک هر کلاس اندازه‌ی خاکدانه با افزایش پایداری خاکدانه اندازه‌گیری شده با روش‌های خشک، الک تر و آزمون قطره‌ی آب افزایش یافت در صورتی‌که هدررفت خاک با افزایش پایداری خاکدانه‌ی تعیین شده در این سه روش به‌ازای جرم خاکدانه کاهش یافت.
نتیجه‌گیری: این پژوهش نشان داد که شاخص‌های MWDwet ، MWDdry و WDT، شاخص‌هایی مناسب برای ارزیابی پایداری اندازه‌های خاکدانه در یک خاک در برابر فرسایش بین‌شیاری نیستند؛ بلکه پایداری خاکدانه‌ی تعیین شده در این سه روش به‌ازای جرم خاکدانه مفهومی بهتر برای ارزیابی حساسیّت اندازه‌های خاکدانه به فرسایش بین‌شیاری هستند. در این میان، MWDwet-m، به‌عنوان مناسب‌ترین شاخص در این زمینه است.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Evaluating the susceptibility of aggregate sizes to interrill erosion using aggregate stability indices

چکیده [English]

Background and objectives: Soil aggregate stability is an important physical indicator of the soil’s susceptibility to water erosion. Aggregate stability can vary, depending on the aggregate size. Some methods including the dry-sieving, wet-sieving and water-drop test were currently used to evaluate the stability of aggregates in the worldwide. Mean weight diameter of stable aggregates was used for the dry-sieving and wet-siewing method. In the water-drop test, aggregate stability is evaluated using the number of water drops needed for disrupting the aggregates. These indices are used to evaluate the soil structural stability for given size of aggregates. However, there are different sizes of aggregates in the soil. So, application of these indices may cause some errors in evaluating the soil’s susceptibility to water erosion processes. Therefore, this study was conducted to develop a proper aggregate stability for different aggregate sizes in view point of interrill erosion in a semi-arid soil sample.
Materials and Methods: Four aggregate size classes including < 2, 2-4, 4-8, 8-11 mm were collected from an agricultural soil with texture of clay loam in west of Zanjan, north west of Iran. A-600 kg aggregate sample was taken from 0-30 cm surface soil with about 10 m3 in volume for each aggregate sizes by sieving the aggregates in the field. The aggregate samples were packed to the erosion plots with 120 cm × 130 cm in dimensions installed in a 9% uniform slope. A total of twelve plots were investigated using the randomized complete block design for four aggregate size classes with three replications. The plots were exposed to seven simulated rainfalls with 70 mm h-1 in intensity for 30-min with 7-day interval. Soil loss resulted by interrill erosion from each aggregate size was determined during each rainfall simulation. The stability of each aggregate size against mechanical impact (MWDdry), wetting force (MWDwet) and rainderop impact (WDT) was determined using the dry-sieving, wet-sieving and water-drop test methods for each aggregate size class, respectively. Additionally, the aggregate stability per aggregate mass were computed and defined as MWDwet-m, MWDdry-m and WDTm, respectively. Beside this, other physicochemical properties including particle size distribution, gravel, bulk density, saturated hydraulic conductivity, organic carbon and calcium carbonate were determined using the conventional methods in the lab.
Results: Based on the results, significant positive correlations were found between the aggregate size and the stability of aggregates determined using the methods of dry-sieving (r= 0.99), wet-sieving (r= 0.89) and water-drop-test (r= 0.93). The aggregate stability determined using all methods increased with an increase in the aggregate size. Newetheless, evaluating the aggregate stability per aggregate mass indicated that negative correlations existe between the aggregate size and MWDwet-m (r= -0.95), MWDdry-m, (r= -0.88) and WDTm (r= -0.88). Although the coarse aggregates rather than smaller aggregates are resitant against external stresses such as mechanical impacts, wetting force and rainderop impact but their stability per their mass is small. Contrary to our expectation, soil loss by interrill erosion of each aggregate size classes increased with increasing the aggregate stability determined using the dry-sieving, wet-sieving and water-drop-test methods whereas it decreased with increasing the aggregate stability determined using these methods on the basis of the aggregate mass.
Conclusion: This study revealed that MWDwet, MWDdry and WDT are not the proper indices to evaluate the stability of aggregate size with the view point of its resistance to interrill erosion. The aggregate stability determined in these methods per aggregate mas is a new approch to evaluate the susceptibility of various aggregate sizes of a soil to interrill erosion. Among these indices, MWDwet-m is the best indicator in this field.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Aggregate stability per mass
  • Water-drop test method
  • Wet sieving method
  • Dry-sieving method
  • Zanjan
1.Ahmadi, A., Neyshabouri, M.R., Rouhipour, H., and Asadi, H. 2011. Fractal dimension of soil
aggregates as an index of soil erodibility. J. Hydrol. 400: 3. 305-311.
2.Akbari, S., and Vaezi, A.R. 2015. Investigating aggregates stability against raindrops impact in
some soils of a semi-arid region, North west of Zanjan. Water and Soil Science. 25: 2. 65-77.
(In Persian)
3.An, S., Mentler, A., Mayer, H., and Blumc, W.E.H. 2010. Soil aggragation, aggregate
stability, organic carbon and nitrogen in different soil aggregate fractions under forest and
shrub vegatiotion on the Loess Plateau, China. Catena. 81: 226-233.
4.Arjmand Sajjadi, S., and Mahmoodabadi, M. 2014. Aggregate breakdown and surface seal
development influenced by rain intensity, slope gradient and soil particle size. Solid Earth
Discussions. 6: 3303-3331.
5.Bare, A., Kainz, M., and Veihe, A. 2010. The spatial variability of erodibility and ites relation
to soil type, a study from northern Ghana. Geoderma. 106: 101-120.
6.Barthes, B.G., Kouoa Kouoa, E., Larre-Larrouy, M.C., Razafimbelo, T.M., de Luca, E.F.,
Azontonde, A., Neves, C.S., de Freitas, P.L., and Feller, C.L. 2008. Texture and sesquioxide
effects on water stable aggregates and organic matter in some tropical soils. Geoderma.
143: 14-25.
7.Belaid, H., and Habaieb, H. 2015. Soil aggregate stability in a Tunisian semi-arid environment
with reference to fractal analysis. J. Soil Sci. Environ. Manage. 6: 2. 16-23.
8.Besharat, F., and Vaezi, A.R. 2015. Soil Loss under Simulated Rainfalls Rainfall During
Events on Runoff and Soil Loss under Simulated Rainfalls. Iran. J. Water. Manage. Sci.
Engin. 9: 29. 9-18. (In Persian)
9.Boix-Fayos, C., Calvo-Cases, A., Imeson, A.C., and Soriano-Soto, M.D. 2001. Influence of
soil properties on the aggregation of some Mediterranean soils and the use of aggregate size
and stability as land degradation indicators. Catena. 44: 47-67.
10.Bouwer, H., and Jackson, R.D. 1974. Determining soil properties, P 611-627, Drainage for
Agriculture, ASA Monograph Noumber 17, Madison, WI.
11.Bryan, R.B. 1968. The development, use and efficiency of indices of soil erodibility.
Geoderma. 2: 5-26.
12.Canasveras, J.C., Barron, V., Del Campillo, M.C., Torrent, J., and Gomez, J.A. 2010.
Estimation of aggregate stability indices in Mediterranean soils by diffuse reflectance
spectroscopy. Geoderma. 158: 78-84.
13.Canton, Y., Sole-Benet, A., Asensio, C., Chamizo, S., and Puigdefabregas, J. 2009.
Aggregate stability in range sandy loam soils relationship with runoff and erosion. Catena.
77: 192-199.
14.Carter-Cade, E., Greer, D., Braud, J., and Floy, M. 1974. Raindrop characteristics in
southcentral United States. Transactions of ASAE. 17: 6. 1033-1037.
15.Culley, J.L.B. 1993. Density and compressibility. Soil sampling and methods of analysis.
Pp: 529-539.
16.Dominguez, J., Negrin, M.A., and Rodriguez, C.M. 2001. Aggregate water stability, particle
size and soil solution properties in conducive and suppressive soils to Fusarium wilt of
banana from Canary island (Spain). Soil Biology and Biochemistry. 33: 449-455.
17.Egashira, K., Kaetsu, Y., and Takuma, K. 1983. Aggregate stability as an index of erodibility
of Andosoils. Soil Science and Plant Nnutrition. 29: 473-481.
18.Eynard, A., Schumacher, T.E., Lindstrom, M.J., and Malo, D.D. 2004. Aggregate sizes and
stability in cultivated South Dakota prairie Ustolls and Usterts. Soil Sci. Soc. Amer. J.
68: 1360-1365.
19.Fallahzade, J., and Hajabbasi, M.A. 2010. Evaluation of organic matter storage in aggregate
of clayey soils under degraded pasture and cropland in central Zagros. J. Water Soil Cons.
17: 179-194. (In Persian)
20.Gee, G.W., Bauder, J.W., and Klute, A. 1986. Particle-size analysis. Methods of soil
analysis. Part 1. Physical and mineralogical methods. Pp: 383-411.
21.Girmay, G., Sing, B.R., Nyssen, J., and Borrosen, T. 2009. Runoff and sediment associated
nutrient losses under different land uses in Tigray, Northern Ethiopia. J. Hydrol. 376: 70-80.
22.Gupta, O.P. 2002. Water in relation to soils and plants. Agrobios, India. Pp: 31-34.
23.Hoyos, N. 2005. Spatial modeling of soil erosion potential in a tropical watershed of the
Colombian Andes. Catena. 63: 85-108.
24.Hoyos, N., and Comerford, N.B. 2005. Land use and landscape effects on aggregate stability
and total carbon of Andisols from the Colombian Andes. Geoderma. 129: 268-278.
25.Imeson, A., and Vis, M. 1984. Assessing soil aggregate stability by water-drop impact and
ultrasonic dispersion. Geoderma. 34: 185-200.
26.Jackson, M.L. 1967. Soil chemical analysis, Prentice-Hall of India, Private Limited,
New Delhi. Kloke, A. 1-3.
27.Kemper, W.D., and Rosenau, R.C. 1986. Aggregate stability and size distribution, in:
Methods of Soil Analysis. Part 1. Physical and Mineralogical Methods, Klute, A., Ed.
Pp: 425-442.
28.Klute, A. 1986. Methods of Soil Analysis. Part 1. Physical and Mineralogical Methods.
2nd edition. Agron. Monog. 9. ASA ana SSSA, Madison, WI.
29.Mahmoodabadi, M. 2011. Consecutive application of organic matter and sodicity on
secondary particle size distribution. Environmental Erosion Researchs. Noumber 2.
(In Persian)
30.Mahmoodabadi, M., and Ahmadbeygi, B. 2013. Effect of primary particle size distribution
on aggregate stability at different size classes. Water and Soil Science. 23: 3. 207-219.
(In Persian)
31.Mataix-Solera, J., Cerda, A., Arcenegui, V., Jordan, A., and Zavala, L.M. 2011. Fire effects
on soil aggregation: a review. Earth-Science Reviews. 109: 44-60.
32.Meyer, L.D., and Harmon, W.C. 1984. Susceptibility of agricultural soils to interrill erosion.
Soil Sci. Soc. Amer. J. 48: 1152-1157.
33.Nelson, D.W., and Sommers, L. 1982. Total carbon, organic carbon, and organic matter.
Methods of soil analysis. Part 2. Chemical and microbiological properties methods of soil,
Pp: 539-579.
34.Nzeyimana, I., Hartemink, A.E., Ritsema, C., Stroosnijder, L., Lwanga, E.H., and Geissen,
V. 2017. Mulching as a strategy to improve soil properties and reduce soil erodibility in
coffee farming systems of Rwanda. Catena. 149: 43-51.
35.Rouhipour, H., Farzanea, H., and Asadi, H. 2004. Relationship between some indicators of
soil aggregate stability with soil erodibility factor using a rainfall simulator. Iran. J. Range.
Des. Res. 11: 236-254. (In Persian)
36.Sadeghi, S.H.R., Hazbavi, Z., Younesi, H., and Bahramifar, N. 2016. Trade-off between
runoff and sediments from treated erosion plots and polyacrylamide and acrylamide residues.
Catena. 142: 213-220.
37.Unjer, P.W., Fulton, J.L., and Jones, O.R. 1990. Land-leveling effects on soil texture,
organic matter content, and aggregate stability. J. Soil Water Cons. Pp: 412-415.
38.Vaezi, A.R. 2014. Modeling runoff from semi-arid agricultural lands in Northwest Iran.
Pedosphere. 24: 595-604.
39.Vaezi, A.R., Sadeghi, S.H.R., Bahrami, H.A., and Mahdian, M.H. 2008. Modeling the USLE
K-factor for calcareous soils in northwestern Iran. Geomorphology. 97: 414-423.
40.Veihe, A. 2002. The spatial variability of erodibility and its relation to soil types: a study
from northern Ghana. Geoderma. 106: 101-120.
41.Wang, J.G., Yang, W., Yu, B., Li, Z.X., Cai, C.F., and Ma, R.M. 2016. Estimating the
influence of related soil properties on macro-and micro-aggregate stability in ultisols of
south-central China. Catena. 137: 545-553.
42.Williams, B.M., Martinez, M., and Deeksb, L. 2004. Exponential distribution theory and
aggregate size. Soil Sci. Soc. Amer. J. 6: 382-391.
43.Wischmeier, W.H., and Smith, D.D. 1978. Predicting rainfall erosion losses: a guide to
conservation Planning, Agriculture Handbook. U.S. Department of Agriculture, Washington,
DC. 537: 13-27.
44.Yoder, R.E. 1936. A direct method of aggregate analysis and a study of a physical nature of
erosion losses. J. Amer. Agron. 28: 337-351.
45.Zhi-Hua, Sh., Feng-Ling, Y., Lu, L., Zhao-Xia, L., and Chong-Fa, C. 2010. Interrill erosion
from disturbed and undisturbed samples in relation to topsoil aggregate stability in red soils
from subtropical China. Catena. 81: 240-248.