Aggregate stability of a crusted soil: differences between crust and sub‐crust material, and consequences for interrill erodibility assessment. An example from the Loess Plateau of China

• Published in: European journal of soil science Vol. 65; no. 3; pp. 325 - 335
• Main Authors: Algayer, B, Wang, B, Bourennane, H, Zheng, F, Duval, O, Li, G, Le Bissonnais, Y, Darboux, F
• Format: Journal Article
• Language: English
• Published: Oxford, UK Blackwell Publishing Ltd 01-05-2014; Blackwell; Wiley
• Subjects: aggregate stability; Aggregates; Agricultural sciences; Agronomy. Soil science and plant productions; Biological and medical sciences; cation exchange capacity; clay; Crusts; Earth sciences; Earth, ocean, space; erodibility; Exact sciences and technology; Fundamental and applied biological sciences. Psychology; Heterogeneity; Life Sciences; loess; organic matter; Physical properties; Physics, chemistry, biochemistry and biology of agricultural and forest soils; plateaus; Sand; silt; Soil (material); soil erosion; soil erosion models; Soil erosion, conservation, land management and development; Soil science; soil texture; soil types; Soils; Stability; Structure, texture, density, mechanical behavior. Heat and gas exchanges; Surficial geology; Texture; water content; China; Asia; Far east; Loess; Evaluation; Crust; Soil erosion; Structure stability; Materials; Property of soil; Soil quality; Earth science; Sediments; Physical properties; Erodibility; Water erosion(soil); Soils; Geographical division; Interrill erosion; Soil science; Aggregate
• ISSN: 1351-0754; 1365-2389
• DOI: 10.1111/ejss.12134

Soil interrill erodibility is a key component of soil erosion models. However, when using aggregate stability to assess soil erodibility, samples are usually collected from the plough layer, while soil erosion occurs at the soil surface. Hence, the potential changes in erodibility caused by crusting are ignored. Moreover, soil interrill erodibility is difficult to predict accurately. This lack of predictability means that current erosion models use a constant erodibility value for a given soil, and thus do not consider potential heterogeneity of erodibility. This study was conducted to (i) assess the heterogeneity of aggregate stability for a crusted soil and (ii) relate this heterogeneity to the aggregate stability of the underlying material (sub‐crust) and to standard soil properties. A field study was conducted in a small area of the Loess Plateau in China in which the crust and the sub‐crust soils were sampled. Standard soil properties (organic matter content, sand content, silt content, clay content, cation exchange capacity (CEC), pH in water, and water content at the time of sampling) were measured as potential explanatory factors of aggregate stability. The results showed a large heterogeneity in aggregate stability among the sites, even though the sites had the same soil type. The mean weight diameter (MWD) of the crust varied between 0.33 and 2.04 mm while the MWD of the sub‐crust varied between 0.23 and 1.42 mm. Soil texture and pH were uniform among the sampling sites, whereas water content, organic matter content and CEC varied more. Even though some correlations existed (for example r = 0.57 between MWD for the slow wetting test and organic matter content), none of the standard soil properties was able to predict aggregate stability accurately. The aggregate stability of the crust was significantly greater than that of the sub‐crust. The large differences in aggregate stability imply large differences in soil interrill erodibility. Because a single soil type was investigated, this finding proves that erodibility can vary greatly in space even for a given soil type. Soil interrill erodibility should be estimated from the exact material exposed to erosive forces, the soil surface material. Using the sub‐crust would have led to greatly over‐estimated erodibility and thus to a marked bias in erosion model predictions. Résumé La stabilité structurale d'un sol encroûté : différences entre la croûte et le matériau sous‐jacent, et conséquences pour l'estimation de l'érodabilité inter‐rigole. Un exemple dans le Plateau de Loess (Chine) L'érodabilité inter‐rigole est un paramètre clef des modèles d'érosion du sol. Cependant, lorsque des tests de stabilité structurale sont utilisés pour évaluer l'érodabilité, les mesures sont habituellement réalisées sur des échantillons prélevés dans l'horizon labouré alors que l'érosion a lieu la surface du sol. Ainsi, les changements potentiels d'érodabilité causés par la formation de croûte sont ignorés. De plus, l'érodabilité inter‐rigole reste encore difficile prédire avec précision. Ces difficultés conduisent les modèles d'érosion utiliser une érodabilité constante pour un type de sol donné, et donc ne pas considérer l'hétérogénéité potentielle de l'érodabilité. Cette étude a été conduite pour (i) évaluer l'hétérogénéité de la stabilité structurale pour un sol encroûté et (ii) relier cette hétérogénéité la stabilité structurale du matériau sous‐jacent (sous‐croûte) et aux propriétés standards du sol. Une étude de terrain a été réalisée sur un secteur de surface limitée du Plateau de Lœss (Chine). Des échantillons provenant de la croûte et de la sous‐croûte ont été collectés. Les propriétés standards (teneur en carbone organique, teneurs en sable, limon et argile, CEC, pH, et teneur en eau au prélèvement), ont été mesurées en tant que facteurs explicatifs potentiels de la stabilité structurale. Les résultats ont montré une grande hétérogénéité de la stabilité structurale entre les différents sites alors que ces derniers présentaient le même type de sol. Le MWD de la croûte variait entre 0.33 et 2.04 mm tandis que le MWD de la sous‐croûte variait entre 0.23 et 1.42 mm. La texture du sol et le pH étaient très homogènes entre les sites étudiés, tandis que la teneur en eau, la teneur en matière organique et la CEC variaient plus fortement. Bien que certaines corrélations aient été identifiées (par exemple r = 0.57 entre le MWD du test l'humectation lente et la teneur en carbone organique), aucune de ces propriétés n'a permis de prédire précisément la stabilité structurale. La stabilité structurale de la croûte était significativement supérieure celle de la sous‐croûte. Les grandes différences de stabilité structurale mesurées impliquent des érodabilités très contrastées. Comme un seul type de sol a été étudié, ce résultat prouve que l'érodabilité peut être très variable spatialement pour un type de sol donné. L'érodabilité inter‐rigole du sol devrait être mesurée sur le matériau exact qui subit l'érosion, c'est‐ ‐dire le matériau de surface. L'utilisation du matériau sous‐jacent aurait engendré une forte surestimation de l'érodabilité et donc un biais important dans les prédictions d'un modèle d'érosion.