東北黑土區(qū)黑土層厚度的時(shí)空變化

劉 凱，魏明輝，戴慧敏，劉國(guó)棟，賈樹海，宋運(yùn)紅，梁 帥

1.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局 沈陽(yáng)地質(zhì)調(diào)查中心，遼寧 沈陽(yáng) 110034；2.自然資源部 黑土地演化與生態(tài)效應(yīng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽(yáng) 110034；3.遼寧省黑土地演化與生態(tài)效應(yīng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽(yáng) 110034；4.沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)，遼寧 沈陽(yáng) 110866

0 引言

東北黑土區(qū)是全球四大黑土分布區(qū)之一［1］，也是我國(guó)重要的商品糧基地，其糧食總產(chǎn)量占全國(guó)1/4，商品糧產(chǎn)量占全國(guó)1/3.黑土區(qū)土壤具有養(yǎng)分含量豐富、結(jié)構(gòu)良好、土壤肥力高等優(yōu)勢(shì)［2］，但自20 世紀(jì)初大面積開墾以來(lái)，由于長(zhǎng)期的高強(qiáng)度利用，加之土壤侵蝕，土壤質(zhì)量顯著下降，主要表現(xiàn)為變“瘦”、變硬和變薄.變“瘦”是指土壤肥力下降，尤其表現(xiàn)為土壤有機(jī)質(zhì)含量的降低，黑土肥力下降現(xiàn)狀和機(jī)制方面的研究在近年來(lái)取得了重要進(jìn)展［3-7］.變硬指土壤的物理結(jié)構(gòu)受到破壞，主要表現(xiàn)為土壤容重增加［8］，相關(guān)研究成果多見報(bào)道［9-10］.但在區(qū)域尺度上，黑土層厚度的研究需要基于大量的野外實(shí)地調(diào)查，因此關(guān)于黑土層厚度時(shí)空變化的研究成果相對(duì)較少，黑土層的變薄情況依然不明.

深厚的黑土層（或腐殖質(zhì)層）是黑土最本質(zhì)的特征之一，黑土層厚度能夠反映土壤的發(fā)育程度，也是野外鑒別土壤肥力的重要指標(biāo)［11-12］，同時(shí)黑土層厚度的變化對(duì)判斷黑土的退化程度也有重要的指示意義［13］.東北黑土層的厚度在文獻(xiàn)中多有提及，但說(shuō)法不一，且多無(wú)確切的數(shù)據(jù)來(lái)源.沈波等［14］在黑土區(qū)調(diào)查的結(jié)果顯示，黑土平均每年流失厚度為0.7～1 cm，一些地方黑土厚度已從開墾初期的80～100 cm 減少到20～30 cm.劉丙友［15］指出典型黑土區(qū)內(nèi)每年流失表層黑土0.3～1 cm，黑土厚度已由20 世紀(jì)50 年代的平均60～70 cm，下降到目前的平均20～30 cm.于磊等［16］提出黑土層每年減少0.4-0.5 cm，局部黑土層由開墾初期的60～70 cm 減少到20～30 cm.解運(yùn)杰等［17］指出，黑龍江省典型黑土的黑土層厚度自開墾以來(lái)下降明顯，黑土層厚度在40～60 cm 的土壤面積僅占黑土面積的0.1%，黑土層厚度20～40 cm 的土壤面積占黑土面積的94.7%.從區(qū)域性的土壤調(diào)查工作來(lái)看，20 世紀(jì)80 年代開展的第二次土壤普查（以下簡(jiǎn)稱“二普”）相對(duì)較為系統(tǒng)，具有較詳細(xì)的野外調(diào)查記錄，并據(jù)此編制了全國(guó)1 ∶100 萬(wàn)土壤圖.張之一［18］根據(jù)“二普”土壤剖面記錄情況，對(duì)黑龍江省和吉林省的黑土層厚度按照薄層（＜30 cm）、中層（30～60 cm）和厚層（＞60 cm）進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，3 個(gè)厚度的土壤比例大致為4∶4∶2.

黑土層的減薄會(huì)造成土壤生產(chǎn)力的急劇下降［12，19］，但東北黑土區(qū)黑土層厚度變化特征尚未查清，亟需開展相關(guān)研究.為查明東北地區(qū)黑土層在近40 年的時(shí)空變化特征，本研究團(tuán)隊(duì)于2017 年對(duì)“二普”記錄的典型土壤剖面進(jìn)行了實(shí)地調(diào)查，通過(guò)土壤剖面判斷黑土層厚度，并與“二普”數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，從而較準(zhǔn)確地研究黑土層厚度變化情況，為黑土地保護(hù)決策提供數(shù)據(jù)支撐.

1 材料與方法

1.1 土壤剖面選擇

本次黑土層厚度調(diào)查以“二普”的典型土壤剖面為調(diào)查對(duì)象，數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)源于國(guó)家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)中心.該數(shù)據(jù)庫(kù)共有典型土壤剖面2 473 個(gè)，其中東北地區(qū)土壤剖面約450 個(gè)，每個(gè)剖面含有地理位置、土壤剖面分層數(shù)據(jù)以及不同層次的有機(jī)質(zhì)含量等參數(shù).由于受當(dāng)時(shí)技術(shù)限制，“二普”土壤剖面的位置并沒(méi)有經(jīng)緯度坐標(biāo)，而是以描述性信息為主，因此在野外調(diào)查前，先在地圖上按照描述信息盡可能將剖面位置準(zhǔn)確地投在地圖上，在野外調(diào)查時(shí)根據(jù)土壤景觀或土地利用方式等信息進(jìn)行位置調(diào)整，使調(diào)查位置更接近“二普”的實(shí)際位置.

在選定點(diǎn)位后，通過(guò)挖掘土壤剖面或土壤淺鉆的方式進(jìn)行土壤剖面的觀察（圖1），并劃定土壤層次.黑土層厚度主要依靠土壤層次特征以及Munssel 比色卡進(jìn)行判定.參考中國(guó)土壤系統(tǒng)分類和美國(guó)土壤系統(tǒng)分類中暗沃土層的顏色要求，土壤潤(rùn)態(tài)條件下，明度≤3，彩度≤3 的層位判定為黑土層［20-21］.如果局部地區(qū)黑土厚度空間變異性較大，需在附近打多個(gè)鉆孔確認(rèn)黑土層的平均厚度.2017 年6—10 月，共調(diào)查了171 個(gè)土壤剖面，經(jīng)室內(nèi)反復(fù)篩選，有61 個(gè)土壤剖面與“二普”有較嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系，其中黑土剖面14 個(gè)，草甸土剖面14 個(gè)，黑鈣土剖面11 個(gè)，暗棕壤剖面10 個(gè)，其他土壤（潮土、新積土、沼澤土、風(fēng)沙土、棕壤、褐土等）剖面12 個(gè)，其中有53 個(gè)剖面采自旱田，8 個(gè)采自林地.土壤剖面調(diào)查位置見圖2.

圖1 部分土壤剖面照片F(xiàn)ig.1 Photographs of soil profiles

圖2 土壤剖面點(diǎn)位圖Fig.2 Location map of soil profiles

1.2 黑土層厚度比較

采用比較法研究黑土層厚度的變化.由于土壤發(fā)生學(xué)分層時(shí)會(huì)存在過(guò)渡層，如AhB 層、BAh層等，為便于比較，需對(duì)本次調(diào)查和“二普”的黑土層厚度進(jìn)行數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換，特制定如下規(guī)則：1）黑土層厚度=Ah厚度＋AhB厚度×2/3，或Ah厚度＋BAh厚度×1/3，并經(jīng)剖面照片驗(yàn)證通過(guò)；2）參考AhB 層或BAh層的形態(tài)學(xué)特征，如團(tuán)粒或團(tuán)塊結(jié)構(gòu)計(jì)入，核狀結(jié)構(gòu)則不計(jì)入；3）O 層（枯枝落葉層）不計(jì)入黑土層厚度；4）白漿化黑土由于特殊發(fā)生學(xué)層次E 層（白漿層）的存在，黑土層厚度不能連續(xù)計(jì)算，故不參與統(tǒng)計(jì)分析.

2 結(jié)果與分析

2.1 黑土層厚度變化情況

對(duì)61 個(gè)土壤剖面實(shí)測(cè)厚度和“二普”記錄厚度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)（表1）.結(jié)果顯示，兩期黑土層厚度分布均呈左偏形態(tài)（圖3）.“二普”黑土層厚度在17～141 cm，平均值為44 cm，中位數(shù)為38 cm，2017 年實(shí)測(cè)黑土層厚度在5～105 cm，平均值為31.32 cm，中位數(shù)為25 cm.共有52 個(gè)土壤剖面的黑土層厚度減薄，9 個(gè)土壤剖面黑土層增厚，厚度變化范圍為-45～＋35 cm，集中分布于-20～＋10 cm 之間，平均值為-12.67 cm，中位數(shù)為-12 cm，說(shuō)明黑土層整體呈減薄趨勢(shì).與“二普”相比，黑土層厚度的減薄比例平均值為-25.4%，說(shuō)明黑土層厚度在37 年內(nèi)平均減薄了約1/4，黑土層平均減薄速率為0.32 m/a，與前人的觀點(diǎn)基本吻合［15］.黑土層厚度變化值與“二普”黑土層厚度整體成負(fù)相關(guān)關(guān)系（圖4），即黑土層初始厚度越大，其減薄的厚度越大.

圖3 黑土層厚度直方圖Fig.3 Histogram of black soil layer thickness

圖4 黑土層厚度變化值與“二普”黑土層厚度散點(diǎn)圖Fig.4 Scatter diagram of black soil layer thickness variation vs.thickness by the 2nd national soil survey

表1 黑土層厚度統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistics of black soil layer thickness

2.2 黑土層厚度變化的空間分布

黑土層厚度的空間分布具有一定規(guī)律性，整體表現(xiàn)為遼寧省最薄、黑龍江省和吉林省較厚的分布特征（圖5A、B）.遼寧省黑土層實(shí)測(cè)厚度在8～25 cm 之間，平均值僅16.5 cm.黑龍江省和吉林省實(shí)測(cè)黑土層厚度平均值分別為33.38 cm 和37.47 cm，中位數(shù)均為30 cm（表2）.

表2 四省（區(qū)）黑土層實(shí)測(cè)厚度及變化量統(tǒng)計(jì)表Table 2 Statistics of surveyed thickness and variations of black soil layer in four provinces/regions

經(jīng)單因素方差檢驗(yàn)，四?。▍^(qū)）黑土層厚度的變化值具有顯著差異.在過(guò)去近40 年的時(shí)間里，吉林省黑土層厚度減薄最為嚴(yán)重（圖5C），平均減薄了23.65 cm，遼寧省和內(nèi)蒙古自治區(qū)黑土層平均減薄厚度分別為11.83 cm 和10.33 cm，而黑龍江省黑土層減薄最小，平均減薄了6.83 cm.

黑土層減薄比例結(jié)果顯示，吉林、遼寧、內(nèi)蒙古和黑龍江的黑土層減薄比例平均值分別為40.96%、37.22%、21.52%和11.80%（圖5D），減薄速率分別為0.64、0.32、0.28 和0.18 cm/a.

圖5 黑土層厚度分布及變化圖Fig.5 Distribution and variation of black soil thickness

綜上可知，無(wú)論從黑土層減薄厚度和減薄比例看，吉林省的情況最為嚴(yán)重，雖然目前黑土層平均厚度仍在30 cm 以上，但其減薄比例和速率最大.吉林省的南部已經(jīng)是黑土土類分布的南端，如果在這樣的侵蝕速率下，黑土層逐漸變薄，土壤將發(fā)生逆向演替，即黑土→黑黃土→黃黑土→破皮黃→黃土，土壤肥力及土地生產(chǎn)力可能會(huì)快速下降.遼寧省黑土層減薄厚度在10 cm 左右，雖然與內(nèi)蒙古類似，但由于遼寧省“二普”的黑土層厚度本底較薄，因此其下降比例達(dá)到37.22%，遠(yuǎn)高于內(nèi)蒙古的21.52%.

2.3 不同類型土壤黑土層厚度變化情況

不同類型土壤的黑土層發(fā)育程度往往不同，但另一方面，即使是同一種土壤類型，在不同地區(qū)也會(huì)表現(xiàn)出較明顯的差異性.本次調(diào)查的土壤類型包括黑土、黑鈣土、暗棕壤、草甸土以及其他土壤類型，經(jīng)單因素方差檢驗(yàn)，各土壤類型的黑土層厚度及變化量在P≤0.05 水平上均不顯著.原因主要是本次調(diào)查的土壤剖面空間跨度大，氣候-生物條件范圍廣，同一類型土壤的黑土層厚度變異性較大（圖6）.這說(shuō)明不能簡(jiǎn)單地利用土壤類型來(lái)研究黑土層厚度變化，還要考慮研究區(qū)土壤類型的空間分布范圍，在上一節(jié)中，各?。▍^(qū)）黑土層厚度具有顯著差異也表明，在區(qū)域尺度上，黑土所處空間位置對(duì)黑土層發(fā)育的重要性要大于土壤類型的作用［22］.

圖6 不同土壤類型黑土層厚度箱線圖Fig.6 Box plot of black soil layer thickness by soil types

3 黑土層厚度變化原因分析

3.1 氣候因素

在全球及區(qū)域尺度上，氣候?qū)ν寥烙袡C(jī)質(zhì)的積累和黑土層的形成往往起到?jīng)Q定性作用［23］.一方面，氣候通過(guò)影響地表植被類型及其生物量，控制有機(jī)質(zhì)進(jìn)入土壤環(huán)境中的數(shù)量和深度；另一方面，水熱因素通過(guò)影響土壤微生物活性，控制了土壤有機(jī)質(zhì)的分解與礦化速率，進(jìn)而影響有機(jī)質(zhì)的積累量［24］.溫度越高，土壤微生物對(duì)有機(jī)質(zhì)的分解率越高［25］，土壤有機(jī)質(zhì)積累越慢［26］，越不利于黑土層的形成，因此遼寧的黑土層發(fā)育厚度要薄于吉林和黑龍江.

近代以來(lái)，隨著人類工業(yè)文明的興起，全球氣候發(fā)生劇烈變化，整體表現(xiàn)為氣溫的顯著升高和降雨的不均勻性［27］.東北地區(qū)是中國(guó)緯度最高的地區(qū)，同時(shí)也是氣溫升高最顯著的地區(qū)之一［28］.1961—2017 年，東北區(qū)域年平均氣溫升高速率為0.31 ℃/10 a，高于全國(guó)同期平均升溫速率和全球近50 年升溫速率［29］.溫度升高會(huì)提高土壤微生物活性，加快有機(jī)質(zhì)的分解［30］，進(jìn)而對(duì)黑土層的發(fā)育產(chǎn)生負(fù)面效應(yīng).但同時(shí)也有研究表明，氣溫升高并不是中國(guó)北方土壤有機(jī)質(zhì)下降的主導(dǎo)因素［31］.利用東北地區(qū)1980 年和2015 年的氣溫?cái)?shù)據(jù)（來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心），計(jì)算了東三省土壤調(diào)查點(diǎn)所在位置的氣溫變化值，并與黑土層厚度變化進(jìn)行相關(guān)性分析（圖7）.結(jié)果顯示，吉林省黑土層減薄厚度與氣溫升高值呈顯著的負(fù)相關(guān)性（P＜0.05），說(shuō)明溫度升高越明顯的地區(qū)，土壤有機(jī)質(zhì)下降越明顯，黑土層的厚度也呈現(xiàn)減薄的趨勢(shì).黑龍江省和遼寧省的黑土層厚度與氣溫沒(méi)有顯著相關(guān)性，可能與調(diào)查點(diǎn)比較分散有關(guān)，其他因素的影響要強(qiáng)于溫度變化，從而掩蓋了氣候?qū)谕翆雍穸鹊淖饔?

圖7 黑土層厚度變化與氣溫變化散點(diǎn)圖Fig.7 Scatter plot of black soil layer thickness variation vs.temperature change

3.2 侵蝕作用

東北黑土區(qū)地形以漫川漫崗為主，特征為坡緩坡長(zhǎng)，平原區(qū)坡度一般為1～5°，山前沖洪積臺(tái)地坡度多在3～8°［32］，這種地貌下，黑土水蝕發(fā)育，對(duì)黑土層的減薄具有重要影響［33］.水蝕作用主要發(fā)生在坡的上部，坡上黑土水分飽和后形成徑流，沿坡面向坡下流失，部分表層黑土可形成固體徑流，由坡上轉(zhuǎn)移到坡下，甚至流入江河.面蝕最嚴(yán)重的時(shí)期主要發(fā)生在春季耕作前，表層黑土解凍后隨水流一起流失，在作物生長(zhǎng)季，由于有植被的影響，面蝕較弱.在緩坡底部，黑土的堆積作用通常大于侵蝕作用［34］，造成黑土的空間再分布，這也是本次調(diào)查中個(gè)別土壤黑土層增厚的原因.

為了探討黑土層厚度變化與侵蝕的關(guān)系，利用DEM 數(shù)據(jù)計(jì)算了調(diào)查點(diǎn)位的坡度值（圖8）.線性回歸分析結(jié)果表明，各省黑土層厚度變化值與坡度之間均不具有顯著的相關(guān)性.前人研究表明，坡度、坡長(zhǎng)和土壤所處位置都對(duì)侵蝕強(qiáng)度產(chǎn)生影響［12］，因此在區(qū)域尺度上，難以用坡度等單個(gè)指標(biāo)來(lái)定量分析侵蝕對(duì)黑土減薄的影響.近期一項(xiàng)研究表明，松遼平原東部黑土區(qū)水蝕對(duì)黑土的侵蝕速率在0～3 mm/a，在此速率下，黑土層可能在113 a 后侵蝕消失［35］，因此侵蝕對(duì)黑土的影響不容忽視.

圖8 黑土層厚度變化與坡度散點(diǎn)圖Fig.8 Scatter plot of black soil layer thickness variation vs.slope gradient

4 黑土層厚度研究展望

黑土層厚度是東北黑土地的一個(gè)重要指標(biāo)，但至今研究程度較低.未來(lái)應(yīng)著重開展以下兩個(gè)方面工作：一是制定科學(xué)的黑土層厚度判定規(guī)則，二是加強(qiáng)黑土層厚度的空間制圖方法研究.

4.1 黑土層厚度判定

在土壤調(diào)查中，土壤顏色通常是野外劃定土壤層次的最直觀方式，Munsell 色卡可以將土壤顏色定量化，但仍具有較大的主觀性和異讀性，導(dǎo)致厚度監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確度不高.有學(xué)者提出利用圖像處理判別黑土層厚度的方法［36-37］，即對(duì)土壤剖面拍照后，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像處理后劃定土壤層次，然而受照相設(shè)備、土樣特性、照相環(huán)境等影響，較難達(dá)到理想的判別結(jié)果，不利于大面積推廣使用.近年來(lái)有學(xué)者利用便攜式測(cè)色儀測(cè)定不同深度風(fēng)干土壤的顏色指標(biāo)［38］，建立了相對(duì)可靠的土壤色調(diào)、明度、彩度與有機(jī)質(zhì)含量的模型.這種通過(guò)儀器設(shè)備將顏色定量化的方式應(yīng)在黑土層判定中開展實(shí)踐探索.

4.2 黑土層厚度空間制圖

黑土層的厚度空間分布圖有助于直觀感受黑土的薄厚分布及變化情況，對(duì)于制定黑土保護(hù)措施具有重要意義.黑土厚度空間制圖首先要建立標(biāo)準(zhǔn)的黑土厚度判定方法，然后根據(jù)制圖比例尺按相應(yīng)密度測(cè)定區(qū)域內(nèi)一定數(shù)量點(diǎn)位的黑土層厚度，最后結(jié)合GIS 手段，以土壤類型、地形地貌和土地利用方式等作為環(huán)境影響因子，建立黑土層厚度與影響因子間的關(guān)系方程［39］.目前在景觀尺度已有土壤厚度制圖的相關(guān)研究［33，40-41］，但由于區(qū)域尺度土壤厚度的空間變異性大，其空間制圖方法和精度仍是挑戰(zhàn).

5 結(jié)論

與近40 年前相比，本次調(diào)查的61 個(gè)土壤剖面中，有52 個(gè)土壤剖面黑土層厚度減薄，9 個(gè)土壤剖面黑土層增厚，厚度變化范圍為-45～＋35 cm，整體呈減薄趨勢(shì)，平均減薄了約1/4，減薄速率為0.38 cm/a.

在空間上，吉林省黑土層厚度減薄最為嚴(yán)重，平均減薄了23.65 cm，減薄比例達(dá)到40.96%.遼寧省和內(nèi)蒙古東部黑土層平均減薄厚度分別為11.83 cm 和10.33 cm，但遼寧省減薄比例達(dá)到37.22%.黑龍江省黑土層厚度變化最小，平均減薄了6.83 cm.

水蝕作用是東北地區(qū)黑土層減薄的重要因素，本研究發(fā)現(xiàn)，氣溫升高能加快土壤有機(jī)質(zhì)的分解，對(duì)黑土層的發(fā)育和保持具有負(fù)面效應(yīng).

致謝：感謝國(guó)家科技資源共享服務(wù)平臺(tái)-國(guó)家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)中心（http：//soil.geodata.cn）和中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心（www.resdc.cn）提供的數(shù)據(jù)支撐；感謝沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)徐威副教授對(duì)本文給予的指導(dǎo).