东北黑土区不同开垦年限坡耕地坡面土壤磁化率特征研究

于 悦,赵丽君,张 威,张科利,刘 亮

(1. 辽宁师范大学地理科学学院,辽宁 大连 116029;2. 北京师范大学地理科学学部地表过程与资源生态 国家重点实验室,北京 100875;3. 北京师范大学地理科学学部地理学院,北京 100875; 4. 南京林业大学林草学院、水土保持学院,江苏 南京 210037)

东北黑土区土地肥沃、地域辽阔、人口相对较少,是我国重要的商品粮基地。然而,由于保护不当以及长期顺坡耕种引发水土流失,肥沃的腐殖质表层不断变薄,严重地威胁粮食安全及区域生态环境。为了有效地控制水土流失和保护黑土地,需要建立开垦历史与土壤侵蚀之间的关系。常用的土壤侵蚀监测方法劳动强度大、时间成本高[1]。磁性示踪技术是一种可靠、经济、高效的土壤磁性指标测定方法,利用自然土壤或人工磁剂,测量侵蚀前后的土壤磁化率,阐述土壤侵蚀或沉积特点[2]。Le Borgne[3]在1955年发表的土壤磁性研究报告中提出土壤磁化率的概念。随着现代磁学技术的进步,获取磁性指标设备的不断研发,国内外土壤磁性研究得到快速发展,研究成果兼顾理论创新和方法创新,并逐渐从定性描述向定量评价转变[4-7]。近年来,磁化率技术在土壤侵蚀研究方面发挥了重要作用,如表征坡面土壤再分配[8]、描述土壤侵蚀/沉积的空间分布特征[9]、基于坡位异质性估算土壤侵蚀/沉积量[10]等。

国内学者利用土壤磁化率技术对鲁中山区、川中丘陵区等区域[11-16]进行研究,在剖面土壤磁性形态变化及坡面土壤侵蚀的空间分异等方面收获颇丰。东北黑土区是中国水土流失严重且亟须治理的区域之一,土壤侵蚀已成为黑土退化最主要的驱动因素[17],开展针对该地区水土流失特点的水土保持设施建设已刻不容缓[18-19]。磁化率技术具有操作简单、测量快速、对样品无损等优势,已被广泛应用于土壤侵蚀研究领域。笔者团队将磁性示踪、复合指纹等技术应用于东北黑土区、北方农牧交错带和喀斯特地区,证实磁性示踪技术识别流域土壤侵蚀的应用潜力[20-24]。测定东北黑土区不同土地利用类型、不同开垦年限坡面的土壤磁化率,发现林地不同坡位的磁化率相对均匀,而耕地不同坡位的磁化率显著不同,符合坡面土壤侵蚀规律,表明磁化率是土壤侵蚀评价的可行性指标[25]。

土壤磁化率特征是定量研究土壤侵蚀速率及腐殖质层退化的理论依据[26],与其他区域相比,东北黑土区开垦历史较短且可追溯,开垦时间是表征土壤侵蚀历史的不可逆矢量指标,研究不同开垦年限农地土壤侵蚀现状,利用空间异质性解决时间尺度的历史问题,为区域土壤侵蚀规律探索提供有力支撑。目前,基于磁化率技术对东北黑土区不同开垦时间土壤侵蚀特点的研究在国内鲜有报道。本研究选取黑龙江省鹤山农场不同开垦年限典型坡耕地,合理布设农地坡面采样点与林地参考点,利用自然土壤磁性表征坡面再分配特征,探讨黑土区坡耕地土壤侵蚀的时空分异,以期为东北黑土区水土流失防治与预报及区域农业可持续发展提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于东北黑土区黑龙江省嫩江县九三管理局鹤山农场(125°09′～125°21′E,48°56′～49°01′N),是小兴安岭向松嫩平原过渡地带。该地海拔260～360 m,坡度为1°～3°,坡长为500～4 000 m,具有漫川漫岗的地形特征。气候属寒温带大陆性季风气候,年均气温0 ℃,年均降水量约534 mm,雨热同期。原生植被为温带半湿润草甸草原,地带性土壤为典型黑土,属中国土壤系统分类中的均腐土,成土母质为第四纪沉积黄黏土。长期的水土流失和掠夺式经营等人为扰动使黑土层越来越薄,黑土层已由开垦之初的50～100 cm减至10～20 cm[25]。东北地区的耕作历史较短。19 世纪60 年代以前,东北地区大规模禁止耕作,晚清民国时期人口数量的急剧增加,大面积原始林地和草地被开发为耕地。1950 年鹤山农场成立,大力发展农场经营的集约化农业,对辖区耕地信息进行翔实记载。本研究中耕地开垦年限信息主要来源于文献资料、地方报道和对年长农民的访谈。

1.2 样品采集及分析方法

本研究选取3个开垦年限的典型黑土坡面,根据坡面长度等比例布设采样点,自坡上至坡下布设11～12个采样点,自表层向下,利用改进的半圆形土壤钻采集原状土壤剖面样本,坡面样品采集深度为60～100 cm,采样间隔3～5 cm,在坡耕地上共布设35个采样点,各点均设置2～3个重复,共采集坡耕地原状土样1 888个(表1)。由于东北黑土区具有坡长坡缓的特点,坡面曲率变化不大,坡度变化在一定范围内,根据坡面长度自上而下将每个坡面3等分,分为坡上、坡中和坡下3个坡位,每个坡位包含3～4个采样点[21]。耕地周围的林地植被盖度较高,人为扰动较小,不易发生侵蚀和沉积,因此分别在3个农地周边布设参考点,其采样深度要大于坡面样点,为120～150 cm,合计采集参考点原状土样618个。每个样品单独装入直径2.2 cm、高2.5 cm的圆柱形塑料盒中,带回实验室烘干后测定磁化率值。另外,分别在样线A和C偶数采样点及参考点采集坡面非原状土壤样品,测定土壤样品的理化性质。

表1 采样点信息汇总

原状土壤样品在35℃通气条件下烘干15 h,达到风干土标准后称量,放置待测。利用Bartington磁化率仪(MS2)和双频传感器(MS2B)在低频(0.47 kHz)和高频(4.7 kHz)磁场下测量土壤体积磁化率。磁化率的计算公式如下[27]:

(1)

(2)

(3)

式中:κ为体积磁化率;M为磁化强度,A/m;H为外加磁场强度,A/m;χ为质量磁化率,×10-8m3/kg;ρ为土壤密度,g/cm3;χfd为频率磁化率,%;χlf为低频质量磁化率,×10-8m3/kg;χhf为高频质量磁化率,×10-8m3/kg。

测定坡面非原状土壤样品的理化性质,包括土壤比重、土壤粒径组成、pH和有机质含量等数据。土壤比重通过比重瓶法测定;土壤粒径组成使用 Beckman coulter LS13-320系列全自动激光粒度分析仪测定;土壤pH用pH S-3B精密pH计测定,水土(质量比)1∶1;土壤有机质含量采用重铬酸钾-硫酸氧化法测定[28]。

2 结果与分析

2.1 坡面土壤磁化率统计

低频质量磁化率(χlf)反映样品的总磁性,指示样品中亚铁磁性矿物的含量[26]。110a、60a和30a样线的χlf均值分别为20.1×10-8、21.8×10-8和18.0×10-8m3/kg,三者均值相差不大,表示坡面土壤中亚铁磁性矿物的总量相对稳定。不同坡面χlf最大值、最小值差异明显,其中60a样线最大值是110a和30a样线的1/2,而最小值为110a和30a样线的近2 倍。3个坡面的χlf标准差和变异系数相差较大,110a样线的标准差和变异系数最大,为60a和30a样线的近2 倍。频率磁化率(χfd)能够粗略表征土壤中超顺磁性颗粒(superparamagnetic particles, SP)的含量,SP的含量通常与成土过程的强度有关,SP含量越大,土壤成土过程越强[21]。3个样线的χfd最大值、最小值差异较小;均值差异稍大,在3个样线的χfd均值中,60a样线的均值最大,为7.4%,样线C的均值最小,为5.9%;标准差相差较大,60a样线的标准差是30a样线的1.25倍。变异系数相差不大,均在0.3～0.4(表2)。

表2 土壤剖面磁化率

土壤理化性质反映土壤结构、组成、养分含量等,是土壤抗蚀能力和土壤肥力的重要表征[29]。对坡面非原状土壤样品进行理化性质测试,所得结果与前人研究结果一致,本研究采集的土壤样本具有典型黑土的代表性[30]。土壤剖面的理化性质中,干湿比、土壤比重及pH相差不大,有机质含量和土壤粒径组成有所差异;有机质含量分别为5.4%、8.7%,根据全国第2次土壤普查及有关标准,两条样线均属于1级肥力水平[31-32]。110a样线土壤有机质含量约是30a样线的62%,说明开垦110 a的耕地有机质含量低于开垦30 a耕地。

110a样线的砂粒和粉粒含量(质量分数)较高,分别为37.1%和59.2%;30a样线粉粒含量最高,高达81.0%;两者黏粒含量都较低,分别为3.8%和6.8%。伴随土壤侵蚀的发生,土壤粒径组成和磁性矿物的含量发生变化,进而引起土壤磁化率的变化。

2.2 土壤磁化率的剖面分异规律

土壤磁化率的分异规律受成土母质、成土过程和土壤再分布等因素综合影响,通常在较短时间尺度和小流域/区域尺度上表现出一致性[20]。由弱磁性母质发育的土壤,磁化率呈现明显的表层增强性[23]。此外,在长期耕作的土地上,农作物的生长等生物因素增加土壤风化等成土作用的强度, 土壤磁化率的表层增强性特征更加明显,且短期内难以恢复。受农事活动干扰和外界自然因素影响,表层土壤熟化形成耕作层,通常为15～20 cm,位于耕作层以下较为紧实的土层为犁底层,厚度为5～7 cm。3个坡面地处同一区域,经历相同的成土过程,不同开垦年限χlf在剖面上的变化趋势相似,均具有表层增强性,即表层土壤χlf值较大且相对离散,而底层土壤χlf值较小且相对集中,指示耕作活动对坡面土壤再分配的影响主要集中在耕作层及犁底层(图1a)。如图1c—1e所示,3个样线的χlf自表层向下逐渐减小,至土壤剖面40 cm处有平滑下降的趋势,该深度为母质层的过渡上边界,据此将土壤剖面划分为表层(0～40 cm)和底层(40 cm以下)。在110a样线中,表层土壤χlf的变化范围为10.4×10-8～88.7×10-8m3/kg,底层土壤χlf的变化范围为1.7×10-8～67.2×10-8m3/kg,χlf表现出明显剖面异质性和表层离散性;在60a样线中,表层土壤χlf的变化范围分别为7.2×10-8～65.7×10-8m3/kg,底层土壤χlf的变化范围为3.3×10-8～67.5×10-8m3/kg,表层和底层土壤的χlf最小值略有差别,其最小值差别较样线A小,说明长时间土壤侵蚀使得表层和底层土壤磁化率的变化范围扩大;在30a样线中,表层土壤χlf的变化范围分别为8.2×10-8～48.5×10-8m3/kg,底层土壤χlf的变化范围为2.6×10-8～34.3×10-8m3/kg,无论最大值还是最小值,底层均小于表层。样线A的χlf在剖面中的异质性分别约为样线B和C的1.4和1.9 倍。

不同开垦年限的χfd剖面也具有表层增强性,χfd在表层相对集中,而底层相对离散(图1b)。如图1f—1h所示,110a样线的表层χfd变化范围为4.0%～11.5%,底层χfd变化范围为1.0%～11.3%,该规律与原始土壤剖面的磁化率分异规律不同,土壤磁化率的表层增强性明显被削弱,说明开垦110 a的坡面侵蚀/沉积作用活跃,坡面表层磁化率异质性增强;60a样线表层χfd的变化范围为3.1%～11.3%,底层χfd的变化范围为1.6%～11.6%,表层χfd离散性小于底层,具有土壤磁化率的表层增强性;30a样线表层χfd的变化范围为2.5%～9.9%,底层χfd的变化范围为1.4%～12.1%,表层χfd离散性小于底层,土壤磁化率的表层增强性较明显。随着开垦年限的增加,底层χfd越离散。另外,χfd的取值范围一般在0～12%,且χlf数值越小,对应的χfd误差越大(式3),因此,底层χfd相对离散是因为母质层χfd较低导致的系统误差。

图1 土壤磁化率剖面变化Fig. 1 Soil MS values with depth

2.3 不同坡面位置土壤磁化率分异特征

在坡面侵蚀过程中,亚铁磁性矿物随土壤颗粒的运动发生位移,造成表层土壤磁学参数的变化[21]。基于土壤磁性的表层增强特征,土壤被侵蚀后表层土壤磁性显著减弱,且短期内很难恢复;如再发生沉积,虽无法准确定位沉积物的运移轨迹,但土壤中的磁性物质由坡上向坡下运移,坡下表层土壤磁化率不会降低[24]。

坡面位置可作为坡面土壤侵蚀特征研究的重要参数[11-12]。临近坡耕地的林地被植被和枯落物覆盖,且鲜有人为扰动,认为该林地没有土壤侵蚀和沉积[21],因此,比较耕地表层磁化率与参考点表层土壤磁化率大小,是判断坡面不同空间部位土壤侵蚀或沉积特点的依据。

各样线χlf在不同坡面位置差异性不尽相同:110a样线各坡位间χlf相差最大,坡上和坡中χlf相差不大,二者与坡下的χlf相差最大,坡下表层χlf为坡上和坡中的近3倍,110a样线坡下堆积最明显;60a样线各坡位间χlf相差不大,坡上与坡中的χlf的差异最小(P>0.05),二者χlf数据测试在误差范围内,而坡下χlf略高于坡中/坡上(P<0.05),二者的差异均具有统计学意义;30a样线开垦时间较短且人为扰动较小,不同坡位χlf的剖面曲线变化相差不大(图2a—2c),因为30a样线的坡度小、坡长短、开垦年限较短,因此被侵蚀的程度不及其他两个坡面。坡上、坡中和坡下耕层(0～20 cm)χlf均值分别为24.1×10-8、24.8×10-8和39.7×10-8m3/kg,参考点0～20 cm表层χlf均值为36.9×10-8m3/kg,坡上和坡中的耕层χlf小于参考点表层χlf,而坡下耕层χlf大于参考点表层。坡上χlf均值较坡中小,说明坡上主要以侵蚀为主,坡中在侵蚀和沉积的交互过程中,侵蚀程度较严重,坡下主要以沉积为主。因此,坡上和坡中为土壤侵蚀区,而坡下为沉积区,这与前人研究结果一致[22]。

图2 不同坡面位置磁化率分布曲线Fig. 2 Curves of MS at different slope locations

不同坡面位置χfd的分布特点与χlf相似,即坡下χfd大于坡上和坡中,均符合坡面土壤颗粒的侵蚀/沉积特征和土壤再分配特点。110a样线各坡位间χfd差异最大,坡下表层χfd分别为坡上和坡中的近1.5倍和1.3倍;60a样线表层χfd的坡面差值为0.7%,二者差异较小,坡下与坡上χfd差异较大(P<0.05);30a样线各坡位χfd剖面曲线变化基本相似,表层χfd坡面差值不足0.2%,数据差异在误差范围内(图2d—2f)。土壤再分配过程受耕作活动和地形的影响,开垦过程中,坡上和坡中的χfd逐渐减小,坡下的χfd逐渐增大,坡上与坡下的磁化率差异越来越大,坡面土壤再分配现象越明显。

2.4 不同开垦年限土壤磁化率分异特征

对3个样线的各采样点耕层磁化率数据进行方差分析发现,3个样线各采样点χlf的方差分别为372.4×10-8、38.7×10-8和10.1×10-8m3/kg,3个样线各采样点χfd的方差分别为3.6%、0.4%和0.4%,110a样线开垦时间最长,其磁化率方差远大于60a和30a样线,说明开垦时间越长,各采样点之间磁化率数据差异越大,即坡面异质性越强,坡面侵蚀越强烈。

绘制不同开垦年限土壤磁化率频数直方图,χlf和χfd直方图的步长分别为5×10-8m3/kg 和1%,其中30a样线的频数较少,这与采样深度较浅和采样间隔较大有关。不同开垦年限χlf偏度均大于零,属于右偏分布,且χlf在较长期耕地上呈近似正态分布。110a和30a样线的χlf直方图为单峰分布,峰值范围均在10×10-8～15×10-8m3/kg;而60a样线呈双峰分布,峰值范围分别为10×10-8～15×10-8和20×10-8～25×10-8m3/kg (图3a—3c)。开垦110 a农地χlf变化范围最大,为2.9×10-8～87.7×10-8m3/kg;开垦60 a农地χlf变化范围为5.3×10-8～48.2×10-8m3/kg;开垦30 a农地χlf的变化范围最小,大部分数值在2.8×10-8～37.5×10-8m3/kg 范围内,50×10-8～70×10-8m3/kg 处有零星分布。

图3 不同开垦年限土壤磁化率直方图Fig. 3 Histogram of MS in different cultivation periods

不同开垦年限农地χfd的频数呈近似正态分布,其中,110 a和30 a样线分布比较对称,而样线B呈双峰型左偏分布。110a样线无明显峰值,频数最大值在4%～5%;60 a样线的峰值分别出现在3%～4%和8%～9%;30 a样线无明显峰值,频数最大值分别在5%～6%和7%～8%(图3d—3f)。不同开垦年限农地χfd分布范围分别为0～12%、1%～12%和1%～10%,其中开垦110 a范围最大,开垦60 a次之,开垦30 a最小,开垦年限越短,受耕地土壤侵蚀和扰动影响相对较小,坡面再分配程度较低,坡面不同位置χfd相差不大。

不同开垦年限农地χlf在剖面尺度和坡面尺度均具有一定差异:不同开垦年限坡面χlf在坡上和坡中的变化趋势相似,即χlf的剖面异质性较弱,变化范围均约为20×10-8m3/kg,0～10 cm土层深度的χlf随开垦时间的增加而减小,表明开垦时间较长的坡面,坡上和坡中的土壤侵蚀较强烈;不同开垦年限坡面χlf在坡下的剖面异质性较强,开垦110、60和30 a坡面的χlf变化范围分别约为55×10-8、10×10-8和15×10-8m3/kg,开垦110 a的坡面明显大于开垦60 a和30 a的坡面,且在0～40 cm土层深度范围内尤为突出(图4a—4c)。结果表明,开垦时间较长的坡面,坡下土壤磁化率波动幅度较大,尤其是开垦110 a的坡耕地,其坡下磁化率变化范围为开垦60 a、30 a坡面的近2倍,表征耕作活动导致土壤再分配随着开垦年限的增加而逐渐强烈。

不同开垦年限农地χfd在坡上和坡中的剖面异质性不明显,即各坡面χfd分布曲线变化特点相似,变化范围整体小于坡下,为4%～9%;坡中和坡下χfd均呈现出相对分散的趋势,其中不同开垦年限坡下χfd的变化范围存在较大差异,开垦110 a坡面χfd变化范围最大,为0～12%,开垦60 a和30 a坡面χfd分别为6%～10%和2%～9%(图4d—4f)。因此,侵蚀区(坡上和坡中)χfd随开垦年限的增加而减少,沉积区(坡下)χfd随开垦年限的增加而增加,开垦年限越长,坡面土壤再分配程度越高。

3 讨 论

本研究围绕土壤磁性在剖面、坡面及开垦时间3个时空尺度的分异特征开展土壤侵蚀特征研究。在土壤剖面尺度,不同开垦年限磁化率均表现出明显的表层增强性,这与Liu等[20]和Yu等[21]的研究结果一致。在0～100 cm深度范围内,不同开垦年限坡面表层土壤磁化率值普遍较高,随着土层深度的增加逐渐降低,至母质层趋于稳定,表现出明显的表层增强性。

在不同坡面位置,坡上和坡中的磁化率小于坡下,虽然各坡位的土壤均经历了不同程度的侵蚀和沉积过程,但坡上和坡中以侵蚀过程为主,总体上表现为磁化率的降低,而坡下以沉积过程为主,表现为磁化率增加。已有研究利用不同指标证明土壤侵蚀的坡面再分配规律,如翟国庆等[33]探讨黑土坡面不同稳定机制碳库分配特征发现,沉积区有机碳含量高,表征坡面土壤再分配规律为坡上迁移、坡底沉积;段兴武等[32]分析黑土坡耕地0～15 cm深度土壤有机质空间变异及其与土壤侵蚀的关系,以上研究结论均与本研究结果一致。

根据参考点土壤磁化率值划分坡面侵蚀区和沉积区,坡上和坡中耕层χlf平均值小于参考点,坡下耕层χlf平均值大于参考点,坡上和坡中的耕层χlf小于参考点表层χlf,而坡下耕层χlf大于参考点表层,坡上和坡中是侵蚀区,坡下是沉积区,表征坡上表层土壤被剥离搬运至坡下,符合坡面土壤侵蚀的一般规律。开垦110 a各坡位间χlf相差最大,坡下表层χlf为坡上和坡中的近3倍;开垦60 a各坡位间χlf相差不大,坡上和坡中与坡下略有差异;因为开垦30 a的坡度小,坡长较短,开垦时间较短,对坡面扰动程度较小,被侵蚀程度不及开垦110 a和60 a,因此各坡位间χlf的剖面曲线变化基本相似。坡下χfd大于坡上和坡中,且开垦110 a各坡位间χfd差异最大,坡下表层χfd分别为坡上和坡中的近1.5倍和1.3倍;开垦60 a差异较小,开垦30 a差异最小,说明在开垦过程中,坡上和坡中的χfd逐渐降低,坡下的χfd逐渐增加,坡上和坡下磁化率的差异越来越大,土壤磁化率的异质性能够表征坡耕地的土壤再分配。

随着开垦年限的增加,不同坡位间磁化率差异逐渐增大,坡面土壤磁化率异质性增强。耕作活动对坡面土壤造成扰动,亚铁磁性物质随土壤颗粒运动,即表现为强烈的坡面土壤侵蚀和土壤再分配。坡面土壤磁化率的变化范围从大到小分别为110 a>60 a>30 a,即开垦年限越长,耕地受扰动时间越长,坡面磁化率分布范围较为分散,指示较强烈的坡面土壤再分配。因此,开垦110 a的坡面土壤再分配程度最大,而开垦30 a的坡面土壤再分配程度最小。坡下χlf的剖面异质性较强,随着开垦年限的增加,坡下土壤磁化率波动幅度越大,开垦110 a的坡耕地,其坡下磁化率变化范围为开垦60 a和开垦30 a坡面的近2倍。Zhidkin等[34]估算1780—2019年俄罗斯莫斯科的土壤侵蚀速率发现,开垦早期的土壤侵蚀速率较大,近50 a土壤侵蚀速率明显减缓。由此可见,坡面土壤磁化率变化范围和土壤侵蚀速率与开垦年限的长短有关。研究结果表明,磁化率技术在土壤侵蚀研究领域具有巨大应用潜力,今后应进一步定量研究土壤磁化率和土壤再分配之间的关系。